українська english < ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ
Магистр ДонНТУ Плис Павел Сергеевич

Плис Павел Сергееевич

Электротехнический факультет
Специальность: Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Тема выпускной работы:

Разработка законов управления производительностью механизмов аэрогидродинамической группы в условиях ДМЗ

Научный руководитель: Борисенко Владимир Филиппович

Материалы по теме выпускной работы:

               Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Введение

        Традиционные способы регулирования подачи насосной станции (НС) – дросселирование напора заслонокой, изменение числа работающих одновременно агрегатов – энергетически невыгодны, потому что до 30% потребляемой энергии нерационально тратится на потери энергии в дросселирующем органе, образование избыточных напоров в сети. Большинство электродвигателей НС работают в нерегулируемом режиме, а значит с низкой эффективностью. В связи с недостатками проектирования и эксплуатации электропривода коэффициент загрузки многих машин не превышает 50%, что показывает необходимость снижения установленной мощности двигателей. Работа привода в незагруженном режиме ведет к большим потерям. В таких условиях оптимизация работы НС как по технологическим требованиям, так и при условиях сохранения высокого КПД возможна только при регулировании скорости вращения рабочего колеса насоса. Применение систем регулированного электропривода позволяет плавно изменять рабочие параметры НС без непродуктивных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологического процесса. Позволяет увеличить долговечность трубопроводов и оборудования за счет снижения статических и динамических нагрузок от чрезмерного давления, уменьшить размеры насосных станций за счет увеличения и уменьшения числа насосных агрегатов. Несмотря на важность насосных установок, им уделяется мало внимания в плане их совершенствования, уменьшения энергетических затрат и т.п. В данный момент НС – один из наиболее энергоемких потребителей во всем хозяйственном комплексе.

Обзор исследований по теме

        В качестве примера рассмотрим насосную станцию с тремя насосами (рис.1). Из питающей магистрали 1, давление в которой колеблется в диапазоне от 1 до 2,5 атм, насосы Н, Н2, Н3 перекачивают воду в напорную магистраль 2. По условиям технологического процесса предприятия давление в напорном коллекторе станции должно поддерживаться на уровне 8 атм. При этом первый насос обеспечивает подачу в диапазоне 30 м3/ч≤Q≤90 м3/ч (0,3QH≤Q≤0,9QH), причём регулирование производительности осуществляется за счёт дросселирования (задвижки) в напорной магистрали, что приводит к значительным потерям энергии [1].

Рисунок 1 – Упрощенная схема насосной станции

        При существенном росте потребления воды (свыше 0,9QH ) включается второй насосный агрегат и оператор с помощью задвижек ЗК1-ЗК3 с ручным приводом устанавливает необходимое значение давления нагрузки в магистрали и параллельно выравнивает нагрузку насосных агрегатов Н1 и Н2. Такая «ручная автоматика» вступает в действие каждый раз при очередных повышениях и понижениях давления. Насос Н3 – резервный, он включается в случае выхода из строя Н1 или Н2. На нагнетающем трубопроводе установлены: РДМ – реле давления магистральное, предназначенное для автоматизации работы установки; РМ – расходометр, контролирующий поток перекачиваемой воды. Отличительной особенностью рассматриваемой группы механизмов являются облегченные условия их пуска. Эти механизмы как в нормальных условиях, так и после аварийного отключения пускаются, как правило, в холостую. При этом момент трогания не превышает 30-35% номинального момента. Нагрузка на валу приводного двигателя насоса может быть представлена как:

где Мст – момент трогания механизма; Мcp – расчетный момент сопротивления при ω=ωH; Мc0 – обычно не превышает (0,05…0,1Мcp), где Мcp определяется как:

        Для установок с «вентиляторной» нагрузкой момент сопротивления плавно возрастает с увеличением скорости, что благоприятно согласуется с формой механической характеристики асинхронного двигателя.

Рисунок 2 – Динамическая механическая характеристика АД при вентиляторной нагрузке

        В ряде случаев при пуске насосных агрегатов с «загустевшим» рабочим телом величина момента трогания может в десятки раз превышать значения, указанные выше. Для реализации успешного пуска в таких условиях возможно поочерёдное включение двигателя «вперёд-назад» на малой частоте питающего напряжения для изменения консистентности рабочего тела. После таких подготовительных операций система, обычно, запускается без проблем [2].

Существующие способы регулирования режимов работы НУ

        Для обеспечения заданного режима работы НС при изменении условий требуется производить регулирование режимов работы насосных установок. Эта задача может быть разделена на два направления: регулирование гидравлических режимов работы насосов и регулирование энергетической эффективности работы оборудования НС. Регулирование производительности насосов возможно за счет ручного изменения поперечного сечения трубопровода механическим устройством в виде задвижки, диафрагмы и т.п., а также изменением частоты вращения рабочего колеса насосной установки, которое осуществляется в системах электропривода с частотными преобразователями. Прикрывая и открывая затвор, изменяют крутизну характеристики Q-H трубопровода (рис.3), которая зависит от его гидравлического сопротивления.

Рисунок 3 – Регулирование режима работы центробежного насоса дросселированием
1 – характеристика Q-H насоса при номинальной частоте вращения;
2 – то же при уменьшенной частоте вращения;
3 – характеристика Q-H трубопровода при полном открытии затвора;
4 – то же при уменьшении степени открытия затвора

        Прикрывая затвор, увеличивают крутизну характеристики, при этом рабочая точка насоса A1 перемещается в положение А2 . при этом подача уменьшается до значения Q2 напор, развиваемый насосом возрастает до значения Н2 , а напор на трубопроводе за затвором снижается до значения Н2' за счет потерь напора ΔН в затворе. Увеличивая степень открытия затвора, уменьшают крутизну характеристики трубопровода. Вследствие этого подача увеличивается, напор, развиваемый насосом, уменьшается, а напор в трубопроводе за затвором возрастает. Этот способ регулирования малоэкономичен, так как на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления в затворе требуются дополнительные затраты энергии. При изменении частоты вращения насоса изменяется положение характеристики Q-H насоса. Уменьшая частоту вращения, перемещают характеристику вниз параллельно самой себе. При этом, рабочая точка, перемещаясь по характеристике трубопровода, занимает положение A2' , следовательно, подача уменьшается так же, как и напор в сети и напор, развиваемый насосом. В современных насосных станциях (НС) применяется два основных типа регулирования производительности – каскадное и частотное. Каскадное регулирование состоит во включении и выключении параллельно установленных насосов. Точность и экономичность регулирования при этом определяется количеством установленных насосных агрегатов. Частотное регулирование позволяет регулировать производительность насосных станций за счет изменения частоты вращения насосов с помощью преобразователей частоты (ПЧ). Наиболее оптимальным, с точки зрения технико-экономических показателей, является способ управления, когда при невозможности обеспечить одним насосом требуемой производительности НС, в работу включается следующий. При этом первый двигатель подключается напрямую к питающей сети, а вступающий в работу – выводится на рабочую частоту с помощью ПЧ. Производительность второго насоса будет определяться выражением:

где Q1H – номинальная производительность первого насосного агрегата; Qc – потребление в сети в текущий момент; ΔQп – потери в гидравлической сети [3]

        Для равномерного износа двигателей рекомендуется также менять их порядок подключения. Упрощенная схема этого способа приведена на рис.4. Контроль расхода и давления осуществляется в конкретных диктующих точках сети. Эта информация передается в программируемый логический контроллер (ПЛК),

Рисунок 4 – Упрощенная схема каскадно-частотного регулирования при питании от одного ПЧ (gif-анимация, 4 кадра, 127кб)

где происходит сравнение текущих значений контролируемых параметров с заданными, и вырабатываются управляющие воздействия в систему регулирования. ПЛК обрабатывает поступающие на него сигналы от датчика расхода и давления, воздействует на ПЧ, который изменяет скорость вращения приводного двигателя насосного агрегата, и управляет подключением требуемого количества двигателей для обеспечения потребительских нужд. Специализированные ПЧ способны заменить ПЛК, так как вся логика уже есть внутри них. Следует отметить, что современные ПЧ способны регулировать подачу как по графику, так и по заданному расходу. Применение регулируемого привода насоса обеспечивает работу НС в зоне оптимальных значений КПД. А каскадно-частотное регулирование производительности НС позволяет оптимизировать эффективность работы насосных агрегатов в режиме неполной производительности, позволяет снизить на 50-70% потребление электроэнергии и способствует износостойкости и долголетию элементной базы системы водоснабжения [4].

Заключение

        В настоящее время проработаны идеологические, организационные и схемотехнические аспекты применения частотно-регулируемых электроприводов. Разработаны и апробированы различные методики по определению экономического эффекта от их внедрения, по расчету требуемой мощности преобразователя. Но определение эффективности применения частотного регулирования является «индивидуальным» и требует в каждом конкретном случае проведения исследования объекта, то есть определения характеристик сети и насосных агрегатов, проведения расчётов с учётом специфики и особенностей объекта и его оборудования. И, тем не менее, остается ряд насущных проблем, которые связаны, прежде всего, со стабилизацией давления в диктующих точках, ликвидацией гидроударов при регулировании производительности резкими колебаниями давления на входе и расхода на выходе станций [5]. Ситуация усугубляется из-за состояния сети и её запорной аппаратуры, а также ввиду отсутствия точной информации о процессах, протекающих в различных участках сети. Для анализа неустановившихся переходных процессов в сложных гидравлических сетях с последующим воздействием на исполнительный орган предполагается использование нейронных сетей и нечетной логики (фаззилогики). Первые представляют собой вычислительные структуры, адаптируемые и обучаемые путем анализа положительных и отрицательных воздействий. Это математическая модель, а также устройства параллельных вычислений, представляющих собой систему соединенных и взаимодействующих между собой простых процессоров (искусственных нейронов). Что касается нечетной логики, то она дает право получать устойчивое решение в условиях погрешности информации и нечеткости производственных ограничений в виде функций принадлежности. Нечетная логика дает возможность формализации неточных знаний о системе, внесения в модель сведений о неполноте информации, значительно снижает возможность получения несовместимых решений при расчете и оптимизации.

Литература

  1. Электромеханические системы автоматизации стационарных установок/ Под общ. редакцией проф. Борисенко В.Ф., Донецк: ДонНТУ, НПФ МИДИЭЛ, 2005. – 281 с.
  2. Борисенко В.Ф., Григорьев С.В., Моргунов В.М. и др. Вопросы повышения производительности нагнетательной станции средствами электропривода. Машиностроение и техносфера ХХІ века// сб. трудов МНТК в г.Севастополе 13-18 сентября 2004 г., Донецк: ДонНТУ, т.1, 73-75 с.
  3. Лезнов Б.С.Экономия электроэнергии в насосных установках. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 144 с.
  4. Борисенко В.Ф., Поляков В.А., Плис П.С. Анализ каскадно-частотного регулирования производительности насосных станций// Сборник статей кафедры «Общая электротехника» ДонНТУ, 2009.
  5. Коренькова Т.В. Насоси. Особливості включення. Характеристики насосів і режимів енергоспоживання при перемінній швидкості обертання: Навч.посібник. – Кременчук: КДПУ, 2002. – 56 с.
  6. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 360 с., ил.
  7. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоиздат. Ленинг. отд-ние, 1982. – 392 с., ил.
  8. Шлипченко З.С. Насосы, компрессоры и вентиляторы. – К., «Техніка», 1976, 368 с.
  9. Под ред. Новикова В.А., Чернмгова Л.М. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 352 с.
  10. Виноградов А.А., Сибирцев А.И., Колодин И.В. Автоматизация насосной установки с применением частотно-регулируемого электропривода//Силовая электроника №2, 2006. [Электронный ресурс], – http://masters.donntu.org/2008/eltf/sukiasyan/library/letter1.htm