CC BY
15
УДК 621.316.761
ИНТЕГРАЦИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННУЮ СИСТЕМУ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ТИРИСТОРНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
© 2018 В.Н. Крысанов, К.В. Иванов
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается возможность автоматизированной компенсации реактивной мощности в электроприводах насосов, включающих в себя асинхронные двигатели. В качестве примера рассматриваются газовые котельные для приготовления пара и горячей воды, находящиеся на балансе ОАО «Электросигнал». Приводятся описание котельной, состав используемого оборудования как по электромеханической части, так и по части автоматизации. Дано описание электромеханической части, в т.ч. все параметры электродвигателей насосов, и части автоматизации, где описываются мнемосхема, схема автоматизации управления насосами, цифровые приборы обработки информации и выдачи управляющих сигналов, приборы контроля и автоматизации системы управления технологическим процессом генерации пара. Рассматривается техническая возможность интеграции конденсаторных установок в существующую автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП). С целью уменьшения затрат на установку дополнительного оборудования приводится анализ зависимости потребляемой реактивной мощности от контролируемых технологических параметров (давления после насоса). Проведен анализ двух вариантов подключения конденсаторных батарей: регулируемых (многоступенчатых) и нерегулируемых (одноступенчатых), описаны алгоритмы их работы, недостатки и достоинства каждого варианта. Приводится теоретический расчет экономической эффективности интеграции рассмотренных компенсирующих устройств в существующие типовые АСУТП промышленных предприятий
Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, тиристорные конденсаторные установки, АСУТП
Введение
Использование в системах
электроснабжения промышленных
предприятий компенсирующих устройств является одним из самых эффективных методов снижения потерь электроэнергии. Наиболее целесообразна система распределенной компенсации реактивной мощности в точках преобразования энергии, включая объекты потребления электроэнергии. Уменьшение потерь активной мощности, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях и технологией повышения эффективности использования электроэнергии (мощности) у потребителей. Реализация этого метода улучшает техникоэкономические показатели системы электроснабжения, так как при этом уменьшаются потоки реактивной мощности во всех элементах сети от источников питания до потребителей [1].
Постановка задачи
Ниже будет рассмотрена возможность интеграции регулируемой конденсаторной установки в типовую АСУТП на примере газовой котельной ОАО «Электросигнал».
В котельной, установленной
производительностью 7 т/ч, осуществляется выработка пара двумя паровыми котлоагрегатами WOLF Energy Solution Vapotherm-3500-9. Паровая котельная предназначена для отпуска насыщенного пара с избыточным давлением 0,4 Мпа (4 кгс/см2) и температурой 143°С в объеме 4,8 т/ч пара для технологических нужд предприятия - разогрева гальванических ванн цеха гальванизации, поддержания их температуры в соответствии с технологическим графиком нагрузок. Котельная предназначена также для приготовления горячей воды для технологических нужд предприятия в объеме 10 м3/ч. Система горячего водоснабжения -циркуляционная с непосредственным водоразбором. Режим работы котельной -односменный, круглогодичный.
На рис. 1 приведена мнемосхема котельной. Согласно мнемосхеме, можно проследить технологический процесс приготовления пара. Сырая вода с помощью двух насосов производительностью 12 м3/ч с электродвигателями номинальной мощностью 2,2 кВт, номинальной частотой вращения 2900 об/мин и номинальным коэффициентом мощности 0,82 [2] подается в теплообменник, где подогревается паром из парового коллектора до необходимой температуры.
Далее подогретая вода поступает в деаэратор. Также к деаэратору подходят трубопроводы конденсата: с конденсатного бака и с производства. Два насоса производительностью 1,95 м3/ч с электродвигателями номинальной
мощностью 0,37 кВт, номинальной частотой вращения 1390 об/мин и номинальным коэффициентом мощности 0,7 [3] подают воду от конденсатного бака, аккумулирующего конденсат с теплообменников.
Рис. 1. Мнемосхема паровой котельной
Вода, прошедшая деаэрацию, поступает в газовый котел. Необходимое давление поддерживают собственные насосы котла, входящие в его состав и расположенные внутри. Котел преобразует питательную воду в пар, который поступает в паровой коллектор для дальнейшего разбора. В частности, для нужд горячего водоснабжения пар, проходя через теплообменники, отдает энергию тепла сырой воде, циркулирующей в системе ГВС благодаря двум насосам производительностью 10,2 м3/ч с электродвигателями номинальной мощностью 4 кВт, номинальной частотой вращения 2900 об/мин и номинальным коэффициентом мощности 0,87 [4].
