Спосіб керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу

Спосіб керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу, що полягає у визначенні втрат потужності на кожному з і-х елементів гідротранспортного комплексу і виборі режиму роботи, що відповідає мінімальному енергоспоживанню, який відрізняється тим, що блоком моделі прогнозної добової кривої водоспоживання формують задавальний вплив, що описується багатофакторною регресійною залежністю Qt   K  a1p дт t   a2K чд t   a3K дт t   a 4 Tt   a5p0 t  , 3 P`м. , P`м.r 67313 і механічні втрати потужності Pмех. , P`мех. асинхронного двигуна, визначають сумарні втрати потужності в асинхронному двигуні Pад.  Pc.  Pм.  Pмех. , P`ад.  P`c. P`м. P`мех. , P`ад.r  Pc.ном  P`м.r Pмех.ном , де Pc.ном , Pмех.ном - номінальні втрати потужності в сталі і механічні втрати потужності в асинхронному двигуні, втрати потужності у відцентровому насосі Pвн.  Pв.  Pг.н. , P`вн.  P`в. P`г.н. , втрати гідравлічної потужності на засувці Pз  Рг.н.r  Pг.нс.r , P`з  Р`г.н.r P`г.нс.r , втрати гідравлічної потужності на ділянці трубопроводу Pтр.  Pг.нс.  Pг.с. , P`тр.  P`г.нс. P`г.с. , втрати потужності у випрямлячі Pв , P`в , інверторі Pi , P`i , трансформаторі Pтранс , P`транс перетворювача частоти, сумарні втрати потужності в перетворювачі частоти Pпч  Pв  Pі  Pтранс , P`пч  P`в P`і P`транс , споживану насосним агрегатом потужність при регулюванні частоти обертання P`1.  P`в. P`ад. P`пч і регулювання дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі P`1.r  P`в.r P`ад.r P`з , блоком визначення техніко-економічних параметрів обчислюють економію електроенергії Wtp  P`1.r P`1. t p при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання насосного агрегату і дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі за час tp роботи в 4 втрати енергії в і-тому елементі гідротранспортного комплексу (асинхронному двигуні C Wад , C`Wад , перетворювачі частоти CWпч , C`Wпч , відцентровому насосі CWвн , C`Wвн , засувці CWз , C`Wз , трубопроводі C W тр , C`W тр за час tп.о.і , який відповідає періоду оцінки зміни експлуатаційних характеристик і-го елемента гідротранспортного комплексу, що задається, у пристрої управління та прийняття рішення порівнюють грошові витрати на втрати енергії для і-го елемента гідротранспортного комплексу в моделях реального C`Wi та ідеального CWi об'єктів із вартістю C i нового обладнання гідротранспортного комплексу, за умови C`W CW   Ci , i i приймають рішення про заміну і-го елемента гідротранспортного комплексу на новий, за умови C`Wi CWi  Ci , обчислюють річний економічний   ефект E p і термін окупності Tокуп , при Tокуп  Тн , де Т н - нормативний термін окупності, приймають рішення про регулювання продуктивності зміною частоти обертання і формують керуючий вплив Uy1t  на перетворювач частоти для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Qt  , при Tокуп  Тн регулювання продуктивності здійсню ють дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі і формують керуючий вплив Uy2 t  на робочий орган засувки для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Qt  . календарному році та грошові витрати CWi на Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана в системах автоматичного регулювання та контролю технологічних і енергетичних параметрів насосних агрегатів систем комунального і промислового водопостачання. Гідротранспортні комплекси (ГТК) водопостачання є складними системами, що включають електрогідравлічне обладнання та розгалужену мережу трубопроводів, призначені для своєчасного забезпечення споживачів водою із заданим тиском. Насосні станції (НС), що входять до складу ГТК, характеризуються високим рівнем енергоємності, низьким технічним станом обладнання, значними діапазонами зміни витрати та напору, неефективними методами регулювання технологічних параметрів. Відомий спосіб керування енергоспоживанням насосної станції [Способ управления энергопотреблением насосной станции: пат. 2310792 Рос. Федерация: МПК F17D 3/01, F04D 15/00 / Кармазинов Ф.