Алгоритмы и методы регулирования режимов работы насосных станций.

Актуальность и востребованность темы диссертации. На сегодняшний день в мировой практике непрерывно растет значение насосных станций в энергетике, мелиорации земель, перекачке углеводородных продуктов, а также в жилищно-коммунальном хозяйстве. В этих отраслях экономики актуальным является обеспечение надежности, бесперебойности, высокой энергоэффективности и гибкости работы насосных станций, а также работоспособности при неустановившихся режимах. В достижении всех вышеперечисленных параметров определенные успехи достигнуты в зарубежных странах мира, где современное насосное оборудование постоянно обновляется и совершенствуется. В связи с этим является востребованным применение «высокотехнологического специализированного основного и вспомогательного энергетического оборудования насосных станций, продлевающего срок эксплуатации трубопроводных систем в 1,5-2 раза»1.
В Республике Узбекистан проводятся широкомасштабные мероприятия по эффективной организации мер по созданию энергосберегающих методов и устройств регулирования режимов работы насосных станций. В этом отношении заметные результаты достигнуты при разработке эффективных методов, способов и устройств снижения влияния электромеханических и гидромеханических переходных процессов на энергетическое оборудование и трубопроводы насосных станций. На базе регулируемого электропривода разработаны структурные схемы и алгоритмы управления насосными установками, разработаны частотно-рсгулирусмыс системы «асинхронный двигатель-насос», разработаны структуры комбинированного управления асинхронным двигателем в турбомсханизмах.
В мире особое значение приобретают вопросы надежности и бесперебойности работы насосных станций при неустановившихся режимах, создания новой техники и технологии защиты энергетического оборудования и трубопроводов насосных станций от внезапных переходных процессов. В этой области осуществление целенаправленных научных исследований по разработке методов регулирования установившихся и неустановившихся режимов работы насосных станций, созданию устройств защиты основного энергетического оборудования и трубопроводов от гидравлических ударов, созданию технических решений и совершенствовании надежности вспомогательного энергетического оборудования для удаления дренажных и сточных вод, все это является приоритетной проблемой.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Законе Республики Узбекистан «О рациональном использовании энергии» (1997), Постановлении Президента Республики Узбекистан №ПП-2343 от 5 мая 2015 года «О программе мер по сокращению энергоемкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015-2019 годы», постановлении Кабинета Министров Республики Узбекистан № 499 от 16 ноября 1999 года «О мерах по реализации Закона Республики Узбекистан «О безопасности гидротехнических сооружений», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является создание алгоритмов, методов, способов и устройств снижения негативного влияния неустановившихся режимов и внезапных переходных процессов на основное и вспомогательное энергетическое оборудование и трубопроводы насосных и гидроэлектрических станций.
Научная новизна исследования заключаются в следующем:
разработан алгоритм поэтапного решения электромеханических и гидромеханических переходных процессов насосных станций с учетом продолжительности эксплуатации энергетического оборудования;
разработана обобщенная математическая модель и программный комплекс расчета элементов системы «трубопровод - насос - электродвигатель - электрическая сеть», позволяющие исследовать переходные процессы энергосистемы при неустановившихся режимах насосных станций;
разработан новый способ использования перепускного устройства для защиты энергетического оборудования и трубопроводов насосных станций от гидравлического удара;
разработано устройство пропорционального управления дисковым затвором насоса для повышения надежности работы энергоустановок насосных станций;
разработан способ одновременной откачки дренажных и сточных вод с различной высотой всасывания с помощью струйного насоса с системой регулирования;
создана регулируемая система одновременного удаления фильтрационных, дренажных и ливневых вод из зданий и прилегающих территорий насосных или гидроэлектрических станций с помощью струйного насоса для защиты от затоплений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведенных исследований по докторской диссертации на тему: «Алгоритмы и методы регулирования режимов работы насосных станций» представлены следующие выводы:
1. Проведенный анализ режимов эксплуатации насосных станций показал, что одной из основных причин аварий на насосных станциях являются одновременные электромеханические или гидромеханические переходные процессы, осложненные гидравлическим ударом. В связи с этим важным становится проблема разработки способов и устройств защиты от гидравлического удара основного энергетического оборудования и трубопроводов насосных станций.
2. Разработана модель системы «трубопровод - насос - электродвигатель - электрическая сеть», позволяющая исследовать переходный режим энергосистемы при различных аварийных и эксплуатационных режимах: при изменении напряжения на шинах, аварийном отключении синхронного двигателя, авариях, связанных с насосом или в трубопроводе и т.д. При скачкообразном уменьшении мощности синхронного двигателя на 15% (0.85Рдв) устойчивость агрегата сохраняется, при этом электромагнитные процессы затухают относительно быстро, а гидромеханические процессы продолжаются около 140 с. При уменьшении мощности на 30% (0.7РдВ) агрегат попадает в режим длительных колебаний. Уменьшение мощности на 50% приводит к нарушению устойчивости двигателя и выходу из синхронизма.
3. Рекомендован программный комплекс, способный рассчитывать гидравлический удар на насосных станциях с трубопроводами диаметрами до 4,2 метра, который может в значительной степени влиять на выбор основного и вспомогательного энергетического оборудования, конструкцию и параметры водопроводящих сооружений. Получены свидетельства об официальной регистрации программ для электронно-вычислительных машин № DGU 03124 и № DGU 03644.
5. Рекомендовано разработанное на уровне полезной модели по Патенту № FAP 01119 устройство пропорционального управления насосом. Изменение скорости закрытия дискового затвора происходит плавно и пропорционально скорости течения жидкости в трубопроводе. Техническая характеристика логического контроллера программируется таким образом, что в момент смены в напорном трубопроводе прямой скорости подачи жидкости на обратную, т.е. в момент нулевой скорости жидкости, дисковый затвор полностью закрывается, что исключает возникновение гидравлического удара в основном энергетическом оборудовании и трубопроводах насосной или гидроэлектрической станции.
6. Рекомендован метод одновременной откачки фильтрационных, дренажных и сточных вод из зданий и из прилегающих территорий насосных и гидроэлектрических станций, отвечающий требованиям надежности и безопасности эксплуатации при увеличении притока сточных вод, связанного со сроком эксплуатации сооружений и напорных трубопроводов, а также возможными авариями и затоплениями гидроэнергетических объектов.
7. Результатом расчета параметров всасываемых потоков из здания и прилегающей территории насосной станции стал алгоритм регулирования гидравлической поплавковой системы. Анализ полученных зависимостей показал, что максимальная величина всасываемого расхода из прилегающей территории насосной станции достигается в области перекрытия дискового затвора регулирующего поплавкового устройства на угол около 40°-45°.
8. Рекомендована разработанная на уровне полезной модели по Патенту № FAP 00592 система для одновременного удаления фильтрационных, дренажных и ливневых вод из прилегающей территории и из помещения насосной или гидроэлектрической станции, предназначенная для работы, как в стационарных режимах, так и при аварийных затоплениях.
9. Результаты работы внедрены в практику эксплуатации ряда насосных и гидроэлектрических станций. Выполненные комплексные экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанных методов и математических моделей. Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных значений не превысило 6%, что указывает на достоверность проведенных исследований. Подтвержденная экономическая эффективность от внедрения результатов диссертационной работы составляет около 200 млн. сум в год.