автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Создание объемного гидроприводного насосного агрегата с оптимизированным алгоритмом управления

На правах рукописи

Пономарёв Владимир Викоторович

СОЗДАНИЕ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДНОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА С ОПТИМИЗИРОВАННЫМ АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.02.02 - машиноведение, системы приводов и

детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2004

Работа выполнена на кафедре гидропривода и гидропневмоавтоматики Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета).

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент В.Ф. Щербаков Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.В. Синев, доктор технических наук, профессор Л.А. Кондаков

Ведущее предприятие - НПО Гидромаш.

Защита состоится 16

Защита состоится

на заседании

диссертационного совета Д.212.126.03 при Московском автомобильно-дорожном институте (Государственном техническом университете) по адресу:

125319, Москва, Ленинградский пр., 64, МАДИ (ГТУ), ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ). Телефон для справок 155 08 29.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учереждения) просим присылать по адресу:

125319, Москва, Ленинградский пр., 64, МАДИ (ГТУ) диссертационный совет Д.212.126.03.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

Дисертационного соавета

доктор технических наук, профессор

Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность разработок гидроприводных насосных агрегатов (ГПНА) обусловлена активным их применением в нескольких отраслях промышленного производства: в химической промышленности, для многих целей которой требуются герметичные насосные агрегаты с высокими характеристиками регулирования; в нефте и горнодобывающей промышленности, где требуются высокие показатели КПД и энергоемкости; в разветвленных сетях гидротранспорта, где требуется замена устаревших лопастных насосов новыми с высокими показателями КПД. абразивной и химической стойкости. В частности, для систем поддержания пластового давления (ППД) за последнее- десятилетие возникла потребность в регулируемых насосных агрегатах высокого давления (более 15 МП а) и небольшой подачи (менее 6 л/с) с высокими показателями долговечности и надежности. Объемные ГПНА позволяют восполнить эту потребность.

Целью данной работы является разработка регулируемого объёмного ГПНА с оптимизированным алгоритмом управления, обладающего свойствами увеличенной долговечности и плавно регулируемой подачи при минимизированной гидрокинематической схеме.

Для достижения обозначенной цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ возможных вариантов схем ГПНА и определены области их рационального применения;

- систематизирована структура ГПНА и создана их классификация;

- проведен анализ типовых конструкций ГПНА, и выявлены наиболее технологичные технические решения;

- проведено экспериментальное исследование АНГР 4-20 и даны рекомендации по направлениям совершенствования конструкции;

- созданы формализованные математические модели для оценки минимального давления на входе в АНГР 4-20 и даны рекомендации по границам их применимости.

При решении указанных задач были использованы следующие методы

3 РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА

исследований:

- анализ схем ГПНА с выделением существенных признаков и синтез обобщенных типов (при решении задачи систематизации структуры ГПНА);

- параллельные опыты (при решении задачи экспериментального исследования АНГР 4-20);

- анализ формализованных математических моделей методами численных экспериментов на ЭВМ (при решении задачи математического моделирования минимального давления на входе в АНГР 4-20).

Научная новизна работы заключается:

- в разработанной методике классификации ГПНА;

- в сформулированных условиях, определяющих эффективность внедрения ГПНА в распределенные сети гидротранспорта;

- в разработанной схеме ГПНА нового типа - АНГР 4-20 - с оптимизированным алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания;

. в формализованных математических моделях для расчета минимального давления на входе для агрегатов типа АНГР 4-20.

Практическая значимость работы заключается в результатах анализа различных схем ГПНА и областей их применения, позволяющих конструкторам еще на этапе создания схемы оценить ее оптимальность; на основании анализа конструкций промышленных ГПНА принять наиболее технологичные решения элементов ГПНА. Создан и испытан новый ГПНА -АНГР 4-20. По результатам его испытаний сформулированы рекомендации по совершенствованию конструкции. Созданы математические модели, позволяющие проводить расчет значимых конструктивных параметров и автоматизировать процесс проектирования агрегатов типа АНГР. Новые результаты, которые выносятся на защиту.

1. Методика классификации различных видов ГПНА.

2. Схема ГПНА козого типа - АНГР 4-20 - с оптимизированным алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания;

3. Методика расчета минимального давления на входе в АНГР 4-20 с

помощью полной и упрощенных формализованных математических моделей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 59-й (2001 г.), 60-й (2002 г.), 61-й (2003г.) и 62-й (2004г.) научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ), а также на научно-технических совещаниях Центра.разработки новой.техники ОАО "Борец" (2001 - 2003 г.), и Центра разработки нефтепромыслового оборудования (2003 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре печатные работы и подготовлена одна завка на патент.

Объем- работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по результатам диссертационной работы, списка источников информации. Работа изложена на 160 страницах печатного текста, содержит 70 рисунков, 14 таблиц. Библиография содержит 70 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность создания объемных. ГПНА со свойствами повышенной долговечности. В частности, для систем ППД за последнее десятилетие возникла потребность в регулируемых насосных агрегатах высокого давления (более 15 МПа) и небольшой подачи (менее 6 л/с) с высокими" показателями долговечности и надежности. Объемные ГПНА позволяют восполнить эту потребность.

В первой главе диссертации проведен анализ областей рационального применения объемных гидроприводных насосных агрегатов. Проведен анализ областей рационального применения насосных агрегатов с различными видами гидроприводов приводов и рабочих насосов; выявлены преимущества и основные области применения объёмных ГПНА; определены перспективы внедрения объёмных ГПНА в разветвленные сети гидротранспорта.

