Пристрій керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу

Реферат: Пристрій керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу належить до електротехніки і може бути використаний в системах автоматичного регулювання та контролю технологічних і енергетичних параметрів насосних агрегатів систем комунального і промислового водопостачання. UA 69092 U (54) ПРИСТРІЙ КЕРУВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИМИ РЕЖИМАМИ ГІДРОТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСУ UA 69092 U UA 69092 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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. Відома система управління енергоспоживанням насосних станцій підприємства комунального господарства [Система управления энергопотреблением насосных станций предприятия коммунального хозяйства: пат. 62668 Рос. Федерация: МПК F09B 51/00 / Кармазинов Ф.В., Беляев А.Н., Волков С.Н. и др.; Гос. унитарное предприятие "Водоканал Санкт-Петербурга". - 2006111790/22; заявл. 10.04.2006; опубл. 27.04.2007, Бюл. №12], що включає модуль перекачування води, який містить два насоси з усмоктувальними і напірними трубопроводами, модуль аналізу діагностованих параметрів, модуль контрольновимірювальних приладів, модуль оптимізації енергоспоживання, завданням якої є вибір оптимального режиму роботи і складу насосного обладнання, що відповідає максимальному коефіцієнту корисної дії (ККД). Ознаки, що збігаються з істотними ознаками пристрою, який заявляється: використання модуля оптимізації енергоспоживання, що дозволяє працювати насосу в енергоефективних режимах роботи. До недоліків цієї системи управління належить: відсутність блока енергетичних моделей і блока визначення техніко-економічних параметрів, що дозволяють визначати втрати потужності у всіх елементах силового каналу електромеханічного комплексу та техніко-економічні показники ГТК при різних способах управління електромеханічними і технологічними параметрами НС. Відомий пристрій, що реалізує 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], що включає насосний агрегат з асинхронним електродвигуном, електрифіковану засувку на напірному патрубку насоса, виконавчий механізм засувки, перший і другий вимикачі, датчик витрати в мережі споживача, датчик витрати на виході насосної станції, встановлений в напірному колекторі, перетворювач частоти, таймер, блок задання параметрів ГТК, блок задання економічних параметрів, який полягає у визначенні втрат потужності на кожному з і-х елементів ГТК і виборі режиму роботи, що відповідає мінімальному енергоспоживанню. Ознаки, що збігаються з істотними ознаками пристрою, який заявляється: використання блока енергетичних моделей, що дозволяє визначати втрати потужності на кожному з і-х елементів ГТК і блока визначення техніко-економічних параметрів. Недоліками пристрою є відсутність блока визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса і блока моделі прогнозної добової кривої водоспоживання. Зазначений пристрій вибрано як прототип пристрою, що заявляється. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу, що дозволить визначати втрати потужності і техніко-економічні показники в усіх елементах силового каналу ГТК з урахуванням реальних режимів роботи споживача і експлуатаційних характеристик обладнання, які змінюються у часі та здійснити вибір енергоефективних режимів експлуатації, що знизить енерговитрати і продовжить термін служби технологічного обладнання. Зазначений технічний результат досягається тим, що встановлюється блок визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса, що враховує технічний стан технологічного обладнання; блок моделі прогнозної добової кривої водоспоживання, яка залежить від наступних факторів: чисельності населення; режиму роботи підприємств; кліматичних умов; сезону року; дня тижня; часу доби; побутового характеру і враховує реальне водоспоживання. 