Www2 9 Cevovod Gravitacionog Dovoda Vode

TEHNIČKO REŠENJE: CEVOVOD GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIH KOMORA OD IZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE Rukovodilac projekta i odgovorno lice: Prof. dr Božidar Bogdanović Autori: dr Božidar Bogdanović, red. prof, dr Gradimir Ilić, red. prof., Jasmina BogdanovićJovanović, asistent i mr Živan Spasić, asistent. Razvijeno: za potrebe fabrika za flaširanje vode Godina: 2006. Primena: 2006. KRATAK OPIS Gravitacioni cevovodi za dovod vode do fabrika za flaširanje planinskih izvorskih voda obično se projektuju sa prekidnim komorama pritiska, po analogiji sa gravitacionim cevovodima za napajanja gradskih vodovodnih mreža. Pri tom se ne vodi računa o funkcionalnim razlikama ova dva vodovoda i zanemaruju se strogi zahtevi očuvanja kvaliteta izvorske vode koja se flašira. U sistemima gravitacionih gradskih vodovoda, prekidne komore na trasi napojnog cevovoda imaju zadatak da ograniče najveći pritisak u cevovodu, koji nastaje kada potrošači ne troše vodu ili je potrošnja vode mala. U prekidnim komorama pritiska, kao i u deonicama cevovoda u kojima voda struji ne ispunjavajući pun protočni presek, voda je u dodiru sa vazduhom, što pretstavlja mogućnost njenog bakteriološkog zagađenja. Cevovоd gravitacionog dovoda vode bez prekidnih komora je novo tehničko rešenje koje omogućava transport vode tako da se ona na transportnom putu od izvorišta do fabrike za flaširanje biološki ne zagaditi. Napojni cevovod treba projektovati tako da se eliminišu sva mesta mogućeg dodira vode sa vazduhom, kao što su prekidne komore, ali i strujanje vode u cevima kada nije ispunjen poprečni presek cevi. Tehničke karakteristike: Gravitacioni sistem bez prekidnih komora za transport čiste vode sastoji se iz gravitacionog cevovoda koji u svom sastavu ima regulacioni ventil (koji se može potpuno zatvoriti), ventile sigurnosti, normirane blende za ostvarivanje strujanja vode sa punim protočnim presekom cevovda i trokraku slavinu na izlazu iz cevovoda, čiji je jedan krak povezan sa cevovodom kojim se voda odvodi u fabrički rezervoar, a drugi krak je povezan sa cevovodom kojim se voda odvodi u okolinu. Tehničke mogućnosti: Cevovod gravitacionog dovoda vode bez prekidnih komora omogućava transport vode od izvorišta do fabrike za flaširanje vode, tako da se izbegne da voda na svom transportnom putu bude u kontaktu sa vazduhom, a da su pritom ostvarene sve funkcije kontinulanog snabdevanja vodom, regulacija protoka i preusmeravanje protoka vode trokrakom slavinom u slučaju remonta fabričkog rezervoara. Realizatori projekta: Mašinski fakultet Niš Korisnici: FIN Invest Podgorica. 1