Было установлено. что для ГПНА с номинальными напорами более 15 МПа, номинальными подачами менее 6 л/с рационально использовать рабочий насос объемного типа. так как тихоходные динамические рабочие насосы не обеспечивают КПД свыше 60 - 70% в указанной области. ГПНА с многоступенчатыми рабочими. насосами динамического типа превосходят одноступенчатые тихоходные рабочие насосы, но имеют более узкую рабочую зону, по сравнению с рабочими насосами объемного типа. Был сделан вывод, что объемные ГПНА обладают свойствами:

- высокой точности дозирования. возможности гибкого автоматизированного управления подачей при обеспечении герметичности ГПНА;

- возможностей глубокой редукции частоты приводящей энергии в устройстве небольшого объема с высоким значением КПД;

- увеличенной долговечности при перекачивании абразивных и агрессивных жидкостей.

Эти свойства определяют основные области применения ГПНА: химическая технология; добыча нефти; гидравлический транспорт материалов соответственно

Было определено, что внедрение насосов малой подачи в разветвленные сети гидротранспорта позволит снизить потери на неизбежное дросселирование при согласовании потоков. до 20-25% от гидравлической мощности потоков. ГПНА с рабочим насосом объемного типа за - счет регистрации числа рабочих циклов - позволяют упростить устройство учета объёмов транспортируемой жидкости. Объёмные ГПНА позволяют- решить проблему долговечности насосов малой подачи и способны заменить динамические насосы, превосходя их по КПД, возможностям регулирования и учета объемов транспортируемой жидкости.

Во ВТОРОЙ главе были рассмотрены вопросы анализа и синтеза системы управления- для регулируемого объемного гидроприводчого насосного агрегата с повышенной долговечностью. Был проведен классификационный анализ систем управления ГПНА; анализ типовых конструкций- ГПНА.

Определены критерии оптимизации систем управления ГПНА. Разработано базовое техническое решение ГПНА с повышенной долговечностью.

В рамках классификационного анализа систем управления ГПНА была разработана методика классификации ГПНА.

Следует отметить, что римские цифры в классификации ГПНА обозначают взаимодополняющие' категории, а арабские взаимоисключающие. Также представленная классификация обладает свойством периодичности. Частично раздел Б (Н) периодически повторяется в разделе Д (РН) и с некоторыми ограничениями повторяется в разделе Г (ГД). Подобным образом раздел В (ОС1) повторяется в разделе Е (ОС2), что теоретически обосновано, но на практике менее широко реализовано. Для насосов, гидродвигателей и рабочих насосов плоскоколовратного, пластинчатого и винтового типов возможны простые конструкции без обратных связей и дополнительных распределительных устройств. Для

Структура классификации ГПНА Таблица 1

пд Н ОС1 ГД РН ОС2

А Б В Г Д Е

1. Электромагнитный 2. Магнито-стрикционный 3. Пьезомеха-нический 4. Термодинамический 1. Динамический а) лопастной б)вихревой в) эжекционный 1. Глубина взаимосвязи а) без взаимосвязей б) с частичной-интеграцией в) с общей ОС 1. Динамический а) лопастной 1. Динамический а) лопастной б)вихревой в) эжекционный 1. Глубина взаимосвязи а) без взаимосвязей б) с частичной интеграцией в) с общей ОС

2. Объемный а) безраспределительный б) распределительный II. Характер ОС а) по положению б) подавлению в) по объему г) неявная резонансная д)неявная гидроударная е) отсутствует—-управление от внешнего сигнала 2. Объемный а) безраспределительный б)распределительный (Кроме VI ВIV только б.) 2. Объемный а) безраспределительный б)распределительный - II. Характер ОС а)по положению б) по давлению в) по объему г) резонансная д) гидроударная е) отсутствует— управление от внешнего сигнала

ЛН/ III. Число каскадов -управления а) один; б) два; в) три ПР Н III. Число каскадов управления а) один; б) два; в) три

АБ ГД'

1. Постоянного потока -а) электромагнитный - IV. Вид энергии -сигнала на каждом. каскаде а) механическая б) гидравлическая в) пневматическая г) электрическая 1. Мембранные. а) диафрагменные б) сильфонные в) цилиндрическая г) сферическая IV. Вид энергии сигнала на каждом каскаде а) механическая б) гидравлическая в)пневматическая г) электрическая

2. Переменного потока а) электромагнитный б) магнигосгрикционный в) пьеэомеханический - г) термодинамический V. Фунодя юсхэда а) усилитель б)люфтоеоезвено в)трипер- г)"д*од" 2. Порц^ювой а) без мультипликации б) с мугътапликацией/реяу|щией V. Функция каскада а)усилитель б) люфтовое звено в)тригтер г)"дис«f

3. С промежуточной жидкостью а) мембранные б) поршневые в) с открытой поверхностью г) комбинированные

VI. Тип конечного РУ а) клапанный б) золотниковый в) динамический VI. Тип конечного РУ а) клапанный б) золотниковый в) динамический

VII. Способ кмшрисацт ОС а) независимая с индиведуагьшм РУ Б)параллельная с общим FY в) перекрестная с индивидуальным РУ 4. Роторные VII. Способ юммуниквдо ОС а) независимая с иадивдуалыым РУ б)параллельная с общим РУ в) перефестная с ИЧфИИДУВГЪНЫМ РУ

ГПНА с прямодействующим насосом и прямодействующим рабочим насосом возможны конструкции без промежуточных преобразующих механизмов. Для ГПНА с гидравлическим двигателем возвратно-поступательного действия с использованием эффектов резонанса или гидравлического удара для организации рабочего цикла возможны конструкции с упрощенными распределительными устройствами.

При проведени анализа типовых конструкции ГПНА было установлено, что для реализации ГПНА с насосом и гидравлическим двигателем постоянного потока (например аксиально-поршневым) возможна компоновка гидропривода с существенным удалением насоса от гидродвигателя с небольшими потерями энергии при передаче. При этом приводящий двигатель, насос, гидравлический двигатель и рабочий насос, выполненые в виде отдельных узлов обеспечивают высокую гибкость ГПНА при конструировании и комплектации. Для реализации ГПНА с прямодействующим рабочим насосом мембранного типа номинальная гидравлическая мощность может составлять сотни кВт при номинальных давлениях до 70 МПа. С целью повышения долговечности контроль за положением рабочего органа (разделителя) прямодействующего рабочего насоса или вытеснителя насоса предпочтительнее осуществлять по первичному сигналу (по положению), несмотря на то, что организовать контроль за положением разделителя по вторичному сигналу (по давлению) конструктивно проще. Для реализаций ГПНА с прямодействующим рабочим насосом мембранного типа с цилиндрической мембранной неясная картина деформаций и напряжений в разделителе и невозможность осуществления контроля по первичному сигналу существенно снижают долговечность разделителя.

При выявлении критериев оптимизации систем управления ГПНА с повышенной долговечностью было определено, что с целью повышения долговечности при минимизации гидрскинематической цепи система управления должна быть по положению в конце такта нагнетания с использованием бесконтактных датчиков (например Холла). При отсутствии

требования к самовсасыванию система гидропривода должна быть открытой, а камера мембранного прямодействующего рабочего насоса должна иметь демпфирование в конце хода всасывания. При указанных условиях возникает минимальный перепад давления в элементах гидропривода при согласовании работ камер прямодействующего рабочего насоса.

Разработано базовое техническое решение ГПНА с повышенной долговечностью, которое было реализовано в АНГР 4-20. ГПНА типа АНГР 4-20 разрабатывался Центром разработки новой техники (ЦРНТ) ОАО "Борец" с сентября 2000 по май 2002 года. Условные обозначения агрегата установлены по следующей структуре: АНГР Х-ХХ — Агрегат насосный гидроприводной регулируемый. Первая цифра - подача номинальная, м3/ час. Вторые две цифры - давление номинальное, МПа.

Агрегат состоит из приводящего электродвигателя, открытой схемой гидропривода объемного типа с регулируемым аксиально-поршневым

насосом, прямодействующим рабочим насосом диафрагменного исполнения и блока системы автоматики (БСА). Электрогидравлическая схема АНГР 420 показана на рис. 2.

На рисунке цифрами обозначены: 1 - электрический двигатель АИР180М4; 2 - регулируемый аксиально-поршневой насос 207.20; 3 - блок фильтров Зх2ФГМ25-32; 4 - предохранительный клапан 940.30; 5 - электрогидравлический распределитель ВЕХ 574АОФГС24МЕТ; 6 -

гидравлический бак; 7,8 - диафрагменные камеры; 9,10 - всасывающие и нагнетательные клапаны; БСА - блок системы автоматики; Д1, Д2 - датчики положения диафрагмы; ДР1, ДР2 - пары демпфирующих дросселей 0:0.5; 1.0; 1.5 мм. Сплошными линиями показаны гидравлические линии, а пунктиром - электрические.

Разработанный алгоритм управления по положению в конце такта нагнетания- с открытым гидроприводом позволяет минимизировать гидрокинематическую- цепь ГПНА этого типа и упростить систему управления обеспечивая для всей конструкции свойство увеличенной долговечности: В результате анализа конструкции и алгоритма управления АНГР 4-20 были выявлены параметры, определяющие работоспособность и определены их численные значения:

- значение площади поверхности теплообмена не менее 7 м2 (для обеспечения установившейся температуры рабочей жидкости ГПНА до 80°С);

- значение минимального давления на входе для диаметра трубопроводов гидропривода и рабочего насоса 20 мм - 0.25 МПа (для обеспечения нормальной работы в такте всасывания).

Расчеты показывают применимость стандартных методик для определения численных величин параметров, определяющих

работоспособность. При определении минимального давления на входе зависимость вязкости жидкости от температуры в диапазоне от 0 до 80°С можно не учитывать.

В третьей главе описано экспериментальное исследование рабочего

процесса объемного ГПНА с алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания.

Исследование минимального давления на входе из условия устойчивой работы АНГР 4-20 показали. что минимальным давлением на входе при максимальной подаче является величина в 0,5 МПа.

Расчетная величина минимального давления на входе равная 0,25 МПа вдвое меньше экспериментального значения. Такая значительная ошибка вызвана тем, что расчет минимального давления на входе производился без учета некоторых местных сопротивлений и инерционных потерь, проявляющихся каждый раз в начале цикла всасывания.

Исследование неравномерности нагружения в рабочем цикле показывает, что ее величина существенно меньше для диаметров дросселей 1.5 и 1.0 мм, чем для 0.5 мм. Причем величина колебаний для диаметра дросселей 1.5 близка величине колебаний для диаметра 1.0 мм, что объясняется проявлением свойств инерционности потока. Дроссели с диаметром 1.0 мм могут быть рекомендованы к установке на АНГР 4-20, т.к. при почти равных величинах колебаний энергии в цикле колебаниям с дросселем 1.5 мм для дросселя 1.0 мм возникают меньшие динамические нагрузки в самом реверсирующем распределителе. Исследовано минимальное давление на входе из условия устойчивой работы АНГР 4-20. Результаты предварительных расчетов критического параметра неадекватны эксперименту. Экспериментальное значение минимального давления на входе составило 0.5 МПа, тогда как расчетное - 0.25 МПа.

