Содержание к диссертации
Введение
1 Существующий уровень эксплуатации мелиоративных систем 10
1.1 Состояние гидромелиорации в России 10
1.2 Состояние мелиоративной отрасли Краснодарского края 12
1.3 Анализ способов регулирования производительности насосных агрегатов мелиоративных насосных станций
1.4 Анализ энергетических параметров насосной станции 34
1.5 Выводы 42
2 Теоретические исследования энергетических показателей насосного агрегата 43
2.1 Анализ энергопотребления насосным агрегатом и его энергетическая диаграмма 43
2.2 Исследование энергетического показателя преобразователя частоты тока в составе электропривода 46
2.3 Анализ энергетического показателя электродвигателя и его связь с параметрами электрической, машины и питающей сети 48
2.4 Анализ целевой функции оптимизации режима работы насосного агрегата 53
2.5 Выводы 76
3 Моделирование работы насосного агрегата и оценка потенциала энергосбережения
3.1 Моделирование работы насосного агрегата 79
3.2 Моделирование системы «насосный агрегат с регулированием произ-водительности - электропривод» 86
3.3 Разработка системы автоматизации насосной станции 91
3.4 Выводы 98
4 Технико - экономическое обоснование внедрения системы автоматизированного управления производительностью насосного агрегата 99
Общие выводы 106
Список использованных источников 107
- Состояние мелиоративной отрасли Краснодарского края
- Исследование энергетического показателя преобразователя частоты тока в составе электропривода
- Анализ энергетического показателя электродвигателя и его связь с параметрами электрической, машины и питающей сети
- Моделирование системы «насосный агрегат с регулированием произ-водительности - электропривод»
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в России осушается 4788,4 тыс. га. земель, используемых для нужд сельского хозяйства. В рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия к первому уровню приоритетов государственной политики в сфере развития производственного потенциала относится мелиорация земель сельскохозяйственного назначения, введение в оборот неиспользуемой пашни и других категорий сельскохозяйственных угодий.
В мелиоративной системе Краснодарского края 77 крупных насосных станции, которые относятся к наиболее энергопотребляемому оборудованию. Проблема повышения энергетической эффективности работы таких станций является очень актуальной.
Вопросам повышения энергоэффективности функционирования электропривода насосных агрегатов занимались такие ученые как: Соколов М.М., Юньков М.Г., Онищенко Г.Б., Николаев В.Г., Емельянов А.П., Васильев Б.Ю., Ильинский Н.Ф., Муравлев О.П., Гоппе Г.Г. и др.
Совершенствованием станций управления асинхронными электроприводами насосных агрегатов занимались Лебедев К. Н., Комелин А.В., Матыцин Д.В и др.
Улучшением эксплуатационных характеристик преобразователей частоты занимались Григораш О.В., Глинкин М. Е., Трубецкой В. А., Дарьенков А. Б. и др.
Несмотря на большое количество способов и средств регулирования производительности мелиоративных насосов, они продолжают работают в неоптимальном режиме с точки зрения энергоэффективности.
Работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006 - 2010 гг. (ГР 01.2.00606851), 2011 - 2015 гг. (ГР 01.2.01153641) и технического задания департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011 - 2012 гг. (№32 - 2011) на выполнение научно - исследовательской работы «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края».
Научная гипотеза - при комплексном анализе работы всех составляющих электропривода и насосного агрегата: турбомеханизм, электродвигатель, преобразователь частоты, система разворота лопастей - можно получить зону оптимальных режимов работы данной электроустановки.
Цель работы - теоретическое обоснование оптимальных режимов работы мелиоративных насосных агрегатов с разработкой автоматизированной системы управления для реализации энергосберегающих алгоритмов регулирования производительности.
Задачи исследования:
1. Получить целевую функцию оптимизации режимов работы электропри
вода и насосного агрегата.
-
Установить функциональные зависимости КПД от режимных параметров для основных элементов рассматриваемой системы «электропривод - насосный агрегат».
