Энергосберегающие способы выбора параметров и оптимизации управления группой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СПОСОБЫ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ И ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ЛОПАСТНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Николаев Валентин Георгиевич

03.00.23 - биотехнология

Щелково - 2008

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности РАСХН

и Московском институте коммунального хозяйства и строительства

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки,

доктор биологических наук, профессор

Денисов Аркадий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Дадасян Артур Яшарович

доктор технических наук

Лезнов Борис Семенович

доктор технических наук, профессор

Примин Олег Григорьевич

Ведущая организация:

ОАО «Российский научно-исследовательский и проектный институт агропромышленного комплекса» (Роснипиагропром)

Защита состоится 26 декабря 2008г в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д 006.069.01 во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности по адресу: 141142, Московская область, Щелковский район, п/о Кашинцево, ВНИТИБП;

e-mail: vnitibp @mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности

Автореферат разослан … ………..2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук Фролов Ю.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Применение энергосберегающих технологий в промышленности позволяет достичь на предприятиях в целом экономии электроэнергии 15-30% от ее общего расхода. При этом стоимость оснащения 1 кВт мощности энергоустановки преобразователями электроэнергии составляет всего в среднем от 100 до 200 долларов США за 1 кВт в зависимости от мощности установки, величины напряжения и конструктивных особенностей преобразователя.

Существенный вклад в развитие энергосберегающих методов управления работой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах внесли: С.В. Яковлев, Б.С. Лезнов, И.А. Сыромятников, Д.Н. Смирнов, Л.Ф. Мошнин, А.Д. Поздеев, В.С. Пономаренко, М.П. Сергеев, О.В. Демидов, А.А. Сушенцов, В.С. Алексеев, В.Н. Швецов, Н.Ф. Ильинский, А.К. Аракелян, Ю.А. Ермолин, Г.М. Иванов Г.Б. Онищенко и другие.

Современные энергосберегающие технологии позволяют с минимальными капитальными затратами обеспечить существенную экономию электроэнергии и энергообеспеченность предприятий промышленности и сельского хозяйства. Для крупномасштабного решения проблемы необходим поиск оптимальных конструктивно-технологических и технико-экономических решений и разработка научно-обоснованных методов управления энергетическим оборудованием и сбережения электроэнергии в промышленных условиях.

Применение регулируемых электроприводов позволит сэкономить до 5-7% топлива на предприятиях теплоэнергетики и снизить в 1,5-2,0 раза износ машин и механизмов, уменьшить в 1,5-2,9 раза аварийность гидросистем отопления и водоснабжения за счет исключения гидроударов, что особенно важно для изношенных гидросетей предприятий АПК.

Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП РАСХН и кафедре Коммунального и промышленного водопользования МИКХиС.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлось энергосбережение путем регулирования насосными и воздуходувными установками в системах водоснабжения и водоотведения (в сооружениях аэробной биологической очистки)

При выполнении работы были поставлены следующие задачи.

1. Обобщить существующую информацию по системам управления электроприводов энергоустановок в очистных сооружениях населенных пунктов и предприятий АПК.

2. Выполнить анализ технологических режимов работы насосных и воздуходувных установок и способов регулирования группой лопастных нагнетателей в условиях эксплуатации современных систем аэробной биологической очистки.

3. Разработать математическую модель функционирования лопастного нагнетателя в нестационарном технологическом процессе.

4. Оценить влияние выбора способа управления лопастным насосным агрегатом и характера распределения нагрузки во времени на определение его оптимальных параметров.

5. Провести комплекс расчетно-экспериментальных исследований по разработке методов выбора оптимальных технических решений при создании систем энергоснабжения и регулирования технологическим оборудованием сооружений аэробной биологической очистки сточных вод.

6. Разработать и обосновать способы снижения потребления электроэнергии при реализации биотехнологических процессов переработки отходов (очистки сточных вод).

7. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой насосной установки с одним насосным агрегатом с регулируемым приводом.

8. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления при работе группы параллельно подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом при переменной нагрузке.

9. Разработать практические рекомендации по снижению потребления электроэнергии насосными и воздуходувными установками в процессе эксплуатации сооружений аэробной биологической очистки сточных

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель функционирования насосного агрегата с регулируемым электроприводом при переменной нагрузке в нестационарных технологических процессах.

2. Разработаны методы определения оптимальных параметров насосного агрегата при переменной нагрузке по минимуму затрат энергии с использованием численных методов и математической модели виртуального насоса.

3. Научно обоснованы способы снижения потребления электроэнергии технологическим оборудованием при реализации биотехнологических процессов очистки сточных вод.

4. Разработаны рекомендации по оптимизации параметров работы группы лопастных насосов в зависимости от их числа и характера распределения нагрузки с использованием современных теоретических методов расчета.

5. Разработаны методики выбора оптимальных параметров и способов управления лопастными нагнетателями в эксплуатации на основе прогнозирования с использованием математических моделей.

6. Научно обоснованы оптимальные пути снижения затрат электроэнергии в условиях биотехнологической переработки отходов предприятий сельскохозяйственного сектора.

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований энергосистем современных промышленных и сельскохозяйственных предприятий и позволяют с высокой степенью достоверности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем энергоснабжения сооружений аэробной биологической очистки сточных вод коммунального и промышленного происхождения.

Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конструктивно-технологических характеристик энергетических систем комплексов аэробной биологической очистки сточных вод.

Апробация работы.

На основании проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации по основам метода снижения энергопотребления технологического оборудования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод агропромышленного комплекса.

Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва, Внедрено ОАО «Органический синтез» г. Казань по Системам оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой заврда по производству Бифенола-А; ООО «Рузские тепловые сети» г. Руза Московская обл. при пуско-наладочных работах (ЦТП) № 2 г. Руза; ЗАО «Кузнецовский» Московская обл.; Каголымское МУП «Водоканал» г. Каголым по реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции КОС г. Калолым;

Материалы диссертационной работы доложены на Всероссийской выставке-форуме «Энергосбережение в регионах России», М. 2003; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2005», М, 2005; Всероссийском научно-практическом семинаре «Проблемы водоснабжения и водоотведения», г. Кагалым, 2006; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2006», М, 2006; Научно-технической конференции «Современные проблемы инженерных систем экологии городов и населенных пунктов», МГСУ, М.2006; Международном семинаре «Экология селитебных территорий» МГСУ, М. 2006; VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2007; Выставке-семинаре «Москва-энергосберегающий город. Современные; информационные технологии в городском хозяйстве», М., 2007; VII Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности», Пенза 2007; Международной научно-практической конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» ВНИТИБП, Щелково 2007; VIII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2008.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 66 таблиц и 5 приложений. Библиография включает 204 наименования, из которых 78 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

лопастный нагнетателеь биотехнологический

Обзор литературы, посвященный анализу современного состояния вопроса по теме работы, приведен в главе 1. Необходимость непрерывного регулирования насосными установками состоит в приведении в соответствие режимов работы насосов с режимами работы водопроводной или канализационной сети. Водопотребление и соответственно сток загрязненных вод непрерывно изменяются во времени по случайно-вероятностным законам, которые необходимо отслеживать с помощью системы регулирования. Диапазон изменения водопотребления и притока сточных вод довольно широк и, чтобы отслеживать эти изменения, необходимо непрерывно регулировать режим работы насосной установки.

Изменился качественно процесс регулирования технологических и энергетических режимов систем водоснабжения и водоотведения. Вместо дискретного регулирования, сопряженного с прямым включением насосных агрегатов и, как следствие с большими пусковыми токами двигателей, гидравлическими ударами, перенапряжениями в стенках трубопроводов, повышенным износом затворов и задвижек, появилось плавное регулирование насосных агрегатов и систем в целом.

В настоящее время решаются проблемы автоматизации системы водоснабжения, состоящей из нескольких насосных станций, подающих воду в общую сеть. Разрабатываются и внедряются системы, обеспечивающие суммарный минимум энергопотребления нескольких станций, подающих воду в общую водопроводную сеть, и поддерживающая в ней стабильное давление. Наличие крупных и средних воздуходувных установок в составе сооружений биологической очистки сточных вод и значительного количества вентиляторных градирен в системах оборотного водоснабжения потребовало рассмотрения проблемы использования регулируемого электропривода в воздуходувных установках различного вида.

В главе 2 дано описание объектов исследования и приведены методы исследований и обработки их результатов, использованные при проведении работы. Объектами исследований являлись насосные и воздуходувные установки систем водопотребления и водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий. В состав установок входили комплекты оборудования, состоящие из одного или нескольких насосных или воздуходувных агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительной аппаратуры, аппаратуры управления и защиты. Насосные и воздуходувные агрегаты содержали несколько параллельно или последовательно соединенных насосов и воздуходувок в совокупности с электроприводом. Для привода насосов использовались преимущественно асинхронные короткозамкнутые и синхронные двигатели переменного типа. Электродвигатели имели мощность до 320 кВт и напряжение питания 380-660 кВ. Воздуходувки обеспечивали подачу воздуха с давлением 0,1-3,0 атм (104-3.105 Па). Использование современных методов научных исследований позволило определить влияние на технологические процессы различного рода внутренних и внешних воздействий и оценить эффективность предлагаемых технологических и конструктивных решений.

В главе 3 приведены результаты исследования рабочих режимов лопастного нагнетателя в нестационарном технологическом процессе.

Решение современных задач по анализу эффективности подбора насосного оборудования и способов управления им немыслимы без использования современных информационных технологий и специальных компьютерных программ. Для этого характеристики технологического процесса и обеспечивающего этот процесс оборудования должны быть представлены в виде аналитических зависимостей. При этом аппроксимирующие функции должны с достаточной степенью точности описывать изучаемый технологический процесс и характеристики используемого оборудования, и при этом не быть чрезмерно сложными и громоздкими, что затрудняло бы построение математической модели и решение оптимизационных задач.

Для пересчета напорной характеристики насоса было получено следующее выражение:

(1)

где - коэффициенты аппроксимации, вычисляемые методом наименьших квадратов; - коэффициент изменения частоты вращения.

Эта формула позволяет, располагая характеристикой нагнетателя при номинальной частоте, осуществлять перерасчет напорных характеристик нагнетателей в зависимости от задаваемой текущей частоты вращения рабочего колеса, что необходимо для эффективного управления нагнетателями.

Для обеспечения возможности варьирования параметрами оборудования в широком диапазоне вне привязки к существующим конструкциям, необходимо иметь математическую модель насоса, параметры которого на оптимальном режиме (, и ) могут быть заранее определены в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации и заданного характера распределения нагрузки.