В четвертой главе проведено математическое моделирование рабочей области объемного ГПНА в зависимости от конструктивных параметров. В результате созданы математическая модель процесса теплообмена АНГР 420; полная математическая модель минимального давления на входе в АНГР 4-20; упрощенные математические модели минимального давления на сходе в АНГР 4-20.

Критерием работоспособности АНГР 4-20 является условие непревышения времени такта всасывания времени такта нагнетания.

Очевидно, что при невыполнении этого условия агрегат войдет в автоколебательный режим с нулевой подачей.

При построении математической модели была использована расчетная схема, показанная на рис.3. Линия всасывания и элементы агрегата, учитывавшиеся при построении математической модели показаны полужирной линией.

Были учтены следующие факторы: потери давления по длине, местные потери давления, инерционные потери давления, сжимаемость жидкости. Изменение площади проходного сечения золотникового распределителя было задано функцией от времени.

Для этой расчетной схемы была сфомулирована система нелинейных дифференциальных уравнений (дана с преобразованиями по Лапласу):

Дри=р1у($)5, Л п=Л п —Л п —Л п. — Л п

(1)

Гв=Г«+Гь

о,

где Л рм - потери давления на местн^1х сопротивлениях; Л рд - потери давления по длине; Лр„ - инерционные потери давления; V -скорость течения жидкости; - плотность жидкости; - коэффициент расхода для местных сопротивлений; Л - коэффициент потерь давления по длине; I длина трубопроводов; - диаметр трубопровода; - расход во всасывающей линии, приведенный к сечению диафрагмы АНГР 4-20; коэффициент расхода для гидравлического распрелелителя; эффективная площадь проходного сечения гидравлического распределителя; - суммарный объем деформационного объема жидкости; - начальный объем жидкости; - объемный модуль упругости жидкости;,; - оператор Лапласа.

На рис. 4 показана блок-схема полной математической модели с учетом изменения площади золотника во времени, его запаздывания, потерь давления на местных сопротивлениях, потерь давления по длине, инерционных потерь давления, сжимаемости жидкости. Где необходимо, вверху над блоком дается пояснение его математической функции, а внизу -числовое значение для данного блока (в системе СИ).

5ЕЭ

врсмл масштаб вр /»омар масштаб пи

3,1 ВЕЗ

©

0,178.. 0,512 МПа

О 10СВс ) о .4 12Е-5М

мод,*, V" >/2Тр Р,

е

к* *

А-З.ЭЕЗ

4.69ЕЗ грошооднм

А«3.18ЕЭ

записъ«файя

в

График

График

Й ту

мпилвфайл

IV

га+гя

О 01

НЕ

ЭВЕ-12

Рис. 4. Структурная схема полной математической модели минимального давления на входе.

Из полной математической модели минимального давления на входе было получено три упрощенных математических модели: 1. без учета сжимаемости жидкости; 2. с учетом только инерционных потерь и без учета потерь давления по длине и на местных сопротивлениях; 3. только статические сопротивления, т.е. без учета сжимаемости и инерционных потерь давления. Результаты расчета минимального давления на входе по полной, упрощенным моделям и экспериментальные данные показаны на рис.5. Расчет проводился при помощи программы САПР "Моделирование в технических устройствах" ("МВТУ) - 3.0.

Критическая величина подачи, и^/час

4,5

3,5

2,5 2 1,5

У Л

/■

3 4 5

Минимальное давление на входе, аты

—эксперимент -а- полная модель

-о- без учета сжимаемости (№1) -к- только инерционные потери (№2)

-е-только статические сопротивления (№3)

Рис. 5. Область работоспособности АНГР 4-20 по данным моделей и эксперимента.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Внедрение объемных ГПНА целесообразно в химической, нефте- и горнодобывающей промышленностях и в разветвленных сетях гидротранспорта при небольших подачах (менее 6 л/с) и высоких давлениях (более 15 МПа).

2. Внедрение объемных ГПНА в разветвленные сети гидротранспорта позволит снизить потери на неизбежное дросселирование при согласовании потоков до 20-25% от гидравлической мощности потоков.

3. Объемные ГПНА за счет регистрации числа рабочих циклов позволяют упростить устройство учета объёмов транспортируемой жидкости.

4. Для ГПНА с насосом и гидравлическим двигателем винтового, плоскоколовратного и пластинчатого типов возможны простые конструкции (без обратных связей и дополнительных распределительных устройств). Для ГПНА с прямодействующим насосом и прямодействующим рабочим насосом возможны простые конструкции (без промежуточных преобразующих механизмов). Для ГПНА с гидравлическим двигателем возвратно-поступательного действия с использованием эффектов резонанса или гидравлического удара для организации рабочего цикла возможны простые конструкции (с упрощенными распределительными устройствами).

5. Для обеспечения увеличенной долговечности ГПНА при минимизированной гидрокинематической цепи следует выбирать структуру с мембранным прямодействующим гидроприводным насосом и алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания с открытой схемой гидропривода.

6. Для ГПНА с алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания и открытой схемой гидропривода давление на входе является параметром, определяющим его работоспособность.

7. Результаты расчетов минимального давления на входе без учета динамических свойств гидропривода (0.25 МПа) существенно отличаются

от экспериментальных (0.5 МПа).

