Автоматизированное управление процессом водоподачи с использованием гидравлических средств регулирования

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [168-178] УДК 626.823.6

А. А. Пахомов, Н. А. Колобанова

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВОДОПОДАЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Представлены гидравлические средства регулирования заданного уровня воды в нижнем бьефе гидротехнических сооружений. Предложенные конструкции не требуют дополнительного источника электроснабжения и реконструкции существующих гидротехнических сооружений, отличаются несложностью и надежностью в работе, могут использоваться на внутрихозяйственной оросительной сети с пропускной способностью каналов до 1,5 м3/с для ГТС с диаметром водовыпускных труб от 0,3 до 0,6 м и гидравлическом перепаде на сооружении не менее 0,2 м. Точность регулирования заданного уровня составила от ± 2 см до ± 4 см.

Ключевые слова: оросительная система, гидротехнические сооружения, гидрорегулятор, автоматизированный водовыпуск, коэффициент расхода.

A. A. Pakhomov, N. A. Kolobanova

AUTOMATED MANAGEMENT OF WATER SUPPLY PROCESS USING HYDRAULIC MEANS FOR CONTROL

Hydraulic means for controlling the level of downstream water at the hydraulic facilities are presented. The proposed constructions do not require additional power supply and the reconstruction of existing hydraulic structures. The constructions are characterized by simplicity and reliability in operation. They can be used at intraeconomic irrigation network with service capacity up to 1.5 m3 per second for hydraulic facilities with tube diameter from 0.3 to 0.6 m and hydraulic drop at the facility not less than 0.2 m. The accuracy of the given level controlling was from ± 2cm to ± 4 cm.

Keywords: irrigation system, hydraulic facilities, hydraulic controller, automated water outlet, flow coefficient.

Наибольший эффект при автоматизации процесса управления водо-распределением на оросительных системах будет достигнут в случае автоматизации всего технологического процесса водоподачи - от водозабора до полива путем внедрения соответствующих технических средств на объектах регулирования водоподачи.

Самым сложным звеном в управлении водораспределением открытой оросительной системы является ее внутрихозяйственная часть, представленная водовыпусками в открытые оросители. Эти гидротехнические сооружения являются наиболее массовыми, они рассредоточены на боль-

шой территории, где зачастую отсутствуют линии электропередач. Поэтому в нижнем звене оросительной системы предпочтительнее применение гидравлических средств управления процессом водоподачи.

Дождевание - один из ведущих способов полива. При дождевании создаются оптимальные условия для возделывания различных сельскохозяйственных культур. В последние годы на поливах появились машины фронтального перемещения типа Valley, продолжают эксплуатировать дождевальные машины типа ДДА, Кубань.

В течение многих лет авторами ведется разработка гидравлических средств регулирования управлением процесса водораспределения и водо-подачи в каналах внутрихозяйственной оросительной сети. Эти средства по сравнению с электрическими средствами автоматизации обладают следующими достоинствами: простота в изготовлении, монтаже и эксплуатации; возможность установки на действующих водовыпусках без реконструкции трубчатой части сооружения; проведение технического обслуживания и ремонта без вывода сооружения из эксплуатации; устойчивость к нерасчетным внешним воздействиям; возможность нахождения регуляторов круглогодично на сооружении без демонтажа на зимний период.

К внедрению предлагаются четыре конструкции регуляторов уровня воды гидравлического принципа действия, которые могут быть использованы для автоматизации работы водовыпускных сооружений при водорас-пределении по нижнему бьефу.

Регулятор уровня [1] (конструкция № 1) работает следующим образом (рисунок l).

Первоначальное положение устройства: труба 10 водовыпуска открыта. При этом система шток 3 - мембрана 2 - затвор 4 - диск 5 занимает крайнее левое положение. Поэтому вода через трубу 10 поступает в регулируемый бьеф. Происходит также слив воды через отверстия 6, 7 и далее по трубопроводу 8 в нижний бьеф.

При повышении уровня воды в регулируемом бьефе поплавковый датчик 9 перекроет слив воды из трубопровода 8, вследствие чего полость камеры 1 будет заполняться водой. В это же время за счет динамического давления потока на диск 5 будет создаваться первоначальное закрывающее усилие. В результате чего система шток 3 - мембрана 2 - затвор 4 - диск 5 пойдет вправо. Далее поток захватит затвор 4, что обеспечит дополнительное закрывающее усилие и, благодаря этому, произойдет полное закрытие затвора 4.

1 - корпус; 2 - мембрана; 3 - шток; 4 - затвор; 5 - диск; 6 - входное отверстие;

7 - выходное отверстие; 8 - трубопровод; 9 - датчик уровня воды нижнего бьефа;

10 - труба водовыпуска

Рисунок 1 - Регулятор уровня воды с диском закрытия

При понижении уровня воды в нижнем бьефе поплавковый датчик 9 откроет сливное отверстие трубопровода 8. Вследствие чего будет происходить опорожнение полости камеры 1. Внутреннее давление воды в ней будет меньше внешнего давления потока на подвижную мембрану 2. Поэтому система шток 3 - мембрана 2 - затвор 4 - диск 5 пойдет влево и произойдет открытие входного отверстия трубы 10 водовыпуска. Вода вновь начнет заполнять нижний бьеф до заданного уровня. Таким образом, будет осуществляться процесс регулирования воды в нижнем бьефе сооружения.

Лабораторные исследования данной конструкции были выполнены

М. Н. Мелиховым, А. А. Пахомовым и К. М. Мелиховым [1, 2].

На рисунке 2 приведен график зависимости коэффициента расхода от открытия регулятора.

0.5У5

ц

И ,54 0.53.5 її,*3 0,57.5 1'.57 0.555

0.7 Э/Э 11 1.3 ^

Рисунок 2 - Изменение коэффициента расхода ц от открытия регулятора

Регулятор № 2 (рисунок 3), как и регулятор № 1, относится по конструкции к автоматическим устройствам непрямого действия.

Работа регулятора осуществляется следующим образом [3]. Первоначальное положение регулятора - плоский щит 2 опущен, гибкая оболочка 3 сжата, вода из трубы водовыпуска полным расходом поступает в нижний бьеф.

При увеличении уровня воды в регулируемом бьефе поплавковый датчик 8 пойдет вверх, вследствие чего клапан 9 перекроет сливное отверстие трубопровода 7, полость гибкой оболочки 3 будет наполняться водой. За счет того, что площадь плоского щита 2 больше площади поперечного сечения трубы водовыпуска 1, сила давления воды на внутреннюю поверхность щита 2 будет больше силы давления потока со стороны трубы водовыпуска. Поэтому гибкая оболочка 3 будет увеличиваться в объеме, в результате чего плоский щит 2 пойдет к торцу трубы водовыпуска 1 и закроет его. Таким образом, поступление воды в нижний бьеф прекратится.

1 - труба водовыпуска; 2 - плоский щит; 3 - гибкая оболочка;

4 - неподвижное основание; 5 - отверстие; 6 - трубопровод; 7 - трубопровод;

8 - поплавковый датчик; 9 - клапан

Рисунок 3 - Регулятор уровня воды непрямого действия

При увеличении уровня воды в регулируемом бьефе поплавковый датчик 8 пойдет вверх, вследствие чего клапан 9 перекроет сливное отверстие трубопровода 7, полость гибкой оболочки 3 будет наполняться водой. За счет того, что площадь плоского щита 2 больше площади поперечного сечения трубы водовыпуска 1, сила давления воды на внутреннюю поверхность щита 2 будет больше силы давления потока со стороны трубы водовыпуска. Поэтому гибкая оболочка 3 будет увеличиваться в объеме, в результате чего плоский щит 2 пойдет к торцу трубы водовыпуска 1 и закроет его. Таким образом, поступление воды в нижний бьеф прекратится.

При понижении уровня воды ниже заданной отметки поплавковый датчик 8 опустится, клапан 9 откроет слив трубопровода 7 и будет происходить опорожнение гибкой оболочки 3. Расход оттока воды из оболочки 3 будет больше расхода поступления, так как диаметр трубопровода 6 меньше диаметра трубопровода 7. Под действием потока, выходящего из трубы водовыпуска 1 , на плоский щит 2 гибкая оболочка будет сжиматься, поэтому вода вновь начнет наполнять нижний бьеф до заданной отметки уровня. По результатам гидравлических исследований получена расходная

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [168-178] характеристика регулятора (рисунок 4).

О. НС

13

16

15

%

13

12

11

о г 'А

Ш 50 60 70 вО 90 ЮО НО 120 130 КО 150 160

г»

Рисунок 4 - Г рафик зависимости расхода от гидравлического перепада при различных углах открытия затвора

Гидравлический регулятор уровня прямого действия (рисунок 5) осуществляет стабилизацию уровня в диапазоне от максимально допустимого уровня воды до минимально допустимого.

/о

а) б)

а) регулятор в положении «закрыто»; б) регулятор в положении «открыто»;

1 - затвор; 2 - труба водовыпуска; 3 - рычаг затвора; 4 - опорная часть рычага затвора; 5 - вилка; 6 - рычаг поплавка; 7 - поплавок; 8 - расчетный уровень воды в оросителе; 9 - блок-гаситель; 10 - дно оросителя; 11 - ось вращения рычага затвора; 12 - скользящий шарнир; 13 - ось вращения рычага поплавка; 14 - стойка;

15 - минимальный уровень воды в оросителе; 16 - противовес

Рисунок 5 - Г идравлический регулятор уровня прямого действия

Регулятор работает следующим образом [4]. При снижении уровня воды ниже заданного, датчик 7 опускается и увлекает за собой рычаг 6, который, вращаясь вокруг оси 13, скользящим шарниром воздействует на конец рычага 5, заставляя рычаг 3 вращаться вокруг оси 4, вследствие чего затвор 1 открывает водопропускное отверстие 2. При повышении уровня воды датчик 7 всплывает и затвор 1 перекрывает водопропускную трубу, прекращая поступление воды через водовыпуск. Исследования работы данного регулятора выполнил В. Ф. Скворцов [5]. В результате лабораторных испытаний получена зависимость коэффициента расхода сооружения \а от степени открытия затвора относительно диаметра водопропускной труб КЮ (рисунок 6), которая выражается уравнением:

У = 4,1315л-2 + 0,6528.x + 0,098.

у = 4,1315х2 + 0,6528х + 0,098

\ \ *

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента расхода сооружения р, от относительного открытия затвора К/В

Регулятор уровня комбинированного принципа действия - конструкция № 4 (рисунок 7) - работает следующим образом [6].

7 6 8 12 П 13 11 4 8

1 - труба водовыпуска; 2 - хомуты крепления; 3 - затвор; 4 - Т-образный рычаг;

5 - ось вращения; 6 - напорный щит; 7 - гибкая оболочка; 8 - штуцер импульсной трубки; 9 - импульсная трубка; 10 - основание; 11 - вантуз; 12 - штанга;

13 - поплавок-противовес; 14 - стопорный болт

Рисунок 7 - Регулятор уровня комбинированного принципа действия

Первоначальное положение: поплавок 9 и напорный щит 5 занимают нижнее крайнее положение, при этом камера 4 переменного объема имеет минимальный объем, а затвор 2 полностью открыт.

Вода по водовыпускной трубе 1 из верхнего бьефа поступает в нижний бьеф. В это время значения моментов сил от давления воды на затвор 2 и напорный щит 5 будут равными. Это равенство сохраняется за счет того, что рабочий напор воды действует не только на затвор 2, но и на щит 5.

По мере заполнения нижнего бьефа поплавок 9 с напорным щитом 5 начинают перемещаться вверх, вода из водовыпускной трубы 1 по отверстию 8 поступает в камеру 4, вследствие чего возникает закрывающее усилие и затвор 2 начинает закрываться.

В момент достижения заданного уровня поплавок 9 и щит 5 занимают верхнее крайнее положение, камера 4 имеет максимальный объем, затвор 2 закрыт, подача воды в нижний бьеф прекращается. При этом сохра-

няется равенство моментов сил от давления воды на напорный щит 5 и затвор 2. Закрывающее усилие создается подъемной силой поплавка 9.

