Динаміка процесу транспортування води по магістральних водоводах з використанням електроприводу, що регулюється

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.23.16 - Гідравліка і інженерна гідрологія

Динаміка процесу транспортування води по магістральних водоводах з використанням електроприводу, що регулюється

Колотило Віктор Дмитрович

Харків 2001



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Нетюхайло Анатолій Петрович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри "Водопостачання, каналізація і гідравліка"

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Савенко В'ячеслав Якович, Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою.

Кандидат технічних наук Тертичний Олег Леонідович, Український науково-дослідний інститут екологічних проблем Міністерства екології та природних ресурсів України, старший науковий співробітник лабораторії гідравлічних і гідрологічних досліджень.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра гідравліки та водовідведення.

Захист відбудеться “25” квітня 2001 року об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий “23” березня 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої М.І. Колотило вченої ради



1. Загальна характеристика роботи

ротор насосний магістральний водовод

Актуальність теми. Сучасні системи водопостачання і водовідведення є великими енергоємними підприємствами. Насосні станції цих систем споживають сотні мільйонів кіловат-годин електроенергії на рік. Регулювання режимів їх роботи за допомогою дроселювання призводить до неекономного витрачання електроенергії.

Регулювання режимів роботи насосних агрегатів за допомогою зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату дозволяє істотно знизити витрати електроенергії, зменшити втрати води і проводити плавне регулювання подачі води в широкому діапазоні. Доцільність застосування цього методу регулювання насосних агрегатів у системі водопостачання обумовлена не лише економією води та електроенергії, але й можливістю знизити вплив зміни режимів транспортування на якість питної води.

Зараз системи автоматичного управління (САУ) режимними параметрами насосних агрегатів для водопостачання міст і промислових об'єктів використовуються дуже рідко. Зокрема, в територіальному виробничому об'єднанні (ТВО) "Харківкомунпромвод" експлуатується кілька діючих насосних установок, обладнаних електроприводом, що регулюється. Це дозволяє на основі вивчення досвіду їх проектування та експлуатації намітити шляхи подальшого впровадження САУ.

Зміна кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату викликає несталий режим руху води в напірних водоводах і за певних умов може призвести до гідравлічного удару.

У даній роботі теоретично досліджені залежності впливу зміни кутової швидкості обертання ротору на режимні параметри насосних агрегатів, що працюють разом із напірним водоводом великої протяжності (50-100 км), а також проведені натурні випробування режимів роботи насосних агрегатів з електроприводом, що регулюється на магістральному водоводі Краснопавлівка - Харків.

Зниження споживання електроенергії і втрат води на основі раціональних методів регулювання електроприводу насосних агрегатів - актуальна задача, особливо в умовах переходу підприємств водопровідно-каналізаційного господарства на диференційовані тарифи по оплаті за спожиту електроенергію, а також дефіциту електроенергії в нашій країні.

При розробці умов регулювання режимів роботи насосних агрегатів необхідно дотримуватися норм якості питної води відповідно ГОСТ 2874-82 “Вода питна”.

Розробки методів управління кутовою швидкістю обертання роторів насосних агрегатів за допомогою частотних тиристорних і транзисторних перетворювачів за останні роки одержали новий імпульс як за кордоном, так і в нашій країні, в зв'язку з тим, що САУ з регульованим приводом дозволяє знизити електроспоживання на 5-15%, скоротити витрати води на 3-5%, зменшити сумарні витрати в грошовому вираженні на 20-30%, підвищити надійність роботи системи за рахунок зниження тиску у водогінній мережі та імовірності виникнення гідравлічних ударів.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася відповідно до програми з підвищення надійності, ефективності та безпеки водопостачання населення м. Харкова, затвердженої рішенням IX сесії XXIII скликання Харківської міської ради від 29.06.1999 р. та Постановою Кабінету Міністрів України №1844 від 20.12.2000 р., а також у рамках "Програми енергозбереження ТВО "Харківкомунпромвод".

