Способ функционирования гидродинамической системы магистралей

Изобретение относится к гидродинамическим системам магистралей, в частности трубопроводным системам на борту судов. Техническим результатом является понижение потребления энергии гидродинамической системы магистралей. Способ функционирования гидродинамической системы магистралей с активным компонентом, который в системе вырабатывает объемный поток среды, и несколькими включенными параллельно друг другу каналами потока, которые активным компонентом совместно снабжаются объемным потоком среды, причем каждый канал потока имеет индивидуальный потребный объемный поток среды, который для, по меньшей мере, части каналов потока является переменным по времени, при этом в каждом канале потока (3, 4, 5) с переменным по времени потребным объемным потоком среды соответствующий объемный поток (q₃, q₄, q₅) индивидуально дросселируется в зависимости от регулируемого параметра (x₃, x₄, x₅), соответствующего каналу потока (3, 4, 5), и дополнительно объемный поток (Q), выработанный активным компонентом (2), в целом регулируется таким образом, что в, по меньшей мере, одном из каналов потока (3, 4, 5) не требуется индивидуальное дросселирование имеющегося там объемного потока (q₃, q₄, q₅). 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

В крупных гидродинамических системах магистралей, в частности трубопроводных системах на борту судов, обычно осуществляется снабжение многих потребителей различными средами. В случае потребителя речь может идти, например, о теплообменнике, гидравлическом приводе или системе с потребностью в непрерывной подаче смазочного вещества, например, в приводе. С гидродинамической точки зрения потребитель в смысле данного изобретения является проточным каналом с соответствующим индивидуальным, при необходимости переменным гидравлическим сопротивлением и индивидуальным расходом объемного потока среды. Кроме того, трубопровод, посредством которого потребитель подключен к общей системе, имеет сопротивление трубопровода, определяемое пространственными условиями и транспортируемым объемным потоком. При проектировании такой системы существует задача выполнять различные требования отдельных потребителей посредством соответствующих мер, например диафрагм в трубопроводах таким образом, что каждый потребитель в любое время получает требующийся ему объемный поток. При этом активный компонент системы (например, насос, компрессор) эксплуатируется с постоянным, не изменяемым числом оборотов. Для статического режима такой системы указанная задача в настоящее время имеет достаточно хорошее решение.

Для динамического режима работы такой системы в настоящее время в судостроении в общем случае применяется следующий образ действий: потребитель снабжается байпасом и регулирующим органом (например, вентилем на три положения). Байпас получает в случае необходимости, посредством диафрагмы, гидродинамическое сопротивление, которое в максимально возможной степени подобно гидродинамическому сопротивлению потребителя в широком диапазоне различных объемных потоков. Регулирующий орган управляет, в зависимости от требования потребителя, переменной долей объемного потока, от 0% до, в необходимом случае, 100% через байпас. За счет практически одинакового у потребителя и байпаса гидродинамического сопротивления, посредством регулирующего процесса, вся система и тем самым параллельно или последовательно включенные другие потребители не испытывают влияния и остаются квазистатическими. Это облегчает регулирование и ограничивает затраты.

Исходя из этого уровня техники, задача изобретения состоит в том, чтобы минимизировать потребление энергии гидродинамической системы магистралей вышеописанного типа.

Эта задача в соответствии с изобретением решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения представлены в зависимых пунктах.

В основе изобретения лежит знание того, что посредством обычного регулирования объемного потока отдельных потребителей через соответствующий байпас возникают потери мощности, которые частично являются ненужными. Эти потери можно минимизировать, если минимизируется объемный поток в системе в целом, вместо того, чтобы проводить рабочую среду в избыточно большом количестве через систему.

Изобретение предусматривает то, что мощность транспортировки активного компонента с учетом объемных потоков, требуемых отдельными потребителями, сокращается настолько, что при, по меньшей мере, одном потребителе не требуется никакого индивидуального дросселирования объемного потока. Объемные потоки остальных потребителей индивидуально дросселируются в соответствующей требуемой степени. Таким способом сумма объемных потоков всех потребителей минимизируется.

Это минимизирует полное сопротивление системы, так как сопротивление трубопровода возрастает в заданной системе, как известно, как квадрат объемного потока, который транспортируется через заданное поперечное сечение трубы. Так как производительность активного компонента системы (например, насоса, компрессора) соответствует произведению объемного тока и создаваемой разности давления, за счет этого мощность транспортировки и, следовательно, также приводная мощность, требуемая активным компонентом, минимизируется.

Это, правда, может иметь следствием то, что активные компоненты, в зависимости от выполнения всей системы и рассеяния возможных рабочих точек, должны эксплуатироваться с КПД, который существенно отклоняется от возможного оптимального значения, однако это не является решающим. Более того, это, прежде всего, определяется тем, какая мощность должна создаваться абсолютно для выполнения системных функций. Она в случае изобретения ниже, чем при вышеописанном обычном способе функционирования.

Если общий объемный поток системы снижается посредством регулирования активного компонента, то получается дополнительное снижение общей мощности потерь за счет того, что общее сопротивление в системе магистралей снижается как квадрат уменьшающегося объемного потока в данных магистралях. В этом заключается дополнительное преимущество изобретения.

Так как при выполнении системы согласно настоящему изобретению не требуется, чтобы гарантировать приближенно постоянное сопротивление потока каждого потребителя по отношению к остальной части системы, необходимость в установке байпасов для потребителей отпадает. Тем самым упрощается аппаратное выполнение системы.

Далее описывается пример выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг.1 - принципиальная структура соответствующей изобретению гидродинамической системы магистралей,

Фиг.2 - принципиальный ход характеристик активных компонентов пассивной части гидродинамической системы магистралей,

Фиг.3 - блок-схема соответствующей изобретению инициализации системы в виде последовательности операций,

Фиг.4 - блок-схема соответствующего изобретению регулирования активного компонента гидродинамической системы магистралей в виде последовательности операций.

Схематичное представление структуры соответствующей изобретению гидродинамической системы магистралей приведено на фиг.1. Эта система содержит, в качестве примера, активный компонент в форме насоса 2, множество параллельно включенных каналов потока определенной функции, которые здесь называются потребителями 3-5, а также множество трубопроводов 6-14, которые соединяют отдельных потребителей 3-5 с насосом 2. Обычно система содержит несколько насосов, например, на насосной станции, однако здесь для простоты описывается только один насос.

В случае потребителей 3-5 речь может идти, например, о холодильных аппаратах. Представленное на чертеже число потребителей в количестве трех приведено только для примера и не ограничено сверху. Трубопроводы 9, 10 и 11 включают в себя сопоставленную с соответствующим потребителем 3, 4 или 5 часть системы магистралей, а не только фрагмент, непосредственно обозначенный соответствующими ссылочными позициями 9, 10 и 11.

Перед или после каждого потребителя 3-5 в каждом трубопроводе 9-11 включен дроссельный клапан 15-17, который управляется соответствующим регулятором 18-20. Регуляторы 18-20 определяют на потребителях 3-5 соответствующие регулируемые параметры х₃-х₅ и выдают на дроссельные клапаны 15-17 базирующиеся на них управляющие сигналы y₃-y₅. При этом тип регулируемых параметров х₃-х₅ зависит от функции потребителей 3-5. Если в случае потребителей речь идет, например, о холодильных аппаратах, то регулируемые параметры х₃-х₅ являются температурами. Одновременно регуляторы 18-20 выдают на центральный регулятор 21 оповестительные сигналы z₃-z₅, в которые входят положения дроссельных клапанов 15-17, а также регулируемые параметры х₃-х₅.

Насос 2 оснащен регулируемым приводом. В случае электродвигателя это означает управление посредством преобразователя частоты с переменной частотой вместо постоянной частоты. Тем самым число оборотов насоса 2 и, следовательно, объемный поток всей системы 1 может варьироваться насосом 2. Привод насоса 2 регулируется посредством центрального регулятора 21, который для этого выдает управляющий сигнал N для числа оборотов насоса 2.

Кроме того, как насос 2, так и потребители 3-5 оснащены соответственно измерительным устройством 22, или 23, или 25, которые измеряют соответствующие разности давлений для насоса или отдельных потребителей 3-5 и выдают соответствующие измеренные сигналы Δр₂, или Δр₃, или Δр₅ на центральный регулятор 21.

Кроме того, система 1 магистралей содержит в трубопроводе 6, обтекаемом общим объемным потоком Q, выравнивающий элемент 26, который выравнивает действие потребителей 3-5 по отношению к передаче энергии и/или материи. Если в случае потребителей 3-5 речь идет, например, о теплообменниках, посредством которых среда, протекающая в системе 1 магистралей, воспринимает тепло, то выравнивающий элемент 26 представляет собой теплообменник, через который протекающая в системе 1 магистралей среда выдает тепловую мощность в окружающую среду, так что температура среды остается постоянной в пределах предопределенного диапазона. Если протекающая в системе 1 магистралей среда частично материально потребляется в потребителях 3-5, то выравнивающий элемент 26 представляет собой резервуар, из которого подводится соответствующее количество среды, чтобы постоянно поддерживать примерно постоянным количество, содержащееся в системе 1 магистралей.

Для понимания способа функционирования соответствующего изобретению способа, с помощью фиг.2 кратко описываются характеристики гидродинамической системы 1 магистралей рассматриваемого здесь типа. На фиг.2 представлено давление, также обозначенное как высота напора Н, по всему объемному потоку Q системы 1, причем представлено семейство характеристик (кривые напора насоса) для режима работы насоса 2 и семейство характеристик (характеристики установки) для режима работы системы 3-17 магистралей. Представление на фиг.2 имеет чисто качественный характер.

Три слева направо сначала слегка возрастающие и затем спадающие до нуля характеристики (кривые напора насоса) представляют собой характеристики насоса для различных чисел оборотов, то есть различные приводные мощности насоса 2, причем характеристики насоса при возрастании числа оборотов сдвигаются к большей высоте напора (как квадрат изменения числа оборотов H₁/H=(n₁/n)²) и объемного тока (с изменением числа оборотов Q₁/Q=n₁/n). Потребляемая мощность насоса возрастает (без учета потерь в опорах и уплотнениях) как куб изменения числа оборотов (Р₁/Р=(n₁/n)³).

Три начинающиеся слева в нуле и постепенно возрастающие характеристики (характеристики установки) являются характеристиками подключенной к насосу 2 системы магистралей 3-17 для различных состояний последней, то есть для различных положений дроссельных клапанов 15-17. Чем сильнее дроссельное действие, то есть общее сопротивление потока системы магистралей 3-17, тем большая высота напора Н требуется для достижения определенного объемного потока Q, и тем большую приводную мощность, следовательно, необходимо применять к насосу 2.

Так как весь объемный поток Q протекает как через насос 2, так и систему магистралей 3-17, то рабочая точка всей системы 1 получается как точка пересечения соответствующей характеристики насоса 2 с соответственно применимой характеристикой всей системы магистралей 3-17 и может, при достаточном знании всех системных параметров, рассчитываться численно. Обычно работают как с постоянной мощностью насоса, так и с максимально возможным постоянным сопротивлением потока, таким образом, в единственной по возможности постоянной рабочей точке всей системы 1.

Настоящее изобретение, в противоположность этому, преследует цель постоянно выбирать рабочую точку с по возможности низким сопротивлением потока системы магистралей 3-17, так что весь требуемый потребителями 3, 4 и 5 объемный поток Q данной величины реализуется с по возможности низкой мощностью насоса. Для этого при временной вариабельности необходимого объемного потока Q отдельных потребителей допускается временная вариабельность как сопротивления потока, так и мощности насоса, так что соответствующая применимая характеристика насоса 2 и системы магистралей 3-17 непрерывно изменяются, и, следовательно, рабочая точка, получающаяся как точка пересечения обеих характеристик, непрерывно сдвигается.

При пуске в эксплуатацию гидродинамической системы 1 магистралей по фиг.1 следующие данные являются известными:

- поле характеристик насоса соответственно фиг.2,

- потребляемая мощность насоса в конкретных точках поля характеристик,

- сопротивление потока дроссельных клапанов 15-17,

- число и тип потребителей 3-5,

- выполнение сети трубопроводов 3-17.

Для соответствующего изобретению регулирования системы 1 требуется знание объемных потоков q₃-q₅ через отдельные потребители. Чтобы обеспечить возможность измерения этих объемных потоков q₃-q₅ через разности давлений Δр₃-Δр₅, перед пуском в эксплуатацию системы 1 проводится автоматизированный способ инициализации, который далее поясняется с помощью блок-схемы последовательности операций по фиг.3.

Сначала на этапе 30 дроссельные клапаны 15-17 всех потребителей 3-5 полностью открываются. Насос 2 затем приводится на номинальную мощность, и измеряется разность давлений Δр₂ на насосе 2. Из известного поля характеристик насоса 2 получается минимальное сопротивление потока всей системы магистралей 3-17.

Затем на этапе 31 выбирается новый, то есть до сих пор еще не обработанный потребитель n, и соотнесенный с этим потребителем дроссельный клапан полностью открывается. При первом выполнении этапа 31, после этапа 30, он уже открыт, а при последующих выполнениях этапа 31 больше не открыт.

Затем на этапе 32 дроссельные клапаны всех других потребителей полностью запираются. Если, например, потребитель 3 выбран, и его дроссельный клапан 15 на этапе 31 отпирается, тогда на этапе 32 дроссельные клапаны 15 и 17 обоих других потребителей 4 и 5 запираются. Тем самым достигается то, что весь объемный поток Q системы 1 идентичен индивидуальному объемному потоку q_n соответствующего выбранного потребителя n.

Дроссельный клапан выбранного потребителя n на этапе 33 переводится в различные положения, следовательно, управляющий сигнал y_n варьируется, и в каждом положении измеряется разность давлений Δp_n на выбранном потребителе и разность давлений Δр₂ на насосе 2. Таким способом определяется характеристика Δр₂ как функция Δp_n. При этом число точек измерений должно определяться в зависимости от желательной точности регулирования, так как при более позднем применении принятой характеристики должна выполняться интерполяция между точками измерений.

Поскольку каждому значению разности давлений Δр₂ на известном поле характеристик насоса 2 при заданной приводной мощности однозначно поставлен в соответствие объемный поток Q через насос 2, определенная на этапе 33 характеристика пересчитывается на этапе 34 в характеристику всего объемного потока Q как функция разности давлений Δp_n на выбранном потребителе n. Из-за вынужденной идентичности всего объемного потока Q с индивидуальным объемным потоком q_n выбранного потребителя n, эта полученная на этапе 34 характеристика является одновременно характеристикой индивидуального объемного потока q_n выбранного потребителя n в функции разности давлений Δp_n.

На этапе 35 проверяется, были ли уже все потребители замерены вышеописанным образом, или нет. Если нет, то выполняется возврат на этап 31, и там выбирается новый, еще не замеренный потребитель. Если да, то способ инициализации завершается.

Описанный способ инициализации позволяет в последующем нормальном режиме системы 1 определять индивидуальные объемные потоки потребителей 3-5 через соответствующие разности давлений Δр₃-Δр₅ и таким образом определять объемный поток Q, вырабатываемый в целом насосом. Соответствующий изобретению нормальный режим системы 1 поясняется далее со ссылкой на блок-схему последовательности операций на фиг.4.

Сначала на этапе 36 насос 2 устанавливается на номинальную мощность, и контуры регулирования всех потребителей 3-5 включаются. Регуляторы 18-20 устанавливают затем дроссельные клапаны 15 и 17 посредством управляющих сигналов y₃-y₅ таким образом, что определенные на каждом потребителе 3-5 регулируемые параметры х₃-х₅ приближаются к соответствующему номинальному значению.

Затем на этапе 37 проверяется, не открыт ли еще какой-либо дроссельный клапан 15 и 17 полностью. Эту информацию получает центральный регулятор 21 через оповестительные сигналы z₃-z₅ от регуляторов 18-20. Если это так, то мощность насоса в целом выше, чем было бы необходимо, чтобы всех потребителей 3-5 снабжать достаточными объемными потоками q₃-q₅.

В этом случае на следующем этапе 38 через разности давлений Δр₃-Δр₅ определяется полный объемный поток Q и объемные потоки отдельных потребителей 3-5. Из характеристик (разность давлений в зависимости от объемного потока) отдельных потребителей, а также полного сопротивления потока, которые были определены на вышеописанной фазе инициализации, затем на этапе 39 вычисляется, каким образом можно снизить мощность насоса, чтобы для одного из потребителей 3-5 больше не требовалось дросселирование объемного потока с помощью соответствующих дроссельных клапанов 15-17. Эта минимальная мощность задается для насоса центральным регулятором 21 через число оборотов N.

На этапе 40 проверяется, следует ли продолжать нормальный режим работы системы, или нет. Если да, то происходит возвращение к этапу 37. В противном случае нормальный режим завершается. То, каким образом в этом случае завершается действие и надежным образом осуществляется переход в состояние покоя, не представляет интереса.

Если проверка на этапе 37 показала, что уже у одного из потребителей 3-5 соответствующий дроссельный клапан 15-17 полностью открыт, то на этапе 41 проверяется, не требуется ли этому потребителю больший объемный поток, чем он может получить при текущем состоянии системы 1. Эту информацию центральный регулятор 21 получает из оповестительных сигналов z₃-z₅ от того из регуляторов 18-20, у которого контролируемый им дроссельный клапан уже полностью открыт. Соответствующий регулятор определяет это в случае уже полностью открытого дроссельного клапана из регулируемой разности между номинальным значением и фактическим значением соответствующего регулируемого параметра.

Если потребитель с полностью открытым дроссельным клапаном требует большего объемного потока, чем имеющийся в текущий момент, то на этапе 42 мощность насоса увеличивается в определенной степени, причем величина этого повышения может зависеть от величины упомянутой регулируемой разности. В противном случае этап 42 не выполняется. Затем в любом случае осуществляется возврат к этапу 37. Это приводит к тому, что цикл, проходящий через этапы 37, 41 и 42, так долго выполняется, и, следовательно, мощность насоса так долго повышается, пока соответствующий потребитель не получит минимально достаточный объемный поток.

В принципе, также возможно, что с течением времени у нескольких потребителей 3-5 соответствующий дроссельный клапан 15-17 полностью открывается. В этом случае проверка на этапе 41 проводится для всех находящихся в этом состоянии потребителей.

Очевидно, что вышеописанный способ приводит к тому, что в нормальном режиме, независимо от начальной переходной фазы, практически постоянно какой-либо из потребителей 3-5 будет эксплуатироваться с полностью открытым дроссельным клапаном 15-17 и что насос 2, следовательно, будет эксплуатироваться с мощностью, которая в среднем по времени лежит заметно ниже номинальной мощности, если исходить их того, что номинальная мощность выбрана таким образом, что она может удовлетворять максимально возможную потребность в объемном потоке системы 1.

Понятно, что регуляторы 18-20, соответствующие отдельным потребителям 3-5, конструктивно могут быть объединены с центральным регулятором 21. Важно лишь то, что предусматривается вышестоящий контур регулирования для насоса 2 и несколько подчиненных контуров регулирования для отдельных дроссельных клапанов 15-17.

Определение системных параметров при пуске в эксплуатацию оснащенной таким образом системы может выполняться автоматически. При этом может отпадать необходимость в длительной и дорогостоящей настройке диафрагм, как это зачастую необходимо в обычных системах.

В той мере, в какой здесь речь идет о магистралях или системе магистралей, само собой разумеется, что все выводы равным образом справедливы для трубопроводов, шлангопроводов, проточных каналов с многоугольной формой поперечного сечения, а также для систем магистралей, имеющих участки из нескольких различных типов замкнутых проводящих поток магистралей. Все подобные варианты систем магистралей должны включаться в объем защиты пунктов формулы изобретения.