В случае понижения уровня (ниже заданного) происходит обратный процесс. Поплавок 9 идет за уровнем воды вниз, поэтому напорный щит 5 опускается, объем камеры 4 уменьшается, а затвор 2 начинает открываться. Вода вновь заполняет нижний бьеф до заданного уровня. При этом также должно сохраняться равенство моментов сил, действующих на щит и затвор.

На рисунке 8 приведена нелинейная эмпирическая зависимость коэффициента расхода от величины относительного открытия затвора, которая для регулятора с импульсной трубкой имеет вид:

\12 = 0,3055-1п

га \

СР

+ 1,0058.

где а - величина открытия затвора на середине трубы водовыпуска; й - диаметр трубы водовыпуска.

а /й

**ор'

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента расхода от величины относительного открытия затвора

Предлагаемые конструкции можно использовать на внутрихозяйст-

-5

венной оросительной сети с пропускной способностью каналов до 1,5 м /с

для ГТС с диаметром водовыпускных труб от 0,3 до 0,6 м и гидравлическом перепаде на сооружении не менее 0,2 м.

Точность регулирования заданного уровня для регуляторов прямого действия составила ± 4 см, для не прямого действия - ± 2 см.

Список использованных источников

1 Мелихов, М. Н. Регуляторы уровня нижнего бьефа для трубчатых сооружений оросительных систем / М. Н. Мелихов, А. А. Пахомов // Прогрессивные технологии орошения сельскохозяйственных культур: сб. науч. тр. / Волгогр. с.-х. ин-т. - Волгоград, 1989. - С. 116-122.

2 Мелихов, К. М. Авторегулятор смешанного регулирования для оптимальной подачи воды в каналы-оросители / К. М. Мелихов, М. Н. Мелихов // Проблемы агропромышленного комплекса: мат. международ. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию Победы под Сталинградом / Волгогр. гос. с- х. акад. - Волгоград, 2003. - С. 208-210.

3 Пахомов, А. А. Формализованное описание процесса регулирования водоподачи в машинном канале-оросителе / А. А. Пахомов, В. Т. Островский // Водосберегающие технологии сельскохозяйственных культур: сб. науч. тр. / Волгогр. гос. с.-х. акад. - Волгоград, 2001. - С. 91-94.

4 Абезин, В. Г. Гидроавтомат уровня нижнего бьефа / В. Г. Абезин,

В. Ф. Скворцов // Информационный листок № 51-044-05. Разд. НиТ: Механизация и электрификация мелиоративных работ. - Волгоград: Волгоградский ЦНТИ, 2005. - 4 с.

5 Оптимизация конструктивных параметров конусного затвора гидрорегулятора / А. С. Овчинников [и др.] // Известия Нижневолжского агроуни-верситетского комплекса: наука и высшее образование. - Вып. № 3 (23). -Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2011. - С. 193-196.

6 Пахомов, А. А. Автоматизация водораспределения на открытой внутрихозяйственной оросительной сети / А. А. Пахомов, В. Ф. Скворцов // Вопросы мелиорации. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ». - 2008. - № 1-2. -

С. 23-33.

Пахомов Александр Алексеевич - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГАУ»), доцент.

Контактный телефон: 8(8442) 41-82-18.

E-mail: gidro-vgsha@mail.ru

Pakhomov Aleksandr Alekseyevich - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Agricultural University” (FSBEE HPE “Volgograd SAU”), Associate Professor.

Contact telephone number: 8(8442) 41-82-18.

E-mail: gidro-vgsha@mail.ru

Колобанова Нина Александровна - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГАУ»), доцент.

Контактный телефон: +7 917 831 64 21.

E-mail: kolobanova.nina@yandex.ru

Kolobanova Nina Aleksandrovna - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Agricultural University” (FSBEE HPE “Volgograd SAU”), Associate Professor.

Contact telephone number: +7 917 831 64 21.

E-mail: kolobanova.nina@yandex.ru