CC BY
33
В процессе разработки и проектирования реконструированных печных агрегатов в качестве исходных данных принимались оптимальные параметры, рассчитанные по предложенной методике и алгоритмам. Значения оптимальных технико-экономических параметров составили: и опт = 1330 - 1338 °С, оптимальная температура подогрева воздуха £ в опт = 450 - 485 °С. Температура в печах была повышена за счет увеличения температуры уходящих газов на выходе их из рабочего пространства (на 60 - 85 °С) и температуры подогрева воздуха в рекуператорах. Это позволило интенсифицировать нагрев металла, значительно повысить тепловую эффективность и экономичность работы печных агрегатов. Площадь пода была уменьшена в 1,88-2,13 раза за счет увеличения напряженности пода (удельной производительности печи), удельный расход топлива снизился на 46 - 47 %, угар стали уменьшился на 34 - 38 %.
Таким образом, результаты работы показали целесообразность применения печных агрегатов с оптимальными технико-экономическими параметрами теплового режима. Разработанные метод и алгоритмы оптимизации рекомендуются для практического использования при проектировании новых и модернизации существующих печных агрегатов.
Список литературы
1. Овчаренко, Е. Г. Энергосбережение в нагревательных и термических печах машиностроения и других производств [Текст] / Е. Е. Овчаренко, В. И. Бербенев, В. Н. Асцатуров // Материалы 2-й междунар. конф. «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» / МИСиС. - М., 2002. - С. 29-33.
2. Бояринов, А. И. Методы оптимизации в химической технологии. [Текст] / А. И. Боя-ринов, В. В. Хазаров. -М.: Химия, 1975. -458 с.
3. Левенталь, Е. Б. Оптимизация теплоэнергетических установок [Текст] / Е. Б. Левен-таль, Л. С. Попырин. - М.: Энергия, 1970. - 249 с.
4. Парамонов, А. М. К определению оптимальных параметров теплового режима нагревательных печей с камерным режимом нагрева металла [Текст] / А. М. Парамонов // Известия вузов. Черная металлургия. 1978. - № 4. - С. 119 - 123.
УДК 656.25: 519.171
М. М. Соколов
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
В статье рассматриваются вопросы контроля качества электрического энергии, питающего устройства автоматики железных дорог. Предложена методика (щепки качества электрического энергии с использованием математ и чес кого аппарата векторного алгебры и теоргт графов.
Наряду с надежностью электроснабжения качество электроэнергии (КЭ) является решающим фактором для безотказной работы автоматизированных систем. В связи с этим КЭ все чаще становится одним из основных критериев оценки экономического ущерба, связанного с отказами устройств по причине некачественного электроснабжения. Поэтому постоянный контроль и протоколирование КЭ необходим как для поставщика электроэнергии, так и для конечного пользователя. Не является исключением и железнодорожный транспорт, от качественного электроснабжения которого зависят безопасность и эффективность пассажирских и грузовых перевозок.
Безопасность и бесперебойность движения поездов определяются надежностью функционирования работы устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Для их надежной работы требуется обеспечение постоянного качественного напряжения на вводах аппаратуры и выполнение полного объема планово-профилактических и восстановительных работ в соответствии с Инструкцией по техническому обслуживанию и ремонту устройств электроснабжения ЖАТ. Невыполнение этого условия приводит к сокращению сроков службы устройств, что наносит экономический ущерб, связанный с необходимостью поиска и замены отказавших устройств, а также с устранением последствий отказов. На рисунке 1 представлены диаграммы отказов устройств ЖАТ по Западно-Сибирской железой дороге и по всей сети железных дорог РФ [ 1 ]. Из диаграмм на рисунке 1 видно, что на Западно-Сибирской железной дороге доля отказов, связанных с электропитанием, составляет 8 %, а по сети дорог она возрастает до 11 % .
Задача рационального использования электроэнергии, а также обеспечения нормальной работы потребителей требует непрерывного наблюдения за режимом работы энергосистемы, о котором можно судить по показателям качества электрической энергии (ПКЭ), определяемым на основании измеренных величин.
Спецификой электроснабжения является непостоянство во времени показателей его качества, что при существующем графике контроля делает проблематичным фиксацию всех случаев выхода этих показателей за установленные нормы. Решением названной задачи может быть непрерывный контроль качества электроэнергии, питающей устройства ЖАТ.
Служба П, 36%
Служба Д,
"о%
Служба Э 11 %
Прочее,
19%
Служба Ш, 32%
б
Служба П, 31 %
Служба Д, 1 %
Служба Э,
Прочее, 10%
Служба Ш, 46%
а
Рисунок 1 - Диаграммы отказов устройств ЖАТ: а - Западно-Сибирская железная дорога;
б - ОАО «РЖД»
С целью повышения эффективности контроля качества электрической энергии автором предлагается ввести один комплексный показатель оценки качества электропитания по ряду показателей на основе математического аппарата векторной алгебры, что позволит вести непрерывный контроль общего качества электропитания перегонных устройств, а также прогнозировать предотказные состояния.
Комплексный показатель каждого источника электропитания, определяющийся по совокупности показателей качества [2], предлагается представлять вектором качества электрической энергии (ВКЭ), построенным в базисе этих показателей. На рисунке 2 приведен пример построения ВКЭ К в базисе двух показателей качества (Кь К2), где к\, к^, - приведенные мгновенные значения ПКЭ1, ПКЭ2 соответственно.
Длина и угол наклона ВКЭ для двух показателей будет рассчитываться по формулам [3]:
\к\ = ^кх2 + к22- (1)
Ф = ап^Д). (2)
к
78 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— м;п1.(.5)
06301360
По длине ВКЭ можно предварительно оценить КЭ источника: чем меньше длина, тем более качественная электрическая энергия поступает
потребителю. По углу наклона вектора К, в свою очередь, можно определить вклад каждого из контролируемых показателей на КЭ в целом.
Рассмотрим использование ВКЭ на примере двух контролируемых показателей: отклонения напряжения (АЦ) и отклонения частоты (А/). На рисунке 3 представлена область всех возможных значений, которые могут принимать контролируемые параметры, с учетом значений нормально допустимых и предельно допустимых отклонений согласно рекомендациям работы [1].
Эта область условно разбита на сегменты, каждый из которых по-разному характеризует КЭ, питающей устройства железнодорожной автоматики. По сегменту, в котором находится вершина К, можно судить о КЭ и сделать вывод о режиме электроснабжения устройств железнодорожной автоматики.
Каждый сегмент имеет свое численное обозначение, формирующееся из номера столбца и номера ряда, в которых в данный момент времени находится вершина ВКЭ, это обозначение может использоваться в качестве передаваемой информации от контролируемых объектов.
Определение сегмента, в котором в текущий момент времени находится вершина ВКЭ, предлагается определять путем сравнения с векторами, соответствующими центру каждого сегмента:
Рисунок 2 - Построение вектора качества электрической энергии
N <— тт(ЛК..);
К-К,
(3)
(4)
где Ку - вектор центра сектора у.
Вершина ВКЭ будет находиться в том сегменте, для которого АКу будет минимальным. Для примера на рисунке 3 АКу имеет меньшее значение в секторе «11».
Соответствие или несоответствие качества электрической энергии требования ГОСТ 13109-97 [2]. определяется по 11 показателям качества электрической энергии. В случае если питание происходит от однофазной сети переменного тока, количество ПКЭ уменьшается до девяти. Экспериментальные исследования, проведенные на станциях и перегонах Омского отделения Западно-Сибирской железной дороги, показали, что наибольшее влияние на работу устройств железнодорожной автоматики оказывают следующие ПКЭ: отклонение напряжения, отклонение частоты и несинусоидальность напряжения. Выход значений этих ПКЭ за предельно допустимые значения может привести к нарушению работы устройств железнодорожной автоматики. Выход напряжения за предельные нормы угрожает ложной свободно-стью и ложной занятостью рельсовых цепей, снижением видимости светофоров и выходом приборов из строя. Несинусоидальность напряжения и отклонение частоты в первую очередь влияет на работу преобразователей частоты в рельсовых цепях 25 Гц. Причиной сбоев автоматической локомотивной сигнализации часто является неустойчивое питание рельсовых цепей, возникающее как от колебаний напряжения в энергосистеме, так и от потерь контакта на разъединителях. Практически при снижении питающего напряжения ниже 210В возможны сбои автоматической локомотивной сигнализации от уменьшения сигнального тока в конце длинной рельсовой цепи. Кратковременный перерыв питания при переключениях фидеров машинистами локомотивов часто тоже отмечается как сбой автоматической локомотивной сигнализации.
=ИВНЕСТИЯ Транссиба 79
-и -и Ном +и ++и
- 1 -0,5 0 0,5 1
-и Ном +и ++и
ДЦтах
Рисунок 3 - Распределение сегментов КЭ
При оценке КЭ по трем показателям - отклонению напряжения, отклонению частоты и коэффициенту несинусоидальности (к) - вся область значений разбивается на трехмерные (кубические) сегменты (рисунок 4).
