418990-3-rimask-not-01 trykkstøtsberegninger pumper

0 19.12.2019 Trykkstøtsberegning Krambrua APS Håkon Evensen Lars Petter Risholt Lars Petter Risholt REV. DATO BESKRIVELSE UTARBEIDET AV KONTROLLERT AV GODKJENT AV

MULTICONSULT | Nedre Skøyen vei 2 | Postboks 265 Skøyen, 0213 Oslo | Tlf 21 58 50 00 | multiconsult.no NO 918 836 519 MVA

NOTAT

OPPDRAG Krambrua APS DOKUMENTKODE 418990-03-RIMask-NOT-01 EMNE Beregning trykkstøt GRADERING Begrenset OPPDRAGSGIVER Trondheim kommune OPPDRAGSLEDER

KONTAKTPERSON Håkon Hofstad Hojem SAKSBEHANDLER Håkon Evensen KOPI: ANSVARLIG ENHET

SAMMENDRAG

Det er gjennomført beregninger av trykkstøt i Alab for vannpumper til Krambrua APS.

• Mengden 140 liter/s og stoppetid 18 s gir trykkstigning ca 57,8 mVS og totalt trykk ca 81,5 mVS • Mengden 140 liter/s og stoppetid 30 s gir trykkstigning ca 39,4 mVS og totalt trykk ca 63,6 mVS • Mengden 85 liter/s og stoppetid 10 s gir trykkstigning ca 38,7 mVS og totalt trykk ca 50 mVS • Max trykk ved pel 1540 m ved max mengde 140 liter/s er beregnet til ca 44,5 mVS • Beregningene viser at det oppstår vacuum i røret med stoppetid raskere enn 18 s. Ekstra tiltak

for å unngå vacuum bør vurderes, f.eks lufteventil i pumpeledningen alternativt tiltak i selve pumpene med tilpasset svingmasse og kontrollert styring av start/stopp.

Dette er å anse som foreløpige verdier som grunnlag for trykkstøtsreduserende tiltak og som leverandøren kan bruke i sin prising.

Krambrua APS Trykkstøtsberegning

418990-03-RIMask-NOT-01 Desember 2019 SIDE 2 av 7

1 Bakgrunnsinformasjon Trykkstøtsberegningene er basert på mottatt lengdeprofil for pumpeledningen og øvrige antagelser i xls og Alab.

Kloakk-mediet antas som rentflytende vann som en forenkling og som krav i Alab.

PE-ledninger er glatte fra fabrikk, men ved kloakkpumping vil det som oftest etableres biofilm på innsiden av røret, og det kan også legge seg noe sedimenter i bunnen. Sedimentene spyles normalt ut ved maksimal pumping, og det er vanlig å kjøre renseplugg i pumpeledninger hvis det viser seg at begroing reduserer kapasiteten over tid. Vi regner derfor med ruhet på minimum 0,3 mm selv for plastledninger som tilsvarer en friksjonsfaktor på 0,02. Da blir friksjonstapet ca 20 m.

Lengdeprofil som for vedlegg 18. Godstykkelse og indre diameter er hentet fra datablad Hallingplast for DN400 SDR 11. Det er brukt 4 stk 90° bend i singulærtapsberegninga, det endres retning noen ganger i og utenfor pumpestasjonen.

2 Metodikk 1 stk pumpe modelleres i Alab som et mikro vannkraftverk som dekker hele pumpesystemet.

Alab Hydropower Workbench er i utgangspunktet skreddersydd for vannkraftverk. Verktøyet har en egen kraftig modul for beregning av trykkstigninger ved lastreguleringer, lukking eller full stopp i turbiner og ventiler. Selve matematikken i modulen er komplisert med bruk av partielle differensial-likninger.

Det legges inn en vannkraftturbin med kapasitet noe større enn oppgitt maksimal verdi 140 liter/s for pumpesystemet. Det utføres en separat beregning i xls for pumpas mottrykk ved aktuell kloakkmengde, som sammen med statisk høydeforskjell og singulære tap gir totalt mottrykk for pumpesystemet.

