Subcapitolul 3 - 2.3 Aducţiunile cu pompare - Normativ din 2012 privind calculul loviturii de berbec la conductele pentru transportul apei - Indicativ NP 128:2011

M.Of. 129 bis

În vigoare
Versiune de la: 23 Martie 2012
SUBCAPITOLUL 3:2.3 Aducţiunile cu pompare
(1)Aducţiunile cu pompare au în compunere cel puţin o staţie de pompare.
(2)O staţie de pompare poate fi plasată la capătul amonte al aducţiunii-cazul cel mai frecvent, preluând apa direct de la sursă (care se prezintă, cel mai des, sub forma unui bazin de aspiraţie) sau poate fi plasată undeva pe traseul acesteia, caz în care avem o "staţie de pompare cu conductă lungă de aspiraţie", când apa este preluată direct din conductă. Există şi situaţii când pe traseul aducţiunii se află mai multe staţii de pompare care aspiră din conductă, aşa numitele "staţii de re-pompare".
(3)Alcătuirea constructivă şi echiparea staţiilor de pompare este extrem de diversă.
(4)Există staţii de pompare cu "cuvă umedă", echipate cu pompe cu ax vertical şi staţii de pompare cu "cuvă uscată", echipate cu pompe cu ax orizontal. Există staţii de pompare auto-amorsante sau nu. Există staţii de pompare în care grupul de pompe este montat "în paralel" şi staţii de pompare în care grupul de pompe este montat "în serie".
(5)Dotarea cu "armături" a staţiilor de pompare este şi ea extrem de diversă. Pe aspiraţia şi pe refularea fiecărei pompe din staţie ca şi pe aspiraţia şi pe refularea întregii staţii se pot afla vane, clapete de sens, şi altele, iar caracteristicile constructive şi funcţionale ale acestora sunt extrem de diverse, depinzând de necesităţile tehnologice ale proiectului şi de gama de produse oferită de furnizori.
(6)Aşa cum prevede Normativul, calculele de lovitură de berbec vor ţine seama de absolut toate detaliile proiectului pentru că toate pot avea un impact asupra desfăşurării fenomenului şi influenţează alegerea corectă a măsurilor şi mijloacelor de protecţie.
(7)Pentru expunerea de faţă, s-a ales una din formele cele mai răspândite ale aducţiunilor cu pompare şi pe care, pe de altă parte, se pot explica principalele efecte şi particularităţi ale desfăşurării fenomenului de lovitură de berbec. Pentru explicaţii se face referire la figura 2.4.
(8)În această figură, grupul de pompe din staţia de pompare este înlocuit de "pompa echivalentă" P ale cărei caracteristici se determină după regulile cunoscute, după cum pompele sunt montate în paralel sau în serie.
(9)Pe refularea pompei (echivalente) P se află clapeta de sens C şi vana V care sunt, la rândul lor, "echivalentele" clapetelor şi respectiv vanelor care se găsesc în mod real pe refulările pompelor. Mai rar, există clapetă de sens şi vană chiar pe conducta de refulare (pe aducţiune), la ieşirea din staţia de pompare şi, atunci, clapeta C şi vana V sunt reale.
(10)Pentru conducta de refulare (aducţiunea propriu-zisa) s-a desenat un profil longitudinal "convex" cu două puncte proeminente (vârfuri de deal), punctele de inflexiune PI1 şi PI2, unde au loc schimbări importante de pantă. Conducta de refulare debuşează în bazinul de refulare BR.
(11)Clapeta de sens (de reţinere) C are rolul de a împiedica curgerea inversă prin pompă, atât pentru a nu irosi apa pompată cât, mai ales, pentru a împiedica ambalarea pompei, funcţionând în regim de turbină, atunci când momentul motor devine zero (ca urmare a întreruperii alimentării cu energie electrică a motoarelor de antrenare a pompelor). În cazuri mai speciale, în locul clapetei de sens există o vană programată, cu închidere automată, declanşată în momentul întreruperii alimentării cu energie electrică a motoarelor de antrenare.
(12)Vana V are doar rolul de izolare a pompei pentru intervenţii, inclusiv la clapeta C şi la celelalte armături de pe refulare sau de pe aspiraţie. De aceea, această vană nu va fi manevrată în timpul funcţionării pompei şi nu este luată în consideraţie în studiul loviturii de berbec. În instrucţiunile de exploatare ale staţiei de pompare se vor face precizări în acest sens.
