CC BY
37
УДК 620.9:502.14:62.83
Д.В. Ишутинов, ст. преп., (8332) 64-25-25,
khoroshavinvs@vgu.ru (Россия, Киров, ВятГУ),
B.С. Хорошавин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (8332) 64-84-37, khoroshavinvs@vgu.ru (Россия, Киров, ВятГУ),
C.И. Охапкин, канд. техн. наук., доц., (8332) 64-84-37, khoroshavinvs@vgu.ru (Россия, Киров, ВятГУ),
Е.Н. Пировских, ст. преп., (8332) 64-84-37, khoroshavinvs@vgu.ru (Россия, Киров, ВятГУ)
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ УПРАВЛЕНИЯ НАСОСНЫМИ АГРЕГАТАМИ
Предлагается методика определения энергетической эффективности и качества энергопотребления для различных систем электропривода насосных установок на основании графика потребления воды.
Ключевые слова: энергосберегающие мероприятия, насосные агрегаты.
Внедрению энергосберегающих и повышающих качество энергопотребления мероприятий должен предшествовать предварительный анализ, опирающийся на комплексный мониторинг текущего состояния показателей качества энергопотребления с прогнозом их будущего состояния. На основании результатов мониторинга показателей энергопотребления может быть оценен экономический эффект от планируемых энергосберегающих мероприятий.
В настоящее время на водоснабжающих предприятиях коммунального хозяйства мониторинг показателей качества энергопотребления, а также технический учет потребления активной, реактивной мощности, величины коэффициента мощности и потерь электроэнергии не получил широкого распространения. При этом практически всегда ведётся учёт отбора (потребления) и давления воды за сутки, месяц и т.д. Как правило, показания расходомера снимаются 6 - 12 раз за сутки, а в ряде случаев практически непрерывно. На рис. 1 показан в общем виде график отбора воды, представляющий собой зависимость расхода Q от времени.
Опираясь на график отбора воды (рис. 1), можно оценить эффективность внедрения энергосберегающих систем электропривода для управления насосными агрегатами и дать рекомендации по применению того или иного способа регулирования производительности насосной установки. Предлагается методика, опирающаяся на комплексную модель асинхронного электропривода [3], разработанную в приложении Simulink математического процессора MathLab. Данная модель позволяет определять энергетические показатели различных систем электропривода насосных установок.
Рис. 1. График отбора воды
При проведении энергосберегающих мероприятий на насосных станциях, как правило, оценивается эффективность применения широко используемых методов: дроссельного, ступенчатого и плавно-ступенчатого (с применением регулируемого электропривода) регулирования производительности и давления [1].
Предлагается следующий порядок расчета и моделирования нагрузки на валу двигателя при механическом (дроссельном) и электрическом способе регулирования производительности насоса.
1. На основании графика отбора определить максимальную Qmax, минимальную Qmin подачу и промежуточные значения Ог подачи насосного агрегата.
2. Аппроксимировать каталожную Q-H характеристику насоса полиномом 3-го порядка в соответствии с описанным в [2] методом.
3. Рассчитать гидравлическую мощность насосного агрегата на интервалах неизменной подачи Qt по формуле
РП = Pi' Qi > (1)
где pi, Qi - давление и подача на 7-м участке графика отбора, причем значение давления р{ соответствует точке на Q-H характеристике насоса, работающего с подачей Ql и частотой вращения сои
4. Для выбранного способа управления насосным агрегатом рассчитать моменты сопротивления Ма на валу приводного двигателя на интервалах неизменной подачи Qt (см. рис.1).
5. Вводя условия нагрузки (рассчитанные значения Ма) в модель асинхронного ЭП для механического способа регулирования и дополнительно значения скорости насоса для электрического способа можно получить зависимости для активной P(t) и реактивной Q(t) мощности (сдвига и искажения) потребляемой из сети, а также механической мощности Рмех(1) на валу приводного двигателя насоса. На основании графика Р(1) активной мощности, потребляемой из сети, и механической мощности Рмех(1) на валу двигателя при выбранном способе регулирования рассчитываются активные потери на интервалах неизменной подачи
Щ = Р ЭЛ - Р МЕХ, (2)
где МЕХ - механическая мощность на валу насоса (двигателя); Р1 ЭЛ -мощность потребляемая системой электропривода из сети.
В результате можно определить среднецикловое потребление электроэнергии и показатели энергопотребления в абсолютных величинах.
6. По полученным данным рассчитываются затраты на электроэнергию и обслуживание при различных способах регулирования, капитальные затраты на внедрение, например, частотно-регулируемого электропривода. Это, в конечном итоге, позволяет оценить целесообразность применения того или иного способа регулирования - рассчитать экономический эффект и срок окупаемости.
Порядок расчета при механическом способе регулирования. При механическом регулировании для стабилизации давления в магистрали производительность насосного агрегата регулируется путём изменения условного прохода регулирующего клапана или задвижки. Характеристики, иллюстрирующие механический способ регулирования, представлены на рис. 2.
В соответствии с предложенным выше алгоритмом для механического способа регулирования порядок расчета будет следующим:
1. Вычислить коэффициенты полинома а}- [2] , используя данные каталожной Q-H характеристики насоса, и составить аппроксимирующий полином Н = /(Ц).
2. Подставляя в уравнение Н = /(Ц) значения Qi, найти величину напора Н1 в выходной магистрали насоса
Н ) = аэ • Ц3 + а2 • Ц2 + а • Ц + ао, (3)
где а]- - коэффициенты полинома для каталожной характеристики насоса; Цг - значения, полученные по графику отбора для интервалов постоянной подачи;
3. Рассчитать гидравлическую мощность на интервалах неизменной подачи Цг графика отбора по формуле (1)
Ргг = Рг • аг, (4)
где Рг = Н(Ц^г)•/• g - давление в выходной магистрали насоса, Па; у -
плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
4. Рассчитать момент сопротивления на валу двигателя насоса по формуле
РГ г
Мег =-Г-, (5)
— пг
где РГ г - гидравлическая мощность насоса по (4) соответствующая подаче Ци шН - номинальная частота вращения насоса, с-1; щ - КПД насоса для значений подачи (рис. 2) [2].
5. Полученные значения момента сопротивления Мс1 используются при виртуальном мониторинге на модели асинхронного электропривода
[3].
Рис. 2. 0-Нхарактеристики при механическом способе
регулирования
Порядок расчета при электрическом способе регулирования. Электрический способ регулирования производительности насосного агрегата заключается в изменении частоты вращения приводного двигателя насоса. Характеристики, иллюстрирующие электрический способ регулирования, представлены на рис. 3.
При решении задачи стабилизации давления в магистрали, например на уровне ртр (НТР на С>-Н характеристиках), рабочая точка будет двигаться вдоль линии постоянного давления (напора), а скорость приводного двигателя будет изменяться в диапазоне от сотах до сотЫ при условии б01ши < ^шах - - Причем скорость сот1П соответствует минимальной производительности Qmin насосной установки, а скорость сотах её максимальной производительности ()тах-
В соответствии с предложенным выше алгоритмом для электрического способа регулирования предлагается следующий порядок расчета:
1. Вычислить [2] коэффициенты полинома используя данные каталожной С)-Н характеристики насоса, и составить аппроксимирующий полином Н
2. Определить рабочую скорость насоса на искусственных С>-Н характеристиках при значении подачи Qi и заданном напоре Нтр следующим образом. Применяя уравнение для С)-Н характеристики насоса и подставляя в него значения и Н для заданного режима работы, получается
где а] - коэффициенты полинома Н =/(()) для характеристики насоса при частоте вращения отличной от номинальной; - значения, полученные по графику отбора для интервалов постоянной подачи; Нтр - требуемый напор в водопроводной магистрали.
>
Подставляя в уравнение (6) значения коэффициентов я,-, определённые по формулам [2], после преобразования получаем уравнение относительно частоты вращения со
Нтрусо + а3-()1а)н=0.
(7)
-а..** в2
сон сон \
Действительный положительный корень уравнения (7), решаемого относительно со, будет соответствовать рабочей скорости насоса при значении подачи <2г и заданном напоре Нтр. Для найденных значений скорости вращения насоса могут быть определены коэффициенты аппроксимирую-
г
щего полинома о, [2].
