автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций при пуске агрегатов

На правах рукописи

АПРЕСЯН Давид Шамилевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В НАПОРНЫХ КОММУНИКАЦИЯХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ ПРИ ПУСКЕ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 МАЙ ¿013

005058633

Москва 2013

005058633

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» на кафедре «Насосы и насосные станции»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бегляров Давид Суренович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

действ, член АЭН РФ, АВН РФ, МАЭП Виссарионов Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент Гладкова Елена Валентиновна

Ведущая организация: ГНУ "Всероссийский научно-

исследовательский институт гидротехники и мелиорации им.А.Н.Костякова" Россельхозакадемии

Защита состоится 13 мая 2013 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, эл. адрес: mailbox@msuee.ru, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного университета природообустройства (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19.

Автореферат разослан апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

И.М. Евдокимова

Введение

Актуальность работы. Решение актуальных проблем водопотребления в Российской Федерации и в других странах СНГ предусматривает широкое строительство современных водохозяйственных систем для водоснабжения и орошения. Неотъемлемой частью таких систем являются насосные станции и напорные трубопроводы.

Опыт эксплуатации насосных станций показывает, что основные повреждения и аварии насосных агрегатов, которые наносят существенный экономический ущерб, происходят: при переходных процессах, пусках и остановках, которые в соответствии с графиком работы насосной станции могут осуществляться по несколько раз в сутки, а также при аварийном отключении электродвигателей от энергосистемы. При этом возникает гидравлический удар, значительные динамические нагрузки на элементы сооружений и гидросилового оборудования; резкое изменение силовых воздействий на рабочее колесо и системы привода лопастей, сопровождающиеся пульсациями потока и вибрациями.

Таким образом, резкое изменение давления, вызванное значительными локальными ускорениями жидкости надо учитывать при расчетах прочности и надежности трубопроводных систем.

В последнее время большое внимание уделяется вопросам безопасности различных объектов водохозяйственных систем (Федеральный закон РФ № 117 «О безопасности гидротехнических сооружений» от 01.04.2012 г.). Не являются тут исключением и закрытые оросительные системы и системы водоснабжения, поэтому при проектировании насосных станций необходимо комплексно учитывать работу напорного тракта и технологического оборудования, и назначать схемы и состав сооружений основываясь на расчетах и анализе переходных процессов при пусках и остановках с учетом статических и динамических характеристик насосов и электродвигателей.

Параметры напорных систем определяются путем гидравлических и технико-экономических расчетов, но они не дают возможность получить их оптимальные значения.

Наиболее эффективным способом получения исходной информации о характере протекания всего комплекса переходных процессов при пуске агрегата -численное моделирование, обеспечивающих надежность сложных технических

сооружений, которое позволило добиться существенных достижений, как в теоретическом, так и в практическом направлении этих исследований.

В тоже время необходимо отметить, что сегодня при всем многообразии существующих методик расчета переходных процессов для различных случаев, связанных в основном с отключением насосов, нет общих методов расчета гидравлического удара в трубопроводах при пусках агрегатов на насосных станциях. Вышеизложенными обстоятельствами и определяется актуальность данной работы.

Целью работы является разработка научных основ расчетного обоснования переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций при пуске агрегата на опорожненные и частично заполненные водой трубопроводы.

Выполнение поставленной цели было связано с решением следующих

задач:

- рассмотрение основных существующих зависимостей для расчетов нестационарного движения жидкости в напорных трубопроводах и выделения главного направления развития исследований;

- усовершенствование существующей методики расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи с насосными станциями для разных случаев пуска насосов с разработкой алгоритма расчета и реализацией его в компьютерной программе;

- расчетно-теоретические исследования переходных процессов в закрытых оросительных системах и системах водоснабжения, связанных с пуском насосного агрегата позволяющие уменьшить амплитуду колебаний в системах водоподачи;

- натурные исследования в напорных системах водоподачи с целью анализа влияния пуска насосного агрегата на гидравлические переходные процессы.

- на основании приведенных расчетно-теоретических и натурных исследований разработать методы расчетного обоснования переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций при пуске насосного агрегата;

Научная новизна работы состоит в следующем:

- усовершенствована математическая модель гидравлических переходных процессов в напорных системах водоподачи, учитывающая пуск насосного агрегата на насосных станциях;

- разработана методика проведения натурных экспериментов на действующих водохозяйственных системах;

- проведен сравнительный анализ экспериментальных данных по расчету гидравлического удара и результатов численного моделирования по предложенному в работе методу;

- создан алгоритм и компьютерная программа расчета переходных процессов, возникающих при пуске насосных агрегатов.

Личный вклад автора заключается в усовершенствовании им математической модели и создании алгоритма, а так же программы расчета переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций в режиме пуска агрегата на опорожненные и частично заполненные водой трубопроводы.

Практическая ценность работы. Реализация предложенной математической модели в программном комплексе для компьютерной программы позволяет на стадии проектирования установить условия, при которых обеспечивается пуск агрегата, учитывая взаимное влияние гидравлических и механических переходных процессов при конкретных параметрах водопроводящего тракта, гидроагрегата и электрической части станции. Изложенные в диссертации результаты исследований позволят повысить надежность и эффективность эксплуатации насосных станций.

Достоверность результатов исследовании. Достоверность основных положений и выводов работы подтверждается многократными сопоставлениями результатов расчетно-теоретических исследований переходных процессов при пуске агрегатов с данными натурных экспериментов, проведенных на действующих насосных станциях с различными подачами воды, напорами, мощностями, диаметрами и длинами напорных трубопроводов, противоударными устройствами.

Проведенные сопоставления подтвердили высокую надежность предложенных автором теоретических разработок и практических рекомендаций, основанных на точных методах анализа и исходных зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов.

Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных водоводов от гидравлического удара при пуске агрегатов на насосных станциях и в значительной мере повысить надежность работы закрытых оросительных систем и систем водоснабжения.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях Московского государственного университета природообустройства в 2009 - 2012гг., а так же на научно-технической конференции в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (технический университет) г. Санкт-Петербург (2009г.).

По материалам диссертации опубликовано пять статей, из них три статьи в рецензированных изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии (194 наименования, 16 на иностранных языках), приложения и содержит 142 страницы текста (включая 2 страницы приложения, 42 рисунка и 1 таблицы).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи исследований, научная новизна и определена практическая ценность полученных результатов, а так же приведены сведения о структуре и объеме работы.

В первой главе выполнен обзор научных работ, посвященных гидравлике неустановившегося движения жидкости в напорных трубопроводах.

Указывается, что развитие теории гидравлического удара связано с работами, выполненными такими авторами как: В.М. Алышев, М.М. Андрияшев, Н.В. Арефьев, В.А. Архангельский, H.H. Аршеневский, К.Г. Асатура, Д.С. Бегляров, В.В. Берлин, В.И. Блохин, В.И. Виссарионов, К.П. Вишневский, И.П. Гинзбург, JI.C. Геращенко, Е.В. Гладкова, А.Г. Джаваршейшвили, B.C. Дикаревский, Н.Г. Зубкова, Л.Б. Зубов, С.Н. Карамбиров, H.A. Картвелишвили, Л.Н. Картвелишвили, В.Н. Коваленко, Г.И. Кривченко, Б.Ф. Лямаев, Г.И. Мелконян, А.В.Мишуев, М.А. Мостков, Л.Ф. Мошнин, Е.М. Натариус, Г.Л. Небольсин, Л.В. Полянская, А.Н. Рожков, A.A. Сурин, Е.Т. Тимофеев, И.С. Трусов, В.А. Фартуков, И.А. Парного и др. За рубежом наиболее значительные работы в области теории гидравлического удара выполнены: Л. Аллиеви, Р. Ангус, Л. Бержерон, И.Джозеф, Г. Еванжелисти, Р. Леви, Д. Пармакин, В. Стритер, Д. Фокс, X. Христов, Ф.Хэмилл, О. Шнидер и многими другими.

