автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование систем управления электроприводами насосов магистрального трубопровода

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ потоков жидкости в длинных магистральных трубопровода и управления ими.

1.1. Особенность работы электропривод в насосных агрегатах.

1.2 . Обзор существующих методов решения дифференциальных урав нений, описывающих неустановившееся движение жидкости п( трубопроводам и причин возникновения нестационарных процес сов.

1.3 . Описание линейной части трубопровода.

1.4. Учет влияния насосной станции.2'.

1.5 . Учет влияния отборов и подкачки.2'

1.6. Финитное управление электроприводами насосов магистральног трубопровода.

1.7. Выводы по первой главе.3:

ГЛАВА 2. Разработка инженерных методов расчета перекачки жидкости с уче том затухания.

2.1. Определение передаточных функций линейной части магистральног трубопровода.3<

2.2. Структура передаточных функций систем управления магистраль ными трубопроводами.4f

2.3. Разработка методов расчета переходных процессов при наличии з; тухания.

2.4. Численные методы построения переходных характеристик.

2.4.1. Переходный процесс в трубопроводных линиях без учет трения.5:

2.4.2. Свойства трансцендентных передаточных функций.5'

2.5. Выводы по второй главе.6.

ГЛАВ A3. Математические модели сложных неоднородных распределеннь систем перекачки жидкости с учетом затухания.

3.1. Матрица продолжения. Основные положения.t

3.2. Математическое описание трубопровода при наличии отбора на лр нии.

3.3. Математическое описание трубопровода при наличии насосно станции подкачки на линии.1'.

3.4. Аппроксимация передаточных функций сложных объектов с рас пред еденными параметрами сосредоточенной моделью.I

3.4.1. Использование рядов Тейлора для построения сосредоточенной модели привода с РП объект.7;

3.4.2. Аппроксимация разложением в бесконечное произведение.8(

3.5. Выводы по третьей главе.8:

ГЛАВА4. Синтез системы управления электроприводами насосов магистраль ного трубопровода и ее реализации.8;

4.1. Основные положения.8^

4.2. Проектирование линейной оптимальной детерминированной систе мы управления.8^

4.3. Параметрическая оптимизация систем управления.9'

4.4. Построения наблюдающего устройства.10]

4.5. Современный подход к разработке систем электропривода насосны станций.10:

4.6. Основные принципы расчета и выбора системы электропривода сис темы управления, интерфейсов и средства измерений, (пример тех нической реализации).

4.7. Разработка Алгоритма управления.

4.8. Выводы по четвертой главе.

Современная транспортировка жидкости по схеме из насоса в насос пр< вращает магистральный трубопровод в единую динамическую систему, тр( бующую согласованной работы всех насосных станции, вследствие чего сущ< ственно повысились требования к надежности систем регулирования. Больше значение приобретает проблема управления работой водопроводов при пер< ходных режимах. Неустановившиеся процессы в магистральных трубопровс дах, вызванные изменениями гидравлического режима перекачки, останови или пуск насосных агрегатов, регулирование давления и расхода, отключени или подключение попутного сброса или подкачки и т.п., сопровождаются рас пространением от источника возмущения волн повышенного и пониженног давления по всей трубопроводной системе. Перераспределение давления не редко приводит к остановке работающих станции или всего эксплуатационног участка, динамическим перегрузкам линейной части трубопровода, которые отдельных случаях могут превысить предел прочности труб и вызвать пере грузки оборудования насосной станции. Выход из строя оборудования, разр> шение труб линейных участков могут привести не только к ущербу от недос тавки жидкости но и к существенным затратам на ремонт.

Проведенный анализ литературы показал, что существующие научны исследования либо касаются течения в линейной части трубопровода, либо от носятся к сложным трубопроводным системам, но не учитывают волнового ха рактера течения. Задача о нестационарном волновом течении в сложной трубо проводной системе является крайне важной, однако имеющаяся в эксплуатаци онной практике потребность в создании математического описания и расчет! участков магистральных трубопроводов, содержащих станции подкачки и от бора жидкости, не находит на сегодняшний день должного удовлетворения.

В связи с этим решение задач управления о нестационарном волновом те чении в сложной трубопроводной системе является, безусловно, актуальной.

