CC BY
1
УДК 621.3.078
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-567-568
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА С УЧЕТОМ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
А.М. Абакумов, Ю.В. Зубков, О.А. Абакумов
В статье сформулирована и решена задача минимизации потребления электроэнергии электроприводами установок охлаждения газа в комбинированной системе управления аппаратами воздушного охлаждения с учетом их индивидуальных характеристик. Получен алгоритм оптимального управления, показана возможность дополнительного повышения энергетической эффективности за счет оптимизации.
Ключевые слова: установка охлаждения газа, электропривод вентилятора, алгоритм управления, оптимизация, энергоэффективность.
Повышение эффективности использования энергетических ресурсов в настоящее время рассматривается как одна из приоритетных задач в экономике. На компрессорных станциях магистральных газопроводов основными потребителями энергоресурсов являются газоперекачивающие агрегаты (ГПА) и установки охлаждения газа (УОГ). Причем, на компрессорных станциях с газотурбинным приводом ГПА на долю электроприводов УОГ, установленная мощность которых составляет около 1 МВт, приходится более 60% потребляемой электроэнергии. Эффективным способом снижения затрат на нужды охлаждения природного газа является переход от дискретного регулирования скорости вентиляторов к непрерывному, осуществляемому с помощью частотно-регулируемых приводов (ЧРП) [1 - 3]. При модернизации УОГ, как правило, все дискретно регулируемые электроприводы заменяют на ЧРП. Это приводит к проблемам электромагнитной совместимости в электротехническом комплексе компрессорной станции, особенно в случае питания электроприемников от электростанции собственных нужд [4,5]. Решение возникающих проблем требует существенных дополнительных финансовых затрат. Остроту проблемы электромагнитной совместимости можно снизить за счет использования комбинированного управления.
Отечественные типовые установки охлаждения газа содержит до 16...18 параллельно включенных аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа с двумя вентиляторами с приводом от асинхронных короткозамкнутых двигателей номинальной мощностью 37 кВт. В комбинированной системе одну группу АВО оснащают ЧРП и используют непрерывное управление скоростью вентиляторов, а для второй группы оставляют дискретное регулирование скорости [6].
При разработке алгоритмов управления электроприводами, как правило, делают допущение об идентичности тепловых и энергетических характеристик АВО.
Достаточно обобщенным показателем эффективности каждого АВО можно считать коэффициент эффективности - отношение температурного перепада на аппарате Д90; для определенного режима работы к активной мощности P0i, потребляемой из сети асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями вентиляторов АВО при номинальной скорости:
к,
Щрг Po,
Как показывают результаты экспериментальных исследований [7], фактические значения коэффициентов эффективности отдельных АВО могут отличаться более чем в два раза. Это обусловлено неточностями установки углов атаки лопастей вентиляторов, засоренностью теплообменников АВО, отличием характеристик приводных двигателей и др.
В отмеченных условиях актуальна задача оптимизации алгоритмов управления электроприводами УОГ с учетом индивидуальных тепловых и энергетических характеристик аппаратов.
Постановка задачи. Ранжируем N аппаратов, входящих в УОГ, в порядке убывания их коэффициентов эффективности. Выделим в комбинированной системе две группы АВО. К первой группе аппаратов, оснащенных ЧРП, отнесем АВО с наибольшими значениями к,. Соответственно, количество АВО второй группы с дискретно регулируемыми приводами составит:
Или в относительных единицах
Nd = N - Nf .
Nf Nd —>— = a\ —— = 1-
NN
Суммарные значения активной мощности, потребляемой из сети электродвигателями АВО первой и второй групп при номинальной скорости ппот вентиляторов, соответственно:
Nf Nd
Роf = 2 Р0f ; Р^ = 2 Р0Ш ■
г=1 г=1
Приняв за базовое значение мощности суммарную мощность первой и второй групп аппаратов, представим , Р0Л в относительных единицах (о. е.):
Pof р* _ Po
р" _ 'JJ . р" _
P0f = р ^р ; Pod =
0d
^ + Р0Л + Р0Л
Температурный перепад, создаваемый на УОГ аппаратами первой и второй групп, при допущении о равномерном распределении охлаждаемого газа между параллельно включенными АВО:
а
N "" N
Приняв за базовое значение общий температурный перепад на УОГ, представим температурные перепады, создаваемые на УОГ первой и второй группами аппаратов при номинальной скорости вентиляторов в относительных единицах:
А6о/ . а. _ Авой
А6о / =-; А6о, :
0/ . 5 оа
А6о / +А6о^ А6о / +А6оЛ
Обозначим средние значения коэффициентов эффективности аппаратов первой и второй групп:
А6о* г А6п Й
ко/ =6; ко, =6 . (1)
ро/ роё
Температурный перепад, создаваемый на УОГ группой АВО с ЧРП, пропорционален относительной скорости вентиляторов
п
у =-, о<у< 1, (2)
п
пот
и при работе всех вентиляторов АВО первой группы с одинаковой скоростью определяется соотношением:
А6/ (V) = А6о/^ .
Пренебрежем изменением КПД электроприводов в рабочем диапазоне вариаций скорости и нагрузки. Учитывая, что мощность на валу вентиляторов с ЧРП пропорциональна кубу относительной скорости, представим зависимость активной мощности, потребляемой из сети электродвигателями вентиляторов первой группы, в виде:
Р} (V) = /
Температурный перепад, создаваемый группой АВО с дискретным регулированием скорости вентиляторов, пропорционален количеству т включенных двигателей вентиляторов. На отечественных установках охлаждения широко используются двухвентиляторные АВО, при этом общее количество двигателей вентиляторов второй группы т = 2Nd . Полагаем, что включение каждого двигателя вентилятора создает температурный перепад, равный половине температурного перепада на аппарате. Тогда температурный перепад, создаваемый на УОГ второй группой АВО, можно представить в виде:
А6*1 (в) = А6мР, о<в< 1, (3)
а т
где р = ^^— относительное количество включенных электродвигателей вентиляторов.
Общий температурный перепад на УОГ в относительных единицах
А6 * (V, в) = А6/ (V) + А6^ (в) = А6о> + А6о*,в . (4)
В относительных единицах мощность, потребляемая из сети электроприводами второй группы, пропорциональна относительному количеству р включенных электродвигателей:
р: (в)=Ро, в.
Суммарная мощность, потребляемая электроприводами УОГ, в относительных единицах
р * ^в)=р} + р} = Ро>3 + р;й в. (5)
По технологическим требованиям температурный перепад на УОГ должен быть равен:
А6*^,в) = А6*, о<А6* < 1, (6)
где А6* - требуемый температурный перепад в относительных единицах:
А0Г
а в:
А6о / +А0оа
Разработка алгоритма оптимального управления. Сформулируем задачу оптимизации режимов работы электроприводов АВО в составе УОГ в виде: требуется найти оптимальные значения управляющих воздействий v,р , доставляющих минимум критерию (5) в условиях ограничений (2), (3).
Пренебрежем дискретностью значений в, что не вносит существенных погрешностей в расчеты при большом количестве АВО.
Для решения поставленной задачи используем метод неопределенных множителей Лагранжа. Представим (4) в виде уравнения связи:
ё(V, в) = А6о> + А6о:,в - А6"г = о .
Функция Лагранжа с учетом (5) и уравнения связи
Цу, в, Л) = Ро>3 + р:,в + Л(А6/ + А6*0с1в -А6), (7)
где X - неопределенный множитель Лагранжа.
Найдем частные производные от функции Лагранжа и приравняем их нулю:
Щв! = Ро:, +ЛА6:, = о; (8)
дв
дЬ(у,вЛ) = 3Р;V2 +ЛАв;г = о ; ду
дЬ(у, в, Л)
дЛ
Из (8) получим выражение для неопределенного множителя Лагранжа:
лв0
(9)
л^у+лвг в—лв;=0. (10)
Л = -
у0ё
РЫ
Подстановка последнего выражения в (9) после преобразований с учетом (1) дает:
1 ^
^=ш- <П)
Выражение для в получим подстановкой уор( в (10):
лв; -лв;
в = г ГГ1 , (12)
лв;а
где
лв; =лв;ГУоР1■ (13)
Ограничения на управляющие воздействия (2), (3) при изменении требуемого температурного перепада в диапазоне 0 < лв; < 1, приводят к появлению в алгоритме оптимального управления отдельных интервалов.
Согласно (12), в принимает неотрицательные значения при лв; > лв; ■ Следовательно, значение лв;1
определяет правую границу первого интервала управления (0, лв*[), на котором в = 0 , а требуемый температурный режим поддерживается за счет изменения скорости вентиляторов первой группы АВО. Требуемая скорость с учетом
(4):
лв *
клв;)=-лв_. (14)
лв0 f
На втором интервале управления (лв^, лвГ2) скорость вентиляторов остается постоянной, равной Уор1, а
требуемый температурный перепад достигается включением необходимо количества в вентиляторов, согласно (12). Правая граница второго интервала определяется ограничением (3):
лв; =лв; +лв;а. (3)
Требуемый температурный режим на третьем интервале управления (лв;2,1) обеспечивается изменением скорости вентиляторов. Выражение для требуемого значения скорости, с учетом (10), после преобразований приводится к виду:
л плв; — лв;2
^(лвГ ) = ^Ор1 + ' „; '2 .
лв0 f
Мощность, потребляемая электроприводами вентиляторов УОГ на каждом интервале, определяется по выражению (5) подстановкой найденных значений управляющих воздействий.
Отношение коэффициентов эффективности, входящее в выражение (11) для уор(, остается примерно постоянным при изменении режимов работы УОГ, что существенно упрощает реализацию алгоритма оптимального управления.
Полученный алгоритм оптимального комбинированного управления, при равенстве к0 f = к0Л, вырождается в алгоритм, приведенный в [6], где не учтены индивидуальные характеристики АВО.
Обсуждение результатов. Рассмотрим пример расчета алгоритма оптимального комбинированного управления для следующих исходных данных:
а = 0,7; Р; г = 0,6 ; Р^ = 0,4 ; л^ = 0,8 ; ле*ы = 0,2 ■
По выражениям (1), (11), (13), (15) рассчитаем значения коэффициентов эффективности, оптимальной скорости и граничные значения интервалов управления:
лв0 г лв;,
к0 f = = 1,33; км =в = 0,50;
P0f Р0с1
ур = 0,94 ; лв*л = 0,75 ; лв*г2 = 0,95 ■
Графики зависимостей скорости и количества включенных вентиляторов от требуемого температурного перепада показаны на рис. 1. На рис. 2 приведены графики мощности, потребляемой из сети электроприводами вентиляторов, для алгоритма управления без учета (кривая 2) и с учетом (кривая 3) индивидуальных характеристик АВО. Здесь же, для сравнения, показан график мощности при дискретном управлении (прямая 1).
Использование предложенного алгоритма оптимального комбинированного управления обеспечивает на интервале (0, Д0*2) дополнительную экономию мощности, потребляемой из сети электроприводами УОГ, по сравнению с алгоритмом, не учитывающим индивидуальные характеристики АВО. Режим работы УОГ в указанном диапазоне А0* характерен для отрицательных значений температуры наружного воздуха. Наибольшая экономия
для принятых расчетных условий достигается при А0* ~ 0,5 и составляет около 34% относительно мощности при управлении без учета индивидуальных характеристик ABO.
i
ш
о 0,Э
<i£ 0,8
>
яТ г: 0,7
и 0,6
'У,
03
О
ш 0,4
Ol
3" 0,3
2
к o,z
§
CD Gl 0,1
5 О
1 1 j \ / 1
^ \ 1 / 1 ./ 1
1 / 1 / 1 2 / ;
Г- 1 / 1 _/_1 1
1 1 / 1 / *
/ 1 / I
1 1 /- t ' 1
1 / 1 / 1/ 1 1 1 1
0,2 0,4 0,6 Л9,1*
Температурный перепал &9*г, е.
дег.
Рис. 1. Зависимость управляющем воздействий от требуемого температурного перепада: 1 - скорость вентиляторов с ЧРП; 2 - количество включенных дискретно регулируемых двигателей вентиляторов
1
0,9
0,3
ai
О 0,7
*
й_ 0,6
t— 0,5
о
т ? 0,4
о
0,3
0,2
ОД
0
1
2 J
*
О 0,2 0,4 0,G 0,S 1
Температурный перепад, АО.*. o.e.
Рис. 2. Зависимость мощности электроприводов от требуемого температурного перепада: 1 - дискретное регулирование; 2 - оптимальное комбинированное управление без учета индивидуальных характеристик АВО; 3 - оптимальное комбинированное управление с учетом индивидуальные
характеристик АВО
Выводы. В системе комбинированного управления к группе аппаратов, оснащенных ЧРП, следует относить аппараты с наибольшими значениями коэффициентов эффективности. Оптимизация алгоритма комбинированного управления электроприводами установки охлаждения природного газа с учетом индивидуальных характеристик АВО позволяет обеспечить дополнительную экономию электроэнергии, потребляемой на нужды охлаждения.
Список литературы
1. Абакумов А.М., Алимов С.В., Мигачева Л.А., Мосин В.Н. Оптимизация стационарных режимов работы установок охлаждения газа компрессорных станций магистральных газопроводов // Известия вузов. Электромеханика. 2011. №3. С. 110 - 113.
2. Зубков Ю.В. Абакумов А.М., Абакумов О.А. Оптимизация стационарных режимов работы установок охлаждения газа с частотно-регулируемым приводом вентиляторов // Известия вузов. Электромеханика. Т. 67. №1, 2024. С.36 - 45.
3. Абакумов А.М. Антропов В.Е., Абакумов О.А. Энергетическая эффективность установок охлаждения природного газа с частотно-регулируемым приводом вентиляторов // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». №3. 2019. Самара. 2019. С. 95-104.
4. Артюхов И.И., Бочкарева И.И., Тримбач A.A. Качество электроэнергии в системе электроснабжения газотурбинной компрессорной станции в условиях оснащения установок охлаждения газа частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4 (60). Вып. 2. С. 165- 170.
5. Бочкарева, И. И. Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с источниками электроснабжения: Автореф. дис. ... канд. технических наук: 05.09.03. Саратов: Са-рат. гос. гехн. ун-т. 2012. 19 с.
6. Абакумов А.М., Кузнецов П.К. Комбинированное управление электроприводами вентиляторов установок охлаждения газа // Вестник СамГТУ, Серия «Технические науки». №3. 2021. С. 67- 82.
7. Данилушкин А.И., Крайнов В.Г., Мигачева Л.А. Оптимизация стационарного распределения нагрузки аппаратов воздушного охлаждения газа // Вестник Самарского Гос. технического ун-та. Серия «Технические науки». 2011. № 3 (31). С. 159 - 164.
Абакумов Александр Михайлович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара,Самарский государственный технический университет,
Зубков Юрий Валентинович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Абакумов Олег Александрович, аспирант, abakumovoleg1@gmail. com, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
ELECTRIC DRIVES CONTROL OF GAS COOLING UNITS TAKEN INTO ACCOUNT OF INDIVIDUAL CHARACTERISTICS AIR COOLING APPARATUS
A.M. Abakumov, Yu.V. Zubkov, O.A. Abakumov
The article formulates and solves the problem of minimizing the consumption of electricity by gas cooling units electric drives in a combined control system for air cooling units, taking into account their individual characteristics. An optimal control algorithm is obtained, and the possibility of further increasing energy efficiency through optimization is shown.
Key words: gas cooling units, electric fan drive, control algorithm, optimization, energy efficiency.
Abakumov Alexandr Mihailovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Zubkov Yuri Valentinovich, doctor of technical sciences, associate professor, head of department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Abakumov Oleg Alexandrovich, postgraduate, abakumovolegl @gmail. com, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 519.688
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-571-572
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ «УМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»: ВОЗМОЖНОСТИ, ПЕРСПЕКТИВЫ
А.О. Хубаев, В.А. Власенко, Н.В. Макаев
Статья посвящена сравнительному анализу состава и цен на комплектующие для систем автоматизации «Умный дом». Для сравнения выбраны 11 наиболее популярных в России производителей систем. Данные по составу комплектов получены на официальных сайтах производителей и на сайтах магазинов, продающих данную продукцию. Для определения стоимости автоматизированной системы разработан базовый комплект. Комплект рассчитан для двухэтажного жилого дома общей площадью 175 м2, в доме четыре спальни, гостиная, кухня, два холла, два санузла и веранда, с учетом системы видеонаблюдения на придомовой территории.
Ключевые слова: системы автоматизации, умный дом, оптимизация, сравнительный анализ, производители систем, комплект, базовый комплект, технология связи, критерий «цена-качество».
Первые электроприборы начали появляться в начале XX века. Из бытовой техники это были: пылесос, тостер, холодильник и посудомоечная машина. В 1950 году, в США, инженер Эмиль Матиас связал несколько электроприборов в одном механизме, разработав «Дом с кнопками» [1]. В 1975 году появление стандарта X10, производства шотландской компании Pico Electronics, послужило началом развития систем домашней автоматизации. До 90-х годов передача данных в домашних системах автоматизации производилась исключительно с использованием электрической сети, пока разработчики Альянса Электронной Промышленности (EIA) не внедрили шину обмена данными CEBus. Стандарт открытого типа, используемый CEBus, позволял всем производителям электронной техники выпускать изделия пригодные для комплектации систем «Умный дом», при этом начали применяться различные способы передачи сигнала [21.
Уникальность технологии систем автоматизации заключается в том, что система «Умный дом» может быть собрана с учетом индивидуальных особенностей потребителя и для помещения любого типа. Каждый человек может создать вокруг себя комфортные и безопасные условия проживания, чтобы в дальнейшем не тратить время на лишние заботы и хлопоты [11, поэтому, системы «Умный дом» пользуются большим спросом.
Автоматизация жилого помещения позволяет не только экономить время и силы при регулировании освещения, температуры воздуха, использовании бытовой техники, но также и оптимизировать потребление ресурсов и осуществлять наблюдение с целью безопасности, за помещением и прилегающей территорией, посредством системы видеонаблюдения. С середины 80-х в СССР проводились изыскания по данной тематике. В журнале
