The frequency-regulated electric drive of pump installation modelling in a condition of hydraulic blow with representation of a hydrohighway by a line with the distributed parameters is executed. It is investigated influences of narrowing of the pipeline on pressure throws at start-up of pump units electric drives. The conclusion is drawn on expediency of smooth start-up system use in the electric drive of the pump unit

Коротаев, Павел Алексеевич

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

 Проблемы автоматизированного электропривода 371 
Коротаев П.А. Украина 
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» 
К ПРИЧИНАМ ПОРЫВОВ ВОДОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПУСКАХ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ 
Одной из наиболее острых проблем в системе ЖКХ является наличие частых порывов водопроводных сис-
тем, которые сопровождаются значительными утечками воды, затратами на ремонт и восстановительные рабо-
ты. Обычно это объясняют изношенностью водопроводных сетей. И действительно, во многих городах изно-
шенность составляет более 50 лет, а в некоторые сети были заложены более 100 лет назад. Ежегодно на замену 
изношенных участков водопроводных сетей тратятся десятки миллионов гривен [1]. 
Однако большое число порывов наблюдается и в относительно не старых водопроводных сетях. Например, 
в сетях станции второго подъема п.г.т. Солоницевка (г.Харьков) ежегодно имело место до 60 порывов. Однако 
после внедрения разработанного кафедрой «Автоматизированные электромеханические системы» Националь-
ного технического университета «Харьковский политехнический институт» и внедренного в опытную серию на 
«Харьковском приборостроительном заводе им. Шевченко» преобразователя частоты для энергосберегающего 
электропривода число порывов водопроводной сети сократилось до 8-10 в год, при этом экономия воды соста-
вила около 20%. 
Информация о том, что в 2011г. по данным Харьковского КП «ПТП «Вода» остановки нескольких насосных 
станций всего на 10 минут было достаточно, чтобы после возобновления их работы давление воды повредило 
трубы на многих участках. На сетях возникало до сотни одновременно существующих порывов, тогда как лик-
видировать за сутки удавалось лишь 17[1]. 
Вышеуказанные факты побудили автора рассмотреть возможность влияния волновых процессов в водопро-
водной сети при пуске электроприводов как возможной причины порывов. Моделирование процессов пуска на-
сосных агрегатов на водопроводную сеть, рассматриваемую как линию с распределенными параметрами, под-
твердило факт существования повышения давления при прямых пусках электроприводов насосных агрегатов 
[2]. 
Опыт эксплуатации показывает, что весьма часто порывы имеют место в местах сужения водопроводной се-
ти при разводке водоснабжения за магистральным коллектором. Целью настоящей работы является проверка 
возможности возникновения бросков давления при пусках насосных агрегатов в магистральной водопроводной 
сети, имеющей сужения. 
На рис.1 показана математическая модель в структурной форме электропривода насосной установки, рабо-
тающей на водопроводную сеть, которая состоит из: 
- асинхронного двигателя, в котором звено электромеханического преобразования энергии представлено 
апериодическим звеном первого порядка; 
- модель трубопроводной сети и потребителя принята из [3]; - в качестве регулятора давления взят ПИ-
регулятор с передаточной функцией  
pT
k
kW
н
p
pP += ,        (1) 
где pk – коэффициент усиления регулятора давления, Тн – постоянная времени регулятора давления. 
p
pi2
с
с
н
НН
НН
МMM
−
−
−+
0
2
0
0
2
0 )(
υ
υυ
н
ω
1
Jp
1
1+pTe
β
1
1
+Tp
p
1
p
1
Q
 
Рис. 1 – Математическая модель в структурной форме электропривода насосной установки, работающей на во-
допроводную сеть 
 Энергосбережение средствами электропривода 372 
Моделирование проводилось для насосной станции, осуществляющей подачу воды с помощью центробеж-
ного насоса мощностью Pн=15 кВт. Номинальный напор и производительность насоса соответственно равны 
Hн=28 м и Qн=80 м3/ч, напор насоса при нулевой подаче составляет H0=32 м. Для расчетов взято N=20 участков 
трубопровода, удельные параметры которых равны: r0=20,5 с2/м6, l0=3,2 с2/м3, с0=3·106 м-1. Предполагалось, что  
расход потребителя Qп(t)=0, что соответствует включению насоса в ночное время, когда большинство кранов 
водопотребления закрыты. 
С теоретической точки зрения было проведено исследование зависимости бросков давления при прямом 
пуске электропривода НА в зависимости от места расположения сужения в трубопроводной магистрали, пред-
ставленное на рис.2. Для сравнения брались магистрали длиной 1000м, 4000м, 6000м и 10000м. Исследовалось 
сужение трубопровода в 4 раза, с диаметра d=0,2м до d=0,05м. Наибольшие броски давления наблюдаются в 
трубопроводах меньшей длины и могут превышать номинальное давление более чем в 7 раз. 
 
 
 
Рис.2 Зависимости максимального давления Нmax при 
гидравлическом ударе при прямом пуске НА от места 
расположения сужения в трубопроводе длиной 
1 – 1000м, 2 – 4000м, 3 – 6000м, 4 – 10000м 
Рис.3 Распространение волн давления по длине 
трубопроводной магистрали при прямом пуске 
насоса  
 
 
 
Рис.4 Изменения напора Н(t) по длине магистрали при прямом пуске НА 
 
 Проблемы автоматизированного электропривода 373 
Для уяснения характера протекающих процессов получены зависимости изменения напора (рис.3, рис.4). 
Для исследования была выбрана конфигурация трубопровода, при которой замечено наибольшее повышение 
давления: длина L=1000м, сужение на 75% длины магистрали (15ом участке). Как видно в месте сужения тру-
бопровода волны давления происходит удар, который приводит возникновению волн повышенного давления в 
обоих участках трубопровода (рис. 3). Дальнейшее распространение данных волн может привести к броску 
давления, которое более чем в 7 раз превосходит номинальное (рис 4). Также видно, что место наибольшего по-
вышения давления приходится на наиболее узкую часть магистрали. 
 
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
50
100
150
200
250
300
350
 
 
Рис.5 Зависимость бросков напора Н в месте изменения 
диаметра трубопровода 
Рис.6 Изменения напора Н(t) по длине магистрали 
при пуске НА за время t=20c. 
 
Получим зависимость максимального давления в трубопроводе от изменения диаметра трубопровода. Ис-
следовался прямой пуск  электропривода НА на трубопровод длиной L=1000м, изменение диаметра проводи-
лось на 75% длины магистрали. Исследовалось влияние, как сужения, так и расширения диаметра магистрали. 
Видно, что сужение трубопровода приводит к резкому повышению давления в трубопроводе. Уменьшения се-
чения в 4 раза приводит к броскам давления в 7,5 раз превышающим номинальное (рис.5). 
Использование системы плавного пуска с выбором времени в соответствии с соображениями, описанными в 
[4], позволяет добиться того, что давление в системе не будет превышать номинальное более чем на 5% (рис.6). 
 
Выводы. Исследование переходных процессов при пуске электропривода насосного агрегата показывает 
возможность устранение бросков давления при гидравлическом ударе средствами частотно-регулируемого 
электропривода. Таким образом, использование систем регулируемого электропривода позволяет не только 
снизить величину потребляемой электроэнергии, но и величину средств, которые идут на восстановительные 
работы после порывов трубопроводов, средств связанных с производством и транспортированием объемов во-
ды, которые идут на утечки. 
 
Литература 
1. Буряковская Т. Харьковские коммунальщики готовятся к зиме // Время. – 2011. – №673. – С. 1 
2. Клепиков В.Б, Коротаев П.А., Кравец А.М. Управление динамическими нагрузками в трубопроводных 
сетях средствами регулируемого электропривода насоса // Приводная техника. – Москва, 2012. – №1. – С. 
24 – 30. 
3.  Кравец А.М., Коренькова Т.В. Математическая модель гидротранспортного комплекса с управляемой 
трубопроводной арматурой // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-
виробничий журнал. – Кременчук: КДПУ, 2009. – Вип. 2 (6). – C. 29-32. 
4. Коротаев П.А. Влияние параметров водопроводной сети на броски давления при пусках электроприводов 
насосных агрегатов // Електромеханічні та енергетичні системи, методи моделювання та оптимізації. – 
Кременчук, КДУ, 2013. – С. 61 − 63. 
 


К причинам порывов водопроводных систем при пусках электроприводов насосных агрегатов

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

 Проблемы автоматизированного электропривода 371 Коротаев П.А. Украина Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» К ПРИЧИНАМ ПОРЫВОВ ВОДОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПУСКАХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ Одной из наиболее острых проблем в системе ЖКХ является наличие частых порывов водопроводных сис-тем, которые сопровождаются значительными утечками воды, затратами на ремонт и восстановительные рабо-ты. Обычно это объясняют изношенностью водопроводных сетей. И действительно, во многих городах изно-шенность составляет более 50 лет, а в некоторые сети были заложены более 100 лет назад. Ежегодно на замену изношенных участков водопроводных сетей тратятся десятки миллионов гривен [1]. Однако большое число порывов наблюдается и в относительно не старых водопроводных сетях. Например, в сетях станции второго подъема п.г.т. Солоницевка (г.Харьков) ежегодно имело место до 60 порывов. Однако после внедрения разработанного кафедрой «Автоматизированные электромеханические системы» Националь-ного технического университета «Харьковский политехнический институт» и внедренного в опытную серию на «Харьковском приборостроительном заводе им. Шевченко» преобразователя частоты для энергосберегающего электропривода число порывов водопроводной сети сократилось до 8-10 в год, при этом экономия воды соста-вила около 20%. Информация о том, что в 2011г. по данным Харьковского КП «ПТП «Вода» остановки нескольких насосных станций всего на 10 минут было достаточно, чтобы после возобновления их работы давление воды повредило трубы на многих участках. На сетях возникало до сотни одновременно существующих порывов, тогда как лик-видировать за сутки удавалось лишь 17[1]. Вышеуказанные факты побудили автора рассмотреть возможность влияния волновых процессов в водопро-водной сети при пуске электроприводов как возможной причины порывов. Моделирование процессов пуска на-сосных агрегатов на водопроводную сеть, рассматриваемую как линию с распределенными параметрами, под-твердило факт существования повышения давления при прямых пусках электроприводов насосных агрегатов [2]. Опыт эксплуатации показывает, что весьма часто порывы имеют место в местах сужения водопроводной се-ти при разводке водоснабжения за магистральным коллектором. Целью настоящей работы является проверка возможности возникновения бросков давления при пусках насосных агрегатов в магистральной водопроводной сети, имеющей сужения. На рис.1 показана математическая модель в структурной форме электропривода насосной установки, рабо-тающей на водопроводную сеть, которая состоит из: - асинхронного двигателя, в котором звено электромеханического преобразования энергии представлено апериодическим звеном первого порядка; - модель трубопроводной сети и потребителя принята из [3]; - в качестве регулятора давления взят ПИ-регулятор с передаточной функцией  pTkkWнppP += ,        (1) где pk – коэффициент усиления регулятора давления, Тн – постоянная времени регулятора давления. ppi2сснННННМMM−−−+020020 )(υυυнω1Jp11+pTeβ11+Tpp1p1Q Рис. 1 – Математическая модель в структурной форме электропривода насосной установки, работающей на во-допроводную сеть  Энергосбережение средствами электропривода 372 Моделирование проводилось для насосной станции, осуществляющей подачу воды с помощью центробеж-ного насоса мощностью Pн=15 кВт. Номинальный напор и производительность насоса соответственно равны Hн=28 м и Qн=80 м3/ч, напор насоса при нулевой подаче составляет H0=32 м. Для расчетов взято N=20 участков трубопровода, удельные параметры которых равны: r0=20,5 с2/м6, l0=3,2 с2/м3, с0=3·106 м-1. Предполагалось, что  расход потребителя Qп(t)=0, что соответствует включению насоса в ночное время, когда большинство кранов водопотребления закрыты. С теоретической точки зрения было проведено исследование зависимости бросков давления при прямом пуске электропривода НА в зависимости от места расположения сужения в трубопроводной магистрали, пред-ставленное на рис.2. Для сравнения брались магистрали длиной 1000м, 4000м, 6000м и 10000м. Исследовалось сужение трубопровода в 4 раза, с диаметра d=0,2м до d=0,05м. Наибольшие броски давления наблюдаются в трубопроводах меньшей длины и могут превышать номинальное давление более чем в 7 раз.    