автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности циркуляционных систем горячего водоснабжения средствами регулируемого электропривода

На правах рукописи

004603233

ШТИН ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ СРЕДСТВАМИ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ИЮН 2010

Москва 2010

004603233

Работа выполнена в ГОУ ВГЮ «Московский энергетический институт (технический университет)».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Сергиевский Юрий Николаевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, проф.

Красовский Александр Борисович

кандидат технических наук, доцент Головенкин Александр Николаевич

Ведущая организация ОАО «Электропривод»

Защита диссертации состоится "18" июня 2010 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан " "___2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 канд.техн.наук, доцент

Цырук С.А.

Актуальность темы

Системой централизованного горячего водоснабжения (ГВС) в России оборудовано 65% всех жилых и общественных зданий. Как правило, нагрев воды и её транспортировка к потребителю осуществляется оборудованием, устанавливаемым в тепловых пунктах, общее число которых составляет в стране порядка 23 тыс.

Энергосбережение на тепловых пунктах осуществляется различными способами, в том числе и средствами регулируемого электропривода. Так, начиная с 90-х годов внедрение регулируемого электропривода хозяйственно-питьевых насосов, позволило стабилизировать напор в системе водоснабжения и существенно снизить потребление электрической энергии. Другой электропривод — циркуляционных насосов горячего водоснабжения — оставался нерегулируемым, что аргументировалось малой мощностью электродвигателя и, соответственно - сберегаемой электроэнергии. При этом возможности экономии тепловой энергии не уделялось должного внимания.

В диссертационной работе исследуется и реализуется возможность существенного снижения тепловых потерь (потребления тепловой энергии) в системе ГВС путем разработки алгоритма управления электроприводом насоса, создающего циркуляцию в этой системе. Таким образом, открывается новая, ранее не исследованная и перспективная зона внедрения регулируемого электропривода.

Массовое применение такого энергосберегающего электропривода позволило бы остановить рост тарифов на горячую воду, а также снизить дефицит тепловой энергии в городах. Изложенное позволяет считать тему диссертации весьма актуальной.

Цель диссертационной работы - комплексное энергосбережение в системе горячего водоснабжения зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1. Анализ электроприводов и систем горячего водоснабжения на центральных тепловых пунктах с выявлением особенностей технологических схем и уточнением номенклатурного ряда электроприводов насосов.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности экономии тепловой и электрической энергии как нового направления энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве города.

3. Разработка математической модели системы горячего водоснабжения, позволяющей исследовать режимы тепло- и водоснабжения с учетом

особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов.

4. Разработка алгоритма управления электроприводом циркуляционного насоса с учетом необходимых ограничений, предотвращающих снижение качества тепло- и водоснабжения.

5. Внедрение регулируемого электропривода циркуляционного насоса на действующих объектах теплоэнергетики и экспериментальное подтверждение эффективности разработанного алгоритма.

Методы исследований

В работе использованы базовые методы теории автоматизированного электропривода, систем управления электроприводом, моделирования в технике и теоретических основ теплотехники.

Исследование осуществлялось как в программной среде System View, предназначенной для моделирования физических объектов, так и экспериментальное - на тепловых пунктах г. Москвы.

Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий осуществлялась посредством статистического анализа.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Теоретически и экспериментально выявлена новая зона экономии тепловой и электрической энергии, расходуемых на горячее водоснабжение зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.

2. Разработана адекватная математическая модель системы горячего водоснабжения, пригодная для исследования режимов тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов.

3. Разработан и экспериментально подтвержден алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса, обеспечивающий экономию тепловой и электрической энергии без снижения комфортности тепло- и водоснабжения.

Практическая ценность работы

Основные научные результаты диссертации использованы при модернизации объектов теплоэнергетического хозяйства Московской объединенной энергетической компании и могут быть применимы во всех крупных городах России ввиду принципиального сходства централизованных систем тепло- и водоснабжения.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника н энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2009 г.) и на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ (ТУ).

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 3 печатных трудах (в том числе в 2-х рецензируемых научных журналах, рекомендуемых Высшей Аттестационной Комиссией Министерства Образования России), защищено 2-мя патентами Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименований. Ее содержание изложено на 142 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков, 24 таблицы и 3 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика системы ГВС зданий, обосновывается необходимость исследований, направленных на повышение эффективности её работы средствами регулируемого электропривода, осуществляется постановка целей и задач диссертационной работы.

В первой главе показана актуальность и эффективность проводимых мероприятий по ресурсосбережению в системах централизованного тепло- и водоснабжения за счет применения регулируемого электропривода, а также определена зона, на которую распространяется действие регулируемого электропривода циркуляционных насосов ГВС [1].

В условиях больших тепловых потерь в коммунальных сетях, острого дефицита тепловой энергии в городах и, как следствие, высоких тарифов на услуги тепло- и водоснабжения зданий, наиболее целесообразным способом повышения эффективности централизованных систем является развитие энергосбережения на этапах транспортировки тепловой энергии в ЖКХ.

Зона энергосбережения в системе ГВС средствами регулируемого электропривода ранее не рассматривалась по следующим причинам:

• небольшая экономия электроэнергии ввиду малой мощности электроприводов (единицы кВт);

• возрастание удельной стоимости преобразователей частоты при уменьшении мощности;

• отсутствие обоснования экономии тепловой энергии средствами регулируемого электропривода;

• дискредитация энергосберегающих мероприятий нерациональными алгоритмами управления электропривода насоса ГВС.

С целью получения общей оценки существующей ситуации в системе ГВС автором было проведено исследование более тысячи ЦТП г. Москвы, результаты которого показали:

1. Около 80% всех обследованных ЦТП осуществляют водоснабжение зданий горячей водой по циркуляционной схеме, а 20% - по циркуляционно-повысительной.

2. Основное применение получили электроприводы мощностью до 3 кВт в циркуляционной схеме и 7,5 кВт в циркуляционно-повысительной (рис. 1).

пб)"

ч Количеств ЦТП, %

\ Количество

цт] I, % 45 1

л

<1 1 1.1 1,5 2,2 3 4 5,5 1,5 ¡1 15 кВт <1 1 1,1 1,5 2.2 3 4 5,5 7,5 11 15 кВт

Рис. 1 - Распределение электроприводов циркуляционных насосов по мощности в системе ГВС: а) циркуляционная схема; б) циркуляционно-повысительная схема

3. Как правило, при проектировании используются однотипные электроприводы циркуляционных насосов без учета конкретных особенностей гидросхем и режимов теплопотребления.

4. При включении электропривода насоса ГВС по циркуляционно-повысительной схеме почти 60% всех обследованных ЦТП не удовлетворяют комфортному водоснабжению по напору (рис.2).

Рис. 2 - Распределение тепловых пунктов по разности напоров в циркуляционно-повысительной схеме

Проведенный анализ позволил сделать вывод и обосновать рассмотрение в диссертационной работе циркуляционных схем ГВС.

Во второй главе анализируется влияние угловой скорости электропривода циркуляционного насоса, расхода горячей воды потребителями, температуры наружного воздуха и протяженности трубопровода на тепловые потери и теплопотребление в системе ГВС [2].

На рис. 3 показана упрощенная циркуляционная схема системы ГВС, полученная с учетом обоснованных и принятых в работе допущений:

I. Циркуляционный контур с множеством параллельных циркуляционных колец приводится к контуру с одним эквивалентным кольцом.

Л. ГДиркуляЦхЮнныи контур с зквквале:гтггым кольцом разбивается на напорный и обратный трубопровод различной протяженности.

3. Температура окружающей среды варьируется для напорного и обратного трубопровода и на всех участках каждого принимается одинаковой.

4. Теплоизоляция труб принимается выполненной по СНиП на всем протяжении трубопроводов (оголенные участки отсутствуют).

5. Динамические процессы при пуске электропривода насоса не учитываются.

В такой системе преобразование тепловой энергии осуществляется следующим образом: вода с расходом (2гвс> забираемая из городского водопровода, под давлением поступает в теплообменник ¡-ой ступени, где подогревается и далее смешивается с водой из обратного трубопровода с расходом Qam, созданным электроприводом насоса ГВС. Температура и давление обратной воды обозначены как Го06о и Яабр. Далее вода с расходом (£?гвс+{?цирк) нагревается до заданной температуры Гг°вс в теплообменнике

2-ой ступени за счет регулирования расхода первичного теплоносителя, после чего под давлением ЯГВс подается в дома.

Интенсивность движения воды в трубопроводах задается потребителем, обеспечиваясь электроприводами насосов ХВС и ГВС. При транспортировке от ЦТП к водоразборным кранам нагретая вода отдает часть своего тепла окружающему трубопроводы воздуху, нагревая тем самым помещения, в которых они проложены. Температура у водоразборных кранов задается температурой нагрева в ЦТП и меняет свое значение в зависимости от величины тепловых потерь.

Система уравнений, отражающая взаимосвязь тепловых потерь, потребляемой тепловой мощности и температуры воды у водоразборных кранов с циркуляционным расходом б систсмс, имеет слсдующии вид;

глр - (7ГВС~Г°) 1пап (<2гвс+(?цирк)0'8 ТЛаП~ Ящп + Дгнап «ГВС+Оцирк)0'8 т0-т0 3600 АРт.нап

Ж ГВС стрр«2ГВС+дЩ1рК)

•г ОМНобпСциРк0'8 /1\

I ЛРт.обр= ; - 0,8 '

"1обр+ 2обр Уцирк

Т0 о 3600ДРТ-о6р сбР ж СтрРОцирк

^ Рта.= 3600 <Эцирк(7гвС_,гобр) где ДР-г.кгт АРТ.0бр - мощность тепловых потерь в напорном и обратном трубопроводах;

Р-, ц. - тепловая мощность, потребляемая на нагрев циркулирующей в системе ГВС воды;

Гп° - температура окружающего трубопровод воздуха;

¿пап, ¿обр - протяженность напорного и обратного трубопроводов от ЦТП до наиболее удаленного водоразборного крана;

•Я]шш> ^2нап. ^юбр> -^2обР ~ коэффициенты, значение которых зависит главным образом от диаметров трубопроводов и толщины изоляционного слоя; 6'шр. р ~ удельная массовая теплоемкость и плотность воды.

Зависимость циркуляционного расхода 2ивр* от угловой скорости электропривода ш принята линейной:

<?иирк = '^насИ, (2)

где кигх - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей насоса и гидравлического сопротивления сети.

На основании математического описания (1) и (2) построена структурная схема (рис. 4), реализованная в программной среде SystemView. В качестве объекта исследования выбран один из характерных для г. Москвы ЦТП аб. № 04-03-0209/124 по адресу ул. 2-ая Владимирская д.52, корп. 1, стр.2 с мощностью электропривода циркуляционного насоса 2,2 кВт. Исходными данными для построения модели послужили значения показателей в режимной карте ЦТП, график потребления горячей воды £>гвсв течение суток, схема подключения к тепловому пункту домов, с указанием протяженности и диаметров трубопроводов.

Г)„

О) 1 П

"■нас '¿¿цирк

-■паи!

__I

о

е]

^Обр

СарР

3600

л

т° +1 гвс

3600

АЛ

I Туве

а—

3600

трР

0-

?

У1 -1

у 0

ГНС ~

^ обр

ЛЛ,

оор

р,

Рис. 4 - Структурная схема модели системы ГВС Влияние угловой скорости на величину тепловых потерь в трубопроводах исследовано путем принудительного уменьшения угловой скорости электропривода от соном до 0,4 шном (рис. 5,а,б). Количественная оценка результатов моделирования приведена в таблице 1, из которой видно, что при снижении а в 2,5 раза снижаются тепловые потери АР1ЛШП, АРто6р на 1,6% и 9,7% соответственно и, как следствие, уменьшается потребляемая мощность на нагрев циркулирующей воды Рт.ц. на 16,2%. При этом основное снижение происходит в обратном трубопроводе, поэтому отопление ванных комнат (полотенцесушители) практически не ухудшается.

о -----------,-_1 о ; О 1 ■ ■-'-'---'-----■---

О г 4 6 8 10 12 14 16 18 20 221, час 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 I, час

Рис. 5 - Суточные графики мощности тепловых потерь и температуры воды у

жильцов при соном (а, в) и 0,4(йном (б, г)

Таблица 1 - Средняя мощность тепловых потерь за сутки при уменьшении угловой скорости электропривода

со, с'1 АР ш т.иапср» кВт Д^т.обсср; кВт -^т.ц.ср) кВт (Гкал/ч) АР «< % ДРт.обр %> % Рт.а.%, %

^ном 129,4 119,4 221,4 (0,19) 100,0 100,0 100,0

0,8соНОм 128,9 117,1 213,8(0,18) 99,6 98,1 96,7

0,6шноч 128,3 113,6 202,9 (0,17) 99,1 95,1 91,6

0,4(о„пч 127,3 107,8 185,5 (0,16) 98,4 90.3 83,8

Среднее значение температуры воды у водоразборных кранов за сутки Т.°0р снизилось на 3,2 °С (рис. 5,в,г), а сами значения температуры воды во времени стали более зависимы от расхода горячей воды, колебания которых не превышают 5 °С.

Аналогичные исследования были проведены с температурой воздуха окружающей трубопровод ГЕ° и протяженностью трубопровода Ь, которые показали:

1. Изменение температуры наружного воздуха существенно влияет на тепловые потери в контуре циркуляции. Это влияние повышает

эффективность применения регулируемого электропривода в летний период и должно учитываться при построении системы регулирования Г'ВС.

2. У объектов с разной длиной трубопроводов при прочих равных условиях для компенсации изменения температуры воды у водоразборных кранов требуется различная величина циркуляционного расхода (угловой скорости электропривода).

Исследования влияния электропривода циркуляционного насоса на модели позволили перейти к изучению системы ГВС в реальных условиях тепло- и водоснабжения.

В третьей главе обосновывается адекватность математической модели и доказывается целесообразность регулирования электропривода

» Т Т-П«-Т

циркуляционного насоса но расходу. лнализ приводился на шм цш, параметры которого использованы при исследовании модели [1,3].

При моделировании изменения угловой скорости электропривода график расхода горячей воды £>гвс и температура воздуха Т° для исследуемых режимов принимались одинаковыми. В реальных условиях повторение аналогичных суточных экспериментов затруднительно. Для минимизации влияния этих факторов выполнен измерения с 3:30 до 5:00 часов с непрерывной регистрацией показателей системы при изменении угловой скорости электропривода со и неизменном (9гвс (минимум в ночное время). По условиям эксперимента каждые пол-часа со уменьшалась на 10%, при этом температура в обратном трубопроводе качественно изменялась за 25 минут, следующие 5 минут происходило измерение потребляемой тепловой мощности (рис. 6).

г0 _О СГ ' ГВС, 'обр, ^

&р„егвс,м3/ч 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

•

.. ... 'гае/

«лиг 0,9<а„„ч 0,8вко„ 0,7ю„ом С}мом

Ру.% Дш I

^ ... ■' и

ОлЩ* ^"бр - \ \

? • £?гвс

. ^«ЩШШЙ -й--" Фк - :

Обр, Т.Ц.5

| м.в.ст. кВт

ИОН 220

100-1 200

90 180

80 160

70 140

60 120

50 • 100

40 80

30 60

20 40

10 20

0 ■ 0

2:30 2:45 3:00 3:15 3:30 3:45 4:00 4:15 4:30 4:45 5:00 5:15 уис Рис. 6 - Графики показателей системы ГВС при снижении угловой скорости электродвигателя с минимальным влиянием 0Гвс и Гн°

Результаты эксперимента показали, что при уменьшении угловой скорости электропривода от со„ом до 0,7шном потребление тепловой энергии на нагрев циркулирующей воды снизилось на 10,9%, а электрической энергии -на 66,7%.

На рис. 7,а показана гистограмма потребляемой мощности в процентном отношении Рт.ц.% при угловых скоростях электропривода: а)вом, 0,9сояок, 0,8соном, 0,7сйном. Как видно из гистограммы, экспериментальные значения отличаются не более чем на 5% от соответствующих величин, полученных при математическом моделировании.

Рис. 7 - Графики расчетной и экспериментальной потребляемой мощности на нагрев циркуляционной воды Другим доказательством адекватности модели служит рис. 7,6, на котором показаны графики потребления тепловой мощности в течение суток, полученные экспериментальным и расчетным путем при со1Юм- Их динамика изменения во многом совпадает, что позволяет судить о схожести процессов теплопередачи и изменения температуры воды у жильцов, описанных при моделировании.

Целесообразность регулирования и необходимость разработки его алгоритма была подтверждена путем принудительного изменения угловой скорости электродвигателя в выделенные периоды времени согласно усредненным расходам й вс> соответствующим максимальному, среднему и минимальному водопотреблению. Результаты наблюдений в течение 7 дней по имеющимся на ЦТП теплосчетчику и расходомеру приведены в таблице 2, а графики показателей ЦТП для двух будних дней в регулируемом и нерегулируемом режимах - на рис. 8.

Таблица 2 - Суточные показатели тепло- и водопотребления

Измеряемый показатель за сутки ю=\'аг СО=СОП51

13-14.05 22-23.05 24-25.05 14-15.05 26-27.05 27-28.05 28-29.05

9 гво Г кал 10,2. 10,7 10.2 11,2 11,7 11,6 11,4

Кгвс,м3 160,8 175,2 170,4 165,6 175,2 ¡75,2 . 175,0

3) ?гвс> С баирк, 2гВС. м /ч

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10

0

0,6ш„„ Тж/ А,5<о,„ 0,7<я.„ в,4ш„„

ТшУ Ч

и

Г~"'-7"......у— .я,„/ д*,/ а,.Р. Л'*** бгвс ! •• Л 1 .Чл-

Н„тНыь, Л„, м.в.ст. кВт

9:00 ¡1:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00 3:00 5:00 7:00 г.час о „о о,-, /Л

110100 90 ■ 8070-1 60 5040 3020 10 О

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 О

О) Тгвс, 7оСр> °с | т

ОгМ /ч Г ; - . ' ' '-V- .

55

50 45 40 !-35 -30

25 20 15 10 5

, -..'-у у. .. - -

Л го" угвс

Г0бр /*

//об , Л ц ■ в.ст. кВт 1

о

Ли

7

НЕ *

110

100 90

т

70 60 ■ 50 4030 20 ■ 10 ■ О ■

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 О

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:0023:00 1:00 3:00 5:00 7:00 ¡.час

Рис. 8 - Сравнение показателей в регулируемом (а) и нерегулируемом (б)

режимах

Сравнение средних значений расхода тепла за сутки в регулируемом (10,4 Гкал) и нерегулируемом (11,5 Гкал) режимах при практически равных условиях показало экономию порядка 9% от общего потребления на ГВС. Проведенные экспериментальные исследования развеяли опасения по поводу возможного ухудшения качества тепло- и водоснабжения и позволили перейти к следующему этапу - разработке алгоритма управления электропривода циркуляционного насоса.

В четвертой главе обоснован и разработан алгоритм управления угловой скоростью электропривода от расхода горячей воды, с последующей проверкой на шести тепловых пунктах г. Москвы.

Как было показано при экспериментальном исследовании, эффект энергосбережения в системе ГВС достигается за счет снижения угловой скорости электропривода и с увеличением расхода горячей воды £>гвс- Это условие должно выполняться по отношению к некоторой базовой величине й>зад.б> соответствующей минимальному значению расхода 2гвс [4,5];

со = ю.

5(1

Огвс

О-

(3)

<?ГВСшах

Практическая реализация зависимости (3) потребовала введения наладочных коэффициентов и ограничений, необходимых для предотвращения снижения качества водоснабжения горячей водой:

<2гве

со = кл<и (1 — к-

1 ном ^ /

-) > С0П

(4)

^?ГВСтах

где к - коэффициент, определяющий степень зависимости создаваемого циркуляционного расхода от величины потребления горячей воды; к\ - коэффициент, необходимый для снижения избыточного циркуляционного расхода;

шном - номинальная угловая скорость электропривода;

®тт - минимальная угловая скорость электропривода, исключающая полное прекращение циркуляции в одном или нескольких удаленных от ЦТП циркуляционных кольцах.

Исследование алгоритма на модели при значениях коэффициентов к= 1 и &|=0,7 показано на рис. 9. Результат моделирования показал снижение средней потребляемой мощности на нагрев только циркуляционной воды на 35,6 кВт (16,!%) в сравнении с нерегулируемым режимом работы электропривода циркуляционного насоса (185,8 и 221,4 кВт соответственно) или 7% от общего теплопотребления на ГВС

о,

ЛЯ,,кВт 300 250

АРа

АРЧ„

АД об? ' V) У-1ъ с

1

8 10 12 14 16 18 20 22/, час

6 8 10 12 14 16 18 20 22 /, час

Рис. 9 - Мощность тепловых потерь (а) и температура воды у водоразборных кранов (б) Алгоритм управления (4) реализован на базе вентильно-индукторного электропривода (ВИЛ) на 6 ЦТП с мощностью электродвигателя циркуляционного насоса 2,2 кВт и 1,5 кВт. При модернизации системы ГВС осуществлялась замена одного из двух электроприводов на регулируемый

вентильно-индукторвый. Другой электропривод оставлен без изменений в качестве резервного. На рис. 10,а показана блочная схема основных составляющих автоматизированной системы управления с указанием взаимосвязей между блоками, а её реализация на ЦТП аб. № 04-04-0212/025 (г. Москва, ул. Вешняковская, д.26, к.2, стр.3) - на рис. 10,6. Система состоит из вентильно-индукторного электродвигателя (ВИД) и импульсного коммутатора ВИП-2,2, разработанных на кафедре АЭП МЭИ (ТУ), а также станции группового управления (СГУ) электроприводами циркуляционных насосов. Измерение расхода горячей воды Отвс и расчет количества потребляемого тепла в системе ГВС осуществляется электронным блоком теплосчетчика.

управления

ВИП-2,2

Управление

Рис. 10 - Блочная схема АСУ электропривода циркуляционного насоса (а) и её реализация на ЦТП (6): 1 - СГУ; 2 - импульсный коммутатор: 3 - пульт управления; 4 - электронный блок теплосчетчика; 5 - основной насос с ВИД; 6 - резервный насос с асинхронным электродвигателем

о\ _

а) ввод I ввод I

Электронный блоктеплосчетчика

Унифицированный токовый сигнал (Згзс

Потребление тепловой мощности на нагрев циркуляционной воды до и после внедрения регулируемого электропривода показаны на рис. 11. Сравнение приведено для одной из ЦТП при практически равных расходах горячей воды и температуры наружного воздуха в течение суток. Как видно, потребляемая мощность с применением нового алгоритма существенно снижается, а наибольший эффект энергосбережения достигается в пиковые часы водоразбора с 7 до 9 и с 19 до 24 часов.

Д.ц., Гкал/ч ' бгвс, бцирк, М /ч

1,50 £ —60

1,25 /\: tcr.it. ^-П р^^'Т-Г!. 50

1,00 р,и/ [_) 40

0,75 ^ ^

0 ' - 1 ; • ■• ' -'— о

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 /, час Рис. 11 - Графики циркуляционного расхода и потребления тепловой мощности в регулируемом и нерегулируемом режимах

Наблюдение за энергопотреблением в системе ГВС в течение 4 месяцев на 5 ЦТП показало среднесуточную экономию тепловой энергии - 8,9%, электрической - 56% (таблица 3) без снижения комфортности.

Таблица 3 - Среднесуточные показатели энергопотребления на ЦТП

Абонентский номер ЦТП Среднесуточное потребление тепловой энергии на ГВС, Гкал (экономия) Среднесуточное потребление электрической энергии, кВт-ч (экономия)

со—сош! со=уаг а^согШ со=уаг

04-04-0212/025 9,9 8,7 (12,6%) 2,3 0,8 (65%)

04-04-0212/029 1,7 1,5 (9,2%) 0,7 0,4 (55%)

04-04-0224/026 7,6 6,9 (9,7%) 1,6 0,7 (75%)

04-07-0222/051 5,3 5,0 (5,8%) 0,6 0,3 (32%)

04-05-0602/078 7,0 6,6 (7,0%) 1,9 0,5 (55%)

В конце главы приведен ориентировочный расчет экономической эффективности внедрения электропривода циркуляционного насоса в системе ГВС и срока окупаемости.

В заключении подведены основные итоги диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлена и обоснована новая зона энергосбережения -циркуляционная схема горячего водоснабжения путем анализа результатов обследования крупного массива тепловых пунктов, теоретического исследования на математической модели и экспериментов на объектах.

2. Разработана адекватная математическая модель функционирования циркуляционного контура системы горячего водоснабжения.

3. Теоретически и экспериментально установлены количественные показатели экономии энергии за счет применения регулируемого электропривода циркуляционного насоса, находящиеся в пределах 7-9% тепловой и 60% электрической энергии от общей, потребляемой на горячее водоем йи»ен ие.

4. Разработан энергосберегающий алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса, предотвращающий снижение качества тепло- и водоснабжения.

5. Опытно-промышленная эксплуатация регулируемого вентильно-индукторного электропривода циркуляционных насосов подтвердила эффективность разработанного алгоритма для экономии энергии без снижения качества тепло- и водоснабжения.

6. Внедрение нового способа регулирования на тепловом пункте с мощностью ГВС 0,41 Гкал/ч обеспечивает экономию около 1 Гкал в сутки (370 тыс. руб. в год).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Бычкова Е.В., Сарач Б.М., Штин E.H. Опыт использования регулируемого электропривода в системе горячего водоснабжения // Вестник МЭИ. 2009. № I.e. 183.

2. Штин E.H. Теоретическое обоснование применения регулируемого электропривода циркуляционных насосов в системе горячего водоснабжения // Электропривод и системы управления: Труды МЭИ. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 72 с.

3. Штин E.H., Ильинский Н.Ф. Оптимизация систем горячего водоснабжения зданий // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 480 с.

4. Пат. 2380619 Российская Федерация, МПК F24D 17/00. Способ снижения расхода тепловой и электрической энергии в циркуляционной системе горячего водоснабжения / Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Кочанов Ю.И., Крылов Ю.А., Ильинский Н.Ф., Бычкова Е.В., Штин E.H. -№2008145234/03; заявка 18,11.2008, опубл. 27.01.2010, Бюл. №3.

5. Пат. 81790 Российская Федерация, МПК F24D 17/00. Циркуляционная система горячего водоснабжения. Полезная модель. / Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Кочанов Ю.И., Крылов Ю.А., Ильинский Н.Ф., Бычкова Е.В., Штин E.H. - №2008145235/22; заявка 18.11.2008, опубл. 27.03.2009, Бюл. №9.

Печ.л.: Ш

Тираж:

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

Заказ: ßf

Введение

Глава 1. Энерго- и ресурсосбережение в системе водоснабжения средствами регулируемого электропривода

1.1. Актуальность энерго- и ресурсосбережения в ЖКХ

1.2. Технологическая схема и электропривод основных механизмов тепловых пунктов

1.3. Задачи экономии тепловой и электрической энергии в системе горячего водоснабжения

Глава 2. Разработка математической модели и исследование технологических свойств системы горячего водоснабжения

2.1. Описание системы ГВС жилых зданий

2.2. Эквивалентная схема ГВС. Условия и допущения

2.3. Математическое описание

2.4. Структурная схема модели системы горячего водоснабжения

2.5. Расчет тепловых потерь в циркуляционном контуре

2.5.1. Модель системы ГВС характерной ЦТП г. Москвы

2.5.2. Тепловые потери при нерегулируемом электроприводе циркуляционного насоса

2.5.3. Влияние угловой скорости электродвигателя насоса ГВС

2.5.4. Влияние температуры наружного воздуха

2.5.5. Влияние протяженности трубопровода

Глава 3. Экспериментальная оценка возможностей энергосбережения средствами регулируемого электропривода

3.1. Методика проведения экспериментов

3.2. Исследование режима тепло- и водопотребления при нерегулируемом электроприводе

3.3. Исследование контура горячего водоснабжения при уменьшении скорости вращения электропривода насоса

3.4. Определение целесообразности регулирования электропривода от расхода горячей воды

Глава 4. Разработка и реализация алгоритма управления электроприводом

4.1. Разработка алгоритма управления

4.2. Проверка разработанного алгоритма управления на математической модели

4.3. Реализация автоматической системы управления электроприводом циркуляционного насоса

4.4. Экспериментальное исследование эффективности разрабатываемого способа энергосбережения

Системой централизованного горячего водоснабжения (ГВС) в России к 2007 г. оборудовано 63% всех жилых и общественных зданий, а на его долю приходится 30-40% от общего теплопотребления [1]. В отличие от системы отопления, тепловая нагрузка в системе ГВС — круглогодичная и носит переменный характер. Так, в течение суток пики теплопотребления во многом зависят от состава и распорядка рабочего дня жителей, а в течение года в летний период теплопотребление существенно ниже, чем в зимний из-за более высокой температуры воды в городском водопроводе и меньших тепловых потерь в трубопроводах [2].

Наибольшее распространение получили циркуляционные системы ГВС, в которых полотенцесушители и водоразборные краны подключаются к напорному трубопроводу, а возвращается вода по обратному (или циркуляционному) трубопроводу. Комфортная температура воды у потребителей (не ниже 50 °С) и температура воздуха в ванных комнатах (около 25 °С) поддерживается за счет принудительной циркуляции, создаваемой электроприводом насоса ГВС. Подключение циркуляционных систем ГВС жилых зданий к тепловой сети и к городскому водопроводу осуществляется, как правило, через тепловые пункты, общее число которых в России к 2006 г. составляло около 23 тыс. [1], причем на долю Москвы приходится 40% всех тепловых пунктов Российской Федерации. В ней располагается около 42 районных тепловых станций (РТС), 6 тыс. центральных тепловых пунктов (ЦТП) и 3 тыс. индивидуальных тепловых пунктов (ИТП), обслуживающих порядка 50 тыс. жилых и общественных зданий города [3].

В тепловом пункте располагаются электроприводы насосов различного назначения: повысительные, вспомогательные, в том числе и электропривод циркуляционных насосов ГВС. В нем может находиться от 4 до 15 электроприводов, а число подключенных зданий доходит до двадцати.

Несмотря на широкое распространение циркуляционных систем ГВС, их эффективность работы в большинстве случаев находится на невысоком уровне: не обеспечивается нормативный напор и температура в местах водоразбора; плохо прогреваются полотенцесушители; имеет место завышенный циркуляционный расход в системе [4]. Все это приводит к значительному перерасходу электроэнергии на циркуляцию, а также сливу охлажденной воды в канализацию с потерями тепла и воды.

До недавнего времени повышение эффективности систем ГВС осуществлялось за счет реализации следующих мероприятий.

- Применение новых изоляционных материалов трубопроводов, имеющих более низкий коэффициент теплопроводности (около 0,033 Вт/(м-К)) [5,6].

- Замена кожухотрубных водонагревателей на пластинчатые теплообменники, что позволяет поддерживать невысокое падение напора на них в процессе эксплуатации и снизить трудоемкость очистки бойлеров от нарастаний. [7];

- регулирование напора в системе водоснабжения путем внедрения преобразователей частоты на электропривод хозяйственно-питьевых насосов.

По известным оценкам [1] проведение мероприятий по уменьшению тепловых потерь в существующих системах ГВС путем улучшения качества изоляционного слоя трубопроводов, регулирования температуры и давления позволяет уменьшить теплопотребление в системе до 12%. Однако, более значительное энергосбережение, как показано в [7] и [8], может достигаться изменением циркуляционного расхода.

Завышенная циркуляция - одна из самых частых причин нарушения гидравлического режима систем горячего водоснабжения и избыточных тепловых потерь в системе [7]. Она может быть заложена на стадии проектирования, либо вызвана проведением энергосберегающих мероприятий, направленных на уменьшение тепловых потерь в системе и уменьшение гидравлического сопротивления системы. В данной ситуации единственным способом уменьшения величины тепловых потерь является снижение температуры нагрева отправляемой потребителям воды. Но такой способ ведет к ухудшению качества водоснабжения.

Наиболее приемлемым вариантом может стать применение регулируемого электропривода циркуляционного насоса в системе ГВС. Уровень технического потенциала в этой области высок, а удельная стоимость преобразователей частоты в последнее время планомерно снижается. Кроме того, имеет место положительный опыт внедрения частотно-регулируемого электропривода на многих объектах теплоэнергетики [9-14].

Таким образом, внедрение регулируемого энергосберегающего электропривода в системе ГВС является актуальной проблемой, что позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Цель диссертационной работы - комплексное энергосбережение в системе горячего водоснабжения зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1. Анализ электроприводов и систем горячего водоснабжения на центральных тепловых пунктах с выявлением особенностей технологических схем и уточнением номенклатурного ряда электроприводов насосов.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности экономии тепловой и электрической энергии как нового направления энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве города.

3. Разработка математической модели системы горячего водоснабжения, позволяющей исследовать режимы тепло- и водоснабжения с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов.

4. Разработка алгоритма управления электроприводом циркуляционного насоса с учетом необходимых ограничений, предотвращающих снижение качества тепло- и водоснабжения.

5. Внедрение регулируемого электропривода циркуляционного насоса на действующих объектах теплоэнергетики и экспериментальное подтверждение эффективности разработанного алгоритма.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Теоретически и экспериментально выявлена новая зона экономии тепловой и электрической энергии, расходуемых на горячее водоснабжение зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.

2. Разработана адекватная математическая модель системы горячего водоснабжения, пригодная для исследования режимов тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов.

3. Разработан и экспериментально подтвержден алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса, обеспечивающий экономию тепловой и электрической энергии без снижения комфортности тепло- и водоснабжения.

Выводы по Главе 4

1. Разработан алгоритм управления электропривода циркуляционного насоса системы ГВС, обеспечивающий изменение скорости вращения в функции расхода горячей воды потребителями.

2. Реализация алгоритма управления на модели показала экономию 16,2% тепловой энергии в циркуляционном контуре без снижения комфортности тепло- и водоснабжения жильцов.

3. Разработана схема подключения вентильно-индукторного электропривода циркуляционного насоса к существующей системе энергоснабжения оборудования на примере ЦТП аб. №04-04-0212/025 г. Москвы.

4. Проведен анализ энергосбережения разработанным электроприводом циркуляционного насоса на пяти тепловых пунктов г. Москвы, показавший среднюю экономию тепловой энергии 8,9%, электрической энергии - 56%.

Заключение

Проведенное в диссертационной работе исследование влияния режимов работы электропривода циркуляционного насоса на тепловые потери в системе горячего водоснабжения позволило разработать алгоритм управления насосом, существенно снижающий потребление тепловой и электрической энергии на тепловых пунктах. При этом в работе были достигнуты следующие результаты:

1. Анализ крупного массива тепловых пунктов подтвердил необходимость разработки регулируемого электропривода насоса ГВС ориентированного на мощность электродвигателя до 7,5 кВт в циркуляционной схеме.

2. Разработана адекватная математическая модель функционирования циркуляционного контура системы горячего водоснабжения, позволяющая исследовать режимы тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки, внешних возмущающих факторов и скорости вращения электропривода циркуляционного насоса.

Исследование на модели и эксперименты, проведенные для наиболее характерного теплового пункта г. Москвы с мощностью электродвигателя насоса 2,2 кВт, показали возможность уменьшения тепловых в системе ГВС при регулировании электропривода насоса от расхода потребляемой горячей воды без снижения комфортности водоснабжения у жильцов.

3. Разработан алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса с возможностью его адаптации к условиям конкретного ЦТП.

Эффективность алгоритма управления была подтверждена на шести тепловых пунктах, а его реализация, осуществлена на базе вентильно-индукторного электропривода. Экономия составляет 7-9% тепловой и 60% электрической энергии от общей, потребляемой на ГВС.

1. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения в России и за рубежом / Центр по эффективному использованию энергии. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.cenef.ru/file/Heat.pdf (дата обращения: 24.02.2010).

2. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. -472 е.: ил.

3. Московская объединенная энергетическая компания. URL: http ://www.oaomoek.ru (дата обращения: 24.02.2010).

4. Рохлецова T.J1. Горячее водоснабжение: Учеб. пособие. НГАСУ, 2005

5. Агапов Р.В. Энергосбережение в ОАО «Московская теплосетевая компания» // Энергосбережение, 2009. №1. с.54-55.

6. Хаванов П.А., Беккер B.JL Пути повышения эффективности тепло-и энергоснабжения Москвы // Энергосбережение. 2006. № 3.

7. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения: H.H. Чистяков, М.М. Грудзинский, В.И. Ливчак, Е.И. Прохоров. М.: Стройиздат, 1988. 270 е.: ил.

8. Пырков В.В. Современные тепловые пункты. Автоматика и регулирование. К.: II ДП «Таш справи», 2008. 252 е., ил.

9. Крылов Ю.А. Разработка энерго-ресурсосберегающих технологий в топливно-энергетическом хозяйстве города на основе современного электропривода. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 2008.

10. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в центробежных машинах средствами электроприводами // Вестник МЭИ. 1995. №1 с.53.

11. Ильинский Н.Ф. Регулируемый электропривод. Энерго- и ресурсосбережение // Приводная техника. 1997. № 3.

12. Ильинский Н.Ф., Шакарян Ю.Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. М.: Минтопэнерго РФ, 1997.

13. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиздат, 1991. 144 с.:ил.

14. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый электропривод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006.360 с.:ил.

15. Федеральная служба государственной статистики. URL: http://www.gks.ru (дата обращения: 24.02.2010).

16. Байдаков С.Л., Гашо Е.Г., Анохин С.М. ЖКХ России. М.: Издательский дом МЭИ, 2004.

17. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года/ Утверждена Правительством Российской Федерации от 28 августа 2003 года. № 1234-Р.

18. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2004.

19. Ремезов А.Н. МОЭК готова поделиться опытом с коллегами из регионов // Энергия столицы. Газета Московской объединенной энергетической компании. 2007. № 10.

20. Паньшин A.C., Крылов Ю.А. Комплекс энергосберегающих мероприятий по модернизации центральных тепловых пунктов // Промышленная энергетика. 2001. № 3,

21. Крылов Ю.А. Опыт внедрения регулируемого электропривода в ЖКХ крупного города // Электро. 2007. № 4.

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

23. Крылов Ю.А. Тепловая станция как объект автоматического регулирования // Промышленная энергетика. 2008. № 3.

24. Ильинский Н.Ф., Москаленко В.В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2008.

25. Бычкова Е.В., Сарач Б.М., Штин E.H. Опыт использования регулируемого электропривода в системе горячего водоснабжения // Вестник МЭИ. 2009. №1. с. 183.

26. СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов.

27. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

28. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

29. Разработка рекомендаций по применению регулируемого привода для хозяйственно-пожарных насосов // Научно-техн. отчет, ТОО «ТВА», руководитель работ Чистяков H.H. М., 1995.

30. Ильин В.К. Сравнительные варианты модернизации ЦТП на примере конкретного объекта// Энергосбережение, 2008. №1. с.32-35.

31. Штин E.H. Теоретическое обоснование применения регулируемого электропривода циркуляционных насосов в системе горячего водоснабжения // Электропривод и системы управления: Труды МЭИ. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 72 с.

32. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике: Учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2004. 84с.

33. Литвин A.M. Теоретические основы теплотехники, изд. 6-е, переработанное и дополненное, М.: «Энергия», 1969. 328с.

34. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления: Изд. 4-е, перераб. и доп. СПб: Изд-во «Профессия», 2003. 752с.

35. Загидуллин Р. Ш., Карутин С. Н., Стешенко В. Б. SystemView. Системотехническое моделирование устройств обработки сигналов. М.: Горячая Линия Телеком, 2005 г. 296с.: ил.

36. Государственная система обеспечения единства измерений. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя: Рекомендация МИ 2412-97. ГОССТАНДАРТ РОССИИ, 1997.

37. Пат. 2380619 / Способ снижения расхода тепловой и электрической энергии в циркуляционной системе горячего водоснабжения / Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Кочанов Ю.И., Крылов Ю.А., Ильинский Н.Ф., Бычкова Е.В., Штин E.H. // ИБ. 2010. №3.

38. Пат. 81790 / Циркуляционная система горячего водоснабжения. Полезная модель / Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Кочанов Ю.И., Крылов Ю.А., Ильинский Н.Ф., Бычкова Е.В., Штин E.H. // ИБ. 2009. №9.

39. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современном электроприводе // Научно-технический семинар «Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения». Тезисы докладов. М.: МЭИ, 1996.

40. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок // Приводная техника. 1998. № 3.

41. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод -проблемы и перспективы развития // Доклады научно-практическогосеминара «Вентильно-индукторный электропривод». М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

42. Проектирование вентильно-индукторных машин общепромышленного назначения / Ильинский Н.Ф., Штайнбрунн Й., Прудникова Ю.И. и др. // Вестник МЭИ. 2004. № 1.

43. Вентильно-индукторный электропривод перспективы применения / Ахунов Т.А., Макаров JT.H., Бычков М.Г., Ильинский Н.Ф. // Приводная техника. 2001. № 2.

44. Вентильно-индукторный электропривод перспективы применения / Т.А. Ахунов, Л.Н. Макаров, Н.Ф. Ильинский, М.Г. Бычков // Материалы 2-й Международной конференции «Состояние, разработка и перспективы применения ВИП». М.: Интерэлектро, 2001.

45. Цифровое векторное управление вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением / Козаченко В.Ф., Анучин A.C., Жарков A.A., Дроздов A.B. // Компоненты и технологии. 2004. № 8.

46. Электропривод на базе вентильных индукторных машин с электромагнитным возбуждением / Козаченко В.Ф., Корпусов Д.В., Остриров В.Н., Русаков A.M. // Электронные компоненты. 2005. № 6.

47. Остриров В.Н., Козаченко В.Ф., Русаков A.M. Новое направление в приводе -мощный многосекционный вентильно-индукторный электропривод с векторным управлением // Доклады научно-практического семинара «Вентильно-индукторный электропривод». МЭИ. 2007.

48. Козаченко В.Ф., Жарков A.A., Дроздов А. В. Мультипроцессорная система управления многофункциональным вентильно-индукторным электроприводом // Труды XI Международной конференции

49. Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Крым. 2006.

50. Кузнецов В. А., Кузьмичев В. А. Вентильно-индукторные двигатели. М.: Издательство МЭИ. 2003.

51. Бычков М.Г. Алгоритмы и системы управления вентильно-индукторного электропривода // Доклады научно-практического семинара «Вентильно-индукторный электропривод». М.: МЭИ, 2007.

52. Ильинский Н.Ф., Докукин А.Л., Кузьмичев В.А. Тепловые модели вентильно-индукторного электродвигателя // Электричество. 2005. № 8.

53. Красовский А.Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода: // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 2004.

54. Новое направление в приводе мощный многосекционный вентильно-индукторный электропривод с векторным управлением / Остриров В.Н., Козаченко В.Ф., Крылов Ю.А. и др. // Электронные компоненты. 2006. №1.

55. Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Крылов Ю.А. Результаты промышленных испытаний мощного вентильно-индукторного электропривода ответственных механизмов непрерывных производств // Электричество. 2007. № 6.