автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающее регулирование режима работы главных водоотливных установок шахт и рудников средствами электропривода

004616576 На правах рукописи

Боченков Дмитрий Александрович

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ СРЕДСТВАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ЛЕН 2010

Новочеркасск 2010

004616576

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

СТАШИНОВ Юрий Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

ФАЩИЛЕНКО Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент РОЖКОВ Виктор Иванович

Ведущая организация: Кубанский государственный технологический

университет

Защита состоится 23 декабря 2010 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « 18 >» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

П. Г. Колпахчьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный уровень развития общества немыслим без применения энергоэффективной экономики. Федеральным законом «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» предусмотрено снижение энергоемкости отечественного валового продукта к 2020 году на 40%. Энергоэффективности отведено первое место в ряду пяти приоритетов, определенных Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики России.

Одним из способов повышения эффективности функционирования технологических установок является энергосбережение с помощью средств электропривода и автоматики. Так, применение асинхронного частотно-регулируемого привода (АЧРП) в системах промышленного и городского водоснабжения позволяет экономить до 30-40% электроэнергии за счет снижения частоты вращения насосов в периоды пониженного водопотребления.

На шахтах и рудниках одними из самых энергоемких потребителей являются главные водоотливные установки (ГВУ), на долю которых приходится 30-40% общего потребления электроэнергии предприятием.

Указанные установки как объекты энергосбережения средствами электропривода имеют ряд существенных технологических особенностей, которые не позволяют непосредственно перенести на них решения, разработанные для систем водоснабжения.

Поэтому возникает необходимость установления рациональных областей применения АЧРП для основных используемых на практике типоразмеров шахтных центробежных насосов, а также разработка новых энергосберегающих способов регулирования режимов их работы, что является важной научно-технической задачей.

Диссертационной работа выполнена в рамках базового научного направления ГОУ ВПО «ЮРГТУ НПИ» «Энергетика и энергосбережение» и госбюджетной темы П-3-843 «Энергосберегающие технологии в электроприводе шахтных машин и установок».

Объектом исследования является электропривод ГВУ шахт и рудников и энергосберегающие способы регулирования режимов его работы.

Цель работы - установление рациональной области применения АЧРП на ГВУ шахт и рудников, научное обоснование и разработка способов регулирования режимов работы насосных агрегатов, позволяющих повысить энергоэффективность функционирования ГВУ шахт и рудников.

Идея работы - в применении в составе ГВУ шахт и рудников подкачивающих насосов (ПН), оборудованных АЧРП с экстремальной поисковой системой управления, обеспечивающей работу водоотливной установки с минимальным удельным расходом электроэнергии.

Основные задачи исследования:

1. Анализ технологических особенностей ГВУ шахт и рудников с точки зрения возможности повышения энергоэффективности и выбор направления энергосберегающего регулирования режимов их работы.

2. Обобщенное аналитическое описание рабочих характеристик насосных агрегатов при регулировании частоты вращения рабочих колес.

3. Разработка математических моделей и алгоритмов оценки энергоэффективности регулирования режима работы насосных агрегатов изменением частоты вращения рабочих колес и определение на их основе рациональной области применения АЧРП насосов ГВУ шахт и рудников.

4. Разработка и исследование новых энергосберегающих способов регулирования режима работы ГВУ шахт и рудников.

5. Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка режимов работы ГВУ шахт и рудников с энергосберегающими способами регулирования.

6. Разработка рекомендаций по методике проектирования систем энергосберегающего регулирования ГВУ с подкачивающими насосами и по выбору их параметров.

Методы исследований. В работе использованы методы математического анализа, численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, теории проведения и обработки результатов эксперимента. Аналитические исследования проведены на ЭВМ с использованием программы МмИсас1 и математических моделей в системе МаЛаЬ, а экспериментальные - на физической модели установки.

Научная новизна

1. Обобщенное описание рабочих характеристик центробежных насосов при регулировании режима работы изменением частоты вращения рабочих колес, отличающееся аппроксимацией зависимостей напора и КПД насоса от подачи при номинальной частоте вращения полиномами произвольных степеней.

2. Математическая модель и алгоритм анализа энергетических показателей насосных агрегатов при регулировании частоты вращения, позволяющие в едином цикле получать графики зависимостей удельного расхода электроэнергии от величины подачи насоса, с фиксацией координат оптимальных режимов работы, для совокупности шахтных центробежных насосов при различных вариантах параметров гидравлической сети.

3. Способы энергосберегающего экстремального регулирования режима работы насосных агрегатов ГВУ шахт и рудников средствами регулируемого электропривода с воздействием на частоту вращения относительно маломощных подкачивающих насосов на основе информации об удельном расходе электроэнергии основными насосными агрегатами.

4. Математические и компьютерные модели насосных установок в составе основного насоса и подкачивающего насоса с АЧРП, реализующие энергосберегающие способы регулирования.

Защищаемые положения

1. Снизить удельный расход энергии электроприводом ГВУ шахт и рудников на 5-10%, а во многих случаях не более 5%, можно регулированием частоты вращения насосных агрегатов в узком диапазоне, не превышающем, как правило, 4-9%, с изменением напора в пределах доли напора, развиваемого одним рабочим колесом насоса.

2. Оборудование насосов ГВУ шахт и рудников АЧРП, с целью снижения энергопотребления, сталкивается с техническим противоречием: управляющему воздействию подвергаются все рабочие колеса, с необходимостью использования для регулирования частоты вращения дорогостоящих высоковольтных преобразователей частоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было бы осуществлять воздействие только на одно рабочее колесо.

3. Разрешить указанное техническое противоречие с достижением того же энергетического эффекта при существенно меньших затратах позволяет включение в состав ГВУ шахт и рудников подкачивающих насосов, оборудованных низковольтным АЧРП с экстремальной поисковой системой управления, осуществляющей регулирование частоты вращения привода ПН в более широком диапазоне на основе информации о текущем удельном расходе электроэнергии приводом основного насоса.

4. Расширение диапазона регулирования подачи при минимальной мощности привода ПН и устойчивой работе основного насосного агрегата обеспечивает применение комбинированного способа энергосберегающего регулирования с дополнительным, управляемым частотой вращения ПН, дозированным подводом воздуха на вход основного насосного агрегата.

Достоверность научных положений и выводов

Подтверждается корректным применением проверенных математических методов исследования и компьютерного моделирования, достаточной сходимостью результатов моделирования и эксперимента (максимальное расхождение менее 11%).

Практическая ценность

Реализация предложенных в работе способов регулирования и методики проектирования водоотливных установок с подкачивающими насосами, оборудованными АЧРП, позволит, благодаря минимизации расхода электроэнергии, улучшить экономические показатели работы ГВУ шахт и рудников.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на 2-й международной, посвященной 100-летию НПИ, и 56-й научно-практической конференции, г. Шахты, 2007 г.; Международном симпозиуме «Неделя горняка-2008», г. Москва, 2008 г.; Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих предприятий», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; Всероссийской 57-й научно-практической конференции, посвященной 50-летию ШИ (Ф) ЮРГТУ (НПИ), г. Шахты, 2008 г.; Международном симпозиуме «Неделя горняка-2009», г. Москва, 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих предприятий», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; 58-й региональной научно-практической конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса», г. Шахты, 2009 г.; Научно-практической конференции «Развитие топливно-энергетического комплекса и повышение энергоэффективности экономики юга России», г. Ростов-на-Дону, 2009 г.; Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых учёных в области энергосбережения в промышленности «Эврика-2010» (г. Новочеркасск, 2010 г, Диплом 3-й сте-

пени). В полном объёме работа доложена на семинаре «Электрификация и энергосбережение в горной промышленности» международного симпозиума «Неделя горняка-2010», г. Москва, 2010 г. и на кафедре «Электропривод и автоматика » ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ), 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе два патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 144с машинописного текста, включая 68 рисунков, 12 таблиц, список литературы, содержащий 105 наименований, и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, важность энергосбережения, необходимость применения энергосберегающих решений на ГВУ шахт и рудников.

В первой главе диссертационной работы выполнен анализ состояния вопроса, рассмотрен опыт и эффективность применения регулируемого привода в системах промышленного и городского водоснабжения. Рассмотрены основные технологические особенности шахтных водоотливных установок, способы организации их работы, сформулированы проблемы, требующие решения, проанализированы работы по применению регулируемого привода на ГВУ шахт и рудников.

Различным аспектам АЧРП посвящены работы М. И. Чиликина, А. С. Санд-лера, М. Г. Юнькова, Н. Ф. Ильинского, Г. Г. Соколовского и других ученых. Проблемы повышения эффективности шахтного водоотлива и методы регулирования подачи насосов рассматривались в работах В. Г. Гейера, Г. М. Тимошенко, В.М. Попова, Н. Г. Картавого, Г. М. Еланчика и др.

Известны работы Лезнова Б. С., Браславского И. Я., Бабокина Г. И., Школь-никова А. Д., Черняховского Р. Л. и др. по применению регулируемого электропривода на насосных и воздуходувных установках. Работы по применению регулируемого электропривода турбомеханизмов активно ведутся в НИИ «ВОДГТЕО», ООО «Ягорба-2», МЭИ (ТУ), СПГГИ (ТУ), ТулГУ, УрФУ, ОАО "Электропривод" и других организациях.

Изучение состояния вопроса показывает, что вопросы применения АЧРП насосов ГВУ шахт и рудников до настоящего времени исследованы недостаточно. В основном на частных примерах оцениваются возможности снижения затрат электроэнергии без учета связанных с этим дополнительных капитальных вложений. Анализ опубликованных материалов и практического опыта позволяет говорить о недостаточной энергоэффективности традиционных схем организации работы водоотливных установок, существовании проблемы некритичного переноса результатов применения регулируемого привода в системах промышленного и бытового водоснабжения на ГВУ шахт и рудников без учёта ряда существенных технологических особенностей таких установок.

Наиболее важными особенностями ГВУ с точки зрения применения на них регулируемого электропривода являются следующие:

1. Шахтные водоотливные установки в течение суток должны выдать на поверхность шахты (поднять на геодезическую высоту Нг, м) объем воды, равный суточному притоку Qc, т. е., независимо от частоты вращения рабочих колес насоса, выполнить определённую полезную работу, А„=р^-Ос Нг, Дж, затратив на

это из питающей сети А. = —, Дж, где р - плотность шахтной воды, кг/м3, g -

По

ускорение свободного падения, м/с2, т]0 - общий КПД насосной установки, равный произведению КПД насоса т]и, трубопровода г/т, приводного электродвигателя Т]и, преобразователя т]„ (при наличии такового) и питающей сети т]с.

Из приведенных соотношений следует, что минимизировать расход электроэнергии водоотливной установкой можно только обеспечением работы её с максимальным значением общего КПД г}0 (с минимальным удельным расходом энергии).

2. ГВУ шахт и рудников оборудуются многоступенчатыми центробежными насосами, как правило, с высоковольтным асинхронным электроприводом мощностью 500 и более кВт. Регулирование режима работы в этом случае требует применения мощных высоковольтных дорогостоящих преобразователей частоты.

3. При округлении расчетного количества рабочих колес насоса до ближайшего целого возникает, как правило, избыточный по сравнению с расчетным напор (в пределах доли напора колеса), что приводит к ухудшению энергетических показателей работы водоотливной установки.

4. Малые потери напора в трубопроводе Д# по отношению к геодезической высоте подачи АН/НГ =5... 10% и, как следствие, жёсткая характеристика гидравлической сети, позволяющая изменять подачу 2 насоса регулированием частоты вращения рабочих колёс в узком диапазоне, что необходимо учитывать при выборе варианта регулируемого привода насосных агрегатов.

5. Шахтные центробежные насосы ЦНС 300-1040 и ЦНС 300-1300 с номинальной частотой вращения 3000 об/мин, мощностью привода 800... 1600кВт из-за недостаточной всасывающей способности рассчитаны на работу совместно с подкачивающими насосами ВП 340-18л с подачей до 340 м'/ч, напором 18 м и мощностью двигателя 40 кВт. Возможно применение ПН и с другими типами шахтных насосов, что несколько усложняет и удорожает водоотливную установку, но, вместе с тем, исключает кавитационные явления и необходимость применения в составе водоотливной установки заливочных насосов.

Выполненный анализ возможных вариантов организации работы ГВУ шахт и рудников показал, что перспективным путём энергосбережения является обеспечение функционирования установки в режиме минимальных удельных затрат электроэнергии средствами регулируемого электропривода.

Анализ состояния вопроса позволил определить цель и основные задачи диссертационного исследования, решение которых необходимо для повышения энергоэффективности ГВУ шахт и рудников.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу энергетических режимов работы ГВУ шахт и рудников, что потребовало обобщённого описания рабочих

характеристик шахтных центробежных насосов при регулировании частоты вращения. При аппроксимации напорной характеристики насоса для номинальной частоты вращения п„ полиномом jV-ой степени

¡=0

получено уравнение напорной характеристики насоса для произвольной относительной частоты вращения п. —п/пн:

H(n.) = flarn}-i-Qi(n.)> 1=0

а также уравнение, связывающее подачу с частотой вращения

£ а,-' ■Q'(n.)-RTQ1-Hr=0, /=о

где Rj. - гидравлическое сопротивление (постоянная) трубопровода.

В частном случае при использовании полинома второй степени с коэффициентами: а0=На, а{-А, аг=-В

получены зависимости подачи от относительной частоты вращения

А-п.± jA2nl +4(В + Д .) • (НУ. -НГ) 2 (B + RT)

и требуемой частоты вращения от подачи

- AQ + 1 + 4#0 (В + RT)] ■ Qz + 4 Я0ЯГ

п. =---,

2 Я0

При аппроксимации зависимости КПД насоса от подачи для номинальной частоты вращения ^(0 полиномом М-й степени

i-1

получена указанная зависимость для произвольной частоты вращения

п.ЩЪЪ-Ь.Ш

м ^ П,

а также соотношения для пересчета мощности и энергии, потребляемой приводом насосного агрегата:

Р(„ )- -

Р(«.=1) б(и.= 1) %(«.) '

*(«-> =п0(п.=1) Ж(п.=1) Ло(«-)

где ri0 - общий КПД насосной установки.

С использованием полученных соотношений разработан алгоритм анализа энергетических показателей работы водоотливной установки и, в частности, поведения относительных удельных энергозатрат ереализованный в системе

MathCad, при изменении частоты вращения, а, следовательно, и подачи, для 67 типоразмеров насосных агрегатов.

Технические данные насосов (номинальные подачи, коэффициенты аппроксимации напорных характеристик и характеристик КПД для номинальной частоты вращения) были занесены построчно в матрицу. Аппроксимация зависимости Vi(Q) осуществлялась полиномом третьей степени. Расчёты выполнялись в цикле по индексу, соответствующему номеру столбца.

Значения удельных энергозатрат вычислялись при диапазоне изменения относительной частоты вращения п. = 0,7... 1,2 с шагом 0,001, устанавливаемым в начале цикла.

Расчеты выполнены для нескольких вариантов параметров трубопроводов. По результатам расчетов получены в графическом виде зависимости удельного расхода электроэнергии е, от относительной подачи для 67 типоразмеров насосов. За базовые значения приняты удельные энергозатраты, соответствующие работе насосов с номинальной частотой вращения.

Выполненные расчёты показали наличие для абсолютного большинства типоразмеров насосных агрегатов режима работы с минимальным удельным расходом электроэнергии (максимальным КПД насосной установки) в области подач, несколько меньших номинальных величин, как это видно в частном случае на рис. 1 для шахтных центробежных секционных насосов ЦНС 180 и ЦНС 300.

Основной вариант (жирные линии на рисунке) соответствует стандартному набору местных сопротивлений, приводимых в справочных данных, и скорости движения воды в нагнетательном трубопроводе 2 м/с. Другие крайние варианты, изображённые прерывистыми линиями, соответствуют скоростям движения воды в нагнетательном трубопроводе 1,8 и 2,5 м/с.

е.

и 1,1

I 1.08

5.3 1-05 1 §■ 1.03

J5 £

% S I

°-95 0,7 0,8 0,9 1 1.1 1,2 д /п>) .....0,7 0,8 0,9 1 1,1 1.2 д,(п>)

Относительная подача Относительна* подача

Рис. 1. Результат расчета поведения удельных энергозатрат

Определён требуемый диапазон регулирования относительной частоты вращения рабочих колёс л. для перевода насосных установок в режим работы с минимальным расходом электроэнергии. Результаты приведены на рис. 2, где по оси абсцисс отложены номера (от 1 до 67) типоразмеров насосных агрегатов.

ЦНС 180-425 ЦНС 300-540

е„

3§

сш;

ЦНС 300-120*600 -'

тЁёл

ЦНС 105-И7+49{|

и Я Ч к 57 № л

й» 07

Номер насоса

Рис. 2. Необходимые диапазоны регулирования частоты вращения для 67 типоразмеров насосов

По результатам расчётов была выполнена оценка ресурсов экономии электроэнергии при оборудовании водоотливных установок регулируемым приводом (рис. 3).

А е.

Номер насоса

Рис. 3. Экономия электроэнергии при регулировании

Установлено, что возможное снижение затрат электроэнергии не превышает 15 %, а для значительной части насосов лежит в диапазоне 5 - 10% при изменении относительной частоты вращения, не превышающем, как правило, 10%, что показано на рис.3 и 4а.

5-10%

10-15% Более 15%

Более 12%

10-12%

Менее 5%

Менее 5% 5-10%

а) б)

Рис. 4. Распределение 67 типоразмеров насосов: а) - по требуемому снижению частоты вращения; б) - по экономии электроэнергии при внедрении АЧРП основных насосных агрегатов

Таким образом, выявлено техническое противоречие: воздействию при внедрении АРЧП основного насоса подвергаются все рабочие колеса, что требует применения дорогостоящих, как правило, высоковольтных преобразователей частоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было бы осуществлять управляющее воздействие только на одно рабочее колесо.

При учете же этих потерь, которые для современных высоковольтных преобразователей частоты на ЮВТ транзисторах составляют 2-2,5%, применение АЧРП для большинства типоразмеров насосных агрегатов оказывается экономически неоправданным, что заставляет искать менее затратные пути повышения энергоэффективности функционирования ГВУ шахт и рудников.

Третьи глава посвящена разработке и исследованию энергосберегающих способов регулирования режимов работы ГВУ шахт и рудников. Для разрешения указанного выше технического противоречия предлагается использовать в составе водоотливных установок подкачивающие насосы (ПН) с низковольтным асинхронным частотно-регулируемым приводом (рис. 5).

Как видно из рисунка, режим работы установки с максимальным КПД в точке В достигается снижением частоты вращения подкачивающего насоса до значения п2.

В условиях изменяющихся параметров насоса и сети для минимизации расхода электроэнергии предложен способ регулирования режима работы водоотливной установки с применением поисковой экстремальной системы управления частотой вращения приводного двигателя ПН на основе информации о текущем значении удельного расхода электроэнергии

Рве. 5. Совместная работа центробежного насоса НА1 с подкачивающим насосом НА2, оборудованным АЧРП

1 -характеристикатрубопровода; 2 - напорная характеристика основного насоса; 3,4- напорные характеристики подкачивающего насоса при номинальной и сниженной частоте вращения; 5, б - суммарные напорные характеристика насосов при номинальной и сниженной частоте вращения ГШ.

Функциональная схема такой системы управления приведена на рис. 6. Система работает следующим образом. Периодически, например, после очередного запуска в работу насосного агрегата, измеряют подачу Q и мощность Р, потребляемую приводом М1 основного насосного агрегата НА1; определяют удельный расход электроэнергии E=P/Q и изменением частоты выходного напряжения преобразователя ПЧ, питающего электродвигатель М2 подкачивающего насоса НА2, устанавли-

вают режим работы насосной установки, соответствующий минимальной величине удельных энергозатрат Е.

При реализации данного способа необходимо иметь в виду, что диапазон регулирования подачи снижением частоты вращения ПН ограничен допустимым разрежением на входе основного насоса. При необходимости его расширения предлагается применение комбинированного способа регулирования (рис. 7): дополнительным дозированным впуском воздуха через вентиль В в трубопровод, соединяющий основной и подкачивающий насосы, при появлении в нём разрежения в процессе снижения частоты вращения ПН. Стабилизацию разрежения, а, следовательно, и количества подсасываемого воздуха осуществляют регулированием частоты вращения привода ПН аналогично предыдущему способу.

Рис. 6. Функциональная схема системы Рис- 7. Функциональная схема системы энергосберегающего регулирования комбинированного энергосберегающего

режима работы шахтной водоотливной регулирования

установки

Четвертая глава посвящена компьютерному моделированию и проверке предложенных теоретических выводов на физической модели. Математическая модель водоотливной установки в составе основного и подкачивающего насосов при аппроксимации их характеристик полиномами второй степени для установившегося режима работы описывается следующей системой уравнений:

Координаты рабочей точки основного центробежного насоса определяются в результате совместного решения уравнений результирующей напорной характеристики и характеристики трубопровода (сети):

я1=яг+«ге1-

Получена следующая зависимость подачи <2 от относительной частоты вращения я. подкачивающего насоса:

2-(Яг+В + В1)

На рис. 8 приведена компьютерная модель установки в приложении БтиНпк МшЬаЬ.

Рис. 8. Компьютерная модель системы энергосберегающего управления шахтной водоотливной установкой

На рис. 9 представлена компьютерная модель установки с комбинированным способом регулирования, отличающаяся от предыдущей введением подсистем расчета напорной характеристики и КПД основного насоса при впуске воздуха. Модели предусматривают два варианта изменения частоты вращения электропривода ПН: непрерывно и дискретное.

На рис.10 в качестве примера приведены результаты моделирования работы водоотливной установки в составе центробежного секционного насоса ЦНС 180600 и ПН с параметрами одноколесного насоса 8НДв-60 (рис. 11, а), а также установки с насосом ЦНС 300-600 при использовании подкачивающего насоса ВП-340-18Л в комбинации с управляемым подсосом воздуха (рис. 11,6).

Представленные графики иллюстрируют изменение подачи Q^, КПД г] и относительных удельных энергозатрат е. насосной установки при снижении час-

0.954 0.909 0.864

0.984 0.98 0.976

тоты вращения подкачивающего насоса. Отмечается наличие режима работы с минимальным удельным расходом энергии и появление характерных изломов на графиках, соответствующих началу впуска воздуха.

0.983

0.996 0.992

Рис. 11. Экспериментальная установка с подкачивающим насосом

> 6) Рис. 10. Результаты моделировании

Целью эксперимента на физической модели являлась проверка адекватности разработанной компьютерной модели и возможности устойчивой работы насосной установки с управляемым подсосом воздуха.

На рис. 11 изображен внешний вид экспериментальной установки и ее схема.

Установка состоит из основного насоса типа БЦ 1,1-18 и ПН типа НЭ, помещенного в емкость с жидкостью. Для учета расхода жидкостей установлены счетчики расхода типа СГВ 15. Величины давлений и разряжений измерялись манометрами типа МТИ-1 классов 0,4 и 1,0. На входе насоса БЦ 1,1-18 был установлен вентиль игольчатого типа, через который подавался воздух в насос при появлении разряжения, а количество подаваемого воздуха определялось по реометру типа ЭТМ НИИГТ. Мощность двигателя основного насоса измерялась ваттметром типа Д5065 класса 0,5. Питание электродвигателя подкачивающего насоса осуществлялось от преобразователя частоты типа СМ] 50/3 фирмы SIEMENS.

и

Для компьютерного моделирования были сняты характеристики лабораторного оборудования и произведена аппроксимация данных по методу минимума среднеквадратичного отклонения. Результаты проведения эксперимента и компьютерного моделирования работы экспериментальной водоотливной установки представлены на рис.12.

Результаты эксперимента

Вт-ч/ м"

е,

Вт-ч/ м"

Результаты моделирования

150 145 140 135 130 125 120 115 ПО

ъ.

>кГ

•ч

\ о

;

1 1

140

138

136

134

132

!

! I /

\ j /

4

0,58 0,64 0,7 0,76 0,82 0,88 0,94 1 П, 0,8 0,85 0,9 0,95 ! п*

Рис. 12. Результаты эксперимента и компьютерного моделирования работы экспериментальной водоотливной установки

При проведении опыта минимальные удельные энергозатраты составили 118,71 Вт-ч/м , по результатам компьютерного моделирования - 132,5 Вт-ч/м3. Абсолютная погрешность составила 13,79 Вт-ч/м3, что составляет 10,4 %.

Экспериментами подтверждена устойчивая работа основного насоса в комплекте с ПН при подсосе воздуха вплоть до 50% от подачи насоса, что значительно превышает объёмы, необходимые для минимизации энергопотребления.

В пятой главе приведены рекомендации по проектированию водоотливных установок, оборудованных ПН, а также выполнена оценка возможности использования ряда насосов в качестве подкачивающих.

При выборе водоотливной установки, содержащей ПН с регулируемым приводом, предлагается производить вначале расчет трубопровода, а затем использовать следующую формулу для определения требуемого количества рабочих колес основного насоса: z = (#„ —НП)!НК, где Нм- требуемый манометрический напор, м; Нп - номинальный напор подкачивающего насоса, м; Нк - напор на одно колесо основного насоса, м.

Манометрический напор Ни определяется по заданной производительности насоса при расчётном сопротивлении трубопровода. Определение возможностей использования подкачивающих насосов производится путем решения системы уравнений и неравенств.

Уравнения, приведенные на рис. 13, связывают между собой напоры, создаваемые основным и подкачивающим насосом, с потерями напора в нагнетательном трубопроводе. Неравенства учитывают ограничение разряжения на входе основного насоса и диапазона регулирования частоты вращения ПН. Решение систем уравнений, где искомой переменной служит относительная частота вращения привода под-

качивающего насоса в режиме минимального удельного расхода электроэнергии (максимального КПД водоотливной установки), проведено в системе МаЛСАО.

Н„,-и, + Л,-2-й,-В, •е2-(&1+М,)>-1; и, <1, где - подача, соответствующая максимуму КПД насосной установки;

Дй] - потери напора во всасывающем трубопроводе; /г( - высота колодца; пн- номинальная частота вращения ПН; о о, Вт й„>/ч пх -частота вращения ПН в режиме минимума удельных

энергозатрат.

Рис. 13. К определению параметров подкачивающего насоса

1 - напорная характеристика основного насоса; 2-суммарная напорная характеристика; 3-характеристика трубопровода

На рис. 14 представлены результаты расчета номинальных напоров подкачивающих насосов, которые они должны развивать при работе с основными насосами.

Рис. 14. Необходимые номинальные напоры подкачивающих насосов

По графикам можно установить, что требуемые напоры ПН имеют относительно небольшую величину.

Диапазоны мощностей ПН, соответствующие рассчитанным напорам, приведены на рис. 15.

Номер насоса

Рис. 15. Необходимые номинальные мощности подкачивающих насосов

Соотношения мощностей основного и подкачивающего насосов при рассчитанных напорах приведены на рис.16.

Полученные результаты показывают, что требуемая для обеспечения энергосберегающего режима работы ГВУ шахт и рудников мощность регулируемого привода ПН в десятки раз меньше мощности основных насосных агрегатов.

50 45 40

В 35

О

Iм

о 25

« 20

В 1»

3 .0

5

Номер насоса

Рис. 16. Необходимые соотношения мощностей основного и подкачивающего насосов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе научно обоснована и, на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований, а также разработок, решена важная научно-техническая задача повышения энергетических показателей работы ГВУ шахт и рудников применением в их составе одноколёсных подкачивающих насосов с асинхронным частотно-регулируемым приводом.

Основные научные и практические результаты выполненной работы сводятся к следующему:

1. Разработано обобщённое описание рабочих характеристик центробежных насосов с регулируемой частотой вращения при аппроксимации зависимостей напора и КПД от подачи для номинальной частоты вращения полиномами произ-вольньгх степеней. В частном случае получены соотношения, позволяющие: построить напорную характеристику насоса для любой частоты вращения; определить подачу насоса при заданной частоте вращения и, наоборот - частоту вращения для получения требуемой подачи; проанализировать поведение энергетических показателей при регулировании режима работы изменением частоты вращения рабочих колёс.

2. Разработан алгоритм и программная реализация расчёта энергетических показателей работы ГВУ шахт и рудников при регулировании режима изменением частоты вращения, с представлением исходных данных в матричном виде. По результатам расчётов для 67 типоразмеров насосов получены зависимости удельного расхода электроэнергии от частоты вращения и, соответственно, подачи, подтвердившие наличие режима работы насосных агрегатов с минимальным расходом энергии.

3. По результатам расчётов произведена оценка ресурсов экономии электроэнергии при оборудовании водоотливных установок регулируемым приводом. Показано, что возможное снижение затрат электроэнергии при переводе установки в режим минимального энергопотребления не превышает 15%, а для значительной части насосов лежит в диапазоне 5 - 10%.

4. Установлено, что требуемый для этого диапазон регулирования частоты вращения для большинства насосных агрегатов не превышает 10% номинальной частоты вращения, с изменением напора в пределах доли напора, развиваемого одним рабочим колесом насоса.

5.-В результате выполненного анализа выявлено техническое противоречие: при внедрении АРЧП основного насоса воздействию подвергаются все рабочие колеса, что требует применения дорогостоящих, как правило, высоковольтных преобразователей частоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было бы осуществлять управляющее воздействие только на одно рабочее колесо.

6. Для разрешения указанного технического противоречия предложено использовать в составе водоотливных установок одноколёсные ПН, оборудованные низковольтным АЧРП.

7. С учётом того, что параметры насосов и сети в процессе работы не остаются постоянными, для минимизации расхода электроэнергии разработаны на уровне изобретений способы энергосберегающего регулирования режима работы водоотливных установок с применением поисковой экстремальной системы управления частотой вращения приводного двигателя ПН на основе информации о текущем значении удельного расхода электроэнергии.

9. Разработаны математические и компьютерные модели водоотливных установок в составе основного насоса и подкачивающего насоса с регулируемым приводом. Компьютерным моделированием подтверждены результаты теоретического анализа поведения удельного расхода электроэнергии при регулировании работы водоотливной установки изменением частоты вращения подкачивающего насоса.

10. Для проверки предложенных технических решений создана экспериментальная установка в составе основного насосного агрегата и подкачивающего насоса с АЧРП, с возможностью управляемого подсоса воздуха на вход основного насоса. Результатами экспериментов подтверждена адекватность разработанных математических и компьютерных моделей, а также, благодаря принудительной подаче воды подкачивающим насосом на вход основного насоса, устойчивая работы основного насоса при дополнительном регулировании режима работы дозированным управляемым подсосом воздуха.

11. Выполнена оценка требуемых параметров ПН для основных типоразмеров шахтных центробежных насосов и разработана методика проектирования водоотливных установок с регулируемым приводом ПН.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Сташинов Ю. П., Боченков Д. А., Волков В. В. Технические и энергетические аспекты применения регулируемого привода на главных водоотливных установках шахт. / Горное оборудование и электромеханика, - 2008. -№11.- С. 22-25.

2. Сташинов Ю. П., Боченков Д. А. К пересчету напорной характеристики центробежного насоса при изменении частоты вращения рабочих колес. / Горное оборудование и электромеханика. -2008. -№12. -С. 18-20.

3. Боченков Д. А. Анализ влияния величины подачи центробежного секционного насоса на КПД водоотливной установки.// Перспективы развития Восточ-

пого Донбасса: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2008. - Ч. 2 - С. 61 - 65.

4. Боченков Д. А., Бабкина Л. А. Оптимизация режима работы шахтной водоотливной установки применением регулируемого привода подкачивающего насоса.// Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. / Шахтинский инт (фил.) Юж. Рос. гос. техн. ун-та (НПИ).- Новочеркасск: УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2008. -Ч. 2.-С. 83 - 88.

5. Боченков Д. А., Сташинов Ю. П., Бабкина Л. А. Моделирование системы энергосберегающего управления шахтной водоотливной установкой. // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. По материалам 58-й регион, науч.-практ. конф./ Юж. Рос. гос. техн. ун-т (НПИ); Шахт, ин-т (фил.) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ. - 2009. - С. 54 - 60.

6. Боченков Д. А. Исследование влияния подачи насосных агрегатов на энергетические показатели работы шахтных водоотливных установок. // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. По материалам 58-й регион, науч.-практ. конф. / Юж. Рос. гос. техн. ун-т (НПИ); Шахт, ин-т (фил.) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ. - 2009. - С. 65 - 69.

7. Боченков Д. А., Волков В. В., Сташинов Ю. П. Комбинированный энергосберегающий способ регулирования режима работы шахтной водоотливной установки. /Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009 - Отд. вып. №8. Электрификация и энергосбережение. - С. 71 - 77.

8. Способ регулирования режима работы водоотливной установки. Пат. 2375606 Рос. Фед.: МПК Р04Б 29/041,- 2008111700/06; Заявл. 26.03.2008; опубл. 10.12.2009; Бюл.№34.

9. Боченков Д. А. Энергосберегающее регулирование режима работы главных водоотливных установок шахт и рудников средствами электропривода./ Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2010. - №4. -С.42-45.

10. Способ регулирования режима работы водоотливной установки. Пат. 2403452 Рос. Фед.: МПК Р04Б 15/00,- 2008149672/06; Заявл. 16.12.2008; опубл. 10.11.2010; Бюл. №31.

Боченков Дмитрий Александрович

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ СРЕДСТВАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Автореферат

Подписано в печать 16.11.2010.

Формат 60x84 'А«. Бумага офсетная. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 48-1174.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая характеристика и организации работы главных водоотливных установок шахт и рудников

1.1.1 Устройство и особенности водоотливных установок.

1.1.2 Особенности способов организации работы шахтных водоотливных установок с точки зрения энергоэффективности.

1.1.3 Способы регулирования производительности насосных агрегатов.

1.2 Обзор работ по энергосберегающему регулированию насосных установок средствами электропривода.

1.3 Цель и задачи диссертационной работы.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ

2.1 Технологические особенности главных водоотливных установок шахт как объектов энергосберегающего регулирования режимов их работы.

2.2 Обобщённое описание рабочих характеристик центробежных насосов при изменении частоты вращения рабочих колёс.

2.3 Определение ресурсов экономии электроэнергии и необходимого диапазона изменения частоты вращения для обеспечения энергоэффективного режима работы ГВУ шахт и рудников.

Выводы по главе.

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ

3.1 Оптимизация режима работы шахтной водоотливной установки применением регулируемого электропровода подкачивающего насоса.

3.2 Комбинированный метод энергосберегающего регулирования режима работы водоотливной установки.

3.3 Компьютерное моделирование работы насосной установки в составе основного насосного агрегата и подкачивающего насоса с регулируемым приводом.

3.4 Компьютерное моделирование работы насосной установки в составе основного насосного агрегата и подкачивающего насоса при впуске воздуха.

Выводы по главе.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ С ПОДКАЧИВАЮЩИМ НАСОСОМ, ОБОРУДОВАННЫМ РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ

4.1 Задачи и методика экспериментальных исследований.

4.2 Описание экспериментальной установки.

4.3 Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований

4 3.1 Анализ эксперимента на подтверждение наличия минимума удельных энергозатрат.

4.3.2 Анализ результатов эксперимента с подачей воздуха для расширения диапазона регулирования.

Выводы по главе.

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК С ПОДКАЧИВАЮЩИМИ НАСОСАМИ И ВЫБОРУ

ПАРАМЕТРОВ ПОДКАЧИВАЮЩИХ

5.1 Рекомендации по проектированию водоотливной установки с серийно выпускаемыми насосами в качестве подкачивающих.

5.2 Рекомендации по выбору параметров новых подкачивающих насосов.

Выводы по главе.

Современный уровень развития общества немыслим без применения энергоэффективной экономики, обусловленной ростом потребления энергии как во всем мире, так и в России [1—4]. Федеральным законом «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» [5] предусмотрено снижение энергоемкости отечественного валового продукта к 2020 году на 40%. Энергоэффективности отведено первое место в ряду пяти приоритетов, определенных Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики России, так как каждый процент экономии топлива и энергии может дать 0,35-0,4 % прироста национального дохода [6].

Одним из способов повышения эффективности функционирования технологических установок является энергосбережение с помощью средств электропривода и автоматики [7]. Так, применение асинхронного частотно-регулируемого привода (АЧРП) в системах промышленного и городского водоснабжения позволяет экономить до 30-40% электроэнергии и до 12-15% воды и тепла [8].

На шахтах и рудниках одними из самых энергоемких потребителей являются главные водоотливные установки (ГВУ), оборудованные, как правило, высоковольтными асинхронными электродвигателями мощностью 600 и более кВт, на долю которых приходится до 30-50% общего потребления электроэнергии предприятием.

Указанные установки как объекты энергосбережения средствами электропривода имеют ряд существенных технологических особенностей, которые не позволяют непосредственно перенести на них решения, разработанные для других объектов, в частности систем водоснабжения.

Поэтому возникает необходимость установления рациональных областей применения АЧРП для основных используемых на практике типоразмеров шахтных центробежных насосов, а также разработка новых энергосберегающих способов регулирования режимов их работы, что является важной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является установление рациональной области применения АЧРП на ГВУ шахт и рудников, научное обоснование и разработка энергосберегающих способов способов регулирования режимов работы насосных агрегатов, позволяющих повысить энергоэффективность функционирования ГВУ шахт и рудников.

Для решения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ технологических особенностей ГВУ шахт и рудников с точки зрения повышения энергоэффективности и выбрать направление энергосберегающего регулирования режимов их работы.

2. Получить обобщенное аналитическое описание рабочих характеристик насосных агрегатов при регулировании частоты вращения рабочих колес.

3. Разработать алгоритмы и математические модели оценки энергоэффективности регулирования режима работы насосных агрегатов изменением частоты вращения рабочих колес и определить на их основе рациональную область применения АЧРП насосов ГВУ шахт и рудников.

4. Разработать новые энергосберегающие способы регулирования режима работы ГВУ шахт и рудников.

5. Выполнить компьютерное моделирование и экспериментальную проверку режимов работы ГВУ шахт и рудников с энергосберегающими способами регулирования.

6. Разработать рекомендации по методике проектирования систем энергосберегающего регулирования ГВУ с подкачивающими насосами и по выбору их параметров.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

- Обобщенное описание рабочих характеристик центробежных насосов при регулировании режима работы изменением частоты вращения^ рабочих колес, отличающееся аппроксимацией зависимостей напора и КПД насоса от подачи при номинальной^ частоте вращения полиномами« произвольных степеней.

- Математическая модель и алгоритм анализа энергетических, показателей насосных агрегатов при регулировании частоты вращения, позволяющие в едином цикле получать графики зависимостей удельного расхода электроэнергии от величины подачи насоса, с фиксацией координат оптимальных режимов работы, для совокупности-шахтных центробежных насосов при различных вариантах параметров гидравлической сети.

- Способы энергосберегающего экстремального регулирования режима работы насосных агрегатов ГВУ шахт и рудников средствами регулируемого электропривода с воздействием на частоту вращения относительно маломощных подкачивающих насосов на основе информации об удельном расходе электроэнергии основными насосными агрегатами.

- Математические и компьютерные модели насосных установок в составе основного насоса и подкачивающего насоса с АЧРП, реализующие энергосберегающие способы регулирования.

На защиту выносятся следующие положения

- Снизить удельный расход энергии электроприводом ГВУ шахт и рудников на 5-10%, а во многих случаях не более 5%, можно регулированием частоты вращения насосных агрегатов в узком диапазоне, не превышающем, как правило, 4-9%, с изменением напора-1 в пределах доли напора, развиваемого одним рабочим колесом насоса.

- Оборудование насосов ГВУ шахт и рудников АЧРП, с целью снижения энергопотребления, сталкивается с техническим противоречием: управляющему воздействию подвергаются все рабочие колеса, с необходимостью использования для регулирования частоты вращения дорогостоящих высоковольтных преобразователей частоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было бы осуществлять воздействие только на одно рабочее колесо.

- Разрешить указанное техническое противоречие с достижением того же энергетического эффекта при существенно'меньших затратах позволяет включение в состав ГВУ шахт и рудников подкачивающих насосов, оборудованных низковольтным АЧРП с экстремальной поисковой системой управления, осуществляющей регулирование частоты вращения привода ПН в более широком диапазоне на основе информации о текущем удельном расходе электроэнергии приводом основного насоса.

- Расширение диапазона регулирования подачи при минимальной мощности привода ПН и устойчивой работе основного насосного агрегата обеспечивает применение комбинированного способа энергосберегающего-регулирования с дополнительным, управляемым частотой вращения ПН, дозированным подводом воздуха на вход основного насосного агрегата.

Достоверность научных положений и выводов

Подтверждается корректным применением проверенных математических методов исследования и компьютерного моделирования, достаточной сходимостью результатов моделирования и эксперимента (максимальное расхождение менее 11%).

Практическая ценность

Реализация предложенных в работе способов регулирования и методики проектирования водоотливных установок с подкачивающими насосами, оборудованными АЧРП, позволит, благодаря минимизации расхода электроэнергии, улучшить экономические показатели работы ГВУ шахт и рудников.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе два патента на изобретения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практических конференциях (г. Шахты, 2007-2010 г.); Международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2008-2009 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих предприятий» (г. Санкт-Петербург, 2008-2009 г.); Научно-практической конференции «Развитие топливно-энергетического комплекса и повышение энергоэффективности экономики юга России» (г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых учёных в области энергосбережения в промышленности «Эврика-2010» (г. Новочеркасск, 2010 г, Диплом 3-й степени).

В полном объеме результаты работы доложены на семинаре «Электрификация и энергосбережение в горной промышленности» международного симпозиума «Неделя горняка-2010» (г. Москва, 2010) и на расширенном заседании кафедры «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2010).

Выводы по главе

1. Разработаны рекомендации по проектированию водоотливных установок с подкачивающими насосами с учётом зависимости КПД гидравлической сети от геодезической высоты подачи и напора, создаваемого подкачивающим насосом.

2. Определены ориентировочные значения параметров подкачивающих насосов. Показано, что для большинства типоразмеров насосных агрегатов номинальные напоры подкачивающих насосов не превышают 50 м.

3. Установлено, что мощности привода подкачивающих насосов в десятки раз меньше мощностей основных насосных агрегатов. Следовательно, реализация разработанных методов регулирования режима работы ГВУ шахт и рудников позволит значительно сократить дополнительные вложения на повышение энергоэффективности их работы по сравнению с применением АЧРП основных насосных агрегатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение важной научно-практической задачи повышения энергоэффективности функционирования главных водоотливных установок шахт и рудников. Материалы исследований, представленных в работе, позволяют сформулировать следующие основные выводы, научные и практические результаты:

1. Разработано обобщённое описание рабочих характеристик центробежных насосов с регулируемой частотой вращения при аппроксимации зависимостей напора и КПД от подачи для номинальной частоты вращения полиномами произвольных степеней. В частном случае получены соотношения, позволяющие: построить напорную характеристику насоса для любой частоты вращения; определить подачу насоса при заданной частоте вращения и, наоборот - частоту вращения для получения требуемой подачи; проанализировать поведение энергетических показателей при регулировании режима работы изменением частоты вращения рабочих колёс.

2. Разработан алгоритм и программная реализация расчёта энергетических показателей работы ГВУ шахт и рудников при регулировании режима изменением частоты вращения, с представлением исходных данных в матричном виде. По результатам расчётов для 67 типоразмеров насосных агрегатов получены зависимости удельного расхода электроэнергии от частоты вращения и, соответственно, подачи, подтвердившие наличие режима работы насосных агрегатов с минимальным расходом энергии.

3. По результатам расчётов произведена оценка ресурсов экономии электроэнергии при оборудовании водоотливных установок регулируемым приводом. Показано, что возможное снижение затрат электроэнергии при переводе установки в режим минимального энергопотребления не превышает 5 — 12 %, а для значительной части насосов лежит в диапазоне 1 — 5%.

4. Установлено, что требуемый для этого диапазон регулирования частоты вращения для большинства насосных агрегатов не превышает 5 — 10% номинальной*частоты вращения, с изменением напора в пределах:доли напора, развиваемого одним.рабочим колесом насоса.

5-: В-результате выполненного;анализа;выявлено техническое противоречие: при внедрении АРЧП основного насоса воздействию подвергаются все рабочие, колеса,,что-требует применения- дорогостоящих, как. правило^ высоковольтных преобразователей частоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было; бы осуществлять управляющее воздействие только на одно рабочее колесо.

6: € учётом1ВЫСОКОЙ стоимости мощных высоковольтныхпреобразова-телей частоты, применение: АЧРГ1 для большинства типоразмеров? шахтных насосных агрегатов проблематично, в связи с чем актуален поиск новых, менее затратных технических решений; по повышению энергоэффективиости функционирования ГВУ шахт и рудников средствами электропривода;

7. Для разрешения указанного технического противоречия предложено использовать в составе .водоотливных установок.одноколёсныеТЩ оборудо-ванныенизковольтнымАЧРП.

8. С учетом того, что параметры насосов и сети в процессе работы не остаются постоянными, для минимизации расхода электроэнергии разработаны защищенные патентами. РФ способы энергосберегающего» регулирования режима работы водоотливных установок с применением поисковой: экстремальной системы управления частотой вращения приводного двигателя ШТ. на основе информации о текущем значении удельного расхода электроэнергии.

9: Разработаны математические и компьютерные модели; водоотливных установок в составе основного насоса и подкачивающего: насоса: с регулируемым приводом. Компьютерным моделированием подтверждены результаты теоретического анализа поведения удельного расхода электроэнергии при регулировании работы водоотливной установки изменением частоты вращения подкачивающего насоса.

10. Для проверки предложенных технических решений создана экспериментальная установка в составе основного насосного агрегата и подкачивающего насоса с АЧРП, с возможностью управляемого подсоса воздуха на вход основного насоса. Результатами экспериментов подтверждена адекватность разработанных математических и компьютерных моделей, а также, благодаря наличию ПН, устойчивая работы основного насоса при дополнительном регулировании режима работы дозированным управляемым подсосом воздуха.

11. Разработана методика проектирования водоотливной установки с регулируемым приводом подкачивающих насосов.

1. Косов В.В. Взаимосвязь и взаимовлияние развития экономики России, Энергетик, 2006, №4, С.2-9.

2. Официальный сайт информационного агенства Медиатекст. URLhttp://mediatext.ru/docs/1772 р.9 (дата обращения 5.08.2009).

3. Потребление энергии в мире, Наука и жизнь, 2008, №11.

4. Стратегия энергетического развития, Наука и жизнь, 2000, № 5.

5. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности», Российская газета. Федеральный выпуск №5050 от 27 ноября 2009 года.

6. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. Утверждена распоряжением правительства Российской Федерации от 28 августа 2003 года № 1234-р.

7. Электротехника: Учебное пособие для вузов. В13-х книгах, Книга третья. Электроприводы, электроснабжение / Под ред. П.А. Бутырина Р.Х., Гафиятуллина, А. А. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2005. -639с.

8. Ремезов А.Н., Сорокин A.B. Некоторые аспекты применения частотно регулируемого электропривода на теплоснабжающих предприятиях ЖКХ // Приводная техника, №3. 2007.

9. Носырев Б.А. Эволюция рудничного водоотлива —Изв. Вузов, Горный журнал. 1995.-№5.С. 162-170.

10. Боярский В.А., Киров И.П. Водоотлив и осушение на горных предприятиях-М.: Высшая Школа, 1980.-304 с.

11. Попов В. М. Водоотливные установки: Справочное пособие. -М.: Недра, 1990.-304с.

12. Стационарные установки шахт/ Под общ. ред. Б.Ф. Братченко- М.: Недра, 1977.-440с.

13. Риман Я.С., Соловей А.И. Устройство и эксплуатация электрооборудования стационарных установок шахт. М.: Недра, 1991284 с.

14. Рипп М.Г. Рудничные водоотливные и вентиляторные установки-М.: Недра, 1968.-29б с.

15. Лопастные насосы: Справочник/В .А. Зимницкий и др.-М-Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение,1986.-334 с.

16. Богомолов H.A. Насосы и электродвигатели для шахтного водоотлива. // Уголь Украины, октябрь, 1981, С. 31-32.

17. Правила безопасности в угольных шахтах. — М.: Госгортехнадзор. -2003.-350 с.

18. Бирюков В.М., Пристром В.А. Техническое обслуживание и текущий ремонт стационарного оборудования М.: Недра, 1988.-318с.

19. Попов В. М. Рудничные водоотливные установки. 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Недра, 1983. - 304с.

20. Картавый Н.Г. Стационарные машины.- М.: Недра, 1981.-327с.

21. Попов В.М. Шахтные насосы (теория, расчет и эксплуатация). Справочное пособие — М.: Недра, 1978.-192 с.

22. Носырев Б.А. Насосные установки горных предприятий: Учебное пособие-Екатеринбург: Изд. УГТА. 1997. -162 с.

23. Малашкина В.А., Малеев В.Б. Ремонт и эксплуатация стационарного оборудования шахт — М.: Недра, 1990 329 с.

24. Руководство по ревизии и наладке главных водоотливных установок шахт, Донецк, 1988 — 98 с.

25. Гейгер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов —М.: Недра. 1987—270с.

26. Носырев Б.А. Теоретические основы рудничных турбомашин.-Екатерпнбург: Изд. УГГГА, 1995.-96с. .

27. Частотный-преобразователь на ЮВТ-транзисторах в системе:автоматизированного управлениянасосной установкой/ Б.С. Лезнов, В.Б. Чёба-нов, Н.Т. Агеева и др.// Водоснабжение и санитарная техника. 1998, №3

28. Актуальность проблемы энергосбережения:^ системе водоснабжения// Ежемесячная газета «Новости приводной техники>>.— М;: 20011- №6- С. 6-7. ^

29. Шкердин Д.Г. Преобразователи частоты в энергосберегающем приводе насосов // Водоснабжение и санитарная техиика. 2004 №733:Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. — М.: Стройизда г, 1990

30. СНиП 2.04.02-84: Насосные станции. Электрооборудование, технологический контроль, автоматизация^ и-системы управления;

31. Попкович Г.С., Гордеев М:А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения.-М.: Высш. шк.,1986.

32. Ильинский Н.Ф. Электропривод в современном мире / Н: Ф. Ильинский // Сб. материалов- V Международной (ХУ1 Всероссийской) науч. конф.; 18-21 сентября 2007 г. СПб.: 2007. С. 17 19.

33. Колесников А.И., Федоров М.Н., Варфоломеев Ю.М. Энергосбережение в промышленных и коммунальных предприятиях: /Под общ. ред. М.Н. Федорова.-М.: ИНФРА-М, 2005.-124с.

34. Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок, М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1987.

35. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках-М.: ИК «ЯГОРБА»-Биоинформсервис, 1998.-180с.

36. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый электропривод в насосных и воздуходувных установках М.: Энергоатомиздат, 2006. - 360 с. ил.

37. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными электродвига-телями.-2-е изд., доп.-М.: Наука, 1966.-297с.

38. Брускин Д.Э., Зохорович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины. 4.1,2 М.: Высшая школа, 1987.

39. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985.-560 с.

40. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.

41. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. — 328 с.

42. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод: Учебное пособие по курсу «Типовые решения и техника современного электропривода»-М.: Издательство МЭИ,2004 80с.

43. Масандилов Л.Б., Москаленко В.В. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Энергия, 1978-96с.

44. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: «АСADEMA», 2006

45. Картавый Н. Г., Топорков А. А. Шахтные стационарные установки: Справочное пособие. — М.: Недра, 1978. 264с.

46. Бабокин Г. И.,Энергосбережение в насосных станциях водоотлива средствами регулируемого электропривода. / Горный информационно-аналитический бюллетень, 2005. № 11, С. 305-306.

47. Тимухин С.А Математические модели функционирования и оптимизации комплексов главных водоотливных установок / С.А. Тимухин и др:. //Изв. Вузов. Горный журнал.2002.№4, С.121-122.

48. Школьников А.Д., Черняховский P.JI. Перспективы автоматизации главных водоотливных установок шахт // Горные машины и автоматика.-№5 С.34-36.

49. Кабанов О.В. Об оптимальном управлении работой рудничных водоотливных установок. Записки-горного института: Новые технологии в металлургии, обогащении, автоматизации и управлении. Т. 177, СПб, 2008-С. 100-103.

50. Богомолов H.A., Набойченко В.Н. Закономерности роста гидросопротивления шахтных водоотливных трубопроводов в процессе эксплуатации, Уголь Украины, 1971, №10.

51. Титов И.П., Райтруб М.С. Регулирование электропотребления шахтного водоотлива // Уголь Украины, февраль, 1982, С. 32-33.

52. Вахлер Б.Л. Насосные станции металлургических предприятий. Справочник, ГНИТИ литературы по черной и цветной металлургии. -М.:1964, С.35.

53. Дробкин, Б. 3. Развитие устройств силовой электроники для регулируемых электроприводов / Б. 3. Дробкин, М. В. Пронин, А. А. Ефимов // Сб. материалов V международной (XVI Всероссийской) науч. конф.: 18-21 сентября 2007 г. СПб.: -2007. - С. 26-32.

54. Преобразователи частоты (ABB, Shneider Electric). URL: http://electro-mpo/ru/catalog-cgroupe975.html (дата обращения 5.09.2010)

55. Каталог SIEMENS. URL: http://premiumelectro.ru/siemens.htm (дата обращения 5.09.2010)

56. Преобразователи частоты OMRON. URL: http://omron-yaskawa.ru/showcat2.php (дата обращения 10.09.2010)63 .Преобразователи частоты для управления насосами и вентиляторами. URL:http://ProSoft.ru (дата обращения 10.09.2010)

57. Серия высоковольтных преобразователей частоты URL: http://webl.vei.ru/products/vpcha.htm (дата обращения 10.09.2010)

58. Преобразователи частоты HYUNDAI. URL: http://modul-c.ru (дата обращения 10.09.2010)

59. Сташинов Ю. П., Боченков Д. А., Волков В. В. Технические и энергетические аспекты применения регулируемого привода на главных водоотливных установках шахт / Горное оборудование и электромеханика, 2008. -№11 .С. 22-25.

60. Сташинов Ю. П., Боченков Д. А. К пересчету напорной характеристики центробежного насоса при изменении частоты вращения рабочих колес / Горное оборудование и электромеханика. -2008. -№12. -С. 18 — 20.

61. Кузнецов М., Чистяков А. Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами.// Современные системы автоматизации. 2001. №1. С. 76-82.

62. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. — М.: Энергоатом-издат.-1984.-416 с.

63. Коробов А. В. Гидравлика и гидропривод М.: Недра, 1985.- 406с.

64. Указания по проектированию трубопроводов в подземных выработках угольных и сланцевых шахт, М.: Центрогипрошахт, 1972.

65. Белов C.B. Проектирование насосных установок. Екатеринбург: Изд. УГГГА,2000-68с.

66. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, -M-JI., Госэнергоиздат, 1960.

67. Хаджиков Р.Н., Бутаков С. А. Горная механика: Учебник для техникумов- 6-изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 1982 — 407с:

68. Методика определения числа насосов, диаметра и количества трубопроводов, выбора коммутационной схемы шахтных водоотливных установок- Донецк, ВНИИГМ им М.М. Федорова, 1987 45 с.

69. Официальный сайт Ясногорского машиностроительного завода. C/i?L:littp://yamz.xyz.ru. (дата обращения.1.09.2008)

70. Методика расчета режимов параллельной работы насосов водоотлива шахт, имеющих большие притоки.- Донецк, ВНИИ горной механики, 1979-179 с.

71. Боченков Д. А., Бабкина JL А. Оптимизация режима работы шахтной водоотливной установки применением регулируемого привода подкачивающего насоса // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. /

72. Шахтинский ин-т (фил.) Юж. Рос. гос. техн. ун-та (НПИ).— Новочеркасск: УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2008. -Ч. 2.-С. 83 88.

73. Браславский И. Я., Ишматов 3. LLL, Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256с.

74. Маевский O.A. Энергетические показатели вентильных преобразователей-М.: Энергия, 1978.-320 с.

75. Преобразователи частоты в современном электроприводе. Доклады научно-практического семинара. М.: Издательство МЭИ, 1998 - 82с.

76. Частотно-управляемые электроприводы на базе высоковольтныхпреобразователей/ Б.И. Абрамов, A.C. Дрожжин, A.C. Дронов и др.1. Электротехника, 2001, №1.

77. Адам О.В., Богомолов H.A. Метод расчета параметров и всасывающей способности насосов // Уголь Украины, март 1980, С. 25.

78. Богомолов H.A., Поламарчук, Совершенствование эксплуатации шахтных водоотливных установок // Уголь Украины, март 1982, С. 30-31.

79. Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах-М.: Машиностроение, 1975.-336 с.

80. Боченков Д. А. и др. Способ регулирования режима работы водоотливной установки: пат. 2375606 Рос. Фед.: МПК F04D 29/041. -2008111700/06; Заявл. 16.12.2008; опубл. 10.12.2009; Бюл. №34.

81. Официальный сайт компании «МетроТелеком». URL: http://metrarus.com (дата обращения 25.09.2010)

82. Цифровые ваттметры. URL: http://mirmsk.ru (дата обращения 25.09.2010)

83. Измерительная техника. URL: http://izm.tech.ru (дата обращения 20.08.2010)

84. Боченков Д. А. и др. Способ регулирования-режима работы водоотливной установки: пат. 2403452 Рос. Фед.: МПК F04D 15/00. -2008149672/06; Заявл: 16.12.2008; опубл. 10.11.2010; Бюл. №31.

85. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / Под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина.- М.: ДИАЛОТ-МИФИ, 2003.- 496 с.

86. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения» MATLAB. Специальный,справочник-СПб:: Питер, 2001.-480 е.: ил.*

87. SIMULINK. Simulink Reference. Version 5. The MathWorks, Ink., July 2002.-578c.

88. SIMULINK. Using Simulink. Version 5. The MathWorks, Ink., July-2002.-556c.

89. Слепокуров Ю.С. MATLAB 5.0. Анализ технических систем. Воронеж. Издательство ВГТУ. 2001. 167с.

90. Stateflow and Stateflow Coder. User's Guide. The MathWorks, Ink., July 2002.-772c.

91. Боченков Д.А. Энергосберегающее регулирование режима работы главных водоотливных установок шахт и рудников средствами электропривода./ Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2010. — №4. С. 4245.

92. Насосы типа ЦНС 180-85.425, ЦНСМ 180-85.425, ЦНС 300120. .600. Инструкция по эксплуатации и уходу 2003. 41с.

93. Центробежный электронасос БЦ-1,1-18. Руководство по эксплуатации. 17 с.

94. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы Издательство Машиностроение. Изд. второе доп. и перераб. М.-Л. 1966 - 364с.