Создание объемного гидроприводного насосного агрегата с оптимизированным алгоритмом управления

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 объектеАНГР 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 агрегатГП — гидроприводРН — рабочий насосПД — приводной двигательН — 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).

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 регулированияв нефтеи горнодобывающей промышленности, где требуются высокие показатели КПД и энергоемкостив 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 даннымсозданы 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 оптимальностьна 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, нефтеи 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.