Для расчета переходных процессов в напорных системах приняты дифференциальные уравнения неустановившегося движения воды в

трубопроводах в которых не учитываются конвективные члены. Пренебрежение этими членами позволяет значительно упростить решение этих уравнений, но не приводит к ощутимым погрешностям в определении времени распространения волн по трубопроводам, поскольку в обычных условиях скорость "а" значительно больше скорости движения воды "V".

Опыт эксплуатации напорных систем водоподачи с насосными станциями показывает, что основные повреждения и аварии на них происходят при переходных процессах, возникающих при пусках и остановках насосных агрегатов, которые в соответствии с графиком работы могут происходить несколько раз в сутки, а также при аварийном отключении электродвигателей.

Отмечено, что большинство работ в области переходных процессов посвящено отключению насосов.

В связи с этим в диссертации рассмотрены и проанализированы особенности протекания переходных процессов при пуске насосов на насосных станциях.

Параметрами, определяющими режим пуска, являются: моменты, развиваемые двигателем и моменты потребляемые насосом, а также частота вращения ротора насосного агрегата.

Изученные материалы позволяют заключить, что наиболее эффективным способом пуска гидроагрегатов на насосных станциях является прямой асинхронный пуск, который отличается от других тем, что он относительно дешев.

Во второй главе рассматриваются мероприятия, направленные на предотвращение повышения давления в напорных коммуникациях насосных станций.

Вопросами повышения надежности и долговечности трубопроводов водохозяйственных систем посвящены исследования и разработки, выполненные во ВНИИ ВОДГЕО, УкрВОДГЕО, УкрНИИГиМ, ЛИИЖТ, МГУП, ВНИИМ и ТП ВНПО «Радуга», Укргипроводхозе, Союзгипроводхозе.

Приводятся описания различных средств защиты от недопустимых повышений давления, возникающих при переходных процессах на напорных системах водоподачи, дается классификация этих средств.

Отмечается, что эффективность их применения зависит от правильного их выбора.

В третьей главе, в соответствии с поставленными задачами исследований, приведены результаты разработки методики расчета переходных процессов в

режиме пуска насосных агрегатов при подаче воды в опорожненные или частично заполненные водоводы.

Пуск насосов на полностью или частично заполненные водоводы происходит, практически, только тогда, когда на напорных линиях или в начале водовода установлены обратные клапаны. В этих случаях, пока развиваемый насосом напор будет меньше статического (Н„ < Н^), движение воды в водоводе не происходит и динамика вращательного движения ротора насосного агрегата (частота вращения, развиваемый напор и потребляемый момент) будет определяться только характеристиками насоса и двигателя. Как только развиваемый насосом напор станет равным статическому (Нн = Нст) обратный клапан мгновенно открывается и в водоводе возникает переходный гидравлический процесс. В этом случае необходимо решать уравнения движения воды в водоводе совместно с уравнением вращательного движения ротора насосного агрегата. Таким образом, расчет пуска насосного агрегата разбивается на два этапа.

На первом этапе пока Н„ < НС1 .производится расчет вращательного движения рабочего колеса насоса при нулевом значении расхода путем решения уравнения для описания механических переходных процессов при изменении частоты вращения роторов насосных агрегатов:

1^ = МД-МН, (1)

где - угловое ускорение {(О - угловая скорость); I - момент инерции

вращающихся масс насосного агрегата; Мд - момент, развиваемый электродвигателем; Мц — момент, потребляемый насосом (момент сопротивления).

Предварительно, уравнение (1) приводится к виду: (1п 120 g

Л 3,14 вЭ

т(Мд-Л/„),

(2)

где п - частота вращения ротора, мин"1; I - время, сек; g - ускорение свободного падения, м/сек2; СВ"1 = 4gJ - маховый момент ротора, кгм3/сек2; I - момент инерции ротора, кгм2.

Заменим уравнение (2) его разностным аналогом первого порядка точности на равномерной по времени разностной сетке:

= П, +"

120,1?

' 3.14С£)2 4 "" • (3)

п1 = 0 при у = О,

где П)+] - искомое значение частоты вращения в момент времени (¡+Дт;

П; - значение скорости вращения в предшествующий момент времени

Мд), Мщ - значения момента, развиваемого двигателем и момента,

потребляемого насосом, в предшествующий момент времени

Для определения шага сетки Лт (шага интегрирования) запишем уравнение (3) в ввде:

п= 12{)8 „ \{М3-Мн\И. (4)

3,14СО • д (4)

Для момента времени хст, когда напор, развиваемый насосом, станет равным статическому напору Н = Нст, полученное уравнение примет вид:

" ЪМСО1 л "' (5)

где пс1 - значение частоты вращения ротора насоса (двигателя) в момент времени т„, когда Н=НСТ.

Заменив в уравнении (5) подынтегральное выражение на полусумму его значений при 1=0 и 1=тсг, получим приближенное выражение для определения

времени раскрутки двигателя (рабочего колеса насоса) г"1, когда напор насоса станет равным статическому напору при нулевой подаче О = 0:

гсо,__ 3,14СР\

г - --------(6)

Полученная формула будет точной при линейной зависимости величин Мд и Мн от частоты вращения. В общем случае, величины Мл и М„ зависят от скорости вращения более сложным способом, и величина Тсг определяется непосредственно путем проведения расчетов, как это описано ниже.

Величина пС1. определяется при нулевой подаче с помощью каталожной характеристики Н„к=Г((2„л), полученной при скорости вращения п = ппь и формул подобия:

К II

-> 1 п » -> >ч 0 п"

\на

М„. . .....

(8)

:Т

Величина Ми определяется по формуле:

М: = 0,5[М,1СТ(0)], (9)

где Л/НС1..(0) - момент, потребляемый насосом, при нулевом расходе Q = 0 и при частоте вращения п=пст и вычисляемый по каталожной характеристике М^—^О,,.,), с помощью формул подобия (7):

Мнст =

У

м„

(10)

Так как

н к , то выражение для Мн примет вид:

п,

(И)

Величина Л/д из зависимости (6) определяется по формуле:

лГя=0,5 [Мдо+МДС1], (12)

где Мдо - значение момента, развиваемого двигателем в начальный момент времени 1=0 и определяемый по механической характеристике двигателя (13) при скольжении 5=1; Мдсг - значение момента, развиваемого двигателем в момент времени 1=т1;1 и определяемый по механической характеристике двигателя (13)

при

пс ~>1С

.ч =—--

Мд =

2м(\ + е)

(13)

где Мщ, - критический (максимальный) момент; .чкр — критическое скольжение,

Щ> ' '' < о

соответствующее Мкр; £ —-. = 1 + ; г, - активное сопротивление фазы

с-1 гг ¿■■'к

статора; Г2 - активное сопротивление фазы ротора, приведенное к статору; - ток холостого хода; }к - ток короткого замыкания.