Для этого представляет интерес изучение форм напорных характеристик лопастных насосов. Определенному значению быстроходности лопастного насоса присуще своя специфическая форма напорной характеристики (рис. 1). Всякое искусственное изменение формы кривой , как правило, вызывает снижение КПД насоса. В общем случае эта кривая представляет собой параболу, максимум которой располагается в точке , представляющая вершину параболы, которая может быть расположении либо в I-м либо во II-м квадранте (рис. 1, а, b). Для насосов с вершиной в I-м квадранте (>0) имеется западающий участок характеристики, расположенный в области: 0<(0,250,3) . Данный тип характеристики присущ лопастным насосам с быстроходностью <120. У насосов с западающей левой ветвью напорной характеристики возможны пересечение с характеристикой трубопроводной системы в двух точках. Возможность возникновение 2-х рабочих точек может привести при снижении нагрузки к возникновению явления помпажа, поэтому для насосов с > 0 снижение подач ниже недопустимо и должно быть учтено при определении области возможных ограничений.

В качестве критерия, характеризующего крутизну напорной характеристики, используется коэффициент крутизны . Коэффициент крутизны напорной характеристики определяется в зависимости от значения коэффициента быстроходности . Зависимость коэффициента от быстроходности насоса приведена в таблице.

Коэффициент быстроходности насоса	Вид напорной характеристики	Коэффициент напорной характеристики
40 < < 80	Пологая
80 < < 150	Средняя
150 < < 250	Крутопадающая

Математические модели напорных характеристик в зависимости от расположения их вершины будут различны.

1). Случай, когда вершина параболы расположена в первом квадранте (рис. 1, а). Представленная на рисунке кривая характерна для лопастных насосов в диапазоне быстроходностей от 40 до 120.

Для построения математической модели насоса необходимо получить его следующие аналитические характеристики: напорную , КПД и кавитационную: . Исходными параметрами при этом являются подача и напор насоса на оптимальном режиме.



Рис. 1. К построению математической модели виртуального насоса:

а) вершина напорной характеристики (точка В) расположена в Iм квадранте (QB>0), в) то же во IIм (QB<0)

Как указывалось ранее, напорная характеристика лопастного насоса может быть аппроксимирована полиномом 2-й степени.

Анализ форм характеристик для насосов с западающей левой ветвью показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче насоса, равной от 0,2 до 0,3 от (рис. 1 а). В этой связи для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующая последовательность расчетов:

1. Располагая значением и определяется быстроходность насоса по формуле:

 (2)

где - частота вращения рабочего колеса, мин-1; - подача насоса на оптимальном режиме, м3/с; - напор насоса на оптимальном режиме.

2. Определяем напор насоса при нулевой подаче по формуле:

(3)

3. Принимаем ординату вершины параболы , а значение напора, на основе анализа характеристик насосов типов: , и , может быть принято равным 1,05 .

4. Таким образом получаем координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы :

5. Подставляем приведенные значения напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уровней:

(4)

6. Решая приведенную систему получаем значения коэффициентов аппроксимации , и для случая, когда вершина параболы расположена в I-м квадранте ( > 0).

2). Случай, когда насос имеет устойчивую ниспадающую характеристику (> 120) приведен на рис. 1, b. Из приведенного рисунка видно, что вершина параболы располагается во II-м квадранте. Методика определения параметров насоса в характерных точках для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующей:

1. Анализ форм характеристик лопастных насосов типов , и показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче равной: 0,2 0,3 . Принимаем значение (рис. 1, b).

2. Напор насоса в этой точке вычисляем с учетом быстроходности по формуле:

(5)

3. Для построения напорной характеристики необходимо определить напор насоса в точке (рис. 1, b), абсцисса которой равна нулю. Для этого рассмотрим подобные треугольники и . Из условий их подобия можно записать следующее:

(6)

После преобразований находим напор в точке

(7)

Необходимый для построения параболы напор в точке находим по формуле:

(8)

При этом соблюдается условие: < < , обеспечивающее ниспадающий характер напорной характеристики насоса.

4. Таким образом, получим координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы :

5. Подставляем приведенные выше значение напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уравнений:

(9)

6. Решая приведенную систему уравнений, получаем значения коэффициентов аппроксимации для случая, когда вершина параболы характеристики расположена во II-м квадранте ( < 0).

Для сравнения энергоэффективности выбираемых вариантов оборудования и способов управления им важнейшей характеристикой насоса является характеристика его КПД, т.е. . Характеристики КПД лопастных насосов с достаточной степенью точности могут быть аппроксимированы параболой вида . Поэтому при разработке математической модели важное значение имеет определение коэффициентов аппроксимации , и по заданным значениям оптимальной модели и оптимального (максимального) значения КПД .

Поскольку парабола вида: выходит из начала координат, то при будем принимать = 0. Если значение подачи будет равным , то КПД в этой точке имеет свое максимальное значение, т.е. при . Поскольку парабола симметрична относительно своей вершины (при ), то при значение КПД равно нулю. Таким образом, можно составить следующую таблицу:

Поскольку = 0, получаем систему из двух уравнений:

(10)

Располагая значениями и , решаем приведенную систему уравнений и находим коэффициенты аппроксимации:

; (11)

Наиболее распространенным явлением, ограничивающим область применения насосов, а, следовательно, их энергоэффективность, является кавитация. Поэтому математическая модель насоса не может быть полноценной без моделирования кавитационной характеристики насоса . Кавитационная характеристика насоса с достаточно высокой степенью точности может быть аппроксимирована полиномом вида: , где , и - коэффициенты аппроксимации.

Анализ форм кавитационных характеристик насосов типов , и и др. показывает, что при подаче равной 0,7 0,8 от , значение критического кавитационного запаса составляет 0,7 0,8 от , а при подаче, равной его значение находится в пределах 1,2 1,4 от . На основании анализа форм кавитационных характеристик может быть составлена следующая таблица:

Вводя приведенные в таблице значения в уравнение аппроксимации:

(12)

Вычислив предварительно по формуле С.С. Руднева и решая приведенную выше систему уравнений получим значения коэффициентов аппроксимации: , и .

Основной целью моделирования является исследование энергоэффективности различных методов подбора насосного оборудования и способов управления им. В этой связи представляет интерес сопоставление параметров реальных и виртуальных насосов, включая потребление ими энергии. Такое сопоставление было проведено для ряда отечественных и зарубежных насосов. Для заданных условий эксплуатации, как наиболее эффективным, был подобран виртуальный насос. Наиболее близким к нему по своим параметрам оказался насосный агрегат Д-4000-95-0.

Результаты сопоставления параметров показывают, что они имеют некоторое, несущественное отличие. Потребляемая насосным агрегатом Д-4000-95-0 за год энергия составила 3577 тыс.кВт·ч, а виртуальным насосом соответственно 3520 тыс.кВт·ч. Разность результатов расчета потребляемой энергии для одинаковых условий эксплуатации и способа управления агрегатами составила менее 1,6%. Аналогичные результаты получены для ряда других насосных агрегатов. Это свидетельствует о том, что разработанная математическая модель лопастного насоса достаточно полно отражает основные качества и характеристики реальных машин и поэтому может служить надежным инструментом для проведения исследований.

Следует подчеркнуть, что рассмотренные выше варианты построения напорных характеристик насосов будут справедливы для тихоходных насосов () насосов с нормальной быстроходностью () и быстроходных машин (). Для диагональных машин () и осевых ( > 500) машин, имеющих напорную характеристику с перегибами, применение рассмотренной выше модели может привести к существенным погрешностям в полученных результатах. Поэтому разработанная модель может успешно применяться для лопастных насосов в диапазоне быстроходностей: 40??250. При составлении математической модели необходимо при определении быстроходности насоса варьировать частотой вращения его рабочего колеса, задаваясь различной частотой вращения электродвигателя привода, что позволит удержать модель в рамках заданного диапазона быстроходностей.

В главе 4 изложена методика определения оптимальных параметров нагнетателя, позволяющая увязать предполагаемые параметры оборудования с характеристикой трубопроводной системы и статическим распределением нагрузки.

При использовании регулируемого электропривода для лопастных насосов их КПД будет являться функцией трех переменных = (, и ). На потребляемую насосом энергию будет влиять не только само значение отклонения фактических значений КПД от его максимального значения, но и время работы с этим отклонением.

Поэтому, в качестве критерия максимизации КПД при переменной нагрузке, принимаем минимальное значение математического ожидания фактических значений КПД от максимального:

(13)

Для выполнения условия (13) необходимо таким образом расположить вершину параболы, аппроксимирующей характеристику КПД насоса (рис. 2, кривая 5, точка С), чтобы выполняя условие =, площадь S (на рисунке заштрихована), представляющая собой разность площадей прямоугольника МВДЕ и параболы (кривая 5) с учетом вероятностей подач была минимальной, то есть:

(14)

(15)



Рис. 2. Определение оптимальных параметров насоса с регулируемым электроприводом при переменной нагрузке для традиционного и рекомендуемого способов выбора (1,2,3 - положение напорной характеристики (1), характеристики КПД (2) и кривой подобных режимов максимального значения КПД (3) для традиционного способа ; 4,5,6 -положение напорной характеристики (4), характеристики КПД (5) и кривой подобных режимов для рекомендуемого способа; 7-характеристика трубопроводной системы; 8-положение напорной характеристики при обеспечении минимальной подачи.

После преобразований получим:

. (16)

Характеристика КПД насоса может быть аппроксимирована полиномом второй степени:

(17)

где D, E и F - коэффициенты аппроксимации.

Подставим в формулу (17) граничные условия, приведенные в таблице.

	0		2
	0		0

C учетом того, что парабола (17) выходит из начала координат, т.е. при , получим систему уравнений:

(18)

Решая систему уравнений (18) находим значения коэффициентов аппроксимации D и E:

; (19)

Подставляем полученные значения коэффициентов и в уравнение (16) и после преобразования получим формулу для определения оптимальной подачи, соответствующей положению максимального значения КПД:

(20)

Определяя из формулы (20) и подставляя его в выражение (19) находим численные значения коэффициентов и в уравнении аппроксимации характеристики КПД насоса. Таким образом, получаем уравнение характеристики КПД насоса, привязанное к статистическому распределению нагрузки.

Для выбора насоса недостаточно знать только его подачу , а необходимо также определить напор на оптимальном режиме.

При использовании такого, наиболее эффективного способа управления, как минимизация избыточных напоров в трубопроводной системе, в точке соответствующей координатам и должно соблюдаться три условия:

1) принадлежность к напорам характеристики подбираемого насоса;

2) принадлежность к кривой подобных режимов для максимального значения КПД;

3) равенство нулю избыточного напора (так как = ), т.е. принадлежность к характеристике системы.

Этим условиям соответствует единственная точка А2 (рис. 2, пересечение кривых 6 и 7).

При традиционной методике выбора насоса напорная характеристика при номинальной частоте вращения () пересекается с характеристикой трубопроводной системы (рис. 2, кривая 7) в точке А1, соответствующей максимальному значению подачи. Кривая подобных режимов максимального значения КПД проходит в этом случае также через эту точку (кривая 3). При применении регулируемого привода напорная характеристика (кривая 1) становится плавающей и при уменьшении нагрузки перемещается за счет снижения частоты вращения рабочего колеса (<1) эквидистантно самой себе и при достижении минимального значения нагрузки проходит через точку А3, занимая положение, представленное на рис. 2 (кривая 8).

В отличие от традиционного способа выбора оборудования, оптимальной подаче насоса, вычисленной с помощью формулы (20), соответствует положение напорной характеристики , представленное на рис. 2 (кривая 4). Напорная характеристика пересекается с характеристикой трубопроводной системы в точке А2, соответствующей оптимальной подаче и оптимальному напору насоса, а, следовательно, максимальному значению КПД. Кривая подобных режимов максимального значения КПД также проходит через точку А2 (кривую 6). При увеличении нагрузки выше оптимальной, за счет повышения частоты вращения рабочего колеса (>1), напорная характеристика перемещается и при достижении максимального значения нагрузки занимает положение, приведенное на рис. 2. (кривая 1). При уменьшении нагрузки ниже оптимальной, за счет снижения частоты вращения рабочего колеса (<1) напорная характеристика насоса перемещается и при достижении минимального значения нагрузки проходит через А3, занимая положение, приведенное на рис. 2 (кривая 8).

В главе 5 приведен сравнительный анализ энергоэффективности работы насосных установок с одним насосным агрегатом, работающим при переменной нагрузке. Для этого рассматривалась работа насосных агрегатов, подобранных по традиционной методике по максимальной (пиковой) нагрузке. В качестве примера: для сравнения энергоэффективности использовались различные по производительности насосные агрегаты отечественного и зарубежного производства, таких как: Д-3200-75, КМ-100-65-250, СР-3531/865 (Швеция), Д-1250-654, 600В-1,6/100-0. Проанализированы основные причины низкой эффективности работы насосного оборудования при переменной нагрузке. Проведено сопоставление энергоэффективности таких способов управления как: дросселирование, стабилизация давления на выходе насосной установки, минимизация избыточных напоров в трубопроводных системах и оптимизация (минимизация избыточных напоров с предварительной оптимизацией параметров подбираемого оборудования). Приведена зависимость энергопотребления насосного агрегата от выбора давления стабилизации. Показано, что наименее эффективным способом управления с применением регулируемого привода является широко применяемая в нашей стране стабилизация давления на выходе насосной установки, т.к. позволяет использовать только незначительную часть потенциала энергосбережения.

В главе 6 приведен сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой группы параллельно подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом при переменной нагрузке.

Особенностью большинства насосных систем являются значительные колебания нагрузки во времени, особенно в системах, поддающих воду непосредственно в городскую сеть, диапазон изменения подач насосных установок может находиться в широких пределах от 0,25 до . Для покрытия достаточно широких диапазонов нагрузки, а также с целью регулирования подачи на практике достаточно часто используют включение в параллельную работу двух, трех и более насосных агрегатов.

Подключение к одиночно работающему агрегату второго однотипного насоса увеличивает подачу системы менее, чем в 2 раза, а добавка подачи от включения каждого последующего насоса будет еще ниже, чем предыдущего. Поэтому в практике водоснабжения максимальное число насосных агрегатов, включаемых в параллельную работу, составляет не более 6-8 единиц, при этом применение разнотипных насосов не меняет приведенную картину.

Регулирование подачи системы, состоящей из нескольких нерегулируемых насосных агрегатов, осуществляется путем введения в работу (или выключения из нее) дополнительного одного или нескольких агрегатов, что приводит к скачкообразному изменению параметров всех находящихся в работе агрегатов.

Теоретический анализ работы системы, состоящей из группы параллельно подключенных насосных агрегатов полностью или частично оснащенных регулируемым приводом, показал, что надежность и устойчивость работы такой системы может быть обеспечена только при рассмотрении ее как единой целостной динамической системы, работающей в рамках четко обозначенных пределов ограничений. Для удержания работы системы, состоящей из группы агрегатов, в рамках ограничений необходимо четко очертить область возможных (допустимых) режимов ее работы. Поскольку границы работы всей системы формируются из границ отдельных, входящих в нее агрегатов, необходимо четко очертить область возможных режимов каждого агрегата с учетом ограничений. Следует особо подчеркнуть, что определение границ системы важно, как с точки зрения обеспечения надежной и устойчивой работы системы, так и выбора наиболее эффективного способа управления, поскольку положение возможных границ оказывает существенное влияние на энергетические показатели работы системы в целом.

Рассмотрим разработанную нами методику определения ограничений. При работе насосного аграгата с переменной нагрузкой происходят отклонения фактических режимов его работы от оптимального как в область более высоких значений подач (перегрузочные режимы), так и в зону пониженных подач (недогрузочные режимы). При смещении режимов работы в область больших значений подач основными причинами ограничений являются: кавитация, установленная мощность электродвигателей привода, предельно-допустимая (из условий прочности конструкции) частота вращения рабочего колеса. При снижении подачи основными ограничениями являются: помпаж и низкий КПД насоса, а также минимально-допустимая частота вращения рабочего колеса.

Предельно-допустимое значение подачи регулируемого насосного агрегата по условию недопущения кавитации может быть получено из следующего выражения:

, (21)

где - кавитационный функционал, м; и - атмосферное давление и давление насыщенного пара, Па; - критическое значение кавитационного запаса, определяемое по кавитационной характеристике насоса в зависимости от его подачи и частоты вращения рабочего колеса, м; - гидравлические потери на всасывающей линии насоса, зависящие от его подачи и определяемые по формуле: , где - коэффициент гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода; ; - удельный вес жидкости, н/м3; - высота всасывания насоса, принимаемая равной разности отметок уровня воды в приемном резервуаре и оси рабочего колеса, м. В случае исследования параметров виртуального насоса, значение кавитационного запаса может быть вычислено по формуле С.С. Руднева.

Максимально-возможную подачу для фиксированного значения напора находим из формулы (21), решая уравнение относительно подачи методом последовательных приближений, принимая .

Предельно-допустимую подачу по условию недопущения перегрузки электродвигателя привода насоса можно получить из выражения:

, (22)

где - текущее значение мощности, потребляемой электродвигателем привода, кВт, вычисляемое по формуле

, (23)

где - напор, для которого определяется максимально-возможная подача, м; - КПД, вычисляемый в зависимости от подачи и частоты вращения рабочего колеса.

Предельно-допустимая подача может быть получена из формулы (22), решая уравнение методом последовательных приближений для фиксированного значения напора.

В течение нескольких десятилетий и по настоящее время насосное оборудование подбиралось и продолжает подбираться по пиковой нагрузке. При подобном подходе подача и напор насосного агрегата при номинальной частоте вращения рабочего колеса значительно превышают требуемые текущие значения, возникающие при переменной нагрузке. Поэтому вопрос о максимально-допустимой частоте, которая могла бы быть больше, чем номинальная, вообще не рассматривается. Однако это положение справедливо только лишь для используемой в настоящее время методике подбора оборудования, которое поддерживается сложившимся стереотипом мышления. Предложенная нами методика подбора энергоэффективных параметров насосного оборудования для установок с одним насосным агрегатом показывают, что минимальное потребление энергии обеспечивается только в том случае, если большую часть времени насосное оборудование будет работать в области наиболее вероятных подач с номинальной или близкой к ней частотой вращения рабочего колеса. При этом пиковая нагрузка будет покрываться кратковременным повышением частоты вращения рабочего колеса сверх номинальной, а при провалах нагрузки частота вращения будет снижаться ниже номинальной.

Не меньший интерес представляет выбор предельно-допустимой частоты вращения при работе группы насосных агрегатов.

Несмотря на отставание теоретической базы по минимизации потребления энергии при работе группы параллельно подключенных агрегатов и отсутствие энергоэффективных алгоритмов управления, для этих целей используются не основные параметры, характеризующие эффективность работы насоса: напор, подача, КПД и потребляемая энергия, а такие легко доступные измерению параметры, как нагрузка электродвигателей по току и частоте тока частотного преобразователя привода. Включение (отключение) насосов в существующих системах автоматического управления производится по допустимому току нагрузки электродвигателя привода или предельной частоте электрического тока ( Гц), подводимого от частотного преобразователя, что соответствует номинальной частоте вращения рабочего насоса. Использование указанных приемов означает, что переключение насосов происходит на границе области возможных (часто недостаточно обоснованных) ограничений по мощности двигателя, а не по минимуму потребляемой энергии. Решение задачи минимизации энергозатрат на основе одновременной оптимизации состава и режимов работы насосных агрегатов показывает, что минимум энергии, потребляемой группой агрегатов, как правило, находится не на границе области возможных ограничений, а внутри ее.

Решение задачи минимизации затрат энергии связано с необходимостью повышения частоты вращения рабочих колес у современного насосного оборудования при покрытии пиковой нагрузки на 20-30% превышающих номинальную. В свою очередь увеличением частоты вращения сверх номинальной может привести к возрастанию осевых и радиальных усилий на подшипники, а, следовательно, на корпус насоса. Проведенные нами расчеты показывают, что повышение осевых и радиальных нагрузок не вызывает не разрешимых конструктивных проблем и может быть решен при их модернизации насосов путем замены подшипников и усиления, в случае необходимости, корпуса насоса. В качестве привода модернизированных насосов наиболее эффективным будет использование выпускаемых промышленностью электродвигателей с номинальной частотой тока Гц. Поскольку находящийся в эксплуатации парк насосов оснащен асинхронными электродвигателями номинальной частотой тока Гц, представляет интерес исследование возможностей их использования для работы с частотой тока Гц. Для подтверждения возможности работы существующих насосных агрегатов с повышенной частотой вращения интересен опыт работы насосного агрегата КМ-125-100-160 с частотой f = 60 Гц на ЦТП № 2г. Руза Московской обл.

Основными причинами ограничений в области недогрузочных режимов являются: помпаж, низкие значение КПД и минимально-допустимая частота вращения рабочего колеса.

Анализ геометрических форм напорных характеристик насосов показал, что явление помпажа может возникнуть у насосов с западающей ветвью напорной характеристики, для которых коэффициент аппроксимирующего полинома больше нуля ( > 0). Это качество присуще лопастным нагнетателям с быстроходностью . Поэтому ограничение подачи по причине возникновения явления помпажа устанавливается только для насосов с коэффициентом > 0.

Вся область, лежащая левее этой кривой будет областью помпажа или недопустимо низких значений КПД (рис. 3, кривая OFLA).

При работе лопастных насосов с незначительной составляющей статистического напора /, а также при достаточно широких диапазонах изменения подач возникает необходимость значительного снижения напора и подачи. Это связано с существенным снижением частоты вращения ротора электродвигателя и частоты подводимого к нему электрического тока (в случае применения частотно-регулируемого привода - ЧРП). Снижение частоты электрического тока приводит: к снижению КПД самого насоса из-за отклонения фактических режимов работы от номинальной; снижению КПД электродвигателя привода; снижению КПД частотного привода; снижению качества электрического тока, подводимого от частотного преобразователя, что связано с появлением гармоник высшего порядка и перегревом электродвигателя.



Рис. 3. Область возможных режимов работы насоса Д-1250-65 регулируемым приводом (с учетом ограничений)

Где: K=nt/nн (nt, nн - текущая и номинальная частота вращения рабочего колеса)

А L F O; Z O; Д' Д Е О - кривые подобных режимов соответствующие принятым значениям КПД

На основе отечественного и зарубежного опыта применения ЧРП с целью недопущения перегрева электродвигателей привода из-за ухудшения качества тока принято допускать снижение вращения рабочего колеса нагнетателя частоты не более, чем в 2 раза по отношению к номинальной, т.е. принимается 0,5.

С целью определения области возможных режимов работы насосных агрегатов нами была разработана специальная компьютерная программа «SKAN-NAS», позволяющая определить границы области возможных режимов и получить ее графическое изображение. В качестве примера, на рис. 3 показана область возможных режимов работы насоса Д-1250-65 с регулируемым приводом. При этом необходимо разделить возможные ограничения на жесткие и мягкие. Под жестким характером ограничений понимаются такие, превышение которых может привести к выходу оборудования из строя, нарушению его механической прочности и созданию аварийной ситуации. Под мягкими ограничениями будем подразумевать ограничения, нарушение которых приводит к существенному ухудшению технико-экономических показателей работы системы.

Из приведенного рисунка видно, что область возможных режимов работы насосного агрегата Д-1250-65, оснащенного регулируемым приводом, представляет криволинейный многоугольник FLABCDE, каждая из сторон которого представляет ограничение по определенному параметру: помпажу, кавитации и т.д. Область возможных режимов ограничена слева (кривая FA) по условию помпажа, сверху - кривая AB представляет ограничение по предельно-допустимой частоте вращения рабочего колеса. Кривая BC представляет ограничение по мощности электродвигателя привода. Ограничение справа (кривая CD) обусловлено кавитацией, допустимым значением КПД (кривая DE) и минимально-допустимой частотой вращения EF. Кривые AB, LZP и FE представляют собой напорные характеристики насоса для максимально-допустимой частоты вращения рабочего колеса (АВ), номинальной (LZ) и минимально-допустимой (FE). Кривые ОА, OZ и OED являются кривыми подобных режимов, где ОА и OED построены для заданных ограничений по помпажу и минимально-допустимому значению КПД, а кривая OZ - представляет кривую подобных режимов для максимального значения КПД.

Кривая ВСPD ограничений получена для установленной мощности электродвигателя = 350 кВт и высоты всасывания,  = 0. Повышение уровня в приемном резервуаре или снижение отметки оси насоса на 3 м и установка электродвигателя мощностью = 450 кВт (вместо = 350 кВт) позволяет существенно расширить область возможных режимов работы насоса (рис. 3, кривая ВС'Р'Д').

При параллельной работе группы параллельно подключенных агрегатов с регулируемым приводом или при совместной работе регулируемых и нерегулируемых агрегатов возникает необходимость оптимального распределения нагрузки между насосными агрегатами. Выбор оптимизационного метода существенно зависит от характера зависимости мощности от подачи при фиксированном в данный момент времени значения напора. Разработанная нами математическая модель и программа «SKAN-NAS» позволяет не только очертить область возможных режимов работы регулируемого насоса, но и сканировать ее по вертикали (для выбранного фиксированного значения подачи) и горизонтали (для выбранного фиксированного значения напора).

Кроме того, программа «SKAN-NAS» позволяет получить дифференциальные характеристики насосных агрегатов: , что необходимо для рещения задач оптимального распределения нагрузки между агрегатами (рис. 4).

На основе проведенных теоретических исследований разработан принципиально новый способ расчета оптимальных параметров для группы параллельно подключенных агрегатов, работающих при переменной нагрузке, при заданном их количестве. Как показывают результаты исследований, наибольшая энергоэффективность при работе группы насосных агрегатов, достигается в том случае, если используемые агрегаты будут разнотипными с различными значениями подач и напоров на оптимальных режимах их функционирования. Применение разнотипных агрегатов, а также одновременное функционирование регулируемых и нерегулируемых агрегатов требуют, в свою очередь, для решения задачи минимизации затрат энергии, оптимального распределения нагрузки между агрегатами. Для этого были использованы оптимальные методы неопределенных моножителей Лагранжа и метод проекций градиента.



Рис. 4. Дифференциальные характеристики насосных агрегатов (для фиксированного значения напора)

1. 1. Д-2500-62; 2. Д-1600-90; 3. Д-3200-75

Для решения задачи оптимизации (минимизации) затрат энергии, потребляемой группой насосных агрегатов с использованием оптимизационного метода неопределенных множителей Лагранжа был принят следующий уточненный алгоритм расчетов:

1. Из заданного статистического ряда вводится значение подачи .

2. Соответственно принятому способу управления (минимизации избыточных напоров, стабилизации и т.д.) определяется требуемый напор с использованием гидравлической характеристики трубопроводной системы.

3. Составляется матрица возможных состояний насосных агрегатов. Число возможных состояний принималось (где: состояние 0 - насосный агрегат не работает; состояние 1 - агрегат работает) .

4. На предварительном этапе для каждого из возможных состояний агрегатов проверяется условие их совместимости по подаче, т.е. выполнение условий . Состояния, не удовлетворяющие данному условию, отсеиваются.

5. Для насосных агрегатов, удовлетворяющих приведенному выше критерию, производится сканирование характеристик с целью определения для рассматриваемого значения левой и правой границ области возможных режимов.

6. В полученном для каждого насосного агрегата интервала подач () вычисляются значения и строится дифференциальная характеристика (рис. 4).

7. Производится исследование дифференциальных характеристик с целью выявления возможного минимума на исследуемом интервале подач. В случае выявления минимума левая граница интервала подач переносится в точку минимума. Реализуется процедура аппроксимации дифференциальной характеристики с достаточной степенью точности, что позволяет получить однозначное решение оптимального распределения нагрузки между агрегатами, т.е. определяются подачи каждого агрегата.

8. Определяется мощность каждого насосного агрегата, работающего в данном состоянии, а затем суммарная мощность, потребляемая группой агрегатов.

9. Поскольку возможно несколько состояний, удовлетворяющих условию подачи (пункт 4), определяется подача и мощность каждого агрегата и суммарная потребляемая мощность для других состояний. Полученные значения суммарной мощности сопоставляются между собой и выбирается ее минимальное значение.

10. Осуществляется переход к следующей подаче из статистического ряда, а затем цикл повторяется.

11. Определяются суммарные затраты энергии, потребляемой группой насосных агрегатов за год при работе оборудования на всем возможном статистическом интервале подач.

Необходимость переноса левой границы допустимых подач на дифференциальных характеристиках современных насосных агрегатов сужает область поиска возможных оптимальных решений.

Учитывая выше изложенное, нами был использован метод проекций градиента, для которого был принят следующий алгоритм выполнения расчетов:

1. Из статистического ряда подач вводится подача и вычисляется соответствующий ей напор .

2. Составляется матрица возможных состояний. Принимается 4 возможных состояния насосных агрегатов. Число возможных состояний составляет , где - число агрегатов (состояния 0 и 1 те же, что и в методе Лагранжа, состояние 3 - работы на левой границе ограничений, 4 - работы на правой границе ограничений).

3. На предварительном этапе отсеиваются не рабочие состояния, которые не удовлетворяют условию: .

4. Для каждого рабочего состояния определяются левая и правая границы области режимов работы агрегатов с учетом ограничений: и (для заданного значения ).

5. Определяется подача в начальной точке , лежащая в плоскости ограничений.

6. В начальной точке определяется вектор-градиент, вычисляя производную , выражение для которой было получено ранее (см. метод Лагранжа).

7. Вычисляется проекция вектор-градиента на плоскость ограничений движение поиска минимума начинается в противоположную сторону (поскольку ищется минимум функционала) с шагом . Шаг выбирается таким образом, чтобы получаемая точка оставалась в плоскости ограничений.

8. Описанная выше процедура повторяется (итерационный цикл) до тех пор, пока отклонение единичного вектор-градиента от нормали к плоскости ограничений не будет меньше заданной точности вычислений.

9. Полученная точка является стационарной (точкой минимума), в которой подачи насосных агрегатов определяются из уравнения баланса расходов.

10. Для полученных значений расходов агрегатов определяются значения КПД и мощности, потребляемые каждым насосным агрегатом, а также суммарная потребляемая мощность и энергия, потребляемая за год.

11. Вводится новой значение , соответствующее подаче в другом статистическом интервале, а затем описанная выше процедура повторяется.

12. Определяются суммарные затраты энергии за год при обслуживании всего диапазона подач.

Таким образом, результаты проведенного сопоставления затрат мощности и энергии, полученных различными оптимизационными методами показывают, что они достаточно близки между собой, что свидетельствует о достоверности и высокой степени их надежности. Наряду с этим, можно сделать вывод о том, что оба метода (как метод неопределенных множителей Лагранжа, так и метод проекции градиента) являются надежным инструментом как для решения задачи минимизации энергозатрат на стадии проектирования и подбора насосного оборудования, так и для создания алгоритмов для эффективного управления им при его работе с переменной нагрузкой в режиме реального времени.

Вместе с тем, сопоставление двух приведенных выше оптимизационных методов показывает, что применение метода проекций градиента для исследования и управления режимами работы лопастных нагнетателей является более предпочтительным метода множителей Лагранжа. Основными причинами этого являются:

- отсутствие необходимости аппроксимации зависимости для получения аналитического выражения дифференциальной характеристики лопастного нагнетателя;

- отсутствие необходимости исследования характера поведения дифференциальной характеристики и связанного с этим сужения диапазона поиска оптимального решения, обусловленного смещением левой границы диапазона допустимых подач;

- получение однозначного и более точного решения, позволяющего получить хотя и незначительную по сравнению с методом множителей Лагранжа, экономию энергии.

С целью установления зависимости энергии, потребляемой группой насосных агрегатов с регулируемым приводом от их числа, параметров и способа управления при покрытии одного и того же диапазона нагрузки, а также выявления оптимального соотношения между числом регулируемых и нерегулируемых агрегатов была разработана математическая модель, имитирующая работу насосной станции. В качестве исходных данных были приняты следующие:

...