Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энерго- и ресурсосбережение в системе водоснабжения средствами регулируемого электропривода 8
1.1. Актуальность энерго- и ресурсосбережения в ЖКХ 8
1.2. Технологическая схема и электропривод основных механизмов тепловых пунктов 14
1.3. Задачи экономии тепловой и электрической энергии в системе горячего водоснабжения 18
Глава 2. Разработка математической модели и исследование технологических свойств системы горячего водоснабжения 28
2.1. Описание системы ГВС жилых зданий 28
2.2. Эквивалентная схема ГВС. Условия и допущения 31
2.3. Математическое описание 32
2.4. Структурная схема модели системы горячего водоснабжения 38
2.5. Расчет тепловых потерь в циркуляционном контуре 43
2.5.1. Модель системы ГВС характерной ЦТП г. Москвы 43
2.5.2. Тепловые потери при нерегулируемом электроприводе циркуляционного насоса 48
2.5.3. Влияние угловой скорости электродвигателя насоса ГВС 50
2.5.4. Влияние температуры наружного воздуха 55
2.5.5. Влияние протяженности трубопровода 59
Глава 3. Экспериментальная оценка возможностей энергосбережения средствами регулируемого электропривода 64
3.1. Методика проведения экспериментов 64
3.2. Исследование режима тепло- и водопотребления при нерегулируемом электроприводе 71
3.3. Исследование контура горячего водоснабжения при уменьшении скорости вращения электропривода насоса 74
3.4. Определение целесообразности регулирования электропривода от расхода горячей воды 79
Глава 4. Разработка и реализация алгоритма управления электроприводом 88
4.1. Разработка алгоритма управления 88
4.2. Проверка разработанного алгоритма управления на математической модели 91
4.3. Реализация автоматической системы управления электроприводом циркуляционного насоса 95
4.4. Экспериментальное исследование эффективности разрабатываемого способа энергосбережения 102
Заключение 107
Список литературы 108
Приложение 1 114
Приложение 2 132
Приложение 3 139
- Технологическая схема и электропривод основных механизмов тепловых пунктов
- Структурная схема модели системы горячего водоснабжения
- Исследование контура горячего водоснабжения при уменьшении скорости вращения электропривода насоса
- Реализация автоматической системы управления электроприводом циркуляционного насоса
Введение к работе
Актуальность темы
Системой централизованного горячего водоснабжения (ГВС) в России ооорудовано 65% всех жилых и общественных зданий. Как правило, нагрев воды и её транспортировка к потребителю осуществляется оборудованием, устанавливаемым в тепловых пунктах, общее число которых составляет в стране порядка 23 тыс.
Энергосбережение на тепловых пунктах осуществляется различными способами, в том числе и средствами регулируемого электропривода. Так, начиная с 90-х годов внедрение регулируемого электропривода хозяйственно-питьевых насосов, позволило стабилизировать напор в системе водоснабжения и существенно снизить потребление электрической энергии. Другой электропривод — циркуляционных насосов горячего водоснабжения — оставался нерегулируемым, что аргументировалось малой мощностью электродвигателя и, соответственно - сберегаемой электроэнергии. При этом возможности экономии тепловой энергии не уделялось должного внимания.
В диссертационной работе исследуется и реализуется возможность существенного снижения тепловых потерь (потребления тепловой энергии) в системе ГВС путем разработки алгоритма управления электроприводом насоса, создающего циркуляцию в этой системе. Таким образом, открывается новая, ранее не исследованная и перспективная зона внедрения регулируемого электропривода.
Массовое применение такого энергосберегающего электропривода позволило бы остановить рост тарифов на горячую воду, а также снизить дефицит тепловой энергии в городах. Изложенное позволяет считать тему диссертации весьма актуальной.
Цель диссертационной работы - комплексное энергосбережение в системе горячего водоснабжения зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.
Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
Анализ электроприводов и систем горячего водоснабжения на центральных тепловых пунктах с выявлением особенностей технологических схем и уточнением номенклатурного ряда электроприводов насосов.
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности экономии тепловой и электрической энергии как нового направления энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве города.
Разработка математической модели системы горячего водоснабжения, позволяющей исследовать режимы тепло- и водоснабжения с учетом
особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмушающих факторов.
Разработка алгоритма управления электроприводом циркуляционного насоса с учетом необходимых ограничений, предотвращающих снижение качества тепло- и водоснабжения.
Внедрение регулируемого электропривода циркуляционного насоса на действующих объектах теплоэнергетики и экспериментальное подтверждение эффективности разработанного алгоритма.
Методы исследований
В работе использованы базовые методы теории автоматизированного электропривода, систем управления электроприводом, моделирования в технике и теоретических основ теплотехники.
Исследование осуществлялось как в программной среде System View, предназначенной для моделирования физических объектов, так и экспериментальное - на тепловых пунктах г. Москвы.
Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий
осуществлялась посредством статистического анализа.
Научные положения, выносимые на защиту
Теоретически и экспериментально выявлена новая зона экономии тепловой и электрической энергии, расходуемых на горячее водоснабжение зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.
Разработана адекватная математическая модель системы горячего водоснабжения, пригодная для исследования режимов тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов.
Разработан и экспериментально подтвержден алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса, обеспечивающий экономию тепловой и электрической энергии без снижения комфортности тепло- и водоснабжения.
Практическая ценность работы
Основные научные результаты диссертации использованы при модернизации объектов теплоэнергетического хозяйства Московской объединенной энергетической компании и могут быть применимы во всех крупных городах России ввиду принципиального сходства централизованных систем тепло- и водоснабжения.
«;
Апробацнп работы
Основные результаты работы обсуждались на пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2009 г.) и на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ (ТУ).
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 3 печатных трудах (в том числе в 2-х рецензируемых научных журналах, рекомендуемых Высшей Аттестационной Комиссией Министерства Образования России), защищено 2-мя патентами Российской Федерации.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименований. Ее содержание изложено на 142 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков, 24 таблицы и 3 приложения.
Технологическая схема и электропривод основных механизмов тепловых пунктов
Результатом исследования влияния возмущающих факторов и характеристик системы ГВС является следующее: 1. Уменьшение угловой скорости вращения электродвигателя насоса ГВС позволяет значительно снизить потери тепловой мощности. В часности, снижение со в 2,5 раза обеспечивает экономию тепловой энергии на 16,2% в сутки. 2. Изменение угловой скорости вращения электродвигателя приводит к незначительному изменению температуры потребляемой горячей воды. Тем не менее, это обстоятельство должно учитываться при разработке алгоритма управления электроприводом циркуляционного насоса. 3. Изменение температуры наружного воздуха, влияние которого следует отнести к категории непреодолимых обстоятельств, существенно влияет на тепловые потери в контуре циркуляции. Это влияние повышает эффективность применения регулируемого электропривода в зимний период и должно учитываться при построении системы регулирования ГВС. 4. Для объектов с разной длиной трубопроводов при прочих равных условиях для компенсации изменения температуры у водоразборных кранов требуется различная величина циркуляционного расхода. Выводы по Главе 2 1. На основе математического описания объекта регулирования как одного эквивалентного циркуляционного контура системы горячего водоснабжения разработана математическая модель, позволяющая исследовать режимы тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов. 2. Исследования на модели показали, что тепловые потери в существующих системах ГВС составляют примерно половину (46%) от полной тепловой мощности, потребляемой на горячее водоснабжение. 3. Применением регулируемого a циркуляционных насосов возможно существенное снижение тепловых потерь без снижения качества горячего водоснабжения. Уменьшение скорости вращения электродвигателя насоса в два раза обеспечивает экономию тепловой энергии на 16,2%. 4. Доказано, что при определении энергоэффективности регулируемого электропривода и разработке системы управления следует учитывать объем потребляемой горячей воды, температуру подаваемой на дома воды и температуру наружного воздуха. Глава 3. Экспериментальная оценка возможностей энергосбережения средствами регулируемого электропривода Модель системы ГВС позволила сделать предварительный анализ происходящих процессов, а также выдвинуть гипотезу о способе управления электроприводом циркуляционного насоса по расходу. Для обоснования адекватности математической модели объекту моделирования на том же ЦТП аб. № 04-03-0209/124 по адресу г. Москва ул. 2-ая Владимирская д.52, корп.1, стр.2 выполнены экспериментальные исследования, во много повторяющие исследования на модели, но в реальных условиях водопотребления [27,38]. Эксперименты осуществлялись автором совместно с компанией ООО «ЦЕНТРТЕХКОМПЛЕКТ», предоставившей контрольно-измерительные приборы и оборудование для объектно-ориентированного электропривода насосов ГВС. Обслуживание теплового пункта осуществляется сотрудники ОАО «МОЭК», на балансе которого находится тепловой пункт. Исследование проводится в режимах задания и поддержания в течение ряда контролируемых суток различной скорости вращения электропривода (циркуляционного расхода) насоса ГВС: 1. Задается номинальная угловая скорость (соНом)- На этом этапе определяется эффективность поддержания заданных величин, которые при исследовании модели принимались неизменными. К ним относятся температура на выходе теплообменника второй ступени, циркуляционный расход, температура наружного воздуха. 2. Устанавливается скорость вращения электропривода, последовательно равная 0,9юном, 0,8соНОм и 0,7юном. Фиксируется реальная величина уменьшения тепловых потерь в циркуляционном контуре системы ГВС и осуществляется оценка качества водоснабжения. 3. Скорость вращения электропривода устанавливается в зависимости от расхода горячей воды. Определяется среднесуточная мощность тепловых потерь в циркуляционном контуре и фиксируется теплопотребление по прибору учета тепловой энергии ЦТП в системе ГВС при номинальной угловой скорости соном электропривода и её изменении в течение суток. Сравнимость результатов достигается выбором режимов, при которых имеется незначительное расхождение температуры наружного воздуха и расхода горячей воды в экспериментах. На рис. 3.1 показана технологическая схема теплового пункта, где изображен состав основного оборудования, открытые (От) и закрытые задвижки (3), диаметры трубопроводов. Измерение расхода, напора и температуры в различных точках системы ГВС осуществляется как по уже имеющимся приборам учета и контроля, так и вновь устанавливаемым на ЦТП, позволяющим вести регистрацию измеряемых величин в режиме реального времени. Отличительной особенностью прибора учета тепловой энергии уже установленного на ЦТП заключается в фиксировании суммарного расхода тепла на отопление и ГВС.
Уменьшение угловой скорости электропривода циркуляционного насоса приводит к снижению создаваемого напора в системе ГВС, а также к снижению потребления электроэнергии электроприводами. Поэтому в системе водоснабжения, кроме наблюдения за основными показателями системы, осуществлялся контроль потребляемой мощности электроприводов насосов ГВС и ХВС.
Структурная схема модели системы горячего водоснабжения
Автором осуществлялось наблюдение за шестью ЦТП в течение 3 месяцев начиная с 24.08.09. В каждом тепловом пункте предварительно были внедрены преобразователи частоты в электроприводах насосов ХВС. Управление ими велось по датчику давления, установленному в обратном трубопроводе системы ГВС (на 4-х ЦТП) и после электропривода насоса ХВС (на 2-х ЦТП). Поддержание необходимой температуры нагрева горячей воды осуществляется блоком автоматики ЦТП «МАСТЕР».
Характеристика системы ГВС по режимной карте приведена в таблице 4.1
Сопоставимые результаты наблюдений для ЦТП аб. № 04-04-0212/025 в течение двух дней с номинальной угловой скоростью и её регулированием приведены на рис. 4.11 (Приложение 3). Как видно из 4.11,а потребление тепловой энергии на нагрев циркуляционной воды существенно снизилось, особенно в пиковые часы водопотребления с 6 до 10 часов и с 19 до 24 часов. Заштрихованная область показывает сэкономленную тепловую энергию, значение которой составило 19% за сутки.
На рис. 4.11,6 показано изменение в течение суток расхода горячей воды QrBC, температуры горячей воды 7гВС, температуры наружного воздуха Тн в регулируемом (var) и номинальном (const) режиме работы электропривода, которые практически совпадают. На основании этого можно судить о сравнимости режимов теплопотребления.
На рис. 4.11,в показаны графики потребленной тепловой энергии на ГВС в течение 4-х недель с 24.08.09 по 21.09.09. При проведении эксперимента регулируемый и номинальный режим работы электропривода чередовались. Смена осуществлялась раз в неделю. Для большей наглядности эффекта, достигаемого при применении регулируемого электропривода, построены средние значения потребляемой тепловой энергии за неделю Л-.гвсср. Снижение теплопотребления в среднем составляет 7% при одном и том же потреблении горячей воды FTBC (рис. 4.11,в)
Доказательством снижения потребления электрической энергии в регулируемом режиме служит график перекаченной циркуляционным насосом воды Ушрк. Как видно, он почти в 2 раза ниже аналогичного графика в номинальном режиме работы электропривода. Аналогичным образом проанализированы осциллограммы на других тепловых пунктах. Результаты наблюдений приведены в таблице 4.3. Средняя экономия тепловой энергии по пяти ЦТП составила 8,9%, электрической - 56%. 1. Разработан алгоритм управления электропривода циркуляционного насоса системы ГВС, обеспечивающий изменение скорости вращения в функции расхода горячей воды потребителями. 2. Реализация алгоритма управления на модели показала экономию 16,2% тепловой энергии в циркуляционном контуре без снижения комфортности тепло- и водоснабжения жильцов. 3. Разработана схема подключения вентильно-индукторного электропривода циркуляционного насоса к существующей системе энергоснабжения оборудования на примере ЦТП аб. №04-04-0212/025 г. Москвы. 4. Проведен анализ энергосбережения разработанным электроприводом циркуляционного насоса на пяти тепловых пунктов г. Москвы, показавший среднюю экономию тепловой энергии 8,9%, электрической энергии - 56%. 107 Заключение Проведенное в диссертационной работе исследование влияния режимов работы электропривода циркуляционного насоса на тепловые потери в системе горячего водоснабжения позволило разработать алгоритм управления насосом, существенно снижающий потребление тепловой и электрической энергии на тепловых пунктах. При этом в работе были достигнуты следующие результаты: 1. Анализ крупного массива тепловых пунктов подтвердил необходимость разработки регулируемого электропривода насоса ГВС ориентированного на мощность электродвигателя до 7,5 кВт в циркуляционной схеме. 2. Разработана адекватная математическая модель функционирования циркуляционного контура системы горячего водоснабжения, позволяющая исследовать режимы тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки, внешних возмущающих факторов и скорости вращения электропривода циркуляционного насоса. Исследование на модели и эксперименты, проведенные для наиболее характерного теплового пункта г. Москвы с мощностью электродвигателя насоса 2,2 кВт, показали возможность уменьшения тепловых в системе ГВС при регулировании электропривода насоса от расхода потребляемой горячей воды без снижения комфортности водоснабжения у жильцов. 3. Разработан алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса с возможностью его адаптации к условиям конкретного ЦТП. Эффективность алгоритма управления была подтверждена на шести тепловых пунктах, а его реализация, осуществлена на базе вентильно-индукторного электропривода. Экономия составляет 7-9% тепловой и 60% электрической энергии от общей, потребляемой на ГВС.
Исследование контура горячего водоснабжения при уменьшении скорости вращения электропривода насоса
Ранее была показана структурная схема системы ГВС, построенная в среде SystemView (рис. 2.5) на примере реального теплового пункта. Для исследования алгоритма управления схема была дополнена выражением (4.4) с помощью элементов под номерами 58-60 (рис. 4.3). Элементам 58 и 60 присваиваются значения коэффициентов к и &ісоном соответственно. Элемент под номером 59 определяет вид линейной функции и имеет значение 1/(- 2гвСтах) В качестве максимального расхода горячей воды потребителями «Згвстах задано значение по режимной карте (таблица 2.4) равное 18 м/ч. Номинальной скорости вращения соном соответствует значение 303,7 с" из таблицы 2.2, а коэффициент к\ принят равным 0,7 исходя из проведенных ранее экспериментов на ЦТП, показавших избыточное значение циркуляционного расхода.
Задачей моделирования является подтверждение эффективности разрабатываемого алгоритма и сохранение качества тепло- и водоснабжения (температуры воды у водоразборных кранов). В качестве изменяемого показателя выбран настроечный коэффициент к.
На рис. 4.4 приведены суточные графики тепловых потерь при автоматическом регулировании со и двух значениях коэффициента к. Сравнение режима рис. 4.4,а, полученного при к=\ с режимом работы электропривода при номинальной угловой скорости по рис. 2.10,а показывает, что средняя потребляемая мощность на нагрев циркуляционной воды Рт.ц.ср снизилась на 35,6 кВт (185,8 и 221,4 кВт соответственно) или 16,1%. При более деликатном регулировании с коэффициентом =0,7 Ртл.Ср снизилась на 26,5 кВт (194,9 и 221,4 кВт соответственно) или 12 %.
При тех же коэффициентах на рис. 4.5,а (к=\) и 4.5,6 (=0,7) показана температура Т у водоразборных кранов. Как видно, для рассматриваемой системы ГВС при меньшем коэффициенте к влияние автоматического регулирования сказывается меньше, и в обоих случаях изменение температуры не превышает 0,5 С.
Аналогично исследовано влияние к\ и comin (4.4). Его результаты подтверждают отмеченную тенденцию: чем больше получаемая экономия тепловой энергии, тем большее влияние оказывается на температуру воды у жильцов. Это свидетельствует о том, что при наладке системы управления электроприводом следует уделять особое внимание выбору этих параметров.
Результаты исследований, представленные выше, позволяют выбрать следующие рекомендации по наладке регулируемого электропривода ГВС.
Для модернизации системы ГВС тепловых пунктов следует выбирать заведомо исправные объекты или иметь ввиду, что в процессе работ может появиться необходимость в гидравлической наладке циркуляционных колец (выравнивание гидросопротивлений). Например, наличие жалоб жильцов на температуру воды в ночное время при нормальной температуре подаваемой воды может служить признаком неполадок в домовом водопроводе. Представительным показателем качества горячего водоснабжения является температура воды у водоразборных кранов удаленного и самого высокого дома (диктующая точка). При наличии доступа к ней наладка осуществляется путем контроля температуры воды в несколько этапов: 1. Определяется коэффициент к\ (4.4) из условия сохранения температуры воды в ночное время (при минимальном водопотреблении). Таким образом, может быть установлено, например, что допустимо снижение угловой скорости электродвигателя с 303,7 с"1 (номинальная со„0м) до 212,6 с" (регулируемый режим). 2. Изменением коэффициента к (4.4) при одновременном контроле температуры воды в характерные отрезки времени суток подбирается такая его величина, при которой температура не выходит за границы нормативной. 3. При максимальном потреблении горячей воды 2гвс определяется comjn из тех же условий. Необходимо отметить, что наладка системы с новым алгоритмом управления является весьма ответственной процедурой, а её результаты необходимо контролировать не менее недели, включая выходные дни. При поступлении жалоб жильцов наладка требует повтора. При отсутствии доступа к характерным точкам системы ГВС наладка может производиться исходя из имеющегося опыта, а контроль за её результатами должен быть более длительным.
Реализация автоматической системы управления электроприводом циркуляционного насоса
Вопрос экономии энергии разрабатываемым способом непосредственно не связан с типом используемого регулируемого электропривода, поскольку основан на плавном регулировании скорости. При реализации нового способа одновременно решалась еще одна важная задача - промышленные испытания вентильно-индукторного электропривода (ВИП) как перспективного вида электрооборудования для зоны горячего водоснабжения [9].
Разработке вентильно-индукторного электропривода с самовозбуждением уделяется пристальное внимание в России и за рубежом. Основные принципиальные решения показаны в целом ряде работ [42-57], первые промышленные испытания описаны в [58-60], но широкого распространения этот перспективный электропривод еще не получил.
Испытуемый ВИП в составе вентильно-индукторного электродвигателя с самовозбуждением (ВИД) и импульсного преобразователя (ВИП-2,2) разработаны научными группами кафедры АЭП под руководством профессора Ильинского Н.Ф. Изготовление оборудования осуществлено в НИПТИЭМ г. Владимир, ООО «Энергосбережение», г. Пущено при участии и организующей роли 000 «ЦЕНТРТЕХКОМПЛЕКТ» и Московской объединенной энергетической компании (ОАО «МОЭК»). Разработка ВИП находится вне рамок данной работы.
При модернизации системы ГВС средствами регулируемого электропривода осуществляется замена одного из двух электродвигателей циркуляционных насосов на регулируемый вентильно-индукторный электропривод, а другой оставлен без изменений в качестве резервного. На рис. 4.6 показана блочная схема основных составляющих автоматической системы управления с указанием взаимосвязей между блоками. Схема состоит из вентильно-индукторного электродвигателя (ВИД), импульсного коммутатора ВИП-2,2, станции группового управления (СГУ) электроприводами циркуляционных насосов. Измерение расхода горячей воды С?гвс осуществляется электромагнитным расходомером с преобразованием его в электронном блоке в токовый сигнал. Дополнительно для измерения количества потребляемого тепла, расходуемого на нагрев холодной воды и восполнение тепловых потерь в циркуляционном контуре, в систему ГВС включены электромагнитный расходомер в обратном трубопроводе, датчики температуры воды подаваемой на дома Твс, в обратном трубопроводе Г0бр и забираемой из городского водопровода Т.
Импульсный коммутатор ВИП-2,2 (рис.4.7) является главным звеном в управлении электроприводом. Он обеспечивает питание фаз ВИД (рис. 4.8) в соответствии с заложенным алгоритмом управления. Работа ВИД без коммутатора невозможна, поэтому в случае выхода его из строя ВИД не может быть подключен к сети. Информация о состоянии ВИП и управление его работой, в том числе и изменение коэффициентов по (4.4), осуществляется с пульта управления, выведенного на внешнюю панель СГУ (рис. 4.9). К доступным для наблюдения показателям на пульте управления относятся: текущая частота вращения электродвигателя насоса ГВС, об/мин; текущая активная мощность, Вт; расход горячей воды, м /ч; активная мощность фазы А, Вт; активная мощность фазы В, Вт; действующее значение тока фазы А, А; действующее значение тока фазы В, А. Станция группового управления осуществляет распределение подводимого напряжения от одного из двух вводов трехфазной силовой сети между электроприводами насосов ГВС и обеспечивает защиту их при повышении тока в сети. Кроме того, СГУ позволяет осуществлять переключение между электроприводами в ручном режиме. Фрагмент схемы подключения ВИП из проекта модернизации ЦТП аб. № 04-04-0212/025 (г. Москва, ул. Вешняковская, д.26, к.2, стр.3), в выполнении которого автор принимал непосредственное участие, показан на рис. 4.10. Особенностью схемы электропитания является использование двух вводов, к каждому из которых подключен один электропривод. Такое решение совместно с автоматическим включением резервного насоса при выходе из строя основного обеспечивает надежное тепло- и водоснабжение. Принципиальные электрические схемы, спецификация оборудования и схемы внешних соединений показаны в Приложении 2.
Пример установки энергосберегающего электропривода мощностью 2,2кВт на том же самом ЦТП показан на рис. 4.11. Как видно, объем монтажных работ минимален и заключается в установке. трех самостоятельных изделий на свободных площадях.
