автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергосберегающие режимы работы мелиоративных насосных агрегатов с разработкой автоматизированной системы управления

На правах рукописи

Щ.Ф-6

Дидыч Виктор Александрович

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ С РАЗРАБОТКОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар, 2013

7 НОЯ ^013

005536912

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Оськин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Григораш Олег Владимирович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Лебедев Константин Николаевич кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные технологии и управляющие системы» ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Управление «Кубаньмелиоводхоз» (г. Краснодар)

Защита состоится «29» ноября 2013 в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, главный учебный корпус, ауд. 106.

Автореферат разослан «28» октября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru/ и на сайте ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ http://kubsau.ru/

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

В. С. Курасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в России осушается 4788,4 тыс. га. земель, используемых для нужд сельского хозяйства. В рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия к первому уровню приоритетов государственной политики в сфере развития производственного потенциала относится мелиорация земель сельскохозяйственного назначения, введение в оборот неиспользуемой пашни и других категорий сельскохозяйственных угодий.

В мелиоративной системе Краснодарского края 77 крупных насосных станции, которые относятся к наиболее энергопотребляемому оборудованию. Проблема повышения энергетической эффективности работы таких станций является очень актуальной.

Вопросам повышения энергоэффективности функционирования электропривода насосных агрегатов занимались такие ученые как: Соколов М.М., Юньков М.Г., Онищенко Г.Б., Николаев В.Г., Емельянов А.П., Васильев Б.Ю., Ильинский Н.Ф., Муравлев О.П., Гоппе Г.Г. и др.

Совершенствованием станций управления асинхронными электроприводами насосных агрегатов занимались Лебедев К. Н., Комелин А.В.,Матыцин Д.В и др.

Улучшением эксплуатационных характеристик преобразователей частоты занимались Григораш О.В., Глинкин M. Е., Трубецкой В. А., Дарьенков А. Б. и др.

Несмотря на большое количество способов и средств регулирования производительности мелиоративных насосов, они продолжают работают в неоптимальном режиме с точки зрения энергоэффективности.

Работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006 - 2010 гг. (ГР 01.2.00606851), 2011 - 2015 гг. (ГР 01.2.01153641) и технического задания департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011 - 2012 гг. (№32 — 2011) на выполнение научно - исследовательской работы «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края».

Научная гипотеза - при комплексном анализе работы всех составляющих электропривода и насосного агрегата: турбомеханизм, электродвигатель, преобразователь частоты, система разворота лопастей - можно получить зону оптимальных режимов работы данной электроустановки.

Цель работы - теоретическое обоснование оптимальных режимов работы мелиоративных насосных агрегатов с разработкой автоматизированной системы управления для реализации энергосберегающих алгоритмов регулирования производительности.

Задачи исследования:

1. Получить целевую функцию оптимизации режимов работы электропривода и насосного агрегата.

2. Установить функциональные зависимости КПД от режимных параметров для основных элементов рассматриваемой системы «электропривод - насосный агрегат».

3. Разработать математические модели КПД электропривода и насосного агрегата с учетом и без учета магистрали и определить оптимальный режим для обоих случаев.

4. Установить рациональный способ управления для частотного преобразователя.

5. Подтвердить теоретические исследования с использованием фактических данных, полученных на конкретной насосной станции, и с помощью компьютерного моделирования.

6. Разработать функциональную схему и алгоритм работы системы управления мелиоративной насосной станцией.

7. Определить изменение энергетической эффективности насосной станции и экономический эффект от внедрения предлагаемых мероприятий.

Объест исследования - способы регулирования производительности насосных агрегатов, электропривода насосных агрегатов, насосные станции, уровни воды в аванкамере и напорном бассейне.

Предмет исследований - закономерности изменения КПД, характеристики и параметры составляющих элементов электропривода насосного агрегата.

Методики исследования - методы системного анализа, математического и компьютерного моделирования, элементы математической статистики. Моделирование производилось с помощью программного комплекса Ма&АВ.

Научная новизна работы:

- целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод - насосный агрегат» с КПД отдельных его элементов и их параметрами, что позволяет установить оптимальные значения частоты вращения, угла разворота лопастей рабочего колеса насоса;

- математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат» без учета КПД магистрали, на основе ее анализа установлено, что максимум всех КПД элементов системы лежат в интервале по относительной производительности от 0,8 до 1,2; также определено - при относительной частоте тока, равной 0,8, КПД агрегата держится более стабильно при различном угле разворота лопастей;

- математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат» с учетом КПД магистрали, из данной модели установлено, что при относительном статическом напоре, близком к единице, уменьшение частоты тока вызывает уменьшение КПД, а при относительном статическом напоре менее 0,8 - увеличение КПД;

- оптимальные соотношения параметров комбинированного способа регулирования производительности насосного агрегата, для поддержания максимально возможного КПД системы «электропривод-насосный агрегат» при различных статических напорах.

Практическая ценность результатов исследования.

1.Установлено преимущество векторного управления частотного преобразователя при малых относительных статических напорах, так при Нст = 0,3 и одинаковых значениях частоты и угла разворота со скалярным управлением можно получить КПД агрегата на уровне 0,5, а с векторным управлением до 0,63.

2.Разработаны компьютерные модели системы «насосный агрегат без регулирования производительности - электропривод» и «насосный агрегат с регулированием производительности - электропривод» в среде 81М1ЛЛЫК, позволяю-

щие задавать различные режимы работы, изменять параметры двигателя, насоса, частотного преобразователя, угол установки лопастей рабочего колеса.

