Исследование режимов водоподачи подкачивающих насосных станций оросительных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Зоркин, Евгений Максимович

• Зоркин, Евгений Максимович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зоркин, Евгений Максимович

Принятые сокращения

Содержание

Введение

Глава 1 Системы водоподачи, как объект управления

1.1 Основные технологические схемы

1.2 Теоретическая и реальная характеристики ПНС

1.3 Регулируемые величины и возмущающие воздействия

1.4 Принципы автоматического регулирования ПНС

1.5. Способы реализации регулирующих воздействий

1.6. Технические требования к ПНС как объекту управления

1.7. Выводы

Глава 2 Характеристики основных элементов системы водоподачи 2.1 Описание напорно - расходных характеристик насосных установок

2.2. Описание механической характеристики насоса

2.3. Ограничения, накладываемые на работу насоса

2.4. Уравнения переходных процессов в насосе

2.5. Определение необходимого ускорения электропривода при включении дождевальной машины

2.6. Гидравлические характеристики запорно-регулирующих органов

2.7. Оценка способов плавного регулирования подачи насосных агрегатов

2.8. Выводы

Глава 3 Математическое моделирование системы водоподачи

3.1. Приведение реального трубопровода к эквивалентному ООТ

3.2. Математическое описание ООТ

3.3. Выбор длины расчетного участка трубопровода

3.4. Математическая модель напорной сети

3.5. Математическая модель водоподающего узла

3.5.1. Уравнения водоподающего узла

3.5.2. Уравнения насосной станции

3.5.3. Модель водоподающего узла 116 3.6. Выводы

Глава 4 Оптимальное управление системой водоподачи 124 4.1. Описание объекта управления 124 4.2 Оптимизация режимов работы ПНС с регулируемыми насосными

4.2.1. Режим заполнения пустой или частично опорожненной напорной сети

4.2.2. Дежурный режим

4.2.3. Режим повышения давления в сети до рабочего уровня

4.2.4. Основной режим работы

4.2.5. Режим снижения напора в сети

4.3. Гидравлические и энергетические характеристики ПНС при регулировании угловой скорости рабочих колес нескольких насосных агрегатов одновременно

4.4. Выводы

Глава 5 Опытно - экспериментальное исследование режимов работы напорных оросительных систем

5.1. Модель напорной системы водоподачи

5.2. Построение системы управления ПНС

5.2.1. Режимы работы напорной оросительной системы

5.2.2. Особенности работы регулируемого Н.А. в режиме стабилизации давления в напорном коллекторе ПНС

5.3. Технологические требования к системе управления ПНС

5.4. Структурная схема системы управления

5.5. Результаты моделирования

5.6. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование режимов водоподачи подкачивающих насосных станций оросительных систем»

Развитие орошаемого земледелия неразрывно связано с дальнейшим совершенствованием систем машинного водозабора и водораспределения. Машинный комплекс (Рис. 1) представляет собой совокупность подкачивающей насосной станции (ПНС), пространственно распределенных потребителей и разветвленных напорных трубопроводов, соединяющих потребителя с источником водоподачи. Внедрение таких комплексов в производство с одной стороны способствует их автоматизации и с другой, автоматизация таких комплексов становится актуальнейшим вопросом экономичной и безаварийной эксплуатации. Это связано с тем, что человек в силу физических и психологических не в состоянии оперативно управлять технологическими процессами в таком комплексе. Основным элементом внутрихозяйственной оросительной сети являются дождевальные машины (ДМ). Характер нагрузки сети определяется типом и графиком работы ДМ. В настоящее время на практике используются ДМ непрерывного действия типа "Фрегат" и позиционного "Волжанка", "Днепр". График работы машин первого типа - непрерывный, второго - дискретный. Их производительность составляет от 20 до 100 л/с [46,48] в зависимости от типа и модификации. Оптимальные условия орошения и номинальный расход ДМ могут быть достигнуты только при поддержании давления на ее входе в строго ограниченных пределах. К этому следует добавить, что для самоходных ДМ типа "Фрегат", надежная работа гидропривода ходовой части зависит, главным образом, от стабильности давления на ее входе, что является необходимым условием нормальной работы исправного дождевального агрегата. Так, единичная нагрузка (дождевальная машина), в соответствии с паспортными данными, имеет водопотребление, достигающее 25 % (100 л/с) от подачи основного насоса, в то время как в системах коммунального водоснабжения единичная нагрузка составляет доли процента от подачи насоса. ф ** # д6=100л/с д7=90л/с Оз=80л/с О9=70л/с

Рисунок 1. Типичный пример системы машинной водоподачи мелиоративного назначения. л

ВВР - водо-воздупшый резервуар. - работающие дождевальные машины; Ф - неработающие дождевальные машины.

