Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов icon

Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов




Скачати 135.96 Kb.
НазваУдк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов
Дата11.10.2012
Розмір135.96 Kb.
ТипДокументи


ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ



УДК 621.65.004

К задаче РАСШИРЕНИя РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НАСОСНЫХ комплексов

Коренькова Т.В.

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий





Введение. Гидротранспортные комплексы (ГТК) различного предназначения, широко используемые практически во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, коммунальном секторе, включают в свой состав группу насосных агрегатов, соединенных последовательно или параллельно, работающих на разветвленную коммуникационную магистраль с установленной трубопроводной запорно-регулирующей и защитной арматурой, аккумулирующими емкостями (резервуарами, баками, водонапорными башнями) и т.п. ГТК представляют собой сложную энергоемкую техническую систему с изменяющимися во времени параметрами гидротранспортирования (напора и расхода). Решение проблемы надежности, повышения эффективности функционирования таких технологических установок находится в прямой зависимости от всестороннего учета особенностей их эксплуатации, меняющихся режимов работы потребителя (водовыпускных сооружений, водоразборных устройств и др.), изменения давления и расхода в переходных режимах.

Работа напорных систем водоподачи при пуске, останове насосных агрегатов (НА), регулировании производительности на выходе насосной станции (НС) в соответствии с технологическим процессом характеризуется непрерывным изменением параметров ГТК – увеличением или уменьшением давления, скорости движения жидкости, частоты вращения ротора НА, его мощности и т.д.

При эксплуатации центробежных насосов возможны необычные условия их работы, например, в случае прекращения подачи электроэнергии к приводу насоса, особенно при последовательной и параллельной работе, отключение или включение отдельных трубопроводов или их участков, работа центробежной машины как гидравлической турбины, пуск насоса в направлении вращения, обратном нормальному, резкое изменение величины открытия запорной арматуры, и т.п. Причем, если указанные переходные процессы сопровождаются повышенными величинами давления, колебательным характером изменения параметров потока, выходящими за пределы допустимых (номинальных) значений, то зачастую в гидросистеме возникают гидравлические удары, являющиеся, в большинстве случаев, первопричиной отказов насосных агрегатов. С увеличением же единичной мощности НА отрицательные стороны переходных процессов проявляются намного сильнее. Некоторые из перечисленных особых условий работы являются неизбежными, другие могут произойти случайно, третьи можно воспроизвести только в лаборатории или они возникают при переходе от одного режима к другому.

Анализ функционирования гидротранспортных систем как в нормальных (рабочих), так и в нестационарных (особых) режимах работы – достаточно сложная и нетривиальная задача. ГТК характеризуются повышенным уровнем аварийности, низкой управляемостью в виду практически полного отсутствия эффективных средств гидродинамической защиты и регулировочных устройств, особенно в период возникновения различного рода нештатных ситуаций [1].

До сих пор при анализе процессов (в особенности неустановившихся) изолировано друг от друга рассматриваются явления во всех системах, составляющих ГТК: в системе электроснабжения, непосредственно в самой системе электропривода насосных установок, в главном технологическом механизме – насосе, в гидравлической сети. Состояние каждой из систем существенным образом влияет на состояние гидротранспортного комплекса в целом. Изучение поведения и технологических характеристик НА должно производиться с учетом свойств систем электропривода, насоса и физических процессов в гидравлической сети, зависящих от длины, сечения, шероховатости стенок трубопроводов, геодезии, наличия местных сопротивлений (обратных клапанов, задвижек, поворотов трубы), растворенного в воде воздуха, направления движения потока жидкости и др. Все это в той или иной степени оказывает влияние на показатели качества функционирования ГТК – надежность, энергоэффективность, точность и плавность регулирования, срок окупаемости и т.п.

Низкая управляемость современных ГТК характеризуется отсутствием подходов при решении задач управления объектами в аварийный и после аварийный период, что является одной из проблем повышения управляемости технологических энергетических комплексов.

^ Цель работы - анализ технологических характеристик и показателей работы регулируемых насосных агрегатов как в основных, так и в особых режимах для оценки возможностей повышения управляемости гидротранспортных комплексов.

^ Материал и результаты исследований.

Использование систем с регулируемым электроприводом (ЭП) насосов вполне естественно продолжает оставаться радикальным средством повышения экономических показателей НС [2]. Однако, использование одних лишь средств регулируемого или управляемого ЭП не позволяет решить проблему повышения надежности и эффективности работы технологической системы в целом.

Предложенные в [3, 4] технические решения повышения управляемости ГТК базируются на использовании регулировочных устройств как насосных агрегатов, так и запорно-регулирующей арматуры с возможностью установки емкостных накопителей в силовом контуре или активных гасителей энергии гидропотока с целью эффективного управления в различных режимах работы НС.

В системах ЭП насосных агрегатов преобразование энергии, как правило, осуществляется в одном направлении: энергия, потребляемая со стороны сети, преобразуется в механическую и поступает на вал технологического механизма – насоса. Другие режимы работы двигателей, так называемые тормозные режимы, не используются в практических целях, в частности для управления процессами при внезапном исчезновении напряжения. Между тем, перспектива использования тормозных режимов для управления НА в аварийных периодах заслуживает самого пристального внимания.

Динамические свойства насоса рассматриваются в основном для насосного режима центробежной машины, который, как следует из [5], является лишь частью возможных режимов работы. Общая характеристика этих режимов, представленная в [5, 6], позволяет сделать вывод о том, что для насосного оборудования характерны режимы, аналогичные электрическим машинам – их обратимость при изменении знака гидравлической мощности. Если такие режимы позволяют осуществлять переход из насосного режима в турбинный и это является предметом анализа специалистов по гидромашинам, то такие режимы в сочетании со средствами и возможностями регулируемого электропривода практически не исследованы. Значимость этого вывода в том, что их использование в практических целях позволит решить многие задачи, связанные с увеличением конкретных или интегрированных показателей управляемости всего гидротранспортного комплекса.

Рассмотрим наиболее простой случай работы центробежного насоса с регулируемым ЭП на трубопровод, вода из которого поступает в резервуар (рис.1).

При стационарном режиме работы насоса напор , развиваемый им на выходе, затрачивается на подъем воды на высоту , определяемую разностью геодезических отметок установки гидромашины и резервуара, а также на преодоление потерь напора по длине трубопровода и местные сопротивления.




Рисунок 1 – Работа центробежного насоса с регулируемым электроприводом на трубопроводную сеть с противодавлением:

П - преобразователь; Д - приводной двигатель;

ЦН – центробежный насос; ОК – обратный клапан; З – регулировочная задвижка;

ИМ – исполнительный механизм задвижки;

Р – резервуар;

Нг – геодезический напор (противодавление)


Напорно-расходную характеристику насоса можно представить:

(1)

или для гидромашины с пологими характеристиками

. (2)

Характеристика сети описывается зависимостью:

, (3)

где в выражениях (1)-(3): - подача насоса; - напор насоса; - относительная частота вращения рабочего колеса насоса; - номинальная частота вращения насоса; - коэффициенты аппроксимации, зависящие от конструктивных особенностей турбомеханизма и определяемые по паспортным характеристикам насосов [7]; - напор, развиваемый насосом при нулевой подаче; - внутреннее сопротивление насоса; - статический напор сети (противодавление); - гидродинамическое сопротивление сети.

Анализ напорно-расходных характеристик насосной установки выполнен применительно к центробежному насосному агрегату типа Д2000-100 с параметрами м3/с, м, об/мин, кВт, работающему на трубопроводную сеть со статическим напором м и сопротивлением магистрали с25.

Рабочей точкой насоса при нормальном режиме его работы является пересечение характеристики насоса с характеристикой трубопровода (рис.2, тока А1), при этом частота вращения рабочего колеса насоса равна номинальной .

При постепенном снижении частоты вращения (например, в случае аварийного отключения электродвигателя от энергосети или при необходимости снижения подачи на выходе насосного агрегата) рабочая точка смещается вниз по характеристике сети . Напор и производительность насоса начинают уменьшаться, а при относительной частоте , называемой относительной критической частотой вращения, расход, создаваемый центробежной машиной, становится равным нулю м3/с (рис.2, точка А2).