Подставив приближенные значения /)„,М„,Л/Д в (6), определим приближенное значение времени раскрутки насоса до состояния Нн — . Приближенное значение шага сетки по Дт вычислим по формуле:

< Л \|0> 'ст

(дг) (14)

С этим шагом разностное уравнение (3) решается до момента времени тс1, когда напор насоса сравняется со статическим напором. Затем шаг сетки уменьшается в два раза:

Решением уравнения (3) с уменьшенным в два раза шагом сетки будет первым приближением расчет значений частоты вращения ротора двигателя (рабочего колеса насоса) (./= Лт) • Затем уменьшается в два раза шаг сетки, рассчитываем скорость вращения ротора и так далее.

Расчет заканчивается, когда максимальная разность двух последовательных приближений станет меньше некоторой наперед заданной малой положительной величины 5:

шах

|»Г-'С"|<(? (у = 1,./Гс1). (16)

С /и) „(»1-1)

где П1 1 ] - наборы значении скоростей вращения при га и т-1 приближениях.

На втором этапе, как только Н.^Ни обратный клапан мгновенно откроется и в водоводе возникнет нестационарное движение воды, расчет которого производится путем совместного решения уравнений движения воды в водоводе совместно с вращательным движением ротора насосного агрегата.

Расчетная схема для конца трубопровода, на котором расположен насосный агрегат, имеет вид (рисунок 1).

Как следует из (рисунок 2), в предшествующий момент времени ^ (точка ^1) из первой точки оси трубопровода выходит обратная характеристика, пересекающая ось времени I в момент времени — зависимости:

(точка (17)

В момент открытия клапана:

(1В)

0-1 =ТС.

Д/ = (Д т)"'\

Д* = а(Дт)("\

Общим решением волновых уравнений являются выражения:

Нц1+1).1 = НцМ,о + (рц + ¥,(¡+1),], (19)

V = V + е ~ П01

где Нщ.1ко ; \'щ.ц.о и Я,(1+д0.' Ущ+пл ~ начальные значения напоров и скоростей в указанных выше сечениях; и Ц/ цц.щ — волны, подошедшие к

точке / в расчетный момент времени ] от соседних точек /-1 и /+1 ; (р, , и угц -волны, возникающие в точке г в момент времени у в результате интерференции волн (рщ.щ и ¥¡0+1 у, подошедших от точек ¡-1 и ¡+1.

Уравнения (19,20) для точки (0,]) имеют вид:

+ (21)

= \о + 8 —--. (22)

а,

В начальный (для движения воды в трубопроводе) момент времени 1=Тст скорость течения воды в трубопроводе равна нулю О'и) =0), поэтому уравнения (21, 22) с учетом потерь напора в коммуникациях насосной станции примут вид:

Я ««.у = + И1Я + Ф^ + , (23)

Уы-У и

^ = 8-. (24)

а, '

Так как . = —. то для определения величин <Р{)" УЛ / получим уравнения:

+ = # - - ни). (25)

■ (26)

Отсюда получим выражения для граничных значений функций ф и 1|/ на левом конце трубопровода:

(27)

80}

(28)

Я®

На правом конце трубопровода граничные условия зависят от конкретных условий истечения воды. Предположим, что истечение воды происходит в открытую емкость. Расчетная схема приведена (рисунок 2).

Как следует из рисунка 2, в предшествующий момент времени ^.](точка]-1) из предпоследней точки оси трубопровода выходит прямая характеристика, пересекающая ось времени I в момент времени - зависимости (12,14).

Уравнения (19) и (20) для правой границы трубопровода с учетом условий:

у|.о =°,Н„.1=НШ) (29)

примут вид:

9«- (30) „ ....._ Р-и ~Уп.1

(31)

Заменив = ' , приведем уравнения (29), (30) к виду:

(32)

аЯп, I

Решая последнюю систему уравнений, получим выражения для определения функций и :

2 £<У

(35)

Как только насосный агрегат войдет в синхронизм и станет подавать в трубопровод требуемый расход, шаг по продольной координате и, соответственно шаг по времени, может быть пересчитан, как в большую, так и в меньшую сторону.

Расчет переходных гидравлических процессов при подаче воды в частично заполненный трубопровод также проводится в два этапа (аналогично случаю подачи воды в полностью заполненный трубопровод).

На первом этапе, рассчитывается вращательное движение ротора насосного агрегата. В качестве НС1 выбирается значение, соответствующее уровню свободной поверхности воды в трубопроводе в начальный момент времени. Как только напор, вырабатываемый насосным агрегатом, станет равным НС1, обратный клапан мгновенно откроется, и в трубопроводе возникнет движение воды, расчет которого производится путем совместного решения уравнений движения воды в водоводе совместно с вращательным движением ротора насосного агрегата.

Граничные условия на левом конце трубопровода зависимости (27,28), соответствующие положению насосной станции, полностью сохраняются.

Граничные условия на правом конце трубопровода (34,35), соответствующие свободной поверхности, также сохраняются, но сама граница (свободная поверхность) будет смещаться вправо, по мере заполнения трубопровода водой. Поэтому на каждом шаге Д1 по времени это смещение надо учитывать.

Из условия непрерывности течения воды следует:

(36) где Щ - площадь сечения к-ого участка трубопровода, на котором в момент времени 11 находится свободная поверхность; - величина смещения свободной поверхности.

Отсюда находится величина смещения свободной поверхности за промежуток времени

—-. (37)

Щ

Так как

б,.;-, (38)

то формула (37) примет вид:

= (39)

Величина

Але.,,

округляется до значения, кратного у - целому значению шага расчетной сетки по продольной координате х, определяемому по соотношению (39), т.е.

Дх„, = у&х . (40)

Общая длина участка трубопровода, заполненного водой, станет равной

Ь, = + Дг„,. (41)

Соответствующее значение напора станет равным

Н^Н^+1 Агс„. (42)

Если у=0, то сохраняется значение Ь= ¡-^, и расчет для следующего значения времени = tj +(Дг)",) производится для значения напора Н;=Н|.|.

Если У ^1,то в точках

х„=£;+//Дт (43)

по формулам линейной интерполяции вычисляются значения у• и расчет проводится на новом временном слое].

Переходные гидравлические процессы, возникающие при подаче воды в опорожненный трубопровод, могут быть исследованы в предположении, что незначительная часть трубопровода заполнена водой. В этом случае расчет может быть выполнен по методике, приведенной в данном разделе, для трубопровода, частично заполненного водой.

Для проведения расчетов по изложенной методике была разработана компьютерная программа. Блок-схема алгоритма приведена на рисунке 3. В

качестве языка программирования был использован язык программирования высокого уровня Delphi 7.

В четвертой главе описываются и анализируются результаты расчетно-теоретических исследований переходных процессов в насосных станциях оросительных систем при автоматическом пуске основного агрегата с одновременным отключением вспомогательного насоса при включении на сети дождевальной машины.

Расчеты переходных процессов выполнялись для двух насосных станций: расположенных на «Комсомольской оросительной системе» в Саратовской области РФ и на «Рыбницкой оросительной системе» в Республике Молдова.

Было принято, что до момента пуска основного агрегата на сеть работает вспомогательный (бустерный) насос, подача которого восполняет утечки воды из сети.

При открытии задвижки у дождевальной машины возникает волна пониженного давления, распространяющаяся по сети. Через определенный промежуток времени Att., зависящий от расстояния между точкой присоединения дождевальной машины и насосной станцией, а так же от величин скоростей распространения ударных волн по участкам трубопроводов на этом пути, начнется подход волн пониженного давления к станции.

По мере открытия задвижки давление в сети и в частности у насосной станции будет понижаться. Определенная величина снижения давления будет являться импульсом для одновременного отключения вспомогательного насоса и пуска основного насоса. Некоторое время после момента пуска основного насоса (до тех пор, пока напор, развиваемый насосом не превзойдет напор в начале сети) давление у насосной станции будет продолжать снижаться.

После того, как напор основного насоса превысит напор в начале сети, обратный клапан у насоса откроется, и давление в начале сети начнет повышаться.

Однако, давление у включаемой дождевальной машины все еще будет понижаться. Повышение давления в этой точке начнется лишь через интервал времени At после открытия обратного клапана у насоса.

Такова общая картина процесса автоматического пуска 1-ого основного насосного агрегата станции ЗОС.

Данная задача является очень сложным случаем гидравлического удара с двумя, а даже, точнее, с тремя источниками возмущения (включаемая дождевальная машина в какой-либо точке на сети, отключаемый вспомогательный насос и включаемый основной насос в точке «насосная станция»).

Неизвестными при расчете для точки «Насосная станция» при этом будут: /}, //„, М„, Мда - основного насосного агрегата, Д,, О1,,., ЯЛ, М;м -вспомогательного агрегата, а также значение волны изменения давления <р"" в зависимости от которой определяется скорость в начале сети V'"' = о,1,"1 +—[р',"1 - р,1!^ )и напор в начале сети Я,"" =Н);Л +

а

В первый период времени после отключения вспомогательного и пуска основного насоса вода будет еще поступать через вспомогательный насос в сеть <3,, = у',"' ■ со. Основной насос будет работать при С2 = 0, т.к. напор его будет еще меньше напора в начале сети. В момент времени, когда напор вспомогательного насоса станет меньше напора в начале сети обратный клапан на напорной линии этого насоса закроется и будет отключен от сети, т.е. работу его после этого можно не учитывать.

Подача основного насоса при этом будет еще равна нулю. Только после того, как напор основного насоса станет больше давления в начале сети откроется обратный клапан на его напорной линии и насос начнет подавать воду в сеть.

От насосной станции начнет распространяться волна повышения давления.

Для расчета таких случаев потребовалось вводить не только данные о структуре оросительной системы, а так же о профилях, сечении или уклоне трубопроводов, материале, диаметре, толщине стенок трубопровода, удельных сопротивлений, характеристики насосов и трубопроводной арматуры, но и по следующим необходимым данным : Л/ ,р - величина критического (максимального) момента электродвигателя [к<>/л/];51(, - величина критического скольжения [л/], соответствующая Мч,, которыми задается механическая характеристика электродвигателя; Н& - напор вспомогательного насоса при нулевой подаче [и]; - «сопротивление» вспомогательного насоса [с2/.«5], которыми задается напорная характеристика вспомогательного насоса; нЛ - частота вращения

вспомогательного насоса при нормальном режиме работы \рб1мин\\ СО-маховой момент вспомогательного насосного агрегата [кг/,и2];

А^ - значение давления в начале ЗОС при уменьшении, которого включается основной насос и отключается вспомогательный [.и].

Для проверки и отработки разработанного блока по программе, было решено несколько контрольных примеров, результаты которых приводятся в данной работе.

Эти примеры различаются расположением на сети включаемой дождевальной машины.

Для проведения расчетно-теоретических исследований были приняты следующие схемы сетей: на рисунке 4 изображена схема ЗОС «Рыбницкой оросительной системы», а на рисунке 5 схема ЗОС «Комсомольской оросительной системы».

На ЗОС «Рыбницкой оросительной системы» расчет приведен для случая включения дождевальной машины, расположенной в т.27 схемы сети (рисунок 4).

Результаты расчета ¡значение напора и скорости в начале сети, давление в т.27 и частота вращения основного насоса показаны на рисунке 6.

Как очевидно из графика снижение давления в начале сети практически начинается через 12с после открытия задвижки. Поскольку расстояние от открываемой задвижки до насосной станции около 9000 м волны пониженного давления начнут подходить к началу сети через Д/, =1/а =9000/1000 = 9с (значения а принимались равными 1000 м/с) уменьшение давления ниже 37м, т.е. включение основного насоса и отключение вспомогательного происходит через 15,8 сек после начала открытия задвижки.

К расчетному моменту времени 16,3с напор вспомогательного насоса станет ниже напора в сети и обратный клапан на напорной линии закроется и отключит его от сети. К этому же моменту времени напор основного насоса станет больше напора в начале сети и насос начнет подавать воду в сеть. Практически частота вращения основного насоса станет номинальной уже к 16,8с расчетного времени. В дальнейшем будет происходить постепенное увеличение напора насоса, снижение его подачи и некоторое увеличение частоты вращения, связанное с наибольшим уменьшением потребляемой мощности. К расчетному моменту времени 45с процесс можно практически считать уже установившимся.

Для оценки влияния отдельных из значений М№,1ч>еМзь,В/,н&,на процесс автоматического пуска была проведена серия расчетов с варьированием этих параметров для одной из сетей Комсомольской оросительной системы в Саратовской области, схема которой изображена на рисунке 5.

Было принято значение давления Ьгр=0,74МПа (75 м). Результаты расчета: значения давления и скорости в начале сети, давления в т.9 и частоты вращения основного насоса показаны на рисунке 7. Как видно из графика, снижение давления в начале сети начинается через Зс после начала открытия задвижки. Уменьшение давления ниже 0,74МПа, т.е. включение основного насоса и отключение вспомогательного происходит через 17,1с после начала открытия задвижки.

К моменту времени 18,05 с напор вспомогательного насоса становится ниже давления в сети и обратный клапан на напорной линии закрывается и отключает его от сети. К этому же моменту времени напор основного насоса становится больше давления в начале сети и насос начинает подавать воду в сеть. Частота вращения основного насоса становится номинальной к 18,4 с.

При проведении расчетно-теоретических исследований на ЗОС «Комсомольской оросительной системы» для серии расчетов по каждому примеру, один из которых представлен выше, задавались различные значения Ь1р соответственно: 11,р=0,74 МПа; Ь1р=0,64 МПа; Ьгр=0,54 МПа; ЪГр=0,44 МПа; Ьгр=0,34 МПа.

Изменение параметров вспомогательного насоса дало возможность значительно снизить величину давления в начале ЗОС, а также сократить до 10,7с время от момента начала открытия задвижки до начала подачи воды в сеть основным насосом.

В пятой главе представлены результаты проведенных автором натурных исследований протекания переходных процессов в насосных станциях.

Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях на насосной станции третьего подъема водопроводной системы г.Кингисепп для случая пуска насосного агрегата. Выбор объекта проводился с учетом наиболее полной укомплектованности насосной станции необходимым оборудованием и трубопроводной арматурой.

Технологическая схема насосной станции третьего подъема показаны соответственно на рисунке 8. На станции установлены 3 центробежных насоса с

двусторонним входом с горизонтальным валом марки Д 500 - 65А и подачей 450 мъ/ч при напоре 55 м.

Привод насосов осуществляется асинхронными электродвигателями марки 4АН 280 S 4 мощностью 132 кВт и с частотой вращения ротора 1470 мин"1.

На напорных линиях насосов установлены задвижки с ручным приводом и однодисковые обратные клапаны. Насосная станция подает воду в сеть по двум напорным трубопроводам.

В главе 5 приводятся технические характеристики использованной измерительной аппаратуры и оборудования.

При проведении натурных исследований переходных режимов для измерения давления использовались датчики давления потенциометрического типа (МДДДМД), допускающие работу с длительными соединительными линиями, выполненными из проводов любых марок, без дополнительного усиления выходных сигналов и при питании от источника постоянного напряжения 4...12 В, мощностью 0,5...1.0 Вт. Диапазон измерения давлений датчиком изменялся от 0 до 10* 106 Па. Значения погрешности составляло 2%.