Эти системы характеризуется также крайне неравномерным графиком водопотребления, вплоть до того, что продолжительное время (до 6-8 часов) в системе водопотребление практически отсутствует.

ПНС в свою очередь являются основными элементами оросительных систем и определяют качественную и количественную стороны водоподачи. На современных оросительных системах доля ПНС при машинном водозаборе и водораспределении составляет 90% от общего количества насосных станций на системе. Возмущения в работу системы водоподачи вносятся не только нагрузкой, но и включением и отключением насосных агрегатов на ПНС. Так, при включении основных агрегатов на ПНС, давление в трубопроводе может скачком измениться на 10-20 % от максимального давления развиваемого насосом. Больше того, из-за отсутствия условий круглосуточной работы, возникает ежедневная необходимость в заполнении пустого или частично опорожненного трубопровода. Этот режим работы системы является наиболее опасным с точки зрения развития гидроударных явлений, приводящих нередко к порыву трубопровода. Поэтому предотвращение аварийных ситуаций, несущих не только прямые потери урожая, но и значительные материальные издержки, связанные устранением последствий аварии является одной из важнейших технологических задач. В этой связи целью диссертационной работы является разработка способов и устройств управления системой водоподачи, обеспечивающей устойчивую и экономичную работу комплекса технических средств в системе "ПНС - напорная сеть - потребители". Для достижения этой цели необходимо прежде всего обобщить и научно обосновать технические и технологические требования, предъявляемые к системам водоподачи мелиоративного назначения. Именно этим задачам и посвящена настоящая работа. С этой целью проанализированы работы посвященные анализу систем водоподачи коммунального (3, 7, 41, 44, 50, 52, 59, 67) и сельскохозяйственного водоснабжения (8, 9, 10, 45, 55, 56, 62, 63,) и общие первоисточники, касающиеся режимов работы насосов и трубопроводов (2, 4, 5,

11, 49, 51, 53, 54, 57, 58, 61, 54, 66). Это позволило определить стратегическую линию и наметить ожидаемые научные результаты исследований. Полученные научные результаты можно разделить на группы по назначению:

1. Насосы: а) Разработана модель и эквивалентная электрическая схема замещения центробежного насосного агрегата. б) Разработана методика расчета механической характеристики насоса, позволившая уточнить ее математическое описание, характеризующее процесс преобразования энергии внутри корпуса насоса.

2. Трубопроводы: а) Выполнена линеаризация уравнений волнового тракта системы водоподачи, которая позволила заменить реальную напорную сеть эквивалентным однородным однониточным трубопроводом, упругость и потери в котором равны соответствующим значениям реальной напорной сети. Получено математическое описание расчетных участков эквивалентного трубопровода. б) Разработана методика представления систем водоподачи набором типовых узлов, для которых выполняются законы Кирхгофа. Формализовано их математическое и графическое представление.

3. Подкачивающие насосные станции: а) Разработаны способы и устройства экономичного управления насосной станцией, учитывающие количество и место подключения одновременно действующих потребителей и сигнал производной от давления по времени в качестве корректирующего сигнала, а также перераспределение нагрузки между параллельно работающими насосными агрегатами. б) Разработана математическая модель оптимальной системы водоподачи, состоящей из насосной станции, укомплектованной регулируемыми и нерегулируемыми насосами, напорного трубопровода и потребителей. в) Выполненные исследования позволили сформулировать научно-обоснованные технические и технологические требования к ПНС. Практическая ценность полученных результатов: а) Разработаны и доведены до практического применения технические структуры управления ПНС, основанные на использовании как прямых гидравлических, так и косвенных параметров управления. б) Классифицированы способы управления подачей и технологические режимы работы ПНС, разработаны рекомендации по их использованию. в) Разработана и освоена в производстве серия тиристорных станций управления насосным агрегатом с улучшенными энергетическими характеристиками, позволяющая плавно запускать, регулировать и измерять энергетические параметры приводного электродвигателя. с) Разработанные способы, устройства управления насосной станцией и насосными агрегатами внедрены в производственную практику и позволили уменьшить число порывов трубопровода на 70% и получить экономию электрической энергии в размере 25% годового энергопотребления.

