1.15 Ю.Г. Буркова.
advertisement
Ю.Г. Буркова УЧЕТ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ КРУПНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ ПРИ ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ИХ РАБОТЫ Процесс работы насосной станции является случайным процессом, в ходе которого происходят различные случайные события, например, такие как внезапные и функциональные отказы насосных агрегатов. С целью исследования сложной системы «насосная станция» автором была разработана ее математическая модель, основанная на методе имитационного моделирования. Моделирующий алгоритм включает в себя элементы, отражающие состояние насосного агрегата (работу, простой в исправном состоянии, ремонт и т. п.), а также состояние насосной станции (подключение нового агрегата, переход к новому периоду водоподачи и др.). Среди множества случайных факторов, влияющих на работу насосной станции, значимыми являются характеристики надежности агрегатов, а также, в наибольшей степени, случайный характер водопотребления обслуживаемых станцией объектов. В данной методике использовались три случайных величины: две характеристики надежности насосного агрегата - наработка между отказами и время восстановления, а также случайная величина требуемых подач насосной станции, параметры закона распределения которой могут быть найдены обработкой фактических подач для реконструируемых НС или вычислены с использованием расчетных графиков подач разной обеспеченности для вновь проектируемых НС. Алгоритм расчета представлен в виде укрупненной блок-схемы (рис.1 - 3). Из-за износа насосных агрегатов, подающих воду, содержащую наносы, их подача снижается. При моделировании снижение подачи насоса принимается равномерным от начала его работы до капитального ремонта и учитывается при определении подач насосов при моделировании работы НС. Условно считается, что после капитального ремонта насоса его подача восстанавливается до начальной. Максимальный процент снижения подачи к моменту начала ремонта агрегата определяется в зависимости от количества наносов в воде по следующей формуле Pm = Km* H / Q , где Km - коэффициент снижения подачи насоса, перекачивающего воду, содержащую наносы, лежит в пределах 0.28 – 2.86 (м/с0,5); H, Q - напор (м) и подача (м3/с) насоса. Данная формула и график для определения коэффициентов снижения подач в зависимости от диаметра частиц наносов (мм) и их средней концентрации в перекачиваемой воде (мг/л) предоставлена отделом «Насосных станций» АО СОВИНТЕРВОД. При моделировании режимов ремонтов были рассмотрены оросительные НС, работающие на сеть открытых каналов, а также НС комплексного назначения, используемые также для целей энергетики, рыбного хозяйства, промышленного водоснабжения и др. Для оросительных НС характерен сезонный режим эксплуатации, когда станция работает лишь в поливной период. Такому режиму эксплуатации соответствует и свой режим ремонтов насосных агрегатов, когда: средние и капитальные ремонты проводятся во внеполивной период; во время работы станции отказы насосов, требующие ремонта длительностью 10 и более суток, маловероятны; возникающие в поливной период отказы устраняются максимум за 2 суток и, как правило, не приносят ущербов потребителю; в случае одновременного отказа нескольких насосов ремонтируется первыми те, у которых меньше требуемое время ремонта. При данном режиме эксплуатации значения наработок между отказами смещаются, так как ремонты проводятся во внеполивной (вневегетационный) период (рис.4). Для учета такого режима в методике требуются следующие исходные данные: длительность вегетационного периода в сутках; характеристики надежности насосных агрегатов - средняя наработка между отказами и среднее время ликвидации аварии, зависящее от типа агрегата и состава ремонтной бригады. Начало Ввод исходных данных I=1 Ввод числа диаметров напорн. тр Ввод диаметра напорн. тр Вычисление коэффициента снижения подачи в зависимости от мутности перекачиваемой воды Текстовый файл Ввод из файла Расчет для данного диаметра напорного трубопровода 1. Расчет строительной стоимости насосной станции, напорных трубопроводов, водовыпуска и водохранилища 2. Определение параметров рабочих точек при работе одного, двух, и т.д. параллельно работающих на трубопровод насосов в зависимости от схемы напорных коммуникаций 3. Выбор материала напорных трубопроводов в зависимости от требуемого напора и диаметра напорного трубопровода 4. Расчет ряда реализаций процесса функционирования насосной станции 5. Вычисление годового требуемого объема воды 50% обеспеченности, времени начала и конца пикового периода графика подач последней очереди Вывод результатов расчета для данного диаметра напорн. тр. данного варианта, средних по реализациям I=I+1 да IN Подпрограмма аппроксимации рабочих характеристик насоса Подпрограмма вычисления коэффициентов кубического сплайна Приложение Windows для выбора оптимального варианта с минимальными дисконтированными затратами Текстовый файл Конец Рис.1. Укрупненная блок-схема алгоритма расчета технико-экономических параметров насосной станции Расчет одной реализации процесса Подпрограмма моделирования случайной величины с известным законом распределения 1. Определение случайных величин наработки между ремонтами и времени ремонтов насосных агрегатов, учет разной надежности агрегатов 2. Расчет для каждого шага времени t 3. Подключение к работе станции новых насосных агрегатов (следующих очередей НС), переход к следующему году эксплуатации Подпрограмма моделирования чередования работы трубопроводов и подключенных к ним насосов Подпрограмма формирования номеров групп работающих насосов 4. Переключение работающих агрегатов в целях их равномерной нагрузки 5. Вычисление времени вывода в ремонт насосных агрегатов при 2 и 3 режимах ремонтов Вывод промежуточных результатов расчета Вывод результатов расчета одной реализации Генератор случайных чисел Рис.2. Алгоритм расчета одной реализации Расчет для каждого шага времени t 1.Определение требуемой подачи насосной станции 2.Включение необходимого числа насосов для обеспечения требуемой подачи и наполнения водохранилища в верхнем бъефе, если оно есть 3.Определение объема недоподанной воды и ущерба у потребителя в случае нехватки исправных насосов 4.Вывод насосных агрегатов в ремонт, организация очередности ремонтов 5.Подсчет затрат электроэнергии за время t Рис.3. Алгоритм расчета одного шага по времени Для станций комплексного назначения в зависимости от графика требуемых подач можно рекомендовать два режима ремонтов: 1. Режим, когда агрегаты ремонтируются равномерно в течение всего года через интервал времени, вычисленный в соответствии с одним из законов распределения случайных величин. 2. Режим, когда ремонты агрегатов проводятся в течение всего года, за исключением пикового периода по графику требуемых подач. Последний режим имеет следующие особенности: к моменту пикового периода графика требуемых подач все агрегаты отремонтированы; вероятность ремонта одного, а тем более двух агрегатов в пиковый период мала; при данном режиме график ремонтов сдвигается по отношению к значениям наработок на отказ. Это проявляется за счет того, что все агрегаты, ремонт которых потребуется в данном году, должен быть исправны к началу пикового периода. Желательно проводить текущий ремонт не более двух агрегатов одновременно. Поэтому некоторые агрегаты выводятся в ремонт «принудительно», то есть раньше срока их предполагаемого отказа. Методикой это предусмотрено следующим образом: вычисляется в начале года вероятное количество насосов, которые будут ремонтироваться в данном году; определяется предварительно самое раннее начало ремонтного периода Т*рем.пер, конец которого совпадает с началом пикового периода; если часть агрегатов отремонтировано ( по наработке на отказ) ранее Т*рем.пер, то окончательная величина начала ремонтного периода сдвигается в сторону пикового периода на суммарную длительность ремонтов отремонтированных агрегатов ( рис.4.); в течение ремонтного периода ремонтируются первыми насосы с большей наработкой. Рис.4.Схема к алгоритму расчета режима ремонтов для станций комплексного назначения Окончательный срок начала ремонтного периода Трем.пер определяется по формуле k Трем.пер.= Т * рем.пер i 1 Трем i, где Т*рем.пер. - предварительный срок начала ремонтного периода, сут.; k - число отремонтированных ранее Трем.пер. насосов; Трем i - время ремонта i-го отремонтированного насоса. С целью равномерной нагрузки агрегатов во времени для одинаковой их изнашиваемости рекомендуется через определенное время переключать работающие агрегаты. Подключение насосов по мере надобности производится случайным образом с учетом необходимости равномерной загрузки трубопроводов. Покажем порядок переключения агрегатов на примере для схемы напорных коммуникаций насосной станции, приведенной на рис.5 а). Н1Н2Н3 Н4Н5Н6 Н1 Н2 Н3 Н10Н4Н5Н6 Н11Н7Н8Н9 а) б) Рис. 5 Пример схем напорных коммуникаций насосной станции Допустим, в какой-то определенный интервал времени один из вариантов последовательности включения агрегатов будет следующим: Н5, Н3, Н4, Н2, Н6, Н1. Если один или несколько агрегатов в требуемый момент будут находиться в ремонте, включится следующий в данной последовательности. Через заданный интервал времени агрегаты «переключаются». Один из вариантов новой последовательности включения может иметь вид: Н3, Н6, Н1, Н5, Н2, Н4. На следующем отрезке времени будет новая последовательность и т.д. Составлен алгоритм получения таких последовательностей для любых схем напорных коммуникаций, заключающийся в следующем: 1. Задается схема напорных коммуникаций количеством напорных трубопроводов Nтр и массивом целых чисел насосов, подключенных к каждой нитке трубопровода. Например, для схемы, изображенной на рис. 5б), этот массив имеет вид: 2, 3, 2 (Nтр =3); 2. Выбирается случайным образом последовательность номеров трубопроводов с использованием случайных чисел, распределенных равномерно на интервале [0,1]. Моделируемое число Nсл должно попадать в интервал от 1 до Nтр. Если Nсл было выбрано ранее, производится повторение выбора; 3. Для каждого трубопровода из полученной в п.2. последовательности случайным образом выбирается сначала первый из числа целых насосов, подключенных к этой нитке, затем второй и т.д., пока общее число насосов не достигнет числа имеющихся на станции. Для схем, в которых число насосов не кратно числу трубопроводов, последними подключаются насосы, общие для двух трубопроводов. Например, для схемы, изображенной на рис.5б) - это насосы Н10 и Н11. Методикой предусмотрено автоматическое «переключение» агрегатов. В качестве исходного данного выступает величина интервала времени переключений в сутках. Практика показала, что крайние насосные агрегаты часто являются менее надежными, чем остальные, что обусловлено «косым» подходом воды к агрегатам, возникающими при подходе воронками и т.д. На станции могут быть установлены группы насосов, разные по напряжению двигателей, что обуславливает разные показатели надежности. Кроме того, даже насосы одинакового типа могут иметь разные характеристики, полученные при изготовлении (ГОСТами допускается отклонение 5 %). В процессе эксплуатации насосные станции могут частично модернизироваться: устанавливаются более современные агрегаты или их элементы с более высокими показателями надежности. Поэтому методикой предусмотрен возможный учет разной надежности агрегатов. Исходным данными для при этом являются коэффициенты их надежности kнад в долях единицы, на которые умножаются величины их средних наработок между отказами. При проектировании новых станций рекомендуется принимать надежность агрегатов одинаковой, так как нежелательные гидравлические явления можно компенсировать правильной конструкцией аванкамер или других подводящих сооружений. При равнонадежных агрегатах все коэффициенты kнад равны 1. Можно принять надежность крайних агрегатов равной 80-90 % от надежности основных (kнад =0.8...0.9). При расчете эксплуатируемых или реконструируемых станций, на которых отмечалась худшая работа отдельных агрегатов, коэффициенты надежности их определяется как отношение их средних наработок между отказами к средним наработкам между отказами остальных агрегатов. Выводы 1. При исследовании сложной системы «насосная станция – потребитель целесообразно использовать математическую модель, основанную на применении метода имитационного моделирования, имеющего ряд преимуществ: не требует специальной аппаратуры; возможность применения машинного эксперимента там, где невозможен или затруднен натурный эксперимент; возможность легко изменять значения параметров и исходных данных; сохранение соответствия реального и моделируемого объектов, их логической структуры; возможность прогнозировать поведение системы; возможность определить расчетные показатели для исходных данных, выходящих за границы реальных. 2. При составлении модели необходимо учитывать такие наиболее важные случайные и детерминированные факторы, как: случайная величина требуемых подач; режим ремонтов насосных агрегатов, их надежностные характеристики; мутность перекачиваемой воды; наличие емкости в верхнем бъефе; возможный ущерб у потребителя при недоподаче станцией воды (например из-за потери урожая для оросительных НС) ; схему напорных коммуникаций и др. 3. Метод имитационного моделирования следует применять при проектировании новых или реконструируемых крупных оросительных насосных станций, а также станций комплексного назначения. 4. В силу гибкости выбранной модели данная методика позволяет легко вводить и учитывать новые факторы, воздействующие на систему, в том числе она может быть легко адаптирована для любого климатического района. Библиографический список 1. Буркова Ю.Г. Определение показателей безотказности насосной станции. /Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации. Тез. докл. НТ конференции МГУП. М.: МГУП 1999. 2. Буркова Ю.Г. Оптимизация технико-экономических параметров крупных насосных станций с учетом их надежности. Автореф. дис….канд.техн. наук. М.: МГУП. 2000.