По экономическим соображениям все более широко применяются per) лируемые электроприводы насосных агрегатов, имеющие собственную систем автоматического регулирования и обеспечивающие подержание напора в лк бой точке магистрального трубопровода. Отсюда следует необходимость пс строения таких систем автоматического регулирования напорам насоса, коте рые могли бы обеспечить не только пуск-останов насосных агрегатов без воз буждения избыточных напоров и волновых процессов, но и гашение возмуще ний, приходящих со стороны трубопровода как объект с распределенными па раметрами.

В работе сделана попытка ликвидировать пробел в отсутствии математи ческой модели волнового течения жидкости участков магистральных трубе проводов. Большую актуальность представляет также создание системы управ ления участками трубопроводной системы, учитывающей свойства длинноп магистрального трубопровода и возникновения на этой основе волн упруги: деформаций жидкости. Объектом исследований являются магистральные тру бопроводы, включая электромеханические комплексы насосных станций.

Целью диссертационной работы является разработка системы управлени. электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы при нали чии промежуточных насосных станций подкачки и отбора с учетом волновы: процессов в магистральном трубопроводе.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основ ных задач: анализ влияния потоков жидкости в длинных магистральных тру бопроводах на динамику электроприводов насосных агрегатов; разработка инженерных методов расчета перекачки жидкости ] магистральных трубопроводах; разработка математических моделей сложных неоднородных рас пределенных систем перекачки жидкости с учетом затухания; синтез системы управления электроприводами насосов магист рального трубопровода и ее реализации. Решение поставленных задач открывает возможности в создании высокс качественных систем управления транспортировки жидкости с учетом распре деленности параметров управляемого объекта.

Для решения поставленных задач в работе использована комплексная ме тодика исследования, включающая в себя: методы теории систем автоматиче ского управления и операционного анализа, методы теории колебаний, метод! теории функций комплексного переменного и методы математического моде лирования на персональном компьютере.

К защите представляются следующие основные научные положения.

1 Анализ потоков жидкости в длинных магистральных трубопроводах < определением собственных частот колебаний при наличии трения и но вый метод расчета переходных характеристик

2 Математическое описание сложных разветвленных трубопроводные систем перекачки жидкости на основе метода продолжения, учитываю щее произвольное количество точек насосных станций отбора и под качки жидкости.

3 Метод синтеза системы управления длинным магистральным трубопро водом с распределенными параметрами.

Содержание диссертационной работы распределено по главам следующим образом.

В первой главе дана развернутая характеристика магистральных трубопроводов. Произведен обзор литературы по методам исследования потокое жидкости в длинных магистральных трубопроводах с учетом влияния насосной станции, а также влияния отборов и подкачки. Дана постановка задачи исследования электропривода насосного агрегата.

Вторая глава посвящена разработке инженерных методов расчета перекачки жидкости в магистральных трубопроводах. Разработан метод получения оригиналов трансцендентных передаточных функций с учетом процессов зат; хания колебаний из-за наличия трения жидкости о стенки трубопровода. I основе этого метода получены переходные характеристики для различных т< чек магистрального трубопровода.

В третьей главе предложен способ расчета передаточных функци сложных неоднородных распределенных систем перекачки жидкости с учето затухания на базе матричного метода продолжения. Даны основные принцип расчета неоднородных участков, принципы учета насосных станций отборов подкачки на линии. Произведена аппроксимация передаточных функций слоя ных объектов с распределенными параметрами сосредоточенной моделью.

В четвертой главе решена задача разработки и построения систем управления насосного агрегата с учетом волновых свойств магистральног трубопровода. Определены коэффициенты регулятора, разработаны наблк дающее устройства. Проектирование систем автоматического управления ш сосной станции произведено с применением высоко интегрированной про мышленной процессорной платы РСА-6167.

В заключении изложены основные научные результаты работы.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Произведен обзор и анализ математического описания движения жидкости в длинных магистральных трубопроводах. Показано, что магистральные трубопроводы должны быть представлены моделями, в которых учитывается распределение параметров объекта управления.

2. Получен ряд передаточных функций при различных режимах работы магистрального трубопровода при учете трения жидкости на линейном участке трубопровода. Эти передаточные функции выражаются трансцендентными выражениями, так называемыми сложными функциями, где оператор Лапласа находится под радикалом, а радикал является аргументом гиперболической функции.

3. Доказана аналитичность таких передаточных функций, и на основе теории вычетов разработан метод расчета оригиналов для них. Данный метод прост и нагляден.

4. На основе метода продолжения произведено описание сложных разветвленных трубопроводных систем с произвольным количеством насосных станций подкачки и отбора как элементов систем управления. Получены передаточные функции таких систем.

5. Рассмотрен ряд методов аппроксимации передаточных функций разветвленных трубопроводных систем, что позволило получить конечномерные математические модели объекта управления.

6. Разработана методика синтеза систем управления электроприводами насосов работающих на длинные трубопроводы с учетом распределенности параметров объекта.

7. Предложен комплексный подход к реализации системы управления.

128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Киселев Н.В., Мядзель В.Н., Рассудов Л.Н. Электроприводы с распределенными параметрами. - Л.: Судостроение, 1985г.-220 с.

2. Пономарев К.К. Расчет элементов конструкций с применением ЭЦВМ. М., Машиностроение, 1972.

3. Бутковский А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. М.: 1975г. -568 с.

4. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977.

5. Аракелян А.К., Шепелин А.В. Система автоматического управления электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы. "Электричество" № 4/2000.

6. Аракелян А.К., Шепелин А.В. К динамике режимов пуска и останова электропривода турбомеханизмов. "Электричество" №8/98.

7. Кадымов Я.Б. Переходные процессы в системах с распределенными параметрами. М.: Наука, 1968г. - 192 с.

8. Чарный И.А. Неустановившееся движения реальной жидкости в трубах. М.: 1975г.

9. Гусейнзаде М.А., Другина Л.И., Петрова О.Н., Степанова М.Ф. Гидродинамические процессы в сложных трубопроводных система, М.: Недра, 1991.

10. Г. Деч Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z- преобразования. М.: 1971г.

11. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965г. -274 с.

12. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975г. - 767 с.

13. Математические основы теории автоматического регулирования / Иванов В.А., Медведев B.C., Чемоданов Б.К., Ющенко А.С. М., 1977, т.1.

14. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы.- М.: Мир, 1971г. -558 с.

15. Шаталов А.С. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1977.

16. Астрахан В.И. О численном обращении изображений при расчете электрических цепей с помощью преобразование Лапласа. "'Электричество", 1972г. № 12, с 73-77.

17. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Ч.П, М-Л, "Энергия", 1966г. 372 с.

18. Теория автоматического управления. В 2-х ч.Ч.1. Теория линейных систем автоматического управления / Н.А. Бабаков, А.А. Воронов, А.А. Воронова и др.; М.: 1986.

19. Панарин В.В., Зайцев Л.А. Автоматизированные системы управления в трубопроводном транспорте нефти. М.: 1986г.

20. Эгильский И.С. Автоматизированные системы управления технологического процесса. Л.: 1988г.

21. Зайцев Л.А., Ясинский Г.С. Регулирование режимов магистральных нефтепроводов. М.: 1980г.

22. Рассудов Л.Н., Мядзель В.Н. Обобщенная методика расчета систем управления, имеющих звеня с распределенными параметрами, "синтез алгоритмов сложных систем " Таганрог, с63-69. Л.: 1974г.

23. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемых приводов в насосных установках. М.: 1998г.

24. Краснов М.Л., Киселев А.и., Макаренко Г.И. Функции комплексного переменного. Операционное исчисление. М.: 1971г.

25. Шилов Г.Е. Математический анализ (функции одного переменного), часть З.М. 1970г.

26. Диткин В.А., Кузнецов П.И. Справочник по операционному исчислению. М.: 1951г.

27. Диткин В.А. и др. Интегральные преобразование и операционное исчисления. М.: 1974г.

28. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению. М.: 1965г.

29. Анго Андре. Математика для электро-радиоинженеров. М.: 1964г.

30. Милушев Расчет гидравлического удара в сложных напорных трубопроводах. Д.: 1973г.

31. Фокс А.Д. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. Л.: 1981г.

32. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределенными параметрами. М.: 1979г.

33. Бутковский А.Г. Структурная теория распределенных систем. М.: 1977г.

34. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: 1965г.

35. Полякова Г.Н. Моделирование и управление газотранспортными системами. СПБ 1992г.

36. Малюшенко В.В. и др. Насосные оборудование тепловых электростанции. М.: 1975г.

37. Носов В.А. Автоматическое управление и регулирование в нефтяной и нефтехимической промышленности. М.: 1976г.

38. Кадымов Я.Б., Мамедов А.И., Аскерзаде Б.А. Расчет нестационарных режимов в неоднородных магистральных трубопроводах, работающих по схеме "из насос в насос" Нефть и газ №6 1983 г.

39. Зайцев JI.А. и др. Регулирование давления на магистральных трубопроводах. М.: 1981г.

40. Карелин В.Я. и др. Насосы и насосные станции. М.: 1986.

41. Геригорин А.Е. Стабилизация режимов работы трубопроводов. Киев 1988г.

42. Гусейнзаде М. А. Движение газа в газопроводах с путевым отбором. М.: 1972.

43. Лебедев Р.К. Автоматическое регулирование в газовой промышленности. М.: 1987г.

44. Аркаелян А.К., Шепелин А.В. Оптимальные фильтры в системах автоматического регулирования электроприводов насосов, работающих на длинные трубопроводы. "'Электричество" №6/2000.

45. Александров М.А., Аракелян А.К., Виницкий Ю.Д., Виндберг О.А., Гу-мин В.А., Городецкий А .Я., Готлиб И.П., Шакарян Ю.Г. Регулируемый электропривод питательного насоса катлоагрегата ТЭЦ-з. "Электрические станции" №3/1996.

46. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Принципы построения микропроцессорной системы управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом насоса. "Электротехника" №8/98.

47. Аракелян А.К., Шепелин А.В. Способы построения систем автоматического управления электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы. "'Электротехника" №2/2001.

48. Балынев О.А., Тайгров Э.А. Анализ переходных и стационарных процессов в трубопроводных системах. Новосибирск 1998.

49. Борцов Ю.А. Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПБ 1992.

50. Кульский Л.А., Иванов В.В. Математическое моделирование систем водоснабжением (введение в системе анализа). Киев 1986.

51. Дхозеф Дэниел. Устойчивость движение жидкости. М.: 1981.

52. Основы автоматического управления / Под. ред. B.C. Пугачева. М., 1968.

53. Воронов А.А. Основы теории автоматического регулирования. Особые линейные и нелинейные системы. М.Д981.

54. Башарин А.В., Постников Ю.В. Пример расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ: учебное пособие для вузов. JL: Энергоатомиз-дат. 1990. 512с.

55. Никитин В.М., Поздеев А.Д., Ковалев Ф.И., Шестоперов Г.Н. Энергосберегающие электроприводы.

56. Прокопов А.А. Тигист Т.Т. Математические модели сложных неоднородных распределенных систем перекачки жидкости; С-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. С-ПБ., 2003.13 стр.:Библиогр.З назв. -Рус.Деп. в ВИНИТИ 13.03.2003 № 446-В2003.

57. Теория автоматического управления. Под ред. А.В. Нетушила. М., 1976.

58. Прокопов А.А., Татаринцев Н.И., Цирлин JI.A. Применение программируемых контроллеров для управления технологическим оборудованием. ТЭТУ. СПБ.,2001.

59. Рассудов Л.Н., Мядзель В.Н. Электроприводы с распределенными параметрами механических элементов. Л.: Энергоатомиздат, ленингр. Отд-ние,1987.

60. Бессонов Jl.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи: М.: Высш. Шк.,1984.

61. Герасимов В.В. Технические средства снижения энергозатрат на нефте-продуктопроводах. М.: 1987.

62. Хватов С.В., Анишев Е.Ю., Титов В.Г., Юдин В.В., Черемисин В.В. Крутильные колебания насосных агрегатов с электроприводом по схеме асинхронного вентильного каскада. "Электричество" №2 1987.

63. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. М.-Л.,ГИТТЛ, 1949.о