Исследование режимов водоподачи подкачивающих насосных станций оросительных систем

Развитие орошаемого земледелия неразрывно связано с дальнейшим совершенствованием систем машинного водозабора и водораспределения. Машинный комплекс (Рис. 1) представляет собой совокупность подкачивающей насосной станции (ПНС), пространственно распределенных потребителей и разветвленных напорных трубопроводов, соединяющих потребителя с источником водоподачи. Внедрение таких комплексов в производство с одной стороны способствует их автоматизации и с другой, автоматизация таких комплексов становится актуальнейшим вопросом экономичной и безаварийной эксплуатации. Это связано с тем, что человек в силу физических и психологических не в состоянии оперативно управлять технологическими процессами в таком комплексе. Основным элементом внутрихозяйственной оросительной сети являются дождевальные машины (ДМ). Характер нагрузки сети определяется типом и графиком работы ДМ. В настоящее время на практике используются ДМ непрерывного действия типа «Фрегат» и позиционного «Волжанка», «Днепр». График работы машин первого типа — непрерывный, второго — дискретный. Их производительность составляет от 20 до 100 л/с [46,48] в зависимости от типа и модификации. Оптимальные условия орошения и номинальный расход ДМ могут быть достигнуты только при поддержании давления на ее входе в строго ограниченных пределах. К этому следует добавить, что для самоходных ДМ типа «Фрегат», надежная работа гидропривода ходовой части зависит, главным образом, от стабильности давления на ее входе, что является необходимым условием нормальной работы исправного дождевального агрегата. Так, единичная нагрузка (дождевальная машина), в соответствии с паспортными данными, имеет водопотребление, достигающее 25% (100 л/с) от подачи основного насоса, в то время как в системах коммунального водоснабжения единичная нагрузка составляет доли процента от подачи насоса. ф ** # д6=100л/с д7=90л/с Оз=80л/с О9=70л/с.

Рисунок 1. Типичный пример системы машинной водоподачи мелиоративного назначения. л.

ВВР — водо-воздупшый резервуар. — работающие дождевальные машиныФ — неработающие дождевальные машины.

Эти системы характеризуется также крайне неравномерным графиком водопотребления, вплоть до того, что продолжительное время (до 6−8 часов) в системе водопотребление практически отсутствует.

ПНС в свою очередь являются основными элементами оросительных систем и определяют качественную и количественную стороны водоподачи. На современных оросительных системах доля ПНС при машинном водозаборе и водораспределении составляет 90% от общего количества насосных станций на системе. Возмущения в работу системы водоподачи вносятся не только нагрузкой, но и включением и отключением насосных агрегатов на ПНС. Так, при включении основных агрегатов на ПНС, давление в трубопроводе может скачком измениться на 10−20% от максимального давления развиваемого насосом. Больше того, из-за отсутствия условий круглосуточной работы, возникает ежедневная необходимость в заполнении пустого или частично опорожненного трубопровода. Этот режим работы системы является наиболее опасным с точки зрения развития гидроударных явлений, приводящих нередко к порыву трубопровода. Поэтому предотвращение аварийных ситуаций, несущих не только прямые потери урожая, но и значительные материальные издержки, связанные устранением последствий аварии является одной из важнейших технологических задач. В этой связи целью диссертационной работы является разработка способов и устройств управления системой водоподачи, обеспечивающей устойчивую и экономичную работу комплекса технических средств в системе «ПНС — напорная сеть — потребители». Для достижения этой цели необходимо прежде всего обобщить и научно обосновать технические и технологические требования, предъявляемые к системам водоподачи мелиоративного назначения. Именно этим задачам и посвящена настоящая работа. С этой целью проанализированы работы посвященные анализу систем водоподачи коммунального (3, 7, 41, 44, 50, 52, 59, 67) и сельскохозяйственного водоснабжения (8, 9, 10, 45, 55, 56, 62, 63,) и общие первоисточники, касающиеся режимов работы насосов и трубопроводов (2, 4, 5,.

11, 49, 51, 53, 54, 57, 58, 61, 54, 66). Это позволило определить стратегическую линию и наметить ожидаемые научные результаты исследований. Полученные научные результаты можно разделить на группы по назначению:

1. Насосы: а) Разработана модель и эквивалентная электрическая схема замещения центробежного насосного агрегата. б) Разработана методика расчета механической характеристики насоса, позволившая уточнить ее математическое описание, характеризующее процесс преобразования энергии внутри корпуса насоса.

