автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и технические средства энерго- и ресурсосберегающего управления турбомеханизмами
- доктора технических наук
- Гоппе, Гарри Генрихович
- город
- Иркутск
- год
- 2009
- специальность ВАК РФ
- 05.13.06
Автореферат диссертации по теме "Методы и технические средства энерго- и ресурсосберегающего управления турбомеханизмами"
На правах рукописи
ГОГПШ ГАРРИ ГЕНРИХОВИЧ 003489725
МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОМЕХАНИЗМАМИ
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискаиис ученой степени доктора технических наук
2 4 ЛЕН 2039
Иркутск - 2009
003489725
Работа выполнена на кафедре «Электропривод и электрический транспорт» ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»
Научный консультант доктор технических наук, профессор
Мухопад Юрий Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Зайцев Александр Иванович;
доктор технических наук, профессор Соловьев Вячеслав Алексеевич;
доктор технических наук, профессор Степанов Владимир Сергеевич
Ведущая организация: Институт систем энергетики им. Мелентьева
(ИСЭМ) Сибирского отделения АН РФ, г. Иркутск
Защита состоится 21 января 2010 г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д218.004.01 в ГОУ ВПО "Иркутский государственный университет путей сообщения" ФАЖТ Российской Федерации по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. 803 А.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Иркутский государственный университет путей сообщения" ФАЖТ России.
Автореферат разослан декабря 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета
Н.Н. Пашков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Прослеживая динамику потребления энергоресурсов мировым сообществом, можно сделать вывод о постоянном росте энергопотребления.
К настоящему времени объем потребления первичных энергоресурсов - нефти, угля, газа и др. - составляет до 15 млрд т условного топлива в год. Однако за последние десятилетия темпы прироста потребления снижаются благодаря мероприятиям по энергосбережению.
Наряду с первичными энергоресурсами наиболее значимыми представляются показатели производства такой высшей формы энергии, как электрическая. Для неё отмечаются более высокие темпы прироста годового производства, чем для первичных энергоресурсов. В частности, если объем прироста первых доходит до 1,8% в год, то для электроэнергии они составляют около 3%.
Мировое производство электроэнергии достигает значительных размеров, по нашим оценкам, в 2009 г. будет выработано более 20 трлн кВтч. От этой цифры на Россию приходится около 5% (950-960 млрд кВт-ч). Что же касается внутреннего валового продукта (ВВП) нашей страны, то он составляет от общемирового 2,5%, или, другими словами, на 1 единицу ВВП тратится в 2 раза больше электроэнергии, чем в среднем в мире. В России имеются исключительно высокие резервы для экономии не только электроэнергии, но и энергии вообще.
Основным потребителем электроэнергии является электропривод. По разным оценкам на него приходится от 60 до 70% от объема, вырабатываемого электростанциями страны. Однако резервы экономии электроэнергии в самом электроприводе весьма малы. Гораздо более эффективными оказываются пути экономии электроэнергии в механизмах и установках, где используются возможности электропривода. Широкий перечень механизмов такого типа представлен насосами, вентиляторами, газодувками, нагнетателями, компрессорами, объединяемыми в один класс турбомеханизмов.
Распространенность этого класса механизмов подтверждается следующими показателями:
- на электропривод турбомеханизмов приходится около 60% от общего числа эксплуатируемых электроприводов;
- электропривод турбомеханизмов потребляет до 35-40% от объёма производимой электроэнергии;
- до настоящего времени для изменения производительности турбомеханизмов вниз от номинальной в большинстве случаев применяется метод дросселирования, связанный с изменением гидравлического сопротивления трубопроводной магистрали с помощью трубопроводной арматуры. Однако, как показывают выполненные в данной работе теоретические исследования и накопленный практический опыт, если вместо дросселирования управлять производительностью турбомеханизма изменением частоты его вращения, то можно экономить от 20 до 70% электроэнергии;
- в подавляющем большинстве для привода турбомеханизмов используется асинхронный привод; до последних лет регулирование частоты вращения асинхронных двигателей (АД) сдерживалось отсутствием достаточно надёжных и приемлемых по цене преобразователей частоты, но в последнее десятилетие большое число зарубежных и отечественных фирм изготавливают
преобразователи мощностью от сотен ватт до десятков тысяч киловатт; существенно снизилась и их стоимость - если ещё 10-15 лет назад она на порядок превышала стоимость самого двигателя, то сейчас только в 3-5 раз;
- управление производительностью турбомеханизмов изменением частоты вращения приводного двигателя имеет ещё целый ряд преимуществ - это меньшие нагрузки на оборудование из-за снижения давления в системе, уменьшение утечек и других потерь транспортируемой среды, облегчённый режим работы оборудования; в системах водо- и теплоснабжения при таком методе управления экономится до 20% воды и до 30% тепла, отмечается более высокое качество управления в статических и динамических режимах.
К настоящему времени из перечисленных преимуществ регулируемого электропривода турбомеханизмов наиболее полно обоснована его энергетическая эффективность при управлении производительностью вниз от номинальной. Теоретические обоснования этого положения и практические результаты получены отечественными учёными: М.М. Соколовым, Н.Ф.Ильинским, М.Г. Юньковым, Г.Б. Онищенко, А.И. Зайцевым, А.Д. Поздеевым, И.Я. Браславским, Б.С. Лезновым, А.К. Аракеляном, Ю.Г. Шакаряном, В.В. Москаленко, М.А. Боровиковым, О.И. Осиповым, A.C. Сарваровым, О.П. Муравлёвым и др.
Однако практически не исследованы такие важные показатели, как качество управления в различных режимах. При управлении частотой вращения турбомеханизма существенно снижаются условия для возникновения гидроударов и имеются возможности улучшения динамических показателей из-за особенностей регулировочных характеристик данного метода управления. Как показывает практика, для некоторых процессов, например, таких как смешение потоков для поддержания концентрации или температуры, эффект от высокого качества управления может на порядок превышать эффект от энергосбережения.
Поэтому для учёта известных и дополнительных преимуществ управления производительностью частотой вращения предлагается подход, основанный на использовании математических моделей устройств и переменных процесса управления технологического комплекса электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль.
Применение математических моделей для исследования различных способов управления турбомеханизмами позволяет:
- выявить дополнительные возможности энергосбережения при рассмотрении энергетических процессов в каждом из устройств и обеспечить минимизацию энергетических потерь при совместной работе устройств технологической схемы;
- показать возможности обеспечения более высокого качества управления для ряда технологических переменных;
определить характер поведения во времени энергетических и технологических переменных при возмущениях в электрических сетях и после восстановления нормального режима;
- разработать алгоритмы самозапуска электроприводов турбомеханизмов при возмущениях в питающей сети.
Таким образом, разработка математических моделей технологического комплекса электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль и их использование для обоснования методов и технических средств энерго- и ресурсосберегающего управления является достаточно актуальной.
Направление работ определено:
- Законом Российской Федерации «Об энергосбережении» от 03.04.1996 №28 ФЗ;
- Указом Президента Российской Федерации «Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 года» от 07.05.1995 №472;
- Указом Президента Российской Федерации «О государственном надзоре за эффективным использованием энергетических ресурсов в Российской Федерации» от 11.09.1997 №1010;
- Постановлением Правительства Российской Федерации «Об энергетической стратегии России» от 02.11.1995 №1087;
- Постановлением Правительства Российской Федерации «О неотложных мерах по энергосбереженшо»от 13.10.1995 №1006;
- Постановлением Правительства Российской Федерации от 17.11.2001 №776 «О Федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика» на 20022005 годы и на перспективу до 2010 года.
Цель работы состоит в том, чтобы на основе известных и полученных в работе математических моделей устройств технологической схемы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль выявить дополнительные возможности энергосбережения и повышения качества управления в различных режимах и на основе этого предложить методы энерго- и ресурсосберегающего управления такими комплексами. Для решения этой важной научно-технической проблемы необходимо решить следующие задачи:
- разработать функциональные схемы систем управления производительностью турбомеханизмов при различных методах управления;
- разработать и исследовать с позиций управляемости и энергетических затрат математическую модель движения потоков жидкостей и газов в трубопроводной магистрали в статике, предложить критерий энергетической эффективности в виде коэффициента полезного действия (КПД) трубопроводной магистрали и определить возможные пути его увеличения;
- разработать методику построения искусственных напорных характеристик магистрали;
- разработать математическую модель движения потока жидкости в трубопроводной магистрали в динамике и исследовать «временные» характеристики; провести экспериментальную проверку адекватности динамической математической модели реальным процессам в трубопроводной магистрали;
- разработать для турбомеханизма аналитическую зависимость напорной характеристики при различных способах управления производительностью, исследовать характер изменения КПД турбомеханизма для различных значений статического напора;
- исследовать совместные энергетические потери турбомеханизма и трубопроводной магистрата для различных методов управления производительностью турбомеханизма;
- оценить энергетические потери при управлении производительностью методом дросселирования и байпасирования с различными уровнями статического напора;
- исследовать энергетические потери в электроприводе и предложить методы их снижения;
получить сравнительную оценку полных энергетических потерь сравниваемых методов управления производительностью с учётом всех устройств технологической схемы преобразователь частоты - асинхронный двигатель - турбомеханизм - трубопроводная магистраль при различных величинах статического напора;
- разработать структурные схемы систем управления производительностью и давлением в диктующих точках и получить сравнительные показатели качества переходных процессов;
- показать возможность использования структурных схем управления производительностью турбомеханизмов при организации самозапуска электроприводов;
- исследовать характер изменения во времени токов трансформаторов, электродвигателей, скорости вращения электроприводов и технологических переменных - производительности и напора турбомеханизмов при возмущениях в электрической сети и после восстановления нормального режима питания.
Методы исследований: для решения поставленных задач использовались методы электротехники, электромеханики, гидромеханики, методы идентификации, теории автоматического управления, численного решения дифференциальных уравнений с использованием современных программно-математических и технических средств, экспериментальные методы исследования на технологических установках.
Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями в производственных и лабораторных условиях, близостью результатов к показателям аналогичных исследований, проведённых другими методами и авторами, вычислительными экспериментами с разработанными математическими моделями систем управления энергетическими и технологическими переменными с результатами, не противоречащими оценкам производственного персонала предприятий - энергетиков, технологов, механиков и специалистов по автоматическому управлению производственными процессами, а также результатами практического внедрения на предприятиях. Научная новизна
В диссертационной работе на основе разработанных математических моделей впервые сформулирована и получена методика расчета объёмов энерго- и ресурсосбережения при управлении производительностью турбомеханизмов с использованием автоматизированного электропривода.
1. Предложена математическая модель статического режима движения материального потока в трубопроводной магистрали и способы управления производительностью. Введено понятие коэффициента полезного действия трубопроводной магистрали и предложены методы его расчёта при двух методах управления производительностью и различных величинах статического напора.
2. По результатам исследований математической модели турбомеханизма показано, что существует область работы турбомеханизма с оптимальными энергетическими показателями.
3. Получены статические характеристики для двух методов управления производительностью турбомеханизмов при различных, уровнях статического
напора. При изменяемой частоте вращения они гораздо ближе к линейным, чем в методе дросселирования, и обеспечивают потенциально более высокое качество управления в статических и динамических режимах.
4. Получены соотношения для энергетических потерь в электроприводе при различных скоростях вращения и нагрузки и показаны методы управления для их снижения. Получена сравнительная оценка энергетических потерь для двух методов управления производительностью с учётом потерь во всех устройствах технологической схемы - электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль при различных уровнях статического напора; на основе заданного диапазона изменения производительности, статического напора и характеристик исследуемых технологических комплексов разработана методика экспрессной оценки энергоэффективности при управлении производительностью изменением частоты вращения электропривода.
5. Разработаны и исследованы структурные схемы систем управления производительностью и давлением в диктующей точке выбранной гидравлической схемы при двух способах управления турбомеханизмами. Выявлены возможности более высокого качества управления для метода с управляемой частотой вращения.
6. Подтверждена возможность использования математических моделей системы электропривод-турбомеханизм-трубопроводкая магистраль для решения специфических вопросов ресурсосбережения, связанных с самозапуском электроприводов при возмущениях в питающей электросети. Разработаны алгоритмы самозапуска электроприводов с использованием «активных» и «пассивных» технических средств.
Практическая ценность работы
1. Научные результаты диссертационной работы позволяют оценить объёмы энергосбережения при управлении производительностью изменением частоты вращения турбомеханизма для любой реальной системы.
2. Разработанные динамические математические модели для потока материальной среды в трубопроводной магистрали и давления в диктующих точках позволяют исследовать и создавать системы управления этими переменными.
3. Сравнение статических характеристик двух методов управления показывает возможность более высокого качества управления в статике и динамике для метода управления с регулируемой частотой вращения. Рекомендации по энергосберегающему методу управления тягодутьевыми механизмами котлоагрегатов на базе двухскоростного АД приняты к использованию на НовоИркутской ТЭЦ.
4. На нефтеперерабатывающем заводе ОАО «АНХК» рад вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения переведен на управление производительностью с применением частотно-регулируемого электропривода.
5. Математические модели систем управления турбомеханизмами использованы для организации самозапуска электроприводов во время возмущений в электрической сети для трех заводов ОАО «АНХК». Схемы самозапуска внедрены на 280 электроприводах.
6. Результаты работы вошли в отчёт по гранту Министерства образования РФ гос. регистр. ВНТИЦ №02.200.1084 2001 г. и в отчёты по хоздоговорным работам с рядом предприятий региона за 2004-2008 гг. Материалы использовались при выполнении НИР по гранту Сороса «Оптический мониторинг процессов горения в крупных котлоагрегатах ТЭС».
7. Результаты работы используются в учебном процессе в преподавании дисциплины «Энергосберегающий электропривод и технологии», разработанной автором, в дипломных проектах студентов и на курсах повышения квалификации работников предприятий в межведомственном региональном центре повышения квалификации при ИрГТУ. Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных региональных и Всероссийских конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири»( Иркутск, ИПИ (ИрГТУ) с 1990 по 2009 г.); на Международной конференции по электромеханике и электротехнологиям МКЭЭ-94 (Суздаль, 1994); на межвузовской конференции «Оптимизация режимов работы электроприводов» (Красноярск, 1994); на I Международной (XII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Санкт-Петербург, 1995); на II Международной (XIII Всероссийской) НТК «Проблемы автоматизированного электропривода»(Ульяновск, 1998); на Международной НТК «Энергосбережение на рубеже веков» (Москва, 1999); на Всероссийской конференции «Электрификация металлургических предприятий Сибири» (Томск, 2000); на III Международной (XIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2001»( Нижний Новгород, 2001); на IV Международной (XV Всероссийской) конференции «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, 2004); на курсах повышения квалификации инженерно-технических и руководящих кадров в области энерго- и ресурсосбережения при центре энергосбережения ИрГТУ. Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 59 работах, среди них 8 в журналах, рекомендованных ВАК, в отчете по гранту Минвуза РФ, в двух учебных пособиях с грифом УМО, в одном авторском свидетельстве, одном патенте и в одном патенте на полезную модель.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа представлена на 326 страницах, включает 62 таблицы и 71 рисунок, библиографию из 226 наименований. Содержание работы
Во введении рассмотрено состояние энергопотребления по первичным энергоресурсам и электроэнергии и показано, что энергосбережение становится насущной проблемой современности. Особенно большие возможности и резервы по экономии энергоресурсов имеются в нашей стране. Обоснована актуальность работы и задачи, которые необходимо решить. Сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность выполненной работы.
В первой главе даётся краткая характеристика таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, объединяемых общим названием - турбомеханизмы. Показано, что основным приводом турбомеханизмов является асинхронный электропривод. Общее число АД, используемых для этих целей, составляет около 60% от всех АД, а объём потребляемой электроэнергии - 35-40% от производимой в стране.
До настоящего времени для большинства турбомеханизмов используется нерегулируемый электропривод, а для управления производительностью применяется метод дросселирования, который выполняется перестановкой затвора регулирующего
органа трубопроводной арматуры - задвижки, клапана, шибера и др. В работе приведена функциональная схема для этого способа управления.
К энергозатратным методам, но применяемым реже, чем метод дросселирования, относится и метод байпасирования или рециркуляции. Здесь с помощью обратного потока среды на вьгходе турбомеханизма создается такое давление на входе в главный трубопровод, при котором достигается необходимое значение производительности.
Энергоэффективным является метод управления частотой вращения турбомеханизма. Функциональная схема для такой системы управления приведена на рис, 1. Для тех условий, когда к системам управления электропривода и технологического процесса предъявляются более высокие требования, чем к приведённым на схеме регуляторам, штриховыми линиями показаны блоки систем управления технологическим процессом и электропривода, взаимодействующих между собой.
Г 1_
Система управления электроприводом
т-----Г -
I I
^____
Г- Система управленца-! I злеетропривода
I I I
"Г I I 1
(рег-р ~~I _1часташ|<
п J
пэ (ПЧ) Г=уаг и = таг АД турбо-мех-м Н 5 трубопровод техкал перем. уровень
1 ' 1
V рег-р
произв.
-о-
регул, уровня
и
Рис. 1. Функциональная схема управления технологической переменной (уровнем) с использованием для изменения производительности турбомеханизма регулируемого
электропривода
Для исследования каждой из рассмотренных систем и сравнения показателей методов управления производительностью предлагается от функциональных схем перейти к структурным, в которых каждый блок или схема представлены математическим описанием или математической моделью. Так как для турбомеханизмов характерен длительный режим установившейся работы, то для сравнения энергетических затрат достаточно использовать статические модели. Такие же показатели, как быстродействие, колебательность, время регулирования, рассматриваются при исследовании динамических математических моделей.
Во второй главе разработаны математические модели для статического и динамического режимов потоков жидкостей в трубопроводных магистралях. Первая используется для оценки энергетических затрат при транспортировании материальной среды по трубопроводу и выявления возможных методов управления производительностью, вторая - для исследования динамических характеристик систем управления. Оба уравнения получены на основе уравнения Бернулли.
Аналогичные модели при небольших степенях сжатия (до 1,15) характерны и для газовых потоков.
Уравнение для статического режима в работе получено в виде:
_____~ 6аГ
Н =
у
где () - производительность (расход) материального потока в единицу времени; Н -напор (давление) на входе в трубопровод; X - удельный коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода; Ь - длина трубопровода; В^ -внутренний диаметр трубопровода; - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления, вызываемый наличием поворотов и местных сужений на трубопроводе; £а(у) - коэффициент гидравлического сопротивления, вносимый регулирующим органом арматуры - краном, задвижкой, клапаном; у - удельный вес среды; g - ускорение силы тяжести; - площадь внутреннего поперечного сечения трубопровода; (у) - относительная степень открытия регулирующего органа
Зависимость €а{у) от положения регулирующего органа арматуры определяется «внутренней» характеристикой арматуры - она может быть линейной, параболической, логарифмической (равнопроцентной). Наиболее распространённой является линейная внутренняя характеристика. При транспортировании воды эта зависимость получена автором в виде
«»-В-
где ()Ус - объёмная условная пропускная способность полностью открытой арматуры при перепаде давления на ней в 0,098 МПа (1атм).
Из (2) видно, что при полностью открытой арматуре (1) минимально, а при закрытой (у - 0) 4(0)=оо. Из рассмотрения (1) и (2) следует, что
тк (3)
А ' ■ (вусУ)\
Из соотношения (3) сделан вывод о двух возможных методах управления производительностью:
- методом дросселирования, когда изменяется у, а давление постоянно или
изменяется в некоторых пределах (когда источником является турбомеханизм);
- изменением давления, приложенного на входе в трубопровод.
С использованием соотношения (1) введено понятие о естественной и искусственных {^-характеристиках трубопроводной магистрали. В литературе они называются напорными характеристиками. Для естественной напорной характеристики соотношение (1) рассматривается при полностью открытой арматуре (£,(1)); для искусственных характеристик зависимость №=Д0 рассчитывается при некотором фиксированном промежуточном положении (0<.р<1). Примеры естественной и искусственных характеристик для трубопровода длиной 50 м, внутренним диаметром 25мм и двухседельным клапаном приведены на рис. 2.
Управление производительностью методом дросселирования связано с работой трубопроводной магистрали на искусственных {Ж-характеристиках.
На основе соотношения (1) введено понятие о КПД трубопроводной магистрали. Для этого соотношение (1) представляется в виде
Н = АН у + АН +АНС + Д#0. (4)
16 1 гъ
Рис. 2. ОН-характеристики трубопроводной магистрали:
1 - естественная (у = 1); 2- искусственная (у = 0,31); 3 - искусственная (у = 0,1444,1; 4 - для скоростного напора
После преобразования уравнение (4) примет вид
Р = ЬРу+&Ртр+Ы>с+АРа, где Р - мощность потока среды на входе в трубопровод; АР у - часть мощности, идущей на обеспечение потоку скоростного напора; АРтр - часть мощности, затрачиваемой на трение о стенки трубопровода; АРС - часть мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления изгибов, колен и сужений в трубопроводе; АР„ - часть мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления регулирующего органа.
Полезной является только та часть мощности, которая обеспечивает скоростной напор, а все остальные - это потери мощности. Тогда выражение для КПД трубопровода запишется как
ДР+ АР + АР, +
=
ьнуй н-й '
АНу
Н
дн„
АН у + АН + АНС + АН а
Окончательно:
П„ =-
1
(5)
(6)
Из выражения (6) следует вывод о том, что способ дросселирования при уменьшении производительности вниз от номинальной ухудшает КПД. На рис. 2 приведена возможная 0Я-характеристика для скоростного напора АН у. Как показано в работе, что при переходе на искусственную характеристику, в которой, например, {2=0,5<2т величина КПД по сравнению с его величиной на естественной
характеристике уменьшается в 4 раза, а при переходе на искусственную характеристику (3) КПД уменьшается в 16 раз. Отсюда следует, что метод дросселирования - это энергозатратный метод управления.
Анализ соотношения для КПД показывает и дополнительные возможности его повышения при работе на естественной напорной характеристике магистрали. Это снижение потерь напора на преодоление трения о стенки трубопровода, уменьшение числа поворотов, колен, минимизация сопротивления полностью открытой арматуры. Наиболее весомым из всех факторов являются потери на трение о стенки трубопровода, и здесь имеются наибольшие резервы для энергосбережения. Предварительная обработка поверхности, например, за счёт напыления может уменьшить величину удельного коэффициента трения в 2-3 раза. Поскольку составляющая ЛЬЮ^ имеет основной вес в знаменателе соотношения (6), то соответственно во столько же раз увеличится КПД при работе на естественной напорной характеристике. Важный резерв энергосбережения проявляется при рациональном выборе диаметра трубопровода. Если внутренний диаметр трубы выбрать большим хотя бы на 20%, то соответственно КПД повысится на 16%. При этом в выражении (1) величина возрастет более чем в 2 раза. Отсюда следует, что
общая мощность, необходимая для обеспечения той же объёмной производительности на естественной характеристике, может быть снижена в 2 раза. Это, в свою очередь, означает, что следует выбрать насос с меньшим напором и двигатель меньшей мощности.
На основе статической характеристики для производительности получена и её динамическая математическая модель, которая учитывает инерционные свойства той массы жидкости, которая находится в трубопроводе. Уравнение имеет вид
Дифференциальное уравнение, как и уравнение для статического режима, является нелинейным и относится к уравнениям Риккати. Входными воздействиями, управляющими или возмущающими, являются перемещение регулирующего органа или изменение входного давления трубопровода.
В работе для оценки показателей динамики исследованы временные характеристики модели, введено понятие условной постоянной времени и длительности переходного процесса при входных воздействиях в виде ступенчатого изменения положения регулирующего органа или при ступенчатом набросе (сбросе) давления.
Приведены примеры получения переходных процессов для выбранного трубопровода.
На промышленном трубопроводе по перекачке слабой азотной кислоты проведён эксперимент по проверке адекватности поведения математической модели потока жидкости реальным процессам в трубопроводе. В диссертационной работе приведена функциональная схема установки, экспериментальные данные и расчётные графики для динамической модели производительности. Последние показали хорошее соответствие (в пределах единиц процентов).
В третьей главе получены и исследованы математические модели наиболее распространённых турбомеханизмов, представленных центробежными и осевыми насосами и вентиляторами. Процессы передачи энергии движущимся средам в
Л ¿-у
(7)
центробежных и осевых машинах являются идентичными и представлены одинаковыми математическими моделями.
Определены зависимость потребляемой мощности от напора и производительности, математические модели напорных характеристик, зависимости КПД турбомеханизма от производительности при различных методах управления, напорные характеристики при изменяющейся частоте вращения.
Теоретическая мощность турбомеханизма может быть получена исходя из энергии, которую получает поток транспортируемой среды за единицу времени:
тУ1
а действительная мощность равна
/> = -
Р-32-. (8)
»7«
6У2
где 0=БУ - объёмная производительность; Я = —— - давление на выходе
турбомеханизма; цш - коэффициент полезного действия турбомеханизма.
Линейная скорость движения среды в трубопроводе пропорциональна частоте вращения турбомеханизма (электропривода), поэтому
где а) - угловая частота вращения; С, и С2 - постоянные коэффициенты.
Наибольший интерес представляют действительные напорные характеристики, типичный вид которых представлен на рис. 3. Рассмотрено несколько аналитических выражений, аппроксимирующих данную напорную характеристику, и предложена следующая математическая модель:
Н = Н0-к-<2\ (9)
где #0 - напор при нулевом расходе; к - коэффициент, который может быть найден из (9) при максимальном расходе и напоре, равном нулю. Тогда
Я = Яо-^.-02. (10)
Мощность, потребляемая турбомеханизмом, в относительных единицах равна
Я.
0. Н.--Г—0.
Исследование на экстремум по теоретической мощности последнего выражения даёт следующие результаты:
Qмaкc'• . гт _ гг
у, - ^ , П э. - ^ П 0, .
При работе турбомеханизма на напорной характеристике с такими координатами потребляется максимальная теоретическая мощность. При этих же координатах значение КПД турбомеханизма также максимально. Чаще всего эта точка соответствует номинальному режиму работы турбомеханизма. Анализ многочисленных технических паспортов турбомеханизмов подтверждает это положение. Если принять относительное значение напора и производительности в этой точке равной единице, то напорная характеристика (10) в относительных единицах предстанет в виде
Я. =1,5-0,5-е.1
(И)
Н'Кв)
Рис. 3. Типовая (УН-характеристика турбомехмизма
В качестве примера в работе приведен график относительной теоретической мощности и КПД насоса ПД 650-180. Подобно тому, как естественной названа QH-характеристика трубопровода при полностью открытой арматуре, так естественной 2Я-характеристикой турбомеханизма названа напорная характеристика при номинальной частоте вращения (Яг=Д0).
Рабочие характеристики при частотах вращения, отличных от номинальных, в работе названы искусственными. Поскольку давление на выходе турбомеханизма пропорционально квадрату частоты вращения, а производительность - первой степени, то в известной литературе рекомендуется переход на искусственные характеристики через соотношения:
Я„, = Я,
В работе получен более короткий, но такой же по точности путь перехода от естественной к искусственным характеристикам. Доказано, что достаточно только
, и тогда для искусственной ОН-
определить величину Н^ по формуле Я0„ =НА —
К®.
характеристики турбомеханизма можно записать: где ¿=-Я"
(12)
К.
Естественная и искусственные характеристики для турбомеханизма в относительных единицах для математической модели (10) приведены на рис. 4. Каждая из искусственных напорных характеристик имеет точку наиболее экономичной работы, в которой, согласно законам подобия, будет одинаковым и максимальным значение КПД.
В работе доказано, что если естественная напорная характеристика турбомеханизма и естественная характеристика магистрали, выходящая из начала координат, пересекаются в точке наиболее экономичной работы турбомеханизма (а/), то пересечение с искусственными характеристиками турбомеханизма происходит в точках наиболее экономичной работы - (а2, а3, а4). В этом состоит принципиальное отличие от метода дросселирования, где переходы на искусственные характеристики
уменьшают КПД магистрали. Переход же на искусственные характеристики турбомеханизма (при нулевом статическом напоре) не изменяет величину его КПД.
в 0.< 6Л 03 0.4 01 О* 07 0,а аз
Рис. 4. Энергетические характеристики турбомеханизма в относительных единицах при изменении производительности частотой вращения электропривода: 1, 2,3,4 —
напорные характеристики при частотах «ращения: <ан, 0,75(о„,0,5ш„, 0,25тн; 5 — зависимость ц =/(()); 6-график для Р„ (теоретич.); 7- график для действительной мощности; 8 - напорная характеристика магистрали
В четвертой главе сравниваются энергетические показатели двух методов управления при совместной работе турбомеханизма и трубопроводной магистрали и различных уровнях статического напора. Доказано, что если источником напора на входе в трубопровод является турбомеханизм, то при управлении методом дросселирования энергетические показатели на искусственных характеристиках магистрали дополнительно ухудшаются из-за роста давления на напорной характеристике турбомеханизма. Это прослеживается по рис. 5, где в относительных единицах представлены графики напорных характеристик магистрали и турбомеханизма для метода дросселирования при отсутствии статического напора.
Выражение для КПД трубопроводной магистрали преобразуется к виду
>7»
к, -о1-
(13)
к„ 1,5 - 0,5 -дУ где к\м - относительный коэффициент графика скоростного напора. Характер изменения КПД магистрали прослеживается в табл. 1.
Метод дросселирования вызывает также дополнительные потери в турбомеханизме. График «типичного» КПД, в зависимости от производительности, представлен на рис. 5 кривой 6.
Для реальных механизмов различие наблюдается для величин номинальных КПД (г)и). Из-за того что управление производительностью для метода дросселирования осуществляется только вниз от номинальной, часть графика КПД слева от ()»„ можно аппроксимировать некоторой функцией. В работе она определена в виде
17» =1.88-17— '2. (14)
л
Л/с. 5. Энергетические характеристики турбомеханизма и магистрали при методе дросселирования и Нст-0:1 - 0>Н^-характеристика механизма естественная; 2 - (>*Н— характеристика магистрали естественная; 3,4,5 - {?*#—характеристики магистрали искусственные; 6 - график ц=/(0); 7 - график скоростного напора АН**.
Таблица 1
е* 1 0,75 0,5 0,25
Цтр КЛ кум12,166 К»!5,5
Используя (14) и данные Табл.1, можно оценить эквивалентный КПД двух устройств при снижении производительности методом дросселирования. Данные для этого представлены в табл. 2.
Число в знаменателе для г;1т показывает, во сколько раз, по сравнению с величиной КПД при номинальной производительности, уменьшается его величина при снижении производительности вниз от номинальной методом дросселирования.
Таблица 2
е- 1 0,75 0,5 0,25
Цтм Цнтм ^„/1,09289 ^1,3888 ПгпЛ,АШ
ку.м'Цтмн^ кум'Цтмн^^ 37 ЬнЦтмЛМ
_ _ ' '/»* ' к;» ' — ' ; /-1 ^экядр Птр Пм 1 £ _ Г) £ ' * '
Данные для последней строки таблицы можно получить непосредственно из следующего соотношения:
К, ■^„„■в-'-(188-ОМ-а) 1,5-0,5 -д.2
При управлении производительностью изменением частоты вращения, характеристика магистрали остается естественной, ее КПД не изменяется. Переход же турбомеханизма на искусственные характеристики также оставляет его КПД постоянным. Тогда величина эквивалентного КПД составляет
ЖвСИ-УЫ ~ ^УМ ^тмн" (16)
Отношение же величин общих КПД представляется как
Г).„.
1,5-0,5-е.2
(17)
П,м„ £?• • (1,88 - 0,88 • ) Если в (17) подставить соответствующие относительные значения производительности из табл.2, то получим величины, приведённые в знаменателях выражения последней строки табл. 2. В частности, общий КПД для метода дросселирования при производительности £?»=0,25 меньше того же КПД при изменяемой частоте вращения в 56,6 раза. Как показано в работе, такие же результаты можно получить при сравнении относительных мощностей двух способов управления производительностью. В частности:
Р.др 1,5 - 0,5-д.2
0.3-(1,88-0,88-е.)'
Энергетические характеристики совместно работающих устройств -турбомеханизм-трубопроводная магистраль видоизменяются при работе со статическим напором. Величину последнего также целесообразно представить в относительных единицах. В работе он рассмотрен для трёх значений (#„„.=0,25; 0,5; 0,75). Преодоление статического напора связано с затратами дополнительной полезной мощности турбомеханизма. С учётом этого выражение для КПД трубопровода изменится к виду
где ■
ЛЯ„Г„+Я,
Н.
(18)
Таблица 3 (Нш^0,75)
& 1 0,75 0,5 0,25
Ч„Р 0,775 0,6269 0,5545 0,5117
0,775 1 0,775 1,2362 0,775 1,3976 0,775 1,5145
Пм 1 Л тми "П тмн Г1„т
1,09289 1,3888 2,4096
0,775 ■ I 0,775 1,351 0,775 1,941 0,775 •)?„„ 3,649
На рис. 6 приведены энергетические характеристики турбомеханизма и магистрали при различных значениях относительного статического напора. Из них видно, что с ростом статического напора и работе механизма и магистрали на естественных характеристиках КПД магистрали должен возрастать. Из графиков рис. 6 следует, что если при Я„„.==0 и Q.=\ КПД магистрали (цтр=0,1), то при тех же условиях, но #я,«Н),25 ч„,р=0,325 {Нст-г=0,5 г/Я1,=0,55 и т.д.).
Рис. 6. Энергетические характеристики турбомеханизма и магистрали при различных
относительных величинах статического напора и управлении методом дросселирования: 1 - напорная характеристика механизма в относительных единицах; 2-5 - ()Н-характеристики магистрали в относительных единицах соответственно при статическом напореНст*=0,Нст*-0,25, Нст*=0,5, Нст*=0,75; 6-9 -графики скоростного напора магистрали при величинах статического напора соответственно Нст*=0, Нс„*=0,25, Нт*=0,5, Нст.=0,75; ага4 - точки пересечения напорной характеристики механизма и искусственных ОН-характеристик магистрали при относительных величинах производительности Ц-=1, <¿¿=0,75, 0^-0,5, {?«=0,25; 10-12-искусственные характеристики трубопровода с Нст'=0,75.
При использовании метода дросселирования соотношение (18) предстанет как
1,5-0,5-&2
На величину КПД турбомеханизма величина статического напора не влияет. Поэтому эквивалентный КПД при методе дросселирования изменяется в меньшей степени. Для примера рассмотрены данные в табл. 3. При Нст^= 0,75 и <2.=0,25 КПД магистрали уменьшился всего в 1,5 раза, поэтому эквивалентный КПД снизился в 3,6 раза по сравнению с КПД при номинальной производительности.
Статический напор существенно влияет и на энергетические показатели управления производительностью изменением частоты вращения. Прежде всего, это касается значения КПД магистрали. Оно преобразуется к виду
где к,, - коэффициент напорной характеристики магистрали.
Здесь в знаменателе показана величина напора, приложенная на входе в трубопровод. Как следует из (20), с уменьшением расхода величина КПД увеличивается, приближаясь в пределе к едииице.
Что касается КПД турбомеханизма, то его величина зависит не только от производительности, но и от относительного значения статического напора. Разработана методика расчёта КПД с учётом его относительных значений. Пример расчёта величин КПД при относительном статическом напоре #„„•=0,25 приведён в табл.4.
Таблица 4 (II„„.=0,25)
О. 1 0,75 0,5 0,25
0,325 0,4349 0,6143 0,8579
Vmim 0,325 0,325 0,325 0,325
ty три nip 1 0,74739 0,529 0,379
Я™ ~Г 0'пми 1,01 t]nm
1,05485 1,3272
0.325 -timm 1 0,325 ■ т]яш 0,7548 0,325 -t]„m 0,558 0,325 • 7„„„ 0,503
0). 0)„ 0,797-¿У, 0,612 -ш. 0,468 • (úH
Как видно из приведенных данных величина эквивалентного КПД растет с уменьшением производительности.
Графики КПД для двух методов управления турбомеханизма при различных величинах статического напора приведены на рис 7. С использованием графиков КПД рассчитаны значения коэффициентов энергоэффективности управления производительностью частотой вращения и средние его значения в выбранных диапазонах производительности.
Рис. 7. Зависимости КПД при управлении производительностью дросселированием и частотой вращения турбомеханизма и наличии статического напора различной величины: 1-2 - КПД при дросселировании и 0}~var и Нст-=0; 3-4 - КПД при дросселировании и m=var и Нст-~0,25; 5-6 - КПД при дросселировании и a)=var и 11См'=0,5;
7-8-КПДпри дросселировании и m-var и НСт^0,75
Произведено сравнение энергетических показателей двух таких методов управления производительностью турбомеханизмов, как дросселирование и байпасирование при различных уровнях статического напора. Выявлено, что по энергозатратам они эквивалентны. В дальнейшем сравниваются только методы дросселирования и изменения частоты вращения. На примере трубопровода с выбранными параметрами получены статические характеристики управления. Для
метода дросселирования они существенно нелинейны, а для изменения производительности частотой вращения они близки к линейным, являясь чисто линейными при отсутствии статического напора. Делается вывод о потенциально лучших возможностях управления производительностью турбомеханизмов изменением частоты вращения.
В пятой главе рассмотрены энергетические процессы в АД и предложены методы минимизации энергетических потерь при изменении нагрузки. Для анализа электрических потерь используется «Т»-образная схема замещения, а для учёта всех потерь энергетическая диаграмма двигателя. Для выявления характера энергетических потерь рассмотрены режимы работы АД при номинальных значениях напряжения и частоты и изменении нагрузки вниз от номинальной.
Из известных способов энергетической оптимизации АД выбран способ минимизации энергетических потерь. Показано, что энергетические потери можно представить в виде
■¿■л,, ,, Г, йЛ М-соа-К'(В.+Я) ж„ ....
+АР-+АР- (21)
Исследование (21) на экстремум по скольжению показывает, что при 1 + И ^
зст = Л'2 ' . сумма в (21) имеет минимум или
¿ЛР^ .,_(! + *,+ Д ».(22)
Последнее выражение отличается тем, что два слагаемых в правой части, зависящих от скольжения при ¿'=.г„„„„ равны. Одно из них соответствует потерям от тока 12 (тока ротора), а второе определяется величиной тока намагничивания 10. Если при уменьшении нагрузки вниз от оптимальной поддерживать з=5отп за счёт изменения напряжения, то суммарные потери будут оставаться минимальными.
Закон изменения напряжения представлен в виде
V
В работе приведена функциональная схема системы энергосберегающего управления АД и показаны графики изменения соответствующих потерь при данном способе управления.
Делается вывод о том, что с учётом потерь в преобразователе напряжения, необходимом для формирования питающего напряжения по заданному закону, данный способ нецелесообразно использовать как самостоятельное мероприятие по энергосбережению. Его применение оправдано, когда преобразователь необходим в силу технологических причин (например, для плавного пуска). Этот же принцип управления целесообразно применить при использовании преобразователей частоты.
Получены энергетические характеристики АД при частотном регулировании скорости. При изменении частоты изменяются параметры схемы замещения. С учетом этого для двигателя мощностью 22 кВт рассчитаны графики КПД при законе пропорционального управления для четырёх значений частоты (рис. 8).
Здесь же приведены графики КПД для преобразователя частоты при изменении нагрузки и частоты при пропорциональном законе частотного управления (рис. 9). Из графиков КПД АД следует, что они имеют экстремум при соответствующей нагрузке электропривода. Это указывает на возможность корректировки закона
пропорционалыгого управления для дополнительного энергосбережения при нагрузках, отличных от оптимальных.
Рис. 8. Зависимости КПД для АД при пропорциональном законе частотного управления
Рис. 9. Зависимости КПД ПЧ электропривода при различных частотах и моментах нагрузки электропривода
В шестой главе решаются вопросы минимизации энергетических потерь в технологическом комплексе электропривод-турбомеханизм-трубопро водная магистраль. Если ранее была показана высокая энергоэффективность управления производительностью изменением частоты вращения при сравнении энергетических потерь соответствующих методов управления только в двух устройствах, то здесь решается задача такого управления электроприводом, при котором энергоэффективность сохраняется для всей технологической цепочки. Такая постановка задачи требовала прежде всего разработки методики определения энергетических потерь в самом электроприводе при различных режимах его работы и
соответсгвующих мер по их минимизации. Изменения КПД электропривода рассматривалось по отношению к КПД АД при номинальной нагрузке. Если, например, при некоторой выбранной частоте вращения и моменте нагрузки г!ад=0,79, ЧпгЪ,82, а номинальный КПД АД »^„=0,9, то КПД электропривода представляется в виде
_ Улд -Упч „ 0,79- 0,82, Пал.
Пт, 0,9 ~ 1,389
Для того чтобы воспользоваться графиками КПД асинхронного двигателя и преобразователя частоты для определения относительного изменения КПД электропривода при его работе с турбомеханизмом, бьша разработана методика определения относительного значения момента нагрузки при заданной производительности и величине статического напора. Зависимость получена в виде
5^-0,56.М6., (И)
<0. О). -Г)ш.
Полученное выражение является универсальным, поскольку применимо для обоих сравниваемых методов управления производительностью. Отличие наблюдается в характере поведения переменных для соответствующих способов управления: для метода дросселирования изменяются относительный расход и относительный КПД турбомеханизма, а частота вращения остаётся постоянной, на величину момента уровень статического напора не влияет. При управлении производительностью частотой вращения электропривода в выражении (23) изменяется и относительная скорость аь. Причём на величину последней влияет не только производительность, но и величина статического напора.
Таблица 5
Q- 1 0,75 0,5 0,25 Примеч.
СО' 1 1 1 1 ю §" 8 S О О
Чтм' 1' Ц тмн о ,915-Чтш 0,72-f/mu„ 0,415-Г7,„„„
М. 1 0,9989 0,955 0,885
Чм 0,9 0,9 0,9 0,9 и а
Чэп Чад» Чад» ЧАДн ЧАДн
со• 1 0,75 0,5 0,25
Чтм* Цпши Цтмн Чпшн IJinMH н Й (Т, ез
М. 1 0,5625 0,25 0,0625
Чпч 0,95 0,945 0,86 0,665 8 1
Чад 0,9 0,875 0,81 0,65 <и В as я и Си S »
Чэп 0,855 0,8268 0,6966 0,4322
Чэп' 0,95>?44„ 0,918 над« 0,7747/дф, 0,48/Цф, Я
Значения КПД электропривода и турбомеханизма, и ряда других величин для двух способов управления производительностью при отсутствии статического напора приведены в табл. 5. Существенное (более чем в 2 раза) снижение КПД электропривода объясняется уменьшением частоты вращения и нагрузки. Этим обоснована целесообразность введения алгоритма энергосберегающего управления электроприводом.
При методе дросселирования и наличии статического напора режим работы электропривода и его энергетические показатели не изменяются. Для управления же производительностью частотой вращения с ростом величины статического напора увеличивается момент нагрузки и величина относительного КПД электропривода. В работе приведены таблицы, в которых видны изменения этих величин. Графики зависимости момента сопротивления от производительности и величины статического напора для двух методов управления приведены на рис. 10.
Исследована зависимость момента сопротивления турбомеханизма от частоты вращения при различных величинах статического напора. Показано, что квадратичная зависимость (вентиляторный характер) имеется только при Нст.=0. С ростом статического напора показатель степени увеличивается и при Н,„*=0,9 достигает значения 2,4.
а?
1
0,9 0.8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0.1
Рис. 10. Графики зависимости момента сопротивления от производительности для двух способов управления при различных величинах статического напора: 1 - способ дросселирования, Нст'-0-0,75, т-=1; 2 - й>.=уаг, Нст-=0, (со'-1-0,25); 3 • (»--уиг, Нст-=0,25,
(со^1-0,47); 4 - ш-^аг, Нск.=0,5, (ы.=1-0,61); 5 - ы.=\'аг, Нс„.=0,75, (в).=1-0,73)
На основе сравнения величин КПД устройств технологи ческой схемы для двух способов управления производительностью турбомеханизмов рассчитаны коэффициенты энергоэффективности способа управления изменением частоты вращения
рг 0бЩ0}=\и
~~п-'
/ общдр
Увеличение энергетических потерь в электроприводе при снижении частоты вращения и нагрузки несколько снижает энергетическую эффективность управления производительностью частотой вращения. В частности, коэффициент энергоэффективности для турбомеханизма и трубопроводной магистрали при Нст.~0 и 2^=0,25 составлял 56,6, с учётом КПД электропривода величина Кээ снижается до 27,168, то есть более чем в 2 раза.
В работе получены зависимости общего КПД для всего комплекса устройств при различных значениях производительности и статического напора сравниваемых методов управления производительностью. С использованием этих графиков рассчитаны коэффициенты энергоэффективности при заданной производительности и величины средних коэффициентов энергоэффективности в заданном диапазоне изменения производительности метода управления частотой вращения. Значения средних коэффициентов энергоэффективности приведены в табл. 6.
С использованием этих коэффициентов можно экспрессио оценить объем энергосбережения с использованием регулируемого электропривода для любого заданного технологического комплекса. Например, Лзэф = 2,5 для диапазона изменения производительности 1-0,5 при На„=0 свидетельствует о том, что затраты электрической энергии по сравнению с методом дросселирования уменьшается в 2,5 раза. Эти же коэффициенты можно использовать для оценки объемов возможного энергосбережения в целом по стране.
Если в 2008 г. производство электроэнергии в РФ составило около 1 трлн кВт-ч, то на электропривод турбомеханизмов пришлось до 400 млрд кВт-ч. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов регулирование производительности требуется для половины турбомеханизмов, т.е. они потребляют до 200 млрд кВт-ч, поскольку управление их производительностью осуществляется дросселированием. По данным табл. 6 выбран некоторый «средний» режим работы всех турбомеханизмов. Он соответствует изменению производительности в 2 раза и статическому напору //„„^=0,25. В табл. 6 это соответствует /<"ээср= 2,12. Тогда затраты энергии электроприводами этих механизмов вместо 200 составят 94 млрд кВт-ч. Или экономия составит 106 млрд кВт-ч. С учетом потерь в сетях и трансформаторах (10-12%) это будет уже 118 млрд кВт-ч. Необходимая мощность преобразователей частоты для названных электроприводов составляет до 40 млн кВт, а стоимость при современных ценах на ПЧ - около 120 млрд руб. С учетом средней стоимости электроэнергии 1 руб./кВт-ч срок окупаемости преобразователей частоты составит 1 год. Сравним эти показатели с энергозатратами на ввод новых генерирующих мощностей электростанций.
Диапазон \шм-я Q* Кээср 1-0,75 1-0,5 1-0,25 Примечание
js tyooiyatsvar tfобщдр 1,44 2,492 5,48
js _общ<хз^аг Л общдр 1,334 2,12 3,176 Яот.=0,25
У ^¡общ&яуаг Лээср- Ч общдр 1,216 1,564 2,06 Нст^ 0,5
У tf общ co=var КЭЭср ~ '1 общдр 1,16 1,33 1,55 //„„-0,75
В планах РАО «ЕЭС России» за 2006-2010 гг. предусматривается ввод мощностей на 24,9 млн кВт. Сумма инвестиций на эти цели предусмотрена в объеме 2373,1 млрд руб. Прирост производства электроэнергии за счет ввода этих мощностей составит около 115 млрд кВт-ч. Это даже несколько меньше, чем объем экономии энергии, который может быть получен при использовании регулируемого электропривода турбомеханизмов. Однако затраты при вводе новых мощностей
оказываются в 20 раз больше. Отсюда видно, насколько эффективнее мероприятия по энергосбережению.
На основе значений коэффициентов энергоэффективности и средних (интегральных) коэффициентов энергоэффективности делается вывод о большой перспективности использования для управления производительностью частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов.
В табл. 6 средние коэффициенты энергоэффективности рассчитаны для случая замены метода дросселирования на управление производительностью изменением частоты вращения электропривода. Однако в дополнение к этому энергоэффективность управления может быть существенно повышена, если рационально выбрать параметры магистрали и согласовать их с характеристиками турбомеханизма и электропривода.
В седьмой главе на основе использования математических моделей устройств и переменных разработаны и исследованы структурные схемы систем двух сравниваемых методов управления производительностью турбомеханизмов в динамике. В качестве выходных переменных рассматриваются непосредственно производительность и такие, для которых последняя может являться управляющим воздействием: концентрация, температура, уровень, давление в диктующей точке. Иногда интерес представляет поведение в динамике некоторых «внутренних» или промежуточных переменных (токи, момент, скорость вращения двигателя, момент сопротивления и др.). В зависимости от того, какие процессы изучаются в динамике, степень детализации математического описания для устройств структурной схемы может быть различной. Это касается, прежде всего, такого энергетического звена, как асинхронный двигатель.
В работе показано, что при изучении поведения в динамике таких показателей, как производительность и зависящих от неё технологических переменных, достаточно воспользоваться упрощённой математической моделью АД, учитывающей динамику электромеханических величин двигателя - скорости и момента в виде
зим,,
аЖ+СЛ^У+^Х.+С.Х.У] (0„-0)
(24)
Й>п
С, —
При управлении от преобразователя частоты на АД в качестве управляющих воздействий поступает напряжение переменной частоты и амплитуды. При изменении частоты производится пересчёт параметров схемы замещения. Если же интерес представляют некоторые «внутренние» переменные самого АД, например, токи статора в переходных режимах с рассмотрением апериодических составляющих тока, то рекомендуется использовать математическую модель АД, основанную на математическом описании обобщённой электрической машины.
В работе использовано математическое описание АД для неподвижной и вращающейся систем координат. Результаты сравнительного исследования
математических моделей АД для выбранного двигателя (типа 4А18084УЗ) показали, что данные упрощенной модели оказались ближе к паспортным характеристикам двигателя. Делается вывод о том, что использование вида модели определяется характером исследуемых переменных.
Структурная схема преобразователя частоты выбрана в виде апериодического звена и необходимых функциональных преобразователей, обеспечивающих взаимодействие с соответствующей математической моделью АД.
Одной из переменных в технологических процессах непрерывных производств, в системах водо- и газоснабжения является величина давления в определённых точках системы. Эта же переменная непосредственно определяется значением производительности материальной среды в соответствующей части трубопроводной системы. Стабилизация давления в таких точках гарантирует удовлетворение спроса потребителей, поэтому их называют диктующими точками.
В работе получена математическая модель давления в диктующей точке простейшей гидравлической системы, состоящей из турбомеханизма, главной трубопроводной магистрали и ответвлений на конце трубопровода.
Математическая модель динамики для давления в диктующей точке (разветвлении трубопровода) представлена следующими уравнениями:
О,, = О. +0,;
2 (25)
н = н0,-к<21---ТГг
где НА - давление в диктующей точке; Qo, (¿¡, <2г ~ расходы материальной среды в главном трубопроводе и ответвлениях.
В работе предложены структурные схемы управления производительностью и систем управления давлением в диктующей точке с использованием двух методов управления производительностью турбомеханизмов. Структурные схемы исследовались при отработке задающих и возмущающих воздействий на систему. Приведены результаты расчёта переходных процессов.
Пример структурной схемы для системы управления давлением в диктующей точке с использованием математических моделей (25) и частотно-управляемого электропривода приведен на рис. 11.
Все математические модели устройств - электропривода, трех трубопроводов и турбомеханизма - являются нелинейными, исследования динамических процессов в них возможны только численными методами.
-й
Рис. 11. Структурная схема системы управления давлением в диктующей точке при использовании в качестве управления частоты вращения электропривода (упрощённая
модель АД)
Переходные процессы при отработке задающих и возмущающих воздействий показаны на рис. 12.
001 ноге
150 1№ №
°0ЮЯЭ04ОЯ£0Л]Ю
Рис. 12. Графики изменения переменных во времени при управлении давлением в диктующей точке изменением частоты вращения электропривода. Щ —давление в диктующей точке; (¿1- расход среди в трубопроводах 1,2; - расход среды в главном трубопроводе; со - скорость вращения АД
Исследование показателей работы двух систем управления производительностью показывает лучшее качество (быстродействие, отсутствие перерегулирования и др.) при управлении с применением регулируемого электропривода.
В восьмой главе обоснована возможность использования динамических математических моделей технологической цепочки электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль для решения специфических задач ресурсосбережения, связанных с самозапуском электроприводов этих механизмов при возмущениях в питающих электрических сетях.
Отключение электроприводов при кратковременных перерывах электропитания или его существенном снижении приводит к большим экономическим потерям из-за расстройства технологического процесса, возможных аварий и большого времени восстановления всей технологической цепи.
Основная цель самозапуска состоит в том, чтобы после возмущения в электрической сети запустить наиболее важные для технологического процесса электроприводы без вмешательства персонала. При этом самозапуск должен быть таким, чтобы за время разгона электроприводов не перегрузить питающий трансформатор.
Второе условие при использовании самозапуска состоит в том, чтобы показатели технологического процесса за время действия возмущения в сети не опустились ниже граничных значений, после которых самозапуск не имеет смысла.
Названные факторы определяют такие методы управления для самозапускаемых электроприводов, при которых контролируется длительность
■ 10 __М
............
/...............................;.................
•3 .50
1 ! » ! ' ? 1
;
/ ' ^
• • ; •
>1в ог
• • ' "—!--..............-!....................
.....■■/..........................)................. .................................1.................;.................|................-
7.......ГТ".....11".......Г'
0»
—.......• - • -Г ; ;
/ ; 1
) 1 1 1 1 \
' '_и_' '_|_I_I
возмущений в сети, и в зависимости от этого формируется график очерёдности их самозапуска.
Блочная структурная схема для исследования условий самозапуска 11 электроприводов технологической установки представлена на рис. 13. Каждый блок структурной схемы имеет своё математическое описание. В частности, в блоке «Тр» приведена математическая модель трансформатора. В её основе лежит «Т»-образная схема замещения трансформатора мощностью 1 МВт с напряжением 6 кВ на входе и 0,4 кВ па выходе. Под каждым из блоков, начиная от Н-4 до Н-47/1, имеется в виду структурная схема технологической цепочки электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль. Важной промежуточной переменной является и момент сопротивления каждого турбомеханизма как в процессе выбега, так и при разгоне после восстановления напряжения. Момент сопротивления влияет на темп торможения электропривода, а от скорости вращения зависят значения производительности, напора, токов и показатели разгона при самозапуске.
Рис.13. Елочная структурная схема для исследования условий самозапуска электроприводов турбомеханизмов
Приведены основные соотношения для определения момента сопротивления в процессе торможения и разгона.
В работе получены графики суммарных пусковых токов электроприводов, допущенных к самозапуску, графики тока, скорости вращения, расхода и напора насосов при возмущениях в сети в виде бестоковых пауз различной длительности и после восстановления напряжения. На основании данных о суммарных токах самозапуска и токов отдельных электроприводов разработаны алгоритмы самозапуска с использованием «активных» и «пассивных» технических средств самозапуска.
В работе приведены алгоритмы самозапуска по энергетическим критериям. Алгоритмы корректируются с учётом ограничений на технологические переменные. Схемы самозалу ска с разработанными алгоритмами внедрены на 13 установках трех заводов крупной нефтехимической компании.
Заключение
В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и экономические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в экономику страны: на основе математических моделей устройств технологического комплекса электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль произведена оценка энерго- и ресурсосбережения и предложены методы и технические средства для их реализации при управлении турбомеханизмами с применением автоматизированного электропривода.
Материалы, полученные в работе, позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации.
1. Получена математическая модель для потока материальной среды в трубопроводной магистрали для статического режима. Для оценки энергетической эффективности транспортирования потоков среды введено понятие КПД трубопроводной магистрали. Исследование характера КПД для метода дросселирования показало высокую энергозатратность такого управления производительностью. Энергоэффективным методом является управление входным напором трубопровода, которое достигается изменением частоты вращения электропривода турбомеханизма. Даны рекомендации по повышению КПД изменением параметров трубопровода, их использование может в 2-2,5 раза уменьшить энергетические затраты при транспортировании. Разработана методика построения искусственных напорных характеристик магистрали.
2. Экспериментами на промышленном трубопроводе подтверждена адекватность динамической модели потока жидкости реальным процессам в магистрали.
3. Исследованиями математической модели турбомеханизма показано, что имеется область наиболее экономичной работы турбомеханизма, для которой КПД является наибольшим. При переходе на искусственные напорные характеристики турбомеханизма изменением частоты вращения эта область сохраняется.
4. При сравнении совместных энергетических характеристик турбомеханизма и трубопроводной магистрали для двух методов управления производительностью выявлены значительные возможности энергосбережения при управлении изменением частоты вращения турбомеханизма. Энергоэффективность сравнивалась по величинам эквивалентных КПД турбомеханизма и магистрали при соответствующих методах управления. Наибольшее отличие в энергозатратах двух методов управления наблюдается при отсутствии статического напора. С ростом статического напора показатели энергосбережения снижаются.
5. Полученные в работе статические характеристики для двух способов управления производительностью турбомехаяизмов при различных относительных значениях статического напора показывают, что для метода дросселирования они существенно нелинейны. В отличие от них характеристики при изменяемой частоте вращения ближе к линейным и являются идеально линейными при отсутствии статического напора. Отсюда следует, что настройки систем регулирования могут быть выполнены однократно и для всего диапазона изменения производительности. Для метода же дросселирования настройки необходимо менять в зависимости от производительности.
6. Предложен метод минимизации энергетических потерь в АД при изменении нагрузки вниз от оптимальной соответствующим законом формирования подводимого напряжения. Этот же метод предлагается использовать при питании
АД от преобразователя частоты в особенности при значительном снижении нагрузки.
7. Разработана методика экспрессной оценки объема энергосбережения для технологических комплексов автоматизированный электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль при заданном диапазоне изменения производительности, статического напора и номинальных данных по производительности и напору. Рассмотрен «средний» режим работы турбомеханизмов, который сводится к работе в диапазоне относительной производительности от 1 до 0,5 и относительном статическом напоре 0,25. Переход от дросселирования на управление производительностью частотой вращения экономит объем электроэнергии, равной 10% от объема вырабатываемой электростанциями РФ. При этом затраты средств на эти энергосберегающие мероприятия будут в 20 раз меньше, чем инвестиции на ввод новых генерирующих мощностей с тем же объемом выработки электроэнергии.
8. Исследование качества регулирования в переходных режимах для систем управления производительностью и давлением в диктующей точке при двух методах управления производительностью турбомеханизмов показывает более высокое качество переходных процессов при управлении частотой вращения турбомеханизмов.
9. Доказана целесообразность использования математических моделей технологической схемы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль для решения специфических задач ресурсосбережения, связанных с самозапуском электроприводов при возмущениях в электрических сетях. Исследование математических моделей даёт возможность рассчитать характер изменения всех переменных во времени, как энергетических, так и технологических при разнообразных возмущениях в электрических сетях. На основе этих данных разработаны эффективные алгоритмы самозапуска с применением соответствующих технических средств.
10. Схемы самозапуска электроприводов турбомеханизмов внедрены на 13 промышленных установках трех заводов ОАО «АНХК». Число электроприводов со схемами самозапуска составляет 280 единиц.
Основные публикации, отражающие содержание диссертации
Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Аль-Равашдех А.Я. Уменьшение пусковых потерь в электродвигателе постоянного гока формированием закона изменения напряжения / А.Я.Аль-Равашдех, Г.Г.Гоппе // Вестник ИрГГУ. - 2006. -№4. - С. 41-50.
2. Гоппе Г.Г. Снижение энергетических потерь в трубопроводных магистралях при транспортировании жидкостей и газов // Энергосбережение и водоподготовка. - 2008. -№1.-С, 68-71.
3. Гоппе Г.Г. Сравнительная оценка энергетических потерь в турбомеханизмах при двух способах управления их производительностью / Г.Г.Гоппе // Энергосбережение и водоподготовка. -2009. - № 1(59). - С. 49-51.
4. Гоппе Г.Г. Сравнение совместных энергетических потерь в технологическом комплексе турбомеханизм-трубопроводная магистраль при двух способах управления его производительностью / Г.Г.Гоппе // Научный вестник НГТУ. - 2009. - № 1 (34). -С. 167-174.
5. Гоппе Г.Г. Энергосберегающее управление тягодутьевыми механизмами котлоагрегатов тепловых электрических станций с использованием ресурсов электропривода / Г.Г.Гоппе, Д.О.Герасимов // Информатика и системы управления. -Благовещенск, 2009. - № 1 (19). - С. 136-145.
6. Гоппе Г.Г. Моделирование и управление технологическим процессом отжига в производстве алюминиевой проволоки / Г.Г.Гоппе, А.А.Луконин // Современные технологии, системный анализ, моделирование. - Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2009. -№ 1 (21).-С. 23-27.
7. Гоппе Г.Г. Алгоритм энергосберегающего управления асинхронным двигателем (АД) при изменении нагрузки вниз от оптимальной / Г.Г.Гоппе // Современные технологии, системный анализ, моделирование. - Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2009. - № 2 (22). - С. 137-143.
8. Гоппе Г.Г. Динамическая математическая модель потока жидкости в комплексе турбомеханизм-трубопроводная магистраль при двух способах управления производительностью / Г.Г.Гоппе // Современные технологии, системный анализ, моделирование. - Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2009. - № 3 (23). - С. 166-170.
Авторские свидетельства и патенты
9. A.C. № 1654784, Российская Федерация, МКИ G 05 D1/02. Устройство для управления транспортным средством / В.Г. Рудых, Г.Г. Гоппе. - № 4708852; заявл. 10.04.89; опубл. 07.06.91, Бюлл. № 21. - 6 с.
10. Пат. №2110829, Российская Федерация, МКИ G 05 D 5/03. Способ стабилизации средней толщины пластмассовой изоляции кабельного изделия и устройство для его реализации / Г.Г. Гоппе, В.Ф.Графов, А.В.Кривии. - № 96110349/09; заявл. 22.05.96; опубл. 10.05.98, Бюлл. № 13. - 6 с.
11. Устройство для электрического отжига алюминиевой проволоки, совмещенного с процессом наложения изоляции // А.А.Луконин, А.Н.Уцын, С.П.Гончаренко, Г.Г.Гоппе. Решение о выдаче патента на полезную модель от 26.08.2009 на заявку № 20091301197/22 (042089).
Научные работы, опубликованные в других изданиях
12. Гоппе Г.Г. Исследование алгоритма автоматической оптимизации каскадной системы регулирования / Г.Г.Гоппе, А.В.Колесников // Электроизоляционная и кабельная техника. Промышленная электротехника : материалы науч.-техн. конф. (Иркутск). -Иркутск : Изд-во ИЛИ, 1973. - С. 185-192.
13. Гоппе Г.Г. Математическая модель расхода потоков жидкостей в трубопроводах как звено САР / Г.Г.Гоппе // Автоматизация химических производств. -М.: НИИТЭХИМ, 1973,-№4.-С. 32-43.
14. Гоппе Г.Г. Создание систем непосредственного цифрового управления для объектов химической технологии / Г.Г.Гоппе, Э.М.Гитерман // Автоматизированные системы управления непрерывными технологическим процессами в химии, нефтехимии, металлургии н энергетике : материалы Всесоюз. совещ. -М., 1973. — С. 71-73.
15. Гоппе Г.Г. Исследование непосредственного цифрового управления потоками жидкостей в химико-технологических процессах : автореф. дне. ... канд. техн. наук. -Томск : Изд-во ТПИ, 1973. - 21 с.
16. Гоппе Г.Г. Приближенное математическое описание потоков газообразных продуктов в трубопроводах как звена САР / Г.Г.Гоппе, А.П.Степанов // Автоматическое управление и контроль : сб. науч.тр. - Иркутск : Изд-во ИЛИ, 1974. - С. 28-33.
17. Аршинский В.М. Применение сенситивных методов для определения оптимальных параметров регулятора с пшротно-импульсной модуляцией / В.М. Аршинский, Г.Г.Гоппе, Н.Н.Куцый, Л.А.Широков // Автоматическое управление и контроль : сб.науч.тр. - Иркутск: Изд-во ИЛИ, 1974. - С. 3-9.
18. Гоппе Г.Г. Синтез регуляторов электроприводов методами самонастройки / Г.Г.Гоппе // Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности : материалы науч.-техн. конф. -Томск: Изд-во ТЛИ, 1986. - С.. 9-10.
19. Гоппе Г.Г. Управление потоками жидкостей и газов электроприводами с регулируемой частотой вращения / Г.Г.Гоппе, В.Е.Павлов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф - Иркутск: Изд-во ИЛИ, 1992. - С. 28-29.
20. Абрамов В.В. Стабилизация параметров магистрали с использованием регулируемого привода воздуходувки / В.В.Абрамов, Г.Г.Гоппе II Повышение, эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИЛИ, 1992. - С. 34-35.
21. Гоппе Г.Г. Математические модели САУ технологического процесса наложения пластмассовых оболочек на провода и кабели / Г.Г.Гоппе, В.Ф.Графов II Оптимизация режимов работы систем электроприводов : сб. науч. тр. - Красноярск : Изд-во КПИ,
1992.-С. 57-60.
22. Гоппе Г.Г. Асинхронный вентильный каскад, инвариантный к статической нагрузке / Г.Г.Гоппе // Повышение, эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИЛИ,
1993.-С. 31-32.
23. Гоппе Г.Г. Пусковые потери в электроприводах мельниц-вентиляторов ТЭС / Г.Г.Гоппе, Г.С.Беркин // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. 4.1: материалы регион, науч.-практ. конф. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1994. - С. 10-11.
24. Гоппе Г.Г. Электропривод мельниц-вентиляторов ТЭС с индукционными реостатами в цепи ротора / ГГ.Гоппе, Г.С.Беркин И Сборник материалов I Международной конференции по электромеханике и электротехнологиям МКЭЭ-94. - Суздаль, 1994. -С. 45.
25. Гоппе Г.Г. Исследование пусковых режимов электроприводов мельниц-вентиляторов ТЭС / Г.Г.Гоппе, Г.С.Беркин // Оптимизация режимов работы электроприводов : сб. науч. тр.-Красноярск: Изд-во КрГПУ, 1994. - С. 28-32.
26. Гоппе Г.Г. Система управления положением факела в топке котельного агрегата вихревого типа / Г.Г.Гоппе, А.В.Боровский. - М.;Иркутск: Видеоэнергодиагностика, 1995.-32 с.
27. Гоппе Г.Г. О временных характеристиках одного класса объектов как звеньев автоматического управления / Г.Г.Гоппе, Д.О.Герасимов И Повышение, эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. - С. 17-18.
28. Гоппе Г.Г. Особенности выбора электромеханического преобразователя с учетом графика нагрузки электропривода / Г.Г.Гоппе II Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1998. - С. 23-25.
29. Гоппе Г.Г. Математическая модель объемной производительности экструдера / Г.Г.Гоппе, Х.Хуссейн // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф.. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1998.-С. 31-32.
30. Гоппе Г.Г. Энергосберегающий электропривод для механизмов с широким изменением производительности вниз от номинальной / Г.Г.Гоппе, Г.Г.Константинов // Энергосбережение. - № 4. - Ульяновск: Изд-во УГТУ, 1998. - С. 73-75.
31. Гоше Г.Г. Энергосберегающие технические решения при реализации физических моделей электромеханических систем в условиях учебных лабораторий / Г.Г.Гоппе, М.П.Дунаев, В.Е.Павлов // Вестник ИрГТУ. - 1998. - № 2 .- С. 55-60.
32. Гоппе Г.Г. Исследование временных характеристик транспортирования жидкости и газа по трубопроводам / Г.Г.Гоппе // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф,-Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1999. - С. 32-34.
33. Гоппе Г.Г. Стабилизация толщины пластмассовой изоляции токопроводацих жил секторной формы / Г.Г.Гоппе, В.Ф. Графов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч -пракг. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. - С. 37-38.
34. Гоше Г.Г. Математическая модель системы электрический преобразователь-двигатель-вентилятор-трубопровод, реализованная на ЭВМ / Г.Г.Гоппе, Д.О.Герасимов И Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1999.-С. 38-39.
35. Гоппе Г.Г. Исследование временных характеристик процессов транспортирования жидкостей и газов по трубопроводам при использовании для управления ресурсов электропривода / Г.Г.Гоппе // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы регион, науч.-практ. конф. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. - С. 39-41.
36. Гоппе Г.Г. Иркутская область - возможности энергосбережения при использовании ресурсов электропривода / Г.Г.Гоппе // Энергосбережение на рубеже веков : материалы науч.-техн. конф - М.: Русдем, 1999. - С. 45-46.
37. Гоппе Г.Г. Энергосберегающий алгоритм управления электропривода при изменении нагрузки вниз от номинальной / Г.Г.Гоппе // Повышенно эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы регион, кауч.-практ. конф. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. - С. 17-19.
38. Гоппе Г.Г. Математические модели систем транспортирования жидкостей и газов по трубопроводам при использовании в качестве энергетического звена электропривода / Г.Г.Гоппе, Д.О.Герасимов // Труды III Международной (XIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2001. - Нижний Новгород : Изд-во НГТУ, 2001. - С. 160-161.
39. Гоппе Г.Г. Математические модели систем регулирования расходов жидкостей и газов в трубопроводах при использовании для управления ресурсов электропривода / Г.Г.Гоппе, Д.О.Герасимов // Отчет по гранту Минобразования РФ. Гос. регистр. ВНТИЦ№ 02.200.108420. 2001.-61 с.
40. Гоппе Г.Г. Компенсация влияния нагрузки на выходную величину в разомкнутых системах электропривода I Г.Г.Гоппе // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. - С. 71-75.
41. Гоппе Г.Г. Алгоритмы и программы численных методов решения задач САУ на ПЭВМ : учеб. пособие / Г.Г.Гоппе, З.А.Федорова. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2001. -152 с.
42. Гоппе Г.Г. Моделирование электроприводов на ПЭВМ : учеб. пособие / Г.Г.Гоппе, З.А.Федорова. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2001.-268 с.
43. Гоппе Г.Г. Исследование возможностей энергосбережения в городском электрическом транспорте / Г.Г.Гоппе, Р.А.Лащешсов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2002. - С. 103-105.
44. Гоппе Г.Г. Энергосберегающий режим управления асинхронным электроприводом / Г.Г.Гоппе, М.Белал // Сборник научных трудов факультета кибернетики. - Вып. 5. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. - С. 33-41.
45. Гоппе Г.Г. Обеспечение инвариантности в управлении одним классом объектов / Г.Г. Гоппе, X. Хуссейн // Сборник научных трудов факультета кибернетики. - Вып. 5. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. - С. 42-48.
46. Гоппе Г.Г. Моделирование жестких динамических систем явным методом с переменным порядком точности / Г.Г.Гоппе, З.А.Федорова/У Сборник научных трудов факультета кибернетики. - Вып. 5. - Иркутск: Изд-во ИрГГУ, 2003. - С. 49-59.
47. Гоппе Г.Г. Оценка энергетической эффективности управления турбомсханизмами на базе электропривода с АД и тиристорным регулятором напряжения / Г.Г.Гоппе, Д.О.Герасимов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. - С. 75-82. "
48. Гоппе Г.Г. Энергосберегающий электропривод дутьевых вентиляторов и дымососов ТЭС на базе двухскоростных АД / Г.Г.Гоппе // Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития : материалы IV Междунар.( XV Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу. - Ч.П. - Магнитогорск : Изд-во МГГУ, 2004. -С. 225-227.
49. Гоппе Г.Г. Оценка энергетических потерь в асинхронном двигателе при меняющейся ■нагрузке на основе уточненного расчета переменных / Г.Г.Гоппе, Е.А.Березовская //
Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2005. - С. 136-141.
50. Гоппе Г.Г. Оценка пусковых энергетических потерь в электродвигателе постоянного тока с использованием уравнений динамики / Г.Г.Гоппе, А.Я.Аль-Равашдех // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2005.-С. 175-181.
51. Гоппе Г.Г. Математическая модель толщины пластмассовой изоляции с вычислением объемной подачи на основе косвенных измерений / Г.Г.Гоппе, Л.А.Какорин /7 Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2005. - С. 198-202.
52. Гоппе Г.Г. Проверка на основе экспериментов с математической моделью потока жидкости в трубопроводе возможности появления гидравлического удара и оценка его величины / Г.Г.Гоппе, Д.Н.Алхимов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. - С. 20-23.
53. Алхимов Д.Н. Математическая модель давления в диктующей точке простейшей гидравлической схемы при двух способах управления производительностью турбомеханизма / Д.Н.Алхимов, Г.Г.Гоппе // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2007. - С. 111-118.
54. Гоппе Г.Г. Математическая модель системы управления давлением в диктующей точке гидравлической схемы с использованием метода дросселирования / Г.Г.Гоппе, Д.Н.Алхимов П Сб. науч.тр. / Новосиб. гос. техн. ун-т. - 2008. - № 1 (34). - С. 167174.
55. Гоппе Г.Г. Оценка энергозатрат при изменении производительности аппарата воздушного охлаждения применением регулируемого по частоте вращения элеюропривода / Г.Г.Гоппе, В.Е.Павлов, Р.А.Иузаткин // Повышение эффектавности
производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2008. - С. 136-139.
56. Гоппс Г.Г. Определение эиергоэффсстивности аппарата воздушного охлаждения при традиционных способах регулирования производительности / Г.Г.Гоппе, В.Е.Павлов, Р.А.Пузаткин // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - С. 144-147.
57. Алхимов Д.Н. Система управления температурой воды на тепловых пунктах с использованием математических моделей потоков жидкостей в трубопроводах / Д.Н.Алхимов, Г.Г.Гоппе // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - С. 205-209."
58. Алхимов Д.Н. Система нейтрализации стоков сернокислотного производства при использовании для управления производительностью подачи аммиачной воды метола дросселирования / Д.Н.Алхимов, Г.Г.Гоппе // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - С. 97-101.
59. Гоппс Г.Г. Методы и технические средства энерго- и ресурсосберегающего управления турбомеханизмами / Г.Г.Гоппе, Ю.Ф.Мухоиад // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. Моделирование систем управления : Сб. науч. тр. / Иркут. гос. ун-т путей сообщения. - 2009. - Вып.
19.-С. 105-128.
Подписано в печать 06.08.2009. Формат60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2,25. Тираж 100 экз. Зак. 189. Поз. плапа4н.
ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Гоппе, Гарри Генрихович
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. Функциональные схемы систем управления производительностью турбомеханизмов.
1.1. Общие положения.
1.2. Функциональные схемы систем управления производительностью турбомеханизмов с использованием метода дросселирования.
1.3. Функциональные схемы систем управления производительностью турбомеханизмов с использованием метода байпасирования.
1.4. Функциональные схемы систем управления производительностью турбомеханизмов с использованием регулируемого по частоте- вращения электропривода.
Выводы.
Глава 2. Математические модели расходов потоков жидкостей и газов в трубопроводных магистралях.
2.1. Общие положения.
2.2. Математическая модель потока жидкости в трубопроводе в статике
2.3. Анализ статической математической модели расхода жидкости в трубопроводной магистрали.
2.4. Понятие о (Ж-характеристиках трубопроводной магистрали.
2.5. Коэффициент полезного действия трубопроводной магистрали.
2.6. Математическая модель потока жидкости в трубопроводе в динамике
2.7. Анализ динамической модели при возможных управляющих воздействиях.
2.8. Экспериментальная проверка адекватности математической модели потока жидкости в трубопроводе и реального объекта.
Выводы.
Глава 3. Математические модели энергетических процессов в турбомеханизмах.
3.1. Общие положения.
3.2. Математическая модель энергетических процессов в турбомеханизме
3.3. Исследование рабочих характеристик турбомеханизмов.
3.4. Искусственные характеристики турбомеханизмов.
Выводы.
Глава 4. Совместные характеристики магистрали и турбомеханизма при различных методах управления производительностью и их сравнительные энергетические показатели.
4.1. Общие положения.
4.2. Совместные напорные характеристики турбомеханизма и магистрали при отсутствии статического напора.
4.3. Сравнительная оценка энергетических затрат двух методов управления производительностью турбомеханизмов при отсутствии статического напора.
4.4. Оценка энергетических показателей управления производительностью турбомеханизмов методом дросселирования при наличии статического напора различной величины.
4.5. Оценка энергозатрат при управлении производительностью турбомеханизмов изменением частоты вращения и наличии статического напора различной величины.
4.6. Сравнительная оценка энергоэффективности двух способов управления производительностью турбомеханизмов при различных величинах статического напора.
4.7. Сравнительная оценка энергоэффективности управления производительностью турбомеханизмов методами дросселирования и байпасирования.
4.8. Статические характеристики двух способов управления производительностью в системе турбомеханизм-трубопроводная магистраль при различных величинах статического напора.
Выводы.
Глава 5. Минимизация энергетических потерь в асинхронном электроприводе турбомеханизмов.
5.1. Общие положения.
5.2. Анализ энергетических потерь в асинхронном электроприводе при питании от электрической сети.
5.3. Исследование характера КПД асинхронного двигателя при изменении нагрузки.
5.4. Оптимизация энергетических потерь в АД при изменении нагрузки вниз от номинальной.
5.5. Количественная оценка энергосберегающего управления при минимизации энергетических потерь изменением питающего напряжения
5.6. Энергетические показатели АД при установившихся режимах на искусственных характеристиках.!.
5.7. Энергетические характеристики АД при частотном регулировании скорости.
5.8. Оценка энергетических показателей преобразователей частоты (ПЧ)
5.9. Относительное изменение коэффициента полезного действия регулируемого электропривода.
Выводы.
Глава 6. Сравнительная оценка полных энергетических затрат двух методов управления производительностью турбомеханизмов и эффективность предлагаемых решений.
6.1. Общие положения.
6.2. Момент нагрузки и величины КПД электропривода при различных режимах работы турбомеханизмов.
6.3. Зависимость момента нагрузки от производительности и частоты вращения турбомеханизма.
6.4. Сравнительная оценка полных энергетических показателей двух методов управления производительностью турбомеханизмов при различной величине статического напора.
6.4.1. Сравнение энергозатрат при отсутствии статического напора (Нст* = 0)
6.4.2. Сравнение энергозатрат при наличии статического напора.
6.4.3. Сравнение энергозатрат двух методов управления производительностью турбомеханизмов с использованием средних величин общих КПД в заданном диапазоне изменения производительности.
6.5. Экономическая эффективность предлагаемых решений.
Выводы.
Глава 7. Автоматические системы управления выходными, переменными для двух методов управления производительностью» турбомеханизмов
7.1. Общие положения.
7.2. Возможные виды математических моделей АД и выбор модели для решения конкретных задач.
7.2.1. Математическая модель АД для электромеханических переходных процессов.
7.2.2. Математическая модель АД, учитывающая электромагнитные переходные процессы. 220'
7.3. Математические модели преобразователя частоты.
7.4. Математическая модель АД для напора в диктующей точке простейшей гидравлической схемы.
7.5. Структурная схема системы управления производительностью турбомеханизмов с использованием метода дросселирования
7.6. Структурная схема системы управления производительностью изменением скорости вращения турбомеханизма с помощью асинхронного электропривода.
7.7. Структурная схема системы управления давлением в диктующей точке с использованием метода дросселирования.
7.8. Структурная схема системы управления давлением в диктующей точке при использовании в качестве управления частоты вращения электропривода.
Выводы.
Глава 8. Методы управления электроприводами турбомеханизмов для решения специфических задач ресурсосбережения.
8.1. Общие положения.
8.2. Состояние проблемы самозапуска электроприводов.
8.3. Корректировка математических моделей к условиям работы устройств технологической схемы.
8.3.1. Приведение диаметров участков трубопроводной магистрали к эквивалентному.
8.3.2. Расчет суммарных коэффициентов сопротивления трубопровода
8.3.3. Определение моментов трения и приводимых моментов инерции вращающихся частей электропривода и турбомеханизма.
8.4. Структурная схема динамической системы, исследуемой с целью обеспечения самозапуска электроприводов.
8.5. Исследование на математических моделях переменных, определяющих энергетические и технологические критерии самозапуска.
8.6. Технические средства самозапуска.
8.7. Использование результатов вычислительных экспериментов с математическими моделями технологических комплексов для организации алгоритмов самозапуска.
Выводы.
Введение 2009 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Гоппе, Гарри Генрихович
Показатели развития человеческого общества во многом определяются объёмами используемой энергии и эффективностью способов её преобразования из одного вида в другой.
Особенно возрастает роль энергии в современной жизни, она входит в любую область человеческой деятельности, используется в быту, на транспорте, в связи, в многочисленных производственных процессах, воплощается во всех изделиях человеческих рук и становится поистине вездесущей и незаменимой. Каждый качественный сдвиг в получении и использовании энергии порождает научно-техническую революцию. И тем не менее потребности общества инициируют поиски всё новых, более эффективных источников энергии и способов её преобразования, обеспечивающих ещё более стремительные темпы развития цивилизации.
В этих условиях интерес представляет такая отрасль промышленности как энергетика. Её современное состояние подготовили и обеспечили многие поколения учёных, инженеров и простых тружеников. Назовём только некоторые имена выдающихся энергетиков нашей страны, внёсших свой вклад в развитие энергетики и продолжающих работать над её проблемами: Александров А.П., Доллежаль И.А., Стырикович М.А., Петросьянц A.M., Непорожний П.С., Жимерин Д.Г., Кириллин В.А., Мелентьев JI.A., Руденко Ю.Н., Веников В.А., Велихов Е.П., Кадомцев Б.Б., Шафраник Ю.К., Месяц Г.А., Фортов В.А., Воропай Н.И. и многие другие. В их работах не только решаются теоретические и практические проблемы энергетики, но и глубоко анализируется её прошлое, настоящее и будущее [27, 28, 99, 105, 146, 156, 191].
Особенно подробно положение в мировой и отечественной энергетике по состоянию на 80-90 годы прошлого столетия и её перспективах до 2010-2020 годов рассмотрено в [27, 105, 146, 156, 191]. Здесь оценена её роль в техническом прогрессе, приведены данные о видах энергетических ресурсов и их запасах, рассмотрены такие аспекты энергетики, как технический, социальный и экологический.
В силу специфики настоящего исследования на основе опубликованных данных сделана попытка оценки объёмов потребления энергоресурсов как первичных, так и вторичных, и, в частности, такого её вида как электроэнергия.
В соответствии, например, с данными в [27] мировое потребление первичных энергоресурсов с 1940 по 1980 год увеличилось с 2,8 до 10,3 млрд. т.у.т., то есть годовое потребление за этот период выросло в 3,7 раза.
В предположении о том, что энергопотребление за указанное время возрастало равномерно, оказалось, что среднегодовой прирост составлял 3,31%. Если бы такие темпы прироста продолжались и далее, то в 2007 году мировое потребление энергоресурсов составило бы около 25 млрд. т.у.т. Но видимо, учёные предполагали, что рост этот будет ещё выше. Так авторы [146] прогнозировали, что уже в 2000 году мировое энергопотребление вырастет до 25 миллиардов тонн условного топлива, а в [27] называлась даже цифра в 30 миллиардов тонн. Но сейчас уже идёт 21 век и можно заключить, что прогнозы учёных не сбылись. Так по данным исследовательской группы концерна "Рургаз", опубликованным в газете "Труд" от 25 июня 1996 года, объём мирового потребления первичных энергоресурсов в 1995 году составил 11,5 млрд. т.у.т., а по данным [157] в 2000 году — 13 млрд. т.у.т. Другими словами, реальные объёмы энергопотребления оказались ниже прогнозируемых более чем в 2 раза. Причин такого положения оказалось несколько:
- резко возросла себестоимость добычи энергоресурсов, уже в 80-х годах прошлого столетия затраты на добычу единицы таких ресурсов как нефть, газ и уголь возросли в 3 раза;
- в середине 70-х годов прошлого века страны ОПЕК в основном по политическим мотивам повысили цены на нефть сначала на 60%, а к концу 1978 ещё в несколько раз, так что цена нефти достигла 179,6 долларов за тонну, что в 13-14 раз превышало цены 1970 года.
В странах мира, в основном импортировавших нефть (США, Япония, Англия, Германия, Италия, и др.), наступил энергетический кризис. Недостаток энергии вызвал увеличение стоимости товаров, сокращение производства, уменьшение занятости населения. Но этот же фактор вызвал активную разработку и внедрение энергосберегающих мероприятий и новых технологий. Как это не парадоксально звучит, но началась научно-техническая революция, вызванная нехваткой энергетических ресурсов.
Разрабатывались новые, менее энергоёмкие технологические процессы, в самой энергетике появилось оборудование с более высокими показателями преобразования энергии. Повысился уровень автоматизации производственных процессов.
Чтобы убедиться в том, что в последние годы прирост энергопотребления стал ниже, в настоящей работе были использованы официальные источники [189, 190]. В первом приведены объёмы производства первичных энергоресурсов по 208 странам мира за период с 1990 по 1996 годы, а во втором - по тем же странам, но включительно по 1998 год. В отличие от принятых для оценки объёмов энергии в тоннах условного топлива, здесь данные приведены в метрических тоннах нефтяного эквивалента. Подсчёт объёмов суммарных энергоресурсов по годам и перевод их в тонны условного топлива дал следующие результаты:
1990 г. - 10,809758 млрд. т.у.т.
1996 г. - 12,250672 млрд. т.у.т.
1998 г. - 12,72433 млрд. т.у.т. Пользуясь этими данными, был рассчитан прирост годового энергопотребления за рассматриваемый период. Так за время с 1990 по 1996 годы среднегодовой прирост составил 2,1% в год, с 1990 по 1998г. - 2,06% в год и с 1996 по 1998г. -1,91% в год. Из анализа приведённой информации следует, что годовой прирост потребления энергоресурсов имеет тенденцию к снижению.
Исходя из того, что экономика мирового сообщества развивалась достаточно устойчиво и годовой прирост внутреннего валового продукта большинства стран был в пределах 3-6%, то можно сделать вывод о том, что снижение прироста энергопотребления первичных энергоресурсов объясняется политикой энергосбережения.
Пользуясь последними данными годового прироста энергопотребления величиной в 1,91%, рассчитаем объём первичных энергоресурсов, потреблённых в 2007 году:
С=12,72433-(1,0191)9=15,086 млрд. т.у.т. Если эта цифра будет подтверждена официальными данными, то окажется, что за последние 26 лет энергопотребление выросло в 1,46 раза в относительных единицах ' и на 4,5 млрд. т.у.т. в абсолютных. При рассмотрении предшествовавшего 27 летнего периода (с 1955 по 1980 годы) имеем такие показатели: увеличение энергопотребления в 2,4 раза и на 6 млрд. т.у.т. в абсолютных цифрах. Эти показатели ещё раз подтверждают высокую эффективность энергосбережения, проводимую мировым сообществом.
Наряду с первичными энергоресурсами большой, интерес представляют показатели производства такой высшей формы энергии, как электрическая. Известно [27, 156], что в 1983 году мировое производство электроэнергии составило 8,36 триллионов кВт-часов, а в 1991 году - 12,03 триллиона кВт-часов. Тогда среднегодовой прирост за этот период равен 4,65%.
Для оценки показателей более позднего периода были использованы показатели с интернет-сайта [115]. В нём представлены показатели годового производства электроэнергии по всем странам мира за одиннадцать лет - с 1994 по 2004 годы. Из приведённых данных следует, что в 1994 году суммарное производство электроэнергии составило 12,852 триллиона кВт-часов, а в 2004 году - 17,452 триллиона кВт-часов. Тогда среднегодовые темпы прироста производства электроэнергии за этот период составляют 3,1% в год. Чтобы иметь представления об устойчивости последнего показателя, этот же расчёт прироста выполнен для последних четырёх лет с (2000 по 2004 годы). Оказалось, что он равен 3,129% в год, то есть данный показатель достаточно стабилен и имеет даже некоторую тенденцию роста.
Сравнение показателей по электроэнергии и первичным энергоресурсам позволяет сделать такие выводы:
- производство электроэнергии не подвержено таким колебаниям, как производство и потребление первичных энергоресурсов;
- прирост производства электроэнергии почти в два раза превышает современный прирост потребления первичных энергоресурсов.
И такая ситуация на наш взгляд будет иметь место и в будущем, поскольку из всех видов энергии электрическая является наиболее удобной в использовании. На выработку единицы электрической энергии нужно затратить 3, а в лучшем случае 2 единицы химической энергии топлива. Поэтому если говорить об экономии энергии, то эффективнее всего это будет при сбережении электрической энергии. При этом экономятся не только большие объёмы первичных энергоресурсов, но высвобождается энергетическое оборудование, транспортные средства и человеческий ресурс.
О том же, что источником получения электрической энергии по большей части остаются такие первичные энергоносители как нефть, уголь и газ свидетельствуют такие цифры последних лет. По данным [115] в 2000 году мировые топливные ресурсные составляющие выглядели следующим образом: нефть - 39%, уголь - 27%, газ - 24%, атомное топливо - 7%, гидроресурсы — 3%. Как видно, из первичных энергоресурсов на электроэнергию приходится только 3% (гидроэнергетика), основной же её объём вырабатывается на основе использования традиционных энергоносителей.
Что касается нашей страны, то здесь ситуация несколько иная. Преобладающим энергоносителем у нас является газ -52%, на втором месте нефть - 21%, на уголь приходится только 18%. На прочие источники, включая атомную и гидроэнергетику, остаётся 9%. Но и у нас основная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях - 65%, на гидростанциях - 20%, на АЭС - 15%. Следует отметить при этом, что 53% электростанций бывшего РАО ЕЭС работают на газе. Объясняется это относительной дешевизной его по сравнению с углём.
Россия была и продолжает оставаться одним из крупнейших производителей электроэнергии в мире. Правда, если СССР до 90-х годов прошлого века оставался вторым после США, то Российская Федерация по этому показателю находится на четвёртом месте после США, КНР и Японии.
В результате падения национальной экономики в 90-х годах производство электроэнергии сократилось у нас с 1082 млрд.кВт-часов в 1990 году до 826 млрд.кВт-часов в 1998 году. Но на этом спад закончился и в последующие годы объем выработки возрастал, достигнув в 2004 году 931 млрд.кВт-часов. В соответствии с прогнозом развития экономики страны производство электроэнергии должно достичь уровня 1990 года к 2010 году. Если это произойдёт, то за оставшееся до этого время среднегодовые темпы прироста в производстве электроэнергии должны составить 2,52%. Однако, в последних пресс-релизах ОАО РАО "ЕЭС России" [116] называются уже более скромные цифры в 1045 млрд.кВт-часов к 2010 г. и темпы прироста 2,2%. Несмотря на некоторое снижение внутреннего потребления как первичных энергоресурсов, так и электроэнергии, наша страна остаётся энергорасточительным потребителем. Экономисты отмечают, что энергоёмкость единицы внутреннего валового продукта (ВВП) у нас в 2-3 раза выше соответствующего показателя развитых стран мира. Причин такого положения достаточно много и одной из них является наш суровый климат. Но если на последний можно отнести, предположим (30-40)%, то остальные 60% чем объяснить? Видимо многие из причин уходят корнями в прошлое, когда наблюдалось изобилие дешёвых энергоресурсов. Большинство промышленных предприятий сегодняшнего дня были построены в то время, когда в них закладывалась технология, основанная на использовании дешёвых энергоресурсов. Поэтому большинство новых видов продукции этих предприятий по энергетическим затратам превышают соответствующие зарубежные аналоги.
К настоящему времени не удалось перестроить отношение к энергоресурсам на всех уровнях управления, на рабочих местах, в жилищно-коммунальной среде, на промышленных предприятиях.
Если незаинтересованность в экономии энергоресурсов является естественной для энергоснабжающих организаций, поскольку это снижает объёмы поставок энергоресурсов, а значит доходов и прибылей, то сами потребители также не проявляют энтузиазма в их экономии поскольку это связано с затратами средств на модернизацию производства и другие энергосберегающие мероприятия, которые не могут достаточно быстро окупиться. Большинство новых собственников согласны только на малые сроки окупаемости — несколько месяцев или максимум - год, полтора. Поэтому несмотря на сложившиеся рыночные отношения здесь должны быть созданы со стороны государства дополнительные стимулирующие условия через меры по налогообложению, кредитную политику и др.
В порядке самокритики следует признать и недостаточную активность в разработке новых энергосберегающих мероприятий и технологий наших научных учреждений и проектных организаций, слабую пропаганду того, что уже отработано и хорошо показало себя на практике.
Настоящая работа призвана дополнить имеющиеся наработки по энерго-и ресурсосбережению при управлении таким широким классом производственных механизмов как насосы, вентиляторы, компрессоры, объединяемых общим названием - турбомеханизмы, с использованием автоматизированного электропривода. О масштабности этой проблемы можно получить представление по следующим показателям:
- в нашей стране и в мире в целом до (65-70)% вырабатываемой электроэнергии потребляется электроприводом; от общего числа электроприводов около 60% составляют электроприводы турбомеханизмов, на их долю приходится (35-40)% от всей производимой электроэнергии;
- как показывают теоретические исследования и накопленный практический опыт, при управлении производительностью турбомеханизмов изменением частоты вращения приводного электродвигателя, вместо применяющегося традиционного метода дросселирования, можно экономить от 20 до 70% электроэнергии; в подавляющем числе случаев в качестве электропривода турбомеханизмов используется асинхронный. До последних лет регулирование частоты вращения АД сдерживалось отсутствием достаточно надёжных и приемлемых по цене преобразователей частоты. Но в последнее десятилетие наблюдается бум на рынке частотных преобразователей. Большое число зарубежных и отечественных производителей изготавливают преобразователи на мощности от десятков ватт до десятков тысяч киловатт. Существенно снизилась и их стоимость, если ещё 10-15 лет назад она на порядок превышала стоимость самого двигателя, то в настоящее время в 2-3 раза; применение регулируемого электропривода для управления производительностью турбомеханизмов имеет ещё целый ряд преимуществ перед методом дросселирования, объединяемых общим термином - ресурсосбережение. В установившихся режимах — это меньшие нагрузки оборудования, снижение утечек и других потерь транспортируемой среды. В динамике — это лучшее качество регулирования, снижение вероятности возникновения гидроударов, большие возможности по автоматизации процессов управления взаимосвязанными переменными. Как показывает ряд исследований в некоторых случаях эффект от этого может существенно превышать даже результаты от энергосбережения;
- современные производства с непрерывным технологическим процессом предъявляют к электроприводам дополнительные требования, связанные с целесообразностью их самозапуска при возмущениях в электрических сетях в виде кратковременных снижений уровня питающего напряжения или даже его полного исчезновения. Обеспечение самозапуска без участия персонала предотвращает глубокие расстройства технологических процессов и связанные с этим материальные и финансовые потери. Те математические модели устройств и переменных, которые используются в данной работе для оценки возможного энерго- и ресурсосбережения могут быть основой в эффективном решении задач самозапуска электроприводов турбомеханизмов.
К настоящему времени из перечисленных преимуществ регулируемого электропривода турбомеханизмов перед методом дросселирования наиболее полно обоснована его энергоэффективность при управлении производительностью вниз от номинальной. Теоретические аспекты этого положения и практические подтверждения получены отечественными учёными: Соколовым М.М., Ильинским Н.Ф., Юньковым М.Г., Онищенко Г.Б., Зайцевым А.И., Браславским И.Я., Поздеевым А.Д., Лезновым Б.С., Аракеляном А.К., Шакаряном Ю.Г., Боровиковым М.А., Осиповым О.И., Сарваровым A.C., Муравлёвым О.П. и многими другими.
Однако некоторые вопросы по данной проблеме требуют более глубокой разработки. В частности, математические модели движения материальной среды в трубопроводных магистралях представлены в упрощённом виде и только в статике. Не имеется работ по оценке энергетических потерь в отдельных устройствах комплекса электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль, по выбору оптимальных характеристик устройств, обеспечивающих их совместную работу с минимальными энергетическими потерями при различных способах управления производительностью. Отсутствие уравнений динамики для потоков материальной среды в трубопроводных магистралях затрудняет построение систем управления такими технологическими переменными как производительность, давление в диктующих точках, уровни в ёмкостях, концентрации в смесях и многих других переменных, для которых управлением является расход материальной среды.
Этим же исключается возможность сравнения на уровне математических моделей качества управления той же производительностью турбомеханизмов при различных способах управления. Это же обстоятельство — отсутствие уравнений динамики — создаёт сложности в разработке эффективных алгоритмов самозапуска электроприводов турбомеханизмов при возмущениях в электрических сетях.
Поэтому разработка математических моделей статики и динамики для всех устройств технологического комплекса: электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль и уточнённая оценка на их основе возможного энерго- и ресурсосбережения при использовании автоматизированного электропривода является современной и актуальной.
В первой главе приводятся краткие сведения по турбомеханизмам, их распространённости среди производственных механизмов. Показано, что основным приводом турбомеханизмов является асинхронный электропривод. Общее число асинхронных двигателей, используемых для турбомеханизмов, превышает 60% от всего числа эксплуатируемых асинхронных двигателей, а объём потребления достигает 40% от всей производимой электроэнергии. Приведены функциональные схемы систем управления технологическими переменными, в которых управляющим воздействием является расход (производительность) материального потока. Различие между рассмотренными системами состоит в способе управления производительностью среды. Это может быть способ дросселирования, когда изменяется гидравлическое сопротивление магистрали, метод рециркуляции (байпасирования), когда с помощью регулирующей арматуры изменяются характеристики вспомогательной (обратной) магистрали. Наиболее же перспективным способом управления производительностью является способ с изменяемой частотой вращения турбомеханизма. Эта функция возлагается на регулируемый электропривод. Он представлен асинхронным двигателем, питающимся от преобразователя частоты.
Во второй главе получены математические модели потоков жидкостей для статического и динамического режимов. На основе уравнения статики проанализированы способы управления производительностью. Введено понятие ОЯ-характеристик трубопроводной магистрали. Показано, что управление методом дросселирования связано с формированием искусственных характеристик трубопроводной магистрали. С использованием уравнения статики получено соотношение для коэффициента полезного действия трубопроводной магистрали. Убедительно показано, что метод дросселирования является энергозатратным способом регулирования производительности. Намечены меры, позволяющие увеличить КПД трубопроводной магистрали при полностью открытой трубопроводной арматуре.
На основе уравнения статики с учётом ускорения (замедления) потока получено уравнение динамики движения среды в трубопроводной магистрали. Выполнен анализ характеристик динамической математической модели для частных видов входных воздействий. При произвольном во времени характере входных воздействий уравнение решается только численными методами на ПЭВМ. Приведены примеры расчёта переходных процессов для различного характера входных воздействий. С целью проверки адекватности динамической математической модели потока приведены результаты эксперимента по получению показателей переходного процесса для потока в реальном трубопроводе. Сравнение экспериментальных и расчётных (модельных) графиков показало их хорошую сходимость.
В третьей главе получены и исследованы математические модели наиболее распространённых турбомеханизмов, представленных центробежными и осевыми насосами, вентиляторами и компрессорами. Показано, что мощность, потребляемая турбомеханизмом, зависит от его напора и производительности. Для принятых математических моделей напорных характеристик турбомеханизмов показано, что они имеют точку наиболее энергоэффективной работы. Она соответствует максимальной потребляемой мощности и наибольшему значению КПД турбомеханизма. Обычно это точка (Ж-характеристики соответствует номинальному режиму работы. Напорная характеристика турбомеханизма при номинальной частоте вращения названа нами естественной, а при частотах, отличных от номинальной, искусственными. Разработан простой алгоритм перехода': с естественной на искусственные характеристики. Доказано, что при работе на искусственных характеристиках и отсутствии статического напора КПД турбомеханизма остаётся постоянным и наибольшим, равным КПД . в номинальном режиме работы турбомеханизма.
В четвёртой главе рассмотрены совместные характеристики магистрали и турбомеханизма при наличии статического (встречного) напора различной величины. Оптимизации (минимизации) энергозатрат в турбомеханизме можно добиться при согласовании напорных характеристик магистрали, турбомеханизма и величины статического напора таким образом, чтобы точка пересечения напорных характеристик соответствовала координатам точки наиболее экономичной работы турбомеханизма. Все рассматриваемые величины представлены в относительных единицах. Но даже, несмотря на меры по оптимизации энергозатрат, управление производительностью методом дросселирования связано со значительными энергетическими потерями. Особенно они велики для случая, когда естественная характеристика магистрали выходит из начала координат (отсутствует статический напор). Так, например, общий КПД системы: турбомеханизм-трубопроводная магистраль при уменьшении производительности в 4 раза, по сравнению с КПД при номинальной производительности снижается более чем в 50 раз (точнее 56,6 раза). При тех же условиях, но управлении производительностью изменением частоты вращения этот же КПД остаётся постоянным, равным его значению при номинальной производительности. Это доказано как сравнением мощностей, потребляемых турбомеханизмом при двух способах регулирования производительности, так и величин КПД при соответствующем способе управления.
Наличие статического напора изменяет энергетические показатели процесса транспортирования материальной среды. Увеличивается "полезная" составляющая напора, исходя из этого получено выражение для КПД магистрали, учитывающего величину статического напора и показывающего, что КПД магистрали растёт с увеличением статического напора. Последнее уменьшает эффект энергосбережения от управления производительностью изменением частоты вращения, он тем меньше, чем больше статический напор.
Разработана методика расчёта КПД турбомеханизма в зависимости от производительности для различных величин статического напора при управлении производительностью изменением частоты вращения механизма. Введено понятие среднего значения КПД в заданном диапазоне изменения производительности для рассматриваемых способов управления ею. Оценка энергоэффективности управления производительностью изменением скорости турбомеханизма, полученная на основании сравнения средних коэффициентов, снижает эффект энергосбережения, но всё же он остаётся достаточно высоким. Сравнение таких двух методов управления производительностью турбомеханизмов как дросселирование и байпасирование показывает, что по энергозатратам они почти равноценны, поэтому метод байпасирования вг дальнейшем не рассматривается. Для двух способов изменения производительности турбомеханизмов получены статические характеристики управления, для метода дросселирования они оказались гораздо более, нелинейными, чем характеристики для изменяемой частоты вращения турбомеханизма. В частности, если для первых различие коэффициентов усиления на крайних точках характеристик составляет около 140, то для второго только в 2,5 раза.
В пятой главе изложена методика уточнённого определения величин токов АД и соответственно электрических потерь на основе "Т"-образной схемы замещения. Анализируются другие виды энергетических потерь и способы определения величины электромагнитного момента. Доказано, что КПД АД имеет экстремум, соответствующий нагрузке 0,7-1,0 от номинальной. Если нагрузка АД по сравнению с экстремальной снижается, то можно применить энергосберегающий алгоритм управления формированием величины питающего напряжения по определённым законам. Для закона управления с поддержанием скольжения на уровне оптимального получены количественные оценки величин энергосберегающего управления. С учётом потерь в преобразователе напряжения данный режим энергосберегающего управления целесообразно применять в тех случаях, когда преобразователь необходим в силу технологических причин. Этот же способ управления можно использовать в преобразователях частоты в качестве дополнительной их функции. Показано, что из всех способов управления скоростью вращения АД наиболее естественным и малозатратным по энергетическим потерям является частотный. Для выбранного АД рассчитаны механические характеристики и графики КПД для четырёх ступеней частоты при пропорциональном законе частотного управления. Оценены энергетические показатели преобразователей частоты и получены графики КПД для различных значений частоты питания при пропорциональном законе частотного управления. Рассмотрено относительное изменение КПД частотно-регулируемого электропривода при номинальной нагрузке. Показано, что при частотном управлении АД и значительном изменении нагрузки также целесообразно использовать алгоритм энергосберегающего управления.
В шестой главе произведено сравнение полных энергетических затрат двух способов управления производительностью турбомеханизмов, учитывающее и энергетические потери в самом электроприводе. При этом для метода дросселирования рассматривались потери в АД, а для способа управления производительностью частотой вращения - в электроприводе, то есть в АД и преобразователе частоты. Если для способа дросселирования при четырёхкратном снижении производительности вниз от номинальной момент нагрузки изменяется незначительно (11,5%) и величина КПД остаётся практически постоянной, то при изменении частоты вращения и том же диапазоне производительности момент нагрузки изменяется весьма существенно. В частности, при отсутствии статического напора он уменьшается в 16 раз. Это ведёт к значительному снижению? КПД электропривода (более чем в 2 раза). С ростом же статического напора момент нагрузки увеличивается, и КПД электропривода возрастает.
Исследована зависимость нагрузочного момента от производительности и статического напора. Показано, что с ростом напора зависимость момента от частоты вращения отличается от "вентиляторной". Сравнение энергетических показателей двух способов управления производительностью выполнено для различных величин статического напора. Наибольший энергетический эффект управления частотой вращения отмечается при Нст*-0. На нижней границе рассматриваемого диапазона эта разница достигает 27 кратной. С ростом относительного напора энергоэффективность снижается и, например, при Нст*~®Л5 и производительности <2*=0,25 составляет 2,32 кратную.
Сравнение энергоэффективности двух способов управления производительностью производилось и на основе средних значений КПД в заданном диапазоне изменения производительности, предполагающих равновероятную работу турбомеханизма в каждой точке выделенного диапазона. Хотя здесь результаты сравнения энергетических показателей управления частотой вращения снизились, но тем не менее всё же показывают достаточно высокую энергоэффективность управления производительностью турбомеханизма изменением частоты вращения асинхронного электропривода.
В седьмой главе рассмотрены динамические математические модели систем управления производительностью турбомеханизмов для двух способов управления и технологических переменных, которые непосредственно зависят от производительности. В качестве последней выбрано давление в диктующей точке гидравлической схемы. Обсуждаются варианты математических моделей
АД и преобразователя частоты и произведено сравнение переходных процессов в АД для различных видов математических моделей в динамике. Математическая модель для давления в диктующей точке получена для статики и динамики. На статической модели доказана её работоспособность при отработке возмущений в системе с использованием метода дросселирования и управления производительностью частотой вращения.
Разработана структурная схема системы управления производительностью методом дросселирования и изменением частоты вращения турбомеханизма. Для выбранных параметров оборудования проверена работоспособность систем управления моделированием на ПЭВМ. Показана возможность достижения более высоких показателей качества управления при использовании регулируемого электропривода.
Структурная схема системы управления давлением в диктующей точке также предусматривает два способа возможного управления производительностью. В этом случае способ дросселирования также связан с большой энергозатратностью. Управление производительностью изменением частоты вращения даёт возможность достижения лучшего качества управления.
В восьмой главе на основе полученных математических моделей устройств технологической схемы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль решаются специфические ¿"задачи ресурсосбережения, связанные с самозапуском электроприводов при возмущениях в питающей электрической сети. Отключение электроприводов от сети при кратковременных перерывах электропитания или его существенном снижении приводит к большим экономическим потерям из-за расстройства технологического процесса, возможных аварий и длительного времени восстановления нормального режима. Главная цель самозапуска состоит в том, чтобы при возмущениях в сети запустить наиболее "ответственные" электроприводы без вмешательств обслуживающего персонала. При этом самозапуск должен быть таким, чтобы за время разгона электроприводов не перегрузить питающий трансформатор. Другим ограничением являются показатели технологического процесса, за время возмущения ряд из них не должен опуститься ниже некоторых критических значений, после которых самозапуск не имеет смысла. Эти факторы определяют максимальную длительность возмущений в сети и число электроприводов, допускаемых к самозапуску. Использование математических моделей, в том числе для технологических переменных, даёт полную картину поведения любой величины, как при действии возмущения, так и после восстановления напряжения. На примере установки гидрокрекинга нефти крупного нефтеперерабатывающего завода показано, как можно адаптировать полученные математические модели устройств к рассмотренным условиям технологического процесса. Особое внимание обращено на точную оценку момента сопротивления турбомеханизма во время выбега и после восстановления нормального напряжения. В качестве примера рассмотрена структурная схема динамической системы, состоящей из питающего трансформатора и 11 электроприводов, допускаемых к самозапуску. Для трансформатора, электроприводов и приводимых ими турбомеханизмов на математических моделях исследуются все переменные, как энергетические, так и технологические во время возмущений и после восстановления напряжения. На основе этой информации по выбранным критериям - энергетическим или технологическим - разрабатываются алгоритмы самозапуска. В последних учитывается и вид технических средств самозапуска: активных или пассивных. В работе алгоритмы самозапуска для энергетических критериев рассчитаны на использование как активных, так и пассивных средств. По разработанным методикам выданы рекомендации и последние использованы при проектировании систем самозапуска электроприводов турбомеханизмов 3-х заводов крупной нефтехимической компании. Общее число самозапускаемых приводов составляет 280 единиц.
Направление работ определено:
- Законом Российской Федерации "Об энергосбережении" от 03.04.1996 №28 ФЗ;
- Указом Президента Российской Федерации "Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 года" от 07.05.1995 №472;
- Указом Президента Российской Федерации "О государственном надзоре за эффективным использованием энергетических ресурсов в Российской Федерации" от 11.09.1997 №1010;
- Постановлением Правительства Российской Федерации от 02.11.1995 №1087 "Об энергетической стратегии России";
- Постановлением Правительства Российской Федерации от 13.10.1995 №1006 "О неотложных мерах по энергосбережению";
- Постановлением Правительства Российской Федерации от 17.11.2001 №776 "О Федеральной целевой программе "Энергоэффективная экономика" на 2002-2005 года и на перспективу до 2010 года.
Цель работы состоит в том, чтобы на основе известных и полученных в работе математических моделей устройств технологической схемы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль выявить дополнительные возможности энергосбережения и повышения качества управления в различных режимах и на основе этого предложить методы энерго-и ресурсосберегающего управления такими комплексами. Для решения этой важной научно-технической проблемы необходимо решить следующие задачи: разработать функциональные схемы систем управления производительностью турбомеханизмов при различных методах управления;
- исследовать с позиций управляемости и энергетических затрат математическую модель движения потока жидкостей и газов в трубопроводной магистрали в статике, разработать методику построения искусственных напорных характеристик магистрали, ввести понятие коэффициента полезного действия (КПД) трубопроводной магистрали и определить возможные пути его увеличения;
- получить математическую модель движения потока жидкости в трубопроводной магистрали в динамике и исследовать "временные" характеристики; провести экспериментальную проверку адекватности динамической математической модели реальным процессам в трубопроводной магистрали;
- получить для турбомеханизма аналитическую зависимость напорной характеристики; разработать методику получения искусственных напорных характеристик турбомеханизма и определить характер поведения КПД турбомеханизма при изменении производительности вниз от номинальной для различных значений статического напора;
- исследовать совместные энергетические потери турбомеханизма и трубопроводной магистрали для различных методов управления производительностью турбомеханизма;
- рассмотреть и сравнить энергетические потери при управлении производительностью методом дросселирования и байпасирования с различными уровнями статического напора;
- исследовать энергетические потери в электроприводе при изменении частоты и дать им количественную оценку;
- получить сравнительную оценку полных энергетических потерь с учётом всех устройств технологической схемы преобразователь частоты-асинхронный двигатель-турбомеханизм-трубопроводная магистраль при различных величинах статического напора; разработать структурные схемы систем управления производительностью и давлением в диктующих точках и получить сравнительные показатели качества переходных процессов;
- показать возможность использования структурных схем управления производительностью турбомеханизмов при организации самозапуска электроприводов турбомеханизмов;
- исследовать на ЭВМ характер изменения во времени токов трансформаторов, электродвигателей, скорости вращения электроприводов и технологических переменных — производительности и напора турбомеханизмов при возмущениях в электрической сети и после восстановления нормального режима питания.
Методы исследований: для решения поставленных задач использовались законы электротехники, электромеханики, гидромеханики, методы идентификации, теории автоматического управления, численного решения дифференциальных уравнений с использованием современных программно-математических и технических средств, экспериментальные методы исследования на технологических установках.
Достоверность полученных результатов основана на экспериментальных проверках в производственных и лабораторных условиях, близостью результатов к показателям аналогичных исследований, проведённых по другим методам и другими авторами, вычислительными экспериментами с разработанными математическими моделями систем управления энергетическими и технологическими переменными на ПЭВМ с результатами, не противоречащими нашим экспертным оценкам и оценкам производственного персонала предприятий - энергетиков, технологов, механиков и специалистов по автоматическому управлению производственными процессами.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту.
В диссертационной работе на основе известных и разработанных математических моделей впервые сформулирована и решена проблема уточнённой оценки возможных объёмов энерго- и ресурсосбережения при управлении производительностью турбомеханизмов с использованием автоматизированного электропривода.
1. Предложена математическая модель статического режима движения материального потока в трубопроводной магистрали и способы управления производительностью. Введено понятие коэффициента полезного действия трубопроводной магистрали и предложены методы его расчёта при двух методах управления производительностью и различных величинах статического напора.
2. В результате исследований с позиций управления производительностью математических моделей турбомеханизма и энергетических показателей выведено оптимальное соотношение параметров турбомеханизма и трубопроводной магистрали, обеспечивающих максимальный КПД турбомеханизма.
3. Получены статические характеристики для двух методов управления производительностью турбомеханизмов при различных уровнях статического напора. При изменяемой частоте вращения они гораздо ближе к линейным, чем в методе дросселирования, и обеспечивают потенциально более высокое качество управления в статических и динамических режимах.
4. Получены соотношения для энергетических потерь в электроприводе при различных скоростях вращения и нагрузки и показаны методы управления для их снижения. Получена сравнительная оценка энергетических потерь для двух методов управления производительностью с учётом потерь во всех устройствах технологической схемы - электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль при различных уровнях статического напора; на основе заданного диапазона изменения производительности, статического напора и характеристик исследуемых технологических комплексов разработана методика экспрессной оценки энергоэффективности при управлении производительностью изменением частоты вращения электропривода.
5. Разработаны и исследованы структурные схемы систем управления производительностью и давлением в диктующей точке выбранной гидравлической схемы при двух способах управления турбомеханизмами. Выявлены возможности более высокого качества управления для метода с управляемой частотой вращения.
6. Подтверждена возможность использования математических моделей системы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль для решения специфических вопросов ресурсосбережения, связанных с самозапуском электроприводов при возмущениях в питающей электросети. Разработаны алгоритмы самозапуска электроприводов с использованием "активных" и "пассивных" технических средств.
Практическая ценность работы.
1. Научные положения диссертационной работы позволяют экспрессно оценить возможные объёмы энергосбережения при управлении производительностью частотой вращения для любой реальной системы.
2. Разработанные динамические математические модели для потока материальной среды в трубопроводной магистрали и давления в диктующих точках позволяют исследовать и создавать системы управления этими переменными.
3. Сравнение статических характеристик двух методов управления показывает возможность более высокого качества управления в статике и динамике для метода с регулируемой частотой вращения. Рекомендации по энергосберегающему способу управления тягодутьевыми механизмами котлоагрегатов на базе двухскоростного АД приняты к использованию на одной из крупных региональных ТЭЦ.
4. На нефтеперерабатывающем заводе ряд вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения переведены на управление производительностью с применением частотно-регулируемого электропривода.
5. Математические модели систем управления турбомеханизмами использованы для организации самозапуска электроприводов во время возмущений в электрической сети для трех заводов крупной нефтехимической компании. Схемы самозапуска внедрены на 280 электроприводах.
6. Результаты работы вошли в отчёт по гранту Министерства образования РФ гос. регистр. ВНТИЦ №02.200.1084 2001 г. и в отчёты по хоздоговорным работам с рядом предприятий региона за 2004-2008 гг. Материалы использовались при выполнении НИР по гранту Сороса "Оптический мониторинг процессов горения в крупных котлоагрегатах ТЭС".
7. Результаты работы используются в учебном процессе в преподавании дисциплины "Энергосберегающий электропривод и технологии", разработанной автором, в дипломных проектах студентов и на курсах повышения квалификации работников предприятий в межведомственном региональном центре повышения квалификации при ИрГТУ.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных региональных и Всероссийских конференциях "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" Иркутск ИЛИ (ИрГТУ) с 1990 по 2006 годы; на международной конференции по электромеханике и электротехнологиям МКЭЭ-94, Суздаль 1994; на межвузовской конференции "Оптимизация режимов работы электроприводов", Красноярск, 1994 г.; на I международной (XII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 1995 г.; на II международной (XIII Всероссийской) НТК "Проблемы автоматизированного электропривода", Ульяновск, 1998 г.; на международной НТК "Энергосбережение на рубеже веков", Москва, 1999 г.; на Всероссийской конференции "Электрификация металлургических предприятий Сибири", Томск, 2000 г.; на III международной (XIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001", Нижний Новгород, 2001 г.; на IV международной (XV Всероссийской) конференции "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития", Магнитогорск, 2004 г.; на курсах повышения квалификации инженерно-технических и руководящих кадров в области энерго- и ресурсосбережения при центре энергосбережения ИрГТУ.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 59 печатных работ, в том числе 1 отчёт по гранту Минвуза РФ, 2 учебных пособия с грифом УМО, остальные в виде отчётов, статей и докладов на конференциях.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Работа представлена на 326 страницах, включает 62 таблицы и 71 рисунок, библиографию из 226 наименований.
Заключение диссертация на тему "Методы и технические средства энерго- и ресурсосберегающего управления турбомеханизмами"
Выводы.
1. Регулируемый электропривод для управления производительностью турбомеханизмов помимо энергосбережения может дать целый ряд дополнительных эффектов, объединенных общим названием -ресурсосбережение.
2. Обосновано применение математических моделей электроприводов, турбомеханизмов и потоков материальной среды в трубопроводной магистрали для решения вопросов самозапуска электроприводов технологических установок при возмущениях в электрических сетях.
3. Исследование на ПЭВМ математической модели технологического комплекса трансформатор-электроприводы-турбомеханизмы-трубопровод-ные магистрали позволило выявить поведение во времени всех энергетических и технологических переменных при таких возмущениях в электрической сети как кратковременное снижение напряжения вплоть до полного его исчезновения, вызванных короткими замыканием или другими причинами.
4. Информация о характере поведения энергетических и технологических переменных в процессе возмущения и после восстановления нормального режима в питающей сети является исходной для разработки алгоритмов самозапуска электроприводов технологических установок по выбранным критериям.
5. Разработаны алгоритмы самозапуска с использованием активных и пассивных средств самозапуска. Приоритет в самозапуске электропривода определяется ролью механизма в технологической схеме. По предложенной схеме могут быть разработаны и алгоритмы самозапуска по технологическим критериям, при этом энергетические показатели будут рассматриваться в качестве ограничений.
Заключение.
В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований и промышленного внедрения, направленных на решение важной научно-технической проблемы: на основе математических моделей устройств технологического комплекса электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль произвести оценку возможного энерго- и ресурсосбережения и предложить методы и технические средства для их реализации при управлении турбомеханизмами с применением автоматизированного электропривода.
Материалы, полученные в работе, позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации.
1. Получена математическая модель для потока материальной среды в трубопроводной магистрали для статического режима. Для оценки энергетической эффективности транспортирования потоков среды введено понятие КПД трубопроводной магистрали. Исследование характера КПД для метода дросселирования показало высокую энергозатратность такого управления производительностью. Энергоэффективным методом является управление входным напором трубопровода, которое достигается изменением частоты вращения электропривода турбомеханизма. Даны рекомендации по повышению КПД изменением параметров трубопровода, их использование может в 2-2,5 раза уменьшить энергетические затраты при транспортировании. Разработана методика построения искусственных напорных характеристик магистрали.
2. Экспериментами на промышленном трубопроводе подтверждена адекватность динамической модели потока жидкости реальным процессам в магистрали.
3. Исследованиями математической модели турбомеханизма показано, что имеется область наиболее экономичной работы турбомеханизма, для которой КПД является наибольшим. При переходе на искусственные напорные характеристики турбомеханизма изменением частоты вращения эта область сохраняется.
4. При сравнении совместных энергетических характеристик турбомеханизма и трубопроводной магистрали для двух методов управления производительностью выявлены значительные возможности энергосбережения при управлении изменением частоты вращения турбомеханизма. Энергоэффективность сравнивалась по величинам эквивалентных КПД турбомеханизма и магистрали при соответствующих методах управления. Наибольшее отличие в энергозатратах двух методов управления наблюдается при отсутствии статического напора. С ростом статического напора показатели энергосбережения снижаются.
5. Полученные в работе статические характеристики для двух способов управления производительностью турбомеханизмов при различных относительных значениях статического напора показывают, что для метода дросселирования они существенно нелинейны. В отличие от них эти же характеристики при изменяемой частоте вращения гораздо ближе к линейным и являются идеально линейными при отсутствии статического напора. Отсюда следует, что настройки систем регулирования могут быть выполнены однократно и для всего диапазона изменения производительности. Для метода же дросселирования настройки необходимо менять в зависимости от производительности.
6. Предложен метод минимизации энергетических потерь в АД при изменении нагрузки вниз от оптимальной соответствующим законом формирования подводимого напряжения. Этот же метод предлагается использовать при питании АД от преобразователя частоты в особенности при значительном снижении нагрузки. ;
7. Разработана методика экспрессной оценки возможного объема энергосбережения для технологических комплексов автоматизированный электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль при заданном диапазоне изменения производительности, статического напора и номинальных данных по производительности и напору. Предложен некоторый «средний» режим работы всех турбомеханизмов, который сводится к работе в диапазоне относительной производительности от 1 до 0,5 и относительном статическом напоре 0,25. Переход от дросселирования на управление производительностью частотой вращения позволит в этом случае сэкономить объем электроэнергии, равной 10% от объема вырабатываемой электростанциями РФ. При этом затраты средств на эти энергосберегающие мероприятия будут в 20 раз меньше, чем инвестиции на ввод новых генерирующих мощностей с тем же объемом выработки электроэнергии.
8. Исследование качества регулирования в переходных режимах для структурных схем управления производительностью и давлением в диктующей точке при двух методах управления производительностью турбомеханизмов показывает более высокое качество переходных процессов при управлении частотой вращения турбомеханизмов.
9. Доказана целесообразность использования математических моделей технологической схемы электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль для решения специфических задач ресурсосбережения, связанных с самозапуском электроприводов при возмущениях в электрических сетях. Исследование математических моделей даёт возможность рассчитать характер изменения всех переменных во времени, как энергетических, так и технологических при разнообразных возмущениях в электрических сетях. На основе этих данных разработаны эффективные алгоритмы самозапуска с применением "активных" и "пассивных" технических средств.
10. Схемы самозапуска электроприводов турбомеханизмов внедрены на 13 промышленных установках трех заводов крупной нефтехимической компании. Число электроприводов со схемами самозапуска составляет 280 единиц.
Библиография Гоппе, Гарри Генрихович, диссертация по теме Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1976. — 888 с.
2. Гоппе Г.Г., Алхимов Д.Н. Математическая модель системы управления давлением в диктующей точке гидравлической схемы с использованием метода дросселирования // Сборник научных трудов НГТУ № 1 (34), -Новосибирск, НГТУ, 2008. с. 167-174.
3. Аль-Равашдех А.Я., Гоппе Г.Г. Уменьшение пусковых потерь в электродвигателе постоянного тока формированием закона напряжения // Вестник ИрГТУ № 4 Иркутск, 2006 - с. 41-50.
4. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. М., Л.: ГЭИ, 1963.-772 с.
5. Андриенко В.М., Клингер К. Исследование параметров управляемых асинхронных двигателей // Электричество №8, 2006 — с. 41-44.
6. Аракелян А.К., Шепелин A.B. К динамике режимов пуска и останова турбомеханизмов // Электричество № 8, 1998 с. 35-42.
7. Аракелян А.К. Шепелин A.B. Системы автоматического управления электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы // Электричество № 4, 2000 с. 37-45.
8. Аракелян А.К. Шепелин A.B. Способы построения систем автоматического управления электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы // Электротехника № 2, 2001 с. 35-40.
9. Аржаников Н.С. Мальцев В.Н. Аэродинамика. М.: Оборонгиз, 1952 -480 с.
10. Балышев O.A., Таиров Э.А. Анализ переходных и стационарных процессов в трубопроводных системах (теоретические и экспериментальные аспекты). Новосибирск: Наука, 1998 - 176 с.
11. Белянин И.В. Математическое моделирование преобразователей частоты на запираемых тиристорах. Автореферат кандидатской диссертации. Нижний Новгород, 1993 18 с.
12. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. С-П.: Профессия, 2003 - 749 с.
13. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1988 - 224 с.
14. Браславский И.Я. и др. Асинхронный электропривод с тиристорными преобразователями напряжения (современное состояние разработок). — М.: Информэлектро, 1989 — 55 с.
15. Браславский И .Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Адаптивная система прямого управления моментом асинхронного двигателя // Электротехника №11, 2001 с. 19-23.
16. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: ACADEMA, 2004. - 249 с.
17. Браславский И.Я., Плотников Ю.В. Математические модели для определения энергопотребления различными типами асинхронных электроприводов и примеры их использования // Электротехника № 51, 2005-с 14-18.
18. Бродский В.З., Горский В.Г. Симплексный метод планирования экстремальных экспериментов // Заводская лаборатория, 1965, т. 31, 7 — с. 831.
19. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Наука, 1966-300 с.
20. Велихов Е.П., Кадомцев Б.Б., Орлов В.В. Термоядерный синтез и атомная энергетика // Теплоэнергетика № 11, 1977 с. 59-66.
21. Веников В.А., Путятин Е.В. Введение в специальность. М.: Высшая школа, 1988-312 с.
22. Веретенников Л.П., Вилесов Э.В. К вопросу о различном написании дифференциальных уравнений Парка-Горева // Электричество № 11, 1959 с. 37-42.
23. Виноградов А.Б. Учет потерь в стали, насыщения и поверхностного эффекта при моделировании динамических процессов в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе // Электротехника № 5, 2005 с 57-62.
24. Войкунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1982 - 455 с.
25. Вольдек А.И. Электрические машины. JL: Энергия, 1978 — 832 с.
26. Воронов A.A. Теория линейных систем автоматического управления. — М.: Высшая школа, 1986 386 с.
27. Востриков A.C. Синтез систем регулирования методом локализации. — Новосибирск, 2007 252 с.
28. Высоковольтные преобразователи частоты JI-Старт. Руководство по эксплуатации. М.: 2008 - 99 с.
29. Гамазин С.И. Самозапуск электрических двигателей. М.: МЭИ, 1979 — 68 с.
30. Гамазин С.И., Садыкбеков Т.А. Переходные процессы в системах электроснабжения с электродвигательной нагрузкой. — Алма-Ата: «Гылым», 1991 -302 с.
31. Гамазин С.И., Пупин В.М., Марков Ю.В. Динамические компенсаторы искажений напряжения как способ повышения эффективности работы потребителей при нарушениях электроснабжения // Главный энергетик №6, 2006-с. 24-29.
32. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0. С-П.: КОРОНА принт, 2001 - 320 с.
33. Глюза А.Т. и др. Тепловые и атомные электрические станции. Минск: Вышейшая школа, 1991 - 336 с.
34. Голоднов Ю.М., Хоренян А.Х. Самозапуск электродвигателей. М.: Энергия, 1974 - 144 с.
35. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. — М.: Энергоатомиздат, 1985-187 с.
36. Гоппе Г.Г., Колесников A.B. Исследование алгоритма автоматической оптимизации каскадной системы регулирования // Труды НТК «Электроизоляционная и кабельная техника. Промышленная электротехника». Иркутск: ИЛИ, 1973 - с. 185-192.
37. Гоппе Г.Г. Математическая модель расхода потоков жидкостей в трубопроводах как звено САР // Автоматизация химических производств, НИИТЭХИМ №4 Москва, 1973 - с. 32-43.
38. Гоппе Г.Г. Исследование непосредственного цифрового управления потоками жидкостей в химико-технологических процессах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Томск, 1973-21 с.
39. Гоппе Г.Г., Степанов А.П. Приближенное математическое описание потоков газообразных продуктов в трубопроводах как звена САР // Сборник трудов ИЛИ «Автоматическое управление и контроль», -Иркутск, ИЛИ, 1974 с. 28-33.
40. Гоппе Г.Г. Синтез регуляторов электроприводов методами самонастройки // Материалы НТК «Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности», Томск, ТПИ, 1986 - с. 9-10.
41. A.C. № 1654784 СССР, МКИ G 05 D 1/02 Устройство для управления транспортным средством / В.Г. Рудых, Г.Г. Гоппе (СССР). № 4708852; заявлено 10.04.89; опубл. 07.06.91. Бюлл. № 21. - 6 с.
42. Гоппе Г.Г. Асинхронный вентильный каскад, инвариантный к статической нагрузке // Сборник материалов региональной НТК «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, ИЛИ, 1993 — с. 31-32.
43. Гоппе Г.Г., Беркин Г.С. Пусковые потери в электроприводах мельниц-вентиляторов ТЭС // Сборник материалов региональной НТК «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», часть 1. Иркутск, ИрГТУ, 1994 - с. 10-11.
44. Гоппе Г.Г., Беркин Г.С. Электропривод мельниц-вентиляторов ТЭС с индукционными реостатами в цепи ротора // Сборник материалов I Международной конференции по электромеханике и электротехнологиям МКЭЭ-94, Суздаль, 1994 - с. 45.
45. Гоппе Г.Г., Беркин Г.С. Исследование пусковых режимов электроприводов мельниц-вентиляторов ТЭС // Межвузовский сборник «Оптимизация режимов работы электроприводов», Красноярск, КрГПУ, 1994-с. 28-32.
46. Гоппе Г.Г., Боровский A.B. Система управления положением факела в топке котельного агрегата вихревого типа. — Москва-Иркутск: «Видеоэнергодиагностика», 1995 -32 с.
47. Гоппе Г.Г., Хуссейн X. Математическая модель объемной производительности экструдера // Сборник материалов региональной НТК «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, ИрГТУ, 1998 - с. 31-32.
48. Гоппе Г.Г., Константинов Г.Г. Энергосберегающий электропривод для механизмов с широким изменением производительности вниз от номинальной // Энергосбережение № 4 Ульяновск, УГТУ, 1998 - с. 7375.
49. Гоппе Г.Г., Дунаев М.П., Павлов В.Е. Энергосберегающие технические решения при реализации физических моделей электромеханических систем в условиях учебных лабораторий // Вестник ИрГТУ № 2 — Иркутск, 1998 с. 55-60.
50. Гоппе Г.Г. Исследование временных характеристик транспортирования жидкости и газа по трубопроводам // Сборник материалов региональной НТК «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, ИрГТУ, 1999 - с. 32-34.
51. Гоппе Г.Г. Иркутская область возможности энергосбережения при использовании ресурсов электропривода // Сборник материалов НТК «Энергосбережение на рубеже веков», - Москва, 1999, издательство «Русдем» - с. 45-46.
52. Гоппе Г.Г., Федорова З.А. Алгоритмы и программы численных методов решения задач САУ на ПЭВМ. Учебное пособие с грифом УМО. -Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2001 152с.
53. Гоппе Г.Г., Федорова З.А. Моделирование электроприводов на ПЭВМ. Учебное пособие с грифом УМО. Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2001 — 268с.
54. Гоппе Г.Г., Мелхем Белал. Энергосберегающий режим управления асинхронным электроприводом // Сборник научных трудов факультета кибернетики. Выпуск 5. Иркутск, ИрГТУ, 2003 - с. 33-41.
55. Гоппе Г.Г., Хуссейн Хишам. Обеспечение инвариантности в управлении одним классом объектов // Сборник научных трудов факультета кибернетики. Выпуск 5. Иркутск, ИрГТУ, 2003 - с. 42-48.
56. Гоппе Г.Г., Федорова З.А. Моделирование жестких динамических систем явным методом с переменным порядком точности // Сборник научных трудов факультета кибернетики. Выпуск 5. — Иркутск, ИрГТУ,2003 с. 49-59.
57. Устройство для электрического отжига алюминиевой проволоки, совмещенного с процессом наложения изоляции // Луконин A.A., УцынА.Н, Гончаренко С.П., Гоппе Г.Г. Решение о выдаче патента на полезную модель от 26.08.2009 на заявку № 20091301197/22 (042089).
58. Гоппе Г.Г. Снижение энергетических потерь в трубопроводных магистралях при транспортировании жидкостей и газов // Энергосбережение и водоподготовка № 1 (47), Москва, 2008 с. 68-71.
59. Гоппе Г.Г. Сравнительная оценка энергетических потерь в турбомеханизмах при двух способах управления их производительностью // Энергосбережение и водоподготовка № 1 (59), Москва, 2009-с. 49-51.
60. Гоппе Г.Г. Сравнение совместных энергетических потерь в технологическом комплексе турбомеханизм-трубопроводная магистраль при двух способах управления его производительностью // Научный вестник НГТУ № 1 (34). Новосибирск, НГТУ, 2009 - с. 167-174.
61. Гоппе Г.Г., Герасимов Д.О. Энергосберегающее управление тягодутьевыми механизмами котлоагрегагатов тепловых электрических станций с использованием ресурсов электропривода // Информатика и системы управления № 1 (19). Благовещенск, 2009 - с. 136-145.
62. Гоппе Г.Г., Луконин A.A. Моделирование и управление технологическим процессом отжига в производстве алюминиевой проволоки // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал ИрГУПС № 1 (21). Иркутск, 2009 - с. 23-27.
63. Гоппе Г.Г. Алгоритм энергосберегающего управления асинхронным двигателем (АД) при изменении нагрузки вниз от оптимальной // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал ИрГУПС № 2 (22). Иркутск, 2009 - с. 137-143.
64. Грейвулис Я.П., Рыбицкий Л.С. Тиристорный асинхронный электропривод для центробежных насосов. Рига: «Зинатне», 1983 - 218 с.
65. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MatLab. С-П: «Питер», 2000-430 с.
66. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. — JL: Машиностроение, 1969 886 с.
67. Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. — JL: Машиностроение, 1987 518 с.
68. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости. М.: Наука, 1979 - 536 с.
69. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1984-384 с.
70. Доллежаль H.A., Емельянов И .Я., Опыт создания мощных энергетических реакторов в СССР. М.: Атомная энергия, 1976, Т. 40, вып. 2.
71. Дудников Е.Г. и др. Построение математических моделей химико-технологических объектов. Л.: Химия, 1970 - 215 с.
72. Дудников Е.Г. и др. Автоматическое управление в химической промышленности. М.: Химия, 1987 - 368 с.
73. Дьяконов В.П. MatLab 6/6. 1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. М.: Солон-пресс, 2004 - 764 с.
74. Емельянов А.И., Емельянов В.А. Исполнительные устройства промышленных регуляторов. М.: Машиностроение, 1975 - 224 с.
75. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987-437 с.
76. Жимерин Д.Г. Проблемы развития энергетики. М.: Энергия, 1978 -289 с.
77. Зайцев А.И. Теоретические и экспериментальные исследования импульсных систем регулирования электроприводов постоянного тока. Автореферат докторской диссертации. Томск, 1966 - 38 с.
78. Зайцев А.И., Сандалов В.В. Энергосберегающие аспекты частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов // Электротехника № 1,2000-с. 15-17.
79. Зайцев А.И., Пустовалов В.А. Энергосберегающие источники постоянного тока на базе управляемых источников постоянного тока. -Воронеж: ВГТУ, 2003 210 с.
80. Идельчик И.Е.Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1975 384 с.
81. Ильинский Н.Ф. Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов // Труды научно-технического семинара «Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов в промышленности и коммунальном хозяйстве». М.: МЭИ, 1995 - с. 3-4.
82. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в центробежных машинах средствами электропривода // Вестник МЭИ № 1, 1995 с. 53-62.
83. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. Учебное пособие для вузов. М.: МЭИ, 2000 164 с.
84. Ильинский Н.Ф., Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе. — М.: Высшая школа, 1989 128 с.
85. Интернет-сайт http://www.eia.doe.gov
86. Интернет-сайт http://www.rao-ees.ru. Последние пресс-релизы РАО «ЕЭС России» от 29.05.2006.
87. Интернет-сайт http://www.promimport.ru
88. Казакович В.В. Автоколебания в компрессорах. — М.: Машиностроение, 1974 — 225 с.
89. Казинер Ю.Я., Попов A.A. Расчет регулирующих органов для управления потоком среды // Приборы и системы управления № 9, 1970 -с. 25-27.
90. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических системах, содержащих вращающиеся машины переменного тока // Электричество №2, 1951-с. 71-73.
91. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985 -560 с.
92. Ключникова Г.А. Энергетическая оптимизация режимов работы электроприводов насосной станции. Автореферат кандидатской диссертации. М.: МЭИ, 2000 - 20 с.
93. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока (перевод с немецкого). М. П.: Госэнергоиздат, 1963 - 735 с.
94. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. С-П: Энергоатомиздат,. 1994 - 496 с.
95. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. С-П: Электротехническая компания, 2004 - 127 с.
96. Контролер магнитного пускателя КМП-3. Техническое описание. -Томск, 2004-31 с.
97. Копылов И.П. Электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1986 -360 с.
98. Копылов И.П. Справочник по электрическим машинам. М.: Энергоатомиздат, 1988-455 с.
99. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. — М.: Энергия, 1973 400 с.
100. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. Учебник для вузов, 2-е изд-е. — М.: Высшая школа, 1994 318 с.
101. Костенко М.П. Электрические машины. М.: ГЭИ, 1944 - 815 с.
102. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины, 2.1. -JL: Энергия, 1972 543 с.
103. Костенко М.П. Электрические машины. Специальная часть. М.: ГЭИ, 1949-650 с.
104. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. Учебник в 2-х частях, часть 2. М.: Физматгиз, 1963 - 727 с.
105. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии ИА. Справочник. — М.: Энергоиздат, 1982 504 с.
106. Лазарев Г.Б., Новаковский А.Н., Ломакин Б.В., Захарченков A.B. Частотно-регулируемые электроприводы в собственных нуждах ТЭЦ-26 Мосэнерго // Электрические станции № 3 — с. 25-30.
107. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиздат, 1991 — 144 с.
108. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. -М.: ИК «Ягорба» Биоинформсервис, 1998 - 181 с.
109. Литвак В.В. Основы регионального энергосбережения. Научно-технические и производственные аспекты. Томск: Изд-во НТЛ, 2002 -298 с.
110. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003 -840 с.
111. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы. М.: Машиностроение, 1966 - 364 с.
112. Лукас В.А. Теория автоматического управления. М.: Недра, 1990 -415 с.
113. Малющенко В.В., Михайлов А.К. Энергетические насосы. Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1981 - 200 с.
114. Малющенко В.В. Динамические насосы. Атлас. М.: Машиностроение, 1984 - 85 с.
115. Матвеев Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Высшая школа, 1967 - 564 с.
116. Материалы фирмы Power Boss (пер. с англ.), 1995 89 с.
117. Мелентьев Л. А., Макаров A.A., Иванов A.B. Политика бережливости. -М.: Советская Россия, 1982 — 79 с.
118. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. — М.: Наука, 1985 183 с.
119. Михайлов А.К., Малющенко В.В. Лопастные насосы. М.: Машиностроение, 1977 - 288 с.
120. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1986 416 с.
121. Мотыгина С.А. Эксплуатация электрической части тепловых электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1986 — 416 с.
122. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные информационно-управляющие системы. Иркутск: ИрГУПС, 2004 - 404 с.
123. Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств. Иркутск: ИрГУПС, 2009-159 с.
124. Непорожний П. С., Обрезков В.И. Гидроэнергетика. М.: Энергоатомиздат, 1982 - 304 с.
125. Нисман Л.Н., Ишкина Д.М., Баркан Б.Н. Выбор размеров исполнительных устройств для систем автоматического регулирования. -М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1971-46 с.
126. Новая энергетическая политика России / под ред. Шафраника Ю.П. -М.: Энергоатомиздат, 1995-512с.
127. Новости энергетики // Главный энергетик № 11, 2005 с. 3.
128. Носов К.Б., Дворак Н.М. Способы и средства самозапуска электродвигателей. -М.: Энергоатомиздат, 1992 139 с.
129. О сущности и основных проблемах энергетической безопасности России. Н.И. Воропай, С.М. Клименко, С.М. Криворукий // Изв. РАН. Энергетика, № 6, 1996.
130. Панько М.А. Расчет и моделирование автоматических систем регулирования в среде Mathcad. Учебное пособие. М.: МЭИ, 2001 - 92 с.
131. Петров Л.П. и др. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1986 - 199 с.
132. Петросьянц A.M. Атомная энергетика. М. : Наука, 1976 - 318 с.
133. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1976 - 318 с.
134. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в химической промышленности. М.: Химия, 1982 - 296 с.
135. Поспелов Г.С., Доброленский Ю.П. Метод стандартных коэффициентов для выбора параметров линейных систем автоматического регулирования // Сборник статей по автоматике и электротехнике. изд-во АН СССР, 1956 - 53-61 с.
136. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. М.: Изд-во иностранной литературы, 1949 - 520 с.
137. Пупков К.А. и др. Методы классической и современной теории автоматического управления. Учебник в трех томах. Том 2. Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000 - 736 с.
138. Пустовалов В.А. Разработка и исследование энергосберегающего автоматизированного комплекса электрохимической активации. Автореферат кандидатской диссертации. Воронеж, 2004 - 17 с.
139. Пустовойт Б.М. Механика движения жидкости в трубах. Л.: Недра, 1971 -375 с.
140. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Машгиз, 1960 683 с.
141. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины. Асинхронные машины. М.: Высшая школа, 1988 - 328 с.
142. Рамазанов И.М., К совершенствованию методов исследования и расчета асинхронных электродвигателей // Электротехника № 4, 2004 -с. 16-19.
143. Реле повторного пуска Pill 1-2. Техническое описание. Томск, 2004 - 9 с.
144. Решмин Б.И. Уточненная модель асинхронного двигателя как объект построения систем управления // Электротехника № 7, 2005 — с. 14-19.
145. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. — М.: Мир, 1980 616 с.
146. Рудаков В.В., Столяров Н.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. — Л.: Энергоатомиздат, 1987 -136 с.
147. Самарский A.A., Герасимов Б.П., Мажукин В.И. Математическое моделирование новая методология научных исследований. - М.: Изд-во МЭИ, 1990-33 с.
148. Самарский A.A. Вычислительный эксперимент в задачах технологии // Вестник АН СССР № 3, 1984 с. 77-88.
149. Сарваров A.C. Энергосберегающий электропривод вентиляторных механизмов по системе НПЧ-АД с программным формированием напряжения. Автореферат докторской диссертации. Челябинск, 2002 -36 с.
150. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Учебник. Т. 1. М.: Наука, 1970-492 с.
151. Сидоров М.Д. Справочник по воздуходувным и газодувным машинам. М.: Машгиз, 1962 - 260 с.
152. Сипайлов Г. А., Лоос A.B. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высшая школа, 1980 176 с.
153. Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов. М: Энергия, 1976 - 488 с.
154. Соловьев В.А. Управление тепловыми и энергетическими процессами на основе нечетной логики. Автореферат кандидатской диссертации. Томск, 2004 - 36 с.
155. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985 - 536 с.
156. Соломахова Т.С. и др. Центробежные вентиляторы. М.: Машиностроение, 1975-405 с.
157. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.: Машгиз, 1960 -320 с.
158. Степанов B.C., Степанова Т.Б. Потенциал и резервы энергосбережения в промышленности. Новосибирск: Наука, 1990 - 248 с.
159. Страны мира. Статистический справочник ООН. М.: Весь Мир, 2001-239 с.
160. Страны мира. Статистический справочник ООН. М.: Весь Мир, 2003-239 с.
161. Стырикович М.А., Шпильрайн Э.Э. Энергетика, проблемы и перспективы. М.: Энергия, 1981-191 с.
162. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. -M.-JL: ГЭИ, 1963 528 с.
163. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.: Наука, 1984 - 814 с.
164. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью (пер. с англ.). М.: Лаборатория базовых знаний, 2001 - 616 с.
165. Фираго Б.И. Непосредственные преобразователи частоты в электроприводе. Минск: Изд-во «Университетское», 1990 - 254 с.
166. Фельдбаум A.A., Бутковский А.Т. Метод теории автоматического управления. -М.: Наука, 1971 743 с.
167. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. — М.: Наука, 1977-559 с.
168. Черкасский В.М., Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергоатомиздат, 1984 - 416 с.
169. Чиликин М.Г., Сандлер A.C. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981 -576 с.
170. Шакарян Ю.Г., Ильинский Н.Ф Создание и внедрение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) в ТЭК и коммунальном хозяйстве. Инструкция, утвержденная Минтопэнерго РФ 19.12.1995 11 с.
171. Шерстюк А.Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Высшая школа, 1972-342 с.
172. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. -Екатеринбург: УРО РАН, 2000 654 с.
173. Штейнберг Ш.Е. Промышленные автоматические регуляторы. М.: Энергия, 1973 - 568 с.
174. Энергетическая безопасность России // В.В. Бушуев, Н.И. Воропай и др. Новосибирск: Наука, 1998 - 302 с.
175. Энергосберегающие технические решения в электроприводе // Колл. авторов под. ред. Горнова. М.: Изд-во МЭИ, 1991 - 56 с.
176. Энергетика в России и в мире. Проблемы и перспективы. Аналитический доклад. Москва-Маик: Наука/Интерпериодика, 2001 -21 с.
177. Энергосберегающий автоматизированный привод насосных агрегатов. Материалы фирмы «Приводная техника». 55 с.
178. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. 3-е изд-е. С-П: БХВ-Петербург, 2007 - 532 с.
179. Янко-Триницкий A.A. Уравнения переходных электромагнитных процессов асинхронного двигателя и их решения // Электричество № 3, 1951-с. 18-25.
180. Яременко О.В. Испытания насосов. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1976-225 с.
181. A.C. Technology Anticipated to Boost Sales in Variable Speed Drives Market // EPE Journal № 2. vol. 6,1996 p. 7-8.
182. Berge R.D., Halle H., Reiche H. Antriebsgereche Motorenauswahl mittels klienrechner // Elecktric № 2 (40), Berlin, 1986 s. 48-50.
183. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientierung die Grundlage fur Transvertor Regelung von Drehefeldmaschinen // Siemens Zeitschrift. 1971. Bd. 45. H. 10.-s. 761-764.
184. Box G., Wilson K. On the Experimental Attginement of Optimum Conditions // Journal of the Royal Statistical Society № 1, Series B, Vol. 13, 1951 p. 39-42.
185. Davies W., Fishwick W. The Syntesis of Dynamical Models of Plants and Processes // Proc. U.K.A. Convention on Recent Advances in Automatic Control, Nottinhem, 1965 - p. 105-109.
186. Gupta S., Ross C. Simulation evaluation of digital control system // ISA, Transactions, Vol. 3, № 3, 1964 p. 271-279.
187. Greenwood P.B. Energy efficient motors // Proc. Inst. Eur. conf. Elec. Drives (Mot.) Constr. 82, heeds, 29, June-July, 1982, Steverage: New York, 1982.-p. 8-14.
188. Energy factors the selection of electric motors // Elec. Constr. and Maint, Vol. 78, № 2, 1979 p. 70-72.
189. Fieberg D. Stellglieder und Stellantriebe in der Verfahrenstechnik // Automatik № 12, 15, 1970-s. 21-24.
190. Fitzgerald T. Poles and zeroes in periferals // Comput. Design № 7, 1968, 7-p. 41-42.
191. Häusserman G. Hub und Fahrentriebe fur Hochregallger // Fördertechuik № 9, 54, 1985 s. 19-23/
192. Heumann K. Trends in semiconductor devices and impact on power electronics electric drives // International Conf. "Power electronics motion control". Conference publication. Vol. 2. - Warsaw, 1994 - p. 1288-1299.
193. Himsworth F. Empirical methods of optimizations // Transactions of the Institution of Chem. Eng. № 6, Vol. 40, 1962 p. 139-142.
194. Holzer R. Antriebstechnik Stand, Trends, Ent-wicklungen und Auswirkungen // Technica № 7, 33, 1984 - s. 19-24/
195. Shönfeld R. Digitale Regelung elektrischer Antriebe. Berlin: Verl. Technik, 1987-210 s.
196. Schwarz H.G. Stromgespeiste Antriebe Reifen Energie Sparen // Elektrotechn № 15, 102, 1981 -s. 28-29.
-
Похожие работы
- Разработка и исследование систем и алгоритмов управления синхронным частотно-регулируемым электроприводом турбомеханизмов
- Разработка и исследование энергосберегающего частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов
- Объектно-ориентированный частотно-регулируемый асинхронный электропривод турбомеханизмов
- Исследование динамических режимов и разработка САР электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы
- Разработка метода, алгоритмов, программ косвенного контроля момента и диагностики синхронного электродвигателя центробежного турбомеханизма
-
- Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
- Теория систем, теория автоматического регулирования и управления, системный анализ
- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
- Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)
- Управление в биологических и медицинских системах (включая применения вычислительной техники)
- Управление в социальных и экономических системах
- Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
- Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
- Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
- Системы обработки информации и управления
- Вычислительные машины и системы
- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)
- Теоретические основы информатики
- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- Методы и системы защиты информации, информационная безопасность