CC BY
12
УДК 621.316.761
ВОПРОСЫ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
© 2018 В.Н. Крысанов, К.В. Иванов
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается один из вариантов повышения уровня энергосбережения насосных и компрессорных установок за счет использования устройств компенсации реактивной мощности (КРМ). Рассматривается метод оценки энергоэффективности мероприятий по компенсации реактивной мощности на основе критерия минимума усредненных затрат. Приводятся формулы для расчета экономического эффекта, обусловленного оптимизацией режимов энергосистемы, а также формула исходных затрат и целевой функции. Описывается практическая реализация автоматизированного расчета затрат в зависимости от режима энергосистемы и конфигурации КРМ. Приводятся результаты расчетов оптимальных режимов работы узлов нагрузки при различных соотношениях видов потребителей, согласно графикам нагрузки, с применением КРМ в виде трехмерных графических зависимостей затрат от напряжения в сети и типа тиристорной конденсаторной установки. Делаются выводы о возможности эффективного применения устройств КРМ для турбомеханизмов, а также о возможности получить информативную картину оптимальных режимов работы узлов нагрузки с помощью разработанного алгоритма
Ключевые слова: энергоэффективность, компенсация реактивной мощности, оптимизация
Введение
В сфере промышленной электроэнергетики существует множество потребителей реактивной энергии. К таким потребителям относятся, прежде всего, металлургические заводы, химические предприятия, предприятия электрохимической обработки металлов и драгоценных камней, предприятия, имеющие электродуговую и контактную сварку, обычные предприятия, использующие для освещения газоразрядные лампы, предприятия нефтяной, газовой и угольной отраслей, предприятия, имеющие электродвигатели различного типа.
Одним из потребителей реактивной мощности в составе промышленного предприятия являются насосные и компрессорные установки. В силу особенностей работы данных устройств, количество включений может достигать 100 раз в сутки.
Для максимальной реализации
энергосберегающего режима необходимо компенсировать реактивную мощность в течение всего рабочего дня. Соответственно, периодичность коммутаций КРМ желательно реализовать в режиме, соответствующем графику нагрузки. Этого можно достичь путем оптимизации схемы подключения
конденсаторных батарей и выбором оптимальных параметров КРМ, зависящих
непосредственно от графика нагрузки технологической установки.
Технико-экономический анализ основных аппаратных решений КРМ с учетом возможной экономии приведен в [1]. Ниже будет рассмотрена упрощённая методика оценки энергоэффективности КРМ.
Теоретический анализ
Для качественной оценки
энергоэффективности систем электроснабжения промышленных предприятий, использующих КРМ, существует ряд методов, достаточно сложных для практической реализации. Авторами предлагается упрощённый подход решения этой многофакторной задачи, основанный на использовании принципов оптимального регулирования по критерию минимума усредненных затрат с использованием энергоэкономических характеристик [2], которые характеризуют приведенные затраты в элементах систем электроснабжения промышленных предприятий от
оптимизируемых параметров. Возмущающие воздействия (нагрузки, температура окружающей среды и др.) в общем случае являются функцией времени. Поэтому для получения приведенных затрат следует проинтегрировать энергоэкономические
характеристики за год.
Задача оптимизации управления режимами систем электроснабжения промышленного предприятия будет состоять в поддержании основных параметров режима (обычно это уровень напряжения и степень компенсации реактивной мощности) во времени такими, чтобы при этом достигался максимальный экономический эффект или минимальные приведенные затраты при обеспечении заданного технологического процесса.
Экономический эффект (Э),
обусловленный оптимизацией уровня напряжения и степени компенсации реактивной мощности с учетом энергоэкономических характеристик, определяется по выражению [2]:
т т
Э = (г)dt (г)dt, (1)
0 0
т ^ Н Н Н
где ¥о (г) = £^Xи,X2г,..X* J,
Ъ (г) = ЕЛ (X 1г, X2г,.. Хпг);
X 1г, X2г,.. Xnt - текущие оптимизируемые параметры режима;
Н Н Н
X 1г, X 2г,.. Xnt - текущие параметры исходного режима;
Т - продолжительность времени работы, ч/год;
т - число рассматриваемых энергоэкономических характеристик за год.
Обычно параметры исходного режима известны, а первый член (1) характеризует исходные затраты:
т
З0 =]>0 (г) dt. (2)
0
Вторая составляющая (1) определяет функцию затрат (целевую функцию), зависящую от параметров режима (от структуры и мощности компенсирующих и регулирующих средств в типовом узле нагрузки с учетом энергоэкономических характеристик отдельных электрических нагрузок):
т
З^=\¥г (г)си. (3)
0
В дальнейшем при использовании этой методики для определения оптимального управления основные параметры сети и типовых нагрузок задаются как постоянные, а параметры средств регулирования напряжения (РПН силовых трансформаторов) и реактивной мощности (КРМ) варьируются.
Практическая реализация
Для практического применения важно определение двух основных параметров КУ — их реактивной мощности и требуемой дискретности регулирования (а она значительно влияет как на эффективность регулирования, так и на стоимость КУ). Для расчета данных параметров график нагрузки разбивается на ступени. Выбирается зона нечувствительности включения
конденсаторной установки. Далее подбирается номинальная реактивная мощность
конденсаторной установки и последовательно проводится расчет затрат при увеличении числа ступеней регулирования.
Для автоматизации данного расчета был использован специально разработанный алгоритм в программе «МайаЬ» [3]. Для осуществления расчетов по данному алгоритму задавались начальные параметры: ктах — число ступеней графика нагрузки, тах — максимально допустимое число ступеней регулирования конденсаторной батареи при расчете, С(0 — стоимость конденсаторной установки с числом ступеней регулирования ^ Сгр — цена 1кВАр/час, Qp(k) — реактивная мощность, потребляемая на ступени к графика нагрузки, ^к) — продолжительность ступени к графика нагрузки, Qku(i) — дискретность включения ступеней конденсаторной батареи в порядке возрастания.
Результаты вычислений для наглядности и удобства дальнейшего анализа переводятся в графическую форму. Для различных типов нагрузки построены трехмерные графические зависимости суммарных затрат от напряжения, установленного в контрольной точке рассматриваемого узла нагрузки и количества ступеней конденсаторной установки (энергоэкономические характеристики типовых узлов нагрузок). На рис. 1: 80% — асинхронные двигатели, 20% — осветительная нагрузка; на рис. 2: 20% — асинхронные двигатели, 80% — осветительная нагрузка).
г ^
Рис. 1. Энергоэкономическая характеристика узла с нагрузкой: 80% — асинхронные двигатели,
20% — осветительная нагрузка
Рис. 2. Энергоэкономическая характеристика узла с нагрузкой: 20% — асинхронные двигатели,
80% — осветительная нагрузка
На трехмерных графических зависимостях рис. 4 и 5 фиксируются: по вертикальной оси суммарные затраты, по другим двум напряжение (0.9, 0.95, 1, 1.05, 1.1, 1.15 от Ш) и число ступеней КУ (от 1 до 4). По таким графикам удобно проводить анализ оптимизации режима работы типовых узлов нагрузки, определяя оптимальные значения
напряжения, установленной реактивной мощности КУ и количества ступеней ее регулирования.
Таким образом, проведя на основании исходных данных серию расчетов по приведенным выше алгоритмам, можно получить весьма информативную картину
анализа по нахождению оптимальных режимов работы типовых узлов нагрузки.
Выводы
В соответствии с проведенным анализом, можно сделать вывод о возможности эффективного применения устройств КРМ на основе КБ для широкого спектра турбомеханизмов с асинхронным приводом в составе многих энергоемких промышленных предприятий. При этом целесообразно реализовать специальный алгоритм
подключения КБ на основе оптимальной схемы полупроводниковых ключей [4].
Проведя на основании исходных данных (используя нагрузочные характеристики объектов) серию расчетов по приведенным выше алгоритмам, можно получить информативную картину анализа нахождения оптимальных режимов работы типовых узлов нагрузки. Также можно определить оптимальные параметры для проектирования КРМ (количество ступеней и значение
реактивной мощности) для электроприводов насосов и компрессоров.
Литература
1. Крысанов В.Н., Иванов К.В. Возможности использования в автоматизированной системе управления электроснабжением промышленных предприятий тиристорных конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 1. С. 40-45.
2. Зайцев А.И., Крысанов В.Н. Энергосберегающие технологии в распределенных электроэнергетических сетях. Воронеж: ВГТУ, 2016. 243 с.
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017618141, заявка № 2017615096, дата поступления 31.05.2017; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 24.07.2017. «Определение оптимальных параметров конденсаторной установки для компенсации реактивной мощности по критерию минимума затрат» / В.Н. Крысанов, К.В. Иванов (Россия).
4. Крысанов В.Н., Демихов А.В. Оптимизация способов подключения конденсаторной батареи // Электротехнические комплексы и системы управления. Воронеж: ВИТЦ, 2009. С. 53-58.
Поступила 03.04.2018; принята к публикации 16.05.2018 Информация об авторах
Крысанов Валерий Николаевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1111-8402
Иванов Константин Владимирович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6942-3181
ISSUES OF INCREASING THE LEVEL OF ENERGY SAVING OF AUTOMATED ELECTRIC DRIVES OF PUMPING EQUIPMENT BASED ON COMPENSATION OF REACTIVE POWER
V.N. Krysanov, K.V. Ivanov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers one of the options for increasing the energy saving level of pumping and compressor units by using reactive power compensation devices (RPCD). A method for estimating the energy efficiency of measures for reactive power compensation based on the criterion of minimum averaged costs is considered. Formulas are given for calculating the economic effect due to the optimization of the power system modes, as well as the formula for the initial costs and objective function. The practical implementation of the automated calculation of costs is described depending on the mode of the power system and the configuration of RPCD. The results of the calculation of the optimal operating modes of the load nodes for various customer types are presented, according to the load graphs, with the use of RPCD in the form of three-dimensional graphical dependences of the costs on the voltage in the main and the type of the thyristor capacitor installation. Conclusions are made about the possibility of the effective use of RPC devices for turbomechanisms, as well as the possibility of obtaining an informative picture of the optimal modes of load nodes using the developed algorithm
Key words: energy efficiency, reactive power compensation, optimization
References
1. Krysanov V.N., Ivanov K.V. "Possibilities of using thyristor capacitor installations for compensation of reactive power in an automated power supply control system for industrial enterprises", ne Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 1, pp. 40-45.
2. Zaytsev A.I., Krysanov V.N. "Energy-saving technologies in distributed electric power grids" ("Energosberegayushchie tekhnologii v raspredelennykh elektroenergeticheskikh setyakh"), Voronezh, VSTU, 2016, 243 p.
3. Krysanov V.N., Ivanov K.V. "Determination of the optimum parameters of a capacitor plant for compensation of reactive power by the criterion of minimum costs" ("Opredelenie optimal'nykh parametrov kondensatornoy ustanovki dlya kompensatsii reaktivnoy moshchnosti po kriteriyu minimuma zatrat"), certificate of state registration of the computer program #2017618141, application # 2017615096, date of submition May 31, 2017; date of state registration in the Register of Computer Programs July 24, 2017.
4. Krysanov V.N., Demikhov A.V. "Optimization of methods of connecting a capacitor bank", Electrotechnical Complexes and Control Systems (Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy upravleniya), 2009, pp. 53-58.
Submitted 03.04.2018; revised 16.05.2018 Information about the authors
Valeriy N. Krysanov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1111-8402 Konstantin V. Ivanov, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6942-3181
