Метою роботи є розробка на основі електрогідравлічої аналогії комп'ютерно-орієнтованих математичних моделей відцентрових насосів для підвищення ефективності їх функціонування на насосних станціях магістральних нафтопроводів. Для досягнення поставленої мети в дисертації необхідно вирішити такі задачі: 1. Формалізувати на основі принципів системотехніки механізм застосування єдиної теорії кіл для моделювання технічних підсистем різної фізичної природи. 2. Розробити математичну модель в координатах дійсних чисел (скалярна модель) та дослідити з її допомогою характеристики ідеалізованого (ІВН) та реального (РВН) відцентрового насоса. 3. Синтезувати зручні для практичного використання тригонометричні та поліноміальні аналітичні вирази для розрахунку робочих характеристик РВН за їх каталоговими даними. 4. Створити математичну модель РВН в координатах комплексних чисел (комплексна модель) та дослідити його характеристики в залежності від частоти обертання колеса та в'язкості рідини. 5. Дослідити спільну роботу ВН і ділянки нафтопроводу за допомогою комплексної заступної схеми та вирішити питання еквівалентування багатоступеневих і багатопотокових машин. 6. Розробити методику розрахунку параметрів комплексної заступної схеми РВН та створити каталог цих параметрів для ВН магістральних нафтопроводів. 7. Проаналізувати практичні аспекти застосування моделей ВН для підвищення ефективності їх функціонування, на насосних станціях нафтотранспортних систем. ЗМІСТ ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ 8 ВСТУП 9 1. АНАЛІЗ СИСТЕМИ ТРАНСПОРТУ НАФТИ НА УКРАЇНІ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ЗАДАЧ ДИСЕРТАЦІЙНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ 16 1.1. Загальна характеристика нафтотранспортної системи України 16 1.2. Перерозподіл світових нафтових потоків та перспективи розвитку української нафтотранспортної системи 19 1.3. Особливості насосного устаткування перекачувальних станцій магістральних трубопроводів 28 1.4.Сучасний стан моделювання режимів роботи відцентрових насосів НПС магістральних нафтопроводів 32 1.5 Визначення основних задач дисертаційних досліджень 37 1.6. Висновки 38 1. ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДУ АНАЛОГІЇ ТА ЄДИНОЇ ТЕОРІЇ КІЛ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ ПІДСИСТЕМ РІЗНОЇ ФІЗИЧНОЇ ПРИРОДИ 39 2.1. Метод аналогії як основа інтеграції наукових знань для створення моделей об'єктів та процесів навколишнього світу 39 2.2. Застосування єдиної теорії кіл для моделювання підсистем різної фізичної природи 45 2.3. Застосування теорії розмірностей для встановлення точних фізичних аналогій, зокрема електрогідравлічних 51 2.4. Моделі із зосередженими параметрами для аналізу гідравлічних процесів у трубопроводах 61 2.5. Моделі із зосередженими параметрами для дослідження гідравлічних та пневматичних машин 64 2.5.1. Моделювання поршневих та мембранних машин 64 2.5.2. Моделювання лопатевих гідромашин 67 2.6. Загальні визначення та допущення 72 2.7. Висновки 76 3. МОДЕЛЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ІДЕАЛІЗОВАНОГО ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА 78 3.1. Модифіковане рівняння Ейлера та заступна схема ІВН 78 3.2. Приведений коефіцієнт витрати ІВН 82 3.3. Приведений коефіцієнт напору та основне рівняння ІВН 83 3.4. Кут навантаження ІВН, коло та круг теоретичних режимів 85 3.5. Приведені коефіцієнти потужності та опору, кутова характеристика ІВН 86 3.6. Система відносних одиниць. Номінальний та оптимальний режими роботи ІВН 90 3.7. Характеристики ІВН в системі відносних одиниць 92 3.8. Еквівалентування багатоступеневих та багатопотокових ІВН 94 3.9. Електрогідравлічна аналогія ІВН та електричної машини постійного струму 98 3.10. Висновки 101 4. МОДЕЛЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАЛЬНОГО ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА 103 4.1. Заступна схема РВН 103 4.2. Вихідні дані для розрахунку характеристик РВН 105 4.2.1. Конструктивні параметри 106 4.2.2. Режимні параметри 108 4.2.3. Визначення розрахункових режимних номінальних параметрів РВН 110 4.3. Розрахунок параметрів заступної схеми РВН в системі відносних одиниць 114 4.3.1. Визначення напору холостого ходу та внутрішнього гідравлічного опору (імпедансу) 116 4.3.2. Врахування скінченної кількості лопатей 118 4.3.3. Моделювання об'ємних втрат 119 4.3.4. Моделювання гідравлічних втрат 122 4.3.5. Моделювання механічних втрат 129 4.4. Алгоритм розрахунку параметрів заступної схеми та режимів РВН 132 4.5. Еквівалентна заступна схема та основне рівняння РВН 133 4.6. Висновки 136 5. СПРОЩЕНІ АНАЛІТИЧНІ МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАЛЬНОГО ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА 138 5.1. Тригонометрична форма запису характеристик РВН в системі відносних одиниць 138 5.1.1. Напірна характеристика 141 5.1.2. Характеристика споживаної потужності 144 5.1.3. Характеристика повного ККД 147 5.1.4. Розрахунковий кут навантаження РВН 147 5.2. Поліноміальна форма запису характеристик РВН в системі відносних одиниць 150 5.3. Висновки 155 6. КОМПЛЕКСНА МОДЕЛЬ РЕАЛЬНОГО ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА 157 6.1. Застосування комплексної змінної для аналізу режимів РВН 157 6.2. Пасивні лінійні параметри гідравлічного тракту у випадку гармонічних коливань тиску та витрати (ділянка спірального відводу) 162 6.2.1. Активний гідроопір 163 6.2.2. Інерційний гідроопір 166 6.2.3. Відцентрова форма числа Рейнольдса 167 6.3. Врахування скінченної кількості лопатей у комплексній моделі РВН 168 6.4. Диференціальні рівняння руху рідини в спіральній частині відводу гідравлічного тракту РВН у нерухомій системі координат X, Y 172 6.5. Рівняння руху рідини в спіральній частині відводу гідротракту РВН в обертовій системі координат d,q, жорстко зв'язаній з колесом насоса 176 6.6. Моделювання руху рідини у дифузорі відводу 178 6.7. Розгорнута комплексна заступна схема та векторна діаграма стану РВН 180 6.8. Еквівалентна комплексна заступна схема та колова діаграма РВН 187 6.9. Характеристики РВН із врахуванням в'язкості робочої рідини 191 6.10. Характеристики РВН при зміні швидкості обертання робочого колеса 196 6.11. Розрахунок параметрів розгорнутої комплексної заступної схеми РВН 196 6.11.1. Розрахунок чисел Рейнольдса (відцентрова форма) для окремих частин гідротракту насоса 197 6.11.2. Розрахунок гідроопорів хмех та rмех (механічних втрат) 200 6.11.3. Розрахунок гідроопорів х?н та r?н спірального відводу 201 6.11.4. Розрахунок гідроопорів x?Q та r?Q для вітки зворотного зв'язку (об'ємних втрат) 202 6.11.5. Розрахунок гідроопорів х?Q та r?Q для врахування скінченної кількості лопатей 203 6.12 Застосування методу електрогідравлічної аналогії для визначення та контролю параметрів заступної схеми РВН 208 6.13. Електрогідравлічна аналогія РВН та синхронної електричної машини змінного струму 212 6.14. Представлення ВН у вигляді пасивного чотириполюсника 216 6.15. Висновки 222 7. ЗАСТОСУВАННЯ МОДЕЛЕЙ ВІДЦЕНТРОВИХ НАСОСІВ ДЛЯ ПОКРАЩЕННЯ ФУНКЦІОНУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДНИХ НАСОСНИХ СТАНЦІЙ МАГІСТРАЛЬНИХ НАФТОПРОВОДІВ 225 7.1. Дослідження спільної роботи РВН на насосній станції за допомогою комплексної заступної схеми 225 7.1.1. Паралельна робота РВН 226 7.1.2. Послідовна робота РВН 228 7.2 Робота насосної станції на трубопровід 230 7.3. Застосування комплексної моделі РВН для синтезу поліоптимального керування функціонуванням електроприводних НПС магістральних нафтопроводів 238 7.4. Економічна ефективність застосування регульованого електропривода відцентрових насосів 252 7.5. Висновки 260 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 262 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 264 ДОДАТКИ 278 Додаток А Приклад розрахунку параметрів та робочих характеристик магістрального насоса НМ 7000-210 за допомогою математичної моделі, записаної в координатах дійсних чисел 278 Додаток Б Приклад розрахунку параметрів комплексної заступної схеми насоса НМ 7000-210 292 Додаток В Приклад розрахунку сумарної характеристики насосної станції, де спільно працюють насоси НМ 10000-210 та НМ 7000-210 309 Додаток Д Багатоцільове керування квазіусталеними режимами НПС магістрального нафтопроводу, обладнаної електроприводними насосними агрегатами 312 Додаток Е Аналіз економічної ефективності впровадження тиристорного регульованого електропривода 316 Додаток ЕЛ Аналіз економічної ефективності впровадження тиристорного регульованого електропривода на насосній станції магістрального нафтопроводу, обладнаній ВН типу НМ 3 600-210 316 Додаток Е.2 Аналіз економічної ефективності впровадження тиристорного регульованого електропривода підпірних відцентрових насосів на НПС "Августівка" Одеського РНУ ДАТ "Придніпровські магістральні нафтопроводи" 317 Додаток Ж Приклад розрахунку параметрів режиму насосної станції з послідовно ввімкненими насосами НМ 3600-230 та ділянки трубопроводу 324 Додаток 3 Інструкція з використання програми "Prscal" 327 Додаток И Матеріали з впровадження результатів дисертаційної роботи 340