ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст


Вступ

Серед базових галузей української економіки, електроенергетика є домінуючою. Україна  великий споживач і виробником енергії. За споживаної електроенергії України поступається тільки найбільш розвиненим країнам Світу: США, Росія, Японія, Канада.

На сьогоднішній день потенціал теплоенергетики України становить 44 теплових електростанцій (ТЕС), з яких 14 великих. У Донецькому регіоні налічується 7 станцій. Питома вага ТЕС у сумарній встановленій потужності галузі, в період до 2030р, триматиметься на рівні 50-60%. Важливість цих технологічних об'єктів очевидна [8,9]

Загальна протяжність трубопровідних систем теплових мереж 2.9 тис. км. Це, в основному, мережі (трубопровідні системи), що з'єднують теплоелектростанції і теплоелектроцентралі з міськими тепломережами. Гідравлічний удар часте явище, яке виникає в трубопровідних системах теплових електростанцій.

Гідравлічним ударом називається різке підвищення або пониження тиску в напорному трубопроводі в результаті зміни швидкості руху рідини в ньому.

За оцінками експертів, причинами аварій (розривів трубопроводів) на ТЕС є:

- 55% випадків - гідравлічні удари, перепади тиску і вібрації;

- 25% - корозійні процеси;

- 20% – форс-мажорні обставини.

Чималий вклад у аварійність вносять: відключення електроживлення (різке вимкнення насосів), спрацьовування запірної трубопровідної арматури, помилкові дії обслуговуючого персоналу, помилкові спрацьовування технологічних захистів. [5,3,6]

Для своєчасного реагування на можливі виникнення аварійних ситуацій (розрив трубопроводів) необхідно контролювати технологічні параметри трубопровідної системи: витрата і швидкість рідини, тиск. Найбільш критичним з них, є тиск води.

1. Актуальність теми

В теперішній час паливно-енергетичний комплекс України переживає складний стан, пов'язаний зі світовою кризою, низькими інвестиціями в енергетику, старінням енергетичного обладнання. Виникає різка потреба в техніко-технологічної реконструкції, оновленні та ремонті виробничих потужностей та інфраструктури української теплоенергетики. З 14 українських ТЕС, 7 були спроектовані більше 50 років тому і введені в експлуатацію ще в 60-і роки, ще 6 ТЕС – в 70-і роки. Очевидно, що теплові електростанції (ТЕС) давно виробили свій ресурс. Актуальним завданням стало забезпечення їх безаварійної роботи.

Одним з ризиків в роботі ТЕС є явище гідравлічного удару. Хвильові процеси, що виникають при перехідних режимах, є причиною руйнування трубопроводів, порушення роботи насосних установок (несправності насосів), арматури та інших конструкцій трубопровідної системи. Для зниження виникнення аварійних ситуацій під час роботи теплоелектростанції, необхідно здійснювати експрес контроль технологічного процесу [5,8].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета роботи - розробити, обгрунтувати та дослідити структуру електронної системи, що забезпечує автоматизований контроль параметрів технологічного процесу, що протікає в трубопровідних системах.

Основні задачі дослідження:

  1. Аналіз методів вимірювання гідравлічного удару в трубопровідній системі теплоелектростанції.
  2. Розробка математичної моделі вимірювання параметрів гідравлічного удару.
  3. Обгрунтування структури каналу виміру тиску.
  4. Розробка структури електронної системи, вимірювання параметрів гідравлічного удару.
  5. Оперативне відстеження режимів роботи трубопровідних систем і прогнозування гідравлічного удару на основі отриманих результатів методами математичного моделювання.

Об'єкт дослідження: трубопровідна система на теплоелектростанції.

Предмет дослідження: контроль параметрів технологічного процесу (тиск, витрати та швидкість рідини) в трубопроводі.

3. Стислий огляд існучючих рішень

Явище гідравлічного удару незмінно залишається актуальним, у зв'язку з науковим і практичним аспектами. Основні фізичні та гідродинамічні процеси, що протікають в трубопровідних системах, в основному вивчені. Однак в реальних системах специфіка перехідних процесів в основному визначається багаторазовим накладенням відбитих від конструктивних неоднорідностей системи хвиль тиску і трансформацією цих хвиль при їх проходженні по довжині трубопроводів. Вирішенню проблеми перешкоджає багатовимірність, що збільшується нелінійністю процесів.

Існуючі методи розрахунку – графічний і аналітичний, могли виконуватися лише для достатньо простих систем. Підвищення точності розрахунків дало застосування чисельних методів з використанням ЕОМ. Їх впровадження та масове використання дозволило проводити розрахунки практично без обмеження складності мереж.