Рисунок 2 – Напорно-расходные характеристики работы насоса с переменной частотой вращения на трубопроводную сеть


При дальнейшем уменьшении частоты вращения НА направление движения воды в трубопроводе под действием сил тяжести изменится, причем не одновременно по всей длине трубопровода. Для предотвращения возможности обратного тока жидкости через насос на его напорной линии устанавливают обратный клапан (ОК), тарель которого закрывается при изменении направления движения потока, что приводит к уменьшению скорости потока до нуля и к повышению напора , где - скорость распространения волны, м/с; – ускорение свободного падения, м/с2; - скорость движения потока в обратном направлении, м/с. В ряде технологических схем НС, характеризующихся большим геодезическим перепадом (например, насосные установки шахтного водоотлива), возможны случаи, когда напор значительно (в десятки раз) превышает номинальный, следствием чего являются гидравлические удары, приводящие к срыву ОК, разрушению задвижек, порыву трубопроводов, разрыву сплошности потока и т.п.

При отсутствии ОК вода начнет двигаться через насос в обратном направлении. Ротор приводного двигателя насоса остановится (рис. 2, точка А3), а затем под влиянием обратного потока воды начнет вращаться в противоположную сторону с постепенно увеличивающейся частотой вращения (рис.2, точка А4). По мере увеличения расхода жидкости через насос будут расти потери напора на преодоление сопротивления насоса, что несколько снизит скорость потока воды. Насосный агрегат переходит в турбинный режим работы.

В этом случае напорно-расходная характеристика насоса:

. (4)

Тогда, с учетом направления вращения ротора НА и движения потока жидкости через центробежную машину , выражения (2), (3) могут быть уточнены и записаны в виде:

; (5)

, (6)

где - знаковые функции.

Мощность, подводимая к валу центробежной машины, равна:

, (7)

где - гидравлическая мощность; - мощность потерь на утечку; - мощность гидравлических потерь; - мощность механических потерь; - мощность потерь в опорах насоса; - мощность потерь на дисковое трение; - плотность жидкости, кг/м3.

Для насосных режимов полезной является мощность , для турбинных - . Составляющие , для различных направлений движения жидкости и вращения рабочего колеса механизма практически равны и зависят от типа лопастных решеток (насосных и турбинных). Причем на гидравлические потери расходуется или энергия на валу ротора (насосные режимы), или энергия потока (турбинные режимы). Следует отметить, что доля гидравлических потерь преобладает над другими видами потерь, а для тормозных режимов является основной.

С другой стороны, реальную мощностную характеристику насоса можно с достаточной степенью точности описать полиномом вида:

, (8)

где - коэффициенты аппроксимации насоса Д2000-100.

С учетом двух режимов работы насоса: насосного (+, +) и турбинного (-, -), мощность, подводимая к валу гидромашины, и гидравлическая мощность соответственно равны, кВт:

; (9)

. (10)

На рис. 3, 4 приведены графики изменения мощности, подводимой к валу центробежной машины, и гидравлической мощности для разных направлений движения жидкости и частоты вращения насосного агрегата соответственно.




Рисунок 3 - Графики изменения полной мощности для различных режимов работы турбомеханизма




Рисунок 4 – Графики изменения гидравлической мощности при различных направлениях движения жидкости и частоты вращения насоса


Момент на валу центробежного насоса, равен:

, (11)

где - гидравлический момент, соответствующий моменту количества движения жидкости, проходящей через рабочее колесо; - механический момент, затрачиваемый на трение в сальниках и подшипниках, зависящий от знака .

С учетом (10), гидравлический момент имеет вид:

. (12)

Зная (9), момент сопротивления на валу насоса:

. (13)

Кривые изменения гидравлического момента и момента на валу центробежной машины для насосного и турбинного режимов работы приведены на рис. 5, 6 соответственно.




Рисунок 5 – Графики изменения гидравлического момента для различных режимов работы центробежного насоса




Рисунок 6 – Кривые изменения момента на валу насоса при различных направлениях движения жидкости и частоты вращения насоса


Решая совместно уравнения (5), (6) для различных направлений движения жидкости, получим:

- для , ; (14)

- для , ; (15)

- для , . (16)

На рис.7 приведены кривые изменения подачи и напора в зависимости от направления вращения рабочего колеса насоса.

Подставляя выражения (14)-(16) в уравнения (9), (13), получим зависимости изменения подводимой к валу мощности и момента на валу центробежного насоса, соответственно, для различных режимов работы гидромашины (рис.8, 9).




а)




б)

Рисунок 7 - Графики изменения подачи (а) и напора (б) насоса при различных направлениях вращения рабочего колеса


Как показано выше, в случае изменения направления потока на обратное, насос работает как гидравлическая турбина. При использовании четырехквадрантного регулируемого ЭП появляется возможность рекуперации энергии при (рис.3, 4, 8, 9). Такой технический вариант активно используется в установках для аккумулирования энергии [8], а также является альтернативным решением регулирования производительности НС с групповым характером нагрузки в энергоемких водопроводных комплексах систем коммунального и оборотного водоснабжения [9]. Т.н. активные регулировочные устройства на базе гидротурбинных агрегатов позволяют осуществить изменение подачи в требуемых пределах (до 50% номинальной) с одновременной отдачей электроэнергии (до 30% мощности основных насосных агрегатов) [10]. При использовании обратимых гидромашин в составе насосных установок возможна реализация различных регулировочных схем в зависимости от технологических требований, особенно в схемах с групповым ЭП насосов.




Рисунок 8 - График изменения мощности, подводимой к валу насоса, при различном направлении вращения рабочего колеса




Рисунок 9 - График изменения момента на валу насоса при различном направлении частоты вращения механизма


Выводы. Обобщая выше изложенное, можно заключить, что современные гидротранспортные комплексы представляют собой системы с низкими показателями управляемости в виду слабой взаимосвязи режимов работы насосных установок с технологическим процессом при возникновении разного рода задающих, возмущающих и управляющих воздействий, изменяющихся в процессе работы и возникающих как в нормальных (рабочих), так и в нештатных (предаварийных, аварийных) ситуациях. Насосные комплексы характеризуются практически полным отсутствием средств управления электроприводами насосов и запорно-регулирующей арматуры, что приводит к неэффективному энергопотреблению, низким КПД, преждевременному выходу из строя технологического оборудования и т.п. В связи с этим проблема управляемости, повышения качества функционирования энергоемких гидротранспортных систем заслуживает особенного внимания в рамках задач промышленного энергоресурсосбережения.

Перспективным направлением повышения управляемости таких систем является использование обратимых режимов работы гидравлических и электрических машин, расширяющих регулировочные возможности гидротранспортного комплекса, что вполне реализуемо на базе центробежных лопастных гидромашин, наиболее часто применяемых в насосных установках, и регулируемых электроприводов. Анализ характеристик турбомеханизмов в насосных и турбинных режимах работы важен в системах группового привода насосных агрегатов, работающих на трубопроводную сеть с противодавлением при изменении направления движения жидкости или частоты вращения одного из последовательно или параллельно включенных насосов.

Полученные в работе технологические характеристики подтверждают возможность эффективного использования гидравлической энергии в насосных комплексах для управления агрегатами в системах активного регулирования производительности насосных станций; при необходимости регулирования подачи (или напора) как вверх, так и вниз от номинальных значений; при возникновении аварийных режимов работы, связанных с внезапным исчезновением электропитания, резким закрытием (открытием) трубопроводной арматуры в сети потребителя и т.п.


Литература

  1. Коренькова Т.В., Алексеева Ю.А. Обоснование необходимости повышения управляемости насосных комплексов//Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. –Вип. 3/2006(38).Ч.1 –Кременчук: КДПУ, 2006,- С.87-90.

  2. Коренькова Т.В. Технико-экономическая оценка эффективности использования системы ТРН-АД в электроприводе насосных установок//Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. –Вип. 2/2001(11). –Кременчук: КДПУ, 2001, -С.98-101.

  3. Коренькова Т.В., Алексеева Ю., Михайличенко Д.А. Система защиты насосной установки от гидроудара с емкостным накопителем в силовом контуре//Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. –Вип. 6/2005(35). –Кременчук: КДПУ, 2005, -С.68-72.