Рис.2 Зависимости максимального давления Нmax при гидравлическом ударе при прямом пуске НА от места расположения сужения в трубопроводе длиной 1 – 1000м, 2 – 4000м, 3 – 6000м, 4 – 10000м Рис.3 Распространение волн давления по длине трубопроводной магистрали при прямом пуске насоса     Рис.4 Изменения напора Н(t) по длине магистрали при прямом пуске НА   Проблемы автоматизированного электропривода 373 Для уяснения характера протекающих процессов получены зависимости изменения напора (рис.3, рис.4). Для исследования была выбрана конфигурация трубопровода, при которой замечено наибольшее повышение давления: длина L=1000м, сужение на 75% длины магистрали (15ом участке). Как видно в месте сужения тру-бопровода волны давления происходит удар, который приводит возникновению волн повышенного давления в обоих участках трубопровода (рис. 3). Дальнейшее распространение данных волн может привести к броску давления, которое более чем в 7 раз превосходит номинальное (рис 4). Также видно, что место наибольшего по-вышения давления приходится на наиболее узкую часть магистрали.  0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.450100150200250300350  Рис.5 Зависимость бросков напора Н в месте изменения диаметра трубопровода Рис.6 Изменения напора Н(t) по длине магистрали при пуске НА за время t=20c.  Получим зависимость максимального давления в трубопроводе от изменения диаметра трубопровода. Ис-следовался прямой пуск  электропривода НА на трубопровод длиной L=1000м, изменение диаметра проводи-лось на 75% длины магистрали. Исследовалось влияние, как сужения, так и расширения диаметра магистрали. Видно, что сужение трубопровода приводит к резкому повышению давления в трубопроводе. Уменьшения се-чения в 4 раза приводит к броскам давления в 7,5 раз превышающим номинальное (рис.5). Использование системы плавного пуска с выбором времени в соответствии с соображениями, описанными в [4], позволяет добиться того, что давление в системе не будет превышать номинальное более чем на 5% (рис.6).  Выводы. Исследование переходных процессов при пуске электропривода насосного агрегата показывает возможность устранение бросков давления при гидравлическом ударе средствами частотно-регулируемого электропривода. Таким образом, использование систем регулируемого электропривода позволяет не только снизить величину потребляемой электроэнергии, но и величину средств, которые идут на восстановительные работы после порывов трубопроводов, средств связанных с производством и транспортированием объемов во-ды, которые идут на утечки.  Литература 1. Буряковская Т. Харьковские коммунальщики готовятся к зиме // Время. – 2011. – №673. – С. 1 2. Клепиков В.Б, Коротаев П.А., Кравец А.М. Управление динамическими нагрузками в трубопроводных сетях средствами регулируемого электропривода насоса // Приводная техника. – Москва, 2012. – №1. – С. 24 – 30. 3.  Кравец А.М., Коренькова Т.В. Математическая модель гидротранспортного комплекса с управляемой трубопроводной арматурой // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-виробничий журнал. – Кременчук: КДПУ, 2009. – Вип. 2 (6). – C. 29-32. 4. Коротаев П.А. Влияние параметров водопроводной сети на броски давления при пусках электроприводов насосных агрегатов // Електромеханічні та енергетичні системи, методи моделювання та оптимізації. – Кременчук, КДУ, 2013. – С. 61 − 63.  

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/4735/1/vestnik_HPI_2013_36_Korotayev_K%20prichinam%20poryvov.pdf

К причинам порывов водопроводных систем при пусках электроприводов насосных агрегатов

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository