АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ УРОВНЕЙ ВОДЫ С РЕГУЛЯТОРАМИ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ

АННОТАЦИЯ

В настоящей статье приведены результаты гидравлического моделирование регулирование уровня воды в любом сечение Большого Наманганского канала путем автоматизированного управления положением затвора перегораживающиго сооружения. Адекватность гидравлической модели, проверена сопоставлением результатов численного и натурного эксперимента.

ABSTRACT

This article presents the results of hydraulic modeling of water level regulation in any section of the Great Namangan canal by automated control of the position of the gate of the blocking structure. The adequacy of the hydraulic model was verified by comparing the results of numerical and field experiments.

Ключевые слова: гидравлическая модель, автоматика, перегораживающая сооружения, затворы, водозаборное сооружения, неустановившегося движения воды, численные и натурные эксперименты.

Keywords: hydraulic model, automation, blocking structures, gates, water intake structures, unsteady water movement, numerical and field experiments.

Большой Наманганский канал начинается в верхнем бьефе Учкурганской ГЭС на р. Нарын, общей протяженностью 126,6 км, с головным проектным расходом 61,9 м³/сек, который проходит с территории Киргизстана 13.8 км на территорию Республики Узбекистан 112,8 км. Общая площадь орошаемых земель подвешенных к каналу составляет 38,0 тыс. га в том числе на территории Киргизстана - 6,0 тыс. га. Головное сооружение Большого наманганского канала расположено на верхнем бьефе Учкурганской ГЭС на территории республики Кыргыстана.

В настоящее время обострение проблемы с водой в Наманганской области Республики Узбекистан связаны прежде всего с проблемой эксплуатации гидроэнергетических сооружений Учкурганской ГЭС. Гидроэнергетические сооружения с суточной регулирующей емкости к настоящему моменту полностью исчерпали свои ресурсы, чем обусловлены непрерывно изменяющийся режим работы Учкурганской ГЭС наносящий крайне негативное влияние на работы всей гидротехнической системы водоподачи, тем самим создается неустановившегося движение воды в БНК которое оказывает негативное влияние на работу гидротехнических сооружений [1].

В связи с этим возникает необходимость разработки научно-технических мер направленных к существенному улучшению эффективности функционирования Большого Наманганского канала в условиях изменяющийся режимах работы Учкурганской ГЭС.

В качестве таких мер рассматриваются создание локальных систем стабилизации уровней воды с регуляторами дискретного действия; системы  стабилизации уровней воды в бьефах отдельных гидротехнических сооружения; усовершенствованию методов гидравлического расчета параметров неустановившегося движение воды и режимов работы перегораживающих сооружений и с несколькими боковыми насосными станциями отвода воды из канала.  

Повышения эффективности управление водными ресурсами ирригационных каналах предусматривает различные виды систем стабилизации уровней воды в каналах как с помощью гидравлических, так и средств автоматики.

Экспериментальные исследования локальных систем автоматического регулирования показали, что системы стабилизации уровней воды при расположении датчиков регуляторов на небольших расстояниях от перегораживающих сооружений имеют значительную область устойчивости. При этом возникает необходимость выбора коэффициентов усиления системы с целью нахождения минимального времени переходного процесса. Это позволяет улучшить качество стабилизации уровней воды и уменьшить потери при распределении.

Учитывая выше указанных возникает необходимость исследования устойчивости системах стабилизации уровней воды с помощью средств электрической автоматики Большом Наманганском канале. Рассмотрим возможность выбора коэффициентов усиления систем электрической автоматики в зависимости от параметров объектов оросительных систем.

Произвели гидравлическое моделирование изменение уровня воды между перегораживающими сооружениями с автоматическим датчиком установленного около перегораживающего сооружение в конце участка канала для регулирования состоянием затворов.

Гидравлическое моделирование. Рассмотрим изменение объем воды между перегораживающими сооружениями (ПК272+00÷ПК624+80) БНК то есть между сечениями (Ι-Ι) и (ΙΙ-ΙΙ) с абсцессами  и  . Количество воды, прошедшие через сечение с абсциссой , за время , будет равно

                                                (1)

где  - кинематическое вязкость  ;  - открытие затвора ; - средняя по живому сечению  скорость потока воды;  – уровень нижнем бьефе;  - уровень верхнем бьефе;  - время импульса датчике ;  - уклон дна канала.