Таким образом, в описанном выше технологическом процессе участвуют 6 асинхронных двигателей в составе электроприводов насосов. Данные
электроприводы являются нерегулируемыми, поддержание заданных технологических параметров (давление, уровень) происходит благодаря запорно-регулирующим клапанам. Это приводит к изменению нагрузки на электродвигатели в течение суток и, как
следствие, изменению их коэффициента мощности.
На рис. 2 приведена схема автоматизации насосов.
Электроприводы насосов согласно рис. 2 имеют защиту по сухому ходу с использованием прессостатов, а также систему аварийного выключения в случае неисправности на основании двух манометров. Сигналы с манометров поступают в измеритель-регулятор ТРМ138, где
преобразовываются в нормированные величины. Прибор ТРМ138 имеет аналоговые выходы по току 4...20 мА или напряжению 0...10 В, а также цифровой интерфейс RS-485. Далее сигналы с трех вышеописанных датчиков поступают на прибор для управления системой подающих насосов САУ-МП. Прибор САУ-МП предназначен для управления двумя циркуляционными насосами, поочередно работающими на одну магистраль, с возможностью аварийной сигнализации. На магистрали установлен датчик давления («сухой контакт»), подключаемый к входу прибора. Релейные выходы САУ-МП
осуществляют управление насосами. Если отказывают оба двигателя, на свободный
релейный выход выдается сигнал аварии, который передается в диспетчерскую.
Рис. 2. Схема автоматизации управления насосами
В описанной выше АСУТП паровой котельной остается недоиспользованным измеритель-регулятор ТРМ138. С его помощью можно косвенно оценить необходимость дополнительной компенсации реактивной мощности в определенный момент времени.
При регулировании давления в трубопроводе дросселированием возрастает потребляемая мощность электродвигателей насосов. При этом если рабочая точка движется по характеристике за пределы номинального значения, то коэффициент мощности электродвигателя уменьшается, потребляется дополнительная реактивная мощность. Благодаря информации с датчика давления, установленного после насосов, существует возможность оценить степень нагрузки на электродвигатель: чем больше давление после насоса, тем больше закрыт запорно-регулирующий клапан, следовательно, больше нагружен электродвигатель. При этом необходимо знать уровень давления при номинальной нагрузке насоса, а также учесть форму зависимости напора от подачи.
Интеграция компенсирующих устройств
Так как измерители-регуляторы ТРМ138 преобразуют сигнал с датчиков давления, а также имеют свободные релейные, логические и аналоговые выходы [5], то именно к ним целесообразно подключить конденсаторную установку для компенсации реактивной мощности.
В случае если согласно технологическому процессу в течение рабочей смены происходит частое изменение характеристик гидросети и, как следствие, изменение коэффициента мощности, то для пары насосов необходима отдельная конденсаторная установка.
Если конденсаторная установка имеет в своем составе несколько ступеней регулирования, то она может подключаться к нескольким измерителям-регуляторам
одновременно, к дискретным выходам. В этом случае алгоритм ее работы будет следующим. Измеритель-регулятор при достижении значения давления после насоса определенной величины, которая задается при наладке, формирует на выходе сигнал на включение компенсирующего устройства. Блок управления конденсаторной установки принимает сигналы со всех измерителей-
регуляторов, преобразует в цифровое значение в зависимости от коэффициентов, характеризующих мощность электродвигателей насосов, и на его основе вырабатывается
команда на включение определенной ступени конденсатора. Схема алгоритма работы представлена на рис. 3.
Основной цикл
Рис. 3. Алгоритм работы многоступенчатой конденсаторной установки
На рис. 3 буквами Q1, Q2, Q3, Qn обозначены значения уставок для включения соответствующих ступеней регулирования.
Регулируемая конденсаторная установка способна более точно осуществлять компенсацию реактивной мощности, что становится актуально, когда технологический процесс предусматривает подключение разного количества потребителей в разное время. Из-за присутствия ступенчатого регулирования установка становится дороже.
