Prevenzione del colpo d'ariete con attuatori a velocità variabile

Il colpo d'ariete può rappresentare una delle principali preoccupazioni nei sistemi di pompaggio e dovrebbe essere preso in considerazione dai progettisti per diversi motivi. Se non risolto, può causare una serie di problemi, da tubazioni e supporti danneggiati a componenti delle tubazioni incrinati e rotti. Nel peggiore dei casi, potrebbe persino causare lesioni al personale dell'impianto.

Il colpo d'ariete si verifica quando si verifica un aumento della pressione e della portata del fluido in un sistema di tubazioni, causando rapidi cambiamenti di pressione o forza. Le pressioni elevate possono causare guasti al sistema di tubazioni, come perdite nei giunti o rottura dei tubi. I componenti di supporto possono anche subire forti forze dovute a picchi o addirittura a improvvise inversioni di flusso. Il colpo d'ariete può verificarsi con qualsiasi fluido all'interno di qualsiasi tubo, ma la sua gravità varia a seconda delle condizioni sia del fluido che del tubo. Di solito ciò si verifica nei liquidi, ma può verificarsi anche con i gas.

L'aumento della pressione si verifica ogni volta che un fluido viene accelerato o ostacolato dalle condizioni della pompa o quando cambia la posizione di una valvola. Normalmente, questa pressione è piccola e la velocità di variazione è graduale, rendendo il colpo d'ariete praticamente impercettibile. In alcune circostanze, possono essere create molte libbre di pressione e le forze sui supporti possono essere sufficientemente grandi da superare le specifiche di progettazione. L'apertura o la chiusura rapida di una valvola provoca transitori di pressione nelle tubazioni che possono portare a pressioni ben superiori ai valori dello stato stazionario, causando picchi d'acqua che possono danneggiare gravemente i tubi e le apparecchiature di controllo del processo. L'importanza del controllo del colpo d'ariete nelle stazioni di pompaggio è ampiamente riconosciuta dai servizi pubblici e dalle stazioni di pompaggio.

I tipici fattori di attivazione del colpo d'ariete includono l'avvio/spegnimento della pompa, l'interruzione di corrente e l'apertura/chiusura improvvisa delle valvole di linea. Un modello semplificato della colonna fluida cilindrica che scorre assomiglierebbe a un cilindro metallico che viene improvvisamente fermato da un muro di cemento. Per risolvere queste sfide legate al colpo d’ariete nei sistemi di pompaggio è necessario ridurne gli effetti o prevenirne il verificarsi. Ci sono molte soluzioni che i progettisti di sistemi devono tenere a mente quando sviluppano un sistema di pompaggio. Per assorbire i colpi d'ariete possono essere utilizzati serbatoi a pressione, camere di espansione o accumulatori simili, tutti strumenti utili nella lotta contro i colpi d'ariete. Tuttavia, prevenire in primo luogo che si verifichino picchi di pressione è spesso una strategia migliore. Ciò può essere ottenuto utilizzando un attuatore multigiro a velocità variabile per controllare la velocità di chiusura della valvola all'uscita della pompa.

Il progresso degli attuatori e dei loro controlli offre l'opportunità di utilizzarli per la prevenzione dei colpi d'ariete. Ecco tre casi in cui la lotta al colpo d'ariete era un requisito fondamentale. In tutti i casi, una caratteristica lineare era essenziale per il controllo del flusso di una pompa ad alto volume. Se ciò non fosse stato ottenuto, si sarebbe prodotto un effetto martello, che avrebbe potuto danneggiare il sistema idrico della stazione.

Sfida progettuale

La stazione di pompaggio Southern Booster Pump Station dell'East Cherry Creek Valley (ECCV) in Colorado è stata dotata di pompe ad alto volume e ha utilizzato valvole di ritegno per il controllo del flusso. Per evitare colpi d'ariete e danni potenzialmente gravi al sistema, l'applicazione richiedeva una caratteristica di flusso lineare. La sfida progettuale era ottenere un flusso lineare da una valvola a sfera, che tipicamente presenta caratteristiche di flusso non lineare quando è chiusa/aperta.

Soluzione

Utilizzando un attuatore a velocità variabile, la posizione della valvola è stata impostata per ottenere diverse posizioni di corsa in intervalli di tempo. In questo modo, la valvola a sfera può essere chiusa/aperta a varie velocità per ottenere una variazione del flusso del fluido più lineare. Inoltre, in caso di interruzione di corrente, l'attuatore può ora essere impostato per chiudere la valvola e scaricare il sistema secondo una curva di emergenza predeterminata.

L'attuatore a velocità variabile scelto aveva la capacità di controllare la posizione della valvola in base a tempi preimpostati. L'attuatore può essere programmato per un massimo di 10 set point temporali, con le corrispondenti posizioni della valvola. La velocità di apertura o chiusura della valvola potrebbe quindi essere controllata per garantire che la posizione impostata desiderata fosse raggiunta al momento giusto. Questa flessibilità avanzata produce la linearizzazione delle caratteristiche della valvola, consentendo la selezione della valvola a passaggio completo e/o una riduzione significativa del colpo d'ariete durante la chiusura delle valvole. I controlli integrati degli attuatori sono stati programmati per creare l'accelerazione e la decelerazione lineare dell'acqua durante il normale funzionamento della pompa. Inoltre, in caso di perdita di energia elettrica, gli attuatori garantiscono una chiusura rapida tramite backup da un gruppo di continuità (UPS). È stata fornita anche una variazione della portata lineare, garantendo così transitori minimi del sistema e una facile calibrazione/regolazione della curva velocità-tempo.