Предложена имитационная модель автоматизированной автономной насосной установки, выполненная в программной среде MatLab с помощью библиотек Simscape и Simulink. Полученная имитационная модель, включающая управляемые привода центробежного насоса и запорной задвижки, адекватно отражает ее работу в режиме пуска и останова насос. Исследования режимов работы системы позволили сделать выводы о типе и структуре регуляторов, обеспечивающих эффективную и безаварийную работу насосной установку.
Ключевые слова: имитационное моделирование, насосная установка, управление, автоматическое управление.
Key words: simulation modeling, pumping unit, control, automatic control.
Автоматизация электроприводов с асинхронными электродвигателями и частотными преобразователями существенно повышает качественные характеристики выпускаемой продукции и снижает энергетические потери при ее производстве [1]. В данное время на обогатительных фабриках используются такие привода в различных насосных станциях, в том числе и в автономных береговых насосных установках (БНУ). Далее рассматривается известная схема конкретной автоматизированной БНУ (рис. 1.) [2].
Эта установка включает управляемый привод центробежного насоса НН, запорную задвижку ЗМ с электрическим приводом, трубопровод МТ, вакуумный насос НВ для заполнения водой рабочих камер центробежного
Рис. 1. Схема береговой насосной установки
насоса перед его пуском, систему автоматического управления, обеспечивающую пуск, остановку и регулировку расхода насоса, и дистанционного управления задвижкой ЗМ. В системе включены следующие элементы измерения: датчики давления РЕ1, РЕ2, измеряющие давление в начале трубопровода и перед задвижкой; датчик расхода жидкости в трубопроводе FE1; датчик уровня жидкости в заполняемых емкостях LT1.
Работа БНУ происходит следующим образом. Запускают вакуумный насос, заполняя рабочее колесо насоса водой. Далее машинист включает ЦН. После набора насосом определенного числа оборотов, изначально установленных оператором, он вручную открывает шиберную задвижку, и насос переходит в рабочий режим. Технологические параметры в области регулирования достигаются с помощью задания графика расхода БНУ, при этом система ориентируется на уровень воды в заполняемой емкости.
Предполагается, что во всех гидравлических элементах системы протекает жидкость, содержащая нерастворенный воздух. Остальные гидравлические характеристики элементов системы соответствуют характеристикам, предусмотренным SimHydraulics.
Имитационная модель системы управления БНУ (рис. 2) разработана в ППП Matlab/Simulink/SimHydraulics [3].
Рис. 2. Имитационная модель насосной установки в Matlab
Она включает модели следующих подсистем:
- Подсистема Nas_Ust содержит центробежный насос с номинальным расходом 630 м 3 /ч при скорость вращения н — 157 рад/с, реализованный на элементе Centrifugal Pump. Всасывающая магистраль смоделирована гидравлическим дросселем (Fixed Orifice), соединенным с источником постоянного давления (Ideal Hydraulic Pressure Source); в напорной камере насоса упругость газо-жидкостной среды моделируется гидравлической емкостью (Constant Volume Chamber). В этой и других подсистемах для измерения давления в гидравлических камерах имеются блоки, преобразующие сигнал из SimHydraulics в Simulink, и блоки измеряющие расходы жидкости.
- Подсистема Reg_NU регулятора скорости вращения вала ЦН, где имеется блок двигателя постоянной частоты вращения (Ideal Angular Velocity Source. Подсистема позволяет формировать частоту: в соответствии с заданной программой; в зависимости от давления рабочей камере ЦН; в зависимости от уровня жидкости в заполняемой емкости.
- Подсистема Regul_KL привода задвижки с регулятором, где реализован алгоритм изменения площади окна задвижки и электрический привод ножа задвижки.
- Подсистема Trub_Mag магистрального трубопровода длиной 6000 м, включает два элемента Segments Pipe LP1 и Segments Pipe LP, которые описывают движения жидкости в трубопроводе, с учетом инерционных и упругих свойств жидкости и потерь давления по длине участков трубопровода [4]. Кроме того, в подсистеме смоделированы заполняемые емкости и датчик измерения уровня воды в этих емкостях.
Временные диаграммы, полученные на имитационной модели БНУ, приведены на рис. 3. На верхней диаграмме левой и правой частей приведены изменения частоты оборотов вала насоса (линия 1) и площади задвижки магистрального трубопровода (линия 2).
Рис. 3. Временные диаграммы изменения давления (а) и расхода (б) в гидравлических элементах БНУ
В левой части каждого рисунка приведены диаграммы изменения давления рабочей камере ЦН, после задвижки в начале магистрального трубопровода и по средине магистрального трубопровода.
В правой части каждого рисунка приведены диаграммы изменения расхода воды ЦН, в начале и в средине магистрального трубопровода, в месте соединения с заполняемой емкостью.
В соответствии с паспортными данными преобразователя частоты минимальное время набора максимального числа оборотов асинхронным двигателем составляет 20 сек. Минимальное время полного подъема или опускания ножа задвижки с электрическим приводом составляет 90 сек.