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 1 UA 69092 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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. Пристрій керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу (Фіг.1) включає насосний агрегат 1 з асинхронним електродвигуном 2, статорні затискачі якого підключені до мережі змінного струму через перший вимикач 3, електрифіковану засувку 4 на напірному патрубку насоса, виконавчий механізм засувки 5, перший датчик витрати 6 в мережі споживача, другий датчик витрати 7 на виході насосної станції, встановлений в напірному колекторі, перетворювач частоти 8, вхід якого з'єднаний з промисловою мережею через другий вимикач 9, а вихід підключений до статорних затискачів асинхронного двигуна, таймер 10, перший блок задання параметрів ГТК 11, другий блок задання економічних параметрів 12, третій датчик витрати 13 на виході насосного агрегату, встановлений в напірному патрубку насоса, перший 14, другий 15, третій 16 і четвертий 17 датчики тиску, встановлені на виході насоса, насосної станції, в диктуючій точці мережі і в мережі споживача, відповідно, блок статистичних параметрів ГТК 18, блок моделі прогнозної добової кривої водоспоживання 19, блок формування прогнозних керуючих впливів 20, блок визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса 21, блок визначення техніко-економічних параметрів 22, блок енергетичних моделей 23, що містить моделі ідеального 24 і реального 25 об'єктів, пристрій управління та прийняття рішення 26, причому сигнал з виходу першого блока задання параметрів ГТК 11, пропорційний паспортним параметрам: коефіцієнту корисної дії двигуна , потужності двигуна Р, кількості пар полюсів двигуна р, частоті енергомережі , коефіцієнтам, що залежать від конструкції двигуна і не залежать від способу регулювання його швидкості 1, 2, 3, напрузі U і струму I енергомережі, ковзанню двигуна s, відношенню п пускового і критичного м моменту до номінального моменту, відповідно, відношенню i пускового струму до номінального струму, частоті обертання насосного агрегату ω, коефіцієнтам апроксимації А2, В2, С2, що залежать від конструктивних особливостей відцентрової машини і визначаються за паспортною напірно-витратною характеристикою насоса, статичному напору Нс і гідродинамічному опору Rc мережі, надходить на перший вхід блока енергетичних моделей 23, сигнал з виходу другого блока задання економічних параметрів 12, пропорційний економічним параметрам: вартості нового обладнання і-го елемента С, гідротранспортного комплексу, часу роботи в календарному році tp, періодам оцінки зміни експлуатаційних характеристик відцентрового насоса tn.о.вн і і-го елемента гідротранспортного комплексу tn.o.i, тарифу на електроенергію к, нормативному терміну окупності Тн, надходить на перший вхід блока визначення техніко-економічних параметрів 22, на другий вхід якого надходить сигнал з таймера 10, що фіксує поточний момент часу t0.nоm, сигнали з виходу другого датчика витрати 7 на виході насосної станції, встановленого в напірному колекторі, і третього датчика тиску 16, встановленого в диктуючій точці мережі, надходять на перший і другий входи блока статистичних параметрів ГТК 18, відповідно, з виходу якого надходить сигнал, пропорційний статистичним параметрам ГТК: коефіцієнтам часу доби Kч(t) і дня тижня Km(t), тиску у диктуючій точці гідромережі Pm(t), температурі повітря T(t), атмосферному тиску po(t), на вхід блока моделі прогнозної добової кривої водоспоживання 19, сигнал з виходу якого, відповідний задавальному впливу Q(t), надходить на вхід блока формування прогнозних керуючих впливів 20, сигнали з виходу якого, пропорційні залежності зміни відносної частоти обертання (t) у часі і залежності гідродинамічного опору засувки R3(t) у часі, надходять, відповідно, на другий і третій входи блока енергетичних моделей 23, на четвертий-шостий входи якого надходять сигнали з другого датчика тиску 15 на виході насосної станції, першого датчика витрати 6 і четвертого датчика тиску 17 в мережі споживача, відповідно, сигнали з третього датчика витрати 13 і першого датчика тиску 14 на виході насоса надходять, відповідно, на перший і другий входи блока визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса 21, з виходу якого надходить