Електромеханічна система активного регулювання параметрів насосних комплексів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНА СИСТЕМА АКТИВНОГО РЕҐУЛЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ НАСОСНИХ КОМПЛЕКСІВ

Перекрест Андрій Леонідович

Кременчук - 2009

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку з існуючою проблематикою енергоресурсозбереження у народному господарстві України все більше уваги приділяється впровадженню заходів, здатних забезпечити виконання основних технологічних процесів зі значною, порівняно з існуючими традиційними підходами, економією енергоресурсів. Найбільш актуальним це питання є для систем комунального та промислового водопостачання, обладнаних енергоємними споживачами - насосними установками (НУ). Аналіз показав, що на електропривод (ЕП) насосних установок припадає до 30 % електроенергії, яка споживається електроприводом змінного струму загальнопромислових механізмів та машин країни.

Технологічні комплекси систем водопостачання включають насосні станції першого, другого та третього підйомів, що працюють на розгалужену мережу трубопроводів з установленою гідравлічною арматурою. Режим роботи НУ необхідно змінювати у зв'язку зі змінним у часі водоспоживанням. На практиці основними методами реґулювання технологічних параметрів насосних комплексів є дроселювання робочого потоку і ступеневе реґулювання зміною числа насосних агрегатів, які, незважаючи на простоту технічної реалізації, супроводжуються значними енергетичними витратами на реґулювальних гідравлічних елементах та інтенсивним зносом електромеханічного обладнання. За останній час усе частіше застосовується в НУ спосіб реґулювання подачі зміною частоти обертання робочого колеса насосного агрегата, теоретична база якого розглянута в роботах Онищенка Г.Б., Лезнова Б.С., Кареліна В.Я., і на практиці реалізується у більшості варіантів з використанням частотно-реґульованого ЕП. Однак, у зв'язку з тим, що НУ - переважним чином групові споживачі електроенергії з декількома одночасно працюючими паралельно ввімкненими агрегатами, діапазон реґулювання частоти обертання реґульованого насоса складає всього 10…15 % вниз від номінальної для забезпечення необхідного графіка водоспоживання. З урахуванням наведеного використання частотно-реґульованого ЕП насосних агрегатів групових НУ є неефективним у зв'язку зі значними матеріальними затратами на впровадження та експлуатацію й недовикористанням за своїми реґулювальними можливостями.

Тому актуальною науково-практичною задачею є пошук нових альтернативних варіантів енергоефективного реґулювання параметрів насосних комплексів, одним з яких, як запропоновано в роботі, є використання електромеханічної системи активного реґулювання параметрів (САРП) на базі додатково встановленої в трубопровідну магістраль гідротурбіни з електричним генератором на одному валу та пристроєм реґулювання його потужності, що забезпечує, на відміну від дроселювання (пасивне реґулювання), необхідну зміну продуктивності НУ з одночасною рекуперацією енергії в електричну мережу (активне реґулювання).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, проведених автором протягом 2000-2008 років. Робота відповідає Закону України „Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”, зокрема п. 6 статті 7 „Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі” та направленості тематики науково-дослідних робіт кафедри систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. Матеріали роботи використані при виконанні бюджетних НДР Міністерства освіти і науки України: «Розробка теорії та створення систем інтелектуального захисту приводів механізмів діючих виробництв», № ДР 0103U005008, 2003 р.; «Розробка засобів підвищення керованості насосних комплексів», № ДР 0104U007024, 2004 р.; «Дослідження і розробка систем енергомоніторингу електромеханічного обладнання промислових підприємств», № ДР 0103U000804, 2005 р.; «Розробка наукових основ, створення формованих джерел аварійного енергопостачання промислових та комунальних підприємств», № ДР 0103U000762, 2006 р.; «Створення систем підвищення керованості технологічними комплексами, обладнаними насосами, вентиляторами та компресорами в задачах енергоресурсозбереження», № ДР 0103U002867, 2008 р., у яких автор був співвиконавцем.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у підвищенні ефективності роботи насосних комплексів шляхом активного реґулювання їх технологічних параметрів.

Для досягнення мети у роботі поставлені та розв'язані наступні задачі:

- аналіз існуючих методів реґулювання параметрів насосних установок та обґрунтування необхідності пошуку альтернативних варіантів реґулювання їх параметрів;

- розробка принципів побудови та методу визначення параметрів і характеристик систем активного реґулювання насосних комплексів;

- розробка схемних рішень та дослідження статичних режимів насосної установки з активним реґулювальним пристроєм у технологічній схемі;

- аналіз технологічних вимог та обґрунтування вибору систем електропривода активних реґулювальних пристроїв;

- розробка структури та математичного опису системи автоматичного реґулювання параметрів насосного комплексу з активним реґулювальним пристроєм та енергофективним законом керування технологічними параметрами;

- експериментальне дослідження та техніко-економічне обґрунтування доцільності використання активних реґулювальних пристроїв у насосних комплексах з метою підтвердження основних теоретичних і наукових результатів роботи.

Об'єкт дослідження - процеси реґулювання параметрів гідротранспортної системи у статичних і динамічних режимах.

Предмет дослідження - технологічні, енергетичні та механічні характеристики насосного комплексу з активним реґулюванням параметрів.

Методи досліджень. При розв'язанні задач дослідження використовувалися фундаментальні положення теорії автоматичного керування, електротехніки та гідродинаміки для створення математичних моделей асинхронної машини, гідротурбінного агрегата, трубопровідної мережі; методи апроксимації для одержання аналітичного опису характеристик гідротурбінного агрегата; математичне моделювання на ЕОМ та експериментальні дослідження для перевірки теоретичних положень і наукових результатів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- теоретично обґрунтовано ефективність використання електромеханічної системи активного реґулювання параметрів на базі гідротурбінного агрегата з комбінованим реґулюванням його потужності, що забезпечує, на відміну від реґулювання дроселюванням та частотою обертання основного насоса, ефективну зміну продуктивності насосної установки в необхідних межах з одночасною рекуперацією енергії в електричну мережу;

- вперше розроблено метод визначення параметрів активного реґулювального пристрою та аналізу режимів роботи насосного комплексу, який, на відміну від існуючих, враховує аналітичний опис технологічних, енергетичних і механічних характеристик гідротурбінного агрегата при змінних відкриттях напрямного апарата та частоті обертання;

- вперше запропоновано систему автоматичного реґулювання параметрів насосного комплексу з активним реґулювальним пристроєм, яка дозволяє, на відміну від існуючих, зменшити енергоспоживання при стабілізації напору в трубопровідній мережі з використанням енергоефективного закону керування гідротурбінним агрегатом.

Практичне значення одержаних результатів.

Представлені в дисертаційній роботі теоретичні розробки дозволили:

- розробити й рекомендувати до застосування методику розрахунку параметрів та вибору гідротурбінного агрегата для реґулювання технологічних параметрів насосних комплексів;

- створити та рекомендувати до застосування алгоритм визначення характеристик гідротурбіни з різними способами реґулювання її потужності;

- сформулювати вимоги до електропривода гідротурбіни та запропонувати закон частотного керування, що забезпечує зниження енергоспоживання насосного комплексу;

- обґрунтувати та рекомендувати до застосування структуру системи автоматичного реґулювання параметрів насосного комплексу з оптимальним законом керування гідротурбінним агрегатом у задачі стабілізації технологічного параметра.

Результати роботи пройшли експериментальну перевірку в умовах дослідних лабораторій Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського та впроваджені в проектні рішення щодо створення систем автоматичного керування насосними станціями оборотного водопостачання виробничою фірмою «Лідон», що підтверджено відповідною довідкою про впровадження.

Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського під час підготовки дипломних проектів і маґістерських робіт за спеціальностями «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод» і «Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв», проведення лекцій та лабораторного практикуму з дисциплін «Автоматизований електропривод типових промислових механізмів», «Енергозбереження в технологічних установках і комплексах».

Особистий внесок здобувача. Здобувачем самостійно сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна, висновки й рекомендації, особисто виконана теоретична частина роботи. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - аналіз реґулювальних можливостей насосної станції при різних способах реґулювання продуктивності; [2] - визначення втрат потужності на засувці під час дроселювання при різних протитисках; [3] - розробка технологічних схем насосних комплексів з різним розміщенням турбінного пристрою; [4] - розробка алгоритмів вибору параметрів та отримання характеристик гідротурбін при різних способах реґулювання їх потужності; [5] - техніко-економічна оцінка використання активних реґулювальних пристроїв для реґулювання параметрів насосних установок систем міського водопостачання; [6] - аналіз повних характеристик гідромашин у системах активного реґулювання параметрів насосних комплексів; [7] - розробка структури та математичного опису системи автоматичного реґулювання параметрів насосного комплексу з активним реґулювальним пристроєм; [8] - формулювання технологічних вимог до електропривода активних реґулювальних пристроїв насосних установок; [9] - обґрунтування вибору систем електропривода активних реґулювальних пристроїв; [11, 12] - розробка алгоритмів керування насосною станцією з активним реґулюванням параметрів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародних науково-технічних конференціях «Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації» (Кременчук, 2001-2008 рр.); III Міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційна техніка й електромеханіка» ITEM-2005 (Луганськ, 2005 р.); XIII та XIV Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» (Одеса, 2006 р.; Крим, 2007 р.), науково-технічних семінарах Інституту електромеханіки, енергозбереження та комп'ютерних технологій Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. Результати роботи обговорювалися на засіданнях науково-технічного семінару «Електромеханіка, проблеми енергоперетворення і енергоресурсозбереження» Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського при Науковій раді НАН України з комплексної проблеми «Наукові проблеми електроенергетики».

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 12 друкованих працях, з них 10 - наукові статті у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, дві - деклараційні патенти України. Одна наукова робота опублікована без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації становить 187 сторінок друкованого тексту й містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаних джерел і п'ять додатків. Основна частина викладена на 142 сторінках. Список використаних джерел складається зі 133 найменувань і становить 14 сторінок. Дисертація містить 56 рисунки й 11 таблиць, із них 15 рисунків і 1 таблиця повністю складають 9 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи й показано зв'язок теми дисертаційної роботи з науковими програмами та планами НДР, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено наукову новизну, практичну цінність та рівень апробації одержаних результатів, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі виконано аналіз технологічних схем насосних комплексів систем міського водопостачання, який показав, що насосні установки оснащені відцентровими насосами великої потужності з кількома паралельно ввімкненими агрегатами та нереґульованим електроприводом змінного струму. Насоси працюють на трубопровідну мережу, яка характеризується значним протитиском (до 30…40 % від номінального напору НУ) і гідродинамічним опором. Режим роботи НУ необхідно змінювати відповідно до графіку водоспоживання.

Для систем міського водопостачання добова крива водоспоживання характеризується наявністю двох виражених максимумів та коефіцієнтом нерівномірності в межах 40…50 % від максимального водоспоживання. Для забезпечення необхідних значень напору й витрати в мережі споживача використовуються як традиційні, так і нові підходи. З практики відомі методи реґулювання продуктивності НУ впливом на трубопровідну мережу, безпосередньо на насос і на його електропривод. Порівняльний аналіз використання таких методів свідчить, що з енергетичної точки зору найбільш вигідним є реґулювання зміною частоти обертання двигуна насоса з використанням частотно-реґульованого електропривода; інші методи характеризуються або значними втратами потужності на реґулювальних органах, або ускладненням конструкції насосних установок. При цьому використання частотно-реґульованого електропривода НУ як найбільш енергоефективного засобу виправдане при значному діапазоні зміни частоти обертання в схемах з одиночно працюючим насосом. Однак для НУ із груповим ввімкненням насосів необхідний діапазон зміни частоти обертання становить усього до 10…15 % униз від номінальної та зменшується зі збільшенням протитиску й кількості паралельно ввімкнених агрегатів. У такому випадку перетворювач частоти недовикористовується за своїми реґулювальними можливостями. Крім того, стримуючим фактором практичного впровадження перетворювачів частоти є значні вартісні затрати, необхідність установки додаткового обладнання, виділення окремих площ, підготовки кваліфікованого обслуговуючого персоналу.

Відомий з робіт Лямаєва Б.Ф. спосіб реґулювання параметрів насосів з використанням струминних апаратів, що додатково встановлюються послідовно чи паралельно насосу в трубопровідну мережу, хоча й дозволяє розширити діапазон реґулювання за продуктивністю чи напором, але характеризується низькими значеннями ККД на розрахункових режимах.

Ряд дослідників (Аршеневський Н.Н., Кривченко Г.І.) використовують властивість оборотності гідромашин для скидання частини потоку через робоче колесо виключно як засіб боротьби з гідравлічним ударом при раптовому відключенні електроживлення; при цьому відсутні практичні рекомендації з реалізації способу керування насосом і його електроприводом у турбінному режимі.

У роботі вперше запропоновано проводити зміну режимів роботи насосних комплексів з використанням гідротурбінного агрегата (ГТА), що додатково встановлюється в трубопровідну магістраль, і пристрою реґулювання його потужності (рис. 1). Така електромеханічна система активного реґулювання параметрів (САРП) реалізує зміну витрати й напору в трубопровідній мережі з одночасним поверненням частини електроенергії до електричної мережі. При цьому реґулювання потужності ГТА може здійснюватися гідромеханічним способом (зміною відкриття напрямного апарата (НпА) та кута установки лопатей робочого колеса) чи електричним способом (зміною частоти обертання робочого колеса) з використанням перетворювача частоти (ПЧ). Елементною базою САРП є серійні гідротурбінні чи оборотні агрегати в діапазоні потужностей 100…300 кВт з високими значеннями ККД (до 95 %) і електроприводом на базі асинхронних машин.

Узагальнений порівняльний аналіз енергетичних характеристик (рис. 2) при реґулюванні продуктивності насоса дроселюванням, активним впливом на мережу та зміною частоти обертання основного насоса показав, що за енергетичним показником - споживаною потужністю - використання активних реґулювальних пристроїв поступається лише реґулюванню зміною частоти обертання робочого колеса агрегата й значно краще за реґулювання дроселюванням.