Возможную смену состояний КЭ - режимов электроснабжения - удобнее представлять в виде графа [4]. На рисунке 5 представлен фрагмент графа режимов электроснабжения, где каждая вершина обозначает определенный сегмент области допустимых значений ВКЭ, построенного по трем ПКЭ. Для наглядности и упрощения графа принято, что одновременно может измениться только один ПКЭ.
Для предлагаемых графов режимов электроснабжения приняты следующие условные обозначения:
«0» - оптимальное состояние КЭ. Все ПКЭ находятся в пределах нормально допустимых значений;
«+и», «+£», «+к» - предаварийное состояние. Значение ПКЭ превышает нормально допустимое значение в сторону увеличения, но не выходит из области предельно допустимых значений;
«-и», «-£» - предаварийное состояние. Значение ПКЭ превышает нормально допустимое значение в сторону уменьшения, но не выходит из области предельно допустимых значений;
«++и», «++f», «++к» - аварийное состояние. Значение ПКЭ превышает предельно допустимое значение в сторону увеличения;
«—и», «—f» - аварийное состояние. Значение ПКЭ превышает предельно допустимое значение в сторону уменьшения.
Серым цветом выделены вершины графа, для которых КЭ не удовлетворяет требованиям, указанным в источнике [3].
Рисунок 4 - Разбиение области значений на сегменты КЭ
Рисунок 5 - Граф режимов электроснабжения
Каждому режиму электроснабжения (вершина графа) можно присвоить численное значение в соответствии с рисунком 3, которое необходимо использовать в качестве передаваемой информации по линии связи и тем самым вести предварительную оценку КЭ в реальном времени.
На работу различных устройств, в том числе устройств автоматики, каждый ПКЭ в отдельности будет оказывать неодинаковое влияние. Так, например, лампы светофоров более чувствительны к отклонению напряжения, в то время как отклонение частоты и несинусоидальность практически не оказывают влияния на их работу. Для преобразователей частоты, в свою очередь, отклонение напряжения не так критично, как наличие несинусоидальности или отклонение частоты. Однако для любых типов устройств автоматики режим работы при снижении напряжения является более благоприятным, чем режим работы при повышенном напряжении. Это связано в первую очередь с тем, что при перенапряжении возможно повреждение устройств обеспечения безопасности движения поездов, что может привести к аварии.
Таким образом, для различных групп устройств автоматики можно получить собственные графы режимов электроснабжения, объединяя идентичные вершины графа, представленного на рисунке 5.
В качестве примера ниже приведены графы режимов электроснабжения для светофорной лампы (рисунок 6) и преобразователя частоты (рисунок 7). Цвет вершины графа оценивает надежность работы устройства автоматики при данном режиме электроснабжения.
Рисунок 6 - Граф режимов электроснабжения ламп светофоров
Степень влияния того или иного режима электроснабжения на работу каждого устройства можно определить методом экспертных оценок [5].
Предлагаемые графы режимов электроснабжения для различных устройств автоматики рекомендуется использовать для следующих целей:
для оценки режима электроснабжения при определенном типе (группе) устройств в реальном времени;
анализа причин отказа конкретного устройства;
как исходную информацию для устройств автоматического переключения источников электропитания устройств автоматики.
Применение графов режимов электроснабжения для различных устройств автоматики электрифицированных железных дорог позволит получить наглядное представление о режиме электроснабжения конкретной группы устройств автоматики в данный момент времени, а также облегчит поиск причины отказа устройства вследствие некачественной электрической энергии.
Рисунок 7 - Граф режимов электроснабжения преобразователя частоты
Список литературы
1. Борисенко, Д. В. Многоуровневый мониторинг параметров качества электроэнергии как средство энерго- и ресурсосбережения в сетях электроснабжения [Текст] / Д. В. Борисенко, С. В. Гришечко, М. М. Соколов // Энерго- и ресурсосбережение в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги: Материалы науч.-практ. конф. -Омск, 2008. - С. 103- 109.
2. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 30 с.
3. Привалов, И. И. Аналитическая геометрия: Учебник [Текст] / И. И. Привалов. СПб: Лань, 2005. - 299 с.
4. Осис, Я. Я. Диагностирование на граф-моделях: на примерах авиационной и автомобильной техники [Текст] / Я. Я. Осис. - М.: Транспорт, 1991. - 244 с.
5. Мыльник, В. В. Исследование систем управления [Текст]: Учебное пособие / В. В. Мыльник, Б. П. Титаренко, В. А. Волочиенко. - М.: Академический проект; Трикста, 2004.-351 с.
