Введение к работе
Актуальность темы. Предметом диссертации являются насущные проблемы ЖКХ, непосредственно относящиеся к жизнеобеспечению населения города и его производственной сферы - обеспечение водой и теплом. Теплоснабжение такой северной страны как Россия, 80% территории которой находится в холодной климатической зоне, относится к числу важнейших приоритетов государственной экономической и энергетической политики, и повышение его надежности, качества и экономичности является безальтернативной задачей. Любые сбои в обеспечении населения теплом негативным образом воздействуют на экономику страны и создают социальную напряженность.
Тема энергоэффективности и энергосбережения в настоящее время постоянно обсуждается в мировом энергетическом сообществе. Для России она особенно актуальна ввиду высокой удельной энергоемкости экономики, основными причинами которой являются климатические условия и сложившаяся структура производств. «Энергетическая стратегия России до 2020 года» оценивает потенциал энергосбережения в жилищно-коммунальном комплексе как 26% от имеющегося в стране, а ее стратегическими целями, относящимися к данной работе, являются:
надежное снабжение теплом и водой предприятий экономики и населения страны;
повышение эффективности функционирования и обеспечение устойчивого развития отрасли на базе новых современных технологий;
снижение вредных выбросов от энергоисточников в окружающую сре-ДУ-
Мировой опыт последних 15-20 лет показывает, что наряду с множеством
путей энергосбережения в тепло-водоснабжении, одним из эффективных решений является сокращение потерь мощности, потребляемой многочисленными насосными и вентиляторными установками, оснащенными асинхронным электроприводом. Исключение дросселирования механическими устройствами не только экономит электроэнергию, но и обеспечивает многие важные технологические возможности.
В водопроводно-канализационном хозяйстве в настоящее время успешно решаются задачи ресурсо- и энергосбережения. Здесь уже давно используются мощные регулируемые электроприводы, обеспечивающие рациональную организацию технологического процесса и экономию электроэнергии.
Иначе до недавнего времени обстояло дело в топливно-энергетическом хозяйстве и в системе доставки воды потребителям. Характерная для России система централизованного тепло-водоснабжения охватывает 72% всего объема производства тепла, а жилой фонд в большинстве крупных городов обслуживается ею на 95%. В этой отрасли широко использовались энергетически неэффективные способы управления технологическими переменными (напором и расходом воды и пр.) при простейших нерегулируемых электроприводах. До недавнего времени вопросам ресурсо- и энергосбережения в тепловодоснабже-нии населения должного внимания не уделялось, наблюдалось отставание в
производстве энергосберегающего оборудования и, в частности, силовой электроники. Это обусловливало недостаточные темпы реализации энергосберегающих мероприятий при производстве, транспортировке и распределении тепловой энергии и холодной воды.
С середины 90-х годов прошлого века стала очевидна необходимость проведения исследований и разработок, направленных на реконструкцию многочисленных электроприводов, работающих в теплоэнергетическом комплексе
- на тепловых электростанциях, на ЦТП и других объектах. Нужно было пере
ходить от теоретически очевидных представлений о пользе регулируемого
электропривода в сравнении с нерегулируемым к решению множества разно
плановых задач, объединенных общей идеей энерго-ресурсосбережения и по
вышения технического и технологического уровня оборудования и осуществ
ляемых им процессов.
К этим задачам, которыми в течение последних 14-ти лет занимался автор, относилось совершенствование электроприводов дутьевых вентиляторов и дымососов котлов, сетевых, рециркуляционных и подпиточных насосов тепло-станций, повысительных насосов центральных тепловых пунктов. Современный регулируемый электропривод позволяет решить актуальную задачу перехода к автоматическому регулированию тепловодяного баланса теплостанции и показателей отпускаемого теплоносителя в зависимости от погодных условий и теплопотребления населением города.
Регулируемый электропривод позволяет по-новому решать актуальные задачи повышения эффективности использования топлива и снижения количества вредных выбросов в атмосферу, зависящих от соотношения воздух-газ, подаваемых в горелки.
Для широко применяемых многогорелочных водогрейных котлов, тепло-производительность которых до недавнего времени регулировалось только количеством включенных горелок, применение группового регулируемого электропривода дутьевых вентиляторов потенциально обеспечивало новое качество
- непрерывное регулирование с расширением диапазона в сторону уменьшения
тепловой мощности. Благодаря этому возможно решение актуальной задачи из
бытка тепловой мощности и перегрева теплосетей в летний период, что одно
временно обеспечивает экономию газа и электроэнергии.
Некоторые проблемы приобретали актуальность в процессе освоения новой техники. Одна из них - надежность тепло-водоснабжения и безостановоч-ность работы теплостанции при внедрении частотно-регулируемого электропривода ответственных механизмов, или - в более общей форме - проблема устойчивости технологического процесса непрерывных производств в условиях кратковременных нарушений электропитания.
Переход от единичных к массовым внедрениям энергосберегающих технологий в системах, подающих холодную и горячую воду и тепловую энергию непосредственно жителям, сделал необходимым обоснование его фактической эффективности посредством экспериментально-статистического анализа на примере больших городских массивов, обобщение опыта единичных внедре-
ний, разработку и организацию серийного производства комплектного объектно-ориентированного регулируемого электропривода, используемого на ЦТП.
Решению отмеченных проблем посвящены исследования и разработки, обобщенные в диссертации и определяющие ее актуальность.
В диссертации представлены также проблемы, не нашедшие до настоящего времени исчерпывающих решений, но представляющие значительный интерес в контексте общей большой проблемы энерго- ресурсосбережения в ЖКХ больших городов средствами электропривода. Это совершенствование воздушного отопления общественных зданий посредством использования второго канала - регулирования расхода воздуха электроприводом вентилятора, экономия воды и тепла посредством нового электропривода в системах горячего водоснабжения, совмещение функций насосов пожарных и холодного водоснабжения и т.п.
Работа опирается на достижения отечественной школы электроэнергетики и электропривода (Шакарян Ю.Г., Лабунец И.А., Мамиконянц Л.Г., Они-щенко Г.Б., Юньков М.Г., Лезнов Б.С.) по внедрению мощного регулируемого электропривода на котлоагрегатах энергоблоков и других ответственных объектах.
Предпосылкой внедрения энергосберегающих технологий в жилищно-коммунальное хозяйство города явились техническое обоснование и разработка направлений по применению регулируемого электропривода насосов, выполненные Ильинским Н.Ф., Лезновым Б.С, Чистяковым Н.Н., а также создание в МЭИ в начале 90-х годов демонстрационных версий нового электропривода в системах водоснабжения корпусов МЭИ и соседних зданий (Кудрявцев А.В., Сарач Б.М.). Развитием этих работ послужило создание серий отечественных преобразователей частоты, не уступающих современным зарубежным образцам (Остриров В. Н., Козаченко В.Ф.). Побудительным мотивом служило поощрение мероприятий по энерго- и ресурсосбережению, исходившее от руководства отраслью г. Москвы.
Практическая часть работы выполнена на теплоэнергетических объектах Московской объединенной энергетической компании.
Цель работы - энерго- ресурсосбережение в топливно-энергетическом хозяйстве города на всех этапах производства, транспортировки и распределения тепловой энергии и подачи воды потребителям посредством современного регулируемого электропривода механизмов, осуществляющих технологические процессы, и повышение на этой основе технического уровня энергетического оборудования и надежности тепло-водоснабжения потребителей города.
Для достижения этой цели решаются следующие задачи.
1. Анализ основных электроприводов системы тепло-водоснабжения с оценкой возможного эффекта энерго- ресурсосбережения, степени ответственности и технологической потребности в регулировании. Обоснование для каждой группы механизмов целесообразности перехода к регулированию частоты вращения и, соответственно, технологических показателей, связанных с ней. Разработка технических требований к регулируемым электроприводам различ-
ных категорий ответственности по критериям энергосбережения, надежности и бесперебойности тепло-водоснабжения.
-
Создание и внедрение автоматизированных систем управления тепловыми процессами на основе современного регулируемого электропривода с целью улучшения технологии, экономии топлива и повышения экономических и экологических показателей при выработке тепловой энергии.
-
Исследование ответственных частотно-регулируемых электроприводов, обслуживающих непрерывные производства, в условиях кратковременных нарушений электропитания и разработка мероприятий по минимизации влияния этого фактора на технологию. Экспериментальные исследования опытного образца на сетевом насосе в опытно-промышленной эксплуатации.
-
Развитие и практическая реализация при массовом внедрении идеи комплектного объектно-ориентированного энергосберегающего регулируемого электропривода с целью минимизации индивидуальных проектных решений, организации серийного производства оборудования, сокращения затрат на сервисное обслуживание. Модернизация алгоритмов управления энергосберегающих частотно-регулируемых электроприводов на ЦТП и разработка организационно-технических мероприятий при массовом внедрении.
-
Постановка задач для развития перспективных направлений энерго- и ресурсосбережения в коммунальном хозяйстве.
Методы исследований. В работе использованы базовые положения теории автоматического управления, автоматизированного электропривода и электрических машин, силовой электроники, математической статистики, моделирования.
Стационарные и медленные процессы на тепловых станциях исследовались посредством длительных наблюдений и экспериментов без ущерба комфортности населения.
Быстротекущие процессы изучались посредством физического моделирования, использованием результатов математического моделирования, исследовались экспериментально с применением современных средств измерения и регистрации.
Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий на ЦТП при их массовом внедрении осуществлялась посредством статистического анализа на примере крупных городских районов.
Все новые алгоритмы и структуры управления отлаживались на промышленных объектах или опытно-промышленных образцах в производственных условиях теплоэнергетического комплекса Москвы. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждалась сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов.
Научные положения, выносимые на защиту
1. В результате критического анализа групп электроприводов в основных системах тепло-водоснабжения жилищно-коммунального хозяйства города с учетом потенциала энерго- и ресурсосбережения и технологической потребности в управлении режимами технически и экономически обоснована необходимость перехода к регулируемым электроприводам, используемым при выработ-
ке, транспортировке и распределении тепловой энергии и подачи воды потребителям. Определены и сформулированы технические требования к электроприводам агрегатов, обслуживающих генераторы тепловой энергии, магистральные и распределительные сети, тепловые пункты - узлы подготовки и доставки тепловой энергии и воды непосредственно потребителю в части их функциональных возможностей и эксплуатационной надежности по обеспечению бесперебойного тепло-водоснабжения.
-
Разработаны принципы использования регулируемых электроприводов при переходе от традиционно используемого ручного регулирования качества сгорания газа в топке котлов на автоматическое в целях экономии газа и улучшения экологической ситуации за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу, состоящие в обеспечении требуемого соотношения «воздух-газ», подаваемых в горелки, с учетом физических характеристик дутьевого воздуха, условий формирования общего факела и состава дымовых газов.
-
Теоретически и экспериментально исследована проблема избыточности тепловой мощности летнего режима в тепловых сетях при использовании мно-гогорелочных водогрейных котлов (до 16 горелок) и обоснована эффективность применения регулируемого группового электропривода дутьевых вентиляторов в сочетании с соответствующим изменением расхода газа, что позволило расширить диапазон изменения тепловой мощности котлов и перейти от дискретного к непрерывному регулированию.
-
Предложен способ оптимального регулирования характеристик отпускаемой станцией тепловой энергии, состоящий в параллельной работе нерегулируемых котлов (базовая тепловая мощность) с регулируемым котлом, тепловая мощность которого изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха и теплопотребления. Разработан алгоритм, позволяющий реализовать способ с применением регулируемого электропривода дутьевых вентиляторов и дымососа. Установлено, что одновременное управление подачей газа и воздуха в горелки и регулирование разрежения в топке котла обеспечивает оптимальные условия горения топлива и регулирование основного показателя отпускаемой тепловой энергии - температуры сетевой воды.
-
Выявлены причины негативных явлений, сопутствующих применению энергосберегающего частотно-регулируемого асинхронного электропривода ответственных механизмов теплостанций, состоящие в несоответствии уставок времени аварийных защит и возможностей преобразователей частоты по перезапуску в условиях кратковременного нарушения электропитания, и приводящие к остановке всех работающих котлов и прекращению циркуляции теплоносителя в районе теплосетей (сетевые насосы), групп котлов (циркуляционные насосы) или отдельных котлов (дутьевые вентиляторы и дымососы). Определены пути преодоления негативных явлений, в частности, за счет использования нового вентильно-индукторного электропривода с секционированным электропитанием.
-
Теоретически и экспериментально обосновано усовершенствование алгоритма управления частотно-регулируемым электроприводом массовых насосов холодного водоснабжения ЦТП, состоящее в изменении уставки на напор,
развиваемый насосом, в функции общего расхода, что обеспечивает дополнительную экономию электроэнергии и воды до 10 % без снижения комфортности водоснабжения.
7. Статистическим анализом эффективности и обобщением опыта внедрения регулируемого электропривода насосов на ЦТП обоснована техническая политика перехода к массовому внедрению энерго- ресурсосберегающих решений - использование комплектных объектно-ориентированных частотно-регулируемых электроприводов насосов совместно со станциями группового управления и встроенными системами связи и диспетчеризации.
Практическая ценность работы и реализация результатов. 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-водоснабжения.
Разработанные алгоритмы управления котлоагрегатом, оснащенным регулируемым электроприводом дутьевых вентиляторов и дымососов, внедрены при личном участии автора на 21-м котле в шести районах тепловых станций и сетей Москвы: Строгино, Рублево, Матвеевская, Кунцево, Крылатское, Отрадное. Осуществлено поэтапное наращивание функциональных возможностей -регулирование режима горения, тепловой мощности, температуры сетевой воды. Это обеспечивает замену ручного управления на автоматическое; экономию газа до 2% (в летний период до 4,8%) и электроэнергии до 30%; улучшает экологическую ситуацию за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу; исключает перегрев теплосети в летний период или преднамеренный останов котлов, позволяет всесезонно автоматически регулировать температуру теплоносителя в зависимости от погодных условий.
Основные принципы регулирования, апробированные на локальных системах управления, использованы в комплексных системах автоматического управления, внедряемых другими организациями при реконструкциях тепло-станций.
Рекомендации по совершенствованию схемных решений и алгоритмов по минимизации влияния кратковременных нарушений электропитания на работоспособность теплостанций с уже эксплуатируемыми высоковольтными регулируемыми электроприводами использованы на десяти районных теплостанциях Москвы. Они использовались при разработке введенных в эксплуатацию в 2007г. электроприводов сетевых насосов, дымососов и дутьевых вентиляторов РТС «Жулебино». Ввиду общности проблемы качества электроснабжения эти рекомендации могут быть полезны и для других непрерывных производств.
Принцип электропитания ответственных регулируемых электроприводов одновременно от двух вводов подтвержден опытно-промышленной эксплуатацией вентильно-индукторного электропривода, внедренного на сетевом насосе районной теплостанций «Коломенская», и использован на дутьевом вентиляторе и дымососе котла РТС «Жулебино».
Статистической оценкой ресурсо- и энергосбережения в системах тепло-водоснабжения крупных городских массивов подтверждена эффективность
реализованной идеи использования комплектного объектно-ориентированного регулируемого электропривода на центральных тепловых пунктах: экономия электроэнергии - 36%, воды - 12%, тепла - 6%. Разработанные принципы применены при организации серийного производства преобразователей частоты и станций группового управления на этапе массового внедрения энергосберегающих технологий при модернизации нескольких тысяч центральных тепловых пунктов Москвы. С использованием полученных в диссертации научных результатов разработана Программа внедрения энергосберегающих технологий в топливно-энергетическом хозяйстве г. Москвы.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (Санкт-Петербург, 2007г.), ежегодных научно-практических семинарах кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (2005-2007 гг.), конференциях и выставках энергосберегающего оборудования «Москва - энергоэффективный город» (2001 г., 2002 г.), научно-техническом совете Департамента топливно-энергетического хозяйства (ДепТЭХ) г. Москвы по вопросам эффективности энергосбережения и технологической целесообразности применения высоковольтного частотно-регулируемого электропривода механизмов те-плостанций (2004 г.), научно-технических советах Управления топливно-энергетического хозяйства (УТЕХ) г. Москвы по вопросам энергосбережения (2002г, 2003г.), научно-технических советах Московской объединенной энергетической компании по вопросам обобщения имеющегося опыта внедрения энергосберегающих технологий на ЦТП и определения объема модернизации при массовом внедрении (2005г.) и по результатам опытно-промышленной эксплуатации вентильно-индукторного электропривода сетевого насоса (2007г.), научно-техническом совете ГУЛ «Мостеплоэнерго» по вопросу бесперебойной работы теплостанций при нарушении электропитания (2004г.), технических совещаниях по проблемам массового внедрения энергосберегающих технологий в ГУП «Мосгортепло» (2005г.), технических совещаниях по выполнению постановления Правительства Москвы № 672-ПП «О городской программе по энергосбережению на 2004-2008 гг. и на перспективу до 2010 года» в районах тепловых станций и сетей ТСиС г. Москвы (2000-2007гг.).
Публикации. Результаты работы изложены в 14-ти научно-технических статьях, защищены 10-ю патентами Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, списка литературы из 168 наименований и приложений. Ее содержание изложено на 290 страницах, проиллюстрировано 76 рисунками и 19 таблицами. В приложениях приведены документы, регламентирующие технологический процесс производства тепловой энергии и подачи потребителям воды и тепла, примеры схемных реализаций разработанных систем регулирования, экспериментально-статистическая оценка эффективности технических мероприятий и акты внедрения.