Мета дисертаційної роботи - у визначенні впливу зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату на режимні параметри магістрального водоводу великої протяжності і встановленні діапазонів регулювання, що забезпечують безпечну й ефективну роботу системи “насосний агрегат - магістральний водовід великої протяжності”.

Методи досліджень. Дослідження проводилися на експериментальному стенді, створеному на діючому магістральному водоводі Краснопавлівка - Харків, з використанням методів і апаратури для вимірювання тиску і витрати води та частоти обертання валу насосного агрегату. Якість води контролювалася за показником каламутності методом фотоелектроколориметрії. Для збирання, передачі й обробки інформації застосовувалися контролери серії "Комкон" і ПЕОМ типу Pentium II. Використано аналітичний метод рішення вихідного рівняння для одержання виразу передаточних функцій для режимних параметрів системи.

Наукова новизна одержаних результатів:

Науково обгрунтовано застосування системи управління насосним агрегатом за допомогою частотних перетворювачів для магістральних водоводів великої протяжності.

Розроблено структурні залежності для передаточних функцій між вхідними і вихідними режимними параметрами системи “насосний агрегат - магістральний водовід великої протяжності”.

Вперше отримано експериментальні залежності вхідних і вихідних режимних параметрів від зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату системи “насосний агрегат - магістральний водовід великої протяжності”.

Встановлено умови регулювання режимних параметрів, при яких забезпечується безпека та ефективність роботи системи.

Практичне значення роботи.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень в натурних умовах на діючому напірному водоводі великої протяжності були розроблені практичні рекомендації щодо застосування системи автоматизованого управління режимами транспортування води по магістральному водоводу великої протяжності на прикладі водоводу Краснопавлівка - Харків. Впровадження рекомендацій дозволило знизити витрати на електроенергію в сумі 675 тис. грн. на рік.

У результаті натурних досліджень встановлені допустимі межі зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату, при яких несталі хвильові процеси не ведуть до виникнення гідравлічних ударів і до подальшого їх розвитку, а також не погіршують якість питної води, що транспортується по водоводу.

Особистий внесок автора.

Запропоновано структурні формули для описання передаточних функцій вхідних і вихідних параметрів системи.

Розроблено принципову схему експериментального стенду на діючій дільниці напірного водоводу і схему вимірювань режимних параметрів. Розроблено програму проведення експериментів і виконано обробку експериментальних даних. Експерименти в натурних умовах проведені колективом фахівців під керівництвом автора.

Розроблено рекомендації щодо практичного використання САУ процесами зміни режимних параметрів.

Апробація роботи. Основні результати роботи і головні положення дисертації доповідались автором на науково-технічних конференціях ХДТУБА в 1999-2001 р.р., науково-технічних республіканських семінарах при Харківській державній академії міського господарства (1999-2000 р.р.) і науково-технічній конференції при Харківському державному політехнічному університеті (2000 р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 6 публікаціях, із них: одна монографія (у співавторстві), 4 друкованих роботи в наукових збірках України, один патент України, у тому числі, дві публікації без співавторів.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Вона викладена на 136 сторінках і містить 110 сторінок тексту, 57 рисунків, 9 таблиць, додаток на 19 сторінках і список використаних літературних джерел із 104 найменувань.



2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми, її наукова новизна і практична цінність, сформульовані мета і основні задачі досліджень, показаний зв'язок з науковими програмами і планами.

У першому розділі, на основі аналізу літератури розглянуті основні теоретичні положення і сучасний стан методичного та апаратурного забезпечення методів управління режимними параметрами магістральних водоводів великої протяжності. Особлива увага приділена питанням несталого руху рідини в напірних водоводах. Відзначається великий внесок в освоєння цієї проблеми Жуковського М.Є., Зубова Л.Б., Лийва У.Р., Лєзнова Б.С., Колотило М.І., Коваленка В.М., Картвелішвілі М.А., Кривченка Г.І., Папіна В.М., Чермака І., Чарного І.А. та багатьох інших.