• Statisk løftehøyde 3,9 m fra vedlegg 18 • Friksjonstap 20,5 m ved max mengde 140 liter/s • Singulære tap 0,32 m • Totalt mottrykk ca 24,7 m

Simuleringsmodellen kjøres ned til de ønskede verdiene 140 liter/s og 85 liter/s og deres respektive mottrykk før selve simulering med stopp av pumpe utføres. Pumpestasjonen skal bygges i første omgang for kapasitet 85 liter/s for eventuell senere utbygging til 140 liter/s. Det antas derfor at en pumpe i Alab med max mengde 140 liter/s og beregnet friksjonstap 20,5 m dekker hele pumpesystemet med 2 av 3 pumper i drift ved max mengde 140 liter/s. Det vil være en god tilnærming. Da det er det totale energiuttaket man ser på som gir trykkstigningen, som er gitt ved den totale driftsmengden og det felles driftstrykket til pumpene i kombinasjon frekvensstyrt stoppetid.



Pumpene skal ha frekvensomformere, og det kan legges inn opp- og nedramping for vanlig start og stopp i området 10 – 30 sekunder. Det er valgt å kjøre simuleringene med stoppetider 10 s, 18 s og 30 s. Figur 1 og 2 viser skjermdump fra Alab. Merk at det står turtall 500 rpm på denne turbinen som kan avvike fra faktisk turtall fra pumpeleverandøren. Dette har ingen betydning for trykkforløpet da dette er bestemt av kloakkmengdene, pumpeledningens dimensjoner og stoppetid pumpe.

Figur 1: Kontrollpanel skjermdump Alab



Figur 2: Pumpeledning skjermdump Alab

Figur 3 viser typisk svingekurve ved pumpestopp. Pumpen stopper, trykket faller til et bunnpunkt før den bygger seg opp igjen til et topp-punkt når vannmassene retarderes og strømmer tilbake til pumpa. Det er den første lokale toppen vi søker, som for en pumpe kommer rett etter den første lokale bunnen. For en turbin vil den første lokale toppen komme før den første lokale bunnen. Svingningene dempes, og vi kan anta at amplituden (avviket fra startverdi Hp) på den første lokale toppen for en pumpe vil være noe lavere enn den første lokale toppen for en turbin. Ved å ta ut den første lokale toppen i turbinkurven og la den verdien tilsvare pumpekurven, så er man på sikker side ved at kurvene dempes. Det er energiutladningen vi er på jakt etter, og den vil i prinsipp være den samme for en pumpe, ventil eller en turbin ved stopp.

Dermed er metodikken beskrevet.

Figur 3: Typisk trykksvigningskurve ved pumpestopp



3 Resultater Resultatene er presentert i kurvene under.

For mengden 140 liter/s og stoppetid 18 sekund;

Alab gir trykkstigning 57,8 mVS som er i god overenstemmelse med manuell beregning 61,9 mVS.

Figur 4: Mengde 140 liter/s og stoppetid 18 s

For mengden 140 liter/s og stoppetid 30 sekund;

Alab gir trykkstigning 39,9 mVS som er i god overenstemmelse med manuell beregning 44,4 mVS for midlet verdi av 2 verder i xls.

Manuelt beregnet verdi 26,9 mVS for stoppetid 30 s avviker noe fra Alab. Joukowski-formelen er for momentan lukking uten bruk av stoppetid og gir 61,9 mVS. Lukketid 30 s er noe høyere enn to ganger refleksjonstiden totalt 26 s. Refleksjonstiden 13 s skyldes den lange vannveien. Det er er derfor valgt å bruke gjennomsnittsverdien av de to manuelt beregnede verdier for å representere virkeligheten i større grad som Alab representerer.


0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140

Tryk

k i m

VS

Sekund

Trykkforløp ved pumpe. Stoppetid 18 s. Trykkstigning 57,8 mVS. Normalt drifstrykk 23,7

mVS gir max trykk 81,5 mVS

010203040506070

0 20 40 60 80 100 120 140

Tryk

k i m

VS

Sekund

Trykksvigning ved pumpe. Stoppetid 30 s. Trykkstigning 39,9 mVS. Normalt driftstrykk 23,7

mVS gir max trykk 63,6 mVS ved stopp



Figur 6 viser trykkforløpet ved mengden 85 liter/s. Ustabilitetene i nedstrøms svigninger kan ses bort fra og viser bare at vi er i helt nedre grense av det Alab tillater av vannmengder.

Det er valgt stoppetid 10 s for å maksimere trykkstigningen, og til tross for dette blir trykkstigningen 38,7 s noe mindre enn trykkstigningen ved mengden 140 liter/s og stoppetid 30 s. Lavere totaltrykk etter trykkstigningen skyldes lavere mottrykk ved mengden 85 liter/s som senker driftstrykket før pumpestopp.

Dermed er ytterkantene i antatt stoppetid 10 – 30 s ved frekvensstyrte pumper i systemet dekket. Det antas at det velges en stoppetid mer enn 10 s for maxmengden 140 liter/s, vår beregning er ned mot 18 s.

Manuell beregning for mengden 85 liter/s gir 37,7 mVS i god overenstemmelse med Alab.


Det skal ved pel ca 1540 tilknyttes en pumpeledning fra en liten lokal pumpestasjon. Det er ønskelig å få tatt ut verdier for trykkstøt i dette profilet for å vurdere eventuelle tiltak i den lille stasjonen.

Pumpeledningen er tilnærmet helt flat med glatte innvendige overflater. Beregnet refleksjonstid på hele lengden tur/retur er 13 s. Trykkbølgen tar ca 4 s fra pumpestasjonen til pel 1540 m og den første bølgetoppen rekker ikke å bli dempet til neste bølgetopp. Vi kan derfor anta at lokal trykkstigning ved profil 1540 m er den maksimale verdien beregnet ved pumpestasjonen fratrukket friksjonstapet på strekningen, og vil følge samme svingeforløp som figur 4.

Figur 4 gir max trykk 57,8 mVS beregnet i pumpe for stoppetid 18 s.

Beregnet friksjonstap for hele ledningen er 20,5 m ved 140 liter/s.

Max trykk ved pel 1540 m: 57,8 - 20,5 x 1540/2374 = ca 44,5 mVS

Figur 4 viser at man unngår undertrykk ved trykkstigningene for stoppetid 18 s eller mer.

Figur 6 viser at fullt vacuum (minus 10mVS) oppnås for stoppetid 10 s.

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60

Tryk

k m

VS

Sekund

Trykkforløp ved pumpe. Stoppetid 10 s. Trykkøkning 38,7 mVS gir max trykk 50 mVS



Dermed er også undertrykk sjekket opp mot stoppetider og mengder. Det er ønskelig å unngå undertrykk for å unngå at sumpen i den lille stasjonen suges tom, evt om det må settes inn andre tiltak om undertrykk ikke kan unngås ved utfall av pumpene i Kambrua.

4 Oppsummering og usikkerheter

• Mengden 140 liter/s og stoppetid 18 s gir trykkstigning ca 57,8 mVS og totalt trykk ca 81,5 mVS • Mengden 140 liter/s og stoppetid 30 s gir trykkstigning ca 39,4 mVS og totalt trykk ca 63,6 mVS • Mengden 85 liter/s og stoppetid 10 s gir trykkstigning ca 38,7 mVS og totalt trykk ca 50 mVS • Max trykk ved pel 1540 m ved max mengde 140 liter/s er beregnet til ca 44,5 mVS

Generelle usikkerheter;

- Antagelsen om bruk av turbinlukking gjeldende for pumpelukking beskrevet i avsnitt metodikk. Avviket antas til sikker side. Simulerte beregninger er i god overenstemmelse med manuelle beregninger med formler gjeldende for lukking av turbiner, pumper og ventiler.

- Kloakk massekvalitet, friksjonstap og driftstrykk pumpe - Faktisk driftskarakteristikk og stoppetid fra pumpeleverandør

Vedlegg:

- Pumpeledning - Manuelle beregninger

Trykkstøtberegninger pumpe

Rørtype PE100 Materiale E-modul (GPa)Poisson

Rørlengde 2374 m Stål 206 0,3

Ytre rørdiameter 400 mm PE100 1000 0,5

Rørtykkelse PE-rør 36,4 mm

Indre rørdiameter 327,2 mm 0,084085 m2

Volumflow 0,14 m3/s

Vannhastighet 1,66 m/s

Pumpens løftehøyde 24,73 mVS Totalt mottrykk egen beregning

SDR 11 10,99

K 2000 GPa Vannets volumelastisitet

Trykkbølgehastighet c, PE-rør 365 m/s

Refleksjonstid PE-rør 13,0 s

Stengetid pumpe 18 s Frekvensomformer

Endringen anses rask ogtilnærmet momentan dersom stoppetid er mindre enn 2 x refleksjonstid, totalt 26 s

Trykkstigning 44,8 mVS 2xLxdV/(gxt)

Trykkstigning momentan stopp,PE-rør 61,9 mVS c x dV/g Joukowski

57,8 mVS Alab

Totaltrykk 69,5 mVS 6,8 bar vs PN16-rør (SDR 11)

Beregning utført av Håkon Evensen 09.12.2019

Beregning kontrollert av


Rørtype PE100 Materiale E-modul (GPa) Poisson





Volumflow 0,14 m3/s



SDR 11 10,99





Endringen anses rask ogtilnærmet momentan dersom stoppetid er mindre enn 2 x refleksjonstid, totalt 26 s



39,9 mVS Alab




Pumpens løftehøyde

hp = (z2-z1) + hf + singulærtap

Utløp 75,9 moh

Innløp 72 moh

Statisk trykk 3,9 m

Beregning friksjonstap


Vannmengde 140 l/s


Rørlengde 2374 m

Re 534103

f 0,02 Moody diagram glatte PE-rør

Friksjonstap 20,50 m

Singulære tap

Skarpt innløp 0,5

Skarpt utløp 1

90 gr bend 0,8 4 stk

Sum 2,3

Singulære tap 0,32 m

Pumpens totale mottrykk 24,73 m

Pumpens effekt ved antatt 80% virkn.grad 42,5 kW

Beregning utført avHåkon Evensen 09.12.2019



Rørtype PE100 Materiale E-modul (GPa)Poisson





Volumflow 0,14 m3/s



SDR 11 10,99





Endringen anses rask og tilnærmet momentan dersom stoppetid er mindre enn 2 x refleksjonstid, totalt 26 s



57,8 mVS Alab





Rørtype PE100 Materiale E-modul (GPa) Poisson





Volumflow 0,085 m3/s



SDR 11 10,99





Endringen anses rask og tilnærmet momentan dersom stoppetid er mindre enn 2 x refleksjonstid, totalt 26 s



mVS Alab




Pumpens løftehøyde

hp = (z2-z1) + hf + singulærtap

Utløp 75,9 moh

Innløp 72 moh

Statisk trykk 3,9 m

Beregning friksjonstap


Vannmengde 85 l/s


Rørlengde 2374 m

Re 324277

f 0,02 Moody diagram glatte PE-rør

Friksjonstap 7,56 m

Singulære tap

Skarpt innløp 0,5

Skarpt utløp 1

90 gr bend 0,8 4 stk

Sum 2,3

Singulære tap 0,12 m

Pumpens totale mottrykk 11,58 m

Pumpens effekt ved antatt 80% virkn.grad 19,9 kW

Beregning utført avHåkon Evensen 09.12.2019


418990-3-rimask-not-01 trykkstøtsberegninger pumper

Documents