Великий внесок у теорію нестаціонарних динамічних процесів в трубопроводах, починаючи з робіт Н.Є. Жуковського [1], внесли Л. Алліеві, О. Шнідер, Д.А. Фокс, Л.С. Лейбензон, С.А. Християнович, І.А. Чарний, А.Х. Мірзаджанзаде, Г.Д. Розенберг, В. Стрітер, В.І. Марон, М.В. Лур'є, В.І. Мащенко, М.А. Гусейнзаде, В.А. Юфин, Б.Ф. Лямаев, Х.Н. Нізамов, Р.Ф. Ганієв, Л.Б. Кублановський, Л.В. Полянська та інші вчені. Вони викладають методики розрахунку гідравлічного удару при різних комбінаціях відомих параметрів трубопровідних систем.

4. Розрахунок гідравлічного удару та огляд досліджень по темі

Донедавнього часу вважалося, що графічні та аналітичні методи є найкращими для вирішення нестаціонарних задач. Метод Шнідер-Бержерона [2] дуже обмежений і не позбавлений недоліків. До основних з низ можна віднести наступні особливості: а) зміна швидкості хвилі може бути дуже великою, в результаті лінії елементарних хвиль при графічному методі замість прямих стають складними кривими, які заздалегідь визначити не можна; б) рідина може містити не тільки вільний газ, а і розчинений, який зустрічається в нафті і воді; в) довгі водопроводи постачають клапанами зі складними сервоприводами, описати поведінку такого обладнання вкрай важко через багатопараметричний характер роботи клапана; г) при відключенні насосів необхідно враховувати зміну його частоти обертання і роботу клапана при заповненні або спорожненні резервуара; д) багато видів граничних умов можуть бути представлені математично, але їх неможливо провести аналітично; e) вимога щоб усі довжини труб в трубопровідної мережі знаходилися у простих співвідношеннях, є дуже великим обмеженням і може привести до значних помилок. Так само, в складних мережах в одній точці можуть сходитися до 15 розгалужень, без їх спрощень вирішити завдання можуть дуже не багато фахівців.
Тому був обраний метод характеристик, який має менше недоліків, ніж аналітичний та графічний.

Під час проведення досліджень та здійснення розрахунків гідравлічного удару, були сформовані фактори, від яких він залежить це: довжина і вид трубопроводу, матеріалу і геометрії труб, середовища, що транспортується, закон зміни швидкості потоку і т.д. [5]. Для того щоб врахувати всі фактори, від яких залежить гідравлічний удар, використовується метод характеристик. Найпростіша гідравлічна (трубопровідна) система має наступний вигляд рис 1.


Рисунок 1 — Найпростіша схема гідравлічної системи: 1 — насос; 2 — трубопровід, 3 — резервуар.

Гідравлічний удар в трубопроводах спричиняється швидкою зміною швидкості руху води, це супроводжується великим підвищенням тиску. В трубопровідних системах найбільш небезпечні коливання тиску, виникають при раптовому відключенні насосного агрегату. Приклад гідраічного удару зображений на рис. 2.

Рисунок 2 - Приклад гідравлічного удару в трубопровідній системі при відключенні насоса. Основні параметри анімації: кількість кадрів - 8; обсяг - 141 КВ; кількість циклів повторення - 6

Для розрахунку гідравлічного удару методом характеристик використовують основні рівняння гідравлічного удару:

Рівняння нерозривності і рівняння руху:

                 

Ці рівняння представляються в характеристичній формі:




Використовуючи ці рівняння і початкові умови, був промодельований гідравлічеакій удар. У розрахунку методом характеристик, кожну ділянку трубопроводу розглядаємо як окремий відрізок. При вирішенні рівнянь приведенних вище, легко знайти напір та швидкість Δt, з відомих величин (рис. 3). Метод забезпечує основу розрахунку напорів і швидкостей в бажаному числі точок з урахуванням впливу тертя, конвективного прискорення і миттєвих градієнтів напору - все що, попередні методи повністю або частково опускали [4].


Рисунок 3 — Характеристика методу.

При моделюванні гідравлічного удару були використані наступні параметри трубопровідної системи: L (довжина труби) 1000 м, h (геометрична висота) 20 м, діаметр 2.5 м. В початковому режимі тиск дорівнює 83 атм, витрата води 370 м ^ 3 / ч, ККД = 0.67.

В результаті розрахунку перехідного процесу на ПК отримали графік (рис. 4). Гідравлічний удар виникає через відключення насосного агрегата.

                                             Рисунок 4 - Графік гідравлічного удару на 10 секундному інтервалі часу.