Характеристики магистрали
Рис. 3. ()-Н характеристики при электрическом способе регулирования
3. Вычислить гидравлическую мощность на интервалах неизменной подачи Qi насоса по формуле (1).
где ртр - Нп]р - требуемое давление в выходной магистрали насоса.
4. Рассчитать момент сопротивления на валу приводного двигателя для значений на интервалах постоянной подачи насоса по формуле
Рп
Ма=——, (9)
согщ
где Рп - гидравлическая мощность насоса соответствующая подаче Qi\
- скорость вращения насоса, обеспечивающая требуемое давления ртр и подачу Qi; щ - КПД насоса для значений подачи Qi и напора Нтр, определяемое по каталожной характеристике ц^) для значения подачи Qei и лежащее на линии равного КПД.
Для определения КПД насоса в рабочей точке с подачей Qi и напором Нтр при частоте необходимо совместно решить уравнение линии равного КПД и каталожной Р-Н характеристики насоса, аппроксимированное полиномом Н = /(Ц). Уравнения линии равного КПД проходящей через точку Qi, Нтр и соответствующую ей точку Qei, Не будет иметь вид
Не = к ■ О2 = -тр • Q1e . (10)
После подстановки (10) в уравнения Н = для аппроксимированной каталожной характеристики и преобразований получается следующее уравнение относительно Qеi
а3 ■ ^ +
А ТТ Л
птр
а2
V
Q/z
Й + а1 ■ ^ + ао = (11)
Действительный положительный корень уравнения (1) позволяет определить значение подачи Qеi на каталожной характеристике насоса. По вычисленному значению Qеi определяется к.п.д. насоса для заданного режима работы.
5. Рассчитанные значения момента сопротивлении Мс, и скорости с соответствующие неизменной подаче Qi графика отбора вводятся в модель асинхронного электропривода [3] для проведения виртуального мониторинга.
Предложенный метод позволяет провести комплексный анализ эффективности использования различных способов управления насосными агрегатами, опираясь на традиционно проводимую на предприятиях статистическую оценку потребления воды, с целью формирования рационального технического решения.
Список литературы
1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация промышленных механизмов / М.: Энергия, 1980. 360 с.
2. Ишутинов Д.В., Охапкин С.И., Присмотров Н.И. Метод расчета Р-Н характеристик насосов с использованием аппроксимации методом наименьших квадратов / Тез. докл. VI Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. Тула, 2010.
3. Ишутинов Д.В. Исследование статических компенсирующих устройств в пакете БтиНпк // Тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. Киров: ВятГУ, 2008.
D. Ishutinov, V. Xoroshavin, S. Oxapkin, E. Pirovskih
Estimation of efficiency of power saving actions at various ways of of pump units
control
The method of determination power efficiency and quality of power for various system of the electric drive of pumping plants on the basis of schedule of water consumption is proposed.
Keywords: power saving actions, pump units.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
Г.П. Корнилов, канд. техн. наук, зав. кафедрой, 8-904-933-55-23, Korn mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), А. А. Николаев, канд. техн. наук, ст. преп., (3519) 22-82-07, alexniko@inbox.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), И.А. Якимов, асп., 8-904-976-83-59,
korn mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), Ю.П. Журавлев, канд. техн. наук, гл. энергетик, 8-904-933-55-23, korn mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»), Е.А. Кузнецов, инженер, 8-904-933-55-23, korn_m gn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»)
ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
На примере крупного металлургического предприятия рассмотрены резервы и возможности снижения потерь электрической энергии энергоемких электротехнических комплексов - дуговых сталеплавильных печей и синхронных двигателей за счет компенсации реактивной мощности.
Ключевые слова: электротехнические комплексы, потери, регулирование реактивной мощности.
Крупные металлургические предприятия с полным технологическим циклом представляют собой по масштабу потребляемой мощности концентрированную электросистему, эквивалентную средней областной, где нет таких энергоемких производств. Например, средняя мощность, потребляемая ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), составляет в среднем 800.. .900 МВт, что соизмеримо с уровнем потребления таких областей, как Курганская, Оренбургская. Большая часть этой величины приходится на крупные электротехнические комплексы, такие, как широкополосные станы горячей прокатки (ШСГП), дуговые сталеплавильные печи (ДСП), кислородные станции (КС) и т.д., о чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице.
