Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Разработка и исследование самонапорных закрытых оросительных систем с использованием средств гидравлической автоматики

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование самонапорных закрытых оросительных систем с использованием средств гидравлической автоматики"

МИНИСТЕРСТВО МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ САНИИРИ

На правах рукописи

НОВОЖИЛОВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 626.824:621.229-83;

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ САМОНАПОРНЫХ ЗАКРЫТЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ АВТОМАТИКИ

Специальность 06.01.02 — Мелиорация и орошаемое: земледелие

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент — 1988

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации мелиоративных систем (ВНШКАмелиорация)

Научные руководители - академик АН Киргизской ССР

Э.З.МАКОЗСКИЯ

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Б.Л.ВИСОЧАНСКИЯ

Официальные оппоненты - доктор технически* наук

Ш.Х.РАХШОВ

кандидат технических наук

В.Ф ТАЛМАЗА

Ведущая организация - ордена "Знак почета" казахский

государственный институт по проектированию водохозяйственных с о оружени й"Каз гипроводх о з"

Защита состоится " 12 " 51н6$РЯ_1989г. в

час. на заседании Специализированного совета К.009.02.02

по присуждению степени кандидата наук

Адрес: 700107, г.Ташкент, массив Карасу-4, дом И,

САНИИРИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. - ■ • - •

Автореферат разослан " ВО " ОКТЯОрЗ 1988 г.

Ученый секретшрь Спеця»лязкров»ниого совета,. к*кдкдит слльскохозяЯсТвёимых

И«ук . . , I). Г.ЛУНЕВ

7

ОВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тени» . Развитие орошаемого земледелия в ряде районов СССР связано с необходимостью освоения земель горнопредгорной зоны. Это относится и к площадям перспективного прироста в Киргизской ССР. Значительная часть ирригационного фонда земель горно-предгорной зоны может быть орошена посредством самонапорных систем{1238,6 гкс.га в горно-предгорной зоне Киргизской ССР).

По мере роста площадей, охватываемых самоналорными довде-вальными системами, все более сложной становится их эксплуатация при ручном режиме управления водоподачей, Несмотря на то, что в отрасли мелиорации в области автоматизации орошения.наибольшие результаты достигнуты в создании стационарных закрытых оросительных систем с устройствами автоматического программного управления водоподачей, в уровне автоматизации самонапорных дождевальных систем(ОЦС)имеется значительное отставание. Причинами этого являются невозможность централизованного энергоснабжения большинства объектов горно-предгорных зон и отсутствие типовых решений по автоматизации СЩС устройствами, использующими местные источники энергопитания, в частности функционирующими за счет использования части энергии самой оросительной воды.

Другая причина трудностей эксплуатации СДС с рассредоточент ными по большой территории потребителями - методические недостатки при их проектировании, при котором не производится оценка влияния на трубопроводную сеть переходных процессов, могущих в условиях рельефа горно-предгорных зон сопровождаться большими амплитудами колебаний давления неустановившегося движения воды.

Цель работы состоит в разработке схем построения и технических решений по автоматизации стационарных СДС с использованием средств гидравлической автоматики и усовершенствовании методики математического моделирования неустановившегося напорного движения в трубопроводах и гидравлических устройствах с учетом специфических условий водоподачи самонапорных закрытых оросительных систем.

Объектом исследований являлась СДС с устройствами гидравлической автоматики в типичных условиях горно-предгорной зощ/ Чуй-ской долины Киргизской ССР.

Научная новизна.

1. Разработаны принципиальные схемы построение автоматизированных и автоматических самонапорных дождевальных систем на базе средств гидравлической автоматики. Впервые реализовано техническое решение по автоматизаши ГДС посредством устройств преобразования части кинетической энергии потока в трубопроводной сети в электрическую и показана эффективность его применения в энергонеобеспеченных условиях горно-предгорных зон.

2. Разработана математическая модель неустановившегося напорного движения воды в трубопроводах и гидравлических устройствах самонапорной закрытой оросительной системы с рассредоточенными устройствами водораспределения, включающая оригинальные алгоритмы, связанные с расчетом составных элементов системы - эа-порно-регулирующей арматуры и т.п.

3. Предложен комбинированный метод расчета процессов движения воды в сложноразветвленной самонапорной сети трубопроводов, реализованный на примере метода характеристик.

4. Показана значимость учета кавитачии и двухфаэности потока при моделирован.ж неустановившегося движения в магистральном самонапорном водоводе СДС.

Б. Разработана методика проведения вычислительных экспериментов по исследованиЬ неустановившегося движения в трубопровод ной сети самонапорных закрытых оросительных систем в составе технологического процесса проектирования.

Практическая полезность. Разработаны технические средства автоматизагаи технологического процесса водоподачи ЦЦС в энерго необеспеченных условиях, функлонирующие за счет использования части энергии самой распределяемой воды, и показана практическая реализуемость разработанных схем построения автоматизирован ных СДС на их основе. Разработана базовая конструкция автономно го водораспределительного узла с использованием микроГЭС, позве ля иная реализовать модульный принцип построения автоматизировш ной СДС. Результаты работы предназначаются для использования п{ разработках, проектировании автоматизированных СДС, а также дл совершенствования технологии проектирования. Показана эффективность применения вычислительных экспериментов для анализа вариантов управления переходными процессами в трубопроводных сетях

аде.

• ь

Основное положений, выдвигаемые к защите:

' I. Эффективность автоматизации технологического процесса водоподачи в самонапорных дождевальных системах устройствами гидравлической автоматики, использующими часть энергии распределяемого потока.

2. Ряд оригинальных схем построение автоматизированных ОДС со средствами гидравлической автоматики, в том числе с использованием микроГЭС. •

3. Эффективность разработанных математических моделей напорного движения воды в трубопроводных сетях, ориентированных на специфику систем самонапорного дождевания, для обоснования состава и параметров технических средств управления переходными процессами в СДС методами вычислительного эксперимента.

4. Допустимость использования приближенного комбинированного метода расчета неустановившегося движения воды в сложнораз-ветвленной трубопроводной сети применительно к специфике сети

еде.

Реализация работы. Разработанная стационарная самонапорнап дождевальная система с двухуровневой схемой управления водопода-чей на базе средств гидравлической автоматики, включающих микро ГЭС, внедрена в совхозе им.Калинина Иссык-Атинского района Киргизской ССР. Удельный годовой экономический эффект - 0,29 тыс. руб/га. При проектировании использовались результаты исследований режимов движения воды в ее трубопроводной сети, полученные посредством вычислительных экспериментов на разработанных математических моделях. Суммарный экономический эффект от использования и внедрения разработок автора составил 43,9 тыс.руб.

Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции по автоматизации гидромелиоративных систем Хрунзе, 1931, на Всесоюзной научно-теоретической конференции "Достижения науки и техники в области водоснабжения" Ленинград, 1981, на Всесоюзной пколе-семинаре "Математическое моделирование в науке и технике" Пермь, 1986, на Всесоюзных и республиканских конференциях по совершенствованию автоматизации мелиоративных скстем(£рунзе, 1982, 1565, ЮсЗ^.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных

- о

работ, в том числе 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работн. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы }2& наименований, приложений. Основной текст изложен на ¡50 страницах, иллюстрируется Ь5 рисунками, дополняется Ч таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖА! 1ИЕ РАБОТЫ

В первой главе с использованием классификационной схемы, разработанной на основе патентной информации и описаний изобретений, анализируются возможности применения существующих принципов и технических решений по автоматизации технологического процесса орощения и водоподачи в стационарных дождевальных системах для построения автоматизированных самонапорных дождевальных систем в энергонеобеспьченных условиях.

При разработке классификационной схемы существующих технических решений автоматизированных стационарных дождевальных систем выявлено, что вариант конкретной технической реализации системы определяется совокупностью решения задач: выбора способа дождевания; выбора способа водоподачи в закрытую сеть; выбора способа и алгоритма управления запорно-регулирующей арматурой водор&спределения;

выбора типа канала управления исполнительной запорно-регулирующей арматурой;

способа управления оросительным циклом с наличием, или без наличия обратной связи с орошаемым массивом;

выбора способа энергопитания устройств автоматики. Согласно классификационной схеме выявлены следующие принципы организации автоматического управления исполнительной задорно -регулирующей арматурой устройств водораспределения стационарных дождевальных систем:

гидроимпульсный, при котором исполнительные устройства водораспределения, снабженные приемниками гидравлических импульсов, «срабатывают по получении импульса пониженного давления, генерируемого в канале управления;

дистанционный программный по электрическим или гидравлическим (пневматическим) линиям телемеханики;

децентрализованный программный с линией обратной связи, при котором каждое устройство водораспределения снабжено программным

устройством, согласованна?! работа которых в рампах каждого оросительного никла обеспечивается обратной свягзьп исполнительной залорно-регулирующей арматуре.'! устройств водораспределения;

автономный программный, при котором исполнительные устройства водораспределения функционируют независимо друг от друга по непрерывно-циклической программе.

Сопоставительный качественный анализ схем управления технологическим процессом водоподачи существующих технических решений применительно к специфике эпергонеобеспеченных самонапорных дождевальных систем прийел I! следующим выводам:

наиболее универсальный и надежный для построения автоматизированных и автоматических стационарных дождевальных систем способ, основанный на дистанционном программном управлении по кабельным линиям связи электрогндравлическими исполнительными устройствами водораспределения,неприменим, поскольку строительство линий централизованного энергоснабжения не только экономически неприемлемо, но и технически невозможно для большинства объектов горно-предгорных зон орошения;

системы синхронного импульсного дождевания на базе устройств гидравлической автоматики имеют невысокую надежность и эффективность вследствие того, что источником водоподачи в сеть оросительных трубопроводов является гидротаран;

автоматизированные стационарные дождевальные системы с устройствами гидравлической автоматики и системами управления по гидравлическим линиям телемеханики не нашли широкого практического внедрения вследствие невысокой надежности существующих механических средств программного управления по протяженным гидроканалам в условиях невысокого качества очистки оросительной воды;

наиболее приемлемые для стационарных дождевальных систем с устройствами гидравлической автоматики схемы с децентрализованным автономным программным управлением в существующих технических решениях для организации очередного оросительного цикла требуют внешнего принудительного механизма возврата устройств гидравлической автоматики в исходное положение, то есть не реализуют автоматического управления.

На основе анализа тенденций развития технических средств управления стационарными дождевальными системами, характеризующихся использованием микропроцессорной техники, переходом на автоматическое управление технологическим процессом орошения, пс-гпрччное на коеплокечем учете климатических, биологических: и

-Б-

других факторов роста растений, сделан вывод - максимальные возможности по обеспечению современного уровня автоматизации технологических процессов знергонеобеспеченных самонапорных дождевальных систем могут быть реализованы устройствами гидравлической автоматики с преобразователями части кинетической энергии потока в электрическую.

Отмечено, что среди существующих технических решений по автоматизации стационарных дождевальных систем отсутствуют технические решения с использованием средств гидравлической автоматики с отбором и преобразованием части кинетической энергии потока в электрическую для последующего питания электронных средств программного управления.

Приведена количественная оценка мощности энергоисточника на преобразовании части кинетической энергии оросительной воды в самонапорном водоводе в электрическую, позволившая сделать вывод, что автономный энергоблок СДС на базе микроГЭС обеспечит энергопитание системы управления по кабельным линиям связи и тем самым возможность применения современных методов и средств управления технологическим процессом энергонеобеспеченных самонапорных дождевальных систем.

Во второй главе излагаются результаты разработок конструктивных решений автоматизированных и автоматических самонапорных дондевальных систем на базе средств гидравлической автоматики и автономных источников энергопитания.

В зависимости от способа преобразования энергии потока в энергопитание устройств автоматического программного управления запорно-регулирующей арматурой водораспределительных устройств узлов предлокено два принципа построения последних - с прямым гидроприводом механического программного устройства и с предварительным преобразованием части кинетической энергии потока в электрическую для питания электронных средств программного управления. Разработаны конструктивные решения, реализующие Оба принципа построения*

В первом механическое программноб устройство выполняется в виде циклического распределителя или переключателя гидравлических цепей управления гидроприводной арматуры, приводимого в действие турбиной, установленной в трубопроводе на входе водораспределительного узла. Во втором используется электронное программное устройство, для питания которого преобразование части кинетической энергии воды обеспечивается посредством микроГЭС.

НОВОЖИЛОВ

СЕРГЕИ ВАСИЛЬЕВИЧ

Соискатель ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 "Мелиорация и орошаемое земледелие"

Куда

ПОЧТОВАЯ КАРТОЧКА

г.Фрунзе

V

ул.Панфилова дом 268

Кому

Новожилову Сергею Васильевичу

Пишите индекс предприятия связи места назначения

Индекс предприятия связи и адрес отправителя

Министерство связи СССР, 1988. 3. 105870. ППФ Гознака. Ц. 4 к.

При разработке схем построения автоматизированных, автоматических СДС на базе автоночных водораспределительных узлов с устройствами гидравлической автоматики было выявлено, что возможные варианты построения определяются технической реализацией: способа использования энергии потока устройствами гидравлической автоматики автономных водораспределительных узлов;

способа задания программы водоподачи устройствам программного управления водораспределительных узлов для реализации отдельного оросительного цикла;

способа организации последовательности выполнения заданных программ водораспределительными узлами п течение одного оросительного цикла;

способа функционирования устройства программного управления; способа и канала управления водораспределительными узлами. Разработанные принципиальные схемы построен!"7 СДС с устройствами гидравлической автоматики и автономными энергоисточниками представлены классификационной схемой (рис.1). Любой из возможных путей обхода блоков схемы задает конкретный вариант построения системы.

Для систем с прямым гидравлическим приводом устройств программного управления рекомендуются схемы с децентрализованным программным управлением, наиболее эффективные для организации циклического, прерывистого способа вццачи поливных норм потребителям; При древовидной структуре распределительной трубопроводной сети водораспределительные узлы с автономными гидропрограмматорами непрерывно-циклического действия размещаются в узлах разветвлений трубопроводов. Согласование работы водораспределительных узлов обеспечивается иерархическим принципом задания программ водоподачи. Головной водораспределительный узел СДС, таким образом, должен иметь длительность программы водоподачи равную суммарной длительности программ водоподачи водораспределительных узлов нижней иерархии.

Разработана схема построения автоматической СДС с автономными водораспределительными узлами гидравлического действия, обеспечивающая режим работы "по потребности1'. Для этого дополнительно введена цепь управления магистральной задвижки на входе головного водораспределительного узла, управляющая последней в зависимости от состояния влажности орошаемого массива, определяемой датчиком влажности.

Для трубопроводной сети с последовательным размещением водораспределительных узлов разработано техническое резение авто-

СШШ ПОСТРОЕНИЯ СДС С УСТРОЙСТВАМИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ

ЭНЕРГИИ

ПОТОКА

с преобразованием в электрическую энергию

РЕАЛИЗАЦИИ

по

"потребности"

комбинированный

ПРОГРАШ

ВОДОПОДАЧК

по "потребности" •по времени

по "потребности" по времени _

ДУ

иерархический

~Т

¡трубопроводный | тракт

СПОСОБУ ДУ

поочередной

"по"

трубопроводный

тракт гидравлическая линия

УПРАВЛЕЩрХ^-^ УЗЛАМ

Цпу

да

иерархический

да

иерархический

да

Цпу

ТИПУ

КАНАЛА

УПРАВЛЕНИЯ

кабельная линия

трубопроводный тракт

трубопроводный тракт

трубопроводный тракт кабельная линия

ПО

ТИПУ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

кепрерывно-аиклический

взвратно-циклический

I

»—

с

Рис.1

-н-

матической СДС на базе гидропрограмматоров возвратно-циклического действия, обеспечивающими автоматическую реализацию Одного оросительного цикла, Автоматическое задание очередного оросительного цикла системы обеспечивается возвратом гидропрограмматоров в исходное положение линией обратной связи, дополнительно реализующей управление водоподачей "по потребности".

Показано, что устройства гидравлической автоматики с преобразованием энергии потока в электрическую позволяют реализовать СДС с любой схемой водоподачи.

Описано разработанное техническое решение автоматической СДС с централизованным программным управлением по электрическим линиям связи. Питание электронного программного устройства и злектрогндрореле исполнительной арматуры обеспечивается микроГЭС. Схема управления системы содержит оригинальное техническое решение запуска микроГЭС посредством датчика влажное и

Качественный анализ преимуществ и Недостатков автоматизированных СДС как с централизованным программным управлением, так и с децентрализованной схемой показывает: экономически наиболее выгодна и универсальна по техническим возможностям система комбинированного типа с двухуровневым управлением водоподачей.

Представлена техническая реализация разработанной автоматической СДС с двухуровневым управлением на основе устройств гидравлической автоматики двух типов.

Пер'*ш ступень системы содержит головной Водораспределительный узел, снабженный микроГЭС; обеспечивающим функционирование электронного программного устройства и дистанционное программное управление электрогидравлической запорно-регулирующей арматурой головного водораспределительного узла.

Вторая ступень системы вклйчает автономные водораспределительные узлы, устройства гидравлической автоматики которых имеют циклические механические программные устройства с гидроприводом, непрерывно функционирующим при наличии водоподачи.

Устройства гидравлической автоматики головного водораспределительного узла образуют систему управлений водоподачей СДС и включают турбину на его входе, на валу которой установлен генератор электрического тока, блок стабилизации напряжения, устройство программного управления и сигнализатор начала полива. В режиме ожидания устройство программного управления отключено от цепи питания, а сигнализатор начала полива с заданной частотой осуществляет опрос состояния датчиков йлажности на контрольном

участкз^орошаемого массива. При достижении влажности почвы пред-поливных значений сигнализатор начала полива замыкает контакт "пуск" устройства программного управления, формирующего цикл водоподачи в транспортирующие трубопроводы, отходящие от головного водораспределительного узла. Если по окончании цикла водоподачи контакт "пуск" сигнализатора начала полива остается замкнутым, то обеспечивается автоматическое повторение цикла водоподачи.

Разработанные принципы построения устройств гидравлической автоматики для самонапорной дождевальной системы с двухуровневой схемой управления технически реализованы на базе унифицированной конструкции водораспределительного узла с турбинным гидроприводом устройств автоматики и серийной гидравлической электрогидравлической запорно-регулирующей арматурой типа 30ч70ббр и К-809.

Приведено описание испытательного стенда для лабораторных и производственных исследований разработанных устройств гидравлической автоматики, представляющего собой натурный макет водораспределительного узла автоматизированной СДС.

Представлены технические характеристики устройств гидравлической автоматики, изготовленных для опытной автоматизированной СДС. Приведены технические характеристики системы автоматического управления головного водораспределительного узла СДС на базе устройств гидроавтоматики с использованием микроГЭС.

Результаты лабораторных и производственных испытаний показали возможность широкого применения средств Гидравлической автоматики для автоматизации .знергонеобеспеченных СДС»

Годовой удельный экономический эффект от применения разработанных средств гидравлической автоматики для энергонеобеспеченных СДС в сравнении с базовым вариантом СДС4 автоматизированной средствами автоматики, использующими линию централизованного энергоснабжения составляет 0,29 тыс.руб./га.

Проектирование самонапорных дождевальных систем с рассредоточенными на трубопроводной сети устройствами автоматики, имеющими привод от движущегося потока( требует оценки влияния на них неустановившихся режимов движения воды, которые в условиях переменного рель°фа местности, большой протяженности магистрального самонапорного водовода Могут сопровождаться такими явлениями как разрыв сплошности потока. В полной мере эти оценки могут быть выполнены использованием вычислительных экспериментов.

Третья глава посвящена вопросам построения математической

модели неустановившегося движения воды в трубопроводах и гидравлических устройствах СДС, В первом разделе главы проанализированы существующие работы по моделированию процессов движения воды в трубопроводных гидросистемах, ^вторами которых являются В.1.1. Альтаев, К.П.Вишневский, В.Н.Коваленко, Г.Н.Мелконян, Ю.С.Васильев, Н.А.Картвелишвили, Д.Н. Смирнов, 1Д.И.Рабинович, Б.Ф.Лямаев,

и многие другие.

Показано, что в них недостаточно исследован рад специфических вопросов, связанных с вычислительной схематизацией самонапорных закрытых оросительных систем и отсутствуют исследования, посвященные определению параметров неустановившегося движения при наличии автоматических водораспределительных устройств гидравлического действия.

Показана существенность учета в уравнениях неустановившегося напорного движения воды в трубопроводе конвективных составляющих изменения давления и скорости потока, а также двухфазности потока, что обусловлено резким падением скорости распространения ударной волны В фазе депрессии давления.

Описана расчетная схематизация самонапорной закрытой оросительной системы с рассредоточенными в трубопроводной сети гидравлическими устройствами и водораспределительными узлами.

При разработке алгоритмов расчета влияния гидравлических устройств на нейстановившийся процесс в трубопроводах большое внимание уделено созданию математических моделей, позволяющих представить максимальное количество устройств единым расчетным субблоком.

Описана разработанная единая математическая модель неустановившегося движения воды, учитывающая в узлах сетки характеристик возможность разрыва сплошности потока, зависимость от содержания и Возможность выделения растворенного в воде воздуха, размещение обобщенного гидравлического устройства типа сбросного клапана, водовоздушного колпака* вантуза любого типа.

Представлена математическая модель водораспределительного узла СДС с автоматическим переключением водоподачи, включающая произвольное количество залорно-регулирующей арматуры на входах распределительных трубопроводах.

Показано, Что специфические особенности структуры трубопроводной сети самонапорных дождевальных систем - резкая несоизмеримость длин однородных участков приводит к очень больной избы-

точнасуи, густоте сеток характеристик, обусловливая крайне большую избыточность как исходной, так и расчетной информации, что приводит зачастую к практической невозможности использование "точной" модели.

Предлагается метод приближенного расчета неустановившегося движения жидкости в сложной трубопроводной гидросистеме. Идея . метода заключается в том, что участки трубопроводной сети, время прохождения ударной волной которых значительно меньше длительности переходного процесса, описываются моделью стационарного движения жидкости, Сложная трубопроводная сеть гидросистемы (рис.2), представляемая связным графом, дополнительно разбивается н& тракты расчетного обхода, причем каждый гидравлический узел системы и каждый однородный участок трубопровода включается только в один тракт, Расчетный тракт, содержащий водозаборный узел и гидравлический узел - источник возмущения исходного состояния системы - главный. Вся гидросистема рассматривается как соединение подсистемы с нестационарными параметрами с подсистемой со стационарными параметрами, Процесс расчетного обхода сводится для Первой к обычной при методе характеристик процедуре обхода узлов сетки и расчету граничного у.ловия стыковки с подсистемой со ста-ционгрными параметрами,

Описана методика расчетного представления подсистемы со стационарными параметрами в граничном расчетном узле й виде эквивалентного гидравлического сопротивления ^ .

зоеания скорости потока в тракте при Переходе гидравлического узла, а 6 гидравлическом узле выполняются условия:

(I)

где

(2)

- Коэффициент преобра-

/<¿1(0)

о,% /К/К - Рш^-^^Аъ/Км (4)

ГРАФ-СХЕЫЛ ТРУБОПРОВОДНОЙ СЕТИ КОМБИНИРОВАННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ ДВИЖЕНИЯ

О - гидравлический узлы| □ - однородные участки труб| Л -Номера, расчетных трактов

Рис,

ШУСГАЮШН11ИЙСЯ ПРОЦЕСС НА ВХОДЕ 1РД)ВНЭЙ ЗЯДВИШ1 ПРИ ЁЕ МКЯЙЙИ"

./МП»

\\ / *

2 С*- //

*

Обозначения: I - "точный" метод (мётод характеристик)} 2 - приближенный метод; = 0,4 с

Рис.3.

где с/ - номер гидравлического узла;

Й

Ч.Рс ¿/о)

- »множество номеров труб, примыкающих к с/ -му узлу;

- соответственно скорость и давление в примыкающем к О -му узлу конце I -ой трубы;

- номер трубы, входящей в гидравлический узел;

- коэффициент гидравлического сопротивления гидравлического устройства в примыкающем J -му узлу Конце I, -й трубы.

В уравнениях (1-4) обозначены:

Нв- ¿Е. ^ - сумма перепадов высот на всех однородных участках труб тракта;

- длина, диаметр однородного / -ого участка трубопровода при их общем количестве в тракте - /Уг ;

- коэффициент гидравлического сопротивления гидравлического устройства в граничном узле - /V сетки характеристик;

- коэффициент гидравлического сопротивления потребителя расхода, являющегося последним гидравлическим узлом данного тракта;

- коэффициент преобразования скорости в потребителе.

Таким образом краевое условие для граничного расчетного узла стыковки подсистем сведено к виду:

Р„ = ^ у?Н> + <5)

Для нахождения скорости движения Потока \/у в граничном расчетном узле решением системы уравнений (1-4,9) получено уравнение:

к

где

4+2- г- -/ / (6)

а для давления!

Рц I<7>

Нелинейные уравнения решаются методом последовательных приближений. В качестве первого приближения ^>3(í:^Л¿) принимается его значение в момент Ь . Следующее приближение вычисляется в процессе расчетного обхода подсистемы со стационарными параметрами.

Разработан алгоритм итерационного процесса вычисления ¿э , начинающегося с граничного гидравлического узла И включающего следующую последовательность операций. Для ветви, выходящей из J -ого узла и являющейся продолжением тракта ветвй, входящей в узел вычисляются:

1. Коэффициент гидравлического сопротивлений Ьидроустройст-ва на ее входе в юмент (¿+А £),

2. Коэффициент эквивалентного гидравлического сопротивления участка тракта за J -км узлом:

(8)

3. Скорость движения потока по участку I -й Ветви У-ого узла: /-

s/.^JfiM^llL

' VotyXitt^t) .

(9)

4. Давление tía входе трубы ¿ -Й ёётвй!

5. Давление В койце трубк I -й Ьетви:

Для ветвей i не являющихся продолжением TpákTá, Пункт 2 вычислений производится по уравнению!

= ^¿(t^At) (12)

э'

По окончании расчетКЬГО обхоДй проверяется точность вычис-

ления

^ В Граничном узле ha неравенству

е (13)

где 6 - заданная точность вычислений. При виПолниши условия (13) предыдущему значению присваивается вычисленное и по

уравнениям (7), (8) вычисляется новое приближение \/ы и Ры после чего повторяется процесс расчетного обхода подсистемы со стационарными параметрами до достижения точности 6.

Приведена оценка погрешности предлагаемого приближенного метода, выполненная расчетом неустановившегося движения на тестовой задаче с использованием приближенной модели системы и точной. В качестве тестовой задачи решалась задача нахождения в самонапорном водоводе при открытии головного запорного устройства, расположенного на входе распределительной трубопроводной сети СДС. Расчетные зависимости (рис.3) показывают хорошую точность предлагаемого метода. Время расчета процесса по приближенной модели в II раз меньше, чем по "точной", что свидетельствует о его эффективности.

