Способ управления электроприводом башенной насосной установки Советский патент 1989 года по МПК G05D9/12 

1

Изобретение относится к автоматизации сельскохозяйственного водоснабжения на животноводческих фермах и комплексах, и может быть применено для регулирования уровня жидкостей, используемых для других нужд, например в отстойниках загрязненной воды при мойке корнеплодов и др.

Цель изобретения - повышение точности регулирования за счет уменьшения влияния потерь давления в нагнетательном трубопроводе.

На фиг.1 показана структурная схема башенной насосной установки на

фиг.2 - график изменения уровня воды в водонапорной башне в автоматическом режиме работы на фиг.З, 4 и 5 - зависимость гидродинамической ошибки hГСЈ) от водопотребленкя при изменении давления в нагнетательном трубопроводе из стальных водогазопроводных труб с условным проходом 150 мм.

Башенная насосная установка (фиг.1) включает в себя измерительный преобразователь 1 давления, например, типа Сапфир-22, расположенный в помещении насосной станции 2 на нагнетательном трубопроводе 3, который в сеЬЭ

чении С4 соединен с подводящим трубопроводом 4 и в сечении Сг - с водоразборным трубопроводом 5. Водонапорная башня 6 соединена с подводящим трубопроводом 4, на котором расположена задвижка 7. Преобразователь 1 располагается на нагнетательном трубопроводе 3 и в сечении А на расстоянии АС от сечения С в точке с геомет- рическим напором Zft относительно поверхности с нулевым геометрическим напором Z 0. Свободная поверхность воды в водонапорной башне 6 находится в сечении В с геометрическим напором Zg и на высоте Н ZB - ZA над местом расположения преобразователя 1 между верхним Нкпах и нижним Н min уровнями. При автоматическом управлении (см. фиг,2) в течение цикла регулирования можно различить режим паузы в течение времени Ј 0...Ј„ , когда уровень Н изменяется от Н тах до Hmin, и режим работы насоса до момента времени с 4, когда уровень Н изменяется от Hw;n до Нтах. При этом по трубопроводам 3, 4, и 5 проходят расходы воды, равные соответственно подаче насоса Q, башенному расходу Q в и водопотреблению QD В режиме работы насоса его подача равна номинальному значению QA QH а в режиме паузы QA 0. В режиме работы насоса в течение времени U. г протекает гидравлический переходный процесс, связанный с пуском насоса, в течение которого ряд гидравлических параметров башенной насосной установки, в том числе и уровень воды в водонапорной башне 6, являются неустановившимися. Переходные гидравличес- кие процессы происходят при смене одного режима работы другим.

Задачей автоматического управления башенной насосной установкой является своевременное определение момента включения насоса, когда вода в водо- .напорной башне 6 опускается до уровня Ну„;п , и момента отключения насоса, когда вода в водонапорной башне 6 достигает уровня Hmq)C. Для решения этой задачи построим математическую модель измерения уровня воды в водонапорной башне 6 по давлению в нагнетательном трубопроводе 3, определяемому с помощью преобразователя 1, с учетом следующих ограничений, имеющих место на практике. ,

Трубопроводы 3, 4 и 5 имеют круглые внутренние сечения соответствен

0 д

-

5

но с диаметрами d, d4, d , равными между собой, т.е.

d, d4 d5 d. (1)

Длиной подводящего трубопровода 4 можно пренебречь.

Местными гидравлическими сопротивлениями в трубопроводах 3 и 5 можно пренебречь.

Трубопроводы 3 и 5 соединяются с трубопроводом 4 в сечении С под углом 90° .

Поскольку de d, где d& - диаметр напорного бака башни 6, то динамическим напором воды в сечении В можно пренебречь.

Промежуточные водоотборы между насосной станцией и водопотребителем отсутствуют, исходя из чего

QB QA- Q. (2) Задвижка 7 полностью открыта. Атмосферное давление в месте расположения преобразователя 1 и в сечении В одинаково.

С учетом ограничений запишем уравнение Бернулли для сечений А и В в режиме работы насоса

7 + Z&&1 + 8°ug ()

ZA Z6(0 +

+ кс,()) + + |feЈi + Ke-fh) (3)

i

гд-е Рд (), Pe - значения избыточных давлений соответственно в сечениях А и В, Па-,

оСд - коэффициент Кориолиса для потока воды в нагнетательном трубопроводе 3j

Кс (Ј),К-, К& - коэффициенты гидравлических местных сопротивлений соответственно в сечении Cf, задвижки 7 и на входе в водонапорную башню 6, Kj 0,5, К9 1,0,

Лйс- коэффициент гидравлического трения в нагнетательном трубопроводе;

h- (D) - инерционный напор, м. В функции времени Ъ изображены параметры, изменение которых во времени существенно. Из них значения

51

Z(T), PC), f- также в следующих вариантах уравнеаия Бернулли НСС) относятся к измар мым величинам, а остальные - к фа горам помех. Неизмен- ные во времени величины являются конструктивными факторами, зависящими от конкретной башенной насосной установки.

Движение воды в трубопроводах 3, 4 и 5 в основном турбулентное. Лишь в некоторых случаях, когда Qfj( C )- О и Q.p(C) - 0, соответственно в трубопроводах 4 и 5 может возникать ламинарное течение воды, при котором ко- эффициент Кориолиса принимает значение равное 2. Однако в этих случаях величины Q2e(cT) v() и Q,(ff) « 0 и значение коэффициента Кориолиса не играет существенной роли. Поэтому .принимаем коэффициент Кориолиса рав- ным его среднему значению при турбулентном движении жидкости oL, 1,12.

В условиях сельскохозяйственного производства все части башенной насосной установки вводятся в эксплуатацию или реконструируются одновременно, при этом трубопроводы 3, 4 и 5 представляют собой одинаковые трубы в одинаковом состоянии. Поэтому ко- эффициент гидравлического трения для них принимаем одинаковым в данный момент времени и равным (с). Согласно формуле Кольбрука, (С) f(Re,ur), где Re - число Рейнольд- са, зависящее для воды от ее температуры, состава и скорости течения; Дг - коэффициент шероховатости. Из графика Никурадзе видно, что в областях квадратичного и даже доквадратич ного сопротивления шероховатых русел турбулентной зоны зависимостью коэффициента гидравлического трения от степени турбулизации потока можно пренебречь. В зоне ламинарного и переходных режимов расход относительно мал и значение Ъ (€) для определения падения напора по длине не имеет существенного значения. Таким образом, влияние изменения ft во времени определяется изменением шероховатости внутренней поверхности водоводов..

Местное сопротивление в сечении С ,, относится к типу тройника приточного, и коэффициент Кс () зависит

Qe(Ј)

от отношения п Ч /Л с J

Учитывая вышеизложенное, получим

НВА

РА(1 Pg

(Ј) - Кс, () - К& + 2Qft(f) x

х QB(f)-Ke - Q2D(fr). KB - hj(f). (4)

Учитывая те же ограничения, что и для уравнения (3), запишем уравнение для Н9Д(С) в режиме паузы

ни(

+ Кв) + h ;(«),

(5)

где Кс - коэффициент гидравлического местного сопротивления в сечении С2 на водоразборном трубопроводе 5 в составе местного гидравлического сопротивления тройника вытяжного. Для тройника вытяжного приводится коэффициент местного сопротивления, равный 2,3, но в нашем случае отбор давления производится не после, а непосредственно в зоне местного сопротивления в сечении С. Поэтому значение 2,3 является наибольшим возможным, а в среднем принимаем к 1,15,

I2.

К - коэффициент гидравлического

р

местного сопротивления да в трубу, Kg 0,5.

вхоВведем понятие гидродинамический ошибки измерения уровня воды в водонапорной башне по давлению в потоке жидкости hг(Ј), определяемой следующим выражением

hr() Н(С) - 2i|l +h;(S), (6)

где hj (Ј) - инерционная ошибка регулирования .

В установившихся режимах работы насоса и- паузы инерционной ошибкой регулирования можно пренебречь. Тог- да в режиме работы насоса можно записать

ь-№) с

- КС((Ј) - Кв + 2рд(г).). - Q|,(c).KB}, в режиме паузы

Ь„()

к9 (7)

gn- d4(Кс, + К„).

(8)

Из уравнений (7) и (8) видно, что в режиме работы насоса количество помех и степень их влияния на точность определения уровня выше, чем з режиме паузы. На практике подтверждается низкая точность и надежность определения верхнего уровня воды в башне Нт0|Х по давлению в нагнетательном трубопроводе.

В качестве примера рассмотрим башенную насосную установку, в которой трубопроводы 39 4 и 5 сооружены из

стальных водопроводных труб с условным проходом d. 150 мм и длиной трубопровода 3 1АС 0; 100 и WOO м. Тогда для таких труб ,ц 0,0126, max 0,0375, d 0,155 м. Наибольший предельный расход через трубопровод 3 может составить 3д(Ј) - 25 х м3/с. Принимая 0D „

Л

Qft(Ј) 25 х м3/с и определяя

величины КС (Ј) из соотношений в при эчном тройнике, построим зависимост

гидродинамической ошибки ) от из

менения водопотребления Q(Ј) в соответствии с уравнением (7), Результат

расчетов приведены в виде кривых а-е за фиг„3, 4 и 5. При этом кривая

соответствует условиям fl m,n ,

так IAC 0,

кривая б - А minli mn ж,

лТ J-fte - ии м

кривая в - А -Л та J

кривая Г - А ft mini 10 х J

кривая Д - У Ъта

-ftc

1000 м.

Кривая построена по точкам, рассчитанным для рассматриваемой БНУ по уравнению (8) и показывает характер изменения гидродинамической ошибки

регулирования в режиме паузы. Из кри- 40 отключения насоса (R H вых на фиг.З, 4 и 5 и соотношения (.о) можно сделать вывод, что показания измерителя 1 в режиме работы насоса завышены по сравнению с его показа- ниями в гидростатической системе из- .мерения уровня, а в режиме паузы занижены

При этом величина h,,(Ј) имеет две составляющие. Одна из них связана с длительным монотонным изменением параметров БНУ в течение всего срока эксплуатации, например с увеличением Х( с) напорных трубопроводов от Ami,

Однако в течение одного ци гулирования эти изменения пре жимо малы. Тогда, измеряя пер тановившееся значение давления гнетательном трубопроводе 3 п пуска насоса, можно ожидать, ч неизменной подаче насоса, пре изменением гидродинамической от водопотребления, значение д в нагнетательном трубопроводе

превышает измеренное значение чение изменения гидростатичес давления при наполнении бака 45 порной башни 6. Считая, что з должительное время гид ского переходного процесса ур воды в башне 6 практически не вает измениться (Н Нм п), и что два упомянутых значения д отличаются на значение измене ростатического давления при у нии уровня воды в водонапорн не от нижнего до верхнего ур

50

4728818

вём эксплуатационной. Другую составляющую образуют случайные колебания в течение цикла регулирования

D

hp(Ј)

10

15 20

- ь

25

яз-за изменения водопотребления Qo(Ј) и связанной с ним величины гидравлического сопротивления КС((Ј). Кривые а и е на фиг.З отражают характер этой составляющей гидродинамической ошибки при неизменной величине подачи насоса 0Л(Ј0.

Очевидно, что для рассматриваемой башенной насосной установки со сколько-нибудь значительной длиной трубопровода 3 преобладающее значение имеют положение кривых и расстояние между кривыми 5 и 6, /I и 4 по оси

30

35

- 40 отключения насоса (R H )

hr(€) на фиг.1 и 5 по сравнению с зависимостью hr(Ј) от водопотребления QD(Ј). Т.е. медленные эксплуатационные изменения гидродинамической ошибки, представляющие собой изменение падения напора в нагнетательном трубопроводе 3, являются основной причиной низкой точности, а часто и невозможности измерения верхнего уровня воды в водонапорной башне 6 по давлению в нагнетательном трубопроводе 3.

Однако в течение одного цикла регулирования эти изменения пренебрежимо малы. Тогда, измеряя первое установившееся значение давления в нагнетательном трубопроводе 3 после пуска насоса, можно ожидать, что при неизменной подаче насоса, пренебрегая изменением гидродинамической ошибки от водопотребления, значение давления в нагнетательном трубопроводе 3 в мо)

превышает измеренное значение на значение изменения гидростатического давления при наполнении бака водона- 45 порной башни 6. Считая, что за непродолжительное время гидравлического переходного процесса уровень воды в башне 6 практически не успевает измениться (Н Нм п), имеем, что два упомянутых значения давления отличаются на значение изменения гидростатического давления при увеличении уровня воды в водонапорной башне от нижнего до верхнего уровня.

50

Изобретение относится к области автоматизации сельскохозяйственного водоснабжения на животноводческих фермах и комплексах, может быть применено для регулирования уровня жидкостей, используемых для других нужд, например в отстойниках загрязненной воды при мойке корнеплодов и др. Цель изобретения - повышение точности регулирования за счет уменьшения влияния потерь давления в нагнетательном трубопроводе. Способ управления электроприводом башенной насосной установки по давлению в нагнетательном трубопроводе без промежуточного водоотбора отличается от известных тем, что отключение электропривода насосной установки производят при значении давления, большем первого значения давления, установившегося в момент стабилизации подачи жидкости насосной установкой после включения ее на значение разности гидравлического давления жидкости в водонапорной башне между верхним и нижним значениями уровней. 5 ил.

до Ъ

ща t

уменьшением подачи насоса

Q( t ) из-за изменения характеристик

водопроводной сети или снижения эксплуатационных характеристик самого насоса. Эту составляющую hpC) назо-

55

Формула изобретения

Способ управления электроприводом башенной насосной установки, основанный на изменении давления в нагнетательном трубопроводе без промежуточного водоотбог , заключающийся во включении электропривода башенной насосной установки при значении давления, соответствующем уставке нижнего уровня жидкости в водонапорной башне, и отключении при другом значении давления, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования за счет уменьшения влиН,

так

н,

mtr

яния потерь давления в нагнетагельно трубопроводе, отключение электропривода насосной установки производят при значении давления, большем первого значения давления, установившегося в момент стабилизации подачи жидкости насосной установкой после включения ее, на значение разности гидравлического давления жидкости в водонапорной башне между верхним и нижним значениями уровней.

фиг. Ј

W фиа.5

25