З огляду сучасного стану питання видно, що методи управління режимними параметрами магістральних водоводів великої протяжності практично не розроблені і не обгрунтовані для застосування на діючих об'єктах систем водопостачання. Проведений огляд дозволив сформулювати основну мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі приведено описання експериментального стенду, комплексу вимірювальної апаратури, методик проведення іспитів та експериментальних досліджень, засобів збирання, обробки і передавання інформації, дана оцінка похибки вимірів і вірогідності дослідних даних.

Експериментальний стенд розроблений для проведення натурних досліджень на діючому магістральному водоводі Краснопавлівка - Харків діаметром 1400 мм на дільниці "насосна станція III підйому - Ліднівські резервуари м. Харкова" протяжністю 62 км

Стенд містить групу з трьох насосних агрегатів, при цьому два паралельно з'єднаних насоси (Д4000/95), що забирають воду з резервуарів чистої води, є підпірними для третього магістрального насосу (НМ7000/210). В якості електроприводу, що регулюється, для управління магістральним насосним агрегатом використовується високовольтний тиристорний частотний перетворювач типу ПЧВН-8000 потужністю 8000 кВт, що дозволяє плавно змінювати частоту обертання ротору насосного агрегату від 0 до 3000 об/хв.

Комплекс вимірювальної апаратури включав встановлені на магістральному водоводі датчики тиску і витрати та датчик вимірювання частоти обертання ротору насосного агрегату, встановлений на торці валу магістрального насосу. На Ліднівських резервуарах контролювалася каламутність питної води.

Показання всіх датчиків реєструвалися з періодичністю 20 вимірів за секунду. Як засіб збирання, відображення і запису інформації використовувалися мікропроцесори серії “Комкон” разом із ПЕОМ.

Оцінки середніх значень режимних параметрів характеризуються похибкою в межах 5-10% при довірчій вірогідності 95%.

Досліди проводилися для різноманітних значень зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату при перехідному несталому русі води по магістральному водоводу.

При проведенні експериментальних досліджень вирішувалися такі задачі:

одержання гідравлічних характеристик (тиску і витрати) у часі при зміні кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату в умовах перехідних процесів на різних дільницях магістрального водоводу;

вивчення динаміки зміни режимних параметрів у залежності від протяжності досліджуваної дільниці магістрального водоводу;

визначення транспортного запізнювання зміни режимних параметрів по довжині магістрального водоводу;

дослідження впливу інерційності потоку води в магістральному водоводі на режимні параметри з урахуванням довжини досліджуваної дільниці і величини зміни кутової швидкості;

оцінка впливу зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату на якість води, що транспортується, встановлення часу зміни якості води в кінцевій точці магістрального водоводу;

встановлення безпечних режимів роботи системи “насосний агрегат - магістральний водовід великої протяжності” при змінах кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату, що виключають виникнення гідравлічних ударів у водоводі і погіршення якості питної води, що транспортується.

У процесі експериментальних досліджень проводилися вимірювання:

миттєвих значень тиску тензодатчиками з встановленою похибкою 0,5%;

миттєвих значень швидкості (вимірювання витрати) ультразвуковими приладами з похибкою 1,5-2% і витратомірами, що базуються на принципі електромагнітної індукції, з похибкою 2%;

частоти обертання ротору насосного агрегату за допомогою електромагнітного тахометра;

якості води за показником каламутності електрофотоколориметром з коефіцієнтом похибки не більш як 1%.

У третьому розділі викладені теоретичні дослідження динаміки транспортування води по магістральних водоводах на основі аналітичного рішення перетвореного рівняння збереження моменту кількості руху.

Як вихідне рівняння прийняте динамічне рівняння збереження моменту кількості руху у формі Ейлера:

, (1)

де Ir - приведений момент інерції всіх обертових мас до маси маховика;

щ - кутова швидкість обертання маховика (ротора насосного агрегата);

t - час відліку;

- сума моментів, що складається з моментів, що рухають робоче колесо насоса, і суми моментів, що витрачаються на виконання корисної роботи насосом і на подолання усіх видів опору.

При сталому режимі маємо:

, (2)

. (3)

- внутрішній момент приводного електродвигуна при сталому режимі роботи насосного агрегату і сталому режимі руху рідини в напірних водоводах.

- момент навантаження, що витрачається при сталому режимі на перекачування рідини і подолання усіх видів опору.

Запишемо рівняння (1) у такому вигляді:

, (4)

де MD - внутрішній момент приводного електродвигуна;

MS - момент, що витрачається на виконання роботи з транспортування води і подолання опору (момент навантаження).

Віднімаючи рівняння (2) і (3) із рівняння (4), одержимо:

, (5)

, (6)

Дщ = щ - що

відхилення кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату від її значення при сталому режимі.

При встановленні розрахункового (сталого) режиму .

Залежності моментів MD і MS від кутової швидкості обертання (щ) ротору насосного агрегату і від довжини водоводу (L) є нелінійними. Однак при розгляданні в області, близькій до сталого режиму руху рідини у водоводі, цю залежність можна лінеаризувати.

Нелінійні характеристики ДMD і ДMS лінеаризуємо за допомогою ряду Тейлора з використанням його лінійного члена.

Замінюючи поверхню

MD = MD(щ, L)

площиною, дотичною до кривої у робочій точці, запишемо значення внутрішнього моменту приводного електродвигуна і моменту навантаження у вигляді:

, (7)

. (8)

Частинні похідні визначають кут нахилу дотичних до відповідних характеристик у робочій точці.

Лінеаризація істотно спрощує рішення поставленої задачі, але в той же час вносить похибки в результати розрахунків. При малому відхиленні від області сталого режиму ці похибки несуттєві і ними можна знехтувати.

Підставивши вирази (7) і (8) у рівняння (6), одержимо:



. (9)

Помноживши формулу (9) на щп, перетворимо моментне рівняння на енергетичне:

, (10)

де ND - потужність електродвигуна;

NS - потужність, що витрачається на виконання роботи з транспортування води і подолання опору;

- приведена довжина дільниці, що розглядається;

- приведене відхилення кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату:

(11)

. (12)

При зниженні щ залежність висловимо так:

. (13)

Приведемо потужності до безрозмірного виду, використовуючи як масштаб потужність NDo:

, (14)

де NDo - потужність електродвигуна при сталому русі рідини.

У виразах (7) - (10) і (14) підрядковий індекс “о” означає, що виконана лінеаризація.

Представимо рівняння (14) у вигляді:

, (15)

де постійні коефіцієнти:

ao = To, (16)

, (17)

, (18)

То - постійна часу розгону насосного агрегату від що до щ або часу зупинення від щ до щп:

. (19)

Враховуючи, що величина транспортного запізнювання зміни режимних параметрів залежить від довжини водоводу, маємо:

, (20)

де - приведений час проходження хвильових збурень по довжині водоводу.

Рівняння (15) можна представити в такому вигляді:

, (21)

де - постійний коефіцієнт, що враховує співвідношення часу і довжини.

Вираз (21) являє собою звичайне лінійне неоднорідне диференціальне рівняння з постійними коефіцієнтами, права частина якого є лінійною комбінацією функцій tme-л t.

Для рішення рівняння (21) застосуємо перетворення Лапласа, що зв'язує функцію y(t) дійсної незалежної перемінної t (час відліку) з функцією комплексної перемінної Y(s) відповідно до рівняння:

, (22)

де y(t) називається оригіналом;

Y(s) - зображення за Лапласом;

s - комплексна перемінна.

Перетворення Лапласа дозволяє звести звичайне диференціальне рівняння з постійними коефіцієнтами до алгебраїчного рівняння і врахувати початкові умови Коші. Якщо система при t=0 знаходилася в стані спокою, то відношення перетворення Лапласа вихідного сигналу Y2(s) до перетворення вхідного сигналу Y1(s) являє собою передаточну функцію в галузі зображень такого виду:

, (23)



де Gm(s) є передаточною функцією, що зв'язує вхідні і вихідні параметри масової витрати в термінах комплексної перемінної s.