8. Определены критерии учета физических факторов при расчете

минимального давления на входе в ГПНА с алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания с открытой схемой гидропривода:

- при отношении объема жидкости к объемному модулю упругости, приведенному к рабочей камере прямодействующего рабочего насоса,

У

более — = 40 -10"10 м31Па рекомендуется учитывать сжимаемость жидкости;

- при отношении произведения плотности жидкости на длину линии к площади проходного сечения трубопровода приведенному к рабочему

органу рабочего насоса более р!!вт = 16 • 10б, кг/М рекомендуется учитывать инерционность жидкости;

- при отношении эффективной площади местного сопротивления к эффективной площади реверсирующего распределителя менее

з/Т , = 2,00 рекомендуется учитывать потери давления на местных сопротивлениях;

- при отношении площади проходного сечения трубопровода к эффективной площади золотника менее swlfs= 1,00 рекомендуется учитывать потери давления по длине трубопроводов;

- при отношении времени переключения реверсирующего распределителя к времени такта всасывания менее при незначительной сжимаемости и инерционности жидкости оценочный расчет значения минимального давления на входе возможно производить, считая переключение реверсирующего распределителя мгновенным.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЩИХ РАБОТАХ:

1. Пономарев В.В. Критерии выбора насосного оборудования для разветвленных сетей транспорта жидкости// Техника и технология. - 2004 -№1-с.7-9.

2. Пономарев В.В. Некоторые общие принципы построения гидроприводных насосных агрегатов// Естественные и технические науки. - 2003 - №6 - с. 127-132.

3. Пономарев В.В. Насосный агрегат нового типа//Техника и технология. -2004 - №4.

4. Пономарев В.В. Границы применимости математических моделей гидродинамических процессов в насосном агрегате// Естественные и технические науки. - 2004 - №3.

КОПИ-ЦЕНТР св. 77:07:10429 Тираж 100 экз.

теп. 185-79-54

г. Москва м. Бабушкинская ул. Енисейская 36 комната №1 (Экспериментально-производственный комбинат)

*1 3 4 5 5

ПРИНЯТЫЕ АББРЕВИАТУРЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПРИВОДНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

1.1. Области рационального применения насосных агрегатов с различными видами приводов и рабочих насосов.

1.2. Преимущества и основные области применения объёмных ГПНА.

1.3. Перспективы внедрения объёмных ГПНА в разветвленные сети гидротранспорта.

Выводы по главе 1.

Глава 2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДНОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА С УВЕЛИЧЕННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТЬЮ

2.1. Классификационный анализ систем управления ГПНА.

2.2. Анализ типовых конструкций ГПНА.

2.3. Критерии оптимизации систем управления ГПНА объемных ГПНА с увеличенной долговечностью.

2.4. Разработка базового технического решения ГПНА с увеличенной долговечностью.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДНОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА С АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ПОЛОЖЕНИЮ В

КОНЦЕ ТАКТА НАГНЕТАНИЯ

3.1. Цели и задачи экспериментального исследования.

3.2. Проведение экспериментальных исследований.

3.3. Экспериментальные данные и их анализ.

Выводы по главе 3.

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕЙ ОБЛАСТИ

ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДНОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

4.1. Математическая модель процесса теплообмена АНГР 4-20.

4.2. Полная математическая модель минимального давления на входе в АНГР 4-20.

4.3. Упрощенные математические модели минимального давления на входе в АНГР 4-20.

Выводы по главе 4.

Особую благодарность автор работы выражает: к.т.н. Щербакову В.Ф. (доц. МАДИ ) за помощь определении направлений исследований, ряд ценных конструкторских предложений и оказанную моральную поддержку, а также профессорско-преподавательскому составу кафедры Гидропривода и гидропневмоавтоматики МАДИ (ГТУ).

Говбергу А.С. (зам. директора ЦРНТ ООО "Борец") за помощь при инженерной проработке результатов работы в реальном объекте -АНГР 4-20, а также сотрудникам цехов №1 и №4 Компрессорного производства и сотрудникам Компрессорной лаборатории ООО "Борец".

Потапову А.Н. (гл. спец. ОАО "Мотовилихинские заводы") за предоставленный ценный материал, а также сотрудникам ОКБ "БН" и отдела научно-технической и патентной информации ЦРНТ ООО "Борец".

ПРИНЯТЫЕ АББРЕВИАТУРЫ:

ГПНА - гидроприводной насосный агрегат; ГП - гидропривод; РН - рабочий насос; ПД - приводной двигатель; Н - насос;

ГД - гидравлический двигатель;

РО - рабочий орган;

РУ - распределительное устройство;

ОС1 — обратная связь между гидравлическим двигателем, насосом и распределительным устройством в гидроприводе;

ОС2 - обратная связь между рабочими органами и распределительным устройством в рабочем насосе;

ПН — прямодействующий насос;

ПРН - прямодействующий рабочий насос.

Рис. А1. Элементы ГПНА

Рис. А2. Элементы ГПНА

ППД - система поддержания пластового давления;

НМЛ - насос малой подачи для систем ППД (номинальная подача менее

500 м3/сут).

ВВЕДЕНИЕ

Насосное оборудование является неотъемлемым элементом современной промышленности. До трети производимой электроэнергии в промышленно развитых странах расходуется на привод насосного оборудования. Причем мощность некоторых насосных систем достигает десятков мегаватт. Например, общий объем контура многократной принудительной циркулящии энергоблока с реактором РБМК-1000 составляет около 1200 м3, расход воды, циркулирующей в первом контуре ВВЭР-1000 составляет 80 ООО м3/час, а расход в системе технического водоснабжения 200 000 м7час. Для сравнения укажем, что средний расход воды в р. Днепр у г.Смоленска равен 360 000 м3/час. Установленная мощность насосного оборудования достигает до 12% мощности энергоблока, а потребляемая энергия составляет от 70 до 90% энергии, расходуемой на собственные нужды АЭС [33].