З наведеного графіка видно, що система потребує контролю. Виникаючі різкі зміни тиску, становлять небезпеку для елементів трубопроводу та насосного агрегату. Для своєчасного реагування на загрозу гідравлічного удару системи контролю тиску повинні постійно вдосконалюватися.

Для захисту системи теплопостачання від недопустимого підвищення тиску при гідравлічному ударі застосовуються спеціальні пристрої: які змінюють знак хвилі тисків, які гальмують поширення хвильового процесу, для скидання тиску, пристрої які змінюють харатеристику джерела обурення.

5 Рішення завдання

Параметрами, що контролюються під час технологічного процесу є витрата і швидкість рідини, тиск її на стінки трубопроводу. При вирішенні задачі прогнозування гідравлічному удару, найбільш критичним параметром є тиск, стрибок якого призводить до гідравлічного удару. Тому основний канал вимірювання - це каналом вимірювання тиску.

Запропонована мікропроцесорна система на основі мікроконтролера управляє блоками взаємодії з вимірювальним пристроєм перетворенням сигналу, за допомогою АЦП: графічним дисплеєм, інтерфейсом для інтеграції з персональним комп'ютером RS 485. Структурна схема електронної системи наведена на рис. 5.

                                Рисунок 5 — Структурна схема електронної системи контролю тиску в трубопроводі.

Місце установки системи контролю тиску – трубопроводи ТЕС. Робота запропонованої системи заснована на пропорційному перетворенні зміни тиску в електричний сигнал. При зміні тиску (зі швидкістю вище 0.4 атм / сек) в трубопроводі на виході датчика формується електричний сигнал.

Електричний сигнал з виходу датчика, через блок перетворення тиску надходить в АЦП. Після аналогово-цифрових перетворень, сигнал передається в контролер електронного блоку. Після обробки результат порівнюється з встановленими граничними значеннями.

За результатами обробки формується вихідний сигнал, який надходить в блок індикації,що керує включенням світлодіодних індикаторів. При перевищенні аварійного порогового значення включається відповідний світлодіодний індикатор. Амплітуда зміни тиску відображається на рідкокристалічному дисплеї блоку індикації.

Оцифрований сигнал з датчика при перевищенні порога реєстрації зберігається в пам'яті електронної системи. Передача даних з пам'яті електронного блоку в комп'ютер здійснюється за допомогою інтерфейсу RS485.

З графіка видно, що система повинна встигати фіксувати зміну тиску за час рівний менше половини секунди. В цьому випадку, можна запропонувати вибірку вимірювальних пристроїв (датчиків), що задовольняють вимоги по швидкодії (табл.1)[10,11].




                                                              Таблиця 1 — Порівняльна таблиця датчиків тиску.

Одним з варіантів реалізації прогнозуючої системи може бути спосіб, який базується на подальшому аналізі графіка гідравлічного удару при відомих початкових умовах це  – сплайн апроксимація.



Висновки

 В рамках проведених досліджень виконано:

  1. На підставі вивчення проблеми гідравлічного удару визначена необхідність удосконалення системи контролю трубопроводу ТЕС.
  2. Розглянута необхідність використання електронної системи, заснованої на прогнозуючій математичної моделі,  що вирішує завдання у високому темпі реального часу.
  3. В якості основного вимірювального каналу пропонується використовувати канал тиску, реалізація якого можлива шляхом застосування пристроїв вимірюючих тиск..

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 року. 

Перелік посилань

  1. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. М.-Л., Гостехиздат, 1949. 103 с.
  2. Бержерон Л. От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической сети. Общий графический метод расчета. (Перевод с франц.) М., Машгиз, 1962. 348 с.Лямаев Б.Ф., 4.
  3. А.В. Клименко, В.М. Зорина Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы: Справочник, МЭИ, 2000.
  4. Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. М, 1981. - стр.248
  5. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. — 7-е изд., стереот. — М: Издательство МЭИ, 2001. — 472 с: шт.
  6. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика. М.: Высшая школа. 2008. 200 с.
  7. С.Мекид Повышение структурного интеллекта кластеров датчиков в промышленном производстве /Датчики и системы-2007. - №4 – с. 50÷64
  8. Под ред. А.И. Барановского, Н.Н. Кожевникова, Н.В. Пирадовой. Экономика промышленности. Том 2. Часть 1, 1998.
  9. Энергетическая стратегия Украины на пepиод до 2030 року (Одобрена распоряжением Кабинета Министров Украины от 15 марта 2006 г.), с. 26. Официальный сайт Минтопливэнерго Украины http://mpe.kmu.gov.ua/fuel/control/uk/doccatalog/list?currDir=50358
  10. Уралтеплоресурс http://td-utr.ru
  11. Поисковый портал документации на микроэлектронику http://gaw.ru