Конденсаторная батарея, имеющая в своем составе один типономинал силовых конденсаторов, подключается к логическому выходу измерителя-регулятора. При этом сигнал выставляется в логическую единицу при условии достижения значением давления определенной уставки. Данное значение уставки пропорционально значению
потребляемой реактивной мощности электродвигателем насоса, которую необходимо скомпенсировать. Блок управления
обрабатывает логический сигнал и выдает команду на включение конденсаторной батареи.
Такой тип установок дешевле, чем регулируемые, однако его использование целесообразно при повторных коммутациях только постоянной нагрузки с определенным заранее значением.
В обоих случаях система управления конденсаторной батареи способна передавать сигнал о текущем состоянии на следующий уровень АСУТП предприятия: либо с помощью дискретных выходов, либо по цифровому интерфейсу.
На примере рассмотренной выше котельной для приготовления пара и горячей воды с учетом описанных алгоритмов, можно сделать вывод о возможности интеграции конденсаторной батареи с микропроцессорным управлением в существующую АСУТП.
Заключение
На примере рассмотренной выше котельной для приготовления пара и горячей воды, с учетом описанных алгоритмов, можно сделать вывод о возможности интеграции конденсаторной батареи с микропроцессорным управлением в существующую АСУТП. Что касается эффективности такой интеграции, то ее уровень значительно повышается в случае использования для технологических нужд более мощных электроприводов. Поэтому целесообразно использовать описанные выше технологии и для второй котельной данного предприятия, которая предназначена для получения горячей воды с температурой 150°С, используемой в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения, а также для технологических целей.
В настоящее время на котельной установлены 4 однотипных сетевых насоса ЦН 400-105, приводимые асинхронными двигателями 4АМН-3Ш-4У.
Производительность насоса - 250-500 м. куб./ч при напоре 120-92,5 м. в. ст. Номинальная мощность приводного
асинхронного двигателя - 200 кВт при скорости вращения вала 1470 об/мин, номинальный коэффициент мощности равен 0,91 [6]. Регулирование напора, создаваемого насосами, осуществляется с помощью регулируемой задвижки, запрограммированной по суточному потреблению. Использование задвижки влияет на режим работы электродвигателей, тем самым изменяя потребляемую реактивную мощность и cosф.
Данная котельная также нуждается в автоматизации с целью повышения производительности и энергосбережения. За основу АСУТП можно взять уже реализованный проект паровой котельной. При этом экономический эффект от установки компенсирующих устройств будет заметно выше из-за отличающейся на 2 порядка
мощности асинхронных двигателеи - основных потребителей реактивной мощности.
Исходя из расчета, что данные насосы работают в течение отопительного сезона (примерно 196 дней) круглосуточно, время их работы составит 4704 ч в год. При этом учтем, что одновременно работают 3 насоса и один остается в резерве. Таким образом, годовое потребление электроэнергии составит 2822400 кВтч. Так как потери активной мощности обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности передаваемой нагрузки при неизменных остальных параметрах, то при максимальной компенсации получаем снижение активных потерь на 20,8%. В годовом выражении снижение потерь составит 587059 кВтч. Таким образом, при тарифе 4,06 р/кВтч экономия составит 2,4 млн. р/год.
Литература
1. Паули В.К., Воротников Р.А. Компенсация реактивной мощности как эффективное средство рационального использования электроэнергии // Энергоэкперт. 2007. № 2. С. 16-19.
2. Насос Wilo-VeroLine-IPL 40/130-2,2/2 // Промышленные, циркуляционные насосы и насосные станции WILO. URL: http://xn--b1amjm.xn--p1ai/index.php?ukey=product&productID=5225 (дата обращения 12.03.2018).
3. NBG 50-32-200.1/196 A-F2-B-BAQE - 99117456 // Grundfos product center. URL: https://product-selection.grundfos.com/product-detail.product-detail.html?custid=GMA&productnumber=99117456&qcid=3 40683293 (дата обращения 12.03.2018).
4. Насос Wilo-VeroLine-IPL 40/160-4/2 // Промышленные, циркуляционные насосы и насосные станции WILO. URL: http://xn--b1amjm.xn--p1ai/index.php?ukey=product&productID=5228 (дата обращения 12.03.2018).
5. ТРМ212 ПИД-регулятор для управления задвижками и трехходовыми клапанами с RS-485 // Овен. Оборудования для автоматизации. URL: http://www.owen.ru/catalog/pid_regulyator_dlya_upravleniya
_zadvizhkami_i_klapanami_s_rs_485_owen_trm212/235275
48 (дата обращения 12.03.2018).
6. Двигатели асинхронные серии 4АМ габаритов 280, 315, 355 // Технические характеристики промышленного оборудования. URL: http://electro.mashinform.ru/dvigateli-asinhronnye-serii-/dvigateli-asinhronnye-serii-4am-gabaritov-280-315-355-obj3889.html (дата обращения 12.03.2018).
Поступила 05.02.2018; принята к публикации 29.03.2018 Информация об авторах
Крысанов Валерий Николаевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: sovteh2000@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1111-8402
Иванов Константин Владимирович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: Dharma_lost@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6942-3181
INTEGRATION OF TYRISTOR COMPENSATORS OF REACTIVE POWER INTO AUTOMATED PROCESS CONTROL SYSTEM OF INDUSTRIAL ENTERPRISES
V.N. Krysanov, K.V. Ivanov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the possibility of automated compensation of reactive power in electric drives of pumps, including asynchronous motors, is considered. As an example, gas boilers for the preparation of steam and hot water, which are on the balance of ALC Electrosignal, are considered. The description of the boiler house, the electromechanical and automation structure of the equipment used are given. The description is given of the electromechanical part, including all parameters of pump motors, and automation parts, where the following things are described: the mnemonic diagram, the pump control automation scheme, digital information processing and control signals issuing devices, control devices and automation of the process control system for steam generation. The technical possibility of integrating condensing installations into the existing process control system is considered. In order to reduce the cost of installing additional equipment, an analysis is made of the dependence of the reactive power consumed on the monitored process parameters (pressure after the pump). The analysis of two variants of connection of capacitor batteries: adjustable (multistage) and unregulated (single-stage), the algorithms of their operation, the disadvantages and advantages of each option are described. The theoretical calculation of the economic efficiency of integration of the compensating devices considered in the existing standard process control systems of industrial enterprises is given
Key words: reactive power compensation, thyristor condensing installations, industrial control
References
1. Pauli V.K., Vorotnikov R.A. "Compensation of reactive power as an effective means of rational use of electricity", Energy expert (Energoekspert), 2007, vol. 2, pp. 16-19.
2. The pump Wilo-VeroLine-IPL 40/130-2,2/2, Industrial, circulating pumps and pumping stations WILO (Promyshlennye, tsirkulyatsionnye nasosy i nasosnye stantsii WILO), available at: http://xn--b1amjm.xn--p1ai/index.php?ukey=product&productID=5225
3. NBG 50-32-200.1/196 A-F2-B-BAQE - 99117456, Grundfos product center, available at: https://product-selection.grundfos.com/product-detail.product-detail.html?custid=GMA&productnumber=99117456&qcid=340683293.
4. Pump Wilo-VeroLine-IPL 40/160-4/2, Industrial, circulating pumps and pumping stations WILO (Promyshlennye, tsirkulyacionnye nasosy i nasosnye stantsii WILO), available at: http://xn--b1amjm.xn--p1ai/index.php?ukey=product&productID=5228.
5. TRM212 PID controller for control of valves and three-way valves with RS-485, Oven. Automation equipment (Oven.
Oborudovaniya dlya avtomatizatsii), available at: http://www.owen.ru/catalog/pid_regulyator_dlya_upravleniya_zadvizhkami_i_
klapanami_s_rs_485_owen_trm212/23527548.
6. Asynchronous motors of 4AM dimensions 280, 315, 355, Technical characteristics of industrial equipment (Tekhnicheskie kharakteristiki promyshlennogo oborudovaniya), available at: http://electro.mashinform.ru/dvigateli-asinhronnye-serii-/dvigateli-asinhronnye-serii-4am-gabaritov-280-315-355-obj3889.html.
Submitted 05.02.2018; revised 29.03.2018
Information about the authors
Valeriy N. Krysanov, Cand. Sci. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovsky prospect, Voronezh 394026, Russia), e-mail: sovteh2000@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1111-8402
Konstantin V. Ivanov, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovsky prospect, Voronezh 394026, Russia), e-mail: Dharma_lost@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6942-3181