2. Трубопроводы: а) Выполнена линеаризация уравнений волнового тракта системы водоподачи, которая позволила заменить реальную напорную сеть эквивалентным однородным однониточным трубопроводом, упругость и потери в котором равны соответствующим значениям реальной напорной сети. Получено математическое описание расчетных участков эквивалентного трубопровода. б) Разработана методика представления систем водоподачи набором типовых узлов, для которых выполняются законы Кирхгофа. Формализовано их математическое и графическое представление.

3. Подкачивающие насосные станции: а) Разработаны способы и устройства экономичного управления насосной станцией, учитывающие количество и место подключения одновременно действующих потребителей и сигнал производной от давления по времени в качестве корректирующего сигнала, а также перераспределение нагрузки между параллельно работающими насосными агрегатами. б) Разработана математическая модель оптимальной системы водоподачи, состоящей из насосной станции, укомплектованной регулируемыми и нерегулируемыми насосами, напорного трубопровода и потребителей. в) Выполненные исследования позволили сформулировать научно-обоснованные технические и технологические требования к ПНС. Практическая ценность полученных результатов: а) Разработаны и доведены до практического применения технические структуры управления ПНС, основанные на использовании как прямых гидравлических, так и косвенных параметров управления. б) Классифицированы способы управления подачей и технологические режимы работы ПНС, разработаны рекомендации по их использованию. в) Разработана и освоена в производстве серия тиристорных станций управления насосным агрегатом с улучшенными энергетическими характеристиками, позволяющая плавно запускать, регулировать и измерять энергетические параметры приводного электродвигателя. с) Разработанные способы, устройства управления насосной станцией и насосными агрегатами внедрены в производственную практику и позволили уменьшить число порывов трубопровода на 70% и получить экономию электрической энергии в размере 25% годового энергопотребления.

Представление работы тематически может быть объединено в четыре блока: В первый блок входят работы, посвященные исследованию основных элементов систем водоподачи — насосных установок и запорно-регулирующей арматуры, используемых на ПНС.

Во второй блок входят работы посвященные разработке методики представления систем водоподачи набором типовых узлов, для которых выполняются законы Кирхгофа, а трубопроводная система представлена совокупностью однородных однониточных трубопроводов (ООТ).

В третий блок входят работы, посвященные оптимизации водоподачи в системе машинного орошения закрытых оросительных систем (ЗОС).

В четвертый блок входят работы, посвященные математическому моделированию процессов водоподачи для систем машинного орошения с учетом оптимизации процессов на основе теоретических и экспериментальных результатов полученных в ходе исследования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертации изложены результаты по созданию способов и устройств управления насосными станциями, работающими на закрытую оросительную сеть, обеспечивающие устойчивую и экономичную работу комплекса технических средств в системе «ПНС — напорная сеть — потребители». В том числе получены следующие научные и практические результаты:

1. Созданы технологические основы построения режимов работы подкачивающих насосных станций на основе классификации способов и технологических режимов работы закрытых оросительных систем, в том числе разработаны и доведены до практического применения технические структуры управления и научно-обоснованные технические требования к системам управления режимами работы ПНС.

2. Разработан метод расчета напорных оросительных систем, основанный на линеаризации уравнений волнового тракта и позволивший представить систему водоподачи набором типовых узлов, для которых выполняются законы Кирхгофа.

3. Разработаны энерго и ресурсосберегающие способы, системы и устройства управления подкачивающими насосными станциями и насосными агрегатами, позволяющими получить значительную экономию оросительной влаги и потребляемой электрической энергии, улучшить условия эксплуатации, повысить надежность насосно-силового и другого гидромеханического оборудования, участвующего в процессе водоподачи.

4. Разработана математическая модель энергосберегающей системы водоподачи, на основе математических моделей насосных агрегатов, насосных станций, трубопровода и других элементов, входящих в систему водоподачи. Она позволяет вести расчет и управление процессом водоподачи оросительных систем в реальном масштабе времени.

Результаты моделирования показали хорошую сходимость теоретических и практических результатов и подтвердили основные теоретические выводы, полученные автором.

5. Разработаны методические рекомендации, пособия по проектированию и эксплуатации энергосберегающих способов, систем и устройств управления насосными агрегатами и станциями закрытых оросительных систем, позволяющие повысить качество и конкурентоспособность проектных и внедренческих технических решений систем машинного орошения.

6. В результате реализации разработанных технических решений на оросительных системах водоподачи, экономический эффект составляет (20−25)% от сезонного потребления электроэнергии и на (60−70) % снижения порывов трубопровода, отнесенных к одной ПНС. Суммарный экономический эффект от внедрения предложений на одной ПНС составляет 565 ООО (пятьсот шестьдесят пять тысяч) рублей.