Введение к работе
Актуальность темы исследований. Прослеживая динамику потребления энергоресурсов мировым сообществом можно сделать вывод о постоянном росте энергопотребления.
К настоящему времени объем потребления первичных энергоресурсов - нефти, угля, газа и др. составляет до 15 млрд. т. условного топлива в год. Однако за последние десятилетия темпы прироста потребления снижаются благодаря мероприятиям по энергосбережению.
Наряду с первичными энергоресурсами наиболее значимыми представляются показатели производства такой высшей формы энергии, как электрическая. Для неё отмечаются более высокие темпы прироста годового производства, чем для первичных энергоресурсов. В частности, если объем прироста первых доходит до 1,8% в год, то для электроэнергии они составляют около 3%.
Мировое производство электроэнергии достигает значительных размеров, по нашим оценкам в 2009 году будет выработано более 20 триллионов кВт-часов. От этой цифры на Россию приходится около 5% (950-960 млрд. кВт-часов). Что же касается внутреннего валового продукта (ВВП) нашей страны, то он составляет от общемирового 2,5% или другими словами на 1 единицу ВВП тратится в 2 раза больше электроэнергии, чем в среднем в мире. В России имеются исключительно высокие резервы для экономии не только электроэнергии, но и энергии вообще.
Основным потребителем электроэнергии является электропривод. По разным оценкам на него приходится от 60 до 70% от объема, вырабатываемого электростанциями страны. Однако резервы экономии электроэнергии в самом электроприводе весьма малы. Гораздо более эффективными оказываются пути экономии электроэнергии в механизмах и установках, где используются возможности электропривода. Широкий перечень механизмов такого типа представлен насосами, вентиляторами, газодувками, нагнетателями, компрессорами, объединяемых в один класс турбомеханизмов.
Распространенность этого класса механизмов подтверждается следующими показателями:
- на электропривод турбомеханизмов приходится около 60% от общего числа
эксплуатируемых электроприводов;
- электропривод турбомеханизмов потребляет до (35-40)% от объёма
производимой электроэнергии;
до настоящего времени для изменения производительности турбомеханизмов вниз от номинальной в большинстве случаев применяется метод дросселирования, связанный с изменением гидравлического сопротивления трубопроводной магистрали с помощью трубопроводной арматуры. Однако, как показывают выполненные в данной работе теоретические исследования и накопленный практический опыт, если вместо дросселирования управлять производительностью турбомеханизма изменением частоты его вращения, то можно экономить от 20 до 70% электроэнергии;
в подавляющем большинстве для привода турбомеханизмов используется асинхронный привод; до последних лет регулирование частоты вращения асинхронных двигателей (АД) сдерживалось отсутствием достаточно надёжных и приемлемых по цене преобразователей частоты, но в последнее десятилетие большое число зарубежных и отечественных фирм изготавливает
^^ I created with
X* nitroPDF professional
преобразователи мощностью от сотен ватт до десятков тысяч киловатт; существенно снизилась и их стоимость - если ещё 10-15 лет назад она на порядок превышала стоимость самого двигателя, то сейчас только в 3-5 раз;
- управление производительностью турбомеханизмов изменением частоты
вращения приводного двигателя имеет ещё целый ряд преимуществ - это
меньшие нагрузки на оборудование из-за снижения давления в системе,
уменьшение утечек и других потерь транспортируемой среды, облегчённый
режим работы оборудования; в системах водо- и теплоснабжения при таком
методе управления экономится до 20% воды и до 30% тепла, отмечается более
высокое качество управления в статических и динамических режимах.
К настоящему времени из перечисленных преимуществ регулируемого электропривода турбомеханизмов наиболее полно обоснована его энергетическая эффективность при управлении производительностью вниз от номинальной. Теоретические обоснования этого положения и практические результаты получены отечественными учёными: Соколовым М.М., Ильинским Н.Ф., Юньковым М.Г., Онищенко Г.Б., Зайцевым А.И., Поздеевым А.Д., Браславским И.Я., Лезновым Б.С, Аракеляном А.К., Шакаряном Ю.Г., Боровиковым М.А., Осиповым О.И., Сарваровым А.С., Муравлёвым О.П. и др.
Однако практически не исследованы такие важные показатели как качество управления в различных режимах. При управлении частотой вращения турбомеханизма существенно снижаются условия для возникновения гидроударов и имеются возможности улучшения динамических показателей из-за особенностей регулировочных характеристик данного метода управления. Как показывает практика, для некоторых процессов, например, таких как смешение потоков для поддержания концентрации или температуры, эффект от высокого качества управления может на порядок превышать эффект от энергосбережения.
Поэтому для учёта известных и дополнительных преимуществ управления производительностью частотой вращения предлагается подход, основанный на использовании математических моделей устройств и переменных процесса управления технологического комплекса электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль.
Применение математических моделей для исследования различных способов управления турбомеханизмами позволяет:
выявить дополнительные возможности энергосбережения при рассмотрении энергетических процессов в каждом из устройств и обеспечить минимизацию энергетических потерь при совместной работе устройств технологической схемы;
показать возможности обеспечения более высокого качества управления для ряда технологических переменных;
определить характер поведения во времени энергетических и технологических переменных при возмущениях в электрических сетях и после восстановления нормального режима;
- разработать алгоритмы самозапуска электроприводов турбомеханизмов при
возмущениях в питающей сети.
Таким образом, разработка математических моделей технологического комплекса электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль и их использование для обоснования методов и технических средств энерго- и ресурсосберегающего управления является достаточно актуальной.
^^ I created with
X* nitroPDF professional
Направление работ определено:
Законом Российской Федерации "Об энергосбережении" от 03.04.1996 №28 ФЗ;
Указом Президента Российской Федерации "Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 года" от 07.05.1995 №472;
Указом Президента Российской Федерации "О государственном надзоре за эффективным использованием энергетических ресурсов в Российской Федерации" от 11.09.1997 №1010;
Постановлением Правительства Российской Федерации от 02.11.1995 №1087 "Об энергетической стратегии России";
Постановлением Правительства Российской Федерации от 13.10.1995 №1006 "О неотложных мерах по энергосбережению";
Постановлением Правительства Российской Федерации от 17.11.2001 №776 "О Федеральной целевой программе "Энергоэффективная экономика" на 2002-2005 года и на перспективу до 2010 года.
Цель работы состоит в том, чтобы на основе известных и полученных в работе математических моделей устройств технологической схемы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль выявить дополнительные возможности энергосбережения и повышения качества управления в различных режимах и на основе этого предложить методы энерго- и ресурсосберегающего управления такими комплексами. Для решения этой важной научно-технической проблемы необходимо решить следующие задачи:
- разработать функциональные схемы систем управления производительностью
турбомеханизмов при различных методах управления;
исследовать с позиций управляемости и энергетических затрат математическую модель движения потока жидкостей и газов в трубопроводной магистрали в статике, разработать методику построения искусственных напорных характеристик магистрали, ввести понятие коэффициента полезного действия (КПД) трубопроводной магистрали и определить возможные пути его увеличения;
получить математическую модель движения потока жидкости в трубопроводной магистрали в динамике и исследовать "временные" характеристики; провести экспериментальную проверку адекватности динамической математической модели реальным процессам в трубопроводной магистрали;
- получить для турбомеханизма аналитическую зависимость напорной
характеристики;
- разработать методику получения искусственных напорных характеристик
турбомеханизма и определить характер поведения КПД турбомеханизма при
изменении производительности вниз от номинальной для различных значений
статического напора;
исследовать совместные энергетические потери турбомеханизма и трубопроводной магистрали для различных методов управления производительностью турбомеханизма;
created with
nitroPDF professional
рассмотреть и сравнить энергетические потери при управлении производительностью методом дросселирования и байпасирования с различными уровнями статического напора;
исследовать энергетические потери в электроприводе при изменении частоты и дать им количественную оценку;
получить сравнительную оценку полных энергетических потерь с учётом всех устройств технологической схемы преобразователь частоты-асинхронный двигатель-турбомеханизм-трубопроводная магистраль при различных величинах статического напора;
разработать структурные схемы систем управления производительностью и давлением и получить сравнительные показатели качества переходных процессов;
- показать возможность использования структурных схем управления
производительностью турбомеханизмов при организации самозапуска
электроприводов турбомеханизмов;
- исследовать на ЭВМ характер изменения во времени токов трансформаторов,
электродвигателей, скорости вращения электроприводов и технологических
переменных - производительности и напора турбомеханизмов при
возмущениях в электрической сети и после восстановления нормального
режима питания.
Методы исследований: для решения поставленных задач использовались законы электротехники, электромеханики, гидромеханики, методы идентификации, теории автоматического управления, численного решения дифференциальных уравнений с использованием современных программно-математических и технических средств, экспериментальные методы исследования на технологических установках.
Достоверность полученных результатов основана на экспериментальных исследованиях в производственных и лабораторных условиях, близостью результатов к показателям аналогичных исследований, проведённых другими методами и авторами, вычислительными экспериментами с разработанными математическими моделями систем управления энергетическими и технологическими переменными на ЭВМ с результатами, не противоречащими экспертным оценкам производственного персонала предприятий - энергетиков, технологов, механиков и специалистов по автоматическому управлению производственными процессами, а также результатами практического внедрения на предприятиях.
Научная новизна.
В диссертационной работе на основе разработанных математических моделей впервые сформулирована и решена проблема оценки возможных объёмов энерго- и ресурсосбережения при управлении производительностью турбомеханизмов с использованием автоматизированного электропривода.
-
Предложена математическая модель статического режима движения материального потока в трубопроводной магистрали и способы управления производительностью. Введено понятие коэффициента полезного действия трубопроводной магистрали и предложены методы его расчёта при двух методах управления производительностью и различных величинах статического напора.
-
В результате исследований с позиций управления производительностью математических моделей турбомеханизма и энергетических показателей выведено
^^ I created with
X* nitroPDF professional
оптимальное соотношение параметров турбомеханизма и трубопроводной магистрали, обеспечивающих максимальный КПД турбомеханизма.
-
Получены статические характеристики для двух методов управления производительностью турбомеханизмов при различных уровнях статического напора. При изменяемой частоте вращения они гораздо ближе к линейным, чем в методе дросселирования, и обеспечивают потенциально более высокое качество управления в статических и динамических режимах.
-
Получены соотношения для энергетических потерь в электроприводе при различных скоростях вращения и нагрузки и показаны методы управления для их снижения. Получена сравнительная оценка энергетических потерь для двух методов управления производительностью с учётом потерь во всех устройствах технологической схемы - электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль при различных уровнях статического напора; на основе заданного диапазона изменения производительности, статического напора и характеристик исследуемых технологических комплексов разработана методика экспрессной оценки энергоэффективности при управлении производительностью изменением частоты вращения электропривода.
-
Разработаны и исследованы структурные схемы систем управления производительностью и давлением в диктующей точке выбранной гидравлической схемы при двух способах управления турбомеханизмами. Выявлены возможности более высокого качества управления для метода с управляемой частотой вращения.
-
Подтверждена возможность использования математических моделей системы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль для решения специфических вопросов ресурсосбережения, связанных с самозапуском электроприводов при возмущениях в питающей электросети. Разработаны алгоритмы самозапуска электроприводов с использованием "активных" и "пассивных" технических средств.
Практическая ценность работы.
-
Научные положения диссертационной работы позволяют экспрессно оценить возможные объёмы энергосбережения при управлении производительностью частотой вращения для любой реальной системы.
-
Разработанные динамические математические модели для потока материальной среды в трубопроводной магистрали и давления в диктующих точках позволяют исследовать и создавать системы управления этими переменными.
-
Сравнение статических характеристик двух методов управления показывает возможность более высокого качества управления в статике и динамике для метода с регулируемой частотой вращения. Рекомендации по энергосберегающему способу управления тягодутьевыми механизмами котлоагрегатов на базе двухскоростного АД приняты к использованию на одной из крупных региональных ТЭЦ.
-
На нефтеперерабатывающем заводе ряд вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения переведены на управление производительностью с применением частотно-регулируемого электропривода.
-
Математические модели систем управления турбомеханизмами использованы для организации самозапуска электроприводов во время возмущений в электрической сети для трех заводов крупной нефтехимической компании. Схемы самозапуска внедрены на 280 электроприводах.
^^ I created with
X* nitroPDF professional
-
Результаты работы вошли в отчёт по гранту Министерства образования РФ гос. регистр. ВНТИЦ №02.200.1084 2001 г. и в отчёты по хоздоговорным работам с рядом предприятий региона за 2004-2008 гг. Материалы использовались при выполнении НИР по гранту Сороса "Оптический мониторинг процессов горения в крупных котлоагрегатах ТЭС".
-
Результаты работы используются в учебном процессе в преподавании дисциплины "Энергосберегающий электропривод и технологии", разработанной автором, в дипломных проектах студентов и на курсах повышения квалификации работников предприятий в межведомственном региональном центре повышения квалификации при ИрГТУ.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных региональных и Всероссийских конференциях "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" Иркутск ИПИ (ИрГТУ) с 1990 по 2009 годы; на международной конференции по электромеханике и электротехнологиям МКЭЭ-94, Суздаль 1994; на межвузовской конференции "Оптимизация режимов работы электроприводов", Красноярск, 1994 г.; на I международной (XII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 1995 г.; на II международной (XIII Всероссийской) НТК "Проблемы автоматизированного электропривода", Ульяновск, 1998 г.; на международной НТК "Энергосбережение на рубеже веков", Москва, 1999 г.; на Всероссийской конференции "Электрификация металлургических предприятий Сибири", Томск, 2000 г.; на III международной (XIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001", Нижний Новгород, 2001 г.; на IV международной (XV Всероссийской) конференции "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития", Магнитогорск, 2004 г.; на курсах повышения квалификации инженерно-технических и руководящих кадров в области энерго- и ресурсосбережения при центре энергосбережения ИрГТУ.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано более 100 печатных работ, из которых 56 наиболее значимых указано в автореферате, в том числе 1 отчёт по гранту Минвуза РФ, 2 учебных пособия с грифом УМО, одно изобретение и один патент. В лицензированных изданиях перечня ВАК - 7 работ.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Работа представлена на 326 страницах, включает 62 таблицы и 71 рисунок, библиографию из 221 наименования.