Требованиям надежности, герметичности, широкого диапазона регулирования и высоких значений КПД отвечают гидроприводные насосные агрегаты.

Гидроприводным насосным агрегатом (ГПНА) называется насосный агрегат, в котором для привода вытеснителей используется гидравлический привод.

В качестве примера приведем конструкцию ГПНА [34], применяющуюся уже более нескольких десятков лет в промышленности.

При ходе нагнетания плунжера, он продавливает с помощью рабочей жидкости мембрану в направлении переднего перфорированного листа, всасывающий клапан закрывается, напорный клапан приподнимается и перекачиваемая жидкость в камере мембранной крышки продавливается в воздушный колпак, соответственно в напорный трубопровод.

А - ограничительные пластины. 5 - диафрагма. 6 - плунжер.

7 - регулятор, 8 - пополгапельныЛ бак.

Рис. В1. Один из вариантов ранних конструкций гидроприводного насосного агрегата (ФРГ).

Актуальность разработок ГОНА и их исследований обусловлена активным развитием в нескольких отраслях промышленного производства: в химической промышленности для многих целей которой требуются герметичные насосные агрегаты с высокими характеристиками регулирования; в нефте- и горнодобывающей промышленности, где требуются высокие показатели КПД и энергоемкости; в разветвленных сетях гидротранспорта, где требуется замена устаревшим лопастным насосам новыми с высокими показателями КПД, абразивной и химической стойкости. В частности, для систем поддержания пластового давления

ППД) за последнее десятилетие возникла потребность в регулируемых насосных агрегатах высокого давления (более 15 МПа) и небольшой подачи (менее 6 л/с) с высокими показателями долговечности и надежности. Объемные ГПНА позволяют восполнить эту потребность.

Целью данной работы является разработка регулируемого объёмного ГПНА с оптимизированным алгоритмом управления, обладающего свойствами увеличенной долговечности и плавно регулируемой подачи при минимизированной гидрокинематической схеме.

Для достижения обозначенной цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ возможных вариантов схем ГПНА и определены области их рационального применения;

- проведен анализ перспектив внедрения ГПНА в разветвленных сетях гидротранспорта и выделены свойства, определяющие конкурентноспособность ГПНА;

- систематизирована структура ГПНА и создана их классификация;

- проведен анализ типовых конструкций ГПНА, и выявлены наиболее предпочтительные для производства технические решения;

- в рамках программы разработки новой техники на ООО "Борец" создан ГПНА нового типа для целей ППД (АНГР 4-20) и поставлен на опытное производство;

- проведено экспериментальное исследование АНГР 4-20 и даны рекомендации по направлениям совершенствования конструкции;

- построены аналитические модели АНГР 4-20 и проведена оценка их адекватности экспериментальным данным; созданы формализованные математические модели величины минимального давления на входе в АНГР 4-20 и даны рекомендации по границам их применимости.

При решении указанных задач были использованы следующие методы исследований:

- анализ схем ГПНА с выделением существенных признаков и синтез обобщенных типов (при решении задачи систематизации структуры ГПНА);

- параллельные опыты (при решении задачи экспериментального исследования А ИГР 4-20);

- анализ формализованных математических моделей методами численных экспериментов на ЭВМ (при решении задачи математического моделирования минимального давления на входе в АНГР 4-20).

Научная новизна работы заключается:

- в методике классификации ГПНА;

- в условиях, определяющих эффективность внедрения ГПНА в распределенных сетях гидротранспорта;

- схеме ГПНА нового типа - АНГР 4-20 - с оптимизированным алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания;

- в формализованных математических моделях расчета величины минимального давления на входе для агрегатов типа АНГР 4-20.

Практическая значимость работы заключается в результатах анализа различных схем ГПНА и областей их применения, позволяющих конструкторам еще на этапе создания схемы оценить ее оптимальность; на основании анализа конструкций промышленных ГПНА принять наиболее технологичные решения элементов ГПНА. Создан и испытан новый ГПНА

- АНГР 4-20. По результатам его испытаний сформулированы рекомендации по совершенствованию конструкции. Созданы аналитические и формализованные математические модели, позволяющие проводить расчет значимых конструктивных параметров и автоматизировать процесс проектирования агрегатов типа АНГР. Новые результаты, которые выносятся на защиту.

1. Методика классификации различных видов ГПНА.

2. Схема ГПНА нового типа - АНГР 4-20 - с оптимизированным алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания;

3. Рекомендации по совершенствованию конструкции АНГР 4-20 на основании проведенных экспериментальных исследований.

4. Методика расчета величины минимального давления на входе в АНГР 4-20 с помощью полной и упрощенных формализованных математических моделей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 59-й (2001г.), 60-й (2002 г.), 61-й (2003г.) и 62-й (2004г.) научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ), а также на научно-технических совещаниях Центра разработки новой техники ОАО "Борец" (2001 - 2003 г.), и Центра разработки нефтепромыслового оборудования (2003 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре печатные работы и подготовлена одна завка на патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по результатам диссертационной работы, списка источников информации. Работа изложена на 160 страницах печатного текста, содержит 70 рисунков, 14 таблиц. Библиография содержит 70 источников.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Внедрение объемных ГПНА целесообразно в химической, нефте- и горнодобывающей промышленностях и в разветвленных сетях гидротранспорта при небольших подачах (менее 6 л/с) и высоких давлениях (более 15 МПа).

2. Внедрение объемных ГПНА в разветвленные сети гидротранспорта позволит снизить потери на неизбежное дросселирование при согласовании потоков до 20-25% от гидравлической мощности потоков.