  4. Михайличенко Д.А., Коренькова Т.В. К созданию систем управления насосными станциями при аварийных режимах работы//Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ.- Вип. 3/2004 (26).- Кременчук: КДПУ, 2004. -С. 50-56.

  5. Вишневский К.П. Переходные процессы в напорных системах водоподачи. –М.: Агропромиздат, 1986. -135с.

  6. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. Теория, конструирование и применение. –М.: Машгиз, 1960.-461с.

  7. Коренькова Т.В. Описание характеристик насосных агрегатов при переменной скорости вращения/ Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. –Вип. 1/2002(12). –Кременчук: КДПУ, 2002, -С.184-189.

  8. Гидроэнергетические установки (гидроэлектростанции, насосные станции и гидроаккумулирующие электростанции) под ред. Д.С. Щавелева. –Л.:Энергоиздат, 1981. –517с.

  9. Коренькова Т.В., Перекрест А.Л. О коррекции энергетики группового электропривода насосов активными регулировочными устройствами / Вісник Національного технічного університету ХПІ: Зб. наук. пр. ХДПУ. – Вип.12, т.2 – Харків: ХДПУ, 2002, -С.514-516.

  10. Коренькова Т.В., Перекрест А.Л., Михайличенко Д.А., Кравец А.М. Характеристики гидротурбины в системе активного регулирования производительности насосных станций/Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. –Вип. 2(25). –Кременчук: КДПУ, 2004, -С.21-27.



Стаття надійшла 20.04. 2006р.

Рекомендовано до друку

д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.

Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1


Схожі:

Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconУдк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого
Целью работы является анализ возможности повышения управляемости ад путем улучшения характеристик регулирования скорости и момента...
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconО. С. Попова каптур Вадим Анатолійович удк 621. 391: 004. 732: 004. 057. 4 Механізм організації віртуальних каналів в однорангових ethernet мережах 05. 12. 02 телекомунікаційні системи та мережі Автореферат
Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О. С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconО. С. Попова каптур Вадим Анатолійович удк 621. 391: 004. 732: 004. 057. 4 Механізм організації віртуальних каналів в однорангових ethernet мережах 05. 12. 02 телекомунікаційні системи та мережі Автореферат
Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О. С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconПути расширения технологических возможностей и точности обработки хонинговальных станков н. А. Иззетов, канд техн наук, доцент, рвуз «Крымский инженерно-педагогический университет»
В статье описаны технологические возможности хонинговальных станков, позволяющие обработать цилиндрические отверстия. С целью расширения...
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconУдк 629. 735. 083. 05: 621. 3: 681. 178. 004. 16(045) П. А. Ковалевский, аспирант кафедры «Радиоэлектроники»
Оценка влияние встроенных средств контроля на эффективнОстЬ эксплуатации бортовых радиоэлектронных систем
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconУдк 621. 313 Микропроцессорный комплекс энергомониторинга качества
Поэтому экономически оправдана необходимость полного исчерпания ресурсных возможностей эд, что требует разработки систем объективного...
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconУдк 621. 314. 001. 5 Проблемы подготовки специалистов-электромехаников с использованием виртуальных комплексов
Цель работы. Научное обоснование и разработка компьютеризированного виртуального лабораторного и информационно-методического комплекса...
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconУдк 621. 65. 004. 183 Обоснование необходимости повышения управляемостИ
НА; при регулировании технологических параметров; при возникновении аварийных ситуаций, обусловленных внезапным отключением электропитания...
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconУдк 621. 313. 004 Дистанційний метод визначення місця міжфазного короткого замикання в розподільній мережі 6-35 кв з повітряними лініями електропередачі
Вступ. Як об’єкт діагностування розподільчі мережі (РМ) 6-35 кВ є складною системою [1-3]. В таких системах існує значна неоднорідність,...
Удк 621. 65. 004 К задаче расширения регулировочных возможностей насосных комплексов iconО. С. Попова шмельова тетяна рудольфівна удк 621. 39, 004. 7 Оцінка ефективності комутованої ethernet параметричними сітями петрі 05. 12. 02 телекомунікаційні системи та мережі Автореферат
Захист відбудеться 17 жовтня 2008 р о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради д 41. 816. 02, Одеська національна академія...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи