АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

Титова Ж.О., с.н.с., Ташкентский государственный технический университет, научно-производственное предприятие «Водоподъемник»

В Республике Узбекистан эксплуатируется около 1600 государственных мелиоративных насосных станций и 30 гидроэлектростанций. Значение станций гидроэнергетических установок в энергетике, в практике орошения и осушения земель, перекачки углеводородных продуктов, а также в жилищно-коммунальном хозяйстве непрерывно растет. Насосные станции в сельском хозяйстве и в нефтегазовой отраслях являются уникальными как по мощности агрегатов и параметрам трубопроводов, так и их роли в решении важнейших задач повышения эффективности экономики государства.

Однако ресурсы эксплуатации оборудования большинства крупных станций гидроэнергетических установок приближаются к техническим пределам, что, естественно, негативно влияет на эффективность их работы. В частности, кроме старения, это связано с износом элементов проточных трактов гидромашин в процессе эксплуатации вследствие кавитации и истирания взвешенными наносами, с работой автоматических регулирующих устройств синхронных электрических машин в нештатных режимах, а также с внеплановыми переходными процессами, что приводит к ухудшению режимов работы агрегатов станций.

Как показывает мировой опыт эксплуатации, подавляющее число аварий на насосных станциях происходит во время электромеханических или гидромеханических неустановившихся режимов, когда в системе возникают наибольшие динамические нагрузки.

Наиболее неблагоприятные последствия возникают при переходных процессах, связанных с внезапным аварийным отключением основных насосных агрегатов. При этом возникает наибольший гидравлический удар в напорном трубопроводе и наибольшая угонная скорость отключенных агрегатов.

Процессы, происходящие в элементах электроэнергетических систем, содержащих такие гидроэнергетические объекты как насосные или гидроэлектрические станции, существенно отличаются между собой, что связано с их различными инерционными свойствами.

Если неустановившиеся режимы электроэнергетических систем, связанные с электромагнитными процессами такие как короткие замыкания протекают за доли секунды, то режимы, связанные с электро- и гидромеханическими процессами могут продолжаться десятки секунд или несколько минут. Этот фактор требует выполнить подбор уравнений элементов по соответствующим параметрам для их стыковки, так как система «трубопровод – насос – двигатель – электрическая сеть» должна рассматриваться как единая, с учетом взаимовлияния всех этих элементов.

Электромеханические процессы рассматривались нами с учетом регулирования запорной арматуры, а иногда и с учетом колебаний уровня воды в верхнем бьефе и трубопроводе, которые приводят к колебаниям синхронного двигателя насосной станции и возникновению длительных переходных процессов, исчисляемых десятками и сотнями секунд.

Определено, что одним из тяжелых режимов насосной станции является снижение напряжения на шинах станции, в особенности на шинах системы. Анализ показывает, что снижение напряжения на шинах системы более чем на 8% приводит к выходу синхронного двигателя из синхронизма.

При скачкообразном уменьшении мощности синхронного двигателя на 30% агрегат попадает в режим длительных колебаний. Уменьшение мощности двигателя на 50% приводит к нарушению устойчивости машины и выходу из синхронизма.

Пульсации давления в напорных трубопроводах, нагрузки, воспринимаемые гидромеханическим оборудованием и элементами конструкций насосных станций, напряжения и вибрации, возникающие в них при переходных процессах, значительно превосходят их средние значения в рабочих режимах и, несмотря на кратковременность их приложения, являются определяющими при расчете на прочность элементов насосных станций.

Научно-исследовательской лабораторией «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» Ташкентского государственного технического университета разработан алгоритм выявления и расчета гидравлического удара в трубопроводах насосных станций.

Созданный на основе разработанного алгоритма программный комплекс на языке программирования Си-шарп может в значительной степени влиять на выбор основного и вспомогательного оборудования, конструкцию и параметры водопроводящих сооружений.

Применение программы обеспечивает определение величины напора и скорости жидкости в трубопроводе при гидравлическом ударе, сравнение их с допустимыми величинами, принятие в случае необходимости технических мер по снижению величины гидравлического удара.

Для эффективной защиты от гидравлического удара в основном оборудовании и трубопроводах насосных станций, в научно-производственном предприятии «Водоподъемник» разработано и запатентовано перепускное устройство, соединяющее две или более нитки напорных трубопроводов. Оно позволяет уменьшить величину повышения давления при гидравлическом ударе. При повышении давления в одной из ниток трубопроводов, при открытом перепуске, будет осуществляться сброс воды в соседние, а при понижении давления происходить обратный процесс – переток жидкости из соседних трубопроводов.

Расчеты переходных процессов были связаны в первую очередь с решением задач неустановившегося движения воды в трубопроводах. Эти уравнения квазилинейные и прямого решения не имеют. Поэтому решение осуществлено численным методом.

Анализ зависимостей переходного процесса на насосных станциях «Бустон» и «Сырдарья» Наманганской области позволил сделать вывод о том, что при работе перепуска величина колебаний напора уменьшилась, при этом гидравлический удар снизился на 40 %. Длительность понижения давления уменьшилась более чем в 1,5 раза.

Другим эффективным средством защиты оборудования и трубопроводов насосных станций от гидравлического удара стало устройство пропорционального управления насосом.

Сокращение времени закрытия дискового затвора способствует более быстрому выводу оставшегося в работе насоса из кавитационной зоны. Кроме того при этом улучшаются вибрационные характеристики отключенного насоса за счет сокращения величины и продолжительности его обратного вращения, а также напорного трубопровода, за счет уменьшения пульсации давления, вызываемой работой насосов в режиме кавитации и в реверсивном режиме.

Для осуществления пропорционального закрытия дискового затвора разработано устройство с использованием современных достижений пропорциональной и цифровой гидравлики. Устройство пропорционального управления насосом, содержит дисковый затвор с сервоприводом, маслонапорную установку, золотниковый распределитель, маслопровод с дросселем и датчик аварийного отключения насоса, а также снабжается цифровым датчиком скорости потока жидкости в напорном трубопроводе и программируемым логическим контроллером, а золотниковый распределитель выполнен регулируемым в пропорциональном исполнении.

Изменение скорости закрытия дискового затвора происходит плавно и пропорционально скорости течения жидкости в трубопроводе. Техническая характеристика программируемого 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, фиксируемой цифровым датчиком, дисковый затвор полностью закрывается.

Применение устройства пропорционального управления насосом исключает возможность возникновения гидравлического удара и обратной угонной скорости насоса при аварийных погашениях электроэнергии, обеспечивает экономию затраченной электроэнергии, повышает надежность и экономичность насосной станции.