Figura 2.4 - Aducţiunea cu pompare
(13)Manevra care declanşează fenomenul de lovitură de berbec, obligatoriu a fi luată în considerare conform Normativului, este întreruperea bruscă şi intempestivă a alimentării cu energie electrică a staţiei care conduce la anularea instantanee a momentului motor la axul pompelor şi oprirea concomitentă a tuturor pompelor în funcţiune la acel moment, fără să existe posibilitatea intervenţiei umane şi, cu atât mai mult, respectarea procedurilor normale de oprire.
(14)În funcţie de tipul şi de caracteristicile pompelor, în interacţiune cu sistemul hidraulic, dar mai ales în funcţie de mărimea momentului de inerţie al tuturor părţilor rotative aflate în cuplaj (motorul + pompa + cuplajul mecanic dintre ele + apa din pompă), pompa se opreşte mai repede sau mai încet dar, oricum, într-un timp de ordinul secundelor, adică foarte repede. În acest timp scurt, debitul şi înălţimea de pompare "furnizate" de pompă scad la zero, odată cu turaţia. Dacă curgerea inversă nu este blocată, atunci se poate ajunge la inversarea turaţiei şi transformarea turbopompei în turbină, după ce, în prealabil, aceasta a trecut şi prin regimul de "frână".
(15)Odată cu scăderea la zero a debitului pompat şi a înălţimii de pompare, se produce prima fază a loviturii de berbec, o fază de "subpresiuni" în care presiunile scad, înfăşurătoarea presiunilor minime, notată cu Lp.min.1, aflându-se mult sub linia piezometrică de regim Lp.0.
(16)Aşa cum s-a mai arătat, prin reflexie la bazinul de refulare, undele de scădere a presiunii din prima fază se transformă în unde de creştere a acesteia şi urmează faza a doua a loviturii de berbec, o fază de "suprapresiuni" în care presiunile cresc, înfăşurătoarea presiunilor maxime, notată cu Lp.max, aflându-se deasupra liniei piezometrice de regim Lp.0.
(17)Dacă curgerea inversă este permisă (clapeta C nu există sau nu se închide), atunci suprapresiunile sunt reduse (linia piezometrică Lp.max.1). În schimb, există riscul ambalării turbopompelor, în regim de turbină, pană la valori care să ducă la distrugerea acestora. Există şi pompe care nu admit deloc rotirea în sens invers (din cauza lagărelor care permit rotirea într-un singur sens). Dacă la aceasta se adaugă pierderile de apă, este evident faptul că organe de blocare automată a curgerii inverse de tipul clapetelor de reţinere sau a vanelor cu închidere automată sunt obligatorii în schema unei staţii de pompare.
(18)Clapetele ideale din punctul de vedere al loviturii de berbec sunt acelea care se închid în momentul inversării curgerii sau chiar cu puţin înainte, fiind prevăzute, în acest scop, cu dispozitive de rapel (resorturi, contra-greutăţi). În acest caz, suprapresiunile care se produc în faza a doua sunt moderate (linia piezometrică Lp.max.2).
(19)Folosirea clapetelor la care închiderea este întârziată cu ajutorul unor frâne sau amortizoare nu se recomandă. Explicaţia acestei recomandări este dată mai jos, cu referire la figura 2.5.
(20)Variaţia coeficientului de pierdere de sarcină locală al unei vane (clapete) în funcţie de gradul de închidere a are alura din figura 2.5.a. Mai precis, pană la un grad de închidere de 70... 80%, pierderea de sarcină rămâne destul de mică şi ea creşte puternic doar pe ultimii 20... 30%, pană la închiderea totală. Se poate spune că, de fapt, închiderea efectivă a vanei se produce doar pe ultimii 20.30% ai gradului de închidere. Dacă închiderea se face cu întârziere fată de momentul inversării debitului, presupunând ca legea de închidere este liniară (viteza de închidere este constantă pe toată durata acesteia - linia întreruptă din figura 2.5.b), atunci în cea mai mare parte a timpului rezistenţa hidraulică a vanei este redusă şi curentul de apă se accelerează, în sens invers, până la valori foarte mari; atunci intervine practic închiderea vanei, cu valorile foarte mari ale pierderii de sarcină de pe ultima parte a gradului de închidere. Se produce, practic, o închidere bruscă a vanei, în momentul în care viteza apei este foarte mare, care se soldează cu suprapresiuni extrem de mari (conform cu relaţia lui Jukovski-linia piezometrică Lp.max.3). Reflexia la bazinul de refulare BR a acestor suprapresiuni foarte mari poate produce o nouă fază de subpresiuni, când linia piezometrică poate să coboare chiar sub cea din prima fază - linia piezometrică Lp.min.2.
(21)Probleme asemănătoare apar şi în cazul când în locul clapetei de reţinere există o vană cu închidere automată, comandată de dispariţia tensiunii electrice (pentru a se închide, ca şi clapetele, în momentul opririi pompelor). Pentru a se evita fenomenele periculoase descrise mai sus, aceste vane trebuie programate să se închidă cu două viteze şi anume (vezi figura 2.5.b):
a)o viteză foarte mare la început, în timpul Tp, care este de ordinul de mărime al timpului în care se inversează curgerea; în acest timp, vana ajunge la un grad de închidere de 70.80%, având însa o rezistenţă hidraulică suficient de mică pentru ca să nu accentueze subpresiunile din prima fază;
b)o viteză foarte mică apoi, până la închiderea totală, la momentul Ti (timpul total de închidere); viteza mică de închidere, atunci când rezistenţa hidraulică a vanei a devenit foarte mare şi când are loc, de fapt, închiderea efectivă a acesteia, asigură, pe de o parte, o limitare a debitului şi vitezei în sens invers (cu eliminarea riscului de ambalare a pompei) şi, pe de altă parte, o limitare a suprapresiunilor;
Figura 2.5 - Legea de închidere a vanei
- a - variaţia coeficientului de pierdere de sarcina funcţie de gradul de închidere
- b - variaţia gradului de închidere funcţie de timp
(22)Referitor la liniile piezometrice Lp.min se face menţiunea că în figură nu s-a luat în considerare faptul că atunci când vacuumul ajunge la limita de cavitaţie, prin vaporizarea instantanee a lichidului şi formarea pungilor de vapori, presiunea este limitată la această valoare (cca. -1 bar) iar linia piezometrică (minimă) se confundă cu linia de cavitaţie (aflată la 8...10 m sub axul conductei şi paralelă cu acesta).
(23)Acest mod de reprezentare are însă avantajul că scoate bine în evidenţă rolul hotărâtor pe care îl are forma profilului longitudinal pentru valoarea presiunilor minime. Pentru forma de profil din figură, la manevrele discutate mai sus (fără protecţie), practic întreaga aducţiune este supusă unui vacuum avansat sau cavitaţiei. Dacă profilul longitudinal ar fi avut o formă "concavă" iar punctele de inflexiune PI1 şi PI2 ar fi fost plasate mult mai jos, vacuumul ar fi fost mai redus şi s-ar produs pe porţiuni mult mai restrânse din lungimea aducţiunii.
(24)În urma calculului presiunilor pot exista, practic şi în principal, trei situaţii care se descriu pe larg mai jos.
a)Dacă singura problemă o constituie apariţia vacuumului şi a cavitaţiei, protecţia poate fi rezolvată şi se recomandă a fi rezolvată doar prin instalarea unor ventile de introducere a aerului (notate cu V pe figură). Amplasarea şi tipo-dimensiunea acestor ventile va rezulta din calculul de lovitură de berbec în care se va căuta, prin încercări succesive, varianta care asigură un cost total minim. Întrucât, în multe situaţii va trebui să se instaleze astfel de ventile în punctele "înalte" ale profilului, acestea vor fi de tipul "aerisire - dezaerisire", capabile să şi evacueze aerul care se acumulează în timp. Folosirea hidroforului de protecţie H nu se recomandă deoarece, pentru a proteja întreaga conductă, rezultă volume de hidrofor extrem de mari, prohibitive ca preţ. La volume şi costuri rezonabile ale hidroforului, rămân de regulă zone ne-acoperite, în care vacuumul se menţine şi unde vor trebui totuşi instalate şi ventile de aer (vezi linia piezometrică Lp.min.3).
b)Dacă singura problemă o constituie presiunile maxime care sunt depăşite, atunci protecţia poate fi rezolvată şi se recomandă a fi rezolvată doar prin instalarea unui hidrofor H la ieşirea din staţia de pompare. Calculul conduce, de regulă, la hidrofoare cu volume mici şi rezistenţe mari de branşament, convenabile din punct de vedere economic.
c)Dacă este necesară protecţia atât la subpresiuni cât şi la suprapresiuni, se recomandă o soluţie de protecţie "hibridă", astfel:
i)la ieşirea din staţia de pompare se recomandă instalarea unui hidrofor de protecţie H cu volum mic şi rezistenţă mare de branşament, dimensionat să asigure doar protecţia la suprapresiuni;
ii)hidroforul, astfel dimensionat, va avea o capacitate limitată de reducere a vacuumului şi, de regulă, din acest punct de vedere vor rămâne zone ne-acoperite; pentru eliminarea totală a vacuumului sau aducerea lui în limite admisibile se vor instala şi un număr de ventile de aer al căror amplasament şi tipo-dimensiune se determină prin calcul pentru a avea, împreună cu hidroforul, soluţia cea mai ieftină.