CC BY
23Список литературы:
[1] http://www.ekopower.ru/?p=1244
[2] http://www.bemeto.ru/eco-energy/solnechnaya-panel-konus
[3] http://helixturbineenergy.com/
[4] Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 294 с.
RENEWABLE ENERGY IN SHIP ELECTRIC POWER SYSTEM O.A. Burmakin, Yu.S. Malyshev, Yu.V. Varechkin
Keywords: ship power system, renewable energy sources, complex power station.
Set out the feasibility of using renewable energy sources on the ship and justifications of types of their design. The results of empirical studies of solar panels are shown. Proposed a scheme combined ship power system using renewable energy sources.
УДК 621
A.Н. Мальцев, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
О.С. Хватов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
B.А. Тихомиров, к.т.н., доцент НГТУ им. Р.Е. Алексеева 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
ТЕХНИЧЕСКАЯ АКТУАЛЬНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ НА БАЗЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ И ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА
Ключевые слова: преобразователь частоты, энергоэффективность, автоматизация, канализационные насосные станции, программируемый логический контроллер.
Настоящая статья раскрывает техническую актуальность применения частотного регулирования скорости на канализационных насосных станциях. Определены ограничения по диапазону регулирования скорости вращения насосного агрегата. Получены значения КПД насоса от переменной скорости его вращения. Также предложена схема модернизации типовой канализационной насосной станции на базе преобразователя частоты и программируемого логического контроллера. Предложена организация оптимального алгоритма управления КНС с адаптивной самонастраивающейся системой поиска оптимальной скорости вращения насоса в зависимости от количества поступаемых стоков на базе ПЛК.
Одним из основных ресурсов, которые человек использует в своей жизнедеятельности, является вода. Расход электроэнергии на перекачку чистых и сточных вод с учетом оборотного водоснабжения в России оценивается в 120-130 млрд. кВтч/год, стоимость которой оценивается в 215-235 млрд. рублей [1]. От 30 до 40% электроэнергии теряется из-за сравнительно низкой энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, а также их работы с превышением напора.
Отмечено [2], что затраты на создание 1 кВт генерирующей мощности по данным семинара «Экономические проблемы энергетического комплекса» были увеличены с 1500 до 2200-2300 долларов США, в то время как затраты на повышение энергоэффективности и внедрение энергосберегающих технологий составляют 150-250 долларов. Очевидна необходимость в модернизации и повышении энергоэффективности промышленных предприятий. Основные решения для этого были сформулированы в ФЗ №261 «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» [3].
Одним из крупнейших потребителей электроэнергии в России (более 20% от общего потребления) являются механизмы с вентиляторной нагрузкой (насосы, компрессоры, вентиляторы). Один из наиболее эффективных и широко развиваемых способов экономии электроэнергии в насосных установках, работающих в переменном режиме, является применение регулируемого электропривода (РЭП) на базе преобразователей частоты (ПЧ). Эффективность применения РЭП на насосных станциях освещается во многих работах российских [1,4,5] и зарубежных авторов [6,7]. В то же время вопросом энергоэффективного применениям частотного регулирования на канализационных насосных станциях (КНС) уделяется, на наш взгляд, недостаточно внимания. Это происходит при существующих в определенных кругах специалистов мнений о неэффективном применении ПЧ на КНС, с чем авторы не могут согласиться.
Настоящая статья не предполагает описания устройства канализационных станций, а рассматривает техническую эффективность внедрения энергоемких технологий в обозначенную отрасль коммунального хозяйства. Описание и принцип работы КНС полно и подробно изложен в [8]. В наше время автоматизации работы канализационных станций не уделяется должного внимания, ввиду возможного непонимания или незнания путей повышения энергоэффективности работы электрооборудования. Основные элементы автоматики, которые применяются на КНС, это устройства плавного пуска, системы мониторинга и контроля за работой станции. Само по себе устройство плавного пуска не создает возможности экономить потребляемую электроэнергию, а лишь ограничивает пусковой ток асинхронного двигателя при разгоне и, соответственно, снижает гидравлический удар на трубы гидросети. Элементы диспетчеризации КНС позволяют сократить штат обслуживающего персонала непосредственно на станции, но экономический эффект от данного внедрения невысок, ввиду малой заработной платы работников коммунального хозяйства. Приведенные аргументы говорят о том, что данной отрасли надо уделить больше внимания и изыскать пути повышения энергоэффективности работы гидро- и электрооборудования.