Представление работы тематически может быть объединено в четыре блока: В первый блок входят работы, посвященные исследованию основных элементов систем водоподачи - насосных установок и запорно-регулирующей арматуры, используемых на ПНС.

Во второй блок входят работы посвященные разработке методики представления систем водоподачи набором типовых узлов, для которых выполняются законы Кирхгофа, а трубопроводная система представлена совокупностью однородных однониточных трубопроводов (ООТ).

В третий блок входят работы, посвященные оптимизации водоподачи в системе машинного орошения закрытых оросительных систем (ЗОС).

В четвертый блок входят работы, посвященные математическому моделированию процессов водоподачи для систем машинного орошения с учетом оптимизации процессов на основе теоретических и экспериментальных результатов полученных в ходе исследования.

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Зоркин, Евгений Максимович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертации изложены результаты по созданию способов и устройств управления насосными станциями, работающими на закрытую оросительную сеть, обеспечивающие устойчивую и экономичную работу комплекса технических средств в системе "ПНС - напорная сеть - потребители". В том числе получены следующие научные и практические результаты:

1. Созданы технологические основы построения режимов работы подкачивающих насосных станций на основе классификации способов и технологических режимов работы закрытых оросительных систем, в том числе разработаны и доведены до практического применения технические структуры управления и научно-обоснованные технические требования к системам управления режимами работы ПНС.

2. Разработан метод расчета напорных оросительных систем, основанный на линеаризации уравнений волнового тракта и позволивший представить систему водоподачи набором типовых узлов, для которых выполняются законы Кирхгофа.

3. Разработаны энерго и ресурсосберегающие способы, системы и устройства управления подкачивающими насосными станциями и насосными агрегатами, позволяющими получить значительную экономию оросительной влаги и потребляемой электрической энергии, улучшить условия эксплуатации, повысить надежность насосно-силового и другого гидромеханического оборудования, участвующего в процессе водоподачи.

4. Разработана математическая модель энергосберегающей системы водоподачи, на основе математических моделей насосных агрегатов, насосных станций, трубопровода и других элементов, входящих в систему водоподачи. Она позволяет вести расчет и управление процессом водоподачи оросительных систем в реальном масштабе времени.

Результаты моделирования показали хорошую сходимость теоретических и практических результатов и подтвердили основные теоретические выводы, полученные автором.

5. Разработаны методические рекомендации, пособия по проектированию и эксплуатации энергосберегающих способов, систем и устройств управления насосными агрегатами и станциями закрытых оросительных систем, позволяющие повысить качество и конкурентоспособность проектных и внедренческих технических решений систем машинного орошения.

6. В результате реализации разработанных технических решений на оросительных системах водоподачи, экономический эффект составляет (20-25)% от сезонного потребления электроэнергии и на (60-70) % снижения порывов трубопровода, отнесенных к одной ПНС. Суммарный экономический эффект от внедрения предложений на одной ПНС составляет 565 ООО (пятьсот шестьдесят пять тысяч) рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зоркин, Евгений Максимович, 2005 год

1. Автоматизация производства и промышленная электроника. М.: Советская энциклопедия, 1964. - 487 с.

2. Аронович Г.В., Картвеллишвили H.A., Любимцев Я.К. Гидравлический удар и уравнительные резервуары.- М.: Наука, 1968. 184 с.

3. Белозеров Н.П., Луговской М.В. Расчет систем водоснабжения с применением вычислительной техники. -М.: Колос, 1973.- с.

4. Борисенко КС. Горная механика. М.: 1962.

5. Викторов В.Г. Подобие и моделирование в гидромашинах. Учебное пособие по курсу. Теория лопастных машин.- М.: МЭИ, 1980. 90 с.