CEVOVOD GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIH KOMORA OD IZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE Cevovod gravitacionog dovoda vode bez prekidnih komora od izvorišta do fabrike za flaširanje čiste izvorske vode je novo tehničko rešenje kojim se ostvaruje transport vode, bez mogućnosti njenog bakteriološkog zagađenja, a da su pri tom ostvarene sve potrebne funkcije kontinualnog snabdevanja vodom. Osim zadovoljavanja kriterijuma očuvanja kvaliteta čiste izvorske vode, ovakvo rešenje je i ekonomski isplativije, jer ne zahteva izgradnju prekidnih komora koje u ovom slučaju moraju biti izrađene od prohroma ili sličnih nekorozivnih materijala, kao i prateću armaturu koja se specijalno proizvodi da bi se obezbedilo odsustvo moguće kontaminacije vode. Da bi se izbegla ugradnja prekidnih komora pritiska, a, sa druge strane, da bi se izbegla ugradnja skupih debelozidnih cevi, regulacioni ventil treba ugraditi na poziciji koja nije mnogo niža od kote izvorišta, a na nizvodnoj strani cevovoda (od regulacionog ventila) ne smeju biti ugrađeni zatvarači. Po otvаranju zatvarača napojnog cevovoda (koji je kod izvorišta) cevovod je stalno protočan. Na kraju napojnog (dovodnog) cevovoda ugrađuje se trokraka slavina, čiji je jedan krak povezan sa fabričkim rezervoarom, a drugi krak je povezan sa cevovodom kojim se voda odvodi u okolinu. Trokrakom slavinom ne može se prekinuti protok kroz napojni cevovod (protok se može samo preusmeriti, ili u fabrički rezervoar, ili u okolinu). Preusmeravanje protoka trokrakom slavinom (u okolinu) vrši se samo u slučaju remontnih radova na fabričkom rezervoaru. Fabrički rezervoar je zatvorenog tipa, potpuno ispunjen vodom (sa prelivnim odvodom viška vode). Funkcija ovog rezervoara je da obezbedi konstantan pritisak napajanja fabrike vodom. U slučaju prekida proizvodnje, napajanje fabrike vodom prekida se korišćenjem zatvarača na cevovodu kojim je ovaj rezervoar povezan sa fabrikom. Geoliški i spoljašnji uticaji mogu da izazovu lokalnu deformaciju i smanjenje protočnog preseka cevi, što, u ekstremnom slučaju, može da dovede do velikog smanjenja (pa i prekida) protoka i velikog povećanja pritiska ucevovodu. Radi obezbeđenja cevovoda i od ovakvih, malo očekivanih, uzroka nedozvoljenog povećanja pritiska, na odgovarajućim pozicijama cevovoda (prema nazivnim pritiscima izabranih cevi) ugrađuju se ventili sigurnosti. Eliminisanjem prekidnih komora izbegnuta je jedna od mogućnosti kontakta transportovane vode sa vazduhom. Druga mogućnost kontakta transportovane vode i vazduha je sam cevovod – ako voda u njemu struji sa slobodnom površinom (sa nepotpuno ispunjenim protočnim presekom cevovoda). Da bi strujanje u cevovodu bilo pod nadpritiskom (sa potpuno ispunjenim protočnim presekom cevi) izbor prečnika cevi treba izvršiti tako da pijezometarska linija cevovoda uvek bude iznad linije gornje kote cevi (pijezometarskom linijom cevovoda zove se linija koja povezuje pijezometarske visine u presecima cevovoda, a pijezometarskom visinom u posmatranom preseku cevovoda zove se visinski ekvivalent natpritiska vode u posmatranom preseku cevovoda). U cilju ostvarivanja uslova strujanja vode u cevima pod nadpritiskom, u vodovodni sistem se ugrađuju normirane prigušne blende. Prečnici otvora prigušnih blendi zavise od veličine regulisanog protoka kroz cevovod. 2

Radi udaljavanja vazduha iz cevovoda (specijalno u fazi puštanja vodovoda u rad) iza regulacionog ventila i prigušnih blendi postavljaju se odzračni vazdušni ventili. Hidraulički proračun cevovoda gravitacionog dovoda bez prekidnih komora Za izračunavanje gubitka napora u pravolinijskim deonicama cevovoda konstantnog prečnika (D=const.), u kojima je strujanje pod natpritiskom, može se koristiti Darsijeva formula,

Dh L = l

L c2 , D 2g

(1)

gde su: l - Darsijev koeficijent trenja, D – unutrašnji prečnik cevi (D=const.), L – dužina 4Q cevovoda, c = - brzina strujanja vode, Q – zapreminski protok vode, g=9,81 m/s2. 2 pD Od brojnih formula za izračunavanje koeficijenta l , kao dovoljno pouzdanu, a jednostavnu, izdvajamo formulu Altšula æ 68,5 ö l = 0,11 ç + d÷ è Re ø