3. Объемные ГПНА за счет регистрации числа рабочих циклов позволяют упростить устройство учета объёмов транспортируемой жидкости.

4. Для ГПНА с насосом и гидравлическим двигателем винтового, плоскоколовратного и пластинчатого типов возможны простые конструкции (без обратных связей и дополнительных распределительных устройств). Для ГПНА с прямодействующим насосом и прямодействующим рабочим насосом возможны простые конструкции (без промежуточных преобразующих механизмов). Для ГПНА с гидравлическим двигателем возвратно-поступательного действия с использованием эффектов резонанса или гидравлического удара для организации рабочего цикла возможны простые конструкции (с упрощенными распределительными устройствами).

5. Для обеспечения увеличенной долговечности ГПНА при минимизированной гидрокинематической цепи следует выбирать структуру с мембранным прямодействующим гидроприводным насосом и алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания с открытой схемой гидропривода.

6. Д ля ГПНА с алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания и открытой схемой гидропривода давление на входе является параметром, определяющим его работоспособность.

7. Результаты расчетов минимального давления на входе без учета динамических свойств гидропривода (0.25 МПа) существенно отличаются от экспериментальных (0.5 МПа).

8. Определены критерии учета физических факторов при расчете минимального давления на входе в ГПНА с алгоритмом управления по положению в конце такта нагнетания с открытой схемой гидропривода:

- при отношении объема жидкости к объемному модулю упругости, приведенному к рабочей камере прямодействующего рабочего насоса, у более —-=40 -10 10 м / Па рекомендуется учитывать сжимаемость Е жидкости;

- при отношении произведения плотности жидкости на длину линии к площади проходного сечения трубопровода приведенному к рабочему органу рабочего насоса более pll sm= 16 -К)6, кг/м4 рекомендуется учитывать инерционность жидкости;

- при отношении эффективной площади местного сопротивления к эффективной площади реверсирующего распределителя менее

SMI f3=2,00 рекомендуется учитывать потери давления на местных сопротивлениях;

- при отношении площади проходного сечения трубопровода к эффективной площади золотника менее sml f 3—1,00 рекомендуется учитывать потери давления по длине трубопроводов;

- при отношении времени переключения реверсирующего распределителя к времени такта всасывания менее tnl tec=0,4 при незначительной сжимаемости и инерционности жидкости оценочный расчет значения минимального давления на входе возможно производить, считая переключение реверсирующего распределителя мгновенным.

1. Авторское свидетельство СССР 853154. 07.08.1981.

2. Авторское свидетельство СССР № 853154. 07.08.1981.

3. Авторское свидетельство СССР № 756077.20.08.1980.

4. Авторское свидетельство СССР № 170842 (F04B 43/06). 23.04.1965

5. Авторское свидетельство СССР № 486145 (F04B 43/06) 30.09.1975.

6. Авторское свидетельство СССР № 357368.

7. Авторское свидетельство СССР № 1636593 (F04B 35/02). 23.03.1991.

8. Авторское свидетельство СССР № 1048166 (F04B 43/06). 15.10.1983.

9. Авторское свидетельство СССР №1252543 (F04B 43/06). 23.08.1986.

10. Авторское свидетельство СССР №549593 (F04B 13/00). 05.03.1977.

11. Авторское свидетельство СССР № 472206 (F04B 43/06). 30.05.1975.

12. Авторское свидетельство СССР № 507706 (F04B 9/10). 25.06.1975.

13. Авторское свидетельство СССР № 472206 (F04B 43/06). 30.05.1975.

14. Авторское свидетельство СССР № 1834421 (F04B 43/06). 20.03.1995.

15. Авторское свидетельство СССР № 1562524 (F04B 43/06). 07.05.1990

16. Авторское свидетельство СССР № 1562523 (F04B 43/06) 07.05.1990.

17. Авторское свидетельство СССР № 1399501 (F04B 43/06). 30.05.1988.

18. Бритвин J1.H., Мясковский Е.Г. Химические регулируемые поршневые насосы.-М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1971.-c.54.

19. Бритвин JI.H. Новое в развитии гидроприводных объемных насосныхагрегатов. /Обзор/ М., 1978 с. 92 с. с ил. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ,1. Серия ХМ-4.

20. Бритвин JI.H. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Объемные гидромашины и гидропередачи". М.: МАДИ, 1982. -с. 20 с ил.

21. Васильченко В. А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник М.: Машиностроение, 1983. - 301 е., ил.

22. Габдрахманов Р.А. Система ППД в разработке объектов НГДУ "JIH". Состояние и перспективы развития системы ППД ОАО "Татнефть" на период 2002-2006 гг. Сборник докладов. ОАО "Татнефть". 21.09.2001.

23. ГОСТ 17335-79 НАСОСЫ ОБЪЁМНЫЕ правила приёмки и методы испытаний.

24. ГОСТ 17398-72 НАСОСЫ термины и определения.

25. ГОСТ 14658-86 Насосы объемные гидропривода. Правила приемки и методы испытаний.

26. ГОСТ 12.2.040-79ССБТ. Гидроприводы объемные и системы смазочные. Общие требования к безопасности конструкции.

27. ГОСТ 15108-80 Е Гидроприводы объемные, пневмоприводы и смазочные системы. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение.

28. ГОСТ 17108-86 Гидроприводы объемные и смазочные системы. Методы измерения параметров.

29. ГОСТ 27851-88 Насосы объемные для гидроприводов. Метод ускоренных сравнительных испытаний на ресурс.

30. Жеребцов Е.П. "Татнефть" на рубеже века. Ж. "Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа" 4/1998 г.