1. Способ функционирования гидродинамической системы магистралей с активным компонентом, который в системе вырабатывает объемный поток среды, и несколькими включенными параллельно друг другу каналами потока, которые активным компонентом совместно снабжаются объемным потоком среды, причем каждый канал потока имеет индивидуальный потребный объемный поток среды, который для, по меньшей мере, части каналов потока является переменным по времени,
отличающийся тем, что в каждом канале потока (3, 4, 5) с переменным по времени потребным объемным потоком среды соответствующий объемный поток (q₃, q₄, q₅) индивидуально дросселируется в зависимости от регулируемого параметра (x₃, x₄, x₅), соответствующего каналу потока (3, 4, 5), и что дополнительно объемный поток (Q), выработанный активным компонентом (2), в целом регулируется таким образом, что в, по меньшей мере, одном из каналов потока (3, 4, 5) не требуется индивидуальное дросселирование имеющегося там объемного потока (q₃, q₄, q₅).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед пуском в эксплуатацию системы (1) последовательно друг за другом для каждого отдельного канала потока (3, 4, 5) определяется взаимосвязь между разностью давлений (Δp₃, Δp₄, Δp₅), падающей в канале потока (3, 4, 5), и объемным потоком (q₃, q₄, q₅), протекающим через канал потока (3, 4, 5).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед пуском в эксплуатацию системы (1) для определения упомянутой взаимосвязи при номинальном режиме работы компонента (2), поле характеристик которого известно, все каналы потока (3, 4, 5), кроме того, для которого должна определяться взаимосвязь, закрыты, что в единственном незакрытом канале потока (n) варьируется степень дросселирования и при этом измеряются падающая на канале потока (n) разность давлений (Δp_n) и падающая на активном компоненте разность давлений (Δp₂), и на основе известного поля характеристик активного компонента (2) каждому значению измеренной разности давлений (Δp_n) на незакрытом канале потока (n) сопоставляется значение объемного потока (q_n).

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что перед пуском в эксплуатацию системы (1), при номинальном режиме работы активного компонента (2) и в недросселированном состоянии всех каналов потока (3, 4, 5), измеряется разность давлений (Δp₂) на активном компоненте (2) и на основе известного поля характеристик активного компонента (2) определяется минимальное общее сопротивление потока подключенной к активному компоненту (2) системы магистралей (3-17).

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в регулярном режиме работы системы (1), посредством регулирования определяется устанавливаемое значение всего объемного потока (Q) на основе действительных для отдельных каналов потока (3, 4, 5) взаимосвязей между соответствующими разностями давлений (Δp₃, Δp₄, Δp₅) и объемными потоками (q₃, q₄, q₅), а также на основе минимального общего сопротивления потока подключенной к активному компоненту (2) системы магистралей (3-17).

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в регулярном режиме работы системы (1) посредством регулирования определяется устанавливаемое значение всего объемного потока (Q) на основе действительных для отдельных каналов потока (3, 4, 5) взаимосвязей между соответствующими разностями давлений (Δp₃, Δp₄, Δp₅) и объемными потоками (q₃, q₄, q₅), а также на основе минимального общего сопротивления потока подключенной к активному компоненту (2) системы магистралей (3-17).

7. Способ по любому из пп.1-3 или 6, отличающийся тем, что в регулярном режиме работы системы (1) потребный объемный поток канала потока (3, 4, 5), который эксплуатируется без дросселирования, непрерывно контролируется, и что при повышении этого потребного объемного потока значение всего вырабатываемого активным компонентом (2) объемного потока (Q) повышается.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что в регулярном режиме работы системы (1) потребный объемный поток канала потока (3, 4, 5), который эксплуатируется без дросселирования, непрерывно контролируется, и что при повышении этого потребного объемного потока значение всего вырабатываемого активным компонентом (2) объемного потока (Q) повышается.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что в регулярном режиме работы системы (1) потребный объемный поток канала потока (3, 4, 5), который эксплуатируется без дросселирования, непрерывно контролируется, и что при повышении этого потребного объемного потока значение всего вырабатываемого активным компонентом (2) объемного потока (Q) повышается.

10. Способ по любому из пп.1-3, 6, 8 или 9, отличающийся тем, что весь вырабатываемый активным компонентом (2) объемный поток (Q) устанавливается посредством приводной мощности активного компонента (2).

11. Способ по п.4, отличающийся тем, что весь вырабатываемый активным компонентом (2) объемный поток (Q) устанавливается посредством приводной мощности активного компонента (2).

12. Способ по п.5, отличающийся тем, что весь вырабатываемый активным компонентом (2) объемный поток (Q) устанавливается посредством приводной мощности активного компонента (2).

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что весь вырабатываемый активным компонентом (2) объемный поток (Q) устанавливается посредством приводной мощности активного компонента (2).