3. Разработана функциональная схема автоматизированного управления насосной станции, построенная по идеологии распределенной системы (DCS), позволяющей реализовывать энергоэффективный алгоритм управления насосными агрегатами.

4. Разработана компьютерная программа по определению наиболее энергоэффективного режима работы электропривода насосного агрегата.

На защиту выносятся следующие положения: - целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод — насосный агрегат» с КПД отдельных его элементов и их параметрами;

- математические модели системы «электропривод - насосный агрегат» без учета и с учетом КПД магистрали;

- рекомендуемые способы регулирования КПД насосного агрегата;

- компьютерные модели системы «электропривод - насосный агрегат»;

- сопоставление теоретических и экспериментальных данных по КПД системы;

- функциональная схема системы автоматизированного управления насосной станцией;

- расчет энергетической и экономической эффективности насосной станции.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Исследования проводились при участии ФГБУ «Управление «Кубаньме-лиоводхоз», результаты использовались для внедрения при реконструкции насосных станций. Основные положения научных исследований включены в научно-исследовательскую работу по теме: «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края», выполненную согласно техническому заданию департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011 - 2012 гг. №32-2011. Результаты

научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре «Электрические машины и электропривод» в Кубанском ГАУ (г. Краснодар) при изучении дисциплин «Автоматизированные системы управления технологическими процессами» и «Автоматизированный электропривод».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на IV всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2011г.); 73 межвузовской конференции «Университетская наука - региону» (г. Ставрополь, 2009 г.); ежегодных конференциях молодых ученых Кубанского ГАУ (г. Краснодар, 2008-13 гг.).

Публикация результатов работы.

Основные результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монографию, 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 7,74 печатных листа, из них личный вклад автора 3,44 печатных листа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего 80 наименований, в том числе 3 на иностранном языке и приложения. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста, включая 51 страницу приложения, содержит 32 рисунка, 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая значимость и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены состояние и перспективы развития мелиоративной системы Краснодарского края, способы регулирования производительности насосных агрегатов, проанализированы энергетические параметры насосной станции.

Мелиоративная система - устройство на осушаемой или осушаемой и орошаемой территории, защищенной от затопления паводковыми (речными) или

морскими водами. Мелиоративные системы устраивают на морских побережьях, в дельтах, в поймах рек, в условиях, когда уровень воды в водоприемнике находится выше или на уровне гипсометрических отметок мелиорируемой территории.

Показатели наличия осушенных земель и состояние осушительных систем в России приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели наличия осушенных земель и состояние осушительных систем в России на 01.01.2012 г.

№ п/п Федеральные округа Общая площадь осушаемых земель, тыс. га в том числе площадь, на которой требуется, тыс. га

реконструкция культур-техиические работы ремонт дренажной сети химические мелиорации проведите мониторинг а земель

1. Центральный 1395.6 366.0 264,7 243,2 586,0 1395,6

2. Южный 54,6 14,5 - 5.5 3,8 54,6

3. СевероКавказский 18,1 4,8 - 1,8 1,3 18,1

4. Приволжский 431,9 113,0 27,7 13,5 55,7 431,9

5. Уральский 151,1 50,1 11,0 21,5 6,1 151,1

6. Сибирский 228,1 84,0 41,6 28,2 20,3 228,1

7. Дальневосточ ный 661,4 221,9 120,2 80,1 278,3 661,4

8. СевероЗападный 1847,6 378,3 235,3 288,3 802,7 1847,6

9. Всего по Российской Федерации 4788,4 1232,1 700,5 682,1 1754,2 4788,4

К настоящему времени мелиоративно-водохозяйственный комплекс Краснодарского края включает:

- четыре крупных противопаводково-ирригационных водохранилища (Краснодарское, Шапсугское, Крюковское, Варнавинское) и ряд более мелких;

- Федоровский и вододелительный Тиховский гидроузлы;

- противопаводковую систему обвалования рек протяженностью более 700 км;

- крупные коллекторы, обеспечивающие сброс вод из нескольких районов

края (Афипский коллектор. Крюковский сбросной канал, Варнавинский сбросной канал, Джерелиевский главный коллектор и др.);

— концевые сбросные сооружения и 77 крупных насосных станций;

- сотни километров мелких (хозяйственного значения) дренажно-сбросных каналов.

При эксплуатации мелиоративных систем основная часть затрат на электроэнергию приходится на насосные станции. Структура затрат при эксплуатации насосной станции показана на рисунке 1.

Как видно из рисунка, основные затраты на эксплуатацию насосных станций приходятся на оплату потребленной электроэнергии, поэтому основным резервом снижения стоимости подъема воды является повышение энергетической эффективности насосных агрегатов.

В ходе исследований были проанализированы способы регулирования подачи лопастных насосов. Анализ энергетических параметров мелиоративной насосной станции №7 Понуро-Калининской оросительной системы на основании многолетних статистических данных и результатов измерений показал: реальный средний КПД станции = 46,5%, что значительно ниже проектного - ;/„„„ = 80%.

Во второй главе на основе энергетической диаграммы электропривода и насосного агрегата получена целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия агрегата с КПД отдельных его элементов и их параметрами.

'Заработная паз га

Подготовка ШСОСНЬЕ

Рисунок 1 - Структура затрат на эксплуатацию насосных станций

Рисунок 2 - Энергетическая диаграмма насосного агрегата

В соответствии с энергетической диаграммой (рисунок 2), при передаче энергии от электрической сети к жидкости, движущейся к потребителям, происходят потери в четырех основных элементах: преобразователе частоты АР„.„ электродвигателе АРдц, турбомеханизме АРТ„, магистрали АР„ . Энергоэффективность такой системы можно оценить по такому показателю как коэффициент полезного действия (КПД). В каждом элементе данной системы КПД зависит от многих параметров, которые следует изучить и оценить их влияние на значение этого показателя. Так КПД преобразователя частоты цпч будет зависеть от конструктивных параметров к„, частоты тока на выходе/, нагрузке, создаваемой электродвигателем / (т),,., ={{к„,/, 1)). В свою очередь КПД электродвигателя зависит от параметров самой электрической машины (сопротивлений обмоток, схемы обмотки статора, характеристик стали магнитопровода и т.д.) /(,„: нагрузки, создаваемой насосом /; частоты тока, подаваемой на обмотку статора/(Цзд=Г(Лт,/, /). Что касается

турбомеханизма, то на его КПД будет оказывать влияние частота вращения рабочего вала и, угол разворота лопастей а, производительность и напор Н (цтм = Дя;Я; а)); от характеристики магистрали - производительность (?,„ статический напор Нст и скоростной напор //„ - будет зависеть ее КПД (ци =^0.„;Нст; И,)). Анализ КПД отдельных элементов и общего КПД системы позволит найти оптимальные параметры системы и определить энергосберегающие режимы работы:

' пш=та-,н-а) • (I)

Ли = да,;

Таким образом, через общий КПД агрегата можно выразить целевую функцию оптимизации:

'Таг = ■ Т1„> ■ Пт • Пм => мах (2)

Для того, чтобы получить максимум КПД агрегата, необходимо исследовать энергетические показатели отдельных составляющих рассматриваемой системы.

При работе с электродвигателем у частотного преобразователя наблюдаются потери энергии, которые зависят от электрической нагрузки и выходной частоты тока. В работах Гоппе Г.Г. были получены зависимости КПД частотного преобразователя (ПЧ) от выходной частоты и нагрузки. На основе этих зависимостей нами получены графики изменения КПД устройства при изменении относительной частоты тока (£ /Г„ =Р ), с учетом изменения нагрузки (связано с законом регулирования для данного механизма), и аппроксимированы кривыми.

Таким образом, в дальнейшем анализе можно использовать следующую формулу для определения КПД преобразователя частоты:

цпч = -0,76(/* )2 +1,326/* + 0,383 , (3)

где / — относительное изменение частоты тока на выходе преобразователя, /•=/

Л'

На мелиоративных насосных станциях для привода насосных агрегатов обычно используются асинхронные электродвигатели. Анализ энергопотребления

двигателя можно вести на основе схемы замещения асинхронного электродвигателя и упрощенной векторной диаграммы (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема замещения и векторная диаграмма асинхронной машины

На основании схемы замещения и векторной диаграммы (рисунок 3) было получено следующее выражение для определения активной мощности потребляемой из сети:

Л =Л„+з(/, >.+/0Л) =

= М • (о.

, , гг (г,+/•„)_ 2т, rrs г2 -г,

2 ' 2 v Г<> 'S г0 г2 х0 S

(4)

где М - момент на валу электродвигателя; ®„- синхронная угловая скорость; г,, г2', го - активные сопротивления соответственно статора, ротора и ветви намагничивания; х¡. х/, хп - индуктивные сопротивления соответственно статора, ротора и ветви намагничивания; loa - активная составляющая тока холостого хода; U, - напряжение на статорной обмотке; // - ток статора; £Y - приведенная ЭДС ротора; РЗЛ1 — электромагнитная мощность.

Определен коэффициент полезного действия электродвигателя: _ Рх - АР __\-s

1 +

h (П+^о) 2• г, f\'S

(5)

+ —--1- ——

' 2 ro г1 Х„ ■ S

Как видно из формулы (5), КПД электродвигателя зависит от сопротивлений обмоток статора и ротора, а также от скольжения и частоты тока питающей сети.

На рисунке 4 изображена графическая поверхность и сечение зависимости КПД электродвигателя от частоты тока и скольжения.

Скольжение Частот«. Гц

Рисунок 4 - Поверхность и сечение зависимости КПД от частоты тока при различной нагрузке

Известно, что характеристики КПД лопастных насосов от производительности могут быть аппроксимированы параболой вида:

т} = ОО2 + е<2+Г (6)

Анализ ОН- характеристик насосов типа ОПВ показал, что зависимость КПД от производительности следует аппроксимировать кубической зависимостью, что позволяет выражение (6) представить в виде:

П = -5,27(У / +11,72(У / - 7,9<{ + 2,45 (?)

*

где относительное изменение производительности ^ ц .

В соответствии с выведенными выражениями получена следующая формула для определения КПД насоса при изменении угла разворота лопастей и частоты тока:

[о,449[ог*(|,25/* -0,25)| - 1,71 [а*(1,25/* - 0,25)| + 1 [+2,101 [а" (1,25/* - 0,25)]" - 0,881 а(1,25/*- 0,25 )+ 1,034 ] [-5,27(У)3 +11,72(У)2 -7,9(7* + 2,45]

П = П гш* ■

где а* - изменение относительного угла разворота лопастей рабочего колеса а ^

(8)

а

При транспортировании воды по магистрали также возникают потери энергии, связанные со скоростным напором и преодолением статического напора.

Выражение для КПД трубопроводной магистрали имеет вид:

_ 'О?')2 + Н'

+ (9)

где ку- коэффициент скоростного напора, можно принимать от 0,01 до 0,03; кт-коэффициент напорной характеристики магистрали;Н „„-изменение относительного статического напора пст - ,,

н

Относительно изменения угла разворота лопастей и частоты тока электродвигателя формула (9) принимает вид:

к„ ■ [а' (1,25¡/'' - 0,25+ Н \„ (1-Я„)[<*'0,25/'-0,25)| +Н'„, ' (10)

Проанализируем математическую модель системы «электропривод - насосный агрегат» первоначально без учета КПД магистрали. На основе полученных отдельных зависимостей КПД от параметров составляющих элементов можно представить следующую систему уравнений:

77„ч =-0,76(/*)2+1,326/*+0,383

! + гг (г1+г») _ + + гг

гп -я 'о /•_ хп

0,44фг'(1,25/* -0,25^ -1,7][ог*(1,25/' -0,25)]' + 2,101[«'(1,25/' -0,25)^ - С х [-5,27(д*)' +11,72(г/')2 - 7,9(/" + 2,45]

Лт ^ _ 0,25)]" -0,881а'(1,25/' - 0,25)+1,034]

(И)

Целевая функция принимает вид:

[-0,7 а/)1+1,326/'+0,з8з]-(1-^//'5)-к„4, А

Л а -

, ('!+'•()) 2-г\rrSA, г2 -П

1 +......;.......----у-......... +..........,..........+

На основе полученных ранее уравнений запишем систему для насосного агрегата с магистралью:

т/пч = -0,76(/)2 +1,326/40,383

=

, Г2 ('1 + 'о) 2-г, г.г, -г,

1 + ' '..........." - -.........' + ' , + -*у.....1

Г„

Хп

Го,449[а*(!,25/* -0,25)]' - 1,7 |[а*(1,25/-0,25)}* + 1 [+2,101 [а (1,25/ - 0Д5)]2 - 0,881а* (1,25/ - 0,25)+1,034] (13)

х [- 5,27(9* )3 +11,72(9* )г - 7,9^' + 2,45]

п = [«'0,25/' -0,25)]* +//',:„ (1 - Я*™ )[а* (1,25/* - 0,25)У + Н\т

КПД системы «электропривод - насосный агрегат» с магистралью можно выразить следующей функцией:

[-0,70/)2 +У2Г +0З4(1-5).[»4иЛ-Вч\[к, •[«'(125/-0,25)]2 +/Л,

г2 (1 +/о)_2' 1 + 1 • 5 + Гг-'\

{ ) ■\\-Н\т{а(125/' -025)]2 + /Л„}

(14)

На рисунках 5-6 приведены поверхности и соответствующие сечения зависимостей КПД агрегата от частоты тока и угла разворота лопастей при различных значениях относительного статического напора и векторном управлении (функция поддержания постоянного скольжения).

Рисунок 6 - Поверхность и сечение зависимости КПД агрегата от частоты тока и угла разворота лопастей (векторное управление) при Нст =0,3 На основе анализа поверхностей на рисунках 5-6 можно выделить зоны оптимальных режимов работы при различных статических напорах (векторное управление) - таблица 2.

Таблица 2 - Значение оптимальных параметров агрегата при изменении относительного статического напора (векторное управление)

Относительные значения оптимальных параметров Относительное значение статического напора, Нст (уровень возможного КПД агрегата)

0,95 (0,75) 0,8 (0,75) 0,5 (0,6) 0,3 (0,6)

Угол разворота лопастей, а* 0,8- 1,25 0,3 - 0.55 0,3-0,35 0,3 - 0,35

Частота тока, Р 0,85 - 0,93 0,75 - 0,95 0,65 - 0,85 0,4-0,8

На рисунках 7-8 приведены поверхности и соответствующие сечения зависимостей КПД агрегата от частоты тока и угла разворота лопастей при различных значениях относительного статического напора и векторном управлении (функция поддержания постоянного скольжения). Значения оптимальных параметров агрегата при изменении относительного статического напора при скалярном управлении приведены в таблице 3.

кпд

Рисунок 7 - Поверхность и сечение зависимости КПД агрегата от частоты тока (скалярное управление) и угла разворота лопастей при Нст * = 0,95

кгщ

Таблица 3 - Значение оптимальных параметров агрегата при изменении

относительного статического напора (скалярное управление)

Относительные значения оптимальных параметров Относительное значение статического напора, Нст* (уровень возможного КПД агрегата)

0,95 (0,74) 0,8 (0,68) 0,5 (0,65) 0,3 (0,6)

Угол разворота лопастей, а* 0,8- 1,2 0,45 - 0,85 0,8-1,1 0,2 - 0,25

Частота тока, Р* 0.85 - 1,0 0,8- 1,0 0,2 - 0,3 0,85- 1,1

В четвертой главе для проверки адекватности математических моделей было проведено компьютерное моделирование. Структурная схема компьютерной модели представления на рисунке 9. В качестве входного воздействия использо-

вались реальные статические напоры и уровень воды в аванкамере.

Рисунок 9 — Структурная схема компьютерной модели

Результаты моделирования приведены на рисунке 10, а реальные КПД системы приведены на рисунке 11.

кпд

кпд 0.80

Рисунок 10 - Результаты моделирования КПД насосного агрегата при колебаниях (Ьактического статического напооа

КПД агрегата без регулирования составил Псу; = 47%.При этом среднеквадратическое отклонение графика изменения вычисленного по реальным

данным КПД соста-

1

вило (Г2 - 0.106.

сг

■

ч5"'

Рисунок 11 - КПД насосного агрегата при колебаниях статического напора, рассчитанный по фактическим данным

Коэффициент корреляции двух графиков КПД (рисунок 10-11) составил Я =0.67.

КПД насосного агрегата с учетом регулирования частоты вращения (векторное управление) и разворота лопастей при колебаниях статического напора показан на рисунке. Среднее значение КПД составило х\ср = 58%.

кпд

Рисунок 12 - КПД насосного агрегата с учетом регулирования частоты вращения (векторное управление) и разворота лопастей при колебаниях статического напора

Нами была разработана структура автоматизированной системы управления, способная реализовывать полученный закон оптимального управления.

Для удешевления системы применяется каскадное управление частотой вращения группы насосов, то есть преобразователь имеет свою параллельную распределительную шину.

В результате моделирования КПД насосной станции при изменении статического напора (рисунок 12), экономия электроэнергии составила 2 457 тыс. кВт-ч.

В пятой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения автоматизированной системы управления производительностью насосных агрегатов мелиоративной насосной станции. Расчет проводился в сравнении с базовым годом. В затраты включены работы по восстановлению устройств разворота лопастей рабочего колеса насосного агрегата, стоимость оборудования и монтажа. Экономическая эффективность определялась согласно прогнозных цен на электроэнергию.

При внедрении системы потребуется вложить 16,23 млн руб. Чистый дисконтированный доход составит 8,31 млн. руб., срок окупаемости капитальных вложений - 2,2 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе энергетической диаграммы системы «электропривод - насосный агрегат» получена целевая функция оптимизации режима работы, связывающая

коэффициент полезного действия системы с КПД её отдельных элементов, что позволяет установить оптимальные параметры работы насосного агрегата - частоту вращения, угол разворота лопастей.

2. Разработана математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат» без учета КПД магистрали, анализ которой показал, что до относительной частоты тока равной 0,4, КПД электродвигателя изменяется незначительно и не рекомендуется изменение частоты тока менее 20 Гц. Установлено, что максимум всех КПД элементов системы лежит в интервале по относительной производительности от 0,8 до 1,2, и угол разворота не сильно влияет на КПД системы, а при относительной частоте тока равной 0,8 - КПД системы «электропривод -насосный агрегат» держится более стабильно при различном развороте лопастей рабочего колеса насоса.

3. Получена математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат» с учетом КПД магистрали. Установлено следующее: при относительном статическом напоре, близком к единице, уменьшение частоты тока вызывает уменьшение КПД, а при относительном статическом напоре менее 0,8 - увеличение КПД. Из двух способов регулирования КПД агрегата, большее значение КПД можно получить при малых статических напорах путем разворота лопастей, например, при статическом напоре, равном 0,4, максимальный КПД системы «электропривод - насосный агрегат» достигается: при изменении частоты - 0,42; при изменении угла разворота - 0,62. Доказано преимущество комбинированного способа управления - разворотом лопастей и изменением частоты тока.

4. Установлено преимущество векторного управления частотного преобразователя при малых относительных статических напорах, так при Нет = 0,3 и одинаковых значениях частоты и угла разворота со скалярным управлением можно получить КПД системы «электропривод — насосный агрегат» на уровне 0,5, а с векторным управлением - до 0,63.

5. Разработаны компьютерные модели системы «электропривод - насосный агрегат без регулирования производительности» и «электропривод - насосный агрегат с регулированием производительности» в среде БМиЬШК, позволяющие

задавать различные режимы работы, изменять параметры двигателя, насоса, частотного преобразователя, угол установки лопастей рабочего колеса.

6. Используя фактические трехлетние данные статических напоров мелиоративной насосной станции №7 Понуро-Калининской оросительной системы и компьютерной модели, получены данные по изменению КПД насосной станции при различных режимах работы и количество потребленной электроэнергии. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по КПД показало следующее: теоретически рассчитанное значение КПД составило 47%, значение КПД, вычисленное по экспериментальным данным 51%, относительная погрешность по среднему значению не превысила 4,7%, при этом среднеквадратическое отклонение составило по теоретическим данным 0,1 , по экспериментальным данным - 0,03, коэффициент корреляции теоретического и экспериментального графика - 0,67. При моделировании комбинированного способа регулирования производительности, среднее значение КПД составило 58%.

7. Разработана функциональная схема автоматизированного управления насосной станцией, построенная по идеологии распределенной системы (DCS), позволяющей реализовывать энергоэффективный алгоритм управления.

8. Произведен расчет энергетической и экономической эффективности насосной станции, так при объеме капиталовложений 16 230 000 руб., ЧДД составил 8 310 655 руб.

Основные положения диссертационной работы опубликованы

- в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Дидыч В.А. Повышение надежности защиты электронасосных агрегатов от обрыва фаз / C.B. Оськин, А.Ф. Кроневальд, В.А. Дидыч // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2009. - №4 - С. 27-28.

2. Дидыч В.А. Повышение эффективности насосных агрегатов в системах мелиорации и орошения / C.B. Оськин, В.А. Дидыч // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2011. - №6. - С. 23-24

3. Дидыч В.А. Пути энергосбережения в насосных установках системы мелиорации и орошения / В.А. Дидыч // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс] Краснодар: КубГАУ, 2011. - №05(69). - Режим доступа http://ej.kubagro.ru/ 201 l/05/pdf/07.pdf.

- в монографии

4. Научно-обоснованные рекомендации повышения энергоэффективности насосных станций / В.А. Дидыч, C.B. Оськин, A.C. Оськина, М.И. Потешин. -Краснодар: КубГАУ, 2013. - 82 с.

- в прочих изданиях:

5. Дидыч В.А. Пути снижения энергопотребления в рисоводстве / В.А, Дидыч // Университетская наука - региону. - Ставрополь: СтГАУ., 2009. - С. 39-43.

6.Дидыч В.А. Влияние качества работы насосных установок осушения на экологическую ситуацию подтопляемых земель Калининского района / В.А. Дидыч, М.Н. Карпов // Наука. Идеи и решения №1, Краснодар: КубГАУ, 2010, с. 82.

7. Дидыч В.А. Способы повышения энергоэффективности осевых насосных агрегатов мелиоративных насосных станций / В.А. Дидыч // Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса», Краснодар: КубГАУ, 2011, С. 47-49

8. Дидыч В.А. Способы повышения энергоэффективности осевых насосных агрегатов мелиоративных насосных станций / В.А. Дидыч, // Университет. Наука. Идеи и решения №2, Краснодар: КубГАУ, 2011, С. 29-31.

9. Дидыч В.А. Энергосбережение в насосных установках системы мелиорации и орошения / C.B. Оськин, В.А. Дидыч // Известия академии электротехнических наук №2, М.: «Янус-К», 2011,. С. 55-59.

10. Свид. РФ №201361613. OptimalDrive / В.А. Дидыч, Я.А. Ильченко, С.М. Моргун, C.B. Оськин, М.И. Потешин.; заявитель и патентообладатель КубГАУ. -№ 2013613839 заявл. 07.05.2013; опубл. 26.07.2013.

11. Свид. РФ №2013616080. Расчет потерь в линиях 0,22 kB, НН, CHI, СН2. / В.А. Дидыч, Я.А. Ильченко, С.М. Моргун, C.B. Оськин, М.И. Потешин.; заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2013613846 заявл. 07.05.2013; опубл. 26.06.2013.

Подписано в печать 25.10.2013. Формат 60х84'/16.

Бумага офсетная Офсетная печать

Печ. л.1. Заказ №708 Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Кубанского ГА У 350044, Краснодар, ул. Калинина, 13.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ФГБОУ ВПО КубГАУ)

ДИДЫЧ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ С РАЗРАБОТКОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201 451 197

На правах рукописи

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Оськин С.В.

Краснодар 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................. 4

1 СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ................................................... 10

1.1 Состояние гидромелиорации в России........................................................................................10

1.2 Состояние мелиоративной отрасли Краснодарского края..........................................12

1.3 Анализ способов регулирования производительности насосных

22

агрегатов мелиоративных насосных станций................................................

1.4 Анализ энергетических параметров насосной станции........................................34

1.5 Выводы......................................................................................................................................................................42

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАСОСНОГО АГРЕГАТА.................................... 43

2.1 Анализ энергопотребления насосным агрегатом и его энергетическая диаграмма................................................................................. 43

2.2 Исследование энергетического показателя преобразователя

частоты тока в составе электропривода............................................. 46

2.3 Анализ энергетического показателя электродвигателя и его связь с параметрами электрической, машины и питающей сети....................... 48

2.4 Анализ целевой функции оптимизации режима работы насосного агрегата...................................................................................... 53

2.5 Выводы....................................................................................... 76

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ НАСОСНОГО АГРЕГАТА И ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ............................. 79

1

3.1 Моделирование работы насосного агрегата....................................................79

3.2 Моделирование системы «насосный агрегат с регулированием

I \

произ-води!ельности - электропривод»........................................................................................86

3.3 Разработка системы автоматизации насосной станции....................................91

3.4 Выводы..................................................................................................................................................98

4 ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ НАСОСНОГО АГРЕГАТА..........................................99

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................106

Список использованных источников......................................................................................................107

Приложения..............................................................................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Сельское хозяйство является социально значимой отраслью, обеспечивающей, в том числе, продовольственную безопасной страны, и ее развитие поддерживается на федеральном уровне с помощью совершенствования нормативной и законодательной базы, а также путем финансирования отрасли посредством федеральных целевых программ. По данным Министерства сельского хозяйства РФ, результаты реализации Национального проекта 2006 - 2007 гг. и Государственной программы по развитию сельского хозяйства 2008 - 2012 гг. выразились в увеличении продукции животноводства и птицеводства - объем производства продукции повысился в 1,2 и 1,6 раза соответственно. К сожалению, результаты развития отрасли растениеводства не охарактеризованы положительной динамикой развития, и в рамках реализации Федерального закона «О развитии сельского хозяйства» Министерство сельского хозяйства разработало федеральные целевые программы «Устойчивое развитие сельских территорий на 2014 - 2017 годы и на период до 2020 года» и «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014 - 2020 годы», в рамках которых предусмотрено восстановление плодородия сельскохозяйственных земель, имеющее большое значение для повышения качества и количества продукции. Через улучшение состояния сельскохозяйственных земель можно добиться стабильно высоких урожаев не только зерновых культур, но и, в том числе, овощей и риса, традиционно выращивающихся на Кубани.

Краснодарский край является одним из наиболее успешных регионов Российской Федерации в аспекте создания и поддержания благоприятного инвестиционного климата. Основным направлением для реализации start—up проектов и инвестирования капитала в регионе является отрасль АПК. Сельское хозяйство - субсидиарная отрасль - поддерживается в регионе за счет федерального и краевого бюджетов, также не исключаются иные источники

финансирования. К сожалению, экономические рыночные механизмы и со-

4

временная система хозяйствования выводят на передний план краткосрочные инновационные проекты с коротким сроком окупаемости, с преимущественно апробированными технологиями, позволяющими снизить риски внедрения инновационных проектов. Тем не менее, руководство Краснодарского края стимулирует развитие долгосрочных проектов через реализацию краевых целевых программ, одна из которых вступила в силу 1 января 2013 года - «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель в Краснодарском крае на 2013-2020 годы». Цель программы - развитие растениеводства в Краснодарском крае; повышение производительности сельскохозяйственных культур; восстановление и развитие мелиоративного фонда (мелиорированных земель и мелиоративных систем), реализация мер по осушению земель; повышение плодородия почв; развитие на мелиорируемых землях кормопроизводства, в соответствии с темпами роста поголовья крупного рогатого скота; гарантированное обеспечение населения рисом и овощами; улучшение социально-экономических условий жизни сельского населения; создание благоприятного инвестиционного климата и повышение объема инвестиций в мелиоративной отрасли агропромышленного комплекса Краснодарского края [87]. Краевая целевая программа будет реализована, в том числе, через предоставление субсидий в целях возмещения до 50% затрат сельскохозяйственных производителей на строительство, реконструкцию и техническое перевооружение мелиоративных систем общего и индивидуального пользования и отдельно расположенных гидротехнических сооружений, принадлежащих им на праве собственности или переданных им в пользование в установленном порядке. Общий объем финансирования Программы составляет 6,4 млрд. рублей, в том числе за счет средств федерального бюджета планируется привлечение средств в объеме 1, 92 млрд. рублей [88]. Таким образом, стратегия переоснащения системы мелиорации в Краснодарском крае предполагает развитие, восстановление и перевооружение гидротехнических систем в Краснодарском крае с целью восстановления позиций АПК региона,

утраченных в 90-е годы предыдущего столетия, а также повысить энергоэф-

5

фективность функционирования объектов мелиоративной системы. Еще один аспект необходимости перевооружения мелиоративной системы - снижение удельной стоимости энергоресурсов в конечном сельскохозяйственном продукте. Статистические данные ФГБУ «Управление Кубаньмелиоводхоз» говорят, что значительная часть расходов на мелиорацию - это затраты на эксплуатацию насосных станций. Опыт эксплуатации такого вида установок показывает, что в каждом кубическом метре перекачанной воды 74% расходов приходится на электроэнергию [34]. Коренное переоснащение мелиоративной сети позволит также избежать паводков и обширных подтоплений, приводящих к большому числу жертв среди населения и наносящих существенный ущерб народному хозяйству.

Проблемная ситуация: несмотря на большое количество способов и средств регулирования производительности мелиоративных насосов, они продолжают работают в неоптимальном режиме с точки зрения энергоэффективности.

Научная гипотеза: при комплексном анализе работы всех составляющих электропривода и насосного агрегата: турбомеханизм, электродвигатель, преобразователь частоты, система разворота лопастей - можно получить зону оптимальных режимов работы данной электроустановки.

Цель работы заключается в теоретическом обосновании оптимальных режимов работы мелиоративных насосных агрегатов с разработкой автоматизированной системы управления для реализации энергосберегающих алгоритмов регулирования производительности.

Объект исследования: способы регулирования производительности насосных агрегатов, электропривода насосных агрегатов, насосные станции, уровни воды в аванкамере и напорном бассейне.

Предмет исследований: закономерности изменения КПД, характеристики и параметры составляющих элементов электропривода насосного агрегата.

Методы исследования: методы системного анализа, математического и компьютерного моделирования, элементы математической статистики.

Моделирование производилось с помощью программного комплекса Ма1:ЬАВ.

6

Задачи исследования:

1. Получить целевую функцию оптимизации режимов работы электропривода и насосного агрегата.

2. Установить функциональные зависимости КПД от режимных параметров для основных элементов рассматриваемой системы «электропривод -насосный агрегат».

3. Разработать математические модели КПД электропривода и насосного агрегата с учетом и без учета магистрали и определить оптимальный режим для обоих случаев.

4. Установить рациональный способ управления для частотного преобразователя.

5. Подтвердить теоретические исследования с использованием фактических данных, полученных на конкретной насосной станции, и с помощью компьютерного моделирования.

6. Разработать функциональную схему и алгоритм работы системы управления мелиоративной насосной станцией.

7. Определить изменение энергетической эффективности насосной станции и экономический эффект от внедрения предлагаемых мероприятий.

Научная новизна работы:

- целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод - насосный агрегат» с КПД отдельных его элементов и их параметрами, что позволяет установить оптимальные значения частоты вращения, угла разворота лопастей рабочего колеса насоса;

- математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат» без учета КПД магистрали, на основе ее анализа установлено, что максимум всех КПД элементов системы лежат в интервале по относительной производительности от 0,8 до 1,2; также определено - при относительной частоте тока, равной 0,8, КПД агрегата держится более стабильно при различном угле разворота лопастей;

- математическая модель системы «электропривод - насосный агрегат»

с учетом КПД магистрали, из данной модели установлено, что при относи-

7

тельном статическом напоре, близком к единице, уменьшение частоты тока вызывает уменьшение КПД, а при относительном статическом напоре менее 0,8 - увеличение КПД;

- оптимальные соотношения параметров комбинированного способа регулирования производительности насосного агрегата, для поддержания максимально возможного КПД системы «электропривод-насосный агрегат» при различных статических напорах.

Практическая значимость:

¡.Установлено преимущество векторного управления частотного преобразователя при малых относительных статических напорах, так при Нст = 0,3 и одинаковых значениях частоты и угла разворота со скалярным управлением можно получить КПД агрегата на уровне 0,5, а с векторным управлением до 0,63.

2.Разработаны компьютерные модели системы «насосный агрегат без регулирования производительности - электропривод» и «насосный агрегат с регулированием производительности - электропривод» в среде SIMULINK, позволяющие задавать различные режимы работы, изменять параметры двигателя, насоса, частотного преобразователя, угол установки лопастей рабочего колеса.

3. Разработана функциональная схема автоматизированного управления насосной станции, построенная по идеологии распределенной системы (DCS), позволяющей реализовывать энергоэффективный алгоритм управления насосными агрегатами.

4. Разработана компьютерная программа по определению наиболее энергоэффективного режима работы электропривода насосного агрегата.

Положения, выносимые на защиту:

- целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод - насосный агрегат» с КПД отдельных его элементов и их параметрами;

- математические модели системы «электропривод - насосный агрегат» без учета и с учетом КПД магистрали;

- рекомендуемые способы регулирования КПД насосного агрегата;

- компьютерные модели системы «электропривод - насосный агрегат»;

- сопоставление теоретических и экспериментальных данных по КПД системы;

- функциональная схема системы автоматизированного управления насосной станцией;

- расчет энергетической и экономической эффективности насосной станции.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Исследования проводились при участии ФГБУ «Управление «Кубань-мелиоводхоз», результаты использовались для внедрения при реконструкции насосных станций. Основные положения научных исследований включены в научно-исследовательскую работу по теме: «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края», выполненную согласно техническому заданию департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011 - 2012 гг. №32 - 2011. Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре «Электрические машины и электропривод» в Кубанском ГАУ (г. Краснодар) при изучении дисциплин «Автоматизированные системы управления технологическими процессами» и «Автоматизированный электропривод».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на IV всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2011г.); 73 межвузовской конференции «Университетская наука - региону» (г. Ставрополь, 2009 г.); ежегодных конференциях молодых ученых Кубанского ГАУ (г. Краснодар, 2008-13 гг.).

1 СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

1.1 Состояние гидромелиорации в России

Мелиоративная система - устройство на осушаемой или осушаемой и орошаемой территории, защищенной от затопления паводковыми (речными) или морскими водами. Мелиоративные системы устраивают на морских побережьях, в дельтах, в поймах рек, в условиях, когда уровень воды в водоприемнике находится выше или на уровне гипсометрических отметок мелиорируемой территории. Территория польдера всегда защищена от затопления дамбами обвалования. Сброс избыточных вод в водоприемник осуществляется путем механического водоподъема. С этой целью на дамбе польдера устанавливают одну или несколько насосных станций, к которым подходят подводящие магистральные каналы дренажных систем. Мелиоративные системы обеспечивающие подачу воды из подводящего канала дренажной сети в водоприемник и из водоприемника в сухой период в проводящую сеть осушительной системы на территорию польдера, позволяют осуществлять двустороннее регулирование водного режима почв. На территории польдера создаются благоприятные условия для регулируемого шлюзования и субирригации, а также для организации дождевания и применения иных способов орошения. Мелиоративные системы, в которых применяются насосные станции, обычно более экологичны, чем самотечные дренажные системы, так как они исключают необходимость регулирования спрямления водоприемника, углубления русла и, как следствие, общего понижения базиса эрозии и уровней грунтовых вод на территории всего мелиорируемого ландшафта [38].

В настоящее время в России осушается 4788,4 тыс. га. земель, используемых для нужд сельского хозяйства (Таблица 1.1).

Таблица 1.1- Показатели наличия осушенных земель и состояние осушительных систем в России на 01.01.2012 г.

№ п/п Округ Общая площадь осушаемы х земель, тыс. га в том числе площадь, на кото рой требуется, тыс. га

реконструкция культур-технические работы ремонт дренажной сети химические мелиорации проведение мониторинг а земель

1. Центральный 1395,6 366,0 264,7 243,2 586,0 1395,6

2. Южный 54,6 14,5 - 5,5 3,8 54,6

3. Северо -Кавказский 18,1 4,8 1,8 1,3 18,1

4. Приволжский 431,9 113,0 27.7 13,5 55,7 431,9

5. Уральский 151,1 50,1 11,0 21,5 6,1 151,1

6. Сибирский 228,1 84,0 41,6 28,2 20,3 228,1

7. Дальневосточный 661,4 221,9 120,2 80,1 278,3 661,4

8. Северо -Западный 1847,6 378,3 235,3 288,3 802,7 1847,6

Все по РФ 4788,4 1232,1 700,5 682,1 1754,2 4788,4

Общее количество гидротехнических сооружен