Энергосберегающее регулирование режима работы шахтной водоотливной установки средствами электропривода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.532:621.6(06)

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ШАХТНОЙ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ СРЕДСТВАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

© 2010 г. Д.А. Боченков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

С учетом технологических особенностей главных водоотливных установок шахт и рудников предложены способ и экстремальная поисковая система энергосберегающего регулирования режима их работы. Приведены компьютерные модели и результаты моделирования.

Ключевые слова: главная водоотливная установка; асинхронный частотно-регулируемый привод; энергосбережение; подкачивающий насос; экстремальная поисковая система; компьютерное моделирование.

Taking into consideration technological features of the main mining water-removal plants, an energy saving method and an extremal searching system of their control are suggested. Computer models and the results of modeling are given.

Keywords: main water-removal plant; variable-frequency induction motor drive; energy saving; booster pump; extremal searching system; ^mputer modelling.

Важной задачей в повышении конкурентоспособности отечественной промышленности является внедрение энергосберегающих технологий. Одно из перспективных направлений энергосбережения - широкое применение асинхронных частотно-регулируемых электроприводов (АЧРП), подтвердивших свою эффективность, в частности, в насосных установках промышленного и бытового тепло- и водоснабжения. Например, оборудование таким приводом насосных установок тепловых пунктов г. Москвы позволило сократить расход электроэнергии на 30 - 40 % за счет снижения частоты вращения насосов в периоды пониженного водопотребления [1, 2].

На предприятиях горнодобывающей промышленности к наиболее энергоемким объектам, потребляющим до 30 - 40 % электроэнергии, относятся главные водоотливные установки (ГВУ), оборудованные центробежными секционными насосами с высоковольтным асинхронным приводом мощностью, превышающей, как правило, 500 - 600 кВт. Поэтому актуальной научно-технической задачей является энергосберегающее регулирование режима их работы. В связи с этим появился ряд предложений по применению АЧРП для насосных агрегатов таких установок [3 - 5]. Однако при реализации данного предложения необходимо учитывать ряд существенных особенностей режима работы ГВУ. Остановимся на двух из них, по нашему мнению наиболее важных [6].

1. Насосный агрегат должен в течение суток выдать на поверхность шахты (поднять на геодезическую высоту НГ, м) объем воды, равный суточному притоку QC, м3, т. е., независимо от частоты вращения рабочих колес насоса, выполнить определенную полезную работу

ЛП = gpQcHг, Дж, (1)

затратив на это из питающей сети количество электрической энергии, определяемое по формуле

Л

Л0 =-Л, Дж. (2)

Ц

В (1), (2) g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с2; р - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; ц - общий КПД водоотливной установки, равный произведению коэффициентов полезного действия насоса цн , трубопровода цт , приводного электродвигателя цм и преобразователя (при наличии такового).

Из (1) и (2) следует, что минимизировать расход электроэнергии можно только, обеспечив работу насосной установки с максимальным значением общего КПД (с минимальным удельным расходом энергии). Как показывают выполненные расчеты, в большинстве случаев такой режим работы соответствует подачам, на 8...18 % меньшим номинальной подачи насосного агрегата цн . При этом возможное увеличение общего КПД лежит в диапазоне 1.5 %.

2. Жесткая характеристика сети с преобладающей долей статического напора, благодаря чему для перевода насосной установки в энергоэффективный режим работы средствами электропривода достаточно регулировать частоту вращения в узком диапазоне, не превышающем, как правило, 5 %, с изменением напора в пределах доли напора одного рабочего колеса. Применение в этом случае АЧРП насосных агрегатов с необходимостью использования для этого мощных высоковольтных дорогостоящих преобразователей частоты приводит к техническому противоречию -регулирующее воздействие оказывается на все рабочие колеса, тогда как для достижения необходимого результата достаточно было бы регулировать частоту вращения только одного рабочего колеса. Необходи-

мо также иметь в виду дополнительное снижение общего КПД насосной установки на 2...2,5 % из-за потерь энергии в преобразователе частоты [7].

Для разрешения указанного противоречия предложено использовать в составе насосных агрегатов одноколесные подкачивающие насосы, оборудованные низковольтным АЧРП мощностью несколько десятков киловатт с регулированием частоты вращения в диапазоне

Дпп* и (1 + H/HП)Aп* ,

где H, HП - напоры, развиваемые основным и подкачивающим насосами; Д пп*, Д п* - требуемое изменение частоты вращения подкачивающего и основного насосов для перевода установки в режим работы с максимальным КПД в относительных единицах (долях номинальной частоты вращения).

Поскольку в процессе эксплуатации параметры насосов и трубопроводов могут изменяться по различным причинам, были разработаны способ регулирования и экстремальная поисковая система управления электроприводом подкачивающего насоса [8], обеспечивающие энергосберегающее регулирование режима работы шахтной водоотливной установки (рис. 1).

вв

B1 В2

■■ 6 Kli P

LЛ

Q

Рис. 1. Функциональная схема системы энергосберегающего регулирования режима работы шахтной водоотливной установки

Согласно предложенному способу периодически, например после очередного запуска в работу насосного агрегата, измеряют подачу Q и мощность P, потребляемую приводом М1 основного насоса НА1; определяют удельный расход электроэнергии E=P/Q и изменением частоты выходного напряжения преобразователя ПЧ, питающего электродвигатель М2 подкачивающего насоса НА2, устанавливают режим работы насосной установки, соответствующий минимальной величине E.

На рис. 2 приведена компьютерная модель такой системы, реализованная в приложении Simulink системы Matlab.

В модели использовано приближенное аналитическое описание напорных характеристик (зависимости напора Н от подачи Q) основного насоса и подкачивающего насоса с регулируемым приводом полиномами второй степени [9, 10]:

H= Hо +AQ-BQ2;

h = H 01п*2 + A1n*Q - B1Q2,

где п* - относительная (в долях номинальной) частота вращения привода подкачивающего насоса.

Координаты рабочей точки основного центробежного насоса определяются в результате совместного решения уравнения характеристики трубопровода (сети)

H = H г + RТQ2,

где Hг - геодезическая высота подачи; RТ - гидравлическое сопротивление сети и результирующей напорной характеристики основного и подкачивающего насосов

H■L= H 0 + H(nn*2 + (A + A1n*)Q - (B + B1)Q2.

■ ИЬгкфасе

Рис. 2. Компьютерная модель системы энергосберегающего управления шахтной водоотливной установкой

При моделировании использовано описание зависимости КПД основного центробежного насоса от подачи цн^) полиномом третьей степени [10]

Цн = с^ " ^2 + cзQ3,

а удельный расход электроэнергии е определялся по формуле

ЩН Г

e = -

Л0

кнг „ , 3

-г, кВт-ч/м3,

gP

где К = -

3,6 -10°

Плотность шахтной воды р при моделировании принята равной 1050 кг/м3, КПД приводного электродвигателя основного насоса цм = 0,95, а зависимость КПД трубопровода от подачи Q описывалась соотношением

Функциональная схема системы, реализующей данный метод регулирования, приведена на рис. 3.

Если при достижении режима работы насосной установки с минимальным расходом электроэнергии на входе основного насоса сохраняется избыточный напор, созданный подкачивающим насосом, подсоса воздуха не происходит. В противном случае, при дальнейшем снижении частоты вращения подкачивающего насоса появляется разряжение на входе основного насоса и начинается подсос воздуха через вентиль В.

Н

Пт =

Нг + RtQ 2

Модель предусматривает два варианта изменения частоты вращения электропривода подкачивающего насоса:

- непрерывное - для наглядной регистрации экстремальных зависимостей КПД и удельных энергозатрат водоотливной установки от подачи;

- дискретное (пошаговое) - для реализации заложенного алгоритма работы системы управления.

При необходимости расширения диапазона регулирования рекомендуется применение комбинированного способа изменением частоты вращения подкачивающего насоса и впуском воздуха во всасывающий трубопровод основного насоса.

Рис. 3. Функциональная схема системы комбинированного энергосберегающего регулирования

На рис. 4 приведена компьютерная модель комбинированной системы регулирования с включением дополнительных подсистем Subsistem1 и Subsistem2, первая из которых учитывает изменение КПД основного насоса при впуске воздуха, и вторая - изменение его напорной характеристики в результате подсоса воздуха.

Рис. 4. Компьютерная модель системы комбинированного энергосберегающего управления шахтной водоотливной установкой

ЦНС 180-600

ЦНС 300-600

£ 1 Q

2.5 2.49 2.« 2.47

0.1 0.2 0.3 <1.4 0.5 0.6 0.7 0,S 11.9 |

П*

0,6 0.7 0,3

б

Рис. 5. Зависимости подачи, КПД установки и удельных затрат электроэнергии от частоты вращения подкачивающего насоса: а - для агрегата с насосом ЦНС 180-600 от частоты вращения подкачивающего насоса 8НДв-60 (Нг = 600 м, RТ = 1.234540-3); б - для агрегата с насосом ЦНС 300-600 от частоты вращения подкачивающего насоса ВП-340-18Л

(Яг = 550м, RТ = 0,000678) при впуске воздуха

На моделях исследовалось поведение систем при регулировании режима работы центробежных секционных насосов ЦНС 180-600 и ЦНС 300-600 в комплекте с серийно выпускаемым подкачивающим насосом ВП-340 и с подкачивающим насосом, имеющим параметры одноколёсного насоса 8НДв-60 [10].

На рис. 5 в качестве примера приведены результаты моделирования совместной работы насосных агрегатов в составе основного и подкачивающего насосов в виде зависимостей подачи, КПД насосной установки и удельного расхода электроэнергии от относительной частоты вращения привода подкачивающего насоса.

Результаты моделирования подтверждают наличие энергосберегающего режима работы насосной установки с минимальным удельным расходом электроэнергии (с максимальным КПД установки). При этом необходимое снижение подачи для реализации энергоэффективного режима работы обеспечивается как регулированием частоты вращения колеса подкачивающего насоса, так и регулированием частоты вращения совместно с впуском определенного количества воздуха. При моделировании комбинированного способа имеется характерный излом на графиках, соответствующий появлению разряжения на входе основного насоса.

Литература

1. Ильинский Н.Ф. Электропривод в современном мире // Тр. V Междунар. (16 Всероссийской) науч. конф. СПб., 18 - 21 сентября 2007 г. СПб., 2007. С. 17 - 19.

2. Ремезов А.Н., Сорокин А.В. Некоторые аспекты применения частотно-регулируемого электропривода на теплоснабжающих предприятиях ЖКХ // Приводная техника. 2007. № 3. С. 2 - 7.

3. Математические модели функционирования и оптимизации комплексов главных водоотливных установок / С.А. Тимухин [и др.] //Изв. вузов. Горный журнал. 2002. № 4. С. 121 - 122.

4. Черняховский Р.Л. Адаптация режимов работы электромеханических комплексов шахтного водоотлива к графикам энергосистемы в условиях переменных водоприто-ков: автореф. дис. ... канд. тех. наук. СПб., 2003.

5. Бабокин Г.И. Энергосбережение в насосных станциях водоотлива средствами регулируемого электропривода // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 11. С. 305 - 306.

6. Сташинов Ю.П., Боченков Д.А., Волков В.В. Технические и энергетические аспекты применения регулируемого электропривода на главных водоотливных установках шахт // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 11. С. 22 - 25.

7. Дробкин Б.З., Пронин М.В., Ефимов А.А. Развитие устройств силовой электроники для регулируемых электроприводов // Тр. V Междунар. (16 Всероссийской) науч. конф. СПб., 18-21 сентября 2007 г. СПб., 2007. С. 26 -32.

8. Пат. 2375606 Рос. Федерация МПК F04D 15/00. Способ регулирования режима работы водоотливной установки.

9. Сташинов Ю.П., Боченков Д.А. К пересчету напорной характеристики центробежного насоса при изменении частоты вращения рабочих колес // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 12. С. 18 - 20.

10. Попов В.М. Водоотливные установки: справочное пособие. М., 1990. 304 с.

а

Поступила в редакцию 24 мая 2010 г.

Боченков Дмитрий Александрович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: Boch2010D@yandex.ru

Bochenkov Dmitriy Alexandrovich - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: Boch2010D@yandex.ru