Содержание к диссертации
Введение
1. Водоотливные установки глубоких шахт . 6
1.1. Общие сведения о шахтных водоотливных установках. 6
1.2. Шахтная вода и водопритоки. 9
1.3. Электропривод и автоматизация водоотливных установок . 12
1.4. Постановка задачи исследования. 20
2. Гидромеханический комплекс шахтного водоотлива . 21
2.1. Характеристика шахтных центробежных насосов. 21
2.2. Работа шахтных насосов на сеть. 27
2.3. Пусковые режимы при работе насосов на сеть. 36
2.4. Границы зоны регулирования частоты вращения насосного агрегата . 40
2.5. Системные особенности главной водоотливной установки. 47
3. Математическая модель водоотливной установки с частотно-регулируемым насосным агрегатом . 56
3.1. Математическая модель короткозамкнутого асинхронного электродвигателя. .. 56
3.2. Частотное регулирование электропривода насосного агрегата. 61
3.3. Реализация математической модели короткозамкнутого асинхронного двигателя в системе MatLab. 63
4. Исследование режимов работы главной водоотливной установки с частотно-регулируемым электроприводом . 73
4.1. Характеристики насосной установки при реализации различных законов изменения напряжения и частоты питания асинхронного электропривода насосного агрегата частоты питания в частоты питания 81
4.1.1. Изменение величины напряжения при неизменной частоте питания. 73
4.1.2. Изменение напряжения и соответствие с U/f=const.
4.1.3. Изменение напряжения и соответствие с U/f 2=const.
4.1.4. Оценка результатов исследования характеристик частотно-регулируемого электропривода . 76
4.2. Экспериментальные исследования частотно-регулируемого электропривода насосного агрегата. 87
5. Техническая реализация системы частотного регулирования производительности водоотливной установки . 96
5.1. Преобразователи частоты для короткозамкнутых асинхронных двигателей. 96
5.2. Технико-экономическая эффективность системы управления частотно-регулируемого привода насосов главного водоотлива. 109
Заключение. 120
Список литературы. 122
Приложение 1. 130
Приложение 2. 131
- Электропривод и автоматизация водоотливных установок
- Границы зоны регулирования частоты вращения насосного агрегата
- Реализация математической модели короткозамкнутого асинхронного двигателя в системе MatLab.
- Оценка результатов исследования характеристик частотно-регулируемого электропривода
Введение к работе
В энергетической стратегии России [77] предполагается значительный рост добычи угля (на 28% к 2010 г.), опережающий увеличение добычи газа и нефти (12% и 10%, соответственно). В то же время удельный вес постоянной составляющей в общем расходе электроэнергии на угольных шахтах (на вентиляцию, водоотлив, освещение и т.п.) в среднем по отрасли достигает 70%. Именно здесь происходят наибольшие непроизводительные потери электроэнергии [22].
Необходимость повсеместного применения энергосберегающих технологий заставляет, в первую очередь, оценить возможность улучшения энергозатратных характеристик шахтных водоотливных установок, мощность которых составляет в среднем 20%, а на глубоких и обводненных месторождениях доходит до 40% от мощности всех электроприемников шахты [58].
Проблемы шахтного водоотлива и методы регулирования подачи насосов неоднократно рассматривались в работах А.П. Германа, В.Г. Гейера, Г.М. Тимошенко, В.М. Попова, Н.Г. Картавого, В.Я. Карелина, В.В. Мазуренко. Частотно-регулируемому электроприводу посвящены работы М.И. Чиликина, А.С. Сандлера, В.В. Рудакова, И.М. Столярова, Г.Д. Онощенко.
В диссертации последовательно рассмотрены задачи исследования характеристик системы, состоящей из асинхронного электродвигателя, центробежного насоса и напорного трубопровода. В работе установлено, что существует возможность плавного регулирования подачи насоса на 40% при изменении частоты вращения асинхронного электродвигателя на 10%. Высокий коэффициент усиления по каналу «частота вращения» - «подача насоса» (3.5...4), в соответствии с терминологией систем, является системной особенностью шахтной водоотливной установки.
Изучение характеристик водоотливной установки выполнялось методом математического моделирования с помощью компьютерной модели в системе MatLab. Оценка адекватности модели проверялась путем исследования макета системы на стенде.
Возможность значительного изменения подачи в свою очередь обеспечивает отработку переменных водопритоков при их изменении на ±25% при сохранении заданной интенсивности откачки.
Изучение регулировочных характеристик шахтной водоотливной установки с частотно-регулируемым электроприводом выявило экстремальный характер зависимости удельных энергозатрат от частоты вращения с минимумом в зоне 0,9пном...0.94пном (пном — номинальная частота вращения насосного агрегата). При работе в этой зоне, названной «зоной эффективного регулирования», достигается уменьшение удельных энергозатрат на откачку воды на (4...6)%.
Для шахтной водоотливной установки с насосами ЦНС 300 540 и электродвигателем ВАО 2-560, мощностью 800 кВт рекомендуется применение тиристорного преобразователя частоты ПЧ-ТТП ОАО «Электровыпрямитель» и дополнительного комплекса приборов для контроля удельных энергозатрат и уровня воды в водосборнике.
Срок окупаемости системы — менее одного года.
Электропривод и автоматизация водоотливных установок
Однако это решение оказалось неэффективным из-за ошибочного представления о стабильности шахтных водопритоков. Модернизирована аппаратура автоматизации ВАВ 1 М не применяется на шахтном водоотливе из-за сложности настройки системы на переменную величину водопритоков.
Рассмотрим работу водоотливной установки шахты "Интинская" пласт 8 АО "Интауголь" в режиме энергосбережения.
Рабочая группа водоотливного комплекса шахты "Интинская" автоматизирована аппаратурой ВАВ, и состоит, в соответствие с ПБ, из 3 насосов ЦНС 300 540 (электропривод - В АО 2-560, 6 кВ, 800 кВт) с подачей #=340 м /ч. Однако при максимальном водопритоке Qn=720 м /ч, длительности периода пиковых нагрузок tn=2 ч. и длительности внепикового интервала tH=3 ч., откачка воды в энергосберегающем режиме невозможна, так как требуется увеличить суммарную подачу насосных агрегатов рабочей группы до 1200 м3/ч (Qp fl+tr/tfJ-Qn), следовательно для нормальной работы установки требуется дополнительная насосная мощность равная 180 м/ч. Единственным решением в данной ситуации будет включение в работу одного насоса резервной группы на время не менее чем 32 мин., но предлагаемое решение недопустимо так как это приведет к сокращению 100% резерва насосной мощности (что противоречит ПБ) и уменьшению надежности установки.
При существующей системе автоматизации главной водоотливной установки, реализующей дискретное управление путем включения-выключения насосов, и переменных некоррелируемых водопритоках становится невозможным управлять работой водоотливной установки во внепиковые периоды энергосистемы по критерию минимизации числа пусков электродвигателей насосов, так как существенные колебания и некоррелируемость величины водопритока неизбежно приводит к многочисленным включениям и отключениям насосных агрегатов. Поэтому для глубоких угольных шахт непрерывное регулирование подачи насосов является более предпочтительным.
Существует несколько способов непрерывного регулирования, самым простым из которых является дроссельное регулирование. Дроссельное регулирование на шахтном водоотливе может осуществляться клапаном, расположенным на напорной линии насоса. Увеличение сопротивления трубопровода изменит характеристику трубопровода, производительность насоса уменьшиться, напор увеличиться. При этом уменьшается КПД всей насосной установки. Значительная мощность, расходуемая на регулирование, делает этот способ весьма неэкономичным. Поэтому регулирование шахтных центробежных насосов дросселированием трубопровода не рекомендуется. Прикрытие всасывающего трубопровода в условиях шахтного водоотлива не применяется, так как при этом значительно понижается высота всасывания. Регулирование производительности насоса перепуском воды (схема байпасного регулирования) осуществляется изменением открытия задвижки, установленной на обводном трубопроводе, соединяющем напорный трубопровод со всасывающим [37]. С открытием этой задвижки уменьшается производительность насоса, при этом увеличивается потребляемая мощность. Поэтому регулирование подачи перепуском (байпасирование) также не используется. Регулирование подачи впуском воздуха во всасывающий трубопровод является более экономичным, чем дросселирование, но позволяет изменять подачу в узких границах из-за резкого ухудшения кавитационных характеристик насоса. Кроме этого, требуется точная аппаратура для контроля и дозирования подачи воздуха. Из-за сложности реализации данный метод на шахтном водоотливе не применяется. Рассмотренные способы регулирования не позволяют увеличивать подачу насосов, что ограничивает их область применения на водоотливных установка в условиях переменных водопритоков. Регулирование производительности насоса изменением частоты вращения ведет к изменению его напорной характеристики. Положение рабочей точки на характеристике трубопровода отражает новое значение подачи которое может быть больше или меньше подачи при номинальной частоте вращения насоса (пн). Эта система регулирования не приводит к дополнительным потерям в системе «насос-трубопровод», так как при всех режимах напоры насоса и сети согласованы [41]. Наибольшая частота вращения насосного агрегата определяется механической прочностью и допустимой высотой всасывания насоса, а также возможностью увеличение частоты вращения электродвигателя сверх номинальной. Существует несколько способов плавного регулирования частоты вращения электродвигателя. Электромеханический каскад — энергия скольжения с ротора регулируемого электродвигателя через выпрямитель подается на якорь двигателя постоянного тока и возвращается (за вычетом потерь) на вал регулируемого электродвигателя с помощью механической связи между ними. Электрический каскад — энергия скольжения с ротора регулируемого электродвигателя возвращается непосредственно в электросеть. Эти способы плавного регулирования частоты вращения в условиях шахтного водоотлива неприменимы, из-за ограничений в применении асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Регулирование частоты вращения центробежного насоса изменением частоты и напряжения питания приводного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором позволяет регулировать подачу насоса в сторону увеличения и уменьшения. Расход электроэнергии на регулирование частоты вращения электродвигателя невелик и определяется потерями электроэнергии в преобразовательных устройств (ПЧ), на основе которых построен частотно-регулируемый электропривод. Системы регулирования, выполненные на основе центробежных насосов и частотно-регулируемого электропривода нашли широкое распространение в системах водоснабжения [34, 40]. К примеру, Ml 111 «Орелводоканал» на насосных станциях водоснабжения смонтированы и успешно эксплуатируются восемь преобразователей частоты, мощностью до 250 кВт, при этом экономия электроэнергии на предприятии составила 6,7%. Элементная база выполнена в основном на отечественном оборудовании (ЗАО «Электротекс») [29]. Опыт эксплуатации ПЧ на насосных станциях показывает, что срок службы насосных агрегатов и электрооборудования благодаря плавному регулированию частоты вращения значительно увеличивается. Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает плавность пусков насосов, и как следствие сокращается вероятность гидроударов на сеть водоснабжения [29].
Границы зоны регулирования частоты вращения насосного агрегата
Диапазон регулирования производительностью частотой вращения в области больших подач насоса ограничен допустимой высотой всасывания. Увеличение частоты вращения насосного агрегата и соответственно, возрастание подачи насоса ведет к снижению допустимой высоты всасывания (2.37). Следуя условию (2.30) необходимо снизить высоту всасывания.
Увеличение частоты вращения насосных агрегатов ограничено механическими и тепловыми характеристиками насосов и электродвигателей, допускается кратковременное увеличение частоты вращения агрегата на 10% [71].
Расчеты показали, что для центробежных насосов ЦНС 300 120...600 увеличение частоты вращения на 8% приводит к необходимости уменьшения высоты всасывания на 1.1 м., выполнение этого условия гарантирует устойчивый режим работы насосного агрегата при повышенной частоты вращения.
Уменьшение частоты вращения и снижение подачи насоса приводит к увеличению допустимой высоты всасывания (2.31), надежность работы насосного агрегата возрастает, так как уменьшается вероятность возникновения кавитации.
Уменьшение частоты вращения ведет к изменению характеристики центробежного насоса. При этом возникает опасность перехода насоса к неустойчивому режиму работы, который характеризуется изменением шума и усилением вибраций [21].
Устойчивый режим работы центробежного насоса на сеть обеспечивается на правой части от максимума характеристики центробежного насоса, при условии, что характеристика насоса и трубопровода пересекается в единственной точке (рис. 2.10, ВС) [12].
При регулировании частоты вращения насосного агрегата устойчивый режим работы нарушается в области максимальных значений h на характеристики h(q) с небольшими отклонениями в ту или иную сторону от В (рис. 2.10).
Пересечение характеристики насоса h(q) и трубопровода hmp(q) в точке максимума характеристики насоса (F, рис. 2.10) недопустимо, так как ведет к неустойчивому режимы работы системы. Следовательно, пересечение характеристики насоса с характеристикой трубопровода на интервале от С до F обеспечивает устойчивый режим работы насосного агрегата.
При снижении частоты вращения ниже nj (Е, рис. 2.9) коэффициент усиления по каналу «частота вращения электропривода» - «напор насоса» увеличивается, это обстоятельство усложняет систему управления насосным агрегатом.
Снижение частоты вращения насосного агрегата следует ограничить величиной я/, (рис. 2.10, Е), при этой частоты вращения hz=h0. Данное ограничение обеспечит запас регулирования по частоты вращения 2.5%, как следствие, по подаче 55% и по напору 1.5%, и обеспечит устойчивость системы «насос-трубопровод» к внешним возмущающим воздействиям.
Расчеты показали, что для водоотливной установки шахты «Интинская» пласт 8 АО «Интауголь» допустимое снижение частоты вращения насосов ЦНС 300 540 составляет 12% от номинальной частоты вращения.
Кроме устойчивости, к рабочим режимам центробежных насосов предъявляется требование экономичности, которое оценивается коэффициентом полезного действия (г\н). Кпд насоса с изменением подачи изменяется. Экономичными считаются режимы, при которых К)н "Щнтіп, где У)нтіп - минимально допустимое значение кпд, и определяется выражению rjHmin= (0,8...0,85)г/и [12,59].
Шахтная вода обладает абразивными свойствами, из-за присутствия угольной пыли и мелких фракций горной породы, поэтому средняя скорость движения воды влияет на срок службы колес насоса. Следовательно, снижение средней частоты вращения насоса, как следствие снижение скорости движения воды приводит к увеличению срока эксплуатации насоса [9].
Расчетами установлено, что рабочий диапазон регулирования частоты вращения насосного агрегата для водоотливной установки шахты «Интинская» пласт 8 АО «Интауголь» составляет (0.88...1.08)инад , в этом диапазоне регулирования обеспечивается кпд г}„ 63%. Однако, увеличение частоты вращения допустимо при высоте всасывания (fig) 3.4м.
Реализация математической модели короткозамкнутого асинхронного двигателя в системе MatLab.
Частота импульсов определяется частотой ШИМ, а их длительность (ширина) в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока — тока АД, практически синусоидальна. Коэффициент несинусоидальности выходного напряжения зависит от частоты переключения ключей, чем выше частота, тем ближе форма напряжения к синусоиде. Однако с увеличением частоты переключений увеличиваются динамические потери в силовых ключах, что требует брать ключи с большим запасом по току, и увеличивать эффективность системы охлаждения. Силовые тиристорные ключи (GTO) не могут работать при больших частотах ШИМ, поэтому для улучшения формы выходного напряжения при низкой частоте ШИМ применяют схемные решения в виде многоуровневых преобразователей частоты. Однако для их реализации требуется большее количество силовых элементов, что увеличивает стоимость преобразователя. Поэтому наиболее предпочтительным является реализации двухуровневых АИН на IGBT транзисторах обладающих высоким быстродействием, малыми динамическими потерями и допускающих частоту переключения ключей до 25кГц.
В тормозном режиме электропривода АИН из режима инвертирования переводится в режим выпрямителя (работает мост диодов обратного тока, через управляемые ключи подводится энергия возбуждения АД). Полярность напряжения на выходе АИН сохраняется, а ток меняет направление. Поэтому для реализации тормозного режима приведенная выше структурная схема электропривода должна быть дополнена силовыми элементами — либо обратным управляемым выпрямителем (работает в режиме зависимого сетевого инвертора) для рекуперации энергии в сеть, либо управляемым ключом и тормозным резистором в звене постоянного напряжения для осуществления электродинамического торможения.
Необходимость включения дополнительных силовых элементов для реализации тормозных режимов является недостатком рассматриваемой структуры электропривода на основе АИН ШИМ. Достоинства структуры: - Практически неограниченный диапазон регулирования частоты и напряжения; - Некритичность к мощности (в пределах допустимой) и количеству подключенных АД, возможность работы в режиме холостого хода, при отключенных АД; - Высокое, близкое к 1 значение коэффициента мощности сети (cosq ) во всех режимах работы; - Высокие динамические показатели электропривода, обусловленные высоким быстродействием ШИМ-управления. - Кривая выходного напряжения определяется алгоритмом переключения силовых элементов. Функциональная схема НПЧ, или циклоконвертора, представленная на рис. 5.6., содержит 9 ключевых элементов с двусторонней проводимостью. Структура ключевых элементов может быть двух типов (рис. 5.7.) Для ключевого элемента первого типа направление протекания тока определяется номером открываемого транзистора, при этом ток протекает через открытый транзистор и обратный диод закрытого транзистора. В случае открытия обоих транзисторов ключа ток может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Вторая структура ключевого элемента состоит из правого и левого диодного плеча, включающих в себя два последовательно соединенных диода, и одного силового тиристора. При закрытом ключе ток не может протекать за счет встречновключенных диодов, а при замкнутом - может протекать в обоих направлениях. Преимуществами НПЧ являются: - Отсутствие реактивных элементов в основной силовой схеме (с точностью до элементов, осуществляющих фильтрацию высокочастотных ШИМ-составляющих) и, следовательно, отсутствие динамических ограничений; - Произвольное направление энергообмена между нагрузкой и сетью. Недостатками НПЧ являются повышенное число управляемых силовых элементов (9 или 18 - в зависимости от применяемой схемы ключа) и жесткие требования к процессу коммутации ключей, связанные с недопустимостью как короткого замыкания сети, так и размыкания тока в цепи нагрузки на время коммутации приборов. Недостатком так же является невозможность получения на выходе частоты, равной и близкой по значению к частоте питающей сети Как видно из описанных выше схем преобразователей частоты, наиболее предпочтительной является схема с АИН на IGBT транзисторах, поскольку требует меньшее число силовых элементов, обладает более высокими динамическими показателями и менее жесткими требованиями к процессу преобразования электрической энергии. Потери в преобразователях частоты складываются из двух основных составляющих: потери в цепи управления потери на систему принудительного охлаждения и потери в силовой части. Потери в цепях управления преобразователях зависят от применяемых схемных решений и элементов, и не зависят от присоединенной нагрузки. Потери в элементах силовой электроники зависят как от применяемых схемных решений и элементов, так и от мощности присоединенной нагрузки [35]. К каждой из трех представленных схемах преобразователей частоты основными элементами силовой электроники являются диоды, тиристоры и транзисторы.
Оценка результатов исследования характеристик частотно-регулируемого электропривода
На основании данных полученных от датчиков расхода и киловаттметров определяются удельные энергозатраты в каждый момент времени
В блоке 3 (рис. 5.9) на основании полученных данных выполняется диагностика состояния системы управления и оборудования. Сравнение последних полученных данных {qt, hit Ра,) с предыдущими можно определить состояние і-го насосного агрегата и состояние датчиков давления, расхода и киловаттметра. В случае выхода из строя непрерывного датчика уровня система управления получает сигналы от дискретных датчиков уровня, на основании которых диспетчер шахты управляет водоотливной установкой с удаленного терминала.
На этом этапе накапливается статистическая информация о водопритоке и удельном энергопотреблении водоотливной установки
В работе установлено, что сменные водопритоки являются переменными, однако на малых интервалах времени их можно прогнозировать (блок 4, рис. 5.9). При этом не значительные и кратковременные колебания водопритока на малых интервалах времени сглаживаются, так как в шахте имеется сеть водных канавок значительного объема, по которым вода поступает в водосборник. К примеру в водной канавки длинной 100м может находится от 5...8 м3 воды. Прогноз водопритока на малых интервалах времени можно осуществлять на основании имеющихся данных водопритока.
В блоке 5 (рис. 5.9) определяется траектория изображающей точке в координатах V, t. Следующим шагом (блок 6, рис. 5.9) является определение остатка воды в водосборнике с учетом построенной траектории изображающей точке с учетом графика нагрузок энергосистемы. Остаток воды в водосборнике определяется в момент наступления максимальных нагрузок энергосистемы. Исходя из условия AVmin AV AVmax (где AVmin - минимальный остаток воды в водосборнике, AVmax - максимально допустимый остаток воды в водосборнике) происходит корректировка подачи насосов шахтной водоотливной установки (блок 7, рис. 5.9) и выдается управляющее воздействие частотно-регулируемым приводам насосам. Величина AVmax зависит от применяемой технологии добычи полезного ископаемого, гидрогеологических условий залегания пласта и величины среднемесячного водопритока, на основании данных за прошлый год. В течение года управление водоотливной установки осуществляется по критерию минимальных удельных энергозатрат, исключением составляет месяцы когда наблюдается максимальный водоприток. В течение года 2 или 3 месяца наблюдается максимальный водоприток, причем это является сезонным увеличением водопритока и повторяется каждый год. В остальные месяцы средняя величина водопритока не превосходит значение нормального водопритока. В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи энергосбережения на водоотливных установках глубоких шахт в условиях переменных водопритоков посредством организации процесса откачки воды в периоды между часами максимальных нагрузок энергосистемы, с применением насосных агрегатов с частотно-регулируемым электроприводом. В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты: 1. Установлены и исследованы особенности электромеханического комплекса шахтного водоотлива, обеспечивающие возможность адаптации режимов шахтной водоотливной установки к графикам энергосистемы путем регулирования производительности установки изменением частоты вращения электроприводов насосных агрегатов в ограниченном интервале. 2. Разработаны математические модели работающего на трубопровод насосного агрегата с частотно-регулируемым электроприводом, реализованные в среде MatLab, что позволило выполнить исследования режимов работы насосных агрегатов при регулировании частоты вращения с различными законами изменения питающего АД напряжения. 3. Установлено, что для насосных агрегатов шахтных водоотливных установок наиболее эффективным является закон изменения частоты и напряжения питания АД U/f =const, при регулировании частоты вращения в пределах (1.05...0.9)Пном уменьшается потребляемый ток и скольжение, и увеличивается кпд электродвигателя. 4. Установлен экстремальный характер зависимости величины удельных энергозатрат от частоты вращения электроприводов насосных агрегатов, причем минимальные удельные энергозатраты находятся в зоне (0.9...0.96)пНОм- При работе частотно-регулируемых электроприводов насосных агрегатов в указанной зоне величина удельных энергозатрат снижается. 5. Адекватность разработанных математических моделей подтверждена экспериментальными исследованиями макета частотно-регулируемого электропривода насосного агрегата на стенде, состоящим из преобразователя частоты, короткозамкнутого асинхронного двигателя, машины постоянного тока, регулируемого резистора, выпрямителя и комплекта измерительных приборов. 6. Разработаны рекомендации по составу технических средств контроля и управления, с помощью которых можно реализовать эффективные режимы частотно-регулируемого электропривода насосных агрегатов.
