Обоснование выбора рациональной системы управления электроприводами насосных установок геотехнологического рудника НГМК Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РУДНИКА НГМК

Курбонов Ойбек Мухаммадкулович, Навоийский государственный горный институт, г. Навои

E-mail: [email protected]

Аннотация. В статье рассмотрены энергоэффективные методы управления, с учетом особенностей технологии и конструктивных особенностей электроприводов насосных установок применяемых в технологии подземного выщелачивания и адекватной оценки экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках находящихся в эксплуатации.

Ключевые слова: подземное выщелачивание, насосные установки, частота вращения, электропривод, частотное регулирование.

Подземное выщелачивание руды осуществляется путем избирательного перевода металла в технологическую жидкость на месте залегания руд при помощи воздействия химических растворов. Для поднятия технологического раствора с рудой со скважин и обратной закачки химических растворов применяют центробежные насосы.

Энергетические показатели насосных установок зависят от режима работы. Параметрами, определяющими режим работы насоса, являются напор и подача. Эти величины также полностью определяют частоту вращения и момент нагрузки на валу электродвигателя, т.е. режим работы электропривода. Соответственно, регулирование основных параметров рабочего режима насоса окажет влияние на энергетические показатели и позволит определить эффективность работы насосной установки. Наиболее эффективно регулировать основные параметры режима работы центробежных насосов методом изменения частоты вращения рабочих колес [1]. Изменение частоты вращения рабочих колес насоса возможно, когда в качестве приводного двигателя используются

Е 1ЕС ТН К НА УК! 1

И ТВОРЧЕСТВА

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания или регулируемый электропривод.

Газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания могут обеспечивать плавное изменение частоты вращения насоса в необходимом диапазоне. Однако для САУ обычно используются различные виды регулируемого электропривода.

Регулируемый электропривод переменного тока по своим энергетическим характеристикам подразделяется на три основные группы:

1 - приводы, регулирующие без потерь энергии скольжения (частотные приводы, вентильные двигатели, многоскоростные двигатели);

2 - приводы с рекуперацией энергии скольжения (электрические, электромеханические и асинхронные вентильные каскады и т.п.);

3 - приводы с потерями энергии скольжения (электродвигатели с реостатом в цепи ротора, приводы с гидравлическими и электромагнитными муфтами скольжения и т. п.).

В значительной мере потери в электроприводе зависят от потерь энергии скольжения. Потери мощности скольжения в электроприводе насоса • существенно зависят от вида механической характеристики рабочего органа и его частоты вращения [1].

^ =(1 )-аг ,

где а - частота вращения в относительных единицах; г - показатель

степени в уравнении механической характеристики.

В исследованиях, приведенных в [1] определено, что максимально возможное значение потерь мощности скольжения имеет вид

Р *

ек тах —

(т + ¡у+1 , при частоте вращения а = ——

Зависимость потери мощности скольжения от частоты вращения и значения г представлена на рис. 1. При этом установлено, что максимальное значение потерь скольжения не превышает 8 ^ 15% от номинальной мощности насосного

агрегата при г = 2 ^ 4 . Этим потерям соответствуют частота вращения, равная

65 ^ 80% номинальных значений, что совпадает с диапазоном регулирования

насосов по скорости. При таких условиях потери скольжения в среднем равны

*

Г

т

*

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

4 ^ 8% от номинальной мощности насоса.

Рск *%"

16

12

8

4

0

0.2 0.4 0.6

0.8

1 а *

Рис. 1 Изменение потерь скольжения в зависимости от частоты вращения

В регулируемых электроприводах второй группы, работающих с • рекуперацией энергии скольжения, часть энергии возвращается обратно в электрическую сеть, но определенная часть теряется в электроприводе [1]:

где ^к - КПД каскадной схемы.

Из-за высоких значений КПД, в современных каскадных схемах (0,9—0,95) [1], электроприводы второй группы характеризуются высокими энергетическими показателями. В каскадных схемах имеются два вида потерь: зависящие от потерь скольжения и постоянные потери, которые составляют примерно 3% потребляемой мощности. Соответственно суммарные потери в электроприводе при выполнении технических расчетов ориентировочно можно принять

где Кп - суммарные потери в электроприводе; С - коэффициент, учитывающий потери за счет несинусоидальности преобразованного тока,

£ = 0,03 0,05 .

двигателя

КП.С.« ^ (1 -Лк ),

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

С учетом выше изложенного результирующая экономия электроэнергии при использовании электроприводов с рекуперацией энергии скольжения определяется

^=0 -о^ * ,

Лэд

где Ыб - мощность потребляемая насосом при наибольшей подаче; Т-

время; w* - относительная экономия электроэнергии. Лэд - КПД двигателя; (р -снижающий коэффициент.

К первой группе можно отнести, частотное регулирование частоты вращения насоса и регулирование частоты вращения изменяя число пар полюсов. Известно, что синхронная скорость вращения асинхронного двигателя обратно пропорциональна числу пар его полюсов, что используется для ступенчатого регулирования числа пар полюсов обмотки статора

п = 60^ . Р

Поскольку число пар полюсов не может быть дробным, при f = 50Гц без

учета скольжения частота вращения много скоростных асинхронных электродвигателей имеет значения: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т.д.