Тарировка датчиков выполнялась до, после каждого опыта, и после проведения серии опытов. При стационарных режимах давление измерялось также по образцовым манометрам типа МО 160 класса точности 0,4. Скорость распространения волны гидравлического удара определялась прямыми замерами добегания волны гидравлического удара от одного датчика до другого. Точность определения величины "а" ((=const) зависит от погрешности в определении времени Г. Максимально возможная ошибка в определении времени составила

At = 0,012 с. В выполненных опытах максимальное значение /„,„= 0,4 с, минимальное ?,„,„= 0,04 с. Таким образом, максимально возможная относительная погрешность при определении скорости распространения волны гидравлического удара составила от 3 - 10%.

Эксперименты проводились для следующих случаев: пуск насосного агрегата №2 и остановка одного работающего насосного агрегата №2.

При проведении экспериментов давление измерялось в четырех точках: на всасывающей линии насоса №2 - датчиков давления № I, на напорной линии насоса №2 перед обратным клапаном - датчик давления №2, на напорной линии насоса №2 после обратного клапана - датчик давления №3, в напорном трубопроводе на расстоянии 60 м от датчика давления №3 - датчик давления №4.

Результаты экспериментов приведены на рисунке 9. Как видно из рисунка при пуске основного насосного агрегата №2 давление в напорной линии насоса перед обратным клапаном через 0,5 с после пуска достигло величины рабочего давления 4,0 ати (кривая 2), через 1.5 с после пуска насосного агрегата произошло максимальное повышение давления во всасывающей линии и в напорной линии насоса после обратного клапана, а также в напорном трубопроводе. Во всасывающей линии давление составило 6 апш (кривая 3), что больше рабочего 4 атм (кривая 4), превысив рабочее в - 1,6 раза.

Такое резкое повышение давления в напорной линии насоса после обратного клапана и в напорном трубопроводе связано с тем, что пуск насосного агрегата №2 производился на приоткрытую задвижку на напорной линии насоса, в то время как, он должен осуществляться на полностью закрытую задвижку.

Через 16 секунд после пуска давление во всасывающей линии (кривая 1) стало меньше атмосферного давления.

Такое снижение давления связано с большими потерями напора, что может привести к возникновению кавитации. Это объясняется коллекторной схемой всасывающих коммуникаций данной насосной станции.

Для того, чтобы давление в напорных трубопроводах не превышало рабочее, пуск центробежного насоса необходимо производить только на закрытую задвижку, поскольку в этом случае насос имеет минимальную мощность. Следовательно нагрузка на двигатель при пуске тоже будет минимальной.

Основной причиной аварийной остановки насосного агрегата станции третьего подъема является отключение напряжения в электрической сети Кингисеппского района. Таких отключений в год бывает до 30-35.

В силу этих обстоятельств особое значение имеет устранение нарушений эксплуатационного режима водопроводной сети и насосной станции третьего подъема. Кроме того, анализ работы насосной станции третьего подъема показал необходимость частичной реконструкции (замена задвижек с ручным приводом на задвижки с электроприводом), или проведения полной реконструкции (замена насосов, электродвигателей и трубопроводной арматуры).

Для проверки адекватности математических моделей, проводилось сопоставление экспериментальных данных, полученных в натурных экспериментах на насосной станции третьего подъема водопроводной системы г.Кингисепп.

Сравнивая результаты расчетов с экспериментальными данными, полученными в натурных условиях (рисунок 9, кривая 5), видно, что фактическое повышение давления во всасывающей линии основного насоса при переходном процессе в режиме пуска меньше расчетных на 6-9%.

Также задачей экспериментальных исследований являлось определение одной из важнейших характеристик неустановившегося движения жидкости -скорости распространения волн изменения давления.

В настоящее время имеется довольно значительное число теоретических и экспериментальных работ по исследованию гидравлического удара, которыми установлено, что скорость распространения волн изменения давления "а" в реальной жидкости отличается от вычисленной по формуле Н.Е.Жуковского и в некоторых случаях меньше "аж" в 1,5...2,5 раза.

В диссертации в качестве примеров представлены опытные значения скорости распространения волн изменения давления "я", полученные в результате обработки данных, записанных на насосной станции третьего подъема.

Проведенные эксперименты подтвердили возможность отдельных допущений, принятых в математических моделях переходных процессов в напорных системах при пуске насосных агрегатов.

Пренебрежение изменением скорости распространения волн при переходных процессах в режиме пуска, в многих случаях, не приводит к ощутимым погрешностям в результате расчетов.

С методической точки зрения наиболее точно отражающим физическую сущность процесса являются формулы по определению "а", основанные на рассмотрении изменения массы гидросмеси в элементарном отсеке трубопровода.

Заключение

Основные выводы, полученные на основе проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных натурных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполненный анализ изученных автором научных материалов показал, что переходные процессы в системах водоподачи насосных станций могут сопровождаться существенными отклонениями параметров от значений, соответствующих рабочим режимам, что, в особенности, относится к давлению в трубопроводах и насосах. Значительное изменение этих параметров приводило к

нарушению нормального режима эксплуатации напорных систем, преждевременному выходу из строя их отдельных элементов, а иногда и авариям.

2. Рассмотренные автором материалы по применению средств защиты от гидравлического удара позволили обобщить опыт их эксплуатации и судить о возможности выбора и использования различных конструкций для напорных систем водоподачи насосных станций.

3. Для расчета переходных процессов в напорных системах приняты дифференциальные уравнения неустановившегося движения воды в трубопроводах, в которых не учитываются конвективные члены (19, 20) и пренебрежение которыми позволят значительно упростить решение уравнений не приводя к ощутимым погрешностям в определении времени распространения волн по трубопроводам.

4. Формулировка математических моделей и разработка методов расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи в режиме пуска насосного агрегата осуществлялись с использованием основных положений теории гидрдинамики неустановившегося движения жидкости в трубопроводах, вычислительной математики и электротехники (глава 3).

5. Алгоритм (рисунок 3) и реализующие его программы позволяют проводить серии расчетов различных вариантов для напорной системы с насосными станциями для расчета пуска на заполненный трубопровод, на частично заполненный трубопровод, на опорожненный трубопровод, с минимальным изменением исходных данных при переходе от одного варианта к другому в режиме пуска агрегата. Программа дает возможность аналитически определить параметры гидроудара. Доказана адекватность разработанной математической модели реальному физическому процессу.

Сопоставление результатов расчетов с данными натурных измерений показало достаточную для практических приложений точность разработанных методик (6-9%), а объем выполненных исследований доказывает перспективность разработанных рекомендаций.

6. Автором теоретически и экспериментально установлен процесс затухания волн гидравлического удара в напорном водоводе, вызванный пуском агрегата на насосных станциях систем водоснабжения.

7. Наряду с численным алгоритмом важно совершенствовать и технологии компьютерного моделирования (автоматизацию подготовки исходных данных, проверку расчетов и визуализацию полученных результатов). Форма

представления результатов в виде графиков дает возможность оценить величину колебаний давлений, сопоставить натурные исследования с расчетно-теоретическими и проверить правильность принятого значения времени переходного процесса для расчетов (рисунки 6, 7).

8. На основании проведенных расчетно-теоретических исследований для двух оросительный систем и натурных испытаний для системы водоснабжения, разработаны методы расчетного обоснования переходных процессов при пуске насосного агрегата.