В., Беляев А.Н., Волков С.Н. и др.; Гос. унитарное предприятие "Водоканал Санкт-Петербурга". 2006111839/06; заявл. 10.04.2006; опубл. 20.11.2007, Бюл. № 32], що полягає у визначенні оптимального енергетичного режиму і складу насосного обладнання шляхом вибору раціонального методу регулювання продуктивності НС. Ознаки, що збігаються з істотними ознаками способу, який заявляється: визначення енергетичних характеристик насоса та вибір режиму експлуатації НС, що приводить до зниження енерговитрат при забезпеченні необхідної регулювальної характеристики трубопровідної системи. До недоліків цього способу належать: використання регулювальної характеристики, яка не відображає реального графіка зміни водоспоживання; при відпрацюванні регулювальної характеристики розглядаються такі методи регулювання технологічних параметрів, як ступінчасте регулювання та обрізка робочих коліс, які належать до неефективних способів регулювання і характеризуються передчасним зносом обладнанням, збільшенням енергоспоживання НС та ін.; при визначенні оптимального коефіцієнта корисної дії 5 67313 (ККД) насосної станції не враховуються втрати потужності в кожному її елементі, що веде до підвищення енерговитрат і до зниження ефективності роботи системи водопостачання. Відомий спосіб мінімального за енергоспоживанням регулювання продуктивності насосної станції [Спосіб мінімального за енергоспоживанням регулювання продуктивності насосної станції та пристрій для його реалізації: пат. 80752 Україна: МПК F04D 27/00, Н02Р 5/00 / Коренькова Т.В., Родькін Д.Й., Кравець О.М., Перекрест А.Л.; КДПУ. № 200510141; заявл. 27.10.2005; опубл. 25.10.2007, Бюл. № 17], який полягає в забезпеченні необхідного режиму роботи споживача, що відповідає мінімальному енергоспоживанню насосної станції. Ознаки, що збігаються з істотними ознаками способу, який заявляється: визначення споживаної потужності на кожному із елементів НС і вибір схеми регулювання технологічних параметрів, відповідної мінімальному енергоспоживанню насосної станції. До недоліків способу належать: використання усередненої кривої водоспоживання при прогнозуванні режимів роботи НС; при визначенні енергетичних показників системи не враховується, в процесі тривалої роботи, зміна експлуатаційних характеристик технологічного обладнання, що призводить до зміщення робочих зон характеристик насосних агрегатів, відповідних області максимальних ККД. Зазначений спосіб вибрано як прототип способу, що заявляється. Задачею винаходу є підвищення ефективності функціонування гідротранспортного комплексу. 6 Поставлена задача вирішується тим, що запропонований спосіб керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу полягає у визначенні втрат потужності і технікоекономічних показників у всіх елементах силового каналу ГТК з урахуванням реальних режимів роботи споживача і експлуатаційних характеристик обладнання, що змінюються у часі та виборі енергоефективних режимів експлуатації. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображена блок-схема пристрою керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу, на якій прийняті позначення: 1 - насосний агрегат; 2 - асинхронний електродвигун; 3, 9 - вимикачі; 4 - електрифікована засувка; 5 - виконавчий механізм засувки; 6, 7, 13 - датчики витрати; 8 - перетворювач частоти; 10 - таймер; 11 - блок задання параметрів ГТК; 12 - блок задання економічних параметрів; 14-17 - датчики тиску; 18 блок статистичних параметрів ГТК; 19 - блок моделі прогнозної добової кривої водоспоживання; 20 - блок формування прогнозних керуючих впливів; 21 - блок визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса; 22 - блок визначення техніко-економічних параметрів; 23 - блок енергетичних моделей; 24 - модель ідеального об'єкта; 25 - модель реального об'єкта; 26 - пристрій управління та прийняття рішення; на фіг. 2 - алгоритм роботи системи керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу. Спосіб реалізовано наступним чином. Блоком моделі прогнозної добової кривої водоспоживання 19 (фiг. 1) формують задавальний вплив, що описується багатофакторною регресійною залежністю Qt   K  a1pдт t   a2Kчд t   a3K дт t   a4Tt   a5p0 t  , де K - постійний коефіцієнт моделі; a1  a5 - коефіцієнти регресії; причому продуктивність на виході насосної станції Qнс та тиск у диктуючій точці гідромережі p дт фіксують, відповідно, другим датчиком витра p дт t  - тиск у диктуючій точці гідромережі; K чд t  - коефіцієнт часу доби; ти 7 на виході насосної станції, встановленим в напірному колекторі, і третім датчиком тиску 16, встановленим у диктуючій точці гідромережі, і зберігають в блоці статистичних параметрів ГТК 18 для отримання багатофакторної регресійної залежності кривої водоспоживання, блоком формування прогнозних керуючих впливів 20 задають залежність зміни відносної частоти обертання у часі K дт t  - коефіцієнт дня тижня; Tt  - температура повітря; p 0 t  - атмосферний тиск, t    B 2 Qt   B 2 Q 2 t   4 A 2  C 2 Q 2 t   R c Q 2 t    2   (1) (2) , 2A 2 де A 2 , B 2 , C 2 - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей відцентрової машини і визначаються за паспортною напірно-витратною характеристикою насоса; R c - гідродинамічний опір мережі, і залежність гідродинамічного опору засувки у часі R з t   A 2  B 2Qt   Hc  C2  Rc , Q 2 t  (3), де Hc - статичний напір мережі. В момент часу t  t 0.пот , що фіксується таймером 10, опитують показання першого датчика витрати 6 в мережі споживача Q с , третього дат 7 67313 чика витрати 13 на виході насоса Qн , першого 14 р н , другого 15 рнс і четвертого 17 р с датчиків тиску, встановлених на виході насоса, насосної станції та в мережі споживача, відповідно, в момент часу t 0.пот  t п.о.вн. блоком визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса 21 обчислюють фактичні експлуатаційні напірновитратну та потужнісну характеристики насоса, визначають коефіцієнти апроксимації A`2 , B`2 , C`2 , A`3 , B`3 , D`3 , відповідні фактичним експлуатаційним характеристикам насоса. В блоці енергетичних моделей насосної станції 23, що включає модель ідеального об'єкта 24 (з паспортними експлуатаційними напірновитратними і потужнісними характеристиками) і модель реального об'єкта 25 (з фактичними експлуатаційними напірно-витратними і потужнісними характеристиками, в позначеннях параметрів яких використовується «`»), при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання насосного агрегату (в позначеннях параметрів використовується індекс «») і дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі (у позначеннях параметрів використовується індекс "r") обчислюють потужність на валу насоса Pв. , P`в. , P`в.r , гідравлічну потужність на виході насоса Pг.н. , P`г.н. , Pг.н.r , P`г.н.r , на виході насосної станції Pг.нс. , P`г.нс. , Pг.нс.r , P`г.нс.r , в мережі споживача Pг.с. , P`г.с. , втрати потужності в сталі Pc. , P`c. , міді Pм. , P`м. , P`м.r і механічні втрати потужності Pмех. , P`мех. асинхронного двигуна, визначають сумарні втрати потужності в aсинхронному двигуні Pад.  Pc.  Pм.  Pмех. , P`ад.  P`c. P`м. P`мех. , P`ад.r  Pc.ном  P`м.r Pмех.ном , де Pc.ном , Pмех.ном - номінальні втрати потужності в сталі і механічні втрати потужності в асинхронному двигуні, втрати потужності у відцентровому насосі Pвн.  Pв.  Pг.н. , P`вн.  P`в. P`г.н. , втрати гідравлічної потужності на засувці Pз  Рг.н.r  Pг.нс.r , P`з  Р`г.н.r P`г.нс.r , втрати гідравлічної потужності на ділянці трубопроводу Pтр.  Pг.нс.  Pг.с. , P`тр.  P`г.нс. P`г.с. , втрати потужності у випрямлячі Pв , P`в , інверторі Pi , P`i , трансформаторі Pтранс , P`транс перетворювача частоти, сумарні втрати потужності в перетворювачі Pпч  Pв  Pі  Pтранс , частоти P`пч  P`в  P`і  P`транс , споживану насосним агрегатом потужність при регулюванні частоти 8 обертання P`1.  P`в. P`ад. P`пч і регулювання дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі P`1.r  P`в.r P`ад.r P`з . Блоком визначення техніко-економічних параметрів 22 обчислюють економію електроенергії Wt  P`1.r P`1. t p при регулюванні продуктиp вності зміною частоти обертання насосного агрегату і дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі за час t p роботи в календарному році та грошові витрати C W на втрати енергії в і-тому i елементі ГТК (асинхронному двигуні C W ад , C`W , перетворювачі частоти C W , C`W , ад пч пч відцентровому насосі C W , C`W , засувці вн вн C W з , C`W з , трубопроводі C W тр , C`W тр за час t п.о.і , який відповідає періоду оцінки зміни експлуатаційних характеристик і-го елемента ГТК, що задається. У пристрої управління та прийняття рішення 26 порівнюють грошові витрати на втрати енергії для і-го елемента ГТК в моделях реального C`W та ідеального C W об'єктів із вартістю i i Ci , нового обладнання C`W C W   Ci i ГТК, за умови приймають рішення про замі i ну і-го елемента ГТК на новий, за умови C`W C W  Ci обчислюють річний економіч  i i  ний ефект E p і термін окупності Tокуп , при Tокуп  Т н , де Т н - нормативний термін окупності, приймають рішення про регулювання продуктивності зміною частоти обертання і формують керуючий вплив U y1t  на перетворювач частоти 8 для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Qt  , при Tокуп  Т н регулювання продуктивності здійснюють дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі і формують керуючий вплив U y 2 t  на робочий орган засувки 4 для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Qt  . Розглянемо процеси енергоперетворення в ГТК. Потужність на валу насоса: Pв.  A 3  2 Q  B 3 Q 2  D 3  3 ; (4) P`в.  A `3  2 Q  B`3 Q 2  D`3  3 ; P`в.r  A 3 Q  B 3 Q 2  D 3 , де A 3 , B 3 , D 3 і A`3 , B`3 , D`3 - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей відцентрової машини і визначаються за паспортними і фактичними експлуатаційними потужнісними P(Q) характеристиками насоса, відповідно; 9  67313  B 2 Q  B 2 Q 2  4 A 2  C 2 Q 2  Hc  R c Q 2    2   2A 2 - відносна частота обертання насоса; Гідравлічна потужність на виході насоса: Pг.н.  gQH ; P`г.н.  gQH` ; Pг.н.r  gQHr ; P`г.н.r  gQH`r ; де  - щільність рідини; g - прискорення вільного падіння; (5) H   A 2  2  B 2 Q  C 2 Q 2 , H`  A `2  2  B`2 Q  C`2 Q 2 , Hr  A 2  B 2 Q  C 2 Q 2 , H`  A `2 B`2 Q  C`2 Q 2 напірно-витратні H(Q) характеристики насоса; A 2 , B 2 , C 2 і A`2 , B`2 , C`2 - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей відцентрової машини і визначаються за паспортними і фактичними експлуатаційними напірно-витратними H(Q) характеристиками насоса, відповідно; Гідравлічна потужність на виході насосної станції: Pг.нc.  Pг.н.  gQH ; P`г.нc.  p нс Q нс ; Pг.нс.r  gQHr  Н з ; P`г.нс.r  gQH`r  Н`з ; де (6) Hз  Н1  Нс  Rc Q2 , 1 H`з  Н`1Нс  Rc Q2 - втрати напору на засувці; 1 Н1 , Q1 - напір і витрата, що відповідають положенню дросельної засувки з гідравлічним опором, рівним R з . Гідравлічна потужність в мережі споживача: Pг.с.  Pг.нс.  Р тр. ; (7) P`г.с.  p c Qc , де Р тр.  gQh довж / 1000 - втрати потужності на ділянці трубопроводу; l 2 втрати напору по довжині; h довж   d 2g  - коефіцієнт гідравлічного опору (коефіцієнт Дарсі), що залежить від режиму течії рідини; d - діаметр трубопроводу; l - довжина трубопроводу;  - середня швидкість руху рідини. Сумарні втрати потужності в асинхронному двигуні: Pад.  Pc.  Pм.  Pмех. ; P`ад.  P`c.  P`м.  P`мех. ; P`ад.r  Pc.ном  P`м.r  Pмех.ном (8) 10 де Pc. , P`c. , Pм. , P`м. , P`м.r , Pмех. , P`мех. - втрати потужності в сталі, міді і механічні втрати потужності двигуна, відповідно; Pс.ном =  2 P ад.ном , Pмех.ном =  3 P ад.ном - номінальні втрати в сталі і механічні втрати двигуна, відповідно; P ад.ном = Рном1  ном  / ном = Pм.ном + Pс.ном + Pмех.ном – номінальні сумарні втрати потужності в асинхронному двигуні; Pном - номінальна потужність двигуна; ном - номінальний ККД двигуна; Pм.ном = 1P ад.ном - номінальні втрати потужності в міді двигуна; 1,  2 ,  3 - коефіцієнти, що залежать від конструкції двигуна і не залежать від способу регулювання його швидкості. При зміні частоти обертання насосного агрегату за схемою перетворювач частоти - асинхронний 2 двигун з законом частотного керування U/f =const справедливо: втрати в сталі Pс.  Pс.ном0,61  0,39k f k f 3 ; (9) P`с.  Pс.ном 0,61  0,39k`f k`f 3 , номр f де , kf   fc.ном 2fc.ном `номр f` - коефіцієнт зміни частоти  fc.ном 2fc.ном енергомережі; ном - номінальна частота обертання насосного агрегата; f , f ` , fc.ном - поточні і номінальна частота енергомережі, відповідно; р - кількість пар полюсів; втрати в міді Pм.  3R1 I`2 2. I2 .   3R '2I`2 2. ;     2 ' 2  I`` 2  P`м.  3R1 2. I` .   3R 2I`` 2. ; (10)   P`м.r  3R1 I`` 2 2.r I2 .ном   3R '2I`` 2 2.r ,     ' - первинне і вторинне наведені акде R1 , R 2 тивні опори електродвигуна; I' М  I' М`  , , I`2.  2ном I`` 2.  2ном Mномk f Mномk `f I' М` I`2.r  2ном c.r - наведений струм ротора елекMном тродвигуна; I'2ном - номінальний струм наведений ротора електродвигуна; k `f  11  67313  M   Pг. 1000 / номвц. ,   12 R д.диф - диференціальний опір діода для М`   Р`г. 1000 / `ном`вц. - залежність моменту насоса, приведеного до вала двигуна, від частоти обертання; M`c.r  P`г.н.r. / `вн.r ном  - момент опору на прямого струму. Втрати на керованих елементах інвертора: соса; вц.  Рг.н. / Pв. , де Pі1.ном  Uгр.прІ0 , Pі2.ном  R дифІ2 0 номінальні втрати потужності на керованих елементах інвертора; Uгр.пр - граничне падіння напруги при прямо `вц.  Р`г.н. / Р`в. `вн.r  P`г.н.r / P`в.r r - ККД на соса; I.  I.номk f , I`.  I.номk`f - поточний струм намагнічування електродвигуна; Iц.ном - номінальний струм намагнічування електродвигуна; Мном - номінальний момент електродвигуна; механічні втрати Pмех.  Pмех.номk f ; (11) P`мех.  Pмех.номk`f . Втрати потужності в насосі: Pвн.  Pв.  Pг.н. ; (12) P`вн.  P`в. P`г.н. Втрати гідравлічної потужності на засувці: Pз  Pг.н.r  Pг.нc.r ; (13) P`з  P`г.н.r P`г.нc.r . Втрати гідравлічної потужності на ділянці трубопроводу: Pтр.  Pг.нc.  Pг.c. ; (14) P`тр.  P`г.нc. P`г.c. . При частотному регулюванні втрати в перетворювачі визначаються виразом вигляду: P пч  Рв  Рі  2Р транс, (15) де Pв - втрати на вентилях випрямляча; Pі - втрати на керованих елементах інвертора; Pтранс - втрати в трансформаторі. Втрати на вентилях випрямляча:   Р` Р` Pв   Pв1.ном  Рв2.ном 1.  1. , (16)  Pном  Pном   де Uгр Pв1.ном  2 Pном , Ui Р2 Pв2.ном  2R д.диф ном - номінальні втрати U2 і потужності в вентилях випрямляча; Uгр - граничне або пряме падіння напруги на діоді; U i - середнє значення напруги на виході інвертора;  І1  І1 ,  Pв  3 Pі1.ном  Рі2.ном (17)  І1.ном  І1.ном   му струмі; І0 - середнє значення прямого струму ключа; R диф - диференціальний опір ключа; І1.ном - номінальний струм статора двигуна; Рв. - струм статора двигуна; І1  3Uф  cos Рв. - ККД двигуна; Рв.  Pад.  I   - фаза струму статора;   arctg  I`2    Uф - первинна фазна напруга.  Втрати в трансформаторі: 2  І  (18) Pтранс  Р нх  Р кз  1  , І   1.ном  де Рнх - втрати неробочого ходу в трансфо рматорі; Ркз - втрати короткого замикання при номінальному навантаженні. Споживана потужність насосним агрегатом: P`1.  P`в. P` ад. Р` пч; (19) P`1.r  P`в.r Р` ад.r P`з . (20) Економія електроенергії при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання насосного агрегату і дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі за час t p роботи в календарному році: Wt p  P`1.r P`1. t p . (21) Грошові витрати на втрати енергії в і-тому елементі ГТК: C Wi  kt п.о.і Р і ; (22) C`Wi  kt п.о.і Р`і , де t п.о.і - період оцінки зміни експлуатаційних характеристик і-го елемента ГТК; k - тариф на електроенергію; Рі , Р`і - втрати потужності в і-му елементі системи. 13 Запропонований спосіб керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу дозволяє здійснювати: прогноз водо- та енергоспоживання на необхідний період часу з урахуванням мінливих чинників, що впливають на роботу 67313 14 споживача; обґрунтування раціональних схем регулювання технологічних параметрів, що дозволить досягти зниження енергоспоживання ГТК, продовжити термін служби технологічного обладнання. 15 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 67313 Підписне 16 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601