Узагальнення матеріалів першого розділу стало основою для постановки відповідних задач дослідження, розв'язання яких необхідне для досягнення мети.

Другий розділ присвячений розробці методу визначення параметрів гідромашини як елемента електромеханічної САРП насосних комплексів. Як початкові дані для визначення параметрів гідромашини САРП використовуються втрати напору та потужності на засувці при реґулюванні продуктивності дроселюванням, а також необхідний діапазон реґулювання витрати в мережі споживача . Слід зазначити, що при за максимальні значення напору й потужності гідромашини беруть втрати напору та потужності при , тобто і ; при - і , де - величина продуктивності НУ, при якій втрати потужності на дросельній засувці максимальні. Як розрахункові беруть наступні узагальнені параметри: продуктивність гідромашини ; напір - ; гідравлічна потужність - , де - густина води; - прискорення вільного падіння. Залежно від глибини діапазону реґулювання витрати вибирається тип гідромашини САРП. Так, при вибирається поворотно-лопатева (ПЛ) гідротурбіна, у якій для даного діапазону зміни витрати ККД зменшуються всього на 10 % від номінального значення. За необхідності забезпечення меншого можливе застосування більш простої в реґулюванні радіально-осьової (РО) гідротурбіни.

Для певного типу ГТ з універсальної характеристики модельної гідромашини вибираються оптимальні значення ККД, продуктивності та частоти обертання, розраховуються поправкові коефіцієнти та параметри натурної ГТ - діаметр робочого колеса, частота обертання, ККД, потужність, продуктивність і напір.

Відповідно до розробленого методу визначено технічні показники гідротурбін радіально-осьового та поворотно-лопатевого типів (табл. 1) для забезпечення необхідної зміни продуктивності в межах 0,9…1,5 м³/с для насосної станції другого підйому міста Кременчук, до складу насосного устаткування якої входить група паралельно ввімкнених агрегатів з установленою потужністю 1300 кВт. У базовому варіанті реґулювання продуктивності здійснюється дроселюванням потоку на виході НУ, що супроводжується втратами напору до 42 м і енергії до 1 752 000 кВт/годин за рік.

Для аналізу роботи гідротурбіни у складі САПР НУ необхідно мати математичний опис її напірно-витратних, енергетичних і механічних характеристик при різних способах реґулювання потужності. Аналіз показав, що характеристики ГТ різних типів представляються графічно у вигляді універсальних характеристик модельних агрегатів. Отримання характеристик натурних турбін полягає у формуванні масивів значень з універсальної характеристики модельного агрегата при фіксованих відкриттях НпА та частоті обертання, їх подальшому перерахунку та графічній побудові. При цьому відсутній математичний опис робочих характеристик гідротурбіни при зміні реґулювальних параметрів, що необхідно для аналізу спільних режимів роботи насосного комплексу з активним реґулювальним пристроєм.

У роботі досліджено режими роботи насосного комплексу з активним реґулювальним пристроєм на основі запропонованого аналітичного опису технологічних, енергетичних і механічних характеристик гідротурбіни при змінних відкриттях напрямного апарата та частоті обертання:

- напірно-витратна

;(1)

- енергетична

;(2)

- механічна

,(3)

де - відносні відкриття НпА та частота обертання ГТ; - оптимальні та поточні значення відкриття НпА й частоти обертання робочого колеса ГТ; - коефіцієнти апроксимації, що залежать від типу ГТ; - коефіцієнти, які залежать від ступеня відкриття НпА.

На рис. 3 маркерами позначено точки з універсальної характеристики модельної гідротурбіни, суцільними лініями - криві, отримані за (1-3). Установлена адекватність отриманих залежностей з вірогідністю в межах .

Для аналізу спільних режимів роботи електромеханічної САРП насосного комплексу на трубопровідну магістраль розроблено блок-схеми включення активних реґулювальних пристроїв паралельно основному насосу та паралельно вихідній реґулювальній засувці. Для останнього варіанта, як базового, розроблена схема заміщення (рис. 4), що описується системою рівнянь вигляду:

(4)

де - напір насосної установки при нульовій продуктивності та статичний напір у трубопровідній мережі відповідно, м; - внутрішній опір насосної установки та опір споживача відповідно, м²/с⁵; - продуктивність насосної установки та витрата в мережі споживача відповідно, м³/с.

Розв'язком системи (4) є залежності продуктивності насоса , гідротурбіни різних типів та витрати в мережі споживача від ступеня відкриття напрямного апарата й частоти обертання робочого колеса гідротурбіни (рис. 5).

Порівняльний аналіз технологічних та енергетичних характеристик (рис. 5) для насосної станції другого підйому міста Кременчук із САРП при можливому використанні гідротурбін радіально-осьового чи поворотно-лопатевого типів для випадків реґулювання їх потужності різними способами свідчить, що використання поворотно-лопатевої турбіни забезпечує більший діапазон реґулювання щодо витрати при більших ККД порівнянно із радіально-осьовою турбіною. Дослідження показали, що при ввімкнені САРП паралельно насосу зменшення частоти обертання турбіни приводить до збільшення продуктивностей турбіни, насосного агрегата й зниження витрати у споживача; зменшення відкриття НпА супроводжується зниженням продуктивностей турбіни й насосного агрегата та збільшенням витрати у споживача. Для базового варіанта (паралельно засувці) - при зменшенні частоти обертання ГТ спостерігається збільшення продуктивностей ГТ і насоса й витрати в мережі споживача; при зменшенні відкриття - зменшення подачі ГТ і насоса й витрати в мережі споживача. Виконані дослідження підтвердили доцільність використання активних реґулювальних пристроїв для зміни продуктивності насосних комплексів та дозволили виділити межі ефективного використання гідротурбін різних типів при відповідних варіантах реґулювання їх потужності.

У третьому розділі розглянуто технологічні передумови щодо використання чотириквадрантних режимів роботи гідравлічних та електричних машин у задачах розширення реґулювальних можливостей насосного комплексу. Аналіз спільних витратних, механічних і напірних характеристик паралельно й послідовно ввімкнених насосів (рис. 6) дозволив визначити умови переходу гідравлічної та електричної машин з насосного в турбінний та з двигунного в генераторний режими для забезпечення рекуперації електроенергії в мережу. Так, турбінні режими гідромашини можуть бути досягнуті зміною напрямку обертання робочого колеса механізму під час зміни напрямку продуктивності.

На основі аналізу спільних режимів роботи (рис. 6) визначено наступні вимоги до електропривода САРП: забезпечення насосних і турбінних режимів роботи групових насосних установок залежно від необхідного діапазону реґулювання продуктивності; реалізація електроприводом рекуперації енергії в турбінному режимі при реверсі частоти обертання гідромашини; формування раціонального закону частотного реґулювання електропривода, що забезпечує зменшення енергоспоживання при стабілізації напору в мережі споживача.

Розроблені вимоги дозволили обґрунтувати вибір систем електропривода активних реґулювальних пристроїв залежно від способу реґулювання потужності. При цьому найбільш доцільно застосовувати асинхронні машини для привода гідромашини САРП у зв'язку з кращими масогабаритними, вартісними та енергетичними показниками для необхідного діапазону потужностей.

У роботі сформульовано практичні рекомендації з використання генераторних систем активних реґулювальних пристроїв залежно від необхідного технологічного діапазону, способу реґулювання потужності, роботи на ізольованого споживача або паралельно з енергосистемою. Так, при гідромеханічному способі реґулювання потужності гідромашини САРП доцільно використовувати схему з нереґульованим асинхронним генератором, при електричному - схему асинхронний генератор- перетворювач частоти (АГ-ПЧ); для САРП насосних комплексів малих потужностей, призначених для роботи на автономного споживача, доведена необхідність використання схеми з нереґульованим асинхронним генератором і ємнісним збудженням; для САРП насосних комплексів середніх потужностей, призначених для роботи паралельно з енергосистемою, обґрунтовано застосування вентильних схем на основі системи АГ-ПЧ, що забезпечують роботу електричної та гідравлічної машин САРП у всіх чотирьох квадрантах їх характеристик.

З урахуванням навантажувальної характеристики гідротурбіни (3) для зменшення енергоспоживання насосним комплексом з САРП отриманий закон частотного керування ПЧ для живлення асинхронного генератора активного реґулювального пристрою:

,(5)

де f_пч - частота, Гц; U_пч - напруга, В.

У четвертому розділі розроблено математичний апарат, структура (рис. 7) та досліджено роботу системи автоматичного реґулювання (САР) параметрів насосного комплексу із САРП у динамічних режимах шляхом моделювання. При цьому, особливості протікання перехідних режимів у турбомеханізмах ураховані за допомогою сталих часу, що залежать від конструктивних особливостей і швидкості рідини в міжлопатевому просторі робочого колеса. Електричні двигуни групової НУ представлені лінеаризованою моделлю асинхронного двигуна для врахування процесів на робочій ділянці їх характеристик.

Гідромеханічний канал реґулювання потужності (сервомотор - напрямний апарат - гідротурбіна) описується виразами (1) - (3) та функцією, що враховує коефіцієнт передачі сервомотора та його сталу часу. Електричний канал реґулювання потужності ГТА (асинхронний генератор-перетворювач частоти) включає модель перетворення енергії в асинхронному генераторі в u, v, 0-координатах та модель ПЧ, що реалізує закон частотного реґулювання (5) без урахування сталих часу елементів ПЧ.

Динамічні процеси в трубопровідній мережі описуються відомими з гідродинаміки рівняннями поширення хвиль тиску в трубопроводі. Для розв'язання таких рівнянь застосовуються принцип електрогідравлічної аналогії та метод кінцевих елементів, при якому трубопровідна мережа як об'єкт з розподіленими параметрами представляється схемою заміщення з кінцевою кількістю інтервалів однакової довжини. При цьому, на кожній з ділянок напір та витрата вважаються постійними. Таке подання трубопровідної магістралі дозволяє визначити напір і витрату в різних точках мережі, що, у свою чергу, дає можливість аналізувати динамічні режими системи автоматичного реґулювання із включенням активного реґулювального пристрою в будь-якій з ділянок комунікаційної магістралі.

При моделюванні використані наступні параметри НУ та прийняті такі допущення: насосна установка представлена еквівалентним насосом потужністю 1300 кВт; на виході НУ встановлена реґулювальна засувка; для забезпечення необхідного діапазону реґулювання продуктивності паралельно вихідній реґулювальній засувці встановлений гідротурбінний агрегат із засобами реґулювання потужності; установлена потужність генератора складає 180 кВт; трубопровідна магістраль представлена сукупністю чотириполюсників; загальна довжина трубопроводу - 2 км; довжина однієї ділянки - 200 м, кількість ділянок - 10; необхідний діапазон зміни витрати в мережі споживача складає ДQ = 40 % вниз від номінальної подачі НУ; основний технологічний закон - стабілізація тиску в мережі споживача.

Аналіз процесів у розімкнутій САР параметрів насосного комплексу підтвердив ефективність активного реґулювання порівняно із дросельним: для забезпечення однакових значень технологічних параметрів при активному реґулюванні рекуперація енергії в енергомережу становить 12 % від потужності НУ; при дроселюванні (пасивному реґулюванні) - непродуктивні втрати становлять 16 % від потужності НУ.

Забезпечення необхідних технологічних параметрів в насосному комплексі за допомогою активного реґулювального пристрою потребує формування відповідного закону керування гідротурбінним агрегатом САРП, для синтезу якого в роботі запропоновано пошуковий алгоритм умовної двовимірної оптимізації, що реалізує визначення залежностей значень керуючих впливів - відкриття напрямного апарату ГТ та частоти ПЧ - від необхідної витрати у трубопровідній мережі, які відповідають мінімуму функціоналу якості:

,(6)

де , - відносні відхилення напору й витрати в мережі споживача; - відносна споживана потужність насосним комплексом; - параметри, які фіксуються технологічними датчиками; - поточне значення споживаної потужності НУ; - поточне значення потужності в мережі споживача; - поточне значення потужності рекуперації ГТА; ,, - вагові коефіцієнти.

Отримання залежностей і , що забезпечують мінімум функціоналу (6), полягає в циклічному моделюванні САР з приростом керуючих впливів.

На основі виконаних досліджень отримано, що з метою керування параметрами НУ можна обмежитися використанням критерію, що враховує тільки відхилення за напором як такого, що забезпечує співвимірні значення споживаної потужності порівняно з критерієм, який враховує одночасно відхилення за напором, витратою і споживаною потужністю. Крім того, використання такого критерію дозволяє значно спростити апаратну частину системи активного реґулювання, тому що потребує використання лише датчика тиску у споживача.

Аналіз роботи замкнутої САР параметрів насосного комплексу (рис. 8) із урахуванням розробленого за критерієм оптимальності закону показав, що при типовому графіку водопостачання ГТА з реґулюванням потужності одночасною зміною його частоти обертання та відкриття напрямного апарата забезпечується стабілізація тиску в гідросистемі з точністю 0,002…0,01Н_необх. При цьому, в період 0…1,5 години відбувається запуск НУ та гідротурбінного агрегата; в період 1,5…24 години - відпрацювання типового графіка міського водоспоживання з одночасною стабілізацією тиску в мережі споживача.

У п'ятому розділі виконано дослідження режимів роботи НУ з активним реґулювальним пристроєм на експериментальному комплексі в умовах дослідної лабораторії Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського, який включає два паралельно працюючі насосні агрегата, один з яких оснащений електроприводом за системою ПЧ-АД, гідравлічну турбіну з електричним генератором на одному валу, запірно-реґулюючі пристрої та контрольно-вимірювальні елементи. Реґулювання потужності ГТА здійснюється шляхом зміни напруги збудження генератора (електричний спосіб) та дроселюванням гідропотоку на вході гідротурбіни (гідромеханічний спосіб). Аналіз отриманих технологічних та енергетичних характеристик насосів і ГТА показав відповідність отриманих результатів теоретичним дослідженням, які виконані у роботі.