9. Экономическая эффективность от внедрения результатов расчетно-теоретических и натурных исследований может достигаться за счет снижения стоимости строительства напорных систем водоподачи, связанного с уменьшением прочностных показателей труб и арматуры, обоснованных расчетами переходных процессов и средств для уменьшения давления.

Таким образом, в диссертационной работе решен комплекс вопросов по усовершенствованию методов расчета переходных процессов при пуске насосных агрегатов.

Результаты диссертационной работы нашли свое практическое применение в следующих организациях: ОАО «Кингисеппский Водоканал», ОАО «Мосводоканал» - ПУ «Мосводоподготовка».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Апресян Д.Ш. Расчеты автоматического пуска основного насосного агрегата на насосной станции [Текст] / Д.С. Бегляров, Д.Ш.Апресян / Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России: Материалы Международной научной конференции/ Международная Академия экологической безопасности и природопользования. - 2009. — № 2 - с. 9-11.

2. Апресян Д.Ш. Экспериментальные исследования переходных процессов, возникающих при пуске и отключении насосного агрегата на насосной станции [Текст] / Д.С. Бегляров, С.Н. Карамбиров, Д.Ш.Апресян Д.М.Лиханов,/ Природообустройство. - 2009. - № 3 - с. 74-78.

3. Апресян Д.Ш. Противоударная защита для напорных водоводов насосных станций в режиме пуска насоса [Текст] / Д.Ш.Апресян / Природообустройство. - 2011. - № 3 - с. 83-86.

4. Апресян Д.Ш. Методика расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи при пусках насосных агрегатов [Текст! I Д-С. Бегляров, Д.Ш.Апресян / Природообустройство. - 2012. - № 2 - с. 69-72.

5. Апресян Д.Ш. Методика расчета переходных процессов, вызываемых пуском насосов при подаче воды в полиостью заполненные водоводы [Текст! / Д.Ш.Апресян / Природообустройство. - 2012. - № 5 - с. 77-80.

н

Рисунок I -Расчетная схема для конца трубопровода, на котром расположен насосный агрегат

1А

1-1

П-1 X

Рисунок 2 -Расчетная схема приведена на правом конце трубопровода при истечении в открытую емкость

Начало

/ Ввод исходных / 1................данных ....../

Выбор варианта пуска

Пуск на "заполненный трубопровод

Пуск на частично заполненный трубопровод

Пуск "на опорожненный! трубопровод

Расчет вращательного движения ротора насосного агрегата пока Н<Нст

Задать уровень свободной поверхности Ы Тст

В качестве Нет выбирается значение, соответствующее уровню свободной поверхности воды в трубопроводе в начальный момент времени

Задать уровень свободной поверхности 2«Нст

Нет

......а......

Мкон . "

Да

; Конец

Рисунок 3 - Блок-схема непосредственно расчета переходного процесса и выдача результатов

0 Лизэ"

3=900 =1211,2

с)=300 1=915

13

(1-900 (1=2501 с1=800 с!=300 1=924 1=458 ! 1=951 1=463

Рисунок системы

(1=250 1=447

(1=250 1=447

(1=300 1=447

12

(1-300 1=915

(1=700 6=300 1=936 1=463

(1=300 1=447

(1=300 ч 1=629

(1=4

(1=300 1=701

1=479 (1=250 .. 1=503

(1=500 1=370 (1-500 1=552 (1=250 1=503

(1=250 6 1=480 .

(1=300 й=600 1=458 1=958 "А

<1=500 1=348 <1=500 1=569

(1=600 1=493

(1=300 1=447

(1=250 в 1=480

.<2_. п

(1=300 ,61=480 (1=600 1=478

.6

(1=300

.1=613

\

21

4 - Схема закрытой оросительной сети Рыбницкой оросительной

40

45

ч 0у=20< У .1-430.

•11

Оу«25С! ЬфВ41 ,

М

! Ьу«70 / 4=484

Ву=70!

! ьгдаЦ-

{1-335 4|0

0/.700\ *$ ¿600/1 \ су 700

•Оу-гоо 0у-500 > ч > 23

iw._Jf.9e1 1-374 - --

, Юу.250 ' \МВ

ч

,бу170(Г 1=*57

Дву=25< / \|=во7

,Ьу=301

' 1.204

Ву«500:' I

Ш ВГ300

ИОО

35

0у=»0

^>ззо><

Ьу-гк?3 ■

Су.4!Ю \Йу^гОО>г5 1=1 '•" """

Йу.25( ! 1-402

1.801 -17

1=500

X* 6y.2brj.42

ч Х.М30

Ру»2б0дЛу»5!?0"

......—-Г

о'у-аоо^7 \ 1=430 /

1=335' *24

1=680

-1.335 ь2б

Ьу=250 ,

0у=400\ ' I—вв(1 1 . ** 31 Оу.гБ^-'-оу-гоо-. но«?'..

\ 0у=250 ' ! 1=900*32

Йу=30! к500

\ ,-Ьу-гт •в--..1-359 '

Ч,0у=ЗШ) ' \ 1=750 1

Рисунок 5 - Схема закрытой оросительной сети Комсомольской оросительной системы

t t J

12 1.2 120-

CQ^.1 o: 11.0 Ф

3"0,9

ra

Q.

m 0,8 ro

£ 0,7 o

So.6

1,2 1,1 í 1,0

S-0,8| >

£0,7-g

Q.0,6

120r

m

1Ш

90-

S80 x"

J_

Пан

-rv/

x 0.5- O 05 Q4

8 0,3

I

0 0.2}

0,1

ra® X

60-" 40

30^— 20 10

N

/N

A Л-У ' /I

лЛ -хД у

I ^

t¡

•л

vv л/'

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Э0 32 34 36 38 40 42 44

Время!,с

Рисунок 6 - Автоматический пуск основного насоса при открытии задвижки в точке 27 сети Рыбницкой оросительной системы:

Ум,, - значения скорости в начале сети (м/с); Нлач - значение напора в начале сети (м); Ь27 -давление в точке 27 сети (м): р - относительная частота вращения основного насоса

1,41,31,21,1 с1,0-

50,9 0-

|0,8-

| ojio,6-

сГ

0,5 0,4 0,3" 0,2 0,1

§2,0

|1,8

2.1,6 m

го 1,4-

ы

пз

=4,0

о;

£0,8 л

ф 0,6 |0,4 |0,2

1,42 1,2" >1,0 |о,8

°0,4 0.2

Рвод I t^-^l--

I J

! K^rL1

"vv. ~/v/ \J

16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

46 48 50

Рисунок 7 - Автоматический пуск основного насоса при открытии задвижки в точке 27 сети Комсомольской оросительной системы:

У„аЧ- значения скорости в начале сети (м/с): РВоД- значение давления в начале сети (МПа); Р,) -давление в точке 9 сети (м); р - относительная частота вращения основного насоса

«Кингисеппский водоканал»)

Рисунок 9 - Насосная станция третьего подъема. Пуск насосного агрегата № 2: 1 - давление во всасывающей линии; 2 - давление в напорной линии перед клапаном; 3 -давление в напорной линии после клапана; 4 - давление в напорном трубопроводе; 5 - давление во всасывающей линии (расчетные данные)

Подписано в печать 08.04.2013 г.

Усл.п.л. - 1.5 Заказ №13268 Тираж: 100 экз.

Коппцентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул. Б.Семеновская 11, стр. 12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

04201356095

АПРЕСЯН Давид Шамилевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В НАПОРНЫХ КОММУНИКАЦИЯХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ ПРИ ПУСКЕ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бегляров Давид Суренович

На правах рукописи

Москва 2013

Содержание

Условные обозначения 4

Введение 6

1 Процессы пуска насосных агрегатов

1.1 Предварительное определение параметров процесса 11 разворота ротора

1.2 Расчет процессов пуска на опорожненный трубопровод 16

1.3 Определение размеров воздухопропускных устройств

при пуске на опорожненный трубопровод 20

1.4 Зависимости, характеризующие переходные процессы 22

1.5 Уравнения, описывающие переходные процессы в напорных системах водоподачи с насосными станциями 25

1.6 Особенности протекания переходных процессов при пуске насосов на насосных станциях 31 Выводы по главе 1 40

2. Мероприятия по снижению давления в напорных системах водоподачи 43

Выводы по главе 2 52

3. Особенности расчета переходных процессов в насосных станциях при пуске агрегатов

3.1 Методика расчета переходных процессов в напорных

системах водоподачи 53

3.2 Методика расчета переходных процессов, вызываемых пуском насосов при подаче воды в опорожненные или частично заполненные водоводы 65

3.2.1 Расчет вращательного движения рабочего колеса насоса

при нулевом значении расхода 66

3.2.2 Расчет переходных гидравлических процессов при подаче

воды в полностью заполненный трубопровод 69

3.2.3 Расчет переходных гидравлических процессов при подаче воды в частично заполненный трубопровод 73

Выводы по главе 3 75

4. Расчетно-теоретические исследования переходных процессов

4.1 Описание объектов для проведения расчетно-теоретических исследований 76

4.2.1 Расчетно-теоретические исследования автоматического пуска основного насосного агрегата на насосной станции «Молдавия -5» 76

4.2.2 Расчетно-теоретические исследования автоматического пуска основного насосного агрегата на насосной станции «Комсомольской оросительной системы» 83 Выводы по главе 4 96

5. Экспериментальные исследования переходных процессов в напорных системах водоподачи

5.1 Описание объекта, принятого для проведения натурных исследований 97

5.2 Описания измерительных приборов и оборудования 99

5.3 Оценка точности измерений 101

5.4 Экспериментальные исследования на насосной станции третьего подъема 103

5.5 Определение скорости распространения волн изменения давления 110 Выводы по главе 5 114

Заключение 115

Литература 118

Приложение 140

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - удельное сопротивление трубопровода, с2 /м5 а - скорость распространения волн изменения давления, м/с р - относительная частота вращения ротора насосного агрегата с/ — диаметр трубопровода, м g - ускорение свободного падения, м / с2 Н — напор, м

Нг - геодезический напор, м Нн - напор насоса, м Нтр - напор в трубопроводе, м Нсп - статический напор, м Ин — потери напора, м

I - момент инерции вращающихся масс насосного агрегата, кг ■ м2 Мд — момент, развиваемый электродвигателем, Н ■ м

Мн — момент сопротивления насоса, Н ■ м М0 - момент от веса диска, Н ■ м N — мощность насоса, кВт

п — частота вращения вала насосного агрегата, мин4

Р - давление, МПа

£>- расход, мг /с

Qн- подача насоса, м3 / с

Ж— объем воздуха, воды, мг

8 - коэффициент гидравлического сопротивления, с11 м5 яб — сопротивление вспомогательного насоса, с2 /м5 я ~ скольжение, измеряется в относительных единицах

- критическое скольжение, измеряется в относительных единицах

/ - время, с

Д? - шаг по времени, с

у - скорость движения воды, м/с х - координата, м Ах - шаг по координате, м г - отметка оси трубопровода, м

(р — волна изменения напора, распространяющаяся в направлении начальной скорости, М

ц/ - волна изменения напора, распространяющаяся против направления начальной скорости, м

X - коэффициент сопротивления труб на трение со - угловая скорость, с"1

сопр — площадь поперечного сечения трубопровода, м2 р — плотность жидкости, г/см2 ц - динамическая вязкость жидкости, Па-с г - касательное напряжение, Па Е- модуль упругости, Па

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Решение актуальных проблем водопотребления в Российской Федерации и в других странах СНГ предусматривает широкое строительство современных водохозяйственных систем для водоснабжения и орошения. Неотъемлемой частью таких систем являются насосные станции и напорные трубопроводы.

Опыт эксплуатации насосных станций показывает, что основные повреждения и аварии насосных агрегатов, которые наносят существенный экономический ущерб, происходят: при переходных процессах, пусках и остановках, которые в соответствии с графиком работы насосной станции могут осуществляться по несколько раз в сутки, а также при аварийном отключении электродвигателей от энергосистемы. При этом возникает гидравлический удар, значительные динамические нагрузки на элементы сооружений и гидросилового оборудования; резкое изменение силовых воздействий на рабочее колесо и системы привода лопастей, сопровождающиеся пульсациями потока и вибрациями.

Таким образом, резкое изменение давления, вызванное значительными локальными ускорениями жидкости надо учитывать при расчетах прочности и надежности трубопроводных систем.

В последнее время большое внимание уделяется вопросам безопасности различных объектов водохозяйственных систем (Федеральный закон РФ № 117 «О безопасности гидротехнических сооружений» от 01.04.2012 г.). Не являются тут исключением и закрытые оросительные системы и системы водоснабжения, поэтому при проектировании насосных станций необходимо комплексно учитывать работу напорного тракта и технологического оборудования, и назначать схемы и состав сооружений основываясь на расчетах и анализе переходных процессов при пусках и остановках с учетом статических и динамических характеристик насосов и электродвигателей.

Параметры напорных систем определяются путем гидравлических и технико-экономических расчетов, но они не дают возможность получить их оптимальные значения.

Наиболее эффективным способом получения исходной информации о характере протекания всего комплекса переходных процессов при пуске агрегата - численное моделирование, обеспечивающих надежность сложных технических сооружений, которое позволило добиться существенных достижений, как в теоретическом, так и в практическом направлении этих исследований.

В тоже время необходимо отметить, что сегодня при всем многообразии существующих методик расчета переходных процессов для различных случаев, связанных в основном с отключением насосов, нет общих методов расчета гидравлического удара в трубопроводах при пусках агрегатов на насосных станциях. Вышеизложенными обстоятельствами и определяется актуальность данной работы.

Целью работы является разработка научных основ расчетного обоснования переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций в режиме пуска агрегата на опорожненные и частично заполненные водой трубопроводы.

Выполнение поставленной цели было связано с решением следующих

задач:

- рассмотрение основных существующих зависимостей для расчетов нестационарного движения жидкости в напорных трубопроводах и выделения главного направления развития исследований;

усовершенствование существующей методики расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи с насосными станциями для разных случаев пуска насосов с разработкой алгоритма расчета и реализацией его в компьютерной программе;

- расчетно-теоретические исследования переходных процессов в закрытых оросительных системах и системах водоснабжения, связанных с пуском

насосного агрегата позволяющие уменьшить амплитуду колебаний в системах водоподачи;

- натурные исследования, в напорных системах водоподачи с целью анализа влияния пуска насосного агрегата на гидравлические переходные процессы.

- на основании приведенных, расчетно-теоретических и натурных исследований разработать методы расчетного обоснования переходных процессов в напорных системах коммуникациях насосных станций при пуске насосного агрегата;

Методы исследований при проведении исследований использовались натурные и теоретические методы. Натурные исследования проводились согласно общепринятым методикам при исследовании систем водоподачи. Теоретические исследования выполнялись с использованием дифференциальных уравнений гидравлического удара при определенных граничных условиях.