Разработанные модели неустановившегося движения воды в трубопроводных сетях СДС реализованы комплексом прикладных программ, описанным в приложении диссертационной работы, и использовались при проектировании автоматизированной СДС.

Четвертая глава посвящена методике вычислительной схематизации и проведению вычислительных экспериментов для оценки параметров неустановившегося движения при проектировании СДС на примере системы объекта внедрения, представленной во второй главе.

Особенности моделируемого объекта (рис.4):

длина самонапорного водовода от водозабора до начала орошаемого участка - 3206 м;

Перепад высоты местности на участке самонапорного водовода'-67,16 м;

й режиме Переключения, водоподачи из одного оросительного трубопровода в другой Перераспределяется весь расход, пг^аваемый самонапорным водоводом.

Выбор задач для исследования переходных процессов рассматриваемой СДС диктовался технологическими особенностями функционирований и включал:

1. Задачу определения Параметров неустановившегося процесса при запуске системы открытием головного водораспределительного узла.

2. Задачу расчета Параметров неустановившегося движения воды в трубопроводной сети при переключении водоподачи водораспределительным узлом.

3. Задачу исследования Неустановившегося процесса при отключении водоподачи Головным водораспределительным узлом.

Вычислительные эксперименты, выполненные посредством расче-

СХША ТРУБОПРОВОДНОЙ СЕТИ ОДС ОБЪЕКТА ИССЛВДОВА1МЙ

Обозначения: I - магистральный канал; 2 -транзмный канал;

3 - водозаборный узёл ОДС; 4 -самонапорный водовод; 5 -фильтр; 6 -головной водораспродб-литольный узел; 7 -полипный узлы; 8 -доядбвйльныв аппараты; 9 -сбросные колодцы

Рис Л.

-го-

тов на ЭВМ, имели свое/! целью:

поиск параметров управления запорно-регулирующей арматурой, минимизирующих амплитуду колебаний давления неустановившегося процесса в трубопроводной сети при различных схемах водоподачи; выявление зон локализации гидравлического удара; выбор рациональных способов и оптимальных точек размещения в сети средств защиты от гидравлического удара.

Представлены зависимости давления на входе головного водораспределительного узла, расчитанные для наиболее "тяжелого" варианта запуска системы при подаче в сеть максимального расхода самонапорного водовода. Выявлено, что в этом случае при распространении в водоводе волны депрессии давления возникает обширная зона кавитации (зависимость I на рис.5). Показаны результаты вычислительного эксперимента по поиску наиболее эффективного управления данным переходным процессом (зависимость 2 рис.5). Эксперимент проводился перебором вариантов применения устройств защиты и координат расчетных узлов их размещения в сети. Оптимум фиксировался по минимуму амплитуд давления.

Посредством вычислительных экспериментов выявлены оптимальные временные параметры управления задвижек водораспределительного узла в режиме переключения (рис.6).

Описана разработанная автором методика сопровождения проектирования трубопроводной сети самонапорных закрытых оросительных систем вычислительными экспериментами с применением описанных математических моделей. Методика иллюстрируется блок-схемой принятия решений по результатам расчетов процессов движения воды в трубопроводах и гидравлических устройствах.

ОНДИЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны технические решения построения автоматизированных самонапорных дождевальных систем с использованием преобразователей части энергии распределяемой воды для энергопитания средств автоматического управления.

2. Разработаны математические модели неустановившегося напорного движения воды в трубопроводах и гидравлических устройствах закрытых оросительных систем применительно к специфике самонапорного орошения.

3. Разработанный комбинированный метод расчета неустановившегося движения воды в сложноразветвленной гидросистеме показал эффективность применения приближенных моделей для специфики тру-

МАНСШАЛЬНОЕ ПАДЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ ПРОЦЕССА В ВОДОВОДЕ С УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТЫ И БЕЗ НЕГО

защиты в точке 7:/дх= 3 - с устройством защиты в точке 6;ДХ= 155 м

Рис. 5

ДАВЛЕНИЕ НА ВХОДЕ ВОДОРАС1ШВДЕЖШ1ШОГО УЗЛА ПРИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ

Р,Ш/а А У

г J V i

" ш

20 fО 60 ¿О ÍCO

Обозначения: I - при одновременном переключении задвияек;

2-е запаздыванием ^=25 с (оптимум);At=0,496c

Рис. 6.

бопроводных сетей самонашорных дождевальных систем.

4. На основе проведенных методами математического моделирования исследований обоснована возможность эффективного управления неустановившимся процессом в трубопроводной сети СДС в условиях автоматической работы водораспределительных узлов. Показано, что оптимальное гашение колебаний давления, может быть определено направленным вычислительным экспериментом.

. 5. Разработана методика проектирования трубопроводных сетей самонапорных закрытых оросительных систем с применением численных экспериментов По исследования неустановившегося режима движения воды При переходных процессах.

6. Разработана унифицированная конструкция автономного водораспределительного узла с турбинным приводом устройств гидравлического управления исполнительной запорно-регулирующей арматурой, позволяющая реализовать модульный принцип построения автоматизированной ЦДС.

7. Результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний показали, что разработанные устройства гидравлической автоматики обеспечивают надежное управление технологическим процессом водоподачи СДС.

8. Вариант устройств гидравлической автоматики с преобразованием части энергии потока в электрическую показал, что их мощность обеспечивает необходимое энергопитание автоматики СДС с дистанционным программным управлением по кабельным линиям связи и применение электронных средств контроля состояния орошаемого массива.

9. Удельный годовой экономический эффект от внедрения СДС, автоматизированной разработанными средствами гидравлической автоматики, в сравнении с системой, автоматизированной средствами централизованного энергоснабжения, составляет 0,29 тыс.руб/га.

Суммарный экономический эффект от внедрения на площади 60 га и использования разработок автора - 43,9 тыс.руб.

Основные результаты исследований опубликованы в работах:

I. Высочанский Б.Л., Новожилов С.В. Модуль самонапорной автоматизированной оросительной системы.- В кн. Использование местных возобновляемых источников энергии в орошаемом земледелии и животноводстве Киргизской ССР. Тезисы докладов. Фрунзе, 1982, с.18-20.

Новожилов C.B., Высочанский Б.JI. Скорость волнь: гидравлического удара в трубопроводе с учетом нерастиоренных в воде газов.- В кн. Автоматизации гидромелиоративных систем. Всесоюзная научно-техн/.ческая конференция. Тезисы докладов, круизе, 1901, с. 194-195.

3. Новожилов C.B. Оценка погрешности расчета гидравлического удара ¡0сложной гидросистеме.- В кн. Автоматизация гидромелиоративных систем. Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Фрунзе, 1981, с.195-796.

4. Новожилов C.B., Высочанский Б.Л., .Лаикевпч А.Д. Mo,дуль вододействукцей оросительной системы на базе электрогидравлических средств.- В сб.: Автоматизированные системы водораспределе-ния, полива и мелиоративного контроля. Фрунзе, 1984.

5. Новожилов C.B., Высочанский Б.Л. Автоматическая оросительная система с электрогидравлическими устройствами водорас-пределения.- В сб.: Вопросы технологии и автоматизации водорас-пределенич и полива. Фрунзе, I98b, с.ПЬ-ПВ.

6. Новожилов C.B. Летод приближенного расчета неустановившегося движения жидкости в сложной гидросистеме,- В сб.: Вопросы технологии и автоматиза!тии водораспределения и полива. Фрунзе, 1985, с. П8-126.

7. Новожилов C.B. Математическое моделирование гидравлического удара в гравитационном водоводе большой протяженности, на-; чинаюдегося фазой понижения даьления.- В сб.: Вопросы автоматизации процессов водораспределения и полива в мелиорации. Фрунзе, 1986, с.61-68.

8. Новожилов C.B. Моделирование гидравлического удара в гравитационном водоводе,- В кн. Математическое моделирование в науке и технике. Всесоюзная школа-семинар. Тезисы докладов. Пермь, 1986, с.227.

9. Новожилов C.B. Проектирование стационарных самонапорных систем дождевания с применением моделирования и численных экспериментов,- В кн. Автоматизация гидромелиоративных систем. Тезисы докладов. Фрунзе, 1988, с.34-35.

10. Новожилов C.B. Самонапорное дождевание с испольповышем гидравлических средств управления водораспределением.- В монографии!: Системы эффективного ведения сельского хозяйства на вновь осваиваемых землях Иссык-Кульской области и в районах Чуйской долины. Т.4.- Фрунзе: Илим, 1988.

11. Новожилов C.B., ВысочанскиЧ Б.JI., Ыапкевич А.Д. Автоматизированная оросительная система. Л.С. СССР г- IJ3WGI.- Опубл. в Б.И., 19135, К» 3.

12. Новожилов C.B., Вь'сочанскиН Б.Л., матткевич А.Д. Устро!)-ство водораспределения для закрытых оросительных систем. Д.С. СССР fi I21238I.- Опубл. в Б.И., 1906, t" 7.

13. Новожилов C.B., ВысочанскиИ Б.Л. Автоматизированная система орошения. А.С. СССР Г 1Ш7794,- Опубл. в Б.И., I9HV, о.