0,25

,

gde je d = d / D - relativna hrapavost unutrašnjeg zida cevi, a Re = cD / n - Rejnoldsov broj ( n kinematička viskoznost, n = 1,3 ×10 -6 m2/s za vodu temperature 10oC). Lokalni gubici napora u kolenima (prelomima trase cevovoda), regulacionom ventilu i drugi, računaju se korišćenjem formule c2 Dh lok = x , (2) 2g gde je x - koeficijent lokalnog gubitka napora (koji zavisi od vrste lokalnog otpora). Gubitak napora u deonici cevovoda između protočnih preseka 1 i 2 je:

å Dh = å Dh + å Dh 1- 2

1- 2

L

1- 2

lok

,

(3)

a ako je strujanje u ovoj deonici cevovoda sa punim protočnim presekom (sa natpritiskom, kod gravitacionih cevovoda), gubici napora se računaju korišćenjem formula (1) i (2). Pri proračunu gubitka napora korišćenjem formula (1) i (2) treba računati na greške u dobijenim rezultatima, u granicama od ±3%, kao i na mogućnost kompenzacija ovih grešaka regulacionim ventilom (pri puštanju cevovoda u rad). Potrebna pijezometarska visina na kraju cevovoda je:

H pKC = ( z R - z KC ) +

å Dh +

KC - R

p m.R , rg

(4)

gde su: z R - najveća kota vode u fabričkom rezervoaru, z KC - kota kraja cevovoda, 3

å Dh - gubitak napora u trokrakoj slavini na kraju cevovoda i u cevi kojim se ova spaja sa

KC - R

rezervoarom, p m.R - traženi natpritisak vode u rezervoaru. Označavajući sa zo kotu nivoa vode u rezervoaru kaptaže izvorišta (a ako ovaj podatak nije poznat, kotu početka cevovoda), a sa zx – kotu cevovoda u proizvoljno izabranom preseku (x), korišćenjem energijskih jednačina za strujni tok od izvorišta do preseka x i za strujanje od preseka x do kraja cevovoda (KC), dolazi se do jednačine ravnoteže gubitka napora:

å Dh + å Dh = ( z 0 -x

x - KC

o

- z KC ) + H pKC ,

(5)

gde su:

å Dh - gubici napora od početka cevovoda do proizvoljno izabranog preseka na trasi (x), 0- x

å Dh - gubici napora od preseka x do kraja cevovoda.

x - KC

Da bi strujanje u cevovodu bilo sa potpuno ispunjenim protočnim presecima cevi, jednačina ravnoteže gubitaka napora (3) mora, u svim protočnim presecima cevovoda, biti zadovoljena sa gubicima napora računatim korišćenjem formula (1) i (2). Jednačinu (5), sa gubicima napora računatim korišćenjem formula (1) i (2), zovemo jednačinom ravnoteže gubitaka napora za strujanje sa potpuno ispunjenim protočnim presecima cevovoda. Teorijski gledano, podelom cevovoda na veći broj deonica i odgovarajućim izborom njihovih protočnih preseka, mogli bismo da dimenzionišemo cevovod tako da jednačina ravnoteže gubitaka napora za strujanje sa potpuno ispunjenim presecima cevovoda bude zadovoljena u svim protočnim presecima. Do ovakvog rešenja bi se došlo iterativnim proračunom (promenom dužina deonica i njihovog broja). Čak i da se zanemare greške u proračunu (zbog približno određenih koeficijenata koji figurišu u formulama (1) i (2)), ovakav cevovod bi bio sa vrlo velikim brojem deonica različitog prečnika cevi i, što je važnije, kroz ovakav cevovod se ne bi mogao povećati protok, ako bi se priključenjem drugog izvorišta želeo da poveća kapacitet rada fabrike za flaširanje vode. Realno, zbog poznate greške u proračunu, a i zbog mogućeg povećanja protoka kroz cevovod (za šta projektantu treba dati podatke), cevovod se projektuje sa nekoliko deonica različitih prečnika cevi, a osim regulisanog gubitka napora u regulacionom ventilu, dopunski lokalni gubici napora, koji bi zadovoljili jednačinu ravnoteže gubitka napora za strujanje sa potpuno ispunjenim protočnim presecima cevovoda, koriste se prigušne blende, na čiji se rad ne može spolja uticati. Kao prigušne blende koriste se normirane blende (prema nemačkim VDI 2040 normama iz 1971. godine), čija je osnovna namena prigušnih merača protoka u cevovodu, a o kojima postoje pouzdani podaci o koeficijentu protoka i koeficijentima gubitka napora koje ove blende stvaraju. Prema izmerenom padu pritiska u normiranoj blendi ( Dp bl ), protok se izračunava formulom: Q = a×

