CC BY
13
УДК 681.523
Канюк Геннадш 1ванович д-р техн. наук, проф., декан енергетичного факультету Тел. +38-057-733-79-14 E-mail gcnnadivv-kanjuk@ramblcr.m (orcid.org/ORCID: 0000-0003-1399-9039) Мезеря Андрш Юрiйович кандидат технiчних наук, доцент кафедри електроенергетики Тел.: (057)733-79-66E-mail: mezzer@mail.ru ORCID: (orcid.org/ORCID: 0000-0003-2946-9593) Лаптiнов 1ван Павлович асистент кафедри «Теплоенергетики та енергозбереження» Тел. (057) 733-78-03, (050) 403-93-67E-mail: laptinova@bk.ru
Князева Вiкторiя МиколаУвна iнженер кафедри «Теплоенергетики та енергозбереження»
Тел. (057) 733-78-03, (050) 403-93-67,(066) 95-48-307E-mail: vkniazcva@bk.ru
Украшська шженерно-педагопчна академiя м. Харшв, Украша. Вул. Унiверситетська, 16, м. Харшв, Украша, 61003.
Бабенко 1гор Анатолiйович директор Змивсько1 теплово1 електрично1 станцй' Публiчного акцiонерного товариства «центренерго», 63460, Харювська обл.., ЗмИвський р-н, смт. Комсомольське, Украна, Балаклшське шосе, 2. Тел. 0504021367E-mail: dircctor@zmtcs.kh.cncrgy.gov.ua ORCID: (http://orcid.org/0000-0001-6640-070X)
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 АВТОМАТИЗОВАНОГО ЕНЕРГОЗБЕР1ГАЮЧОГО КЕРУВАННЯ ЦИРКУЛЯЦ1ЙНИМИ НАСОСАМИ ЕЛЕКТРОСТАНЦ1Й
У cmammi проведено анализ i обробка даних експерименталъного до^дження циркуляцтного насоса теплово'1 електростанцИ'. Показано можливий економiчний ефект при використанш cлгоритмiв енергозбер^аючого керування циркуляцшним насосом i визначено закон такого керування.
Ключовi слова: циркуляцтний насос, енергозбереження, автоматизована система керування.
Канюк Геннадий Иванович д-р техн. наук, проф., декан энергетического факультета
Тел. + 38-057-733-79-14 E-mail gcnnadiyy-kanjuk@ramblcr.ru (orcid.org/ORCID: 0000-0003-1399-9039)
Мезеря Андрей Юрьевич кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики
Тел .: (057) 733-79-66 E-mail: mczzcr@mail.ru ORCID (orcid.org/ORCID: 0000-0003-2946-9593)
Лаптинов Иван Павлович асистент кафедры «Теплоэнергетики и энергосбережения»
Тел. (057) 733-78-03, (050) 403-93-67 E-mail: laptinova@bk.ru
Князева Виктория Николаевна инженер кафедры «Теплоэнергетики и энергосбережения»
Тел. (057) 733-78-03, (050) 403-93-67,(066) 95-48-307E-mail: vkniazcva@bk.ru
Украинская инженерно-педагогическая академия г.. Харьков, Украина. Ул. Университетская 16, г. Харьков, Украина, 61003.
Бабенко Игорь Анатольевич, директор Змиевской тепловой электрической станции публичного акционерного общества «Центрэнерго», 63460, Харьковская обл ., Змиевской р-н, пгт. Комсомольское, Украина, Балаклейское шоссе, 2. Тел. 0504021367 E-mail: dircctor@zmtcs.kh.cncrgy. gov.ua ORCID (http://orcid.org/0000-0001-6640-070X)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННЫМИ НАСОСАМИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
В статье проведен анализ и обработка данных экспериментального исследования циркуляционного насоса тепловой электростанции. Показан возможный экономический эффект при использовании алгоритмов энергосберегающего управления циркуляционным насосом и определен закон такого управления.
Ключевые слова: циркуляционный насос, энергосбережение, автоматизированная система управления.
Kaniuk Gennady Ivanovich, Ph. D., Profcssor, Dcan of thc Faculty of Encrgy
Tcl.: (057) 733-79-14,. E-mail gcnnadiyy-kaniuk@ramblcr.ru (orcid.org/ORCID: 0000-0003-1399-9039)
Mezerya Andrey Yurevich, Ph.D., Associatc Profcssor, Dcpartmcnt of clcctricity
E-mail: mczzcr@mail.ru ORCID (orcid.org/ORCID: 0000-0003-2946-9593)
Laptinov Ivan Pavlovich, assistant, Dcpartmcnt of powcr cnginccring and cncrgy saving
Contact tcl.: +38(050) 403-93-67. E-mail: laptinova@bk.ru
Knyazeva Viktoriya Nikolaevna, cnginccr, Dcpartmcnt of powcr cnginccring and cncrgy saving Tcl.: +38(050) 403-93-67, (066) 95-48-307. E-mail: vkniazcva@bk.ru
Ukrainian Enginccring and Pcdagogical Acadcmy, Kharkov, Ukrainc. Str. Univcrsity, 16, Kharkov, Ukrainc, 61003 Babenko Igor Anatolevich, Dircctor Zmiyiv thcrmal powcr stations of JSC "Ccntrcncrgo", Kharkov rcgion. Zmiyivskiy district, town. Komsomolsk, Ukrainc, Balakliysky highway, 2, 63460. Tcl.:0504021367 E-mail: dircctor@zmtcs.kh.cncrgy.gov.ua ORCID: (http://orcid.org/000b-0001-6640-070X)
EXPERIMENTAL STUDY TO EFFICIENCY AUTOMATED ENERGYSAVE MANAGEMENT CIRCULATION PUMP OF POWER STATION
In article is organized analysis and data processing the experimental study circulation pump to heat power station. Possible economic effect is Shown when use algorithm energysave management circulation pump and is determined law of such management.
Keywords: circulation pump, energysave, automated managerial system.
Введение
Основная научная проблема создания энергосберегающих систем управления нагнетательными установками состоит в построении точных математических моделей энергетических процессов и объектов, в определении и минимизации функций энергетических потерь, в синтезе алгоритмов управления, которые реализуют в реальном времени режимы работы нагнетателей с минимальными потерями энергии.
Уменьшение внепроектных затрат энергии на собственные нужды на 5 % эквивалентно экономии 40 млн гривен в год с каждой 1000 МВт. В масштабах Украины (при установленной мощности ТЭС и ТЭЦ порядка 10000 МВт) это составляет порядка 400 млн гривен в год.
В работах [1-4] изложены основные теоретические принципы автоматизированного энергосберегающего управления нагнетательными установками электростанций, показаны алгоритмы, функциональные и структурные схемы такого управления. Согласно теоретическим исследованиям, использование предложенных методик позволит получить значительный экономический эффект. Целью настоящего исследования является экспериментальное определение экономической эффективности такой АСУ при управлении циркуляционными насосами, являющимися ответственными и мощными потребителями собственных нужд энергоблоков. Экспериментальные исследования проводились на базе Змиевской ТЭС.
Изложение основного материала
Циркуляционным насосом на Змиевской ТЭС является центробежный насос тапа ОП-2-145, номинальной мощностью 1700 кВт. Основные паспортные данные насоса приведены в табл. 1.
Таблица 1
Паспортные данные циркуляционного насоса
Тип Номинальная мощность двигателя ЫдВ, кВт Расход Q, м3/ч (м3/с) Напор Н, м Частота вращения n, об/мин Тип электродвигател я
ОП-2-145 1700 30000 (8,333) 15 375 ВДД-213/54-16
На станции установлено 11 циркуляционных насосов, работающих в двух группах по 5 и 6 насосов в каждой. Регулирование осуществляется путем переключения количества работающих насосов.
Экспериментальные характеристики насоса ОП-2-145 приведены на рис. 1.
Температура Т= 20°С, давление Р=155 мм.рт.ст.
Расход Q, м /с Циркуляционный насос ОП-2-145. Частота вращения 250 об/мин
Расход Q, м /с Циркуляционный насос ОП-2-145. Частота вращения 310 об/мин
Расход Q, м /с Циркуляционный насос ОП-2-145, Частота вращения 37$ об/мин
Рис. 1. Характеристика циркуляционного насоса ОП-2-145
Значения параметров насоса при фиксированной подаче и различных частотах вращения приведены в таблицах 2-4:
Таблица 2
Характеристики насоса ОП-2-145 при Q^=5,28 м3/с
Параметр Расход Ql= 19000 м3/ч или 5,28 м3/с
Частота вращения Частота вращения Частота вращения
п1= 250 об/мин п2= 310 об/мин п3= 375 об/мин
Относительный диаметр трубопровода (задвижки) Б, мм 0,86 0,92 1 0,86 0,92 1 0,86 0,92 1
Напор Н, м 4 5,12 6,58 7,5 9,3 11,05 11 13,58 15,5
Потребляемая мощность Ыэ, кВт 276 384 448 690 840 1000 920 1056 1280
КПД п, % 75,5 75,7 74,9 71,5 70,5 68,5 72 70 68,2
Потери мощности Ы=Ыэ(1-п), кВт 67,6 93,2 112,5 196,7 247,8 315 257,6 316,8 407
Таблица 3
Характеристики насоса ОП-2-145 при Q2=7,26 м3/с
Параметр Расход Q2=26125 м3/ч или 7,26 м3/с
Частота вращения Частота вращения Частота вращения
п1= 250 об/мин п2=310 об/мин п3=375 об/мин
Относительный диаметр трубопровода (задвижки) Б, мм 0,86 0,92 1 0,86 0,92 1 0,86 0,92 1
Напор Н, м 3,08 4,17 5,8 6,83 8,67 10,35 10,44 13,22 15,25
Потребляемая мощность Ыэ, кВт 336 476 548 722 886 1083 1075 1260 1515
КПД п, % 70,5 72 74,5 75 75,5 76 75,7 75,5 75,4
Потери мощности АЫ=Ыэ(1-п), кВт 99,1 133,3 139,7 180,5 217,1 259,9 261,2 312,5 372,7
Таблица 4
Характеристики насоса ОП-2-145 при Q3=9,24 м3/с
Параметр Расход Qз = 33250 м3/ч или 9,24 м3/с
Частота вращения Частота вращения Частота вращения
п1= 250 об/мин п2= 310 об/мин п3= 375 об/мин
Относительный диаметр трубопровода (задвижки) Б, мм 0,86 0,92 1 0,86 0,92 1 0,86 0,92 1
Напор Н, м 2,1 3,21 4,95 5,81 7,5 9,17 10 12,1 7 14,5
Потребляемая мощность Ыэ, кВт 376 515 605 840 1011 1200 1280 1480 1840
КПД п, % 63,2 64 65 65 67,1 69,2 75 75,5 76,6
Потери мощности АЫ=Ыэ(1-п), кВт 138 185, 4 211,7 294 332,6 369,6 320 362, 6 430,5
Возможные резервы повышения КПД при обеспечении оптимального режима работы циркуляционного насоса:
пшах ^тт
п1 = 250 об/мин п2 = 310 об/мин п3 = 375 об/мин
Дп, % 75,7-74,9 = 0,8 76-75 = 1 76,5-75 = 1,6
Возможные резервы снижения затрат мощности на привод насоса: ДЫ = Ыср-Ац, где Ыср - среднее значение потребляемой мощности для данной частоты вращения в рабочем диапазоне (в диапазоне максимальных КПД)
п1 = 250 об/мин п2 = 310 об/мин п3 = 375 об/мин
ДЫ, кВт 384 0,8/100 = 3,1 886 1/100 = 8,86 1480 1,6/100 = 23,7
Потенциальная годовая экономия в денежном эквиваленте: Э = ДКТустЦ, где: Густ = 4500 ч - число часов использования установленной мощности; Ц = 0,9 грн/кВтч - себестоимость выработки 1 кВтч электроэнергии (2012 г.).
п1 = 250 об/мин п2 = 310 об/мин п3 = 375 об/мин
Э, грн/год 12500 35850 95900
Из экспериментальных характеристик получаем:
1. Зависимость напора Н от частоты вращения п и расхода Q при открытой задвижке:
В = 1 Q, м3/с
п, об/мин
250 310 375
Н, м 6,58 11,05 15,5 5,28
5,83 10,35 15,25 7,26
4,95 9,17 14,5 9,24
Аппроксимируя табличные данные, получим: Н^,п) = 5,6378 10-6^2п2-0,0039^2п+0,60634^2-
-4,6093 10-5^п2+0,03556^п-6,18068^+3,78910-5 п2+0,0225399 п-0,05876 м.
2. Зависимость потребляемой мощности ЫЭ от частоты вращения п и расхода Q при открытой задвижке:
В = 1 Q, м3/с
п, об/мин
250 310 375
ЫЭ, кВт 448 1000 1280 5,28
548 1083 1515 7,26
605 1200 1840 9,24
Аппроксимируя табличные данные, получим:
Мэ^,п)=0,40467^2п-4,30359 10-4^2п2-79,755^2+0,015989^п2--11,14986^п +1907,378 п-0,11156п2+78,707 п-12732,735 кВт.
3. Зависимость КПД п от частоты вращения п и расхода Q при открытой задвижке:
В = 1 Q, м3/с
п, об/мин
250 310 375
п, % 74,9 68,5 68,2 5,28
74,5 76 75,4 7,26
65 69,2 76,6 9,24
Аппроксимируя табличные данные, получим:
= О,ООО218702И2-О,13353 02И+18,5502--0,003293^п2+2,04934^п-292,1536^+0,0121п2-7,6617п+1190,185 %.
4. Зависимость потерь мощности ДЫ от частоты вращения п и расхода Q при открытой задвижке: _
В = 1 Q, м3/с
п, об/мин
250 310 375
ДЫ, кВт 112,4 315 407,0 5,28
139,7 259,9 372,7 7,26
211,7 369,6 430,6 9,24
Аппроксимируя табличные данные, получим:
)=-0,001298^2п2+0,98232^2п-158,737^2+0,0203^п2--15,277•Q•n + 2491,2^-0,08681 п2+65,4394 п-10676 кВт. Для определения закона управления насосом, аппроксимируем зависимость КПД п от расхода для различных частот:
N = 250 об/мин N = 310 об/мин N = 375 об/мин
Q, м3/с п, % Q, м3/с п, % Q, м3/с п , %
3,9583 69 5,2778 68,5 5,2778 68,2
5,2778 74,9 5,9375 72 6,5972 73,1
5,9375 76,5 6,5972 74,81 7,2569 75,4
6,5972 76 7,2569 76 7,9167 76,5
7,2569 74,5 7,9167 75 9,2361 76,6
9,2361 65 9,2361 69,2 10,5556 72,4
Для частоты п=250 об/мин получаем: п = 24,825+16,337^-1,299^2.
Приравняв первую производную п'= 16,337-2,598^ к нулю, получим значение расхода Q =6,288 м3/с, при котором КПД будет максимальным.
Для частоты п=310 об/мин получаем: п = -19,437+26^-1,776^2.
Приравняв первую производную п '= 26-3,552^ к нулю, получим значение расхода Q =7,3198 м3/с, при котором КПД будет максимальным.
Для частоты п=375 об/мин получаем: п = 14,142+14,829^-0,88^2.
Приравняв первую производную п'= 14,829-1,76^ к нулю, получим значение расхода Q =8,435 м3/с, при котором КПД будет максимальным.
Графически эти зависимости показаны на рис. 2.
Пересчитав число оборотов на расход, при котором будет максимальный КПД, получим зависимость экономической эффективности плавного частотного управления (в отличии от ступенчатого) от расхода (рис. 3.) и зависимость частоты вращения п от расхода Q, при которой будет обеспечен максимальный КПД насосной установки (рис. 4):
п=375 об/мин
....... п=310об/мин
— — п=250 об/мин
Рис. 2. Зависимость относительного КПД*=^/^макс от расхода Q для различных частот
вращения циркнасоса ОП-2-145
• • • »эксперимент
- аппроксимация линейная
--аппроксимация полиномом второй степени
Рис. 4. Зависимость частоты вращения п от расхода Q, при которой будет обеспечен
максимальный КПД насосной установки
Закон управления:
- при аппроксимации полиномом второго порядка:
п(& =АQ2+BQ+C
п(& = 0,0627^2+57,297^-112,764 об/мин
- при линейной аппроксимации:
п(0) = 58,22-0-116,12 об/мин На станции управление циркуляционным насосом осуществляется на одной частоте путем изменения местного сопротивления задвижки.
Сравним потери при дросселировании и 3-х ступенчатом частотном управлении (табл. 5).
Таблица 5
Сравнение эффективности способов управления
Расход Q, м /с
5,3 6,6 7,26 7,9 9,24
Потери при дросселировании, кВт 257,6 245 309 391 460
Потери при 3-х ступенчатом частотном управлении, кВт 112,4 125 260
Разница потерь, кВт 145,2 120 51 - -
Годовой экономический эффект, грн 558 060 486 000 206 550 - -
Выводы
1. Экспериментальные исследования показали работоспособность алгоритмов автоматизированного энергосберегающего управления нагнетателями, изложенных в [1-4] и экономическую целесообразность их использования.
2. Годовой экономический эффект для одного циркнасоса составляет 200-500 тыс. грн /год, что в масштабах станции составит 1-2 млн грн/год.
Список использованной литературы:
1. Канюк Г. И., Мезеря А. Ю., Фокина А. Р., Лаптинова Е. В., Лаптинов И. П. Энергосберегающее управление и повышение технико-экономической эффективности насосных установок тепловых и атомных электростанций/ Схвдно-£вропейський журнал передових технологш. -Харшв: -2012. -№. 3/8 (57). - С. 58-62.
2. Канюк Г. И, Мезеря А. Ю., Михайский Д. В., Лаптинов И. П., Фокина А. Р. Резервы энергосберегающего управления технологическими процессами на действующих ТЭС и АЭС. -Харьков: Изд-во «Точка», 2012. - 184 с. Русс. яз.
3. Канюк Г. И, Артюх С. Ф., Мезеря А. Ю., Лаптинова Е. В., Мельников В. Е. Научные принципы энергосбережения в тепловой и атомной энергетике. -Харьков: Изд-во «Точка», 2013. - 140 с. Русс. яз.
4. Канюк Г. И, Мезеря А. Ю., Лаптинов И. П. Модель энергосберегающего управления нагнетательными установками тепловых электростанций. Вюник НТУ "ХПТ: Енергетичш та теплотехшчш процеси й устаткування. № 12 (1055), 2014. - С. 90-97.
References:
1.Kanyuk G.I., Mezerya A.Y., Fokina A.R., Laptinova E.V., Laptinov I.P. Energysave management and increasing to technical-economic efficiency of the pumping installation heat and atomic power station/ East-Europian journal leading tehnology [Energosberegaiushshee upravlenie i povyshenie tekhniko-ekonomicheskoy effektivnosti nasosnykh ustanovok teplovykh i atomnykh stantsiy] //Harkov: - 2012. - 3/8 (57). - P. 58-62.
2.Kanyuk G.I., Mezerya A.Y., Mihayskiy D.V., Laptinov I.P., Fokina A.R. The Reserves energysave management technological process on acting TES and AES [Rezervy energosberegaiushshego upravlenia tekhnologicheskimi protsessami na deystvuyushshikh TES i AES] //Harkov: Izd-in "Point", 2012. -184 с. Russ.
3.Kanyuk G.I., Artyuh S.F., Mezerya A.Y., Laptinova E.V., Miller V.E. The Scientific principles energysave in heat and atomic energetike [Nauchnye pritsipy energosberezhenia v teplovoy i atomnoy energetike] // Harkov: Izd-in "Point", 2013. -140 p. Russ. .
4.Kanyuk G.I., Mezerya A.Y., Laptinov I.P. The Model of energysave management pump installation heat power station [Model energosberigaiushshego upravleniia nagnetatelnymi ustanovkami teplovykh elektrostantsiy]// Vesnik NTU "HPI": Energetic that teplotechnich process and management. - 12(1055), 2014. - P. 90-97.
Поступила в редакцию 23.06 2015 г.