Рішення рівняння (21) здійснюємо за допомогою перетворення Лапласа при початкових умовах Коші:

; yo (0)= Co;

Зображення Y(s) шуканого рішення y(t) знаходимо за формулою:

(24)

Враховуючи, що Сi=0 і n=1, отримаємо рішення:

, (25)

де зображення Y(s) позначає режимні функції Q і P за допомогою комплексної перемінної s.

. (26)

Для спрощення аналізу приймемо:

. (27)



Тоді:

. (28)

Припускаємо, що при малих змінах має місце мала зміна витрати і дотримується закономірність їх пропорційності .

Рішення рівняння (28) для передаточних функцій GQ(s) може бути представлене у вигляді:

, (29)

(30)

- приведена витрата в перетині “1”;

- приведена витрата в перетині “2” у момент часу ;

- приведена витрата на виході з насосного агрегату при сталому режимі;

приведений час до постійного часу To;

д - емпірична постійна.

Витрати до безрозмірного виду приведені з використанням як масштабу витрати при сталому режимі (Q10).

Виконавши обернене перетворення Лапласа від зображення (25) до оригіналу, одержимо рішення:

(31)

. (32)

Оскільки , одержимо:

, (33)

де отримано з визначення (див. формулу 11);

враховує лінійну зміну кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату;

б - постійний коефіцієнт.

Припустимо, що довгий водовід закінчується виходом у резервуар із підпором. Тоді можливо застосувати передаточну функцію (28) і одержати функціональну залежність для режимного параметра системи :

(34)

, (35)

де - приведений статичний тиск на виході з насосної станції в перетині “1”;

- приведений статичний тиск на виході з насосної станції в перетині “1” при сталому режимі;

- приведений статичний тиск у перетині “2” у момент часу .

Тиски до безрозмірного виду приведені з використанням як масштабу тиску при сталому режимі (P10).

Аналогічно можна записати передаточну функцію (28) для тиску, для чого виконаємо обернене перетворення Лапласа від зображення до оригіналу і одержимо вираження:

. (36)

Враховуючи, що 1, тоді

. (37)

де - емпірична функція залежності тиску від зміни кутової швидкості .

Передаточні функції для витрати (33) і для тиску (37) враховують операторне змінювання функції за часом при зміні кутової швидкості обертання насосного агрегату. Вплив акумулюючої ємності водоводу на характер змінювання функції витрати і тиску відбувається під дією проходження хвильових збурень у трубопроводі.

Таким чином, отримані залежності (33) і (37) дозволяють описати зв'язок режимних параметрів на вході і виході системи. Представлені залежності розрахункового режимного параметра при різноманітних змінах убік зростання Дщ у перетинах “2” і “3”. З графіка видно, що збільшення протяжності дільниці водоводу і величини зміни Дщ призводить до зростаючих хвильових процесів.

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень несталого руху рідини в магістральному водоводі при зміні частоти обертання валу насосного агрегату. Під час експерименту зміни частоти обертання валу насосного агрегату (n) проводилися з інтервалами 100 об/хв., 200 об/хв., 300 об/хв., 500 об/хв. як в бік збільшення, так і в бік зменшення.

У результаті натурних експериментів одержані залежності частоти обертання ротору насосного агрегату від часу. Видно, що перехідний режим (зона А) апроксимується не вертикальною, а похилою прямою. Це обумовлено тим, що інерція ротора та елементна база перетворювача ПЧВН не дозволяє миттєво змінити частоту обертання ротору насосного агрегату.

У ході експериментів вимірювалися тиск і витрата води при різноманітних змінах частоти обертання ротору насосного агрегату в трьох перетинах магістрального водоводу. Перетин “1” - насосна станція III підйому, перетин “2” - камера переключення № 3, розташована на відстані 18 км від насосної станції, і перетин “3” - камера переключення №5, розташована на відстані 52 км від насосної станції.