-
Разработать математические модели КПД электропривода и насосного агрегата с учетом и без учета магистрали и определить оптимальный режим для обоих случаев.
-
Установить рациональный способ управления для частотного преобразователя.
-
Подтвердить теоретические исследования с использованием фактических данных, полученных на конкретной насосной станции, и с помощью компьютерного моделирования.
-
Разработать функциональную схему и алгоритм работы системы управления мелиоративной насосной станцией.
-
Определить изменение энергетической эффективности насосной станции и экономический эффект от внедрения предлагаемых мероприятий.
Объект исследования - способы регулирования производительности насосных агрегатов, электропривода насосных агрегатов, насосные станции, уровни воды в аванкамере и напорном бассейне.
Предмет исследований - закономерности изменения КПД, характеристики и параметры составляющих элементов электропривода насосного агрегата.
Методики исследования - методы системного анализа, математического и компьютерного моделирования, элементы математической статистики. Моделирование производилось с помощью программного комплекса MatLAB.
Научная новизна работы:
целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод - насосный агрегат» с КПД отдельных его элементов и их параметрами, что позволяет установить оптимальные значения частоты вращения, угла разворота лопастей рабочего колеса насоса;
математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат» без учета КПД магистрали, на основе ее анализа установлено, что максимум всех КПД элементов системы лежат в интервале по относительной производительности от 0,8 до 1,2; также определено - при относительной частоте тока, равной 0,8, КПД агрегата держится более стабильно при различном угле разворота лопастей;
математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат» с учетом КПД магистрали, из данной модели установлено, что при относительном статическом напоре, близком к единице, уменьшение частоты тока вызывает уменьшение КПД, а при относительном статическом напоре менее 0,8 - увеличение КПД;
оптимальные соотношения параметров комбинированного способа регулирования производительности насосного агрегата, для поддержания максимально возможного КПД системы «электропривод-насосный агрегат» при различных статических напорах.
Практическая ценность результатов исследования.
1.Установлено преимущество векторного управления частотного преобразователя при малых относительных статических напорах, так при Нст = 0,3 и одинаковых значениях частоты и угла разворота со скалярным управлением можно получить КПД агрегата на уровне 0,5, а с векторным управлением до 0,63.
2.Разработаны компьютерные модели системы «насосный агрегат без регулирования производительности - электропривод» и «насосный агрегат с регулированием производительности - электропривод» в среде SIMULINK, позволяю-
щие задавать различные режимы работы, изменять параметры двигателя, насоса, частотного преобразователя, угол установки лопастей рабочего колеса.
-
Разработана функциональная схема автоматизированного управления насосной станции, построенная по идеологии распределенной системы (DCS), позволяющей реализовывать энергоэффективный алгоритм управления насосными агрегатами.
-
Разработана компьютерная программа по определению наиболее энергоэффективного режима работы электропривода насосного агрегата.
На защиту выносятся следующие положения: - целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод - насосный агрегат» с КПД отдельных его элементов и их параметрами;
математические модели системы «электропривод - насосный агрегат» без учета и с учетом КПД магистрали;
рекомендуемые способы регулирования КПД насосного агрегата;
компьютерные модели системы «электропривод - насосный агрегат»;
сопоставление теоретических и экспериментальных данных по КПД системы;
функциональная схема системы автоматизированного управления насосной станцией;
расчет энергетической и экономической эффективности насосной станции.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Исследования проводились при участии ФГБУ «Управление «Кубаньме-лиоводхоз», результаты использовались для внедрения при реконструкции насосных станций. Основные положения научных исследований включены в научно-исследовательскую работу по теме: «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края», выполненную согласно техническому заданию департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011 - 2012 гг. №32-2011. Результаты
научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре «Электрические машины и электропривод» в Кубанском ГАУ (г. Краснодар) при изучении дисциплин «Автоматизированные системы управления технологическими процессами» и «Автоматизированный электропривод».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на IV всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2011г.); 73 межвузовской конференции «Университетская наука - региону» (г. Ставрополь, 2009 г.); ежегодных конференциях молодых ученых Кубанского ГАУ (г. Краснодар, 2008-13 гг.).
Публикация результатов работы.
Основные результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монографию, 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 7,74 печатных листа, из них личный вклад автора 3,44 печатных листа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего 80 наименований, в том числе 3 на иностранном языке и приложения. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста, включая 51 страницу приложения, содержит 32 рисунка, 17 таблиц.
Состояние мелиоративной отрасли Краснодарского края
В течение более 70 лет параллельно с освоением плавневых и заболоченных земель в крае создавался мелиоративно-водохозяйственный комплекс. К настоящему времени он включил: - четыре крупных противопаводково-ирригационных водохранилища (Краснодарское, Шапсугское, Крюковское, Варнавинское) и ряд более мелких; - Федоровский и вододелительный Тиховский гидроузлы; - противопаводковую систему обвалования рек протяженностью более 700 км; - крупные коллекторы, обеспечивающие сброс вод из нескольких районов края (Афипский коллектор, Крюковский сбросной канал, Варнавинский сбросной канал, Джерелиевский главный коллектор и др.); - концевые сбросные сооружения и 77 крупных насосных станций; - сотни километров мелких (хозяйственного значения) дренажно-сбросных каналов. Кроме того, в крае имеется около 2 тыс. мелких водохранилищ и прудов. Практически все реки края (кроме рек южного и северного макросклонов Кавказского хребта) зарегулированы многочисленными гидротехническими сооружениями (ГТС), а их количество составляет около 3000 (с учетом ГТС сельскохозяйственной сети оросительных систем и плотин на малых реках) [9]. Все эти сооружения обеспечивают в настоящее время как защиту огромных территорий от затопления паводковыми и грунтовыми водами, так обводнение и орошение на территории около полумиллиона гектаров.
К настоящему времени на территории, имеющей инженерную защиту от затоплений, расположены 87 населенных пунктов с населением 295 тысяч человек, при этом социально-экономическое благополучие здесь напрямую зависит от надежности защитных сооружений.
Построенные водохранилища - важнейшие элементы мелиоративно-водохозяйственной системы низовий р. Кубань, в том смысле, что они вьшолняют не только преобладающую роль в обеспечении оросительной водой огромных территорий, но и, в то же время, вьшолняют и паводао-гфедупредительную функцию.
В переходный период смены форм хозяйствования в 90-е годы прошлого столетия произошла утрата понятий рационального хозяйствования на объектах федеральной собственности, и система эксплуатации оборудования претерпела существенные изменения, заключающиеся в сведении к минимуму планово-предупредительных ремонтов и минимизации затрат на ремонт эксплуатируемого оборудования. Таким образом, на сегодняшний день большая часть эксплуатируемого оборудования, в том числе на гидросистеме Краснодарского края, находится в плачевном состоянии и подлежит обновлению. Одна из основных проблем сбросных насосных станций — неудовлетворительное состояние систем управления насосными агрегатами. Зачастую они находятся в неработоспособном состоянии либо работают неэффективно. Это обуславливается тем, что они были созданы еще в период строительства насосных станций и сейчас сильно устарели. Так в насосных агрегатах ОПВ-145Э, часто используемых на оросительных и сбросных насосных станциях, существует система регулирования производительности путем изменения угла разворота лопастей рабочего колеса. Данная система управления сложна в эксплуатации и крайне ненадёжна, а многие её элементы сняты с производства десятки лет назад [32].
С целью анализа текущей ситуации рассмотрим Калининский район Краснодарского края. Калининский район располагается на первой подпойменной террасе р. Кубань и занимает водораздельное пространство степных рек Понура и Гречаная Балка. Понуро-Калининская оросительная система (Калининский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Управление Кубань-мелиоводхоз» (ФФГБУ «Управление Кубаньмелиоводхоз»)) была образована в 1979 году. Она обслуживает 15 крупных рисоводческих хозяйств. Площадь эрегированного фонда 40 606 га, из них орошаемых земель - 24 973 га, осушаемых земель - 15 633 га. Оросительная система включает в себя: 14 095 гидросооружений; 3668,2 км сбросных оросительных каналов; 9 производственных участков; 3 производственных цеха; 10 насосных станций. Общая производительность насосных станций - 125 м /с. Общая мощность насосных станций 14 685 кВт. Перечень насосных станций, входящих в зону ответственности ФГБУ «Управление Кубаньмелиоводхоз», представлен в приложении 1.
Местный поверхностный сток невелик 0,5 л./сек. с км . Водоприёмником Калининского района является Кирпильский лиман, в который сбросные воды поступают через Магистральный осушительный канал и Джерелиев-ский главный коллектор. Расчетные горизонты воды в лимане 0,3 - 0,5 м. Минерализация воды в лимане достигает 6 г/л. Распределение сброса воды по Калининскому ФФГБУ «Управление Кубаньмелиоводхоз» представлено на рисунках 1.1 - 1.2, схема сброса воды представлена на рисунке 1.3. Грунтовые воды в паводок (март - май) вскрываются на глубинах 0 - 4,5 м., чаще 0,5 - 2,0 м. В межень (август - октябрь) глубина увеличивается на 1,2 - 1,6 м. Переход от паводка к межени и наоборот равномерный в течение 2-3 меся
Исследование энергетического показателя преобразователя частоты тока в составе электропривода
Для экономии энергии на насосных установках все большее распространение получает регулируемый электропривод. Опыт применения такого электропривода в нашей стране показал, что в одних случаях его установка привела к существенной экономии энергии, в других - она незначительна. Теоретические исследования и многолетние данные по применению регулируемого привода в системах водоснабжения показывают, что в основном экономия энергии составляет от 8 до 12%, а иногда может достигать 20 -25% [81]. Установка регулируемого электропривода на насосных установках оросительных систем и водоотводящих объектах требует значительных инвестиций, поэтому целесообразность и эффективность проведения таких модернизаций должны иметь научное и технико - экономическое обоснование.
Применение управления режимом работы электропривода не всегда приводит к равенству фактических напоров в системе напорам, которые соответствуют кривым равного значения КПД (кривым подобных режимов). Это необходимо учитывать, поскольку в основу используемых для этого формул заложена теория подобия гидравлических машин, в которой установлена взаимосвязь между подачами и напорами при изменении частоты вращения рабочего вала. Анализ универсальных характеристик насосных агрегатов показывает, что отклонение частоты вращения вала от номинальной ведет к снижению КПД лопастного насоса. При несуществееных значениях отклонений частот вращения птек/пном - снижение КПД будет небольшим, однако, при более глубоком диапазоне регулирования из-за нарушения условий гидродинамического подобия, отклонение КПД будет более существенным. Если такое отклонение значений параметров установки оставить без внимания это приведет к завышению КПД насоса на фактических режимах его работы, что, в конечном счете, скажется на результатах получаемой экономии энергии.
Для адекватного управления технологическим процессом перемещения воды и оборудованием должны быть получены соответствующие аналитические зависимости. При этом аппроксимирующие функции должны с достаточной степенью точности описывать технологический процесс и характеристики используемого оборудования, и не быть чрезмерно сложными и громоздкими, что затрудняло бы построение математической модели и решение оптимизационных задач [81].
Энергетическая диаграмма насосного агрегата В соответствии с энергетической диаграммой (рисунок 2.1) при передаче энергии от электрической сети к жидкости, движущейся к потребителям, происходят потери в четырех основных элементах: преобразователе частоты ЛРПЧ, электродвигателе АРДВ, турбомеханизме ДРТМ, магистрали АРМ . Энергоэффективность такой системы можно оценить по такому показателю как коэффициент полезного действия (КПД). В каждом элементе данной системы КПД зависит от многих параметров, которые следует изучить и оценить их влияние на значение этого показателя. Так КПД преобразователя частоты цпч будет зависеть от конструктивных параметров кп, частоты тока на выходе/, нагрузке, создаваемой электродвигателем / (цпч =f(kn, f, Г)). В свою очередь КПД электродвигателя зависит от параметров самой электрической машины (сопротивлений обмоток, схемы обмотки статора, характеристик стали маг-нитопровода и т.д.) Rm; нагрузки, создаваемой насосом /; частоты тока, подаваемой на обмотку статора / (цэя =f(Rm, f, I)). Что касается турбомеханизма, то на его КПД будет оказывать влияние частота вращения рабочего вала п, угол разворота лопастей а, производительность Q и напор Н СПтм =f(n;Q;H; «)).; от характеристики магистрали - производительность Q , статический напор Нст и скоростной напор Hv - будет зависеть ее КПД (г\м =ї{Ом;Нст; Hv)). Анализ КПД отдельных элементов и общего КПД системы позволит найти оптимальные параметры системы и определить энергосберегающие режимы работы: ъ, =/( „;/;/) r?3d-f(K;f-J) rjm = f(n;Q;H;a) С2-1) Таким образом, через общий КПД агрегата можно выразить целевую функцию оптимизации: Лаг = Ч«ч Лэд ЩМ -Імамах (2.2) Для того, чтобы получить максимум КПД агрегата необходимо исследовать энергетические показатели отдельных составляющих рассматриваемой системы.
Важной составной частью электропривода насосного агрегата является преобразователь частоты тока. При работе с электродвигателем у него также наблюдаются потери энергии, которые связаны с электрической нагрузкой и выходной частотой тока. Величина этих потерь зависит от конструкции преобразователя, комплектующих элементов, схемного решения. Однако, основные потери энергии связаны с нагрузкой и частотой тока [25]. На основе исследований [25] получены графики зависимости КПД частотного преобразователя (ПЧ) от выходной частоты и нагрузки (рисунок 2.2). Как видно из этих графиков, при работе преобразователя до нагрузки не ниже 25 % от номинальной КПД преобразователя частоты практически сохраняется постоянным. Наиболее существенное влияние на КПД устройства оказывает изменение частоты тока. В этом случае необходимо учитывать, что при уменьшении частоты тока будет уменьшаться и нагрузка на преобразователь частоты (в соответствии с законом регулирования для насосных агрегатов). На основе графиков (рисунок 2.2) получены графики зависимости КПД устройства от относительного изменения частоты тока (/;//„ =f ), с учетом изменения нагрузки (связано с законом регулирования для данного механизма) и аппроксимированы кривыми, уравнения которых представлены на рисунке 2.3.
Анализ энергетического показателя электродвигателя и его связь с параметрами электрической, машины и питающей сети
Известно, что основными параметрами, определяющими энергию, потребляемую насосом, являются его подача, напор и КПД, значения которых определяется его характеристиками для номинальной частоты вращения рабочего колеса. При регулировании частоты вращения насоса подача, напор и КПД изменяются, а пересчет характеристик на другую частоту вращения, согласно классической теории подобия гидромашин, может быть осуществлен при одновременном соблюдении двух условий: QHOjQmeK=nHJnmeK и Н (п V —«_ _ _но _ Ylpn этом, принимается за основу постоянство КПД вдоль КрИ-тея- V тек J вых подобных режимов, т.е. Лном/Лтек -1 В системах водоснабжения подача насосов является неуправляемым параметром. С помощью регулируемого электропривода добиваются регулирования давления в трубопроводных системах. Независимо от способа управления снижение избыточные напоров при сохранении подачи приводит к нарушению одного из двух, приведенных выше, условий подобия, что ведет к снижению КПД насоса [5]. При пересчете характеристик насосов принято считать, что его КПД вдоль кривых подобных режимов остается постоянным. Еще К. Пфлейде-рер в 30-е годы 20-го века указывал, что испытания действительных насосов не подтверждают полностью закона постоянства КПД вдоль кривых подобных режимов, т.е. не выполняется условие: Лном/Лтек = 1 О непостоянстве КПД насоса вдоль кривых подобных режимов свидетельствуют эллипсовидные концентрические формы КПД постоянного уровня, приводимые на универсальных характеристиках насосов. Так, например, для насоса ОПВ-145Э и двигателя АВ-16 с преобразователем частоты Mitsubishi Electric FR-A540L-G800K был получен ряд регулировочных QH - характеристик и выделена область оптимальных значений КПД (рисунок 2.7).
В результате анализа, приведенного в [52], было установлено, что зависимость снижения КПД насоса от своего максимального значения при от клонений текущей частоты от номинальной является нелинейной и в значительной мере определяется глубиной диапазона регулирования птек пном . При глубине регулирования птек1 пном =0,85- 0,9 снижение КПД незначительны и составляют от 2 до 4%; при регулировании птек/пном = 0,6+0,7 снижение КПД составляет до 6 - 8% для насосов небольшой производительности и может достигать 12 - 17% для крупных насосов. Так как в данной работе рассматриваются крупные насосы, то нужно ориентироваться на последний диапазон регулирования. Исследования [52] также подтверждают изменение КПД насоса при регулировании, и это видно на рисунке 2.8. В соответствии с теорией подобия максимум КПД с понижением частоты вращения уменьшается и смещается влево в 1-м квадранте. В результате аппроксимации получена зависимость относительного снижения максимального КПД от частоты вращения вала насоса: (2.20) InJc =0,4/1 +0,6, где п - относительное снижение частоты вращения. х\ —---- КПД насоса при 1400 об./мин КПД насоса при 1500 об./мин Повышение кпд насоса при частотном регулировании производительности V3QH0 1/2Q„O„ QHO« QC Рисунок 2.8 - Зависимость коэффициента полезного действия от производительности при изменении частоты вращения насоса С учетом, что при регулировании изменяется значение Т]тах формула (2.19) принимает следующий вид: rj =(0,4n+0,6). . . (2.21) Общую формулу для определения КПД насоса можно представить в виде: л = VmJ M + W (iq-ч1). (2.22) В случае, когда регулирование частоты вращения производится изменением частоты тока электродвигателя формулу (2.22) можно представить так: Л = r?mJ0,4f + 0,6) (2q - q2) (2.23)
Проанализируем формулы (2.21) и (2.22). Допустим, что происходит регулировка производительности посредством закрытия задвижки, при этом общая производительность уменьшилась в два раза. Первоначальная производительность была равной оптимальной. При этом изменение частоты вращения не проводилось (я =1). Тогда, в соответствии с формулой (2.21) относительное изменение КПД составит 0,75 от максимального значения. Если принять максимальное значение КПД из графика (рисунок 2.8) равное 68 %, то новое значение КПД соответственно будет равно 51 %. По сравнению с графиком это на 4% выше, но не превышает 10 % - ой ошибки. Отличие связано с заменой реального графика КПД аппроксимирующей параболой. Если регулировка будет осуществляться изменением частоты вращения, в соответствии с графиком (рисунок 2.8), например, уменьшится с 1500 до 1400 об/мин (в соответствии с графиком на рисунке 2.8, производительность уменьшилась в два раза), то в формулах (2.21) и (2.22) qi = q2 = 1 (в соответствии с законами подобия). При этом коэффициент в первой скобке формулы (2.22) становится равен 0,973. Тогда новое значение максимума КПД будет равно 0,973 68 = 66%, что отличается от значения на графике только на 1%. Из данного анализа убедительно видна эффективность регулирования с помощью изменения частоты вращения по сравнению с задвижками, так как КПД выше - при частотном способе 66 %, при задвижке - 51 %.
Моделирование системы «насосный агрегат с регулированием произ-водительности - электропривод»
Для получения реальных колебаний уровней в аванкамере и напорном бассейне используем трехлетние статистические данные по уровням воды в аванкамере и напорном бассейне мелиоративной насосной станции №7 Понуро-Калининской оросительной системы (Приложение 2). График изменения входного сигнала для подсистемы «насос» в среде моделирования Simulink на основе графика относительных статических напоров показан на рисунке 3.4. Н,м
Имитационная модель насосного агрегата без регулирования производительности имеет структуру, показанную на рисунке 3.5. Модель насосного агрегата в среде Simulink представлена на рисунке 3.8.
На рисунке 3.6 представлены результаты моделирования КПД насосного агрегата. При сравнении с графиком изменения расчетного КПД (рисунок 3.7), видна достаточная сходимость, свидетельствующая об адекватности модели насоса. Коэффициент корреляции двух графиков КПД (рисунок 3.6-3.7) при наложении составил R =0,67, что говорит об адекватности предложенной модели.
При этом среднее значение КПД при моделировании насосного агрегата без регулирования составил лф = 47%. среднеквадратическое отклонение имитационного 2 графика изменения КПД составило О / = 0,03. Среднее значение реального КПД насосного агрегата без регулирования тф = 51%. Среднеквадратическое отклонение 2 графика изменения вычисленного по реальным данным КПД составило О 2 0,106. Источник трехфазного
Для проведения имитационного моделирования была разработана структурная схема (рисунок 3.12), включающую подсистемы регулирования частоты вращения и угла установки лопастей рабочего колеса.
Управление работой частотного преобразователя осуществляется подачей на блок частотного преобразователя значения частоты и напряжения блоком формирования напряжения (рисунок 3.12 и 3.13). Разворот лопастей рабочего колеса имитируется при помощи выбора селектором переходной функции, соответствующей заданному углу (рисунок 3.12 и 3.13).
В процессе имитационного моделирования в динамическом режиме менялись углы разворота лопастей рабочего колеса и частота тока на основании статистических реальных данных статического напора и уровня воды в аванкамере. По результатам моделирования был сформирован массив данных, описывающий КПД системы, на основании которого был построен график КПД насосного агрегата (рисунок 3.13) Среднее значение КПД составило цср = 58%, что превышает значение КПД нерегулируемой системы ( 47 %).
В результате расчета с использованием смоделированного КПД насосной станции при изменении статического напора, экономия электроэнергии составила 2 457 тыс. кВт-ч. в течение базового года. Подсистема
Управление производительностью насосных агрегатов осуществляется посредством изменения угла установки лопастей рабочего колеса и изменением частоты вращения двигателя. Частотный преобразователь имеет собственную распределительную шину, поэтому предусматривается каскадное управление группой насосных агрегатов, то есть последовательный разгон одного двигателя с последующим выходом на частоту сети. Для этого необходима установка восьми дополнительных вакуумных ячеек, коммутирующих двигатели с шиной частотного преобразователя.,
Для автоматизации насосной станции целесообразно применить распределенную систему управления, так как такая стуктура имеет возможность масштабирования и повышенную отказоустойчивость. В качестве регулирующего элемента предлагается использовать программируемый логический контроллер, так как это устройство позволяет использовать нестандартные алгоритмы А, В, С
В качестве основных устройств сопряжения с объектом предлагается использовать ультразвуковые расходомеры с накладными датчиками, работающие на эффекте Доплера, устанавливаемые на напорные трубопроводы насосных агрегатов. Для определения потребляемой активной и реактивной мощности двигателя, коэффициента мощности, фазных токов предлагается использовать анализаторы параметров электрической сети подключаемые через существующие трансформаторы тока и напряжения для технического учета в вакуумных высоковольтных ячейках двигателей.
Включение и выключение вспомогательного оборудования (насосов технического водоснабжения, задвижек срыва вакуума, дренажных насосов) производится посредством модулей удаленного вывода дискретных импульсов. На «быстрые входы» (fast input) модулей дискретного ввода подаются сигналы энкодеров устройств разворота лопастей рабочего колеса. Съем аналоговых сигналов (уровни воды в аванкамере и напорном бассейне, температуры масла в опорных подшипниках, уровни вибрации валов агрегата, давление воды в системе технического водоснабжения, уровень воды в дреннажной паттерне) производится при помощи модулей аналогового ввода.