В системе происходит запуск насоса и дальнейшее регулирование частоты оборотов (линия 1). Каждый цикл состоит из: этапа 1- запуска насоса, который длится 100 сек.; этапа 2, где происходит регулирование расхода насоса (числа оборото) в пределах и длительностью, определенных заданием исследования, при этом общая длительность равна 650 ÷850 сек.; этап 3 — торможение и останов ЦН. Длительность эксперимента составляет 1200 сек.
После запуска насоса по достижении определенного значения давления в нагнетаемой камере насоса открывается задвижка магистрального трубопровода (линия 2). Это значение давления определяется разностью высот установки наполняемой емкости и насоса, которая в нашем случае равна 60 м.
Переходные процессы показывают, что и расход, и давление воды в элементах системы имеют колебательный характер, как в процессе запуска и останова ЦН, так и в процессе регулирования расхода насоса.
Следует отметить, что наиболее тяжелый переходный режим возникает во время отключения центробежного насоса и закрытия магистральной задвижки, что может быть вызвано как плановой остановкой центробежного насоса, так и возникшей нештатной ситуацией. Это связано с тем, что жидкость, поступающая из открытого водоема гидравлические емкости системы, не имеет специальной водоподготовки, поэтому в ней содержится нерастворенный воздух, значение которого может меняться в зависимости от температуры окружающей среды. Следует отметить, что объем камер, включающих рабочую камеру ЦН и участок трубопровода до задвижки, достигает 1 м 3 , магистральный трубопровод имеет объем 600 м 3 и объем заполняемых емкостей равен 600 м 3 .
Анализ временных диаграмм этапа торможения ЦН показал, что в случае полной остановки насоса с последующим закрытием давление в камере насоса снижается до атмосферного. При этом расход воды в камере насоса и по длине трубопровода имеет отрицательное значение за счет наличия нерастворенного воздуха в воде, и после полного закрытия задвижки в трубопроводе в трубопроводе продолжаются колебания расхода с большими амплитудами, и соответственно колебания давления.
Были проведены исследования режима торможения ЦН для различных сочетаний изменения во времени оборотов насоса и площади задвижки. Один из таких режимов приведен на рис.4.
Рис. 4. Временные диаграммы изменения расхода в трубопроводе БНУ
В этом случае сначала на первом этапе уменьшается площадь окна задвижки, а затем уменьшаются обороты ЦН. Затем изменение обороты ЦН не меняются, а окно задвижки уменьшается до полного закрытия. После этого останавливается ЦН. При этом в трубопроводе отсутствует отрицательный расход воды и значительно уменьшается амплитуда колебаний как расхода воды, так и давления в трубопроводе. Однако, следует отметить рост давления в камере ЦН.
Следовательно, исследование имитационной модели БНУ показало, что целесообразно проектировать систему автоматического управления остановкой электродвигателя ЦН, обеспечивающую одновременное изменением числа оборотов насоса и площади окна задвижки. Это позволяет снизить до допустимой величины колебания расхода и давления, как в трубопроводе, так и в рабочей камере насоса. Учитывая, наличие нерастворенного воздуха в жидкости, изменение температуры жидкости в зависимости от времени суток и времени года, а также изменение различных параметров системы, происходящих в процессе ее эксплуатации, целесообразно использовать в системе управления остановом двигателя ЦН регулятор, построенный на нечеткой логике.
Заключение
Разработанная имитационная модель автоматизированной автономной БНУ с использованием ППП Matlab/Simulink/SimHydraulics достоверно отражает динамические процессы в элементах системы.
Содержание нерастворенного воздуха в жидкости, поступающей из открытого водоема, значение которого может меняться в зависимости от температуры окружающей среды и по другим причинам приводит к возникновению колебательных процессов в элементах системы, которые необходимо учитывать с целью предотвращения аварийных режимов в системе.
Наиболее тяжелый переходный режим возникает во время отключения центробежного насоса и закрытия магистральной задвижки. Поэтому система автоматического управления остановкой электродвигателя ЦН должна одновременно изменять число оборотов насоса и площадь окна задвижки, что позволит снизить до допустимой величины колебания давления и расхода в трубопроводе. В силу нелинейности процесса останова двигателя ЦН целесообразно в системе управления использовать регулятор, построенный на нечеткой логике.
Литература:
- Лезнов Б. С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. — М.: Машиностроение, 2013. — 176 с.
- Латухин П. Г., Кочкин А. М. Автоматизированная система управления береговой насосной станцией ОФ «НУРКАЗГАН». // Труды междунар. науч.-техн. конф. «Интеграция науки, образования и производства — основа реализации плана нации» (Сагиновские чтения № 11) 22–23 июня 2019 г. Часть 2. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2019. С. 90–92.
- Руппель А. А., Сагандыков А. А., Корытов М. С. Моделирование гидравлических систем в matlab: учебное пособие. — Омск: СибАДИ, 2009. — 172с.
- Агафонов Е. Д., Безбородов Ю. Н., Миронов А. Г. Об особенностях использования системы Matlab/SimHydraulics в задаче построения моделей магистральных нефтепроводов// Вестник КузГТУ. — 2014. — № 3.– С. 76–81.