31. Ибатулов К. А. Гидравлические машины и механизмы в нефтяной промышленности. М., изд-во "Недра", 1972. 288 стр.

32. Кравченко Г.И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. Учебникдля ВУЗов. М.: Энергия, 1978. - 320 е., ил.

33. Марцинковский, В.А., Ворона П.Н. Насосы атомных электростанций. -М.: Энергоатомиздат, 1987.-256с. ил.

34. Мембранный насос типа MPR/ Membranpumpe MPR 6/30. VEB Thuringia Sonneberg Kombinat fur Glas- und Keramikmaschinenbau, 1980, 28 p.

35. ОАО "Мотовилихинские заводы". Производственная программа, 2000 г.614014, Россия, г. Пермь, ул. 1905 года, 35 ОАО "Мотовилихинские заводы" .

36. Обзор насосов и систем для транспортирования твердых материалов Willis D.J. A survey of solids-handling pumps and systems./ Pumps-Pompes-Pumpen, 1976.

37. ООО "Ижевск-Алнас-Сервис". Производственная программа, 2003 г. 426034, Россия, Республика Удмуртия, г. Ижевск, ул. Базисная 19.

38. Патент РФ № 2132455 "Способ закачки воды в нагнетательную скважину и насосная установка для его осуществления."

39. Патент Великобритании № 1 330 433 (F04B 9/08 43/10) . 19.09.1973.

40. Патент США № 2,703,055. 1.03.1955.

41. Патент Финляндии F04B 43/06//15/02. 07.04.00.

42. Патент США № 5,249,932 (F04B 9/08). 5.10.1993.

43. Патент США№ 5,213,478 (F04B 15/02). 25.05.1993.

44. Патент РФ 2123135 (F04B 43/06). 10.12.1998.45. Патент Франции № 2208462.

45. Патент Великобритании № 1463257.

46. Поршневые и диафрагменно-поршневые насосы и их использование для гидравлической транспортировки твердых материалов на большие расстояния/ Transrohr 80. Tagung Baden-Baden 1980. In: VDI-Berichte,1980, N. 371, p. 211-225.

47. Смирнов B.H. Гидравлические турбины и насосы. Учебное пособие для энергетических и политехнических вузов, М., "Высшая школа", 1969, 400 стр. с ил.

48. Тахаутдинов Ш.Ф., Е.П. Жеребцов, А.Т. Панарин, И.Ф. Калачев. Энергосберегающие технологии в нефтяной промышленности. Ж "Нефтяное хозяйство" 7/1998.

49. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / И.Г. Анисимов, К.М. Бадыштова, С.А. Бнатов и др.; Под ред. В.М. Школьникова. Изд. 2-е перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Техинформ», 1999. — 596 е.: ил.

50. Федин В.Ф. Работа индивидуальных насосов в НГДУ

51. Лени ногорскнефть". Состояние и перспективы развития системы ППД ОАО "Татнефть" на период 2002-2006 гг. Сборник докладов. ОАО "Татнефть". 21.09.2001.

52. Федотов Г.А. Система ППД НК "Татнефть". Состояние и перспективы развития системы ППД ОАО "Татнефть" на период 2002-2006 гг. Сборник докладов. ОАО "Татнефть". 21.09.2001.

53. Шламовые поршневые насосы для грубых сыпучих материалов. Dickstoff-Kolbenpumpen fordern auch grobe schuttguter Ind.-Anz. 1996. 118, N 9, c. 70. Нем. DE. ISSN 0019-9036

54. Штельмах A.A. Направления проектирования прямодействующих насосных агрегатов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. - 62 е., ил.

55. Яковенко Е.А., Стесин С.П. Лопастные машины и гидродинамические передачи: Учеб. для вузов по спец. "Гидравл. машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика." М., 1990. - 239 с.

56. Blackwell С.Е. Fordern und Saugen von Feststoffen und Schlammen. Industrie-Anzeiger. 1981

57. Chem. Process (USA), 1976,39, N 10, p.l 16.

58. ETR Eisenbahn tech. Rdsh., 1972, 21, N 10, p.24.

59. FELUWA Pumpen GmbH. Производственная программа, 2003 г. ФРГ, BRD D-54570 MUERLENBACH FELUWA PUMPEN GmbH.

60. Floijincic D., Fussele G. Application limits of different types of water pumps. World Pumps, 1983.

61. Godwin Pumps. Производственная программа, 2001 г. Godwin Pumps of America, Inc. One Floodgate Road, Brigeport, NJ 08014.

62. LEWA Herbert Ott. Производственная программа, 2003 г. LEWA Herbert Ott GmbH + Co KG Ulmer Strasse 10 D-71229 Leonberg Germany.

63. Mech. Eng., 1975, 97, N 7, p. 26 30.

64. Petrol Eng., 1971, 43 N 11, p. 86.

65. Wanner Engineering, Inc. Производственная программа насосов типа Hydra-Cell, 2001 г. 1204 Chestnut Avenue, Minneapolis, MN 55403.

66. Williams Milton Roy. Производственная программа, 2001 г. Milton Roy Co. 201 Ivyland Road Ivyland, PA. 18974.

67. Пономарев B.B. Критерии выбора насосного оборудования для разветвленных сетей транспорта жидкости// Техника и технология. — 20041-е. 7-9.

68. Пономарев В.В. Некоторые общие принципы построениягидроприводных насосных агрегатов// Естественные и технические науки.-2003-№6-с. 127-132.

69. Пономарев В.В. Насосный агрегат нового типа// Техника и технология.-2004-№4.

70. Пономарев В.В. Границы применимости математических моделейгидродинамических процессов в насосном агрегате// Естественные итехнические науки. 2004 - №3.