6. Выгодский Справочник по высшей математике.- М.: Наука, 1966. 870 с.

7. Гинзбург Я.Н. Оптимальное управление системой водораспределения. Механизация и автоматизация производства. 1971. № 10. С.

8. Дмитриенко Ю.А. Регулируемый электропривод насосных агрегатов., Кишинев.: Штиница. 1985. с.

9. Евдокимов Б.Ф. Исследование и разработка системы автоматического регулирования производительности насосной станции закрытой оросительной сети с применением асинхронного вентильного каскада. Автореф. дис. канд. техн. наук. М. 1978. 24 с.

10. Ю.Зац Л.И. Технологические основы и технические средства автоматизации и телемемеханизации объектов гидромелиоративных систем. Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. 1993. 43 с.

11. Зоркин Е.М. Технические требования к насосным станциям водоподачи оросительных систем М. Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 7.С 18-20.

12. Зоркин Е.М., А.М.Фиш. Сравнительный анализ способов стабилизации давления в напорном трубопроводе. Сб. науч. трудов ВНИИКА мелиорация. Вопросы комплексной автоматизации мелиоративных систем.Фрунзе. 1979.С82- 89

13. Зоркин Е.М. Подкачивающая насосная станция с плавным регулированием подачи. Тезисы докладов 4-ой научно-производственной конференции по проектированию, строительству и эксплуатации оросительных систем в Поволжье. Волгоград. 1980.45-46.

14. Зоркин Е.М. Подкачивающая насосная станция с плавным регулированием давления. Тезисы докладов Всесоюзная научно-техническая конференция. Автоматизация гидромелиоративных систем. Фрунзе. 1981. С 170-172.

15. Зоркин Е.М. Тиристорное устройство управления насосным агрегатом (ТУУНА-500).Тезисы докладов. Всесоюзный научно-технический семинар. Автоматизация управления мелиоративными системами. Москва, 1983. С 13-14.

16. Зоркин Е.М. Анализ и обоснование системы импульсно-фазового управления для электроприводов с тиристорными регуляторами. Сб. науч. статей Автоматизация водораспределения и полива. Фрунзе. 1984. С 65-70.

17. Зоркин Е.М. К вопросу оптимального управления подкачивающими насосными станциями. Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции. Совершенствование автоматизации оросительных систем. М. 1987. С 4-6.

18. Зоркин Е.М., Фиш A.M. Оптимизация водораспределения резерв экономии энергии. Мелиорация и водное хозяйство. №8. 1989. С 44-45.

19. Зоркин Е.М., Фиш A.M. Авт. свид. СССР № 620280. Способ управления шаговым двигателем. Б.И. 1978. №21 .

20. Зоркин Е.М., Фиш A.M., Ремпель Г.Д. Авт. свид. СССР № 1038601. Способ управления насосной станцией. Б.И. 1983. №32.

21. Байморуков A.M., Зоркин Е.М. Авторское свидетельство СССР № 1613693. Способ управления насосной станцией. Б.И. 1990. №46.

22. Арутюнов В.Г., Ботуз С.П., Зоркин Е.М., Фирсов C.B. Авт. свид. СССР1793190. Способ поверки многокомандных приборов активного контроля. Б.И. 1993. № 5.

23. Ботуз С.П., Зоркин Е.М. и др. Авт. свид. СССР № 1767984. Устройство для формирования релейного сигнала с опережающей характеристикой. Б.И. 1993. №3.

24. Зоркин Е.М. Патент РФ на изобретение № 1192062. Устройство для управления углом отпирания вентилей. Б.И. 1985. №42.

25. Зоркин Е.М., Шинянский A.B. Патент РФ на изобретение № 1290174. Способ измерения скорости вращения электродвигателя. Б. И. 1987. №6.

26. Зоркин Е.М. Патент РФ на изобретение № 1319181. Устройство для управления углом отпирания вентилей. Б. И. 1987. № 23.

27. Фиш A.M. Зоркин Е.М. Патент РФ на изобретение № 1494189. Способ управления электроприводом "Каскад ФАЗО". Б.И. 1989. №26.

28. Зоркин Е.М. Патент РФ на изобретение № 1686644. Устройство для управления углом отпирания. Б.И. 1989. №31.

29. Зоркин Е.М. Патент РФ на изобретение № 1769317. Устройство для управления углом отпирания вентилей "Атир". Б. И. 1992. №38.

30. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.

31. М JI.: Госэнергоиздат. 1960. с.

32. Ильин В.Г. Расчет совместной работы насосов, водопроводных сетей и резервуаров. Киев. Госстройиздат УССР. 1979. с.

33. Каталог насосов типа "Д". М.: 1984. 551с.

34. Каталог насосов Чехословацкого концерна "Сигма" Прага. 1983. 478 с.

35. Контаутас Р.К, Исследование и разработка методов регулирования систем городского водоснабжения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 1982. 23 с.

36. Кестер М. Автоматизация насосных станций. Перевод № 141/70. 1970. 38 с.

37. Корягин A.M. Широкозахватные дождевальные машины "Фрегат" и "Волжанка". Сб. трудов ВНИИТП. Коломна, 1974. С 16-25.

38. Кошляков Н.С. и др. Основные дифференциальные уравнения математической физики. М.: Физматгиз. 1962.

39. Краковец В.М., Никулин С.Н. Справочник оператора "Фрегат" и Волжанка. М.: Колос. 1976.82 с.

40. Кривченко Г.И. Гидравлические машины. М.: Энергия. 1978. 476 с.

41. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М.: ИК "Ягорба" Биоинформсервис. 1998. 180 с.

42. Ломакин A.A. "Центробежные и пропеллерные насосы". М., Л. 1950.

43. Маранец Е.А. Разработка и исследование замкнутого по давлению частотно -регулируемого электропривода насосных агрегатов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. 1983. 17с.

44. Николадзе Г.И., Сомов М.А., Водоснабжение., М., Стройиздат 1995.

45. Пак B.C. и Гейер В.Г. Рудничные и водоотливные установки. М. 1955. 268 с

46. Половец A.A. Опыт проектирования, строительства и эксплуатации подкачивающих насосных станций на закрытых оросительных системах. ЦБНТИ. Минводхоз СССР. М. 1975. № 14 С 8-15.

47. Попов Б. Строительство автоматических дождевальных станций в

48. Болгарии. Международный сельскохозяйственный журнал. М. 1976. № 6. С 21-30.

49. Прегер Е.А. Аналитическая зависимость между параметрами лопастных насосов. Научные труды ЛИСИ. 1955. № 20 С .

50. Проскура Г.Ф. Гидродинамика турбомашин. Киев.: Машгиз. 1954. 418 с.

51. Рыбицкий JI.C. Исследование тиристорного асинхронного электропривода насоса при дискретно ступенчатом регулировании. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Минск. 1980. 21 с.

52. Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов. М.: Энергия. 1976. 46 с.

53. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.: ГНТИ машиностроительной литературы. 1960. 143 с.

54. Субботин М.А. Анализ регулируемых электроприводов для автоматизации насосных агрегатов. Сб. Мелиорация и водное хозяйство. Урожай. Киев. 1973, вып. 25. С 21-32.

55. Субботин М.А., Евдокимов Б.Ф., Венгренюк В.Г. Методические рекомендации по применению систем плавного автоматического регулирования производительности насосных станций, работающих на закрытую сеть. Киев. УкрНИИГиМ, 1976. 78 с.

56. Товстолес Фл. П. Гидравлика и насосы Ч III. JI-M.: ГОНТИ 1938,. 400 с.

57. Флоринский М.М., Рычагов В.В. Насосы и насосные станции. М.: Колос. 1967.456 с.

58. Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. М.: Энергоиздат. 1981. 186 с.

59. Хоружий П.Д. Расчет гидравлического взаимодействия водопроводных сооружений. Издательство при Львовском государственном университете издательского объединения . Вища школа. 1984. 151 с.

60. Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем. Физматгиз. М.: 1958.

61. Чиликин М.Г., Соколов М.М., Терехов В.М., Шинянский А.В. Основыавтоматизированного электропривода. М.: Энергия. 1974. 478 с.

62. Чугуев P.P., Гидравлика. М.: 1982. 389 с.

63. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: 1984. 386 с.