Методология автоматизированного контроля и управления режимами работы насосного комплекса в условиях возникновения кавитации

Представлены результаты решения проблемы повышения эффективности работы автоматизированного насосного комплекса для перекачивания жидкостей в условиях нестационарных гидравлических процессов, таких как кавитация. Трудность определения условий возникновения кавитации связана с большим числом параметров, взаимокорреляцию которых сложно определить. Показано, что используемые на практике в указанных условиях способы контроля и управления насосными комплексами на основе центробежных насосов и прилегающих к ним трубопроводов обладают существенными недостатками или решают проблему лишь частично. Представлена математическая модель работы насосного комплекса для оперативного контроля параметров кавитационных режимов на основе подобия режимов работы центробежного насоса и перемещения поршня по трубопроводу, что позволяет упростить процедуру определения наличия кавитации. Предложен критерий определения эффективности режима работы насосного комплекса на основе интегральной оценки разницы экспериментальных и модельных данных. Сформирована методология управления режимами работы насосного комплекса в условиях возникновения кавитации. Ввиду сложности прямого расчета объема кавитации предложена нейросетевая модель, обучаемая на основе экспериментальных данных. Разработаны структура, алгоритмы и программное обеспечение автоматизированной системы контроля и управления с использованием нейросетевых моделей и прецедентного подхода для оперативного определения условий возникновения кавитации и коррекции режимов работы насосного комплекса. Решения, основанные на рассуждении по прецедентам, предлагаются оператору в виде пары " управляющее воздействие – ожидаемый результат" . Практическая реализация автоматизированной системы контроля и управления режимами работы насосного комплекса выполнена в пакете AppDesigner математического пакета MATLAB. Использование разработанной автоматизированной системы контроля и управления обеспечивает повышение (восстановление) производительности насосного комплекса в условиях возникновения кавитации, предотвращает разрушение его элементов, увеличивает срок службы, снижает эксплуатационные издержки и затраты на ремонт оборудования.

1. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с.

2. Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. М.: Машиностроение, 1975. 336 c.

3. Тагирова К. Ф., Нугаев И. Ф. Концептуальные основы автоматизации управления установками электроцентробежных насосов нефтедобывающих скважин // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21, № 2. С. 102—109. URL: https://doi.org/10.17587/mau.21.102-109.

4. Лютов А. Г., Новоженин М. Б., Хуснутдинов Д. З. Метод диагностики насосного комплекса на основе моделирования режимов работы в условиях возникновения кавитации // Нефтегазовое дело. 2017. Т. 15, № 1. С. 160—164.

5. Tang X., Zou M., Wang F., Li X., Shi X. Comprehensive numerical investigations of unsteady internal flows and cavitation characteristics in double-suction centrifugal pump // Mathematical Problems in Engineering. 2017. P. 1—13. URL: https://doi.org/10.1155/2017/5013826.

6. Nohmi M., Yamazaki S., Kagawa S., An B., Kang D. et al. Numerical analyses for cavitation surge in a pump with the square root shaped suction performance curve // 16th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery. 2016. P. 1—8.

7. Hieninger T., Goppelt F., Schmidt-Vollus R. et al. Energy-saving potential for centrifugal pump storage operation using optimized control schemes // Energy Efficiency. 2021. P. 9—23. URL: https://doi.org/10.1007/s12053-021-09932-5.

8. Lu J, Yuan S, Parameswaran S, Yuan J, Ren X, Si Q. Investigation on the vibration and flow instabilities induced by cavitation in a centrifugal pump // Advances in Mechanical Engineering. 2017. Vol. 9, N. 4. P. 1—11. doi: 10.1177/1687814017696225.

9. Goppelt F., Hieninger T., Schmidt-Vollus R. Modeling centrifugal pump systems from a system-theoretical point of view // 18th International Conference on Mechatronics — Mechatronika (ME). 2018. P. 1—8.

10. Liu H.-L., Liu D.-X., Wang Y., Wu X.-F., Wang J. Application of modified k-ω model to predicting cavitating flow in centrifugal pump // Water Science and Engineering. 2013. Vol. 6, N. 3. P. 331—339. doi:10.3882/j.issn.1674-2370.2013.03.009.

11. Сагдатуллин А. М. Разработка математической модели автоматизированного электромеханического комплекса насосной станции // Математическое моделирование. 2015. Т. 27, № 4. С. 3—15.

12. Сердюк А. А., Коренькова Т. В. Характеристики физической модели насосного комплекса с учетом кавитационных процессов // ЕЛЕКТРОМЕХАНIЧНI I ЕНЕРГОЗБЕРIГАЮЧI СИСТЕМИ. 2012. № 4(20). С. 57—62.

13. Лютов А. Г., Новоженин М. Б. Моделирование и диагностика нестационарных режимов автоматизированных насосных комплексов // Вестник УГАТУ. 2018. Т.22, № 1. С. 113—120.

14. Лютов А. Г., Новоженин М. Б. Автоматизированная система диагностики и управления режимами работы насосного комплекса при нестационарных процессах // Вестник УГАТУ. 2018. Т. 22, № 3. С. 114—123.

15. Лютов А. Г., Рябов Ю. В. Синтез технологического процесса для роботизированного комплекса на основе знаний // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017;18(10):660-664. URL: https://doi.org/10.17587/mau.18.660-664.

16. Южанин В. В., Барашкин Р. Л. Централизованная система автоматического регулирования магистрального нефтепровода с прогнозирующей моделью // Всероссийская научная конференция по проблемам управления в технических системах. 2015. № 1. С. 150—154.

17. Лютов А. Г., Новоженин М. Б., Новоженин И. Б. Программа контроля и управления насосным комплексом // Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2019664367 от 06.11.2019.

18. Новоженин М. Б., Лютов А. Г., Озеров М. Ю. Экспериментальное исследование режимов работы автоматизированного насосного комплекса при нестационарных процессах // Вестник ЮУрГУ. 2018. Т.18, № 1. С. 110—116.