ПРОБЛЕМИ ВИЩОЇ ШКОЛИ УДК 621.65.004.183 ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ГИДРОТРАНСПОРТНОЙ УСТАНОВКИ С АКТИВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ Кравец А.М., Коренькова Т.В., Продан В.С. Кременчугский государственный политехнический университет Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий Введение. Режимы работы гидротранспортных установок (ГТУ) зависят от переменного во времени водопотребления и характеризуются широкими диапазонами изменения подачи (напора). Зачастую регулирование выходных технологических параметров насосных установок (НУ) осуществляется: дросселированием напора задвижкой на выходе насосного агрегата (НА), изменением числа одновременно работающих агрегатов, байпасированием, и сопровождается непроизводительными потерями электроэнергии [1]. Наиболее экономичным способом регулирования подачи НУ является изменение частоты вращения рабочего колеса насоса. Альтернативным вариантом регулирования технологических параметров на выходе НУ с групповой схемой включения агрегатов является использование активного регулировочного устройства в гидравлической сети [2], позволяющего эффективно использовать потери напора и мощности, имеющие место при пассивном регулировании дроссельной заслонкой. Роль активного регулирующего устройства выполняет турбина, осуществляющая изменение технологических параметров (производительности и давления), и посредством электрического генератора преобразование энергии с последующей рекуперацией в энергосеть с некоторыми потерями, обусловленными внутренними потерями в гидротурбинном агрегате. Для исследования гидравлических процессов в трубопроводной сети и анализа режимов работы НУ при различных способах регулирования производительности и напора создана мелкомасштабная физическая модель лабораторной ГТУ, описанная в [3, 4]. Экспериментальный комплекс ГТУ оснащен современными средствами компьютеризированного сбора и обработки информации, контроля технологических и электрических параметров, а также преобразовательными устройствами в системах регулируемого электропривода НА. Разработанная физическая модель позволяет осуществить целый ряд исследовательских задач: анализ технологических возможностей и энергетических показателей различных методов регулирования технологических параметров; исследование динамических процессов в трубопроводной сети; определение регулировочных и энергетических характеристик систем регулируемого электропривода; исследование групповой работы турбомеханизмов и др. Альтернативным способом анализа характеристик работы НУ с различными схемами регулирования параметров является создание на базе физических экспериментальных комплексов виртуальных лабораторных моделей, позволяющих наглядно исследовать статические и динамические режимы работы технологического оборудования, что является целесообразным как при подготовке специалистов электромеханического профиля, так и при проведении научно-исследовательских работ по изучению эффективных режимов работы ГТУ. Цель работы – разработка математического аппарата и создание виртуального лабораторного оборудования ГТУ со средствами активного регулирования производительности насосных агрегатов. Материал и результаты исследований. Мнемосхема виртуального лабораторного комплекса (рис. 1) включает: два совместно работающих центробежных насосных агрегата НА1, НА2, осуществляющих напорную подачу воды; регулировочные задвижки Z3 и Z4 на выходе агрегатов; регулировочные задвижки Z5 и Z7 в сети потребителя; датчики давления НЭ1 и НЭ2 в напорном патрубке основного насоса НА1 и на входе турбины соответственно; датчик расхода Q1 на выходе НА1; датчик давления НЭ3 и расхода Q2 в сети потребителя; обводной трубопровод с турбиной и регулировочной задвижкой на входе Z6; генератор с регулируемым напряжением возбуждения, установленный на одном валу с турбиной; датчики тока А1, А2 и напряжения U1, U2 в статорной цепи асинхронных электродвигателей (АД1, АД2) НА1 и НА2 соответственно; датчики тока А3 и напряжения U3 в якорной цепи генератора; датчики тока А4 и напряжения U4 обмотки возбуждения; преобразователи частоты (ПЧ1, ПЧ2); датчики измерения частоты вращения электропривода (ЭП) насосов ТГ1, ТГ2 и вала турбины ТГ3. Для создания виртуальной модели использовался язык и среда программирования LabVIEW, разработанные фирмой «National Instruments», где путем установки графических конструкций в поле проекта создается виртуальный инструмент, предназначенный как для моделирования тех или иных процессов, так и для исследования реальных физических объектов. Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1 155 ПРОБЛЕМИ ВИЩОЇ ШКОЛИ Рисунок 1 – Мнемосхема виртуального лабораторного комплекса насосной установки Предлагаемый виртуальный комплекс позволяет исследовать режимы работы ГТУ при регулировании производительности и напора дросселированием потока задвижкой на выходе НА, изменением частоты вращения рабочего колеса насоса средствами частотно-регулируемого привода и регулировании параметров путем активного воздействия на трубопроводную сеть с использованием гидротурбины, установленной в обводном трубопроводе, вал которой связан с генератором постоянного тока (ГПТ). Регулирование мощности турбины возможно двумя способами: путем дросселирования потока на входе турбины задвижкой Z6 либо изменением частоты вращения вала турбины посредством регулирования напряжения возбуждения генератора. Математическая модель асинхронных электродвигателей насосов в u-v координатах и математическое описание генератора постоянного тока представлены в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений соответственно [5, 6]: d1u dt R s 1u (L r ) R s L m 2u (L r L s ) 0е 1 U1m ; d1 dt R s 1 (L r ) R s L m 2 (L r L s ) 0е 1 ; d dt R r 2u (L s ) 2u R r L m 1u (L r L s ) 2е 2 ; ; (1) d dt R r 2 (L s ) 2 R r L m 1 (L r L s ) 2е 2u ; M (3 2)p L m (L s L r ) (1 2u 1u 2 ); J d dt p(M M ); c 0е 2е ; M c M 0 М сн 2 н2 ; E г ω т kФ г ; L вг dIвг dt U вг I вг R вг ; L яг dI яг dt E г I яг (R яг R нагр ); kФ г 0.997k Ф гнarctg1.34 I вг I вн kФ 0 ; (2) kФ (U I R ) ω ; н н яг тн гн J 1 d т dt (H т Qg) т kФ г I яг М сн т тн , Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1 156 ПРОБЛЕМИ ВИЩОЇ ШКОЛИ где 1u , 1 , 2u , 2 - потокосцепления статора и ротора электрической машины по координатам u и соответственно, Вб; U1m - амплитудное значение при нулевой подаче, м; B R 'н , C R н - коэффициенты аппроксимации, определяющие внутреннее сопротивление насоса; H 0 т - напор гидравлической напряжения питания статорной обмотки, В; R s , R r активные сопротивления обмоток статора и ротора соответственно, Ом; L r , L s - индуктивность фазы турбины при нулевом расходе, м; R т - внутреннее сопротивление турбины, зависящие от ее конструктивных особенностей; Н cт - статический напор в статора и ротора соответственно, Гн; L m - взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора, Гн; коэффициент рассеяния; 0e , 2e , - синхронная угловая скорость магнитного поля, частота скольжения и текущая частота вращения ротора АД соответственно, с-1; М, Мс – вращающий электромагнитный и статический моменты на валу электрической машины, Нм; М0 - момент холостого хода, Нм; Мсн, номинальный момент сопротивления АД, Нм; н номинальная угловая частота вращения электродвигателя, с-1; p - число пар полюсов; J – суммарный сети потребителя, м; н н - относительная частота вращения насоса; т тн - относительная частота вращения турбины; тр (Lтр d) - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопроводной системы; - коэффициент трения жидкости о стенки трубы; L тр , d - длина и диаметр участка трубопроводной сети, м; зд - коэффициент гидравлического сопротивления задвижки, определяемый законом изменения степени открытия (t ) ; Q S - скорость течения жидкости на участке трубопроводной сети, м/с; Q – производите- приведенный момент инерции АД и насоса, кг м 2 ; E г - напряжение на зажимах генератора, В; U вг напряжение возбуждения генератора, В; kФг, kФн текущий и номинальный коэффициенты магнитного потока генератора соответственно, Вб; kФ0 – остаточный коэффициент магнитного потока, не зависящий от тока возбуждения, Вб; т , тн - текущая и номинальная угловая скорость вращения вала гидротурбины, с-1; R вг , R яг - активные сопротивления обмотки возбуждения и якорной цепи генератора соответственно, Ом; L вг , L яг - индуктивности обмотки возбуждения и якорной цепи генератора соответственно, Гн; U н - номинальное напряжение на выходе генератора, В; Iн льность, м3/с; S d 2 4 - площадь поперечного сечения трубопровода. Насосная установка, работающая на гидросеть, может быть представлена эквивалентной схемой замещения (рис. 2), включающей два насосных агрегата с регулируемой частотой вращения рабочего колеса, регулировочные задвижки, трубопроводную сеть, состоящую из основной ветви и обводного трубопровода, в котором установлена гидротурбина. На основании схемы замещения составлена система дифференциальных уравнений: dQ1 2 2 2 2 H 0н1 н1 H 0н 2 н 2 R 1Q1 L 1 dt R 2 Q 2 L dQ 2 R ' Q R ' Q ; н1 1 н1 н2 2 н2 2 dt H 2 H R Q 2 L dQ 2 R Q 2 ст 2 2 2 3 3 0н 2 н 2 dt (7) dQ3 dQ 4 L 4 R 4 Q 24 R 'н 2 Q 2 н 2 ; L 3 dt dt dQ5 2 2 2 H 0 т т L 5 dt R 5 Q 5 R 4 Q 4 dQ 4 L 4 dt ; Q 3 Q1 Q 2 ; Q 3 Q 4 Q 5 , - номинальный ток нагрузки генератора, А; R нагр - сопротивление нагрузки генератора, Ом; I вн - номинальный ток возбуждения генератора, А; J1 - приведенный момент инерции турбины и генератора, кг м 2 ; 1000 - плотность воды, кг м 3 ; g=9.81 - ускорение свободного падения, м/с2. Напорно-расходные характеристики насоса и турбины могут быть представлены выражениями вида [7, 8]: H нас А н2 В н Q CQ 2 ; H т H 0т 2т (3) R тQ . (4) Процесс изменения давления в пределах участка трубопроводной сети и напора на регулировочной задвижке описывается уравнениями [7, 9]: 2 H тр H ст тр 2 2g ; (5) H зд зд ( ( t )) 2 2g , (6) где R1=Rпатр1+Rн1+Rзд3; R2=Rпатр2+Rн2+Rзд4; R3=Rтр3+Rзд7; R=Rтр4+Rзд6; R=Rт+Rтр5+Rзд5; Rпатр1, Rпатр2 - гидравлические сопротивления напорных патрубков первого и второго насосов; Rтр3 гидравлическое сопротивление участка основного трубопровода с задвижкой Z7; Rтр4 - гидравлическое сопротивление участка основной ветви с задвижкой Z6, расположенного параллельно ветви с турбиной; Rтр4 - коэффициент гидравлического сопротивления обводного трубопровода с турбиной; Rзд3, Rзд4, Rзд5, где в выражениях (3)-(6): А H 0н - коэффициент аппроксимации, равный напору на выходе насоса Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1 157 ПРОБЛЕМИ ВИЩОЇ ШКОЛИ Rзд6, Rзд7 -гидравлические сопротивления регулировочных задвижек Z3, Z4, Z5, Z6, Z7 соответственно; L1, L2 , L3, L4 , L5 - коэффициенты, учитывающие динамические свойства гидравлических машин и трубопроводной сети соответственно; H 0н1 , H 0н2 напоры НА1 и НА2 при нулевой подаче соответствеенно, м; н1, н2 - относительные частоты вращения рабочих колес первого и второго насосов соответственно; Q1 Q 5 - расходы воды на участках трубопроводной системы – в напорных патрубках первого и второго НА, в сети потребителя, на основной ветви (без турбины) и обводном трубопроводе с установленным гидротурбинным агрегатом соответственно, м3/с. Для решения дифференциальных уравнений (1), (2), (7) применен метод Рунге-Кутта 4-го порядка с постоянным шагом интегрирования, реализация которого приведена на рис. 3. НА1 H0н1н12 R1 Q1 Рисунок 3 - Фрагмент подпрограммы, реализующей метод Рунге-Кутта 4-го порядка с постоянным шагом интегрирования L1 НА2 H0н2н22 H0тт2 R2 Q2 На рис. 4 приведены графики изменения во времени напора и производительности на выходе НА1 с установленной мощностью Pн=750 Вт, номинальной подачей Qн=0.0019 м3/с и напором Нн=18.5 м при запуске турбомеханизма на трубопроводную сеть без гидротурбинного агрегата с закрытой задвижкой Z3 в напорном патрубке насоса. При достижении напора значения H0н1=22 м в момент времени t=1.6 c плавно открывается задвижка Z3, трубопровод постепенно заполняется водой, а напор и производительность НА выходят на номинальные значения. На рис. 5 изображены графики изменения производительности НУ Qнас(t), напора на выходе насоса НА1 Ннас(t) и гидравлической турбины Нвых. т(t), угловой частоты вращения вала гидротурбинного агрегата т(t), тока якоря Iяг(t), напряжения на зажимах генератора Eг(t), мощности рекуперации Pрек(t), соответствующие двум вариантам изменения параметров гидротурбины: путем изменения степени открытия задвижки Z6 (рис. 5, а-в) и напряжения возбуждения генератора (рис. 5, г-е) соответственно. L2 Hст R4 Q4 R5 R3 L4 Q3 Q5 L3 L5 Участок с турбиной Трубопроводная сеть Рисунок 2 - Эквивалентная схема замещения системы насосная установка – система активного регулирования производительности - потребитель Hнас(t) Qнас(t) Рисунок 4 - Графики изменения напора Ннас(t) и производительности Qнас(t) на выходе насоса при запуске на закрытую задвижку Z3 Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1 158 ПРОБЛЕМИ ВИЩОЇ ШКОЛИ Активное регулирование подачи НУ было реализовано двумя вариантами: - запуск НА1 на трубопровод с гидротурбинным агрегатом и открытыми задвижками Z3 и Z6 (при этом задвижка Z5 закрыта, а напряжение возбуждения ГПТ равно нулю); при достижении напора НА1 номинальной величины в момент времени t=1.6 c задвижка Z6 прикрывается на 80%; - запуск первого насоса на трубопровод с гидротурбинным агрегатом, открытыми задвижками Z3 и Z6 при нулевом напряжении возбуждения (задвижка Z5 закрыта); после выхода НА1 на номинальный режим работы в момент времени t=1.6 c напряжение возбуждения плавно увеличивается до 15 В. Qнас(t) Qнас(t) а) г) Hнас(t) Hнас(t) т(t) x10-1 т(t) x10-1 Hвых. т(t) Hвых. т(t) б) д) Pрек(t) Eг(t) Pрек(t) Eг(t) Iяг(t) Iяг(t) в) е) Рисунок 5 - Графики изменения технологических Qнас(t), Ннас(t), Нвых. т(t), т(t), электрических Iяг(t), Eг(t) и энергетических Pрек(t) параметров насосной установки при активном регулировании производительности: а) - в) – изменением положения задвижки Z6; г) - е) – путем изменения напряжения возбуждения генератора Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1 159 ПРОБЛЕМИ ВИЩОЇ ШКОЛИ Мощность рекуперации, отдаваемая потребителю электрической энергии: (10) Р рек (t ) Е г (t )I яг (t ) , ЛИТЕРАТУРА 1. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 144 с. 2. Коренькова Т.В., Перекрест А.Л. О коррекции энергетики группового электропривода насосов активными регулировочными устройствами // Вісник Національного технічного університету ХПІ: Зб. наук. пр. ХДПУ. – Вип.12, т.2 – Харків: ХДПУ, 2002. С.514-516. 3. Коренькова Т.В., Михайличенко Д.А., Перекрест А.Л., Бойченко С.М. Экспериментальная насосная установка для оценки показателей эффективности регулирования параметров турбомеханизмов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. – Вип. 2(19). – Кременчук: КДПУ, 2003. С. 89-92. 4. Коренькова Т.В., Михайличенко Д.А., Сердюк А.А., Лузан П.В. Границы целесообразного использования методов регулирования параметров насосных установок // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. – Вип. 3(26). – Кременчук: КДПУ, 2004. С. 32-37. 5. Попович М.Г.. Теорія электропривода. Підручник. – К.: Вища школа., 1993. - 494 с. 6. Черный А.П., Луговой А.В. и др. Моделирование электромеханических систем./ Учебное пособие. – Кременчуг, 1999. – 204 с. 7. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М., Энергия, 1972. – 240 с. 8. Коренькова Т.В., Перекрест А.Л., Михайличенко Д.А., Кравец А.М. Характеристики гидротурбины в системе активного регулирования производительности насосных станций // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. – Вип. 2(25). – Кременчук: КДПУ, 2004. C. 21-27. 9. Большаков В.А. Справочник по гидравлике. – К.: Вища школа, 1977. - 280 с. где напряжение Е г ( t ) и ток I яг ( t ) , измеряемые датчиками тока ДТ3 и напряжения ДН3 соответственно. Из рис. 5 видно, что изменение положения регулировочной задвижки Z6 сопровождается уменьшением подачи насоса на 20% вниз от номинальной, что приводит к уменьшению угловой частоты вращения вала гидротурбины и незначительному увеличению напора на выходе насоса; при этом мощность рекуперации в установившемся режиме равна 1.6 Вт. Изменение напряжения возбуждения генератора приводит к уменьшению скорости вращения рабочего колеса гидротурбинного агрегата и вызывает незначительное увеличение подачи насоса; при этом напор турбины, напряжение и ток ГПТ увеличиваются; мощность рекуперации равна 38 Вт. Выводы. Разработанный математический аппарат гидротранспортной установки с различными вариантами регулирования параметров позволяет исследовать технологические и энергетические показатели групповой работы насосных агрегатов с регулируемым электроприводом, работающих на трубопроводную сеть, включающую местные сопротивления (задвижки, повороты, разветвления и др.) и регулируемый гидротурбинный агрегат. Динамические режимы работы виртуальной модели гидротранспортной установки подтвердили адекватность полученных характеристик с режимами, имеющими место при работе реальной физической модели. Полученные кривые изменения технологических (производительность, напор) и энергетических (мощность рекуперации) параметров насосной установки при активном регулировании подачи показали, что регулируемый гидротурбинный агрегат может быть использован в качестве альтернативного технического решения изменения технологических параметров гидротранспортного комплекса. Разработанное виртуальное лабораторное оборудование позволяет эффективно решать задачи обучения студентов при проведении лабораторных работ и подготовки специалистов электромеханического профиля, а также расширять технологические возможности стенда без дополнительных затрат на приобретение необходимого физического оборудования. Использование виртуальных комплексов является полезным при решении научноисследовательских задач, подготовке магистрантов, аспирантов, соискателей, а также при повышении квалификации инженерно-производственного персонала промышленных предприятий, связанных с работой гидротранспортного оборудования. Стаття надійшла 30.04.2006 р. Рекомендована до друку д.т.н., проф. Родькіним Д.Й. Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1 160