Для сечение с абсциссой :

                                                       (2)

Изменение количества воды в отсеке за время  будет равняться:

На основе теоремы Лагранжа по отношению к разности

 ,  получим:

где: - скорость перемещения затвора   На основании (1) и (2) получим:

                                            (3)

Учитывая, что затворы перегораживающего сооружения управляется датчиком регулятора, то при этом для изменения расхода потока получим:

                                                    (4)

Приравнивая выражения (3) и (4), получим:

или после соответствующих сокращений получим

                                                                (5)

Таким образом, получено уравнение (5) динамики изменения скорости потока в магистральном канале, обусловленное управлением состоянием затворов перегораживающего сооружения с помощью датчика регулятора.

Учтем, что в открытых ирригационных каналах движение воды происходит под действием сил инерции и тяжести, используем критерий подобия Фруда  . В связи с этим введем безразмерные параметры ;   где: -характерные размерные величины (общий коэффициент усиления регулирующей системы между сечениями (1-1) и (2-2) и кинематическая вязкость соответственно) и после соответствующих сокращений  получим:

                                                               (6)

Численные эксперименты с использованием гидравлической модели. 

Для решения уравнения (6) введем функцию  в виде [1,2]:

                                                                  (7)

где: -относительное изменение открытие щита перегораживающего сооружения.

Учитывая равенство (7), уравнение (6) примет следующей вид:

                                                        (8)

Искомую функцию напишем как

                                                                          (9)

Тогда из (8) для   получим характеристическое уравнение

                                                                   (10)

Решая уравнение (10), получим

Тогда решением дифференциального уравнения будет

Учитывая краевые условия , , получим следующие уравнения для коэффициентов:

Решением системы линейных алгебраических уравнений методом Крамера определим неизвестные коэффициенты и после соответствующих математических операции получим:

                                 (11)

В итоге получим закономерность одномерного изменения скорости потока воды в магистральных каналах, обусловленная изменением состояние затворов перегораживающего сооружения для произвольного момента времени:

                                     (12)

Учитывая, что , получим:

                                                      (13)

По уравнению (3.3.13) рассчитывается переходный процесс в канале при наименьший открытия перегораживающего сооружения и уровня воды в верхнем бьефе.         Работа системы стабилизации, осуществляется следующим образом. Если, например, в верхнем бьефе перегораживающего  сооружения уровень воды уменьшится, то в канал начнет поступать меньший расход. Уменьшение уровня воды в створе датчика  по линии связи передается в электрический регулятор.

Как указывалось в [2], электрифицированные системы стабилизации в ирригации обычно оборудуются регуляторами прерывистого действия, т.е. перемещение затвора при отклонении датчика происходит через определенное время , которое настраивается в регуляторе.

Электрический регулятор в зависимости от выбранного закона управления формирует время включения двигателя затвора и открывает щит импульсами через  до тех пор, пока уровень в створе датчика не достигнет заданного.

При использовании в обратной связи электрического регулятора с пропорционально импульсным законом регулирования открытие затвора в зависимости от величины отклонения датчика определится по формуле [2]

                                                                     (14)

где  - скорость перемещения затвора;  – время импульса.

Решая систему уравнения, получим выражение для определения длительности импульса для выбранного закона регулирования

                                       (15)

Решая совместно уравнения (14) и (15) и учитывая, что при уменьшении уровня затвор должен закрыться, а при увеличении – открываться, получим общую уравнение для определения открытия щита:

                                                       (16)

Для апробации и верификации описанной модели рассмотрен перегораживающая сооружения БНМК (ПК451+85). Для верификации модели использовались натурные данные (рисунок 1).

Рисунок 1. Пикет ПК447 Большого Наманганского канала

Максимальная глубина потока 1,05 метр, максимальная скорость потока 2,2 м/с, расход воды 19,641 м³/с.

Результаты численной реализации уравнения (13) и (16) представлены на рисунках 2 и 3.

Выводы: Разработана гидравлическая модель регулирование уровня воды в любом сечение Большого Наманганского канала путем автоматизированного управления положением затвора перегораживающиго сооружения. Сопоставление результатов численного и натурного эксперимента дали хорошую сходимость, погрещность не более 4%.

Список литературы:

1. Махмудов И.Э. Повышение эффективности управления и использования водных ресурсов в среднем течении бассейна р.Сырдарья (Чирчик-Ахангаран-Келесский ирригационный район)//Республика илмий техник анжуман, 1-2 май 2015 й.Тошкент.
2. Ткачев А.А., Иваненко Ю.Г., Лобанов Г.Л. Математическое моде-лирование активных средств управления водораспределением в открытых руслах //Изв. ВУЗов. Сев-Кавк. регион. Сер. Техн. науки. 2000. № 1. С. 53-56.