У роботі проведено порівняльний техніко-економічний аналіз ефективності використання активних реґулювальних пристроїв у насосних комплексах систем міського водопостачання. Отримано, що при використанні активного реґулювання економічний ефект у 5…5,8 раза вищий, ніж при використанні системи ПЧ-АД для основного насосу, що досягається за рахунок менших капітальних витрат. При цьому термін окупності САРП складає 1,6 року для системи з напрямним апаратом і 1,8 року для системи з перетворювачем частоти.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі отриманих теоретичних і прикладних результатів та їх систематизації розв'язано актуальну науково-практичну задачу підвищення ефективності й економічності функціонування насосних комплексів за рахунок використання активних реґулювальних пристроїв, застосування яких, на відміну від існуючих варіантів реґулювання, забезпечує виконання необхідних технологічних режимів роботи споживача при менших енергетичних і матеріальних затратах. Виконані у дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки:

1. Показано, що для насосних установок з груповим ввімкненням агрегатів використання існуючих способів і технічних рішень для реґулювання їх параметрів є неефективним у зв'язку зі значними втратами потужності при дроселюванні та недовикористанням за реґулювальними можливостями й істотними матеріальними затратами при частотному реґулюванні.

2. Доведено доцільність застосування активних реґулювальних пристроїв на базі додатково встановлюваного у трубопровідну магістраль гідротурбінного агрегата або оборотної гідромашини із пристроєм реґулювання потужності. При цьому використовувані гідротурбінні агрегати характеризуються високими ККД (до 95 %) і значно меншою вартістю, ніж перетворювачі частоти для привода основних насосів.

3. Обґрунтовано як вихідні дані для визначення параметрів гідротурбінного агрегата САРП втрати потужності при дроселюванні та необхідний діапазон зміни витрати, що зумовлені режимами роботи НУ на мережу споживача. Для водопровідної НУ із установленою потужністю 1300 кВт міста Кременчук необхідний гідроагрегат потужністю 180 кВт, що забезпечує зміну витрати в діапазоні ДQ = 40 %.

4. Показано, що існуючі способи опису характеристик гідроагрегатів не враховують змінні у часі параметри споживача й насосних установок. У роботі вперше отримані напірно-витратні, механічні й енергетичні характеристики гідротурбін та запропоновано математичний апарат для їх опису при змінних відкриттях напрямного апарата й частоті обертання.

5. Розроблено блок-схеми включення активного реґулювального пристрою в технологічний контур насосного комплексу, які дозволяють забезпечити розширення реґулювальних можливостей шляхом використання турбінних режимів роботи гідромашини. Визначено умови переходу гідромашини та її ЕП у турбінний та генераторний режими відповідно для забезпечення рекуперації енергії під час зміни напрямку руху рідини.

6. Обґрунтовано на основі аналізу спільних режимів роботи комплексу «НУ-САРП-трубопровідна магістраль» енергоефективні межі використання гідромеханічного та електричного способів реґулювання потужності гідротурбін різних типів. Доведено, що при використанні гідротурбіни поворотно-лопатевого типу з гідромеханічним способом реґулювання потужності для зміни витрати НУ в діапазоні 40 % вниз від номінального значення її ККД зменшується на 15 % від максимальної величини; за тих самих умов використання гідротурбіни радіально-осьового типу супроводжується 35 % зменшенням ККД.

7. Сформульовано вимоги до електромеханічної частини САРП, які базуються на необхідності реалізації генератором гідротурбіни зміни напрямку обертання для забезпечення рекуперації енергії в електромережу та формуванні закону частотного керування перетворювача частоти асинхронного генератора для зменшення енергоспоживання насосного комплексу.

8. Розроблено рекомендації щодо вибору генераторних систем активних реґулювальних пристроїв з різними варіантами реґулювання потужності. Так, доцільно застосовувати асинхронний генератор з ємнісним збудженням і гідромеханічним реґулюванням для установок малих потужностей, призначених для роботи на ізольованого споживача; для установок середніх потужностей при роботі паралельно з енергомережею - систему асинхронний генератор-перетворювач частоти.

9. Розроблено структура та математичний апарат системи автоматичного реґулювання параметрів гідротранспортного комплексу з активним реґулювальним пристроєм, що забезпечує зміну технологічних параметрів насосного комплексу у необхідних межах з одночасною рекуперацією електроенергії в мережу - до 12 % від установленої потужності НУ.