Настоящая статья предполагает разработку схемы модернизации типовой канализационной насосной станции на основе комплексного подхода с применением ПЧ, программируемого логического контроллера (ПЛК), системы удаленного диспетчерского контроля и управления. Основной идеей применением РЭП в данной отрасли является стабилизация уровня стоков в приемном резервуаре КНС. Вследствие того, что стоки поступают в приемную емкость неравномерно, очевидно, что применение ПЧ будет целесообразно ввиду неравномерной нагрузки. Кроме того, частотный привод также сможет осуществлять плавный разгон и останов двигателя, тем самым исполняя функцию плавного пускателя. Возникает вопрос, поддержание какого уровня в накопителе будет рациональным как с экономической, так и с технологической точки зрения. Если рассматривать первый аспект, то очевидно, что поддержание максимально высокого уровня в приемном резервуаре будет наиболее целесообразным. Это объясняется тем, что при уменьшении объема жидкости в накопителе будет расти статическая составляющая напора, а соответственно, увеличиваться количество энергии, необходимой для преодоления данной составляющей. На основе практического опыта в [9] показано, что на преодоление статической составляющей напора тратиться 5-20% от общего энергопотребления насосной станцией. С другой стороны, конструктивные особенности КНС предполагают наличие оптимально маленького при-
емного резервуара. Данный выбор объясняется минимальным временем нахождения сточных вод в приемном баке, ввиду загнивания и выпадения осадка, что увеличивает в свою очередь затраты на обслуживание работы станции. Исходя из сказанного, полагаем более целесообразным поддержание минимально возможного уровня стоков в приемном резервуаре. На рисунке 1 представлена функционально-блочная схема автоматизированной системы управления (АСУ) КНС. Здесь фактическое значение от аналогового датчика уровня поступает через аналого-цифровой преобразователь в ПЛК. После чего в соответствии с заданным алгоритмом, о котором будет сказано ниже, контроллер сформирует сигнал задания для ПЧ, а последний в свою очередь изменит скорость вращения насосного агрегата в соответствии с заданием. Также в данной схеме предусмотрена организация связи с автоматизированным рабочим местом оператора (АРМ оператора) посредством GSM коммуникации.
Таким образом, поддержание уровня стоков при их неравномерном поступлении, требует изменения скорости вращения насоса, что приведет к снижению энергопотребления насосного агрегата.
Показано [10], что при скорости вращения, составляющей 10-15% от номинальной, нарушается однозначная зависимость между напором и подачей насоса. Это объясняется тем, что при уменьшении частоты вращения скорость движения воды в насосе уменьшается и при некотором критическом значении скорости изменится характер движения воды, течение перестанет быть турбулентным и наступит неопределенный переходный режим. Следовательно, для того, чтобы исключить попадание в данный режим, необходимо ограничить минимально допустимую скорость вращения на уровне 10-15% от номинальной скорости. Важным моментом также является то, что при работе насосного агрегата с противодавлением, нельзя использовать формулы приведения для определения напорных характеристик. Отметим, что при работе с противодавлением, связь между подачей и напором насосного агрегата будет определяться следующей зависимостью [10]:
где Qб - наибольшая для данной насосной установки подача за расчетный период, п и пном - переменное и номинальное значение частоты вращения насоса соответственно;
Нп - противодавление в системе подачи воды, Нф - фиктивный напор при нулевой подаче.
В [10] показано, что при большой составляющей противодавления кубическая зависимость потребляемой насосом мощности от частоты вращения рабочего колеса теряется. Чем больше противодавление, тем большее значение приобретает степень зависимости мощности от частоты вращения.
Учитывая то, что характеристика гидравлической сети пересекает ось напора в точке с подачей насоса равной нулю, из формулы (1) можно вывести минимальную скорость вращения насосного агрегата при равенстве статической составляющей напора и напора, развиваемого насосом. Данное ограничение скорости вращения будет зависеть только от характеристики гидравлической сети, и определяться выражением:
(1)
ном
(2)
Мнение, отрицающее эффективность применения частотного регулирования на КНС высказывается специалистами ОАО «ЧАЭЗ-ЭЛПРИ» в [11]. В данном случае высказывается существенное замечание, что при применении ПЧ на канализационных насосных станциях увеличивается вероятность заиливания гидротехнического оборудования, что в свою очередь увеличивает потери при транспортировке жидкости, соответственно, увеличивая затраты на электроэнергию, и приводит к увеличению расходов на обслуживание станции при ее очистке. Данное предположение также имеет свои ограничения. Руководствуясь актуализированной редакцией СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» от 2012 года [12] следует подчеркнуть, что скорость потока канализационных вод при отсутствии измельчителей и песколовок, необходимая для самоочистки должна составлять 0,7-1 м/с. Также данная скорость может быть снижена до значения 0,5 м/с при применении механической очистки сточных вод: песколовки, измельчители, решетки с механическим дроблением и т.д.
Подача насоса Q, м3/ч, по [13] равна произведению скорости V, м/с, на площадь нормального сечения у входа в насос А, м2
Q = V -А.
(3)
Для примера, возьмем данные одной из КНС г. Бор, Нижегородской области. На станции установлены 2 насосных агрегата СД250/22 мощностью 30 кВт. Учитывая, что диаметр труб составляет 150 мм, скорость потока составит 3,9 м/с. Данный практический показатель говорит о том, что мы можем максимально понизить подачу, а соответственно и скорость, насоса в 4 раза, не подвергая риску заиливания гидротехническое оборудование.
Также заиливание можно предотвратить путем:
- применения химических составов для прочистки канализационных труб;
- применения различных систем взмучивания осадка в резервуаре (перфорированные трубы);
- вывода насоса на максимальную частоту вращения на короткий промежуток времени несколько раз за цикл его работы;
- реверсированием потока жидкости перед включением насосного агрегата. Реверсивное включение не должно происходить на максимальной частоте, дабы исключить вибрации [14];
- программным заданием быстрого разгона насоса при пуске.
Опыт внедрения соответствующего алгоритма зарубежными фирмами [14] показывает, что подобная организация управления канализационной насосной станцией позволят полностью нивелировать вышеупомянутый негативный фактор без привлечения дополнительных инвестиций.
Опираясь на вышеизложенное, подведем итог в виде системы ограничений скорости вращения насосного агрегата с существующей статической составляющей напора:
пт1П > 0.1-0.15
(4)
Третье ограничение, исключающее возможность заиливания гидросооружений, получаем из приравнивания формул (1) и (3). Очевидно, что наибольший вес в полу-
ченной системе (4) будет иметь второе, либо третье ограничение. Если статическая составляющая напора будет существенна, то ограничение скорости будем получать по второй формуле в приведенной системе, если мала - по третьей.
В [15, 16] отмечают негативный момент при применении частотного регулирования в системе, где существует статическая составляющая напора. Суть мнения заключается в том, что наличие данной составляющей, при снижении скорости вращения рабочего колеса насоса, приводит к значительному снижению его КПД. Также отмечено и снижение КПД самого частотного преобразователя при снижении частоты. Второй тезис сомнений не вызывает, для первого следовало бы указать рамки применимости. Отметим, что эффект сильного снижения КПД насосного агрегата возможен лишь в том случае, если в системе преобладает статическая составляющая напора над динамической. Данное заключение наглядно отражает рисунок 2. Также данное обоснование можно вывести аналитически из формулы мощности, потребляемой насосом:
р-я - Q - Н
N = 5 ^-. (5)
1000-л
Выражая из формулы (5) КПД насоса, рассмотрим ситуацию с большой статической составляющей напора.
р- я - Q - Н
ц = -, (5.1)
1000- N
В этом случае, при изменении скорости вращения насосного агрегата (рис. 2) значение напора остается фактически постоянным на всем диапазоне регулирования скорости. В [9] выведены графические зависимости изменения подачи насоса, мощности, потребляемой им, в зависимости от частоты вращения при различных Нп/Нф. Пользуясь выведенными зависимостями, отметим, что для рассматриваемого случая с большой статической составляющей подача насоса будет значительно меняться при сравнительно небольшом изменении скорости, но еще в большей степени будет меняться мощность, потребляемая насосом из сети. Тем самым, изменение знаменателя в формуле (5.1) будет происходить быстрее, нежели числителя, что приведет к значительному снижению КПД насоса при сравнительно незначительном изменении скорости вращения.
Другой крайний случай, когда статическая составляющая отсутствует, КПД насосного агрегата остается постоянным на всем диапазоне скоростей насосного агрегата [4]. Это подтверждает рис. 3, а также это следует из формулы 5.1. В этом случае изменение значения числителя будет соответствовать изменению значения знаменателя формулы. Тем самым значение КПД насосного агрегата остается постоянным на всем диапазоне скоростей насосного агрегата [4]. Данное заключение также подтверждают исследования одной из ведущих фирм-производителей насосного оборудования в России ОАО «ГМС» [17]. Выведем зависимость КПД насоса в зависимости от переменной скорости вращения в зависимости от различных значений Нп/Нф (рис. 4). Получившиеся графики демонстрируют, что при несущественной статической составляющей напора (до 30-40% от Нф) значение КПД насоса при снижении частоты вращения рабочего колеса остается постоянным. При дальнейшем увеличении статической составляющей (более 45% от Нф) начинается резкое падение КПД насоса при уменьшении скорости его вращения, причем снижение КПД начинается тем быстрее, чем больше статическая составляющая насоса.
Возвратимся к вышеописанной схеме АСУ КНС и разберем подробнее блок ПЛК. ПЛК в данном решении необходим для организации оптимального алгоритма управления канализационной насосной станцией, заданием граничных скоростей при регулировании, организации режимов, подразумевающих увеличение скорости потока жидкости для периодической «прочистки» гидросети от заиливания, а также для ор-
ганизации связи с диспетчерским пунктом. Также существует возможность организации адаптивной системы на базе ПЛК. Основные виды адаптивных систем рассмотрены в [18,19], а описание принципов их построения для электропривода в [20]. Полагаем, что ввиду наличия многих неизвестных факторов (переменных), от которых зависит заиливание гидросооружении, целесообразным будет разрабатывать адаптивную самообучающуюся систему регулирования. Целью создания системы данного вида является поиск значений оптимальной скорости вращения насосного агрегата, в зависимости от количества поступаемых стоков. Это обусловлено тем, что стоки могут меняться в зависимости от времени года и степени заселения районов, а скорость вращения требуется подбирать таким образом, чтобы насосный агрегат работал как можно дольше на минимально возможной скорости и не переходил в прерывистый режим работы.
Рис. 1. Функционально-блочная схема АСУ КНС
| Хар-ки кпд (%)
Нагнет м*
Г к—" ( \ Хар-а систты
п ном
, \ \ 10СГЧ старость
92% старость 834 саооостъ
В: эсь^ани»
1в0 100 но ж Подача мТч
Рис. 2. Характеристики КПД при наличии существенной статической составляющей напора
0.8«ном 0.9« ном
Всасывание
nv
v. \ \ 100% скорость \ 924 скорость 83% скорость
0.8n 09 n
Нагнетание 0 40 т i» m зоо »о 2N ззо m «к «о
Подача м7ч
Рис. 3. Характеристики КПД при преобладании динамической составляющей напора
0.65
0.685
0.72
0.755
0.79
0.825
0.86
0.895
0.93
0.965
Рис. 4. Изменение КПД насоса в зависимости от изменения скорости вращения при различных значениях Нп/Нф: 1 - 0; 2 - 0,48; 3 - 0,8.