На защиту выносятся:

- методика расчета переходных процессов в насосных станциях в режиме пуска агрегата;

- установленные в натурных и численных экспериментах закономерности влияния гидравлических переходных процессов на механические при пуске насосного агрегата и условия обеспечения его пуска.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- усовершенствована математическая модель гидравлических переходных процессов в напорных системах водоподачи, учитывающая пуск насосного агрегата на насосных станциях;

разработана методика проведения натурных экспериментов на действующих водохозяйственных системах;

- проведен сравнительный анализ экспериментальных данных по расчету гидравлического удара и результатов численного моделирования по предложенному в работе методу;

- создан алгоритм и компьютерная программа расчета переходных процессов, возникающих при пуске насосных агрегатов.

Практическая ценность работы. Реализация предложенной математической модели в программном комплексе, позволяет на стадии проектирования установить условия, при которых обеспечивается пуск агрегата, учитывая взаимное влияние гидравлических и механических переходных процессов при конкретных параметрах водопроводящего тракта, гидроагрегата и электрической части станции. Изложенные в диссертации результаты исследований позволят повысить надежность и эффективность эксплуатации насосных станций.

Достоверность результата. Достоверность основных положений и выводов работы подтверждается многократными сопоставлениями результатов расчетно-теоретических исследований переходных процессов при пуске агрегатов с данными соответствующих экспериментов, проведенных на действующих насосных станциях с различными подачами воды, напорами, мощностями, диаметрами и длинами напорных трубопроводов, противоударными устройствами с использованием опробированных методов и средств измерений разработанных на кафедре «Насосы и насосные станции» ФГБОУ «Московский государственный университет природообустройства».

Проведенные сопоставления подтвердили высокую надежность предложенных автором теоретических разработок и практических рекомендаций, основанных на точных методах анализа и исходных зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов.

Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных водоводов от гидравлического удара при пуске агрегатов на насосных станциях и в значительной мере повысить надежность работы закрытых оросительных систем и систем водоснабжения.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-

технических конференциях Московского государственного университета

природообустройства в 2009 - 2012 гг., а так же на научно-технической

конференции в Санкт-Петербургском государственном технологическом

институте (технический университет) г. Санкт-Петербург (2009г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано пять статей, из них три статьи в рецензированных изданиях рекомендованных ВАК РФ. Объем и структура. Диссертационная работа состоит из введения,

пяти глав, заключения, библиографии (194 наименования, 16 на иностранных

языках), приложения и содержит 142 страницы текста (включая 2 страницы

приложения), 42 рисунка и 1 таблицы.

1. Процессы пуска насосных агрегатов

1.1. Предварительное определение параметров процесса разворота

ротора

Существенное значение при предварительной оценке процесса пуска имеет определение времени разгона ТР, т. е. продолжительности асинхронного хода гидроагрегата от состояния покоя до достижения подсинхронной частоты вращения, поскольку этот показатель определяет быстродействие установки, допустимый маховой момент вращающихся масс, исходя из теплового режима электрической машины, служит для оценки гидродинамических явлений и т. д.

(1.1)

М*Д-МС

где М*д и М'с - средние значения вращающегося момента двигателя и момента сопротивления насоса.

При этом М д и М с определяются как

м. мГ\ м,, (1.2)

где Мд"уск и Мдмакс - пусковой и максимальный моменты пусковой характеристики двигателя (рисунок 1.2).

Момент сопротивления насоса в процессе пуска определяется по зависимости:

МС=М0

f Л2 со

(1.3)

где М0 - момент сопротивления при w= w0 и t=Tp.

Аршеневский H.H. /15/ указывает на то, что сравнение результатов расчетов, проведенных по таким осредненным зависимостям, с данными натурных испытаний свидетельствует об их значительном расхождении. Это объясняется излишне приближенным определением М*д и недоучетом

изменения моментной характеристики двигателя от падения напряжения в период пуска.

Таким образом, выражение, подобное (1.2), можно получить лишь в условиях линейного изменения частоты вращения ротора во времени.

Аршеневский H.H. /15/ предлагает время разгона ротора определить по зависимости:

В практике нашли применение в основном четыре способа пуска в работу синхронного двигателя: асинхронный, синхронный, полусинхронный и с автономным двигателем. Схемы подключения для каждого из этих методов показаны на рисунке 1.1.

Практически на всех насосных станциях применяется прямой асинхронный пуск. Этот способ отличается от других тем, что он относительно дешев, так как не требует дополнительного оборудования. Однако при пуске мощных двигателей (более 10 ООО кВт) отмечаются существенное падение напряжения в сети и повышенный пусковой ток, и поэтому для двигателей таких мощностей рекомендуется применять асинхронный пуск при пониженном напряжении — реакторный или трансформаторный. При этом стоимость оборудования значительно возрастает (до 70%), а кроме того, из-за увеличения продолжительности разгона ротора может затрудниться синхронизация двигателя.

Все способы пуска, кроме прямого асинхронного, предполагают использование дополнительного оборудования, а следовательно, увеличение стоимости установки по сравнению с прямым асинхронным пуском, который поэтому следует считать предпочтительным.

Механические характеристики двигателей с асинхронным пуском обычно представляются в виде функции момента от скольжения тд(з) или от угловой частоты тд(со) и зависят от конструктивных особенностей.

Т

(1.4)

Основные параметры механической характеристики электродвигателя: Ь/Гд — пусковой момент; М*д—максимальный момент; М°д — момент при

Асинхронный пуск Прямой Автотрансформаторный Реакторный

г \

и

сд)

(Д)

Синхронный пуск

Генераторный

С преобразователем частоты

п~Г

\

!v

(Д) СД)

Двигатель возбужден

d

1Д)

Полусинхронный пуск Генераторный

" 1 СО

Двигатель не возбужден С автономным двигателем

Рисунок 1.1- Схемы электрических соединений при различных способах

электрического пуска

подсинхронной частоте вращения со= со 0; Skp—критическое скольжение; sc — скольжение на подсинхронной частоте вращения.

Если двигатель выполняется с пусковой (демпферной) обмоткой ротора, его вращающий момент в асинхронном режиме в функции скольжения (рисунок 1.2) аппроксимируется зависимостью;

sv S

В соответствии с (формулой 1.5) Аршеневским H.H. /15/ получено среднее значение вращающего момента двигателя:

_ 2Ммаксs=s° и с S2 +1

МД J —^~ = l.05MrCSKpln(K +S)C5 =M^CSKpln^~. (1.6)

1 5=1 + "V

Уравнение (1.6) можно записать в виде:

Мд=к5М^с, (1.7)

где к8 - коэффициент, отражающий форму пусковой характеристики двигателя при номинальном напряжении Ц) сети и зависящий от критического скольжения.

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 в=1 -В

I_I_I_I_I_I

0 0,2 0,4 0,6 0,8 В=п/по Рисунок 1.2- Механические характеристики двигателей с асинхронным

пуском

Соответственно для м^удобно принять:

(1.8)

Тогда (1.4) запишется в виде:

Мс = к8М^лкс

ТР =

мТкс(К -км)

(1.9)

Ja)n

Величина М°КС = Тм известна в электротехнике как механическая

М

д

постоянная пуска. С учетом этого

м

К к

(1.10)

где к8 коэффициент соответствует характеристике двигателя при номинальном напряжении ио сети.

Формула (1.10) может быть представлена в виде

7\

т = 1 р

м кд

(1.11)

где кд — коэффициент учитывающий форму характеристики и условия работы двигателя:

где к