Помощь студентам в учебе
Оптимизация работы и повышение энергоэффективности насосной станции 2-го подъема
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1. Анализ работы схемы водоснабжения г. Альметьевск 7
1.2 Методы повышения энерго-эффективности насосных станций 8
1.2.1. Косвенный метод энергосбережения электроприводами 8
1.2.2 Регулирование методом изменения скорости вращения вала
электропривода 12
1.2.3 Некоторые варианты использования преобразователей частоты 19
1.3 Особенности работы насосной станции 2-го подъема в городе
Альметьевск 22
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 26
2.1. Обоснование замены оборудования насосной станции 2-го подъема 26
2.1.1 Режим работы насосной станции 2 -го подъема 26
2.1.2 Обоснование выбора насосного оборудования 27
2.2 Оптимизационные решения работы насосов путем использования частотно-регулируемого привода 28
2.2.1 Возможные варианты ЧРП на насосной станции 2-го подъема 29
2.3 Математическое описание модели асинхронного электродвигателя 32
2.3.1 Математическое описание координатных преобразований 35
2.3.2 Математическая модель АД с векторным управлением 37
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 42
3.1 Влияние алгоритмов управления электродвигателем на его эксплуатационные
характеристики 42
3.2 Разработка модели насосного агрегата в сети водопотребления
при различных алгоритмах управления 46
3.3 Сравнение системы последовательного и параллельного управления электродвигателем 48
3.4 Экономическое обоснование мероприятий 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 57
1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1. Анализ работы схемы водоснабжения г. Альметьевск 7
1.2 Методы повышения энерго-эффективности насосных станций 8
1.2.1. Косвенный метод энергосбережения электроприводами 8
1.2.2 Регулирование методом изменения скорости вращения вала
электропривода 12
1.2.3 Некоторые варианты использования преобразователей частоты 19
1.3 Особенности работы насосной станции 2-го подъема в городе
Альметьевск 22
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 26
2.1. Обоснование замены оборудования насосной станции 2-го подъема 26
2.1.1 Режим работы насосной станции 2 -го подъема 26
2.1.2 Обоснование выбора насосного оборудования 27
2.2 Оптимизационные решения работы насосов путем использования частотно-регулируемого привода 28
2.2.1 Возможные варианты ЧРП на насосной станции 2-го подъема 29
2.3 Математическое описание модели асинхронного электродвигателя 32
2.3.1 Математическое описание координатных преобразований 35
2.3.2 Математическая модель АД с векторным управлением 37
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 42
3.1 Влияние алгоритмов управления электродвигателем на его эксплуатационные
характеристики 42
3.2 Разработка модели насосного агрегата в сети водопотребления
при различных алгоритмах управления 46
3.3 Сравнение системы последовательного и параллельного управления электродвигателем 48
3.4 Экономическое обоснование мероприятий 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 57
Актуальность темы исследования. В настоящее время, до 20-25% мирового потребления всей вырабатываемой электроэнергии приходится на насосное оборудование. При этом к.п.д. насосных систем часто не превышает 10-20%, в то время как к.п.д. насосов составляет 50-90%.
Поскольку снижение энергопотребления для организаций ЖКХ является приоритетной задачей, экономическая эффективность водоканала в целом напрямую связана с использованием насосного оборудования.
В общем энергопотреблении в системах водоснабжения и канализации населенных мест и производственных объектов более 90% составляют насосные системы для природных, питьевых, производственных и сточных вод, для подачи реагентов и воздуха. В связи с быстро растущими ценами на электричество, газ и нефть во всех странах остро встают вопросы повышения энергетической эффективности систем водоснабжения и канализации, а также их элементов. Этим объясняются ужесточения требований международных и Европейских норм (ISO и EN) как к энергоэффективности, так и к качеству насосного оборудования.
Сложившаяся к настоящему времени практика свидетельствует о крайне неэффективной эксплуатации насосного оборудования.
Снижение энергопотребления, являющееся одной из главных целей при модернизации объектов водоснабжения или замене насосного оборудования, решается, прежде всего, путём обеспечения согласованной работы системы электроснабжения и насосов, работающих в режиме оптимального энергопотребления.
Цель работы заключается в повышении надежности и энергоэффективности насосной станции 2-го подъема путем использования частотно-регулируемого привода и подбора энергоэффективных насосов.
Задачи магистерской диссертации:
1. Провести анализ методов регулирования насосов.
2. Определить факторы снижающие показатели эксплуатационной надежности и энергоэффективности электропривода насосов.
3. Составить математическую модель управления асинхронным двигателем.
4. Провести оценку влияния методов частотного регулирования на интервал времени межремонтных промежутков.
5. Провести технико-экономический расчет внедрения технологической схемы модернизации.
Новизна магистерской диссертации заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель электропривода насоса, позволяющая сравнивать различные алгоритмы управления.
2. Разработан алгоритм управления двигателями насосной станции, регулируемыми преобразователями частоты.
Практическая значимость заключается в том, что предлагаемые технологические решения дадут возможность экономить электроэнергию предприятию и обеспечит бесперебойную подачу воды жителям города Альметьевск.
Степень достоверности научных положений подтверждается корректным применением известных теорий и методов, применением сертифицированных методик, пакетов программ, изделий и материалов, диагностических средств.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Международная научно
практическая конференция «Теоретические и практические аспекты развития научной мысли в современном мире» (г. Уфа, 2018 г.).
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 61 странице машинописного текста, содержит 21 рисунок и список литературы из 43 источников отечественных и зарубежных авторов.
Поскольку снижение энергопотребления для организаций ЖКХ является приоритетной задачей, экономическая эффективность водоканала в целом напрямую связана с использованием насосного оборудования.
В общем энергопотреблении в системах водоснабжения и канализации населенных мест и производственных объектов более 90% составляют насосные системы для природных, питьевых, производственных и сточных вод, для подачи реагентов и воздуха. В связи с быстро растущими ценами на электричество, газ и нефть во всех странах остро встают вопросы повышения энергетической эффективности систем водоснабжения и канализации, а также их элементов. Этим объясняются ужесточения требований международных и Европейских норм (ISO и EN) как к энергоэффективности, так и к качеству насосного оборудования.
Сложившаяся к настоящему времени практика свидетельствует о крайне неэффективной эксплуатации насосного оборудования.
Снижение энергопотребления, являющееся одной из главных целей при модернизации объектов водоснабжения или замене насосного оборудования, решается, прежде всего, путём обеспечения согласованной работы системы электроснабжения и насосов, работающих в режиме оптимального энергопотребления.
Цель работы заключается в повышении надежности и энергоэффективности насосной станции 2-го подъема путем использования частотно-регулируемого привода и подбора энергоэффективных насосов.
Задачи магистерской диссертации:
1. Провести анализ методов регулирования насосов.
2. Определить факторы снижающие показатели эксплуатационной надежности и энергоэффективности электропривода насосов.
3. Составить математическую модель управления асинхронным двигателем.
4. Провести оценку влияния методов частотного регулирования на интервал времени межремонтных промежутков.
5. Провести технико-экономический расчет внедрения технологической схемы модернизации.
Новизна магистерской диссертации заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель электропривода насоса, позволяющая сравнивать различные алгоритмы управления.
2. Разработан алгоритм управления двигателями насосной станции, регулируемыми преобразователями частоты.
Практическая значимость заключается в том, что предлагаемые технологические решения дадут возможность экономить электроэнергию предприятию и обеспечит бесперебойную подачу воды жителям города Альметьевск.
Степень достоверности научных положений подтверждается корректным применением известных теорий и методов, применением сертифицированных методик, пакетов программ, изделий и материалов, диагностических средств.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Международная научно
практическая конференция «Теоретические и практические аспекты развития научной мысли в современном мире» (г. Уфа, 2018 г.).
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 61 странице машинописного текста, содержит 21 рисунок и список литературы из 43 источников отечественных и зарубежных авторов.
В данной магистерской диссертации проведен анализ проблемы энергоэффектвности насосов на насосной станции 2-го подъема г. Альметьевск и было выяснено, что существующее техническое состояние насосной станции, а именно 100% физический и моральный износ оборудования насосной станции требует её модернизации.
В данной диссертационной работе нами был предложен вариант замены всего устаревшего оборудования на более энергоэффективные вертикальные насосы марки UP KM3100 U210-4/80, производительностью 1600 м /час напором 50 м.вод.ст. с электродвигателем мощностью 315 кВт.
Теоретические разработки и опыт внедрения и эксплуатации энергосберегающих систем в насосных установках показали, что использование частотно-регулируемого электропривода является экономичным и надёжным средством управления режимами работы насосных установок различного назначения. В работе нами была предложена схема ЧРП. Применение частотно -регулируемого
электропривода обеспечивает:
• уменьшение строительных объемов зданий насосных станций на 15—20% в результате укрупнения единичной мощности насосных агрегатов и соответственно уменьшения их количества;
• уменьшение износа гидромеханического и электротехнического оборудования благодаря сокращению количества пусков и остановок насосных агрегатов;
• снижение вероятности возникновения аварий, вызванных гидравлическими ударами, благодаря плавному изменению режимов работы насосных установок.
Разработана математическая модель электропривода насоса, позволяющая сравнивать различные алгоритмы управления, проектировать на ее основе различные регулирующие устройства. В предложенной модели введен блок моделирующий люфт вала асинхронного электродвигателя, что дает возможность исследовать процессы, происходящие в электрической машине во время выборки люфта, когда вал совершает поступательное радиальное движение, не передавая энергию вращения на нагрузку. Корректность модели подтверждена сравнением с механическими характеристиками конкретного двигателя снятыми экспериментально и на модельном эксперименте, адекватность влияния люфта на виброскорость в разработанной модели совпадает с результатами экспериментов.
С использованием математического моделирования были определены зависимости среднего значения виброскорости от люфта вала для алгоритмов управления электродвигателем: со скалярным
управлением; с модальным управлением; с векторным управлением. Проведена оценка влияния методов частотного регулирования на интервал времени межремонтных промежутков. По результатам моделирования из указанных алгоритмов скалярное управление обеспечивает наименьший эффект повышения времени межремонтной эксплуатации асинхронной машины в сравнении с работой электродвигателя без регулирующих устройств. Векторное управление снижает уровень виброскорости по сравнению со скалярным управлением на 4 %.
На основе данных, полученных в ходе моделирования и физических измерений, был разработан алгоритм управления двигателями насосной станции, регулируемыми ПЧ, учитывающий эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей, повышающий энергоэффективность электропривода насосов. Алгоритм сохраняет высокий уровень эксплуатационных характеристик электродвигателей за счет установки нескольких электроприводов насосов для различных
режимов работы насосной станции и запрета на эксплуатацию двигателей при неблагоприятных для них параметрах питающего напряжения. Такой подход позволяет избежать значительной доли добавочных потерь, возникающих при использовании ПЧ, и приводит к сокращению эксплуатационных и энергетических потерь.
Проведение технико-экономических расчетов показало, что внедряемая технологическая схема экономически выгодна. При модернизации насосной станции 2-го подъема выгода составит 49329020 руб., срок окупаемости составит 0,69 лет.
В данной диссертационной работе нами был предложен вариант замены всего устаревшего оборудования на более энергоэффективные вертикальные насосы марки UP KM3100 U210-4/80, производительностью 1600 м /час напором 50 м.вод.ст. с электродвигателем мощностью 315 кВт.
Теоретические разработки и опыт внедрения и эксплуатации энергосберегающих систем в насосных установках показали, что использование частотно-регулируемого электропривода является экономичным и надёжным средством управления режимами работы насосных установок различного назначения. В работе нами была предложена схема ЧРП. Применение частотно -регулируемого
электропривода обеспечивает:
• уменьшение строительных объемов зданий насосных станций на 15—20% в результате укрупнения единичной мощности насосных агрегатов и соответственно уменьшения их количества;
• уменьшение износа гидромеханического и электротехнического оборудования благодаря сокращению количества пусков и остановок насосных агрегатов;
• снижение вероятности возникновения аварий, вызванных гидравлическими ударами, благодаря плавному изменению режимов работы насосных установок.
Разработана математическая модель электропривода насоса, позволяющая сравнивать различные алгоритмы управления, проектировать на ее основе различные регулирующие устройства. В предложенной модели введен блок моделирующий люфт вала асинхронного электродвигателя, что дает возможность исследовать процессы, происходящие в электрической машине во время выборки люфта, когда вал совершает поступательное радиальное движение, не передавая энергию вращения на нагрузку. Корректность модели подтверждена сравнением с механическими характеристиками конкретного двигателя снятыми экспериментально и на модельном эксперименте, адекватность влияния люфта на виброскорость в разработанной модели совпадает с результатами экспериментов.
С использованием математического моделирования были определены зависимости среднего значения виброскорости от люфта вала для алгоритмов управления электродвигателем: со скалярным
управлением; с модальным управлением; с векторным управлением. Проведена оценка влияния методов частотного регулирования на интервал времени межремонтных промежутков. По результатам моделирования из указанных алгоритмов скалярное управление обеспечивает наименьший эффект повышения времени межремонтной эксплуатации асинхронной машины в сравнении с работой электродвигателя без регулирующих устройств. Векторное управление снижает уровень виброскорости по сравнению со скалярным управлением на 4 %.
На основе данных, полученных в ходе моделирования и физических измерений, был разработан алгоритм управления двигателями насосной станции, регулируемыми ПЧ, учитывающий эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей, повышающий энергоэффективность электропривода насосов. Алгоритм сохраняет высокий уровень эксплуатационных характеристик электродвигателей за счет установки нескольких электроприводов насосов для различных
режимов работы насосной станции и запрета на эксплуатацию двигателей при неблагоприятных для них параметрах питающего напряжения. Такой подход позволяет избежать значительной доли добавочных потерь, возникающих при использовании ПЧ, и приводит к сокращению эксплуатационных и энергетических потерь.
Проведение технико-экономических расчетов показало, что внедряемая технологическая схема экономически выгодна. При модернизации насосной станции 2-го подъема выгода составит 49329020 руб., срок окупаемости составит 0,69 лет.