Изменяя ступенями число пар полюсов, можно дискретно менять положения напорной характеристики насоса (рис. 2). Соответственно можно уменьшить превышения напоров в режиме минимальных подач.

Эффективность применения много скоростных электродвигателей можно оценить следующим образом.

Применение двухскоростного электродвигателя снимает превышение напоров, ограниченное криволинейным четырехугольником 2 ^ 4 ^ 5 ^ 6 (рис.2).

Следовательно, экономия электроэнергии за счет снятия этих напоров может быть определена согласно [1] как разность потерь электроэнергии, затрачиваемой на превышение напоров, ограниченных ординатами криволинейного треугольника 1 ^ 3 ^ 5 и ординатами криволинейных

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

треугольников 1 ^2^6 и 2^3^4.

Потери в электроприводах с частотным регулированием, обусловлены потерями в частотных преобразователях, а также снижением КПД электродвигателя из-за не синусоидальной формы кривой преобразованного тока. Потери в таких приводах определяется выражением [3]

Шп= N бТ (1 + С~Лпр ),

где т!ПР - КПД частотного преобразователя, ^ПР = 0,9 ^ 0,95 .

Рис. 2 Режим работы двухскоростного насосного агрегата: I - напорная характеристика насоса при работе на высшей скорости;

II - при работе на низшей скорости; III - характеристика трубопровода

При применении электроприводов, работающих без потерь скольжения, результирующая экономия электроэнергии с учетом потерь в электроприводе можно определить [1]

^=^ к-(1 )].

1эд

Вместе с этим, определению экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода без потерь скольжения, посвящены множество научных трудов. Например, при применении частотно-регулируемого электропривода в насосных установках с предложенным Г.И. Бабокиным

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

алгоритмом управления, позволило уменьшить потребление электрической энергии на 15-20% по сравнению с нерегулируемым электроприводом.

Результаты анализа научной литературы и опыта эксплуатации насосных установок показали:

1. Низкие значения потерь в сочетании с невысокой стоимостью электроприводов третьей группы делают целесообразным их применение в насосных установках, но требует использование электропривода специальной конструкции, что не приемлемо для большинства электроприводов насосных установок в технологии подземного выщелачивания полезных ископаемых. Кроме того, приведенный выше анализ показывает, что потери энергии скольжения существенно зависят от параметров и режима работы насосных установок.

2. Применение двухскоростного электропривода оправданно в тех случаях, когда:

- по технологии работы требуют всего два режима по производительности: рабочий и не рабочий (например, если для вентиляции производственных помещений в рабочие часы требуется подача полного количества воздуха, то в ремонтные смены она может быть снижена вдвое);

- не требуется регулирование производительности, однако применение односкоростного асинхронного двигателя затруднено из-за больших маховых масс привода;

- двухскоростной двигатель используется в сочетании с устройством для плавного регулирования скорости, например с индукторной муфтой скольжения.

Как показывают исследования в некоторых случаях двухскоростной электропривод можно применить для насосных установок, эксплуатируемых в технологии подземного выщелачивания.

3. Наиболее энергоэффективным методом управления, с учетом особенностей технологии и конструктивных особенностей электроприводов насосных установок применяемых в технологии подземного выщелачивания, является применение частотно-регулируемого электропривода. Кроме того, современные системы управления частотным преобразователем позволяют формировать управляющее воздействие с учетом аналоговых данных, получаемых с различных внешних источников, что дает возможность связать технологический процесс с режимом работы электропривода.

Вместе с этим для адекватной оценки экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках находящихся в эксплуатации на основе расчетных данных, необходимо детальное инструментальное обследование основных параметров насоса в конкретных горно-геологических условиях и при существующей системе

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

управления.

При принятии решения о целесообразности внедрения частотно-регулирующего привода следует учитывать, что кроме экономического эффекта от экономии электроэнергии применения частотно-регулирующего привода дополнительно обеспечивается следующее:

- снижается износ запорной арматуры, т.к. большую часть времени задвижки полностью открыты;

- большую часть времени насосы работают при пониженных давлениях, что снижает утечки в системе;

- снижается износ коммутационной аппаратуры, т.к. ее переключения происходят при отсутствии тока;

- снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыльчатки за счет плавного изменения числа оборотов;

- отсутствуют большие пусковые токи;

- уменьшается опасность аварий за счет исключения гидравлических ударов;

- обеспечивается одновременная защита двигателя от токов короткого • замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, неполнофазного режима, недопустимых перенапряжений;

- появляется возможность дальнейшей комплексной автоматизации объектов системы водоснабжения.

Литература:

1. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 360 с.

2. Лезнов Б.С. Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок. - М.: ВНИИ ВОДГЕО. - 1987.

3. Экономия энергии с помощью регулирования частоты вращения электропривода управления кислородом котельных. Англия. Теспо1. - 2005. -№1. - С. 59-65.