У перетині “1” на ділянці лінійної зміни частоти обертання ротору насосного агрегату зміни витрати і тиску також відбуваються по лінійній залежності від часу. Подальші зміни витрати і тиску відбуваються за експоненціальною залежністю до заданого сталого режиму.

Отримані експериментальні залежності витрати і тиску від часу показують ідентичність їх змін.

Результати досліджень змін тиску в перетині “3” показані. Очевидно, що в цьому перетині водоводу на кривих зміни досліджуваної характеристики тиску є області лінійної і нелінійної зміни, так само як і для інших перетинів, що розглядаються. Відмінною особливістю кривих змін режимних параметрів, що відбуваються в цьому перетині, є наявність області хвильових збурень із значною амплітудою коливального процесу.

Результати досліджень показують, що відбувається транспортне запізнювання режимних параметрів у залежності від протяжності водоводу. Так, зміна тиску в перетині “2” починається через 19 с, а в перетині “3” - через 54 с після початку змін у перетині “1”.

Зміна режимів роботи системи “насосний агрегат - магістральний водовід великої протяжності” безпосередньо пов'язана з проблемою якості питної води, що транспортується. При зміні частоти обертання ротору насосного агрегату на 100, 200 і 500 об/хв. каламутність води на вході Ліднівських резервуарів у м. Харкові змінюється відповідно, на 0,2, 0,4 і 0,7 мг/дм3.

У результаті експериментальних досліджень встановлено, що при зміні частоти обертання ротору насосного агрегату на величину не більше Дn=200 об/хв. і не більше двох разів протягом однієї години не формується гідравлічний удар і не відбувається істотне погіршення якості питної води. Зазначені інтервали є безпечними і раціональними при управлінні режимами роботи магістрального водоводу великої протяжності.

Результати експериментальних досліджень підтверджують правильність теоретичних розрахунків, виконаних із використанням отриманих передаточних функцій для витрати (33) і для тиску (37), що видно. Експериментальні і теоретичні криві відбивають загальну тенденцію утворення хвильових складових. Однак має місце розходження в характері й амплітуді коливань як витрати, так і тиску в області хвильових збурень. Аналогічні результати одержані і при зниженні кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату.

Виникнення хвильових складових є результатом інерційних впливів великої маси води в магістральному водоводі і залежить від довжини дільниці, що розглядається, і величини зміни частоти обертання ротору насосного агрегату.

У п'ятому розділі викладені результати розробки системи автоматизованого управління процесом транспортування води по магістральному водоводу з використанням електроприводу, що регулюється. В основу розробки системи автоматизованого управління покладені результати теоретичних та експериментальних досліджень динаміки процесу транспортування води по магістральних водоводах великої протяжності. Побудовано структурну схему автоматизації управління режимом роботи магістрального водоводу, розроблені алгоритми роботи системи.

У шостому розділі приводиться техніко-економічний розрахунок застосування результатів дослідження в системі водопостачання. Встановлено, що застосування результатів досліджень на діючому магістральному водоводі дозволяє одержати економічний ефект у сумі 675 тис. грн. на рік.



Висновки

1. З аналізу сучасного стану питання видно, що найбільш економічним і ефективним засобом регулювання режимів роботи системи “насосний агрегат - магістральний водовід великої протяжності" є метод, заснований на зміні швидкості обертання ротору насосного агрегату. На сучасному етапі практично відсутні експериментальні дослідження несталих режимів руху рідини в магістральних водоводах великої протяжності із застосуванням регульованого електроприводу, що не дозволяє розробити умови ефективного управління режимними параметрами системи.

2. Одержано залежності передаточних функцій, що зв'язують вхідні і вихідні параметри системи (витрата і тиск) транспортування води по магістральному водоводу великої протяжності.

3. Розроблено і побудовано експериментальний стенд на базі діючого магістрального водоводу великої протяжності, що дозволяє провести випробування і експериментальні дослідження умов регулювання режимних параметрів за допомогою зміни швидкості обертання ротору насосного агрегату.

4. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень встановлено, що на динаміку транспортування води по магістральному водоводу великої протяжності впливають як зміни величини частоти обертання ротору насосного агрегату, так і протяжність магістрального водоводу. Збільшення і зменшення частоти обертання веде до появи хвильових збурень у водоводі.

5. Динаміка процесу зростання хвильових збурень обумовлена їх транспортною затримкою та інерційністю маси води, що знаходиться в магістральному водоводі.

6. На якість питної води, що транспортується магістральним водоводом, істотно впливає не тільки амплітуда зміни частоти обертання ротору насосного агрегату, але й інтенсивність її зміни.

7. Результати теоретичних та експериментальних досліджень задовільно узгоджуються між собою. Отримані довірчі інтервали досліджуваних параметрів при рівні значимості 5% відповідають 5-10% відносної похибки.

8. Встановлено безпечні з точки зору умов недопущення гідравлічних ударів і погіршення якості питної води та ефективні діапазони зміни частоти обертання ротора насосного агрегату, що повинні бути не більш як n=200 об/хв. при інтенсивності не більше одного безупинного збурення протягом 30 хвилин.

9. На основі аналізу теоретичних і експериментальних досліджень запропоновано рекомендації з побудови і впровадження системи автоматизованого управління транспортуванням води по магістральному водоводу.

10. Запропоновані рекомендації впроваджені для управління режимними параметрами магістрального водоводу в системі водопостачання виробничого управління водопровідного господарства “Дніпро” ТВО “Харківкомунпромвод”, при цьому одержано економічний ефект у розмірі 675 тис. грн. на рік за рахунок раціонального регулювання режимів транспортування води на значні відстані.



Список опублікованих праць

1. Гідравлічні і аеродинамічні машини / Романюк О.М., Вербицький Г.П., Колотило М.І., Колотило В.Д., Клєпіков Ф.М. - К., 1997. - 194 с.

2. Колотило В.Д. Опыт применения систем автоматического управления производительностью насосных станций с регулируемым электроприводом // Науковий вісник будівництва, вып.9. - Х.: ХДТУБА, 2000. - С.198-202.

3. Колотило В.Д. Экспериментальные исследования неуcтановившихся переходных режимов в длинных водоводах посредством применения микропроцессорной измерительной и регулирующей техники // Респ. межвед. научн.-техн. сб. "Коммунальное хозяйство городов", вып.27. - Киев: Техника, 2001. - С.89-95.

4. Колотило В.Д., Нетюхайло А.П. Совместная работа насосных агрегатов с регулируемым электроприводом и напорных магистральных водоводов большой протяженности в системе водоснабжения крупных городов. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета, вып.118. - Харьков, 2000. - С.66-69.

5. Колотило В.Д., Нетюхайло А.П. Динамика неустановившегося переходного режима в длинных напорных водоводах системы водоснабжения с управляемым электроприводом //Вестник ХГПУ,вып.128.-Х.-2001.-С.182-190.

6. Пат. 31787 Україна, МПК6 F 17 D 5/02. Спосіб визначення наявності і кількості витоків в напірній мережі і її стану / Чорний А.П., Петросов В.А., Колотило В.Д., Магеря А.А.. - Бюл. №12, 2000, 5 с.



Анотація

Колотило В.Д. Динаміка процесу транспортування води по магістральних водоводах з використанням електроприводу, що регулюється. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2001.

У дисертації розглядається питання управління режимними параметрами (тиск та витрата) за допомогою зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату.

У дисертації наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень впливу зміни кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату на режимні параметри магістрального водоводу на різних відстанях від насосної станції.

На діючому водоводі Краснопавлівка - Харків був розроблений дослідний стенд, що дозволяє змінювати кутову швидкість обертання ротору насосного агрегату в значних межах з різним часом, необхідним для цієї зміни.

У результаті досліджень отримано залежності режимних параметрів від часу при різних змінах кутової швидкості обертання ротору насосного агрегату. Результати теоретичних та експериментальних досліджень задовільно збігаються.

За результатами досліджень розроблена схема автоматизованого управління режимами роботи насосного агрегату, яка на даний час впроваджена на діючому водоводі Краснопавлівка - Харків. Економічний ефект від впровадження складає 675 тис. грн. на рік.

Ключові слова: магістральний водовід, несталий рух рідини, кутова швидкість обертання ротору насосного агрегату, режимні параметри, перетворення Лапласа.

Аннотация

Колотило В.Д. Динамика процесса транспортирования воды по магистральным водоводам с использованием регулируемого электропривода. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2001.

В диссертации рассматриваются вопросы управления режимными параметрами (давление и расход) с помощью изменения угловой скорости вращения ротора насосного агрегата. Показано, что этот метод является наиболее эффективным с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, устранения опасности возникновения гидравлических ударов в протяженных напорных водоводах, а также предотвращения ухудшения качества транспортируемой питьевой воды.

В диссертации представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния изменения угловой скорости вращения ротора насосного агрегата на режимные параметры магистрального водовода. На магистральном водоводе Краснопавловка - Харьков был разработан и оснащен измерительной и вычислительной аппаратурой экспериментальный стенд, позволяющий изменять угловую скорость вращения ротора насосного агрегата в широком ее диапазоне и проводить измерения режимных параметров в трех исследуемых сечениях водовода. Для регулирования режимами работы насосного агрегата использован частотный тиристорный преобразователь типа ПЧВН.

В процессе натурных исследований производились измерения мгновенных значений расхода, давления на насосной станции и в сечениях магистрального водовода на расстоянии 18 и 52 км от нее. По результатам экспериментальных исследований получены зависимости между входными и выходными режимными параметрами при различных значениях изменений угловой скорости и времени ее изменения.

Для выполнения теоретических исследований использовано уравнение сохранения момента количества движения, преобразованное в обыкновенное линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами. Это уравнение было решено аналитически с помощью преобразования Лапласа. В результате решения уравнения получены зависимости режимных параметров от времени при изменении частоты вращения ротора насосного агрегата. Теоретические кривые, построенные по полученным зависимостям, были сопоставлены с результатами натурных исследований. Отклонение теоретических характеристик режимных параметров от экспериментальных составляет 5-10% при доверительной вероятности 95%.

Разработана структурная схема автоматизированного управления режимами работы системы “насосный агрегат - магистральный водовод большой протяженности”.

По результатам исследований разработаны условия безопасного и эффективного регулирования работы насосного агрегата, которые предотвращают возникновение гидравлических ударов и не допускают ухудшение качества питьевой воды, транспортируемой по магистральному водоводу.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований на действующем водоводе Краснопавловка - Харьков составляет 675 тыс.грн.

Ключевые слова: магистральный водовод, неустановившееся движение жидкости, угловая скорость вращения ротора, режимные параметры, преобразование Лапласа.



Summary

V. D. Kolotilo. Dynamics of Water Transport through Water Mains Using Variable Revolutions Electric Drive. - Manuscript.

Dissertation for the obtaining the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences in speciality 05.23.16 - hydraulics and ingeneering hydrology. - Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, 2001.

The dissertation considers the problems of controlling operating conditions (pressure and flow rate) by means of varying the angular velocity of the pumping assembly rotor.

The dissertation contains the results of theoretical and experimental studies of the effect of the pumping assembly rotor angular velocity change on the operating conditions in a water main at different distances from the pumping station.

A test stand was built on the operating water main between Krasnopavlivka and Kharkiv which allows to effect a significant change of the pumping assembly rotor angular velocity over different time spans required for such a change.

The study allowed to obtain dependencies of operating parameters upon time with different changes of the pumping assembly rotor angular velocity. There exists a satisfactory match between the theoretical and experimental results.

The results of the study have been used to develop a system of automated control of the pumping assembly operating conditions, which system has been implemented in the active water main between Krasnopavlivka and Kharkiv. The benefit of implementing amounts to 675 thousand UAH a year.

Key terms: water main, unstable movement of a fluid, pumping assembly rotor angular velocity, operating conditions, Laplace transform.

Размещено на Allbest.ru