D 2 p 2Dpbl d 2 p 2Dp bl , = a×m 4 4 r r

(6)

gde su: D – unutrašnji prečnik cevovoda u koji se ugrađuje blenda, d – prečnik otvora blende, m=(d/D)2–koeficijent otvora prigušne blende, a–koeficijent protoka normirane blende. 4

Za unutrašnje prečnike cevovoda 50 £ D £ 1000 mm i koeficijente otvora 0, 05 £ m £ 0, 64 , na slici 1 date su dimenzije normirane blende, a u tablicama datim u stručnoj literaturi tabelarno su dati koeficijenti protoka (prema VDI normama).

Slika 1 Normirana blenda

Slika 2 Dijagram koeficijenta protoka

Gubitak pritiska koji izaziva normirana blenda ( Dp g.bl ), odnosno gubitak napora koji izaziva normirana blenda ( Dh bl = Dpg.bl /(rg) ) izračunava se korišćenjem formule:

Dpg.bl = jg × Dp bl ,

Dh bl =

Dpg.bl rg

= jg

Dp bl , rg

(7)

gde je jg - koeficijent gubitka pritiska u blendi. Prema tabelarno datim podacima, u stručnoj literaturi, za jg = jg (m) , na slici 2 je interpoliran grafik funkcije jg = jg (m) . S obzirom na jednačine (6) i (7), formula za izračunvanje gubitka napora u normiranoj prigušnoj blendi može se napisati u obliku:

Dh bl =

8 × jg gp a m D 2

2

2

4

Q2 =

0, 08271 × jg

( am )

2

D

4

Q2 .

(8)

Svođenje formule (8) na oblik formule (2), gde je c – brzina vode u cevi u koju je ugrađena blenda, dobilo bi se da je

xbl =

jg a2 m2

.

(8’)

5

PRIMENA CEVOVODA GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIH KOMORA OD IZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE Napojni cevovod od izvorišta Ropušica do rezervoara ispred fabrike za flaširanje vode u okolini Kolašina (projekat rađen za firmu FIN INVEST, Podgorica) Traženi zapreminski protok vode kroz cevovod je 8 l/s. Voda se transportuje cevovodom od KDC 1364 m (gde je KDC kota dna cevovoda) do KDC 951 m, što daje ukupan pad od 414 m. U ovom slučaju reč je o promeni postojećeg projekta, prema kome su bile predviđene dve prekidne komore, na pozicijama KM2+612m i KM4+830m (prema dužinskim pozicijama datim na slici 3). Cevi su bile već nabavljene, pa je rekonstrukcija izvršena sa prečnicima deonica cevovoda i nazivnim pritiscima izabranih cevi iz prethodnog projekta.

Slika 3. Napojni cevovod od izvora Ropušica do rezervoara u okolini Kolašina Pozicije na slici 3: TSL – Trokraka slavina na kraju cevovoda; RV – Regulacioni ventil; A – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=90/22,4 mm); B – Normirana prigušna blenda (D/d=97/22,5 mm), ugrađena ispred vazdušnog ventila (u šahti š4); C – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=110,2/23,4 mm); D – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=114,6/23 mm); E – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=123,4/24,7 mm); F – Normirana prigušna blenda (D/d=130,8/26,2 mm), ugrađena ispred vazdušnog ventila (ugrađena ispred vazdušnog ventila u šahti š23); VS – Ventili sigurnosti (kom.2), pritiska otvaranja 5 bara, propusne moći 8 l/s; 6

