Введение к работе
Актуальность и народно-хозяйственная значимості проблемы.
В комплексе программных задач по производству хлопка-сырца и других сельскохозяйственных культур в Узбекистане и в целом в Среднеазиатском регионе важное место принадлежит "елиорацы земель за гчет машинного орошения. По объеь/ зі зргопотребления насосі .je станции систем машинного прошения (НССМО; являются одним из энергоемких объектов в регионе с потреблением электроэнергии порядка І7Ж от "общего количества потребляемой электроэнергии республикой.
Анализ состояния электропотребления НСМО показывает наличие значительных резервов экономии электроэнергии, достигающее в среднем до 10%, а в отдельных случаях до 18% взависимости от конструктивных особенностей насосных станций и их назначения.
Ирригация Узбекистана в процессе своего длительного развития сформировалась в сложную многоотраслевую инженерную систему, . обеспечивающую водой народнохозяйственный комплекс республики, который включает в себя более 200 крупных оросительных систем, более 30 водохранилищ, гидротехнические сооружения, более 1300 насосных станций (НС) и 9000 скважин вертикального дренажа.
Расход электроэнергии по насосной станции в основном (97%) идет через электропривод насосов, на собственные нужды идет порядка 3%.
Одним из основных показателей работы НО является удельная норма расхода электроэнергии на перекачку воды,, которая в среднем по республике составляла 149,5 кВт. час/тыс. и. куб , при разбросе ее по отдельным НС от 254,6 до 24,4 кВт. час/тыс. м. куб. Из-за несовершенства методики расчета энергоемкости и иорм расхода электроэнергии эти показатели отличаются в несколько десятков раз по каждой НС. - :
Анализ графика водоподачи по НС показывает, что имеет место расхождение между графиком водоподачи и возмог гостью НС порядка на 15-20. что зедет к перерасходу электроэнергии и оросительной воды, в случае не покрытия графика водоподачи - недодачи необходимого количества оросительной воды.
Перспективным направлением решения данной проблемы является разработка и совершенствование управления режимами НС на базе автоматизированного электропривода. При этом развитие автоматизированного электропривода НС должно решать задачи, связанные с управлением режимами работы насосных станций по обеспечению за-
_ 4 _
денного расхода воды, снижению энергоемкости и удельных энергетических затрат, которые для оросительных НС весьма велики.
В этих условиях задача построения рациональь^х структур управления насосными станциями оросительных систем средствами электропривода с учетом законов и способов воздействия на технологический процесс, должна рассматривался как специфическая задача, решаемая как дальнейшее развитие управления режимами функционирования НС, основного энергосилового оборудования - электропривода и их средств по обеспечению более полного соответствия требованиям эффективной работы производственных машин, агрегатов и технологических комплексов, а именно насосных станций систем машинного орошения.
Вышесказанное позволяет сделать вывод о том. что в диссертационной работе решается актуальная проблема по разработке теории и принципов управления режимами электрических насосных станций и построения автоматизированного электропривода НС систем машинного орошения, . имеющая важное народнохозяйственное значение.
Цель работы и задачи исследования.
Основной целью работы является существенная экономия электроэнергии в одной из энергоемких объектов республики - насосных станций систем машинного орошения на основе комплексного исследования и анализа режимов работы насосных станций, их энергетической эффективности (энергоемкости), удельного расхода электроэнергии, гидрознергосилового оборудования путем создания и разработки теории, алгоритмов, моделей и совершенствования режимов управления насосных станций средствами автоматизированного электропривода , позволяющих эффективно экономить электроэнергию (решение одной из задач энергетической программы по энергосбережению) .
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
а) Определить энергоёмкость оросительных НС, обобщение эф
фективных энергосберегающих режимов насосных станций и определе
ние путей их реализации.
б) Обоснование научно-обоснованных норм расхода электроэ
нергии на единицу объема перекачиваемой воды.
в) Разработка обобщенных статических математических моде
лей системы "двигатель-насос-трубопровод" и критерий оценки
энергетических процессов в них.
г) Разработка обобщенной динамической модели системы "дви-
гатель-насос-трубопровод" без учета и с учетом упругости напорного трубопровода.
д) Разработка рациональных структур автоматизированных электроприводов, реализующих рациональное управление технологическими процессами насосной станции, их выбор с определением законов управления.
е) Разработка способов управления режимами НС и их реализация. Положения, выносимые на защиту.
-
Режимы энергосбережения и их составляющие, обеспечивающие эффективное энергосбережение в энергетической системе, включающей энергогидросиловое оборудование "двигатель-насос" как класса турбомеханизыа в системе оросительных НС машинного водоподъема.
-
Обобщенные энергосберегающие режимы электромеханического преобразования энергии в системе "двигатель-насос" и их обобщенные показатели.
-
Обобщенные математические модели по определению энерго-еі*ФСїи (энергопотребления) насосных станций, методология научно-обоснованных норм расхода электроэнергии.
-
Обобщенные электродинамические модели системы "двигатель-насос-напорный трубопровод" с учетом и без учета упругости напорного трубопровода.
-
Структуры автоматизированных электроприводов, реализующих рациональные режимы технологического процесса работы насосных агрегатов с учетом конструктивных и технологических параметров системы "двигатель-насос-напорный трубопровод" и насосной станции.
-
Критерии управления режимами работы насосных станций, алгоритмы и программы их реализации.
Методы исследования.
При исследовании статических и динамических режимов, решении задач оптимального управления, определении законов частотного управления электроприводом, было использовано математическое моделирование с помощьо ЭВМ, основу которых составляют взаимосвязанная совокупность математических и физических моделей, адек^ ватно отражающих исследуемые процессы в системе "двигатель-на* сос-трубопровод" в различных режимах. Выбор математических и электродинамических моделей определялся целью исследований и характером изучаемых процессов.
Математические подели электромеханических режимов частотного асинхронного электропривода и частотного разгона синхронно^
го электропривода включают в себя системы дифференциальных уравнений.
За основу метода решения системы уравнений взят метод Рун-ге-Кутта.
В работе использованы методы симметричных составляющих, многофакторкого планирования эксперимента, теория оптимизации, методы линейного целочисленного программирования.
Теоретические положения проверялись методом экспериментального исследования в физических моделях, опытных образцах и Натурных экспериментах.
Научная новизна работы.
1. Разработаны и обобщены режимы энергосбережения и их составляющие, обеспечивающие эффективное энергосбережение в энергетической системе, включающей энергогидросиловое оборудование "электродвигатель-насос" как класса турбомеханизма в системе насосных станций машинного орошения.
-
Выявлены определяющие параметры критерия энергетической эффективности процесса электромеханического преобразования энергии в системе "электродвигатель-насос-трубопровод", дающие возможность выбирать соответствующий регулирующий конструктивный или технологический параметр при их выборе или проектировании насосных агрегатов и насосной станции в целом.
-
Разработана и научно обоснована статическая модель системы "двигатель-насос-трубопровод" с учетом конструктивных и рекшгмх параметров энергосилового оборудования насосной станции, позволяющая определять энергоемкость, удельные нормы расхода электроэнергии, прогнозировать и определять техническое состояние энергосилового оборудования.
-
Разработаны, электродинамические модели системы "двига-тель-наСос-трубопроБод" с учетом и без учета гидравлического удара, позволяющие исследовать систему "двигатель-насос-трубопровод" в динамических режимах.
-
Обоснованы и разработаны рациональные алгоритмы и параметры . управления насосными агрегатами и насосной станции в целом, с учетом обеспечения заданного графика волоподачи. минимизации расхода электроэнергии на единицу объема перекачиваемой воды, обеспечения максимума водоподачи при ограничениях технологических параметров системы "подводящий канал-насосная станция".
-
Обоснованы и разработаны рациональные варианты регулируемых электроприводов для конкретных типов насосного оборудования, с учетом мощности насосного агрегата, конструктивных осо-
бенностей напорных трубопроводов, назі.ачсния насосных станций, высоты водоподъема и других отличающих технологических и и коне-, труктивк. :х параметров сист-шы.
Практическая ценность работы состоит в том. что осущест
влено комплексное решение научно-технической проблемы разработки
управ, ,>ния энерго- и водосберегащими режимами электрических на
сосных о;анций ороси~'2/'ъных ' сие эм на базе автоматизированных -
эл^кгропризодог переменного тока. - . ;
Совокупность полученных . теоретических ' и практі. ієских ре
зультатов позволили решить ряд важных задач, связанных с опреде
лением научно-обоснованных нори расхода электроэнергии по уров
ням планирования насосная станция - Минводхоз РУ, критерии уп
равления насосными станциями, обеспечивающих заданный график оо-
доподачи, минимум расхода электроэнергии на единицу объема пере
качиваемой воды, максимум водоподачи при ограничениях технологи-,
ческих параметров системы: принципы построения автоматизирован
ных насосных станций с использованием средств автоматизированных
электроприводов; ...
рациональные структуры автоматизированных электроприводов, реализующих оптимальное управление технологическим процессом водоподъема насосной станции; с учетом конкретного вида насосного оборудования, типа и мощности насосного агрегата, конструктивных особенностей напорных трубопроводов и других отличающихся технологических и конструктивных параметров системы;
апгоритш комплексного управления насосной станцией и электроприводов на базе микро ЭВМ с учетом особенностей гидросилового оборудования в системах машинного водоподъема, обеспечивающих управление насосными станциями по заданным критериям.
Реализация результатов работы.
Результаты научных исследований и практические рекомендации использованы в разработках; : '
методических указаниях по нормированию удельных норм расхода электрической энергии и прогнозированию „нергопотреблеГ.ня насосными станциями, каскадами насосных станций, скважинами и по уровням планирования-, . с алгоритмами и программным обеспечением на ПЭВМ IBM; . .
научно-обоснованных удельных нормах расхода электрической энергии по насосным станциям и Скважиниым насосным установкам по урогпям планирования министерства ыелиорации и водного хозяйства: Республики Узбекистан; "-.;.,_ ;
рекомендациях по оптимизации технологических процессов.
ьодоподачи и эксплуатации гидроэ! зргетического оборудования каскада насосных станций им. 60-летия Октября, позволяющих экономить электроэнергию, расширить диапазон подач насосов при поагрегат-ном регулировании производительности насосных станций, повысить эксплуатационные показатели надежности гидросилового оборудования;
опытно-произвЗдственной уста"овки систем- электропривод регуляторов расхода и построения автоматизированной системы во-дораспределения, позволяющей улучшить режимы работы насосных станций, снизить непроизводительные потери воды, уменьшить расход электроэнергии за счет поддержания требуемых значений уров-ней нижних бьефов ГНС-2 и ГНС-3;
рекомендациях по выбору оптимальных режимов работы насосных станций Карпинского магистрального канала с учетом узлов во-довыдела в Ульяновский канал, рабочую часть и Талимарджанское водохранилище; каскаде насосных станций им. "60-лет Октября", насосных агрегатов ДВГНС; насосных станций Аму-Бухарского машинного канала;
опытной установки расходомеров на насосных станциях Аму-Бухарского машинного канала. Голодностепская-1 каскада Го-лодностепских'насосных станций и уровнемеров;
опытных установок системы регулируемого двухдвигательного асинхронного роторно вентильного каскада для параллельно включенных насосных агрегатов; частотноуправляеыых электроприводов с системой регулирования типа СЛС-4000 для медленного вращения и точного останова синхронных двигателей мощностью 5-12,5 мВт, тиристорного преобразователя частоты для плавного регулирования производительности насосных агрегатов.
Результаты работы используются в учебном процессе при чтении спец. курса "Автоматизированный электропривод типовых промышленных механизмов", ведение курсовых и дипломных проектов длл студентов специальности "Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов" ТашГТУ, а также в учебных курсах "Автоматизация насосных станций и контрольноизме-рительные приборы" и "Полупроводниковые системы возбуждения синхронных двигателей насосных агрегатов" для студентов специальности "Электроснабжение сельского хозяйства" ТИШМСХ. Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на У конгрессе ИФАК, Париж, Франция, июнь 1972 г., на Всесоюзном научно-техническом семинаре
по электрификации районов интенсивного земледелия. Ташкент. 1976 г.. на научно-технической конференции "Автоматизация с применением электрических устройств и автоматизированное управление производственными процессами в отраслях народного хозяйства". Ташкент, 1978 г., на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода, силовых полупроводных приборов и преобразователей на их основе. Ташкент, 1979 г., на II Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУП", Ташкент, 1980,1885 гг., на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами", Тольятти, 1982 г., на Республиканском научно-техническом совещании ""Электрификация и автоматизация технологических процессов орошения, возделывания, уборки и переработки хлопка-сырца", Ташкент. 1982 г.. на X Всесоюзном совещании
. по проблемам управления, Алма-Ата,1986 г., на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы оптимизации работы автоматизированных электроприводов", Ленинград. 1986 г.', на I Всесоюзной
. конференции по теоретической электротехнике, Ташкент. 1987 г., на национальной научно-технической конференции с международным участием "Автоматизация и элсктрозадвиживанията технологичните процессы АЕЗТП"87, Болгария, Пловдив, 1987 г., Варна 1990 г.,на научно-технической конференции "Совершенствование хозяйственного механизма в области экономии и повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов", Москва, 1987 г., на совещании в Министерстве мелиорации и водного . хозяйства СССР, Москва, 05.08.1988 г.. на VIII научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", Свердловск, 1989 г., на научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения и эффективность экономики региона", Ленинград, 1990 г., в отделении механики, процессов управления н информатики АН РУЗ, Ташкент, 10.07.1990 г.. на семинаре-совещании ученых оноргетиков УзССР с энергетиками ведущих предприятий Узбекской ССР. Ташкент, 12-14.12.1990 г., на научно-технической конференции "Проблемы стандартизации в энергетике и энергосбережении", 23-25 апреля 1991 г.. Киев, на Республиканской научно-технической конференции "Кишлок хужалиги ишлаб чикаривда энергоресурелардан самарали фойдаланиш" 25-27 ноября 1993 г., на объединенном научном семинаре института энергетики и автоматики АН и энергетическом центре ТашГТУ им. А. Р.Беруни в секции электромеханика "Состояние и проблемы энергосбережения в
электромеханических системах" январь 1994 г.
Публикация,
Основное содержание диссертации опубликовано в 62 печатных работах, опубликованных в международных, центральных и республиканских журналах в том числе в 3 монографиях, 20 статьях, 18 авторских свидетельствах и патентов, методическом указании "по нормированию удельных норм расхода электрической энергии и прогнозированию энергопотребления насосньши станциями, скважинами и по уровням планирования" и 19 публикаций в других изданиях.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем работы без списка литературы, приложении, рисунков и таблиц составляет 235 стр.
