Способ управления турбоагрегатами для перекачки жидкостей и газов
Владельцы патента RU 2476728:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный университет" (RU)
Изобретение относится к области управления турбоагрегатами, в частности нефтеперекачивающими, водоотливными и компрессорными установками, включающими центробежные или осевые машины. Для изменения скорости вращения роторов турбоагрегатов формируют управляющий сигнал, обеспечивающий максимальное значение КПД. Для этого паспортные характеристики турбоагрегатов аппроксимируют полиномами, по которым определяют аналитическое выражение для максимального КПД и уравнение линии равных КПД, которое решают совместно с уравнением нагрузки, в частности трубопровода. Результат этого решения используют для определения значения частоты вращения турбоагрегатов путем решения уравнения их напорной характеристики относительно частоты вращения, которое используют в качестве задания для устройства изменения частоты вращения роторов. Изобретение направлено на получение максимально возможного КПД турбоагрегатов независимо от характеристики трубопровода. 1 ил.
Изобретение относится к области управления турбоагрегатами, в частности нефтеперекачивающими, водоотливными и компрессорными установками, включающими центробежные или осевые машины, и предназначено для обеспечения их работы с максимально возможным коэффициентом полезного действия независимо от изменения характеристики трубопровода.
Известен "Способ определения расходной характеристики насосной установки" (патент RU N 1783869, опуб. 29.11.1990). Недостатками этого способа является то, что не предусмотрено регулирование заданного расхода путем изменения числа оборотов вала насоса, это не позволяет их использовать как регуляторы расхода. Поэтому их применение как регуляторов расхода требует дополнительной установки в потоке жидкости регуляторов давления, что ведет к дополнительным капитальным и эксплуатационным затратам.
Известен «Способ регулирования расхода центробежного электронасоса» (патент RU N 2157468, опубл. 10.10.2000), взятый за прототип. Согласно изобретению при регулировании расхода измеряют активную мощность, потребляемую электродвигателем привода из сети, и вычисляют мощность, действующую на валу насоса с учетом коэффициента полезного действия электродвигателя и эксплуатационного коэффициента полезного действия насосной установки, определяемого при ее работе на закрытую задвижку, измеряют давления на входе и выходе насоса, измеряют частоту питающей сети или число оборотов электродвигателя привода насоса. Расход жидкости, подаваемой центробежным электронасосом, регулируют путем изменения числа оборотов.
Недостаток способа заключается в отсутствии возможности поддержания максимального значения КПД при изменении характеристики трубопровода.
Техническим результатом является получение максимально возможного коэффициента полезного действия турбоагрегатов независимо от характеристики трубопровода.
Технический результат достигается тем, что в способе управления турбоагрегатами для перекачки жидкостей и газов, включающем использование рабочих характеристик турбоагрегатов H-Q при номинальной частоте вращения и изменение частоты вращения их роторов, формируют управляющий сигнал, для чего рабочие характеристики турбоагрегатов H-Q и КПД-Q аппроксимируют аналитическими зависимостями, по которым определяют значение максимального КПД и уравнение линии равных максимальных КПД, которое решают совместно с уравнением нагрузки, в частности трубопровода, и затем результат этого решения используют для определения значения частоты вращения роторов турбоагрегатов путем решения уравнения их напорной характеристики относительно частоты вращения роторов, которую используют в качестве задания для изменения частоты вращения роторов.
Суть способа заключается в следующем. Паспортную характеристику (H-Q) выбранного насоса и КПД аппроксимируют при номинальной частоте вращения аналитическими зависимостями, например полиномами,
где a 0, а 1, a 2, c1, c2, с3 - постоянные коэффициенты, определяемые по паспортным характеристикам турбоагрегатов или при проведении регламентированных испытаний в процессе эксплуатации, Q - производительность, Н - напор.
Исследуя формулу (2) на экстремум, получают значения производительности и напора турбоагрегата при максимальном КПД:
Используя законы подобия турбомашин, определяют уравнение линии максимальных значений КПД для выбранного насоса:
Используя известные формулы для разных зон гидравлического трения характеристику трубопровода получают в аналитической форме, например в виде полинома второй степени:
где b0, b1, b2 - постоянные коэффициенты, определяемые при проектном расчете трубопровода или регламентированных испытаниях.
Совместное решение уравнений (4) и (5) определяет режимные параметры (Н0, Q0) турбоагрегата установки при ее работе с максимальном КПД на трубопровод с заданными параметрами.
При переменной частоте вращения ротора насоса уравнение напорной характеристики приобретает вид:
Подставляя величины (Н0, Q0) в это уравнение (7) и решая его относительно n/nпасп, получаем значение частоты вращения роторов турбоагрегатов, при которой они будут работать с максимальным КПД:
Это значение частоты вращения используется в качестве задания для устройств, обеспечивающих работу турбоагрегатов при переменной скорости вращения ротора. Оно может быть определено как на стадии проектирования насосных и компрессорных станций, так и при эксплуатации.
В качестве примера возьмем данные по одной из насосных водоотливных установок, включающих насос ЦНСГ 850-240.
Для этого насоса а 0=285 м, а 1=0,1143 ч/м2, а 2=0,0001694 ч2/м5, с1=0,237·10-2, с2=0,024·10-4, с5=0,62·10-9.
По формулам (3) Qmax=665 м3/ч, Нmax=286 м, ηmax=0,691.
По формуле (4) 
.
Для характеристики трубопровода получим b0=220 м, b1=0, b2=0,0000186 ч2/м5.
Совместное решение уравнений (4) и (5) определит режимные параметры регулируемого турбоагрегата H0=226,5 м, Q0=592 м3/ч, ηmax=0,697.
Подставляя эти значения в формулу (8), получим n=0,89nпасп.
Для нерегулируемого турбоагрегата H=237 м, Q2=965 м3/ч, η=0,609, n=nпасп.
При изменении характеристики трубопровода режимные параметры регулируемого насоса изменятся, а КПД останется равным своему максимальному значению. Результаты расчета показаны на чертеже. Определение режимных параметров работы насосной установки: 1 - линия рабочих режимов, 2 - характеристика трубопровода, 3 - естественная характеристика насосной установки 
4 - регулировочная характеристика насосной установки 
5 - график КПД.
Способ управления турбоагрегатами для перекачки жидкостей и газов, включающий использование рабочих характеристик турбоагрегатов H-Q при номинальной частоте вращения и изменение частоты вращения их роторов, отличающийся тем, что формируют управляющий сигнал, для чего рабочие характеристики турбоагрегатов H-Q и КПД-Q аппроксимируют аналитическими зависимостями, по которым определяют значение максимального КПД и уравнение линии равных максимальных КПД, которое решают совместно с уравнением нагрузки, в частности трубопровода, и затем результат этого решения используют для определения значения частоты вращения роторов турбоагрегатов путем решения уравнения их напорной характеристики относительно частоты вращения роторов, которую используют в качестве задания для изменения частоты вращения роторов.