Da bi strujanje kroz cevovod bilo sa punim protočnim presekom cevovoda, pri zapreminskom protoku Q=8 l/s, ugrađuje se šest prigušnih blendi, na pozicijama prikazanim na slici 3, čime se ostvaruju sledeća lokalna prigušenja: - prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 1+600 m, (pozicija A na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora Dh bl = 55 m (D=90 mm, c=1,258 m/s, ReD=87100, m=0,0620, a=0,5991, jg=0,918, d/D=0,249, d=22,4 mm), DN110/90 mm, NP16, E=8 mm, e=1,5 mm; - prigušenje normiranom blendom, postavljenoj na poziciji KM 2+428 m (u šahti vazdušnog ventila, pozicija B na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora Dh bl = 55 m (D=97 mm, c=1,083 m/s, ReD=80800, m=0,054, a=0,5985, jg=0,926, d/D=0,232, d=22,5 mm), DN 125/97 mm, NP20, E=8 mm, e=2 mm; - prigušenje regulacijskim ventilom, postavljenim na poziciji KM 2+642 m (na mestu gde je po prethodnom projektu predviđena prekidna komora PK1, pozicija RV na slici 3), koji bi stvarao gubitak napora Dh RV = 20 m ; - prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 3, (pozicija C na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora Dh bl = 50 m (D=110,2 mm, c=0,839 m/s, ReD=71100, m=0,045, a=0,5982, jg=0,94, d/D=0,212, d=23,4 mm), DN 125/110,2 mm, NP10, E=10 mm, e=2 mm; - prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 4, (pozicija D na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora Dh bl = 50 m (D=114,6 mm, c=0,776 m/s, ReD=68400, m=0,040, a=0,598, jg=0,94, d/D=0,2, d=23 mm), DN 140/114,6 mm, NP16, E=10 mm, e=2 mm; - prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 6, (pozicija E na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora Dh bl = 50 m (D=123,4 mm, c=0,669 m/s, ReD=63500, m=0,040, a=0,5980, jg=0,94, d/D=0,2, d=24,7 mm), DN 140/123,4 mm, NP10, E=10 mm, e=2,5 mm i - prigušenje normiranom blendom, postavljenoj na poziciji KM 11+864 m (u šahti vazdušnog ventila, pozicija F na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora Dh bl = 30 m (D=130,8 mm, c=0,596 m/s, ReD=60000, m=0,040, a=0,5980, jg=0,94, d/D=0,2, d=26,2mm), DN 160/130,8 mm, NP16, E=10 mm, e=2,5 mm. Na slici 4.a prikazana je šema ugradnje prigušnih blendi, dok je na slici 4.b dat crtež blende.

Slika 4. a) ugradnja prigušnih blendi; b) crtež prigušne blende; 7

Dimenzije Dp, Dr i dp, kao i broj rupa n (na slici 4.b) definisane su dimenzijama prirubnica između kojih se blenda postavlja. Materijal za izradu blendi je nerđajući čelik. Za uspostavljanje protoka od 8 l/s predviđeno je prigušenje u regulacionom ventilu, koje bi stvorilo gubitak napora od oko 20 m. Cevovod je pušten u rad i funkcioniše kako je i predviđeno. Skidanjem pet prigušnih blendi (sa pozicija A,B,C, E i F, na slici 3), zamene bledne na poziciji D (stavljanjem blende 114,6/30,5 mm, umesto blende 114,6/23 mm) i stvaranjem prigušenja u regulacionom ventilu koje bi izazvalo gubitak napora od oko 41 m, kroz cevovod bi se moglo propustiti i 16 l/s, a da strujanje u cevovodu bude sa potpuno ispunjenim protočnim presekom. Na ovaj nači omogućeno je dvostruko povećanje zapreminskog protoka, u slučaju potrebe proširenja kapaciteta proizvodnje flaširane izvorske vode. Napominjemo da je analiza prethodnog projekta cevovoda, sa prekidnim komorama, pokazala, da bi, pri protoku od 8 l/s, strujanje na dužini od oko 7,1 km bilo sa nepotpuno ispunjenim protočnim presekom, što je više od polovine ukupne dužine cevovoda (12,6 km). CEVOVOD GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIH KOMORA OD IZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE je razvijen na Mašinskom fakultetu u Nišu za potrebe industrije za flaširanje izvorske vode. Štampano: Maj 2010.

8