Энергосберегающее регулирование режима работы главных водоотливных установок шахт и рудников средствами электропривода
На правах рукописи
Боченков Дмитрий Александрович ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ СРЕДСТВАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новочеркасск 2010
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высше го профессионального образования «Южно-Российский государственный техни ческий университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент СТАШИНОВ Юрий Павлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент ФАЩИЛЕНКО Валерий Николаевич кандидат технических наук, доцент РОЖКОВ Виктор Иванович
Ведущая организация: Кубанский государственный технологический университет
Защита состоится 23 декабря 2010 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный техниче ский университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 7 ауд. глав ного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Просвеще ния, 132.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке государственного об разовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно Российский государственный технический университет (Новочеркасский поли технический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru.
Автореферат разослан « 18 » ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета П. Г. Колпахчьян
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современный уровень развития общества немыслим без применения энергоэффективной экономики. Федеральным законом «Об энер госбережении и повышении энергетической эффективности» предусмотрено сни жение энергоемкости отечественного валового продукта к 2020 году на 40%. Энер гоэффективности отведено первое место в ряду пяти приоритетов, определенных Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики России.
Одним из способов повышения эффективности функционирования техноло гических установок является энергосбережение с помощью средств электроприво да и автоматики. Так, применение асинхронного частотно-регулируемого привода (АЧРП) в системах промышленного и городского водоснабжения позволяет эко номить до 30–40% электроэнергии за счет снижения частоты вращения насосов в периоды пониженного водопотребления.
На шахтах и рудниках одними из самых энергоемких потребителей являются главные водоотливные установки (ГВУ), на долю которых приходится 30–40% общего потребления электроэнергии предприятием.
Указанные установки как объекты энергосбережения средствами электро привода имеют ряд существенных технологических особенностей, которые не по зволяют непосредственно перенести на них решения, разработанные для систем водоснабжения.
Поэтому возникает необходимость установления рациональных областей применения АЧРП для основных используемых на практике типоразмеров шахт ных центробежных насосов, а также разработка новых энергосберегающих спосо бов регулирования режимов их работы, что является важной научно-технической задачей.
Диссертационной работа выполнена в рамках базового научного направления ГОУ ВПО «ЮРГТУ НПИ» «Энергетика и энергосбережение» и госбюджетной те мы П-3-843 «Энергосберегающие технологии в электроприводе шахтных машин и установок».
Объектом исследования является электропривод ГВУ шахт и рудников и энергосберегающие способы регулирования режимов его работы.
Цель работы – установление рациональной области применения АЧРП на ГВУ шахт и рудников, научное обоснование и разработка способов регулирования режимов работы насосных агрегатов, позволяющих повысить энергоэффектив ность функционирования ГВУ шахт и рудников.
Идея работы – в применении в составе ГВУ шахт и рудников подкачиваю щих насосов (ПН), оборудованных АЧРП с экстремальной поисковой системой управления, обеспечивающей работу водоотливной установки с минимальным удельным расходом электроэнергии.
Основные задачи исследования:
1. Анализ технологических особенностей ГВУ шахт и рудников с точки зре ния возможности повышения энергоэффективности и выбор направления энерго сберегающего регулирования режимов их работы.
2. Обобщенное аналитическое описание рабочих характеристик насосных аг регатов при регулировании частоты вращения рабочих колес.
3. Разработка математических моделей и алгоритмов оценки энергоэффек тивности регулирования режима работы насосных агрегатов изменением частоты вращения рабочих колес и определение на их основе рациональной области при менения АЧРП насосов ГВУ шахт и рудников.
4. Разработка и исследование новых энергосберегающих способов регулиро вания режима работы ГВУ шахт и рудников.
5. Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка режимов работы ГВУ шахт и рудников с энергосберегающими способами регулирования.
6. Разработка рекомендаций по методике проектирования систем энергосбе регающего регулирования ГВУ с подкачивающими насосами и по выбору их па раметров.
Методы исследований. В работе использованы методы математического анализа, численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, теории проведения и обработки результатов эксперимента. Аналитические иссле дования проведены на ЭВМ с использованием программы Mathcad и математиче ских моделей в системе MatLab, а экспериментальные – на физической модели ус тановки.
Научная новизна 1. Обобщенное описание рабочих характеристик центробежных насосов при регулировании режима работы изменением частоты вращения рабочих колес, от личающееся аппроксимацией зависимостей напора и КПД насоса от подачи при номинальной частоте вращения полиномами произвольных степеней.
2. Математическая модель и алгоритм анализа энергетических показателей насосных агрегатов при регулировании частоты вращения, позволяющие в едином цикле получать графики зависимостей удельного расхода электроэнергии от вели чины подачи насоса, с фиксацией координат оптимальных режимов работы, для совокупности шахтных центробежных насосов при различных вариантах парамет ров гидравлической сети.
3. Способы энергосберегающего экстремального регулирования режима ра боты насосных агрегатов ГВУ шахт и рудников средствами регулируемого элек тропривода с воздействием на частоту вращения относительно маломощных под качивающих насосов на основе информации об удельном расходе электроэнергии основными насосными агрегатами.
4. Математические и компьютерные модели насосных установок в составе основного насоса и подкачивающего насоса с АЧРП, реализующие энергосбере гающие способы регулирования.
Защищаемые положения 1. Снизить удельный расход энергии электроприводом ГВУ шахт и рудников на 5–10%, а во многих случаях не более 5%, можно регулированием частоты вра щения насосных агрегатов в узком диапазоне, не превышающем, как правило, 4–9%, с изменением напора в пределах доли напора, развиваемого одним рабочим колесом насоса.
2. Оборудование насосов ГВУ шахт и рудников АЧРП, с целью снижения энергопотребления, сталкивается с техническим противоречием: управляющему воздействию подвергаются все рабочие колