Разработка и исследование систем управления электроприводами насосов магистрального трубопровода

Современная транспортировка жидкости по схеме из насоса в насос пр< вращает магистральный трубопровод в единую динамическую систему, тр (бующую согласованной работы всех насосных станции, вследствие чего сущ< ственно повысились требования к надежности систем регулирования. Больше значение приобретает проблема управления работой водопроводов при пер< ходных режимах. Неустановившиеся процессы в магистральных трубопровс дах, вызванные изменениями гидравлического режима перекачки, останови или пуск насосных агрегатов, регулирование давления и расхода, отключени или подключение попутного сброса или подкачки и т. п., сопровождаются рас пространением от источника возмущения волн повышенного и пониженног давления по всей трубопроводной системе. Перераспределение давления не редко приводит к остановке работающих станции или всего эксплуатационног участка, динамическим перегрузкам линейной части трубопровода, которые отдельных случаях могут превысить предел прочности труб и вызвать пере грузки оборудования насосной станции. Выход из строя оборудования, разр> шение труб линейных участков могут привести не только к ущербу от недос тавки жидкости, но и к существенным затратам на ремонт.

Проведенный анализ литературы показал, что существующие научны исследования либо касаются течения в линейной части трубопровода, либо от носятся к сложным трубопроводным системам, но не учитывают волнового ха рактера течения. Задача о нестационарном волновом течении в сложной трубо проводной системе является крайне важной, однако имеющаяся в эксплуатаци онной практике потребность в создании математического описания и расчет! участков магистральных трубопроводов, содержащих станции подкачки и от бора жидкости, не находит на сегодняшний день должного удовлетворения.

В связи с этим решение задач управления о нестационарном волновом те чении в сложной трубопроводной системе является, безусловно, актуальной.

По экономическим соображениям все более широко применяются per) лируемые электроприводы насосных агрегатов, имеющие собственную систем автоматического регулирования и обеспечивающие подержание напора в лк бой точке магистрального трубопровода. Отсюда следует необходимость пс строения таких систем автоматического регулирования напорам насоса, коте рые могли бы обеспечить не только пуск-останов насосных агрегатов без воз буждения избыточных напоров и волновых процессов, но и гашение возмуще ний, приходящих со стороны трубопровода как объект с распределенными па раметрами.

В работе сделана попытка ликвидировать пробел в отсутствии математи ческой модели волнового течения жидкости участков магистральных трубе проводов. Большую актуальность представляет также создание системы управ ления участками трубопроводной системы, учитывающей свойства длинноп магистрального трубопровода и возникновения на этой основе волн упруги: деформаций жидкости. Объектом исследований являются магистральные тру бопроводы, включая электромеханические комплексы насосных станций.

Целью диссертационной работы является разработка системы управлени. электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы при нали чии промежуточных насосных станций подкачки и отбора с учетом волновы: процессов в магистральном трубопроводе.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основ ных задач: анализ влияния потоков жидкости в длинных магистральных тру бопроводах на динамику электроприводов насосных агрегатовразработка инженерных методов расчета перекачки жидкости ] магистральных трубопроводахразработка математических моделей сложных неоднородных рас пределенных систем перекачки жидкости с учетом затуханиясинтез системы управления электроприводами насосов магист рального трубопровода и ее реализации. Решение поставленных задач открывает возможности в создании высокс качественных систем управления транспортировки жидкости с учетом распре деленности параметров управляемого объекта.

Для решения поставленных задач в работе использована комплексная ме тодика исследования, включающая в себя: методы теории систем автоматиче ского управления и операционного анализа, методы теории колебаний, метод! теории функций комплексного переменного и методы математического моде лирования на персональном компьютере.

К защите представляются следующие основные научные положения.

1 Анализ потоков жидкости в длинных магистральных трубопроводах < определением собственных частот колебаний при наличии трения и, но вый метод расчета переходных характеристик.

2 Математическое описание сложных разветвленных трубопроводные систем перекачки жидкости на основе метода продолжения, учитываю щее произвольное количество точек насосных станций отбора и под качки жидкости.

3 Метод синтеза системы управления длинным магистральным трубопро водом с распределенными параметрами.

Содержание диссертационной работы распределено по главам следующим образом.

В первой главе дана развернутая характеристика магистральных трубопроводов. Произведен обзор литературы по методам исследования потокое жидкости в длинных магистральных трубопроводах с учетом влияния насосной станции, а также влияния отборов и подкачки. Дана постановка задачи исследования электропривода насосного агрегата.

Вторая глава посвящена разработке инженерных методов расчета перекачки жидкости в магистральных трубопроводах. Разработан метод получения оригиналов трансцендентных передаточных функций с учетом процессов затхания колебаний из-за наличия трения жидкости о стенки трубопровода. I основе этого метода получены переходные характеристики для различных т< чек магистрального трубопровода.

В третьей главе предложен способ расчета передаточных функци сложных неоднородных распределенных систем перекачки жидкости с учето затухания на базе матричного метода продолжения. Даны основные принцип расчета неоднородных участков, принципы учета насосных станций отборов подкачки на линии. Произведена аппроксимация передаточных функций слоя ных объектов с распределенными параметрами сосредоточенной моделью.

В четвертой главе решена задача разработки и построения систем управления насосного агрегата с учетом волновых свойств магистральног трубопровода. Определены коэффициенты регулятора, разработаны наблк дающее устройства. Проектирование систем автоматического управления ш сосной станции произведено с применением высоко интегрированной про мышленной процессорной платы РСА-6167.

В заключении изложены основные научные результаты работы.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Произведен обзор и анализ математического описания движения жидкости в длинных магистральных трубопроводах. Показано, что магистральные трубопроводы должны быть представлены моделями, в которых учитывается распределение параметров объекта управления.

2. Получен ряд передаточных функций при различных режимах работы магистрального трубопровода при учете трения жидкости на линейном участке трубопровода. Эти передаточные функции выражаются трансцендентными выражениями, так называемыми сложными функциями, где оператор Лапласа находится под радикалом, а радикал является аргументом гиперболической функции.

3. Доказана аналитичность таких передаточных функций, и на основе теории вычетов разработан метод расчета оригиналов для них. Данный метод прост и нагляден.

4. На основе метода продолжения произведено описание сложных разветвленных трубопроводных систем с произвольным количеством насосных станций подкачки и отбора как элементов систем управления. Получены передаточные функции таких систем.

5. Рассмотрен ряд методов аппроксимации передаточных функций разветвленных трубопроводных систем, что позволило получить конечномерные математические модели объекта управления.

6. Разработана методика синтеза систем управления электроприводами насосов работающих на длинные трубопроводы с учетом распределенности параметров объекта.

7. Предложен комплексный подход к реализации системы управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.