1
3
2
*
n
Выводы
Показана техническая актуальность применения частотного регулирования на канализационных станциях. Выведена система ограничений для скорости вращения насосного агрегата КНС. Показана зависимость КПД насоса от статической составляющей напора.
Список литературы:
[1] Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Технические основы энергосбережения в насосных установках». Водоснабжение и санитарная техника: ВСТ - журнал, 2004. №7.
[2] Волконский В.А., Кузовкин А.И., Чаховский В.М., Глухова А.М., Емец А.И. Оценка экономической эффективности использования аккумулирующих систем в электроэнергетике. УРАН, Институт Народнохозяйственного Прогнозирования. Материалы семинара «Открытые проблемы энергетического комплекса», Москва, 2011.
[3] ФЗ №261 «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности».
[4] Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных уста-новках.М.: Энергоатомиздат, 2006.
[5] Шихов А.А., Адрианов В.А. Применение частотно регулируемого привода в энергосберегающих системах управления насосными установками//Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.
[6] Брошюра Shneider Electric. J.Schoonek. Cahier Technicue no214. Energy efficiency: benefitsof variable speed controls in pumps, fans and compressors. France,2008.
[7] Reheis H.F. Energy conservation in municipal water systems. OpFlow, Denver. USA.1984.
[8] Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. Учеб. для ВУЗов.-2-е издание пере-раб. и доп. - М.:Стройиздат, 1986. 320 с.: ил.
[9] Лезнов Б.С.Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. - М., 1998, 180 стр.
[10] Лезнов Б.С. Частотно регулируемый электропривод насосных установок.- М.: Машиностроение, 2013 - 176 с ил.
[11] Матисон В.А., Степанов В.Б. Современные системы управления канализационными насосными станциями. Электронный каталог. http://www.elpri.ru/pdf/su_kns.pdf
[12] СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения», 2012.
[13] Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник для машиностроительных вузов. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.
[14] Брошюра Grandfos. The sewage pumping habdbook.
[15] Брошюра Energy Comparison VFD vs. ON-OFF Scientific Impeller 1998.
[16] Брошюра Economical Aspects of Variable Frequency Drives in Pumping Stations. 1994, ITT Flygt System Engineering.
[17] Костюк А.В., Твердохлеб И.Б. Энергоэффективная эксплуатация скважных насосов ЭЦВ. Электронный каталог.
[18] Воронов А.А., Ким Д.П., Лохин В.М., Макаров И.М., Попович П.Н., Рахманкулов В.З. Теория автоматического управления: учебник для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика» в 2 ч. 4.II. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления. - 2-е издание перераб. и доп. - М.: Высш. шк.,1986. - 546 с., ил.
[19] Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш.школа, 1980. - 287 с., ил.
[20] Булатов И.А., Романов А.В., Фролов Ю.М., Адаптивное управление электроприводом. -Электротехнические комплексы. - 2008.
TECHNICAL RELEVANCE OF AUTOMATION SEWAGE PUMPING STATIONS BASED ON FREQUENCY INVERTER AND PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER
A.N. Maltsev, V.A. Tihomirov, O.S. Khvatov
Key words: frequency inverter, energy efficiency, automatization, sewage pumping stations, programmable logic controller.
This article reveals the technical relevance of the application of frequency speed control at sewage pumping stations. Defined limit range of controlling the speed of the pump unit. Obtained the pump efficiency of the variable speed of its rotation. Also proposed a scheme of upgrading the basic sewage pumping station on the basis of the frequency inverter and a programmable logic controller (PLC). Proposed organization of optimal control algorithm with adaptive self-tuning system find the optimal pump speed depending on the number of incoming sewage based on PLC.
