Введение к работе
Актуальность работы. Решение актуальных проблем водопотребления в Российской Федерации и в других странах СНГ предусматривает широкое строительство современных водохозяйственных систем для водоснабжения и орошения. Неотъемлемой частью таких систем являются насосные станции и напорные трубопроводы.
Опыт эксплуатации насосных станций показывает, что основные повреждения и аварии насосных агрегатов, которые наносят существенный экономический ущерб, происходят: при переходных процессах, пусках и остановках, которые в соответствии с графиком работы насосной станции могут осуществляться по несколько раз в сутки, а также при аварийном отключении электродвигателей от энергосистемы. При этом возникает гидравлический удар, значительные динамические нагрузки на элементы сооружений и гидросилового оборудования; резкое изменение силовых воздействий на рабочее колесо и системы привода лопастей, сопровождающиеся пульсациями потока и вибрациями.
Таким образом, резкое изменение давления, вызванное значительными локальными ускорениями жидкости надо учитывать при расчетах прочности и надежности трубопроводных систем.
В последнее время большое внимание уделяется вопросам безопасности различных объектов водохозяйственных систем (Федеральный закон РФ № 117 «О безопасности гидротехнических сооружений» от 01.04.2012 г.). Не являются тут исключением и закрытые оросительные системы и системы водоснабжения, поэтому при проектировании насосных станций необходимо комплексно учитывать работу напорного тракта и технологического оборудования, и назначать схемы и состав сооружений основываясь на расчетах и анализе переходных процессов при пусках и остановках с учетом статических и динамических характеристик насосов и электродвигателей.
Параметры напорных систем определяются путем гидравлических и технико-экономических расчетов, но они не дают возможность получить их оптимальные значения.
Наиболее эффективным способом получения исходной информации о характере протекания всего комплекса переходных процессов при пуске агрегата - численное моделирование, обеспечивающих надежность сложных технических сооружений, которое позволило добиться существенных достижений, как в теоретическом, так и в практическом направлении этих исследований.
В тоже время необходимо отметить, что сегодня при всем многообразии существующих методик расчета переходных процессов для различных случаев, связанных в основном с отключением насосов, нет общих методов расчета гидравлического удара в трубопроводах при пусках агрегатов на насосных станциях. Вышеизложенными обстоятельствами и определяется актуальность данной работы.
Целью работы является разработка научных основ расчетного обоснования переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций при пуске агрегата на опорожненные и частично заполненные водой трубопроводы.
Выполнение поставленной цели было связано с решением следующих задач:
- рассмотрение основных существующих зависимостей для расчетов нестационарного движения жидкости в напорных трубопроводах и выделения главного направления развития исследований;
- усовершенствование существующей методики расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи с насосными станциями для разных случаев пуска насосов с разработкой алгоритма расчета и реализацией его в компьютерной программе;
- расчетно-теоретические исследования переходных процессов в закрытых оросительных системах и системах водоснабжения, связанных с пуском насосного агрегата позволяющие уменьшить амплитуду колебаний в системах водоподачи;
- натурные исследования в напорных системах водоподачи с целью анализа влияния пуска насосного агрегата на гидравлические переходные процессы.
- на основании приведенных расчетно-теоретических и натурных исследований разработать методы расчетного обоснования переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций при пуске насосного агрегата;
Научная новизна работы состоит в следующем:
- усовершенствована математическая модель гидравлических переходных процессов в напорных системах водоподачи, учитывающая пуск насосного агрегата на насосных станциях;
- разработана методика проведения натурных экспериментов на действующих водохозяйственных системах;
- проведен сравнительный анализ экспериментальных данных по расчету гидравлического удара и результатов численного моделирования по предложенному в работе методу;
- создан алгоритм и компьютерная программа расчета переходных процессов, возникающих при пуске насосных агрегатов.
Личный вклад автора заключается в усовершенствовании им математической модели и создании алгоритма, а так же программы расчета переходных процессов в напорных коммуникациях насосных станций в режиме пуска агрегата на опорожненные и частично заполненные водой трубопроводы.
Практическая ценность работы. Реализация предложенной математической модели в программном комплексе для компьютерной программы позволяет на стадии проектирования установить условия, при которых обеспечивается пуск агрегата, учитывая взаимное влияние гидравлических и механических переходных процессов при конкретных параметрах водопроводящего тракта, гидроагрегата и электрической части станции. Изложенные в диссертации результаты исследований позволят повысить надежность и эффективность эксплуатации насосных станций.
Достоверность результатов исследований. Достоверность основных положений и выводов работы подтверждается многократными сопоставлениями результатов расчетно-теоретических исследований переходных процессов при пуске агрегатов с данными натурных экспериментов, проведенных на действующих насосных станциях с различными подачами воды, напорами, мощностями, диаметрами и длинами напорных трубопроводов, противоударными устройствами.
Проведенные сопоставления подтвердили высокую надежность предложенных автором теоретических разработок и практических рекомендаций, основанных на точных методах анализа и исходных зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов.
Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных водоводов от гидравлического удара при пуске агрегатов на насосных станциях и в значительной мере повысить надежность работы закрытых оросительных систем и систем водоснабжения.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях Московского государственного университета природообустройства в 2009 – 2012гг., а так же на научно-технической конференции в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (технический университет) г. Санкт-Петербург (2009г.).
По материалам диссертации опубликовано пять статей, из них три статьи в рецензированных изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии (194 наименования, 16 на иностранных языках), приложения и содержит 142 страницы текста (включая 2 страницы приложения, 42 рисунка и 1 таблицы).