10. Обґрунтовано як складовий критерія оптимальності системи реґулювання відхилення напору в мережі споживача як такого, що забезпечує співвимірні значення споживаної потужності порівняно з критерієм, який ураховує одночасно відхилення за напором, витратою і споживану потужність.

11. Визначено на основі розробленого пошукового алгоритму умовної двовимірної оптимізації раціональний закон керування гідротурбінним агрегатом у системі автоматичного реґулювання параметрів насосного комплексу з реґулюванням його потужності одночасною зміною частоти обертання та відкриття напрямного апарата, який забезпечує стабілізацію тиску в магістралі з точністю 0,002…0,01Н_необх при відповідному реґулюванні витрати.

12. Підтверджено на експериментальній моделі насосної установки ефективність використання активних реґулювальних пристроїв для реґулювання технологічних параметрів гідротранспортних комплексів.

13. Доведено на основі аналізу техніко-економічних показників роботи насосного комплексу із паралельним увімкненням насосів на мережу споживача, що найбільш виправданим варіантом реґулювання вихідних параметрів, порівняно з частотно-реґульованим електроприводом основного насоса, є використання активних

реґулювальних пристроїв - економічний ефект у 5…5,8 раза більший, ніж при використанні системи частотно-реґульованого ЕП насоса. При цьому термін окупності САРП складає 1,6 року для системи з напрямним апаратом і 1,8 року для системи з перетворювачем частоти.

насосний статичний регулювальний технологічний

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Перекрест А.Л. Обоснование возможности регулирования турбомеханизмов активным воздействием на коммуникации / А.Л. Перекрест, В.Н. Соломаха // Проблемы создания новых машин и технологий. - 2001. - № 10. - С. 186-189.

2. Перекрест А.Л. Особенности энергопотребления турбомеханизмов при активном воздействии на внешние коммуникации / А.Л. Перекрест, В.Н. Соломаха, Д.А. Михайличенко // Проблемы создания новых машин и технологий. - 2001. - № 11. - С. 130-133.

3. Коренькова Т.В. О коррекции энергетики группового электропривода насосов активными регулировочными устройствами / Т.В. Коренькова, А.Л. Перекрест // Вісник Національного технічного університету ХПІ. - 2002. - Т. 2, № 12. - С. 514-516.

4. Коренькова Т.В. Характеристики гидротурбины в системе активного регулирования производительности насосных станций / Т.В. Коренькова, А.Л. Перекрест, Д.А. Михайличенко, А.М. Кравец // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2004. - № 25. - С. 21-27.

5. Коренькова Т.В. Обоснование целесообразности использования альтернативных способов регулирования параметров насосных станций / Т.В. Коренькова, А.Л. Перекрест, А.М. Кравец // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - 2005. - № 1. - С. 136-144.

6. Перекрест А.Л. Характеристики турбомеханизмов в двигательном и тормозном режимах электропривода / А.Л. Перекрест, Т.В. Коренькова // Електромашинобудування та електрообладнання. Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика. - 2006. - № 66. - С. 180-183.

7. Перекрест А.Л. Структура системы регулирования параметров насосной станции с активным регулировочным устройством / А.Л. Перекрест, Т.В. Коренькова // Збірник наукових праць ДДТУ. Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». - 2007. - С. 267 - 272.

8. Перекрест А.Л. Требования к системе электропривода турбомеханизмов с повышенной управляемостью технологическими режимами / А.Л. Перекрест, Т.В. Коренькова // Вісник Криворізького технічного університету. - 2008. - № 21. - С. 123 - 128.

9. Перекрест А.Л. Системы электропривода активных регулировочных устройств насосных комплексов / А.Л. Перекрест, Т.В. Коренькова // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2008. - Ч. 1, № 51. - С. 28-31.

10. Перекрест А.Л. Об эффективности законов управления активным регулировочным устройством в замкнутой системе регулирования насосного комплекса / А.Л. Перекрест // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2008. - № 53. - Ч. 2. - С. 26 - 30.

11. Деклараційний патент на винахід 62490 А, Україна, F04D27/00. H02P7/74. Спосіб управління насосною станцією та пристрій для його реалізації / Коренькова Т.В., Перекрест А.Л., Родькін Д.Й., Живора В.Ф., Костюк С.М. - № 2003042862; заявл. 02.04.03; опубл. 15.12.03, Бюл. № 12.

12. Деклараційний патент на винахід 68238 А, Україна, F04D27/00. H02P7/67. Спосіб реґулювання продуктивності турбомеханізму та пристрій для його реалізації. / Коренькова Т.В., Родькін Д.Й., Перекрест А.Л., Михайличенко Д.А., Сердюк О.О., Живора В.Ф. - № 20031110657; заявл. 25.11.03; опубл. 15.07.04, Бюл. № 7.

Размещено на Allbest.ru