Общий анализ проблемы и постановка задачи исследований.

В настоящее время топливно-энергетический комплекс Украины переживает сложное состояние, связанное с мировым кризисом, низкими инвестициями в энергетику, старением энергетического оборудования и общим падением промышленного производства. Тепловые электростанции (ТЭС), призванные решать проблемы тепла и электроснабжения, были построены в середине прошлого века и давно выработали свой ресурс, 76% всех ТЭС имеют возраст более 30 лет, 90% всех действующих турбин имеют возраст более 15 – 20 лет. Актуальной задачей стало прогнозирование гидравлического удара, для предотвращения высокого количества аварий на ТЭС. .

Для облегчения понимания общих закономерностей колебательных процессов целесообразно начинать их изучение с простых и наглядных систем, например, замкнутая цепь, содержащая конденсатор и катушку индуктивности. Изменение во времени физических величин, характеризующих разные колебательные системы, описывается одинаковыми дифференциальными уравнениями.

Гидравлическим ударом называется резкое повышение или понижение давления в напорном трубопроводе в результате изменения скорости движения жидкости в нем. Повышение или понижение давления зависит от: схемы трубопровода, длины, поперечного сечения и скорости распространения ударной волны, на каждом однородном участке, установившегося напора, величины и характера изменения пропускной способности регулирующего органа или органов в зависимости от времени.

Актуальность проблемы развития автоматизированного контроля за техно¬логического процессом, протекающим в трубопроводных системах возрастает по мере интенсивности их работы и давности эксплуатации. Оперативное отслеживание режимов работы трубопроводных систем и прогнозирование гидравлического удара на основе полученных результатов методами математического моделирования являются одной из центральных задач, и даст возможность предупредить множество аварий на ТЭС.

Обзор существующих исследований.

К началу шестидесятых годов прошлого столетия основные физические и гидродинамические процессы, протекающие в элементах трубопроводных систем при гидравлическом ударе, были в основном изучены. Важным вкладом в методику расчета гидравлического удара было создание «графического» метода, изложенного лучше всего в монографии Л. Бержерона. В последнее время, все чаще отказываются от аналитических и графических методов в пользу численных, что повлекло начало массового использования ЭВМ. Их внедрение и массовое использование позволило проводить расчеты практически без ограничения сложности сетей [2].

Выбор метода.

Волны гидравлического удара распространяются по системе со скоростью звука в воде около 1000 м/с и могут многократно повторяться, пока энергия удара не израсходуется на работу сил трения и деформации трубопроводов или не будет погашена в специальных устройствах, ограничивающих распространение гидравлического удара (воздушные колпаки, резервуары и другие устройства). Наибольшую амплитуду изменения давления имеет обычно первая волна удара, которая является наиболее опасной. Наиболее интересны два параметра гидравлического удара – во-первых, его мощность (либо степень повышения давления) и, во-вторых, длительность стадий сжатия и расширения заглушки вместе с мощностью определяющих общую энергию гидравлического удара. Давление гидравлического удар может быть определено на основе закона импульсов:Изменение количества движения равно импульсу силы:

где G=f w – массовый расход воды кг/c; w – скорость воды до торможения м/c; a – скорость звука в воде м/с; f – площадь сечения трубы м; p – плотность воды кг/м; Py- давление гидравлического удара.

pу= awр – известная формула Жуковского предложенная им в 1899 г.[1]

Повышение давления при гидравлическом ударе равно:

ΔPуд - скачок давления; ρ – удельная плотность жидкости; Δv – произошедшее изменение скорости (при полной остановке – скорость потока перед остановкой); а – скорость распространения ударной волны.

Н.Е. Жуковским была получена формула для расчета величины скорости распространения ударной волны:

где Ев – модуль упругости воды, Па; Eст – модуль упругости материала стенок трубопровода; d,s – диаметр и толщина стенки трубопровода

Длительность стадии сжатия заглушки не зависит от силы гидроудара, а определяется лишь временем распространения ударной волны по трубе, поэтому у заглушки она длится время, необходимое для прохода ударной волны по трубе «туда» и «обратно»:

где tcз – длительность стадии сжатия возле заглушки; L– длина трубы от входа до заглушки; с – скорость распространения ударной волны.

При слабых гидравлических ударах длительность стадии разрежения равна длительности стадии сжатия. Однако если силы гидроудара достаточно для возникновения отрыва жидкости от заглушки и образования области вакуума, то длительность стадии расширения равна:

где tpз – длительность стадии разрежения возле заглушки; tcз - длительность стадии сжатия возле заглушки; ΔPуд – повышение давления на стадии сжатия при гидроударе, вычисляемое по формуле Жуковского; P0 – исходное давление до начала гидроудара (давление вне трубы); L – длина трубы от входа до заглушки; ρ – удельная плотность жидкости; v0 – скорость потока перед остановкой.

Решение задачи.

Приведенная математическая модель характеризует параметры, которые описывают гидравлический удар. В данном случае к контролируемым параметрам относим давление при гидравлическом ударе, изменение скорости воды при ударе и плотность потока в трубопроводе.

Микропроцессорная система на основе микроконтроллера управляет блоками взаимодействия с измерительным устройством, датчиками, блоком коммутации, преобразованием сигнала с помощью АЦП, устройствами ввода-вывода: графическим дисплеем, интерфейсом для интеграции с персональным компьютером RS232. Структурная схема электронной системы приведена на рис.1

Рис 1 – Структурная схема электронной системы контроля параметров гидравлического удара.

Выводы

• Аргументирована необходимость оперативного отслеживания состояния параметров гидравлического удара в условиях ТЭС.
• Предложена структура электронной системы прогнозирования гидравлического удара на основе микрокопроцессорной системы.

Список использованной литературы

1. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. М.-Л., Гостехиздат, 1949. 103 с.
2.Клименко А.В.. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы: Справочник/ В.М. Зорина - МЭИ, 2000.
3.Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. М, 1981.
4.Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 7-е изд., стереот. - М: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с: шт.