сигнал, пропорційний коефіцієнтам апроксимації А`2, B`2, C`2, А`3, B`3, D`3 фактичних напірно-витратної і потужнісної характеристик насоса, на сьомий вхід блока енергетичних моделей 23, з виходу якого сигнал, пропорційний сумарним втратам потужності в асинхронному двигуні Рa., Р`a., втратам потужності у відцентровому насосі Рвн., Р`вн., сумарним втратам потужності в перетворювачі частоти Рпч, Р`пч, втратам гідравлічної потужності на засувці Рз, Р`з, втратам гідравлічної потужності на ділянці трубопроводу Ртр., Р`тр., споживаній потужності Р`l., при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання насосного агрегату і споживаній потужності Р`l.r при 2 UA 69092 U 5 10 15 20 регулюванні дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі, надходить на третій вхід блока визначення техніко-економічних параметрів 22, з виходу якого сигнал, пропорційний параметрам W tp, Ер, Токуп, СWi, надходить на вхід блока управління та прийняття рішення 26, з першого і другого виходів якого надходять сигнали Uy1(t), Uy2(t), відповідні керуючим впливам на перетворювач частоти 8 і на робочий орган засувки 4, відповідно, для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Q(t). Пристрій працює наступним чином. Блоком моделі прогнозної добової кривої водоспоживання 19 формують задавальний вплив, що описується багатофакторною регресійною залежністю (Фіг.2) (1) Q(t )  K  a1m (t )  a2K ч (t )  a3K m (t )  a4T(t )  a50 (t ), де K - постійний коефіцієнт моделі; а1-а5 - коефіцієнти регресії; m ( t ) - тиск у диктуючій точці гідромережі; K ч ( t ) - коефіцієнт часу доби; K m (t ) - коефіцієнт дня тижня; T(t) - температура повітря; 0 (t ) - атмосферний тиск, причому продуктивність на виході насосної станції QHC та тиск у диктуючій точці гідромережі m фіксують, відповідно, другим датчиком витрати 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 ( t )  25 30 35 40 45 50  B 2Q( t )  B 2Q 2 ( t )  4 A 2 (C 2Q 2 ( t )  R c Q 2 ( t )) 2 (2) , 2A 2 де A2, B2, C2 - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей відцентрової машини і визначаються за паспортною напірно-витратною характеристикою насоса; Rc - гідродинамічний опір мережі, і залежність гідродинамічного опору засувки у часі A  B2Q( t )  Hc R3 ( t )  2  C2  R c , Q2 ( t ) де Нс - статичний напір мережі. В момент часу t=t0.nom, що фіксується таймером 10, опитують показання першого датчика витрати 6 в мережі споживача Qc, третього датчика витрати 13 на виході насоса QH, першого 14 н, другого 15 нс і четвертого 17 с датчиків тиску, встановлених на виході насоса, насосної станції та в мережі споживача, відповідно, в момент часу t0.nom=tn.о.вн блоком визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса 21 обчислюють фактичні експлуатаційні напірно-витратну та потужнісну характеристики насоса, визначають коефіцієнти апроксимації А`2, B`2, C`2, А`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 напірно-витратними 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 Рв., Р`в., Р`в.r гідравлічну потужність на виході насоса Pг.н., Р`г.н., Pг.н.r, Р`г.н.r на виході насосної станції Рг.нс., Р`г.нс., Рг.нс.r, Р`г.нс.r, в мережі споживача Рг.с., Р`г.с., втрати потужності в сталі Рc., Р`c., міді Рм., Р`м., Рм.r і механічні втрати потужності Рмex., Р`мex. асинхронного двигуна, визначають сумарні втрати потужності в асинхронному двигуні P a.  Pc.  Pм.  Pмex. , P` a.  P`c. P`м.r P`мex. , P` a.r  Pc.ном  P`м.r Pмex.ном , де Pc.ном , Pмex.ном - номінальні втрати потужності в сталі і механічні втрати потужності в асинхронному двигуні, втрати потужності у відцентровому насосі гідравлічної потужності на засувці Pвн.  Pв.  Pг.н. , P`вн.  P`в. P`г.н. , втрати 3 UA 69092 U Pз  Pг.н.r  Pг.нc.r , P`з  P`г.н.r P`г.нc.r , втрати гідравлічної потужності на ділянці трубопроводу Pmp .  Pг.нc.  Pг.c. , P`mp .  P`г.нc. P`г.c. , втрати потужності у випрямлячі Pв , P`в , інверторі 5 Pi , P`i , трансформаторі Pтранс , P`транс перетворювача частоти, сумарні втрати потужності в перетворювачі частоти P nч  Pв  Pi  Pтранс , P` nч  P`в P`i  P`транс , споживану насосним агрегатом потужність при регулюванні частоти обертання P`l.  P`в. P` a.  P` nч і регулювання дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі P`l.r  P`в.r P` a.r  P`з . Блоком визначення техніко-економічних параметрів 22 обчислюють економію електроенергії Wt  (P`l.r P`l. )t p при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання насосного p 10 агрегату і дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі за час tp роботи в календарному році та грошові витрати C W на втрати енергії в і-тому елементі ГТК (асинхронному двигуні i C W , C`W , перетворювачі частоти C W , C`W , відцентровому насосі C W , C`W , a a nч nч вн вн засувці C W , C`W , трубопроводі C W , C`W ) за час tn.o.j, який відповідає періоду оцінки з з mp 15 mp 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 Сі нового обладнання ГТК, за умови ( C`W  C W )  Ci приймають рішення про заміну і-го i i елемента ГТК на новий, за умови ( C`W  C W )  Ci обчислюють річний економічний ефект Ер і i i 20 25 30 35 40 45 50 термін окупності Токуп, при ТокупТн, де Тн - нормативний термін окупності, приймають рішення про регулювання продуктивності зміною частоти обертання і формують керуючий вплив Uyl(t) на перетворювач частоти 8 для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Q(t), при ТoкупТн регулювання продуктивності здійснюють дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі і формують керуючий вплив Uy2(t) на робочий орган засувки 4 для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Q(t). При цьому пристрій управління і прийняття рішення 26 може бути реалізовано на базі відомих мікроконтролерів фірм Microchip, Mitsubishi, Fastwel, Analog Devices. Як перетворювачі частоти 8 можуть бути використані перетворювачі частоти фірм ABB, Schneider Electric, Triol, Siemens. Як датчики витрати 6, 7, 13 і тиску 14-17 можуть бути використані типові датчики серії УЗР. Запропонований пристрій керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу дозволяє здійснювати: прогноз водо- та енергоспоживання на необхідний період часу з урахуванням мінливих чинників, що впливають на роботу споживача; обґрунтування раціональних схем регулювання технологічних параметрів, що дозволить досягти зниження енергоспоживання ГТК, підвищити надійність роботи технологічного обладнання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій керування енергетичними режимами гідротранспортного комплексу, що включає насосний агрегат з асинхронним електродвигуном, статорні затискачі якого підключені до мережі змінного струму через перший вимикач, електрифіковану засувку на напірному патрубку насоса, виконавчий механізм засувки, перший датчик витрати в мережі споживача, другий датчик витрати на виході насосної станції, встановлений в напірному колекторі, перетворювач частоти, вхід якого з'єднаний з промисловою мережею через другий вимикач, а вихід підключений до статорних затискачів асинхронного двигуна, таймер, перший блок задання параметрів гідротранспортного комплексу, другий блок задання економічних параметрів, який відрізняється тим, що він додатково обладнаний третім датчиком витрати на виході насосного агрегату, встановленому в напірному патрубку насоса, першим, другим, третім і четвертим датчиками тиску, встановленими на виході насоса, насосної станції, в диктуючій точці мережі і в мережі споживача, відповідно, блоком статистичних параметрів гідротранспортного комплексу, блоком моделі прогнозної добової кривої водоспоживання, блоком формування прогнозних керуючих впливів, блоком визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса, блоком визначення техніко-економічних параметрів, блоком енергетичних моделей, що включає моделі ідеального і реального об'єктів, пристроєм управління та прийняття рішення, причому сигнал з виходу першого блока задання параметрів гідротранспортного комплексу, пропорційний паспортним параметрам: коефіцієнта корисної дії двигуна , потужності двигуна 4 UA 69092 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Р, кількості пар полюсів двигуна р, частоті енергомережі , коефіцієнтам, що залежать від конструкції двигуна і не залежать від способу регулювання його швидкості 1, 2, 3, напрузі U і струму I енергомережі, ковзанню двигуна s, відношенню п пускового і критичного м моменту до номінального моменту, відповідно, відношенню i пускового струму до номінального струму, частоті обертання насосного агрегату , коефіцієнтам апроксимації А2, В2, С2, що залежать від конструктивних особливостей відцентрової машини і визначаються за паспортною напірновитратною характеристикою насоса, статичному напору Нс і гідродинамічному опору Rc мережі, надходить на перший вхід блока енергетичних моделей, сигнал з виходу другого блока задання економічних параметрів, пропорційний економічним параметрам: вартості нового обладнання іго елемента Сi гідротранспортного комплексу, часу роботи в календарному році tp, періодам оцінки зміни експлуатаційних характеристик відцентрового насоса tn.о.вн і і-го елемента гідротранспортного комплексу tn.o.i, тарифу на електроенергію k, нормативному терміну окупності Тн, надходить на перший вхід блока визначення техніко-економічних параметрів, на другий вхід якого надходить сигнал з таймера, що фіксує поточний момент часу t0.nоm, сигнали з виходу другого датчика витрати на виході насосної станції, встановленого в напірному колекторі, і третього датчика тиску, встановленого в диктуючій точці мережі, надходять на перший і другий входи блока статистичних параметрів гідротранспортного комплексу, відповідно, з виходу якого надходить сигнал, пропорційний статистичним параметрам гідротранспортного комплексу: коефіцієнтам часу доби Kч(t) і дня тижня Km(t), тиску у диктуючій точці гідромережі pm(t), температурі повітря T(t), атмосферному тиску p0(t), на вхід блока моделі прогнозної добової кривої водоспоживання, сигнал з виходу якого, відповідний задавальному впливу Q(t), надходить на вхід блока формування прогнозних керуючих впливів, сигнали з виходу якого, пропорційні залежності зміни відносної частоти обертання (t) у часі і залежності гідродинамічного опору засувки R3(t) у часі, надходять, відповідно, на другий і третій входи блока енергетичних моделей, на четвертий-шостий входи якого надходять сигнали з другого датчика тиску на виході насосної станції, першого датчика витрати і четвертого датчика тиску в мережі споживача, відповідно, сигнали з третього датчика витрати і першого датчика тиску на виході насоса надходять, відповідно, на перший і другий входи блока визначення фактичних експлуатаційних характеристик насоса, з виходу якого надходить сигнал, пропорційний коефіцієнтам апроксимації А`2, B`2, C`2, А`3, B`3, D`3 фактичних напірно-витратної і потужнісної характеристик насоса, на сьомий вхід блока енергетичних моделей, з виходу якого сигнал, пропорційній сумарним втратам потужності в асинхронному двигуні Рa., Р`a., втратам потужності у відцентровому насосі Рвн., Р`вн., сумарним втратам потужності в перетворювачі частоти Рпч, Р`пч, втратам гідравлічної потужності на засувці Рз, Р`з, втратам гідравлічної потужності на ділянці трубопроводу Ртр., Р`тр., споживаній потужності Р`l., при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання насосного агрегату і споживаній потужності Р`l.r при регулюванні дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі, надходить на третій вхід блока визначення техніко-економічних параметрів, з виходу якого сигнал, пропорційний параметрам: економії електроенергії при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання насосного агрегату і дроселюванням потоку рідини в напірному колекторі за час tp роботи в календарному році W tp, річному економічному ефекту Ер, терміну окупності Токуп, грошовим витратам на втрати енергії для i-го елемента гідротранспортного комплексу СWi, надходить на вхід блока управління та прийняття рішення, з першого і другого виходів якого надходять сигнали Uy1(t), Uy2(t), відповідні керуючим впливам на перетворювач частоти і на робочий орган засувки, відповідно, для забезпечення необхідної кривої водоспоживання Q(t). 5 UA 69092 U 6 UA 69092 U Комп’ютерна верстка А. Рябко 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 7