Оценка качества функционирования электроприводов системы горячего водоснабжения в центральном тепловом пункте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка качества функционирования электроприводов системы горячего водоснабжения в центральном тепловом пункте

Шляхтин С.А.

The article gives the estimation of quality of functioning of the established electric drives which are a part of an electro technical complex of distribution of thermal energy of hot water supply, with construction of dependence of EFFICIENCY of the electric drive from its factor of the loading, allowing at a design stage to carry out power optimization of executive mechanisms at the expense of regulation of frequency of rotation of electric motors. Calculations with use of software product MathCAD with use of function of interpolation are made.

Keywords: electric drive EFFICIENCY, loading factor, linear interpolation

Рассмотрена оценка качества функционирования установленных электроприводов, входящих в состав электротехнического комплекса по распределению тепловой энергии системы горячего водоснабжения, с построением зависимости КПД электропривода от его коэффициента загрузки, позволяющая на этапе проектирования осуществить энергетическую оптимизацию исполнительных механизмов за счет регулирования частоты вращения электродвигателей. Произведены расчеты с использованием программного продукта MathCAD с использованием функции интерполяции.

Ключевые слова: КПД электропривода, коэффициент загрузки, линейная интерполяция

электропривод водоснабжение программный

Система централизованного теплоснабжения (СЦТ) представляет собой комплекс различных сооружений, установок и устройств, технологически связанных между собой общим процессом производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии.

Основными задачами СЦТ являются:

· преобразование вида теплоносителя;

· контроль и регулирование параметров теплоносителя;

· распределение теплоносителя по системам теплопотребления;

· отключение систем теплопотребления;

· защита систем теплопотребления от аварийного повышения параметров теплоносителя;

· учет расходов теплоносителя и тепла.

СЦТ состоит из множества тепловых пунктов (ТП), которые в свою очередь различаются по количеству и типу подключенных к ним систем теплопотребления, индивидуальные особенности которых, определяют тепловую схему и характеристики оборудования ТП, а также по типу монтажа и особенностям размещения оборудования в помещении ТП. Центральные тепловые пункты с закрытой системой горячего водоснабжения являются наиболее распространенными ТП для Московской области. Используются для обслуживания группы потребителей (зданий, промышленных объектов). Чаще располагаются в отдельно стоящем сооружении, но могут быть размещены в подвальном или техническом помещении одного из зданий.

Анализ структуры потребления электроэнергии на ЦТП показывает, что основная составляющая потерь (до 90%) приходится на насосные агрегаты, которые состоят из асинхронных электродвигателей и насосов, являются основными потребителями электроэнергии и являются ключевыми узлами в контурах системы отопления и системах ГВС и ХВС.

Выбор электропривода, устанавливаемого в ЦТП, представляет определенные трудности. Это связано с выбором мощности электродвигателя, которая зависит от целого ряда параметров, таких как расход нагреваемой воды, тепловая нагрузка на водоснабжение, температуры, напора воды, КПД [1]. Кроме того, нужно учитывать пиковые и средние нагрузки. Для этого должно выполняться правило: насосный агрегат, устанавливаемый в ЦТП, должен обеспечивать давление в системе водоснабжения с учетом максимально возможного расхода теплоносителя , согласно этому выбирается мощность электродвигателя [2].

Оценить качество функционирования подобранного электропривода возможно с помощью построения зависимости КПД электродвигателя от его коэффициента загрузки.

Значения КПД электродвигателей определяются по табл. 1. Для этого необходимо знать мощность электродвигателя и коэффициент загрузки .

Коэффициент загрузки определяется по формуле

,

где - мощность на валу электродвигателя ЭД; - номинальная мощность электродвигателя.

Таблица 1. Зависимость КПД асинхронных электродвигателей от степени их загрузки

Номинальная мощность берется из расчетных или паспортных данных асинхронного электродвигателя. Анализ ЦТП по установленной мощности электропривода показал (рис. 1), что массовое применение нашли электроприводы мощностью 2,5 кВт, 7,5 кВт и 15 КВт.

С помощью программного продукта MathCAD рассчитаем промежуточные значения коэффициента загрузки при различных в диапазоне от 20 до 100 и графически выстраиваем зависимости (рис. 2), используя данные табл. 1 и полученные при расчетах в MathCAD. В MathCAD можно соединять точки данных прямыми линиями (линейная интерполяция) или соединять их отрезками кубического полинома (кубическая сплайн-интерполяция).

Рис. 1. Анализ задействованных электроприводов по номинальной мощности по городам Московской области

Интерполяция - способ нахождения промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений. Для расчета промежуточных значений применяется линейная интерполяция, уравнение имеет вид

,

где - искомое значение; - расчетный коэффициент загрузки ЭД; - табличное значение коэффициента загрузки, являющееся конечным интервальным значением от ; - табличное значение коэффициента загрузки, являющееся начальным интервальным значением от .

При линейной интерполяции MathCAD соединяет существующие точки данных прямыми линиями. Это выполняется функцией linterp (vx, vy, x).

Использует векторы данных vx и vy, чтобы возвратить интерполируемое значение y, соответствующее третьему аргументу x. Аргументы vx и vy должны быть векторами одинаковой длины. Вектор vx должен содержать вещественные значения, расположенные в порядке возрастания.

Эта функция соединяет точки данных отрезками прямых, создавая таким образом ломаную. Интерполируемое значение для конкретного х есть ордината у соответствующей точки ломаной.

Расчеты в MathCAD. Задаем вектор X, который соответствует паспортным мощностям электродвигателя

X := (2 5 10 20 30 45 55 70 90 120 160 250).

Задаем вектор Yв, который соответствует КПД при коэффициенте загрузки (в)

Y20 := (41 43 44 45 46 47.20 48 48.86 50 50.86 52 54);

Y40 := (50.5 52.5 53.5 54.5 55.5 56.7 57.5 58.36 59.5 60.36 61.5 63.5);

Y50 := (71 73 74 75 76 77.2 78 78.86 80 80.86 82 84);

Y60 := (77.11 79.16 80.18 81.2 82.21 83.43 84.24 85.26 86.62 87.49 88.65 90.7);

Y70 := (83.02 85.04 86.07 87.09 88.1 89.31 90.11 90.94 92.04 92.92 94.09 96.1);

Y80 := (83.04 85.06 86.09 87.11 88.12 89.33 90.14 91 92.15 93.02 94.17 96.2);

Y100 := (83 85 86 87 88 89.2 90 90.86 92 92.86 94 96);.

Транспонируем вектора

X := XT;

Y20 := Y20T; Y40 := Y40T; Y50 := Y50T;

Y60 := Y60T; Y70 := Y70T; Y80 := Y80T; Y100 := Y100T.

Определяем аргумент x, который соответствует искомым значениям мощностей электродвигателя

x := (0.35 0.4 1.1 1.35 2 3 4 5 5.5 7.5 10 11 15 20).

Используем функцию linterp (X, Yв, x) получаем

Схема

Рис. 2. Зависимость КПД асинхронных электродвигателей от степени их загрузки: а) при =2 кВт, =4 кВт, =7,5 кВт, =10 кВт; б) при =1,1 кВт, =3 кВт, =5,5 кВт, =15 кВт

Произведем оценку качества функционирования насосных агрегатов установленных на ЦТП. Сведения по оборудованию и техническим характеристикам приведены в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики циркуляционного повысительного насоса ГВС К 45/30

Исходные данные:

=7,5 кВт;

=37,428 м3/ч;

= 35 м;

= 983,24 кг/м3;

= 57% = 0,57;

=98% = 0,98.

Расчет мощности на валу электродвигателя (мгновенной мощности) по формуле

кВт.

Расчет коэффициента загрузки ЭД по формуле (1)

.

Данное значение 83,73 является промежуточным между 80 и 100, для нахождения КПД используем уравнение 2

.

Выстраиваем зависимость (рис. 3) и получаем, что при =7,5 кВт и исходных данных КПД = 85,574%.

Рис. 3. Зависимость КПД асинхронных электродвигателей от степени их загрузки при =7,5 кВт

Из графика видно, что максимальное значение КПД насосного агрегата достигается при коэффициенте загрузки в диапазоне 79,5…82,5 и далее идет на спад. При использовании более мощного ЭД, например,=10 кВт

Полученное значение 62,80 является промежуточным между 60 и 70, для нахождения КПД используем уравнение 2:

.

Выстраиваем зависимость (рис. 4) и получаем, что при =10 кВт и исходных данных КПД = 81,829%.

Рис. 4. Зависимость КПД асинхронных электродвигателей от степени их загрузки при =10 кВт

Из графика видно, что максимальное значение КПД насосного агрегата достигается при коэффициенте загрузки в диапазоне 79,5…82,5 и далее идет на спад.

Электродвигатель мощностью =7,5 кВт с расчетным коэффициентом загрузки в данный диапазон не попадает, но по сравнению с электродвигателем мощностью =10 кВт с расчетным коэффициентом имеет максимально приближенное значение, что для исходных данных делает его оптимальным в использовании.

Зависимости, показанные на рис. 2, позволяют проанализировать, как поведет себя насосный агрегат при различном коэффициенте загрузки. С учетом того, что мощность электродвигателя рассчитывается в зависимости от максимального расхода горячей воды . В действительности повышенный разбор воды бывает 2 раза в сутки (рис. 6), а насос работает на 100% процентов постоянно. Отсюда следует, что в ночные часы вполне допустимо использование менее мощного насоса, который обеспечит минимальные потребности жителей или использование электродвигателей с преобразователем частоты [4].

За счет понижения частоты вращения электродвигателей насосов, например, если какой-либо агрегат имеет режимы, в которых может обеспечить технологические задачи при снижении частоты электропитания электропривода с 50 Гц до 40 Гц, то в этих режимах потребление электроэнергии снижается. Таким образом, мощность электродвигателя будет контролироваться частотой в зависимости от , что позволит снизить энергозатраты.

Рис. 6. Пиковые нагрузки на ГВС

Выводы

Рассмотрены центральные тепловые пункты и установлено, что основным потребителем электроэнергии являются электроприводы мощностью 2,5 кВт, 7,5 кВт и 15 КВт. С помощью программного продукта MathCAD произведены расчеты и построены зависимости, которые позволяют оценить качество функционирования электроприводов системы ГВС.

Построены графические зависимости, позволяющие анализировать КПД исполнительного механизма электропривода насосного агрегата при различном коэффициенте загрузки. Максимальное значение КПД насосного агрегата достигается при коэффициенте загрузки в диапазоне 79,5+82,5 и далее идет на спад.

С учетом того, что мощность электродвигателя есть функция от изменяющегося в зависимости от времени суток расхода воды, предложено вместе с изменением расхода воды уменьшать или увеличивать коэффициент загрузки электродвигателя с помощью преобразователей частоты.

Литература

1.Е.В.Сеннова, В.Г. Сидлер. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем. Новосибирск: Наука, 1987.

2.Шляхтин С.А. Разработка математической модели расхода электроэнергии на центральном тепловом пункте. // Современные проблемы туризма и сервиса. Ч. 3: Материалы всероссийской научной конференции аспирантов и молодых ученых. 2008. С. 194-198.

3.Фролов В.П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгинский А.Я. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // Энергосбережение. 2004. № 2. С. 50-53.

4.Штин Е.Н. Повышение эффективности циркуляционных систем горячего водоснабжения средствами регулируемого электропривода. Автореф. дис…к-та тех. наук. М.: МЭИ, 2010.

Размещено на Allbest.ru