science-review.ru
Гидравлические системы с центробежными насосами являются неотъемлемыми элементами большого числа технологических схем и применяются во многих областях народного хозяйства для перекачки различных жидкостей (воды, нефти, жидких руд, низкокипящих жидкостей и т.д. [1]):
- в добывающей промышленности;
- в химическом производстве;
- в энергетических установках;
- на транспорте;
- в коммунальном хозяйстве;
- в быту.
При проектировании указанных схем расчётам насосных установок уделяется большое внимание, так как важным является проектирование или подбор насосов и их приводов, удовлетворяющих требованиям конкретной гидравлической системы по степени повышения давления, производительности, стоимости, экономичности, долговечности и множеству других показателей.
Центробежные насосы нашли наибольшее применение в современных гидравлических системах, благодаря присущим им достоинствам [2]:
- высокая производительность при малых металлоемкости, весе и стоимости;
- высокая устойчивость работы на переменных режимах;
- возможность непосредственного привода от электродвигателя или турбины;
- простота пуска, регулирования, ремонта и обслуживания;
- высокая надёжность и долговечность.
Основным недостатком центробежных насосов является низкий коэффициент полезного действия (КПД) при работе на малых расходах вследствие уменьшения размеров проходных сечений и связанного с этим роста гидравлических сопротивлений. Этот недостаток особенно сильно проявляется в случаях, когда наряду с низкой производительностью требуется создать высокий напор [3]. По этой причине при проектировании или подборе определённого типоразмера центробежного насоса необходимо исследовать зависимость КПД конкретного насоса от напора.
При разработке гидравлической схемы, для которой подбираются насосы, необходимо совместное построение характеристик насосов и сети и нахождение на характеристиках особых (характерных) точек. По расположению этих точек можно оценить, насколько тот или иной тип насоса удовлетворяет требованиям, предъявляемым к данной гидравлической системе.
При этом необходимо производить множество вариантных расчётов, осуществление которых является достаточно трудоёмким. Таким образом, при проектировании гидравлических систем и входящих в них центробежных насосов актуальным является осуществление быстрого и малозатратного способа построения совместных характеристик [4].
В связи с этим целью данной работы является автоматизация построения необходимых зависимостей и характерных точек с помощью специально разработанной компьютерной программы.
Материалы и методы исследования
При разработке расчётной программы использовалась методика пошагового расчёта совместных характеристик насосов и гидравлической сети, приведённая в работе [5]. Методика изложена в приложении к расчёту контура охлаждения ядерного реактора, но подходит также и для расчёта любой гидравлической системы с центробежными насосами.
Для создания компьютерной программы выбран один из самых современных и быстро развивающихся языков программирования Python, позволяющий производить математические вычисления с реализацией численных методов практически любой степени сложности. С использованием дополнительных библиотек язык Python предоставляет разработчику средства для создания удобного графического интерфейса пользователя (GUI) и вывода результатов расчётов в виде наглядных графиков [6].
С помощью команд библиотеки Tkinter в основном окне программы созданы надписи-пояснения, поля ввода данных, кнопки выполнения расчётов, а также внедрено меню выбора основных операций программы [7].
Для вывода качественной графики использована библиотека Matplotlib [8]. Для расчёта специальных математических функций также использовался модуль Math.
Для получения массивов данных, используемых при построении графических характеристик, расчёт параметров гидравлической схемы и центробежных насосов производился с помощью специально созданных функций, выполняемых при «нажатии» на соответствующие кнопки пользовательского интерфейса. Данные функции представляют из себя циклические конструкции.
Такая технология создания программных продуктов уже успешно опробована авторами в предыдущих исследованиях [9, 10].
На рис. 1 приведён созданный с помощью языка Python графический интерфейс с полями, заполненными необходимыми для расчёта примера исходными данными.
Рис. 1. Интерфейс ввода исходных данных для расчёта гидравлической системы
Результаты исследования и их обсуждение
Гидравлическая сеть состоит из совокупности труб, ёмкостей, фильтров, патрубков, арматуры и прочих систем, через которые проходит рабочая среда – жидкость. Таким образом, характеристика сети является обобщённой характеристикой совокупности всех указанных её элементов.
Характеристика центробежных насосов должна быть подобрана таким образом, чтобы обеспечить требования технического задания к рассматриваемому технологическому процессу. В то же время характеристики сети и насосов должны быть согласованы, то есть рабочая точка сети во всех режимах работы должна находиться в рабочей области характеристики центробежных насосов.
Только при выполнении указанного условия можно обеспечить совместную работу насосов и сети с наибольшей эффективностью. Кроме того, это приводит к достижению наибольшей надёжности системы. Разработанная программа позволяет быстро произвести процесс такого согласования характеристик.
Для отработки программы использовался приведённый в [11] пример расчёта системы охлаждения третьего контура судовой ядерной паропроизводящей установки, выполненный вначале пошагово вручную.
На рис. 2 приведены полученные с помощью программы (при нажатии элемента интерфейса – кнопки «Характеристики насосов и сети») совмещённые характеристики насосов и гидравлической сети, представляющие из себя зависимости напора H (кДж/кг) от расхода жидкости G (кг/с) при постоянном числе оборотов вала насоса, постоянных физических характеристиках жидкости и заданном гидравлическом сопротивлении сети.
Рис. 2. Характеристики гидравлической сети и насосов с указанием особых точек: сплошная линия – характеристика сети, пунктирная линия – характеристика параллельно подключённых насосов, штрихпунктирная линия – характеристика одиночного насоса
На графике отмечены особые точки характеристик насоса и сети, полученные с помощью программы. Рассмотрим их подробнее.
Точка Р соответствует номинальной (расчётной) производительности системы, определяемой её сопротивлением.
Точки А и Рн соответствуют требуемой и расчётной производительности системы при отключении одного насоса.
Напорная характеристика насоса при спецификационном (указанном в документации) числе оборотов должна проходить на диаграмме G–H выше точек Рн и А, что мы и видим на приведённом графике.
Точка пересечения характеристики сети с напорной характеристикой насосов определяет фактический режим работы насосов (точка Ф) и называется рабочей точкой. При отключении одного насоса рабочей точкой является точка Фн.
В коде программы предусмотрен также блок, позволяющий вывести координаты всех особых точек для анализа результатов. На основе выводимых координат точек в случае необходимости организации более детальных исследований можно легко создать базу данных различных параметров.
Кроме получения характерных точек сети, программа позволяет построить зависимость КПД центробежных насосов на фактическом режиме работы от расхода (при нажатии на элемент интерфейса – кнопку «Зависимость КПД насоса от относительного расхода») (рис. 3).
Данная характеристика позволяет подобрать режим работы используемых насосов, обеспечивающий максимальную эффективность.
Для рассматриваемого примера согласно рис. 3 с целью достижения максимального КПД рекомендуется эксплуатировать насосы при производительности, равной примерно 92 % от номинальной.
Рис. 3. Зависимость КПД насоса от относительного расхода жидкости
Процесс создания и апробации программы доказал удобство и широкие возможности применения языка программирования Python для создания научно ориентированных приложений.
Расчёт совместных характеристик насосов и гидравлической сети, выполненный с помощью созданной программы, в сравнении с произведённым вручную расчётом по методике, описанной в статье [11], показал полное соответствие полученных результатов.
Результаты расчёта представлены программой в виде графиков, иллюстрирующих зависимость параметров гидравлической системы от исходных данных, в связи с чем отображение итогов проектирования отличается наглядностью и удобством сравнения различных режимов и вариантов используемого в схеме оборудования.
Разработанная программа позволяет находить все основные характерные точки на совместных характеристиках насосов и гидравлической системы, с целью поиска «узких мест» в проектируемой системе.
Также с помощью программы можно исследовать график КПД насосов на фактическом режиме, с целью выбора наиболее оптимального расхода.
Заключение
Таким образом, в рамках описанной работы по существующей методике расчёта гидравлических систем с центробежными насосами разработана программа на языке Python, позволяющая решить следующие задачи:
- построить характеристики существующей гидравлической системы;
- подобрать характеристики разрабатываемой системы, удовлетворяющие необходимым требованиям;
- построить зависимость КПД центробежных насосов от расхода, позволяющую подобрать наилучший режим работы насосов.
Другими словами, с помощью созданной программы можно производить как поверочный расчёт уже применяемой гидравлической системы, так и использовать её при проектировании вновь создаваемых гидросистем любого назначения с использованием центробежных насосов. Такая автоматизация процесса проектирования приведёт к повышению надёжности и эффективности работы гидравлических систем, а также к увеличению производительности труда инженеров-проектировщиков.
Также разработанный алгоритм и программный код в дальнейшем можно использовать для отслеживания работы гидравлической системы в реальном времени, подавая на вход программы данные с датчиков.
Ещё одна перспективная сфера использования программы – анализ и прогнозирование режимов работы системы с центробежными насосами с использованием создаваемых баз данных и их анализа с помощью дополнительных библиотек для языка Python, например библиотеки Pandas [12].