Виртуальный лабораторный комплекс гидротранспортной установки с активным регулированием параметров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий

Виртуальный лабораторный комплекс гидротранспортной установки с активным регулированием параметров

Кравец А.М., Коренькова Т.В.,

Продан В.С.

Режимы работы гидротранспортных установок (ГТУ) зависят от переменного во времени водопотребления и характеризуются широкими диапазонами изменения подачи (напора). Зачастую регулирование выходных технологических параметров насосных установок (НУ) осуществляется: дросселированием напора задвижкой на выходе насосного агрегата (НА), изменением числа одновременно работающих агрегатов, байпасированием, и сопровождается непроизводительными потерями электроэнергии [1]. Наиболее экономичным способом регулирования подачи НУ является изменение частоты вращения рабочего колеса насоса.

Альтернативным вариантом регулирования технологических параметров на выходе НУ с групповой схемой включения агрегатов является использование активного регулировочного устройства в гидравлической сети [2], позволяющего эффективно использовать потери напора и мощности, имеющие место при пассивном регулировании дроссельной заслонкой. Роль активного регулирующего устройства выполняет турбина, осуществляющая изменение технологических параметров (производительности и давления), и посредством электрического генератора преобразование энергии с последующей рекуперацией в энергосеть с некоторыми потерями, обусловленными внутренними потерями в гидротурбинном агрегате.

Для исследования гидравлических процессов в трубопроводной сети и анализа режимов работы НУ при различных способах регулирования производительности и напора создана мелкомасштабная физическая модель лабораторной ГТУ, описанная в [3, 4]. Экспериментальный комплекс ГТУ оснащен современными средствами компьютеризированного сбора и обработки информации, контроля технологических и электрических параметров, а также преобразовательными устройствами в системах регулируемого электропривода НА. Разработанная физическая модель позволяет осуществить целый ряд исследовательских задач: анализ технологических возможностей и энергетических показателей различных методов регулирования технологических параметров; исследование динамических процессов в трубопроводной сети; определение регулировочных и энергетических характеристик систем регулируемого электропривода; исследование групповой работы турбомеханизмов и др.

Альтернативным способом анализа характеристик работы НУ с различными схемами регулирования параметров является создание на базе физических экспериментальных комплексов виртуальных лабораторных моделей, позволяющих наглядно исследовать статические и динамические режимы работы технологического оборудования, что является целесообразным как при подготовке специалистов электромеханического профиля, так и при проведении научно-исследовательских работ по изучению эффективных режимов работы ГТУ.

Цель работы - разработка математического аппарата и создание виртуального лабораторного оборудования ГТУ со средствами активного регулирования производительности насосных агрегатов.

Материал и результаты исследований. Мнемосхема виртуального лабораторного комплекса (рис. 1) включает: два совместно работающих центробежных насосных агрегата НА1, НА2, осуществляющих напорную подачу воды; регулировочные задвижки Z3 и Z4 на выходе агрегатов; регулировочные задвижки Z5 и Z7 в сети потребителя; датчики давления НЭ1 и НЭ2 в напорном патрубке основного насоса НА1 и на входе турбины соответственно; датчик расхода Q1 на выходе НА1; датчик давления НЭ3 и расхода Q2 в сети потребителя; обводной трубопровод с турбиной и регулировочной задвижкой на входе Z6; генератор с регулируемым напряжением возбуждения, установленный на одном валу с турбиной; датчики тока А1, А2 и напряжения U1, U2 в статорной цепи асинхронных электродвигателей (АД1, АД2) НА1 и НА2 соответственно; датчики тока А3 и напряжения U3 в якорной цепи генератора; датчики тока А4 и напряжения U4 обмотки возбуждения; преобразователи частоты (ПЧ1, ПЧ2); датчики измерения частоты вращения электропривода (ЭП) насосов ТГ1, ТГ2 и вала турбины ТГ3.

Для создания виртуальной модели использовался язык и среда программирования LabVIEW, разработанные фирмой «National Instruments», где путем установки графических конструкций в поле проекта создается виртуальный инструмент, предназначенный как для моделирования тех или иных процессов, так и для исследования реальных физических объектов.

Рисунок 1. Мнемосхема виртуального лабораторного комплекса насосной установки

Предлагаемый виртуальный комплекс позволяет исследовать режимы работы ГТУ при регулировании производительности и напора дросселированием потока задвижкой на выходе НА, изменением частоты вращения рабочего колеса насоса средствами частотно-регулируемого привода и регулировании параметров путем активного воздействия на трубопроводную сеть с использованием гидротурбины, установленной в обводном трубопроводе, вал которой связан с генератором постоянного тока (ГПТ). Регулирование мощности турбины возможно двумя способами: путем дросселирования потока на входе турбины задвижкой Z6 либо изменением частоты вращения вала турбины посредством регулирования напряжения возбуждения генератора.

Математическая модель асинхронных электродвигателей насосов в u-v координатах и математическое описание генератора постоянного тока представлены в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений соответственно [5, 6]:

(1)

(2)

где - потокосцепления статора и ротора электрической машины по координатам и соответственно, Вб; - амплитудное значение напряжения питания статорной обмотки, В; - активные сопротивления обмоток статора и ротора соответственно, Ом; - индуктивность фазы статора и ротора соответственно, Гн; - взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора, Гн; - коэффициент рассеяния; - синхронная угловая скорость магнитного поля, частота скольжения и текущая частота вращения ротора АД соответственно, с^-1; М, М_с - вращающий электромагнитный и статический моменты на валу электрической машины, Нм; М₀ - момент холостого хода, Нм; М_сн, - номинальный момент сопротивления АД, Нм; ?_н - номинальная угловая частота вращения электродвигателя, с^-1; p - число пар полюсов; J_? - суммарный приведенный момент инерции АД и насоса, ; - напряжение на зажимах генератора, В; - напряжение возбуждения генератора, В; kФ_г, kФ_н - текущий и номинальный коэффициенты магнитного потока генератора соответственно, Вб; kФ₀ - остаточный коэффициент магнитного потока, не зависящий от тока возбуждения, Вб; - текущая и номинальная угловая скорость вращения вала гидротурбины, с^-1; - активные сопротивления обмотки возбуждения и якорной цепи генератора соответственно, Ом; - индуктивности обмотки возбуждения и якорной цепи генератора соответственно, Гн; - номинальное напряжение на выходе генератора, В; - номинальный ток нагрузки генератора, А; - сопротивление нагрузки генератора, Ом; - номинальный ток возбуждения генератора, А; J_?1 - приведенный момент инерции турбины и генератора, ; - плотность воды, ; g=9.81 - ускорение свободного падения, м/с².

Напорно-расходные характеристики насоса и турбины могут быть представлены выражениями вида [7, 8]:

(3)

(4)

Процесс изменения давления в пределах участка трубопроводной сети и напора на регулировочной задвижке описывается уравнениями [7, 9]:

(5)

(6)

где в выражениях (3)-(6): - коэффициент аппроксимации, равный напору на выходе насоса при нулевой подаче, м; - коэффициенты аппроксимации, определяющие внутреннее сопротивление насоса; - напор гидравлической турбины при нулевом расходе, м; - внутреннее сопротивление турбины, зависящие от ее конструктивных особенностей; - статический напор в сети потребителя, м; - относительная частота вращения насоса; - относительная частота вращения турбины; - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопроводной системы; - коэффициент трения жидкости о стенки трубы; - длина и диаметр участка трубопроводной сети, м; - коэффициент гидравлического сопротивления задвижки, определяемый законом изменения степени открытия ; - скорость течения жидкости на участке трубопроводной сети, м/с; Q - производительность, м³/с; - площадь поперечного сечения трубопровода.

Насосная установка, работающая на гидросеть, может быть представлена эквивалентной схемой замещения (рис. 2), включающей два насосных агрегата с регулируемой частотой вращения рабочего колеса, регулировочные задвижки, трубопроводную сеть, состоящую из основной ветви и обводного трубопровода, в котором установлена гидротурбина. На основании схемы замещения составлена система дифференциальных уравнений:

 (7)

где R_?1=R_патр1+R_н1+R_зд3; R_?2=R_патр2+R_н2+R_зд4; R_?3=R_тр3+R_зд7; R_??=R_тр4+R_зд6; R_??=R_т+R_тр5+R_зд5; R_патр1, R_патр2 - гидравлические сопротивления напорных патрубков первого и второго насосов; R_тр3 - гидравлическое сопротивление участка основного трубопровода с задвижкой Z7; R_тр4 - гидравлическое сопротивление участка основной ветви с задвижкой Z6, расположенного параллельно ветви с турбиной; R_тр4 - коэффициент гидравлического сопротивления обводного трубопровода с турбиной; R_зд3, R_зд4, R_зд5, R_зд6, R_зд7 -гидравлические сопротивления регулировочных задвижек Z3, Z4, Z5, Z6, Z7 соответственно; - коэффициенты, учитывающие динамические свойства гидравлических машин и трубопроводной сети соответственно; - напоры НА1 и НА2 при нулевой подаче соответствеенно, м; - относительные частоты вращения рабочих колес первого и второго насосов соответственно; - расходы воды на участках трубопроводной системы - в напорных патрубках первого и второго НА, в сети потребителя, на основной ветви (без турбины) и обводном трубопроводе с установленным гидротурбинным агрегатом соответственно, м³/с.

гидротранспортный производительность насосный агрегат

Рисунок 2. Эквивалентная схема замещения системы насосная установка - система активного регулирования производительности - потребитель

Для решения дифференциальных уравнений (1), (2), (7) применен метод Рунге-Кутта 4-го порядка с постоянным шагом интегрирования, реализация которого приведена на рис. 3.

Рисунок 3. Фрагмент подпрограммы, реализующей метод Рунге-Кутта 4-го порядка с постоянным шагом интегрирования

На рис. 4 приведены графики изменения во времени напора и производительности на выходе НА1 с установленной мощностью P_н=750 Вт, номинальной подачей Q_н=0.0019 м³/с и напором Н_н=18.5 м при запуске турбомеханизма на трубопроводную сеть без гидротурбинного агрегата с закрытой задвижкой Z3 в напорном патрубке насоса. При достижении напора значения H_0н1=22 м в момент времени t=1.6 c плавно открывается задвижка Z3, трубопровод постепенно заполняется водой, а напор и производительность НА выходят на номинальные значения.

На рис. 5 изображены графики изменения производительности НУ Q_нас(t), напора на выходе насоса НА1 Н_нас(t) и гидравлической турбины Н_{вых. т}(t), угловой частоты вращения вала гидротурбинного агрегата ?_т(t), тока якоря I_яг(t), напряжения на зажимах генератора E_г(t), мощности рекуперации P_рек(t), соответствующие двум вариантам изменения параметров гидротурбины: путем изменения степени открытия задвижки Z6 (рис. 5, а-в) и напряжения возбуждения генератора (рис. 5, г-е) соответственно.

Рисунок 4. Графики изменения напора Н_нас(t) и производительности Q_нас(t) на выходе насоса при запуске на закрытую задвижку Z3

Активное регулирование подачи НУ было реализовано двумя вариантами:

-запуск НА1 на трубопровод с гидротурбинным агрегатом и открытыми задвижками Z3 и Z6 (при этом задвижка Z5 закрыта, а напряжение возбуждения ГПТ равно нулю); при достижении напора НА1 номинальной величины в момент времени t=1.6 c задвижка Z6 прикрывается на 80%;

-запуск первого насоса на трубопровод с гидротурбинным агрегатом, открытыми задвижками Z3 и Z6 при нулевом напряжении возбуждения (задвижка Z5 закрыта); после выхода НА1 на номинальный режим работы в момент времени t=1.6 c напряжение возбуждения плавно увеличивается до 15 В.

Рисунок 5. Графики изменения технологических Q_нас(t), Н_нас(t), Н_{вых. т}(t), w_т(t), электрических I_яг(t), E_г(t) и энергетических P_рек(t) параметров насосной установки при активном регулировании производительности: а) - в) - изменением положения задвижки Z6; г) - е) - путем изменения напряжения возбуждения генератора

Мощность рекуперации, отдаваемая потребителю электрической энергии:

(10)

где напряжение и ток , измеряемые датчиками тока ДТ3 и напряжения ДН3 соответственно.

Из рис. 5 видно, что изменение положения регулировочной задвижки Z6 сопровождается уменьшением подачи насоса на 20% вниз от номинальной, что приводит к уменьшению угловой частоты вращения вала гидротурбины и незначительному увеличению напора на выходе насоса; при этом мощность рекуперации в установившемся режиме равна 1.6 Вт. Изменение напряжения возбуждения генератора приводит к уменьшению скорости вращения рабочего колеса гидротурбинного агрегата и вызывает незначительное увеличение подачи насоса; при этом напор турбины, напряжение и ток ГПТ увеличиваются; мощность рекуперации равна 38 Вт.

Выводы

Разработанный математический аппарат гидротранспортной установки с различными вариантами регулирования параметров позволяет исследовать технологические и энергетические показатели групповой работы насосных агрегатов с регулируемым электроприводом, работающих на трубопроводную сеть, включающую местные сопротивления (задвижки, повороты, разветвления и др.) и регулируемый гидротурбинный агрегат.

Динамические режимы работы виртуальной модели гидротранспортной установки подтвердили адекватность полученных характеристик с режимами, имеющими место при работе реальной физической модели. Полученные кривые изменения технологических (производительность, напор) и энергетических (мощность рекуперации) параметров насосной установки при активном регулировании подачи показали, что регулируемый гидротурбинный агрегат может быть использован в качестве альтернативного технического решения изменения технологических параметров гидротранспортного комплекса.

Разработанное виртуальное лабораторное оборудование позволяет эффективно решать задачи обучения студентов при проведении лабораторных работ и подготовки специалистов электромеханического профиля, а также расширять технологические возможности стенда без дополнительных затрат на приобретение необходимого физического оборудования. Использование виртуальных комплексов является полезным при решении научно-исследовательских задач, подготовке магистрантов, аспирантов, соискателей, а также при повышении квалификации инженерно-производственного персонала промышленных предприятий, связанных с работой гидротранспортного оборудования.

Литература

1. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. - М.: Энергоатомиздат, 1991. -144 с.

2. Коренькова Т.В., Перекрест А.Л. О коррекции энергетики группового электропривода насосов активными регулировочными устройствами // Вісник Національного технічного університету ХПІ: Зб. наук. пр. ХДПУ. - Вип.12, т.2 - Харків: ХДПУ, 2002. С.514-516.

3. Коренькова Т.В., Михайличенко Д.А., Перекрест А.Л., Бойченко С.М. Экспериментальная насосная установка для оценки показателей эффективности регулирования параметров турбомеханизмов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. - Вип. 2(19). - Кременчук: КДПУ, 2003. С. 89-92.

4. Коренькова Т.В., Михайличенко Д.А., Сердюк А.А., Лузан П.В. Границы целесообразного использования методов регулирования параметров насосных установок // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. - Вип. 3(26). - Кременчук: КДПУ, 2004. С. 32-37.

5. Попович М.Г.. Теорія электропривода. Підручник. - К.: Вища школа., 1993. - 494 с.

6. Черный А.П., Луговой А.В. и др. Моделирование электромеханических систем./ Учебное пособие. - Кременчуг, 1999. - 204 с.

7. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М., Энергия, 1972. - 240 с.

8. Коренькова Т.В., Перекрест А.Л., Михайличенко Д.А., Кравец А.М. Характеристики гидротурбины в системе активного регулирования производительности насосных станций // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. - Вип. 2(25). - Кременчук: КДПУ, 2004. C. 21-27.

9. Большаков В.А. Справочник по гидравлике. - К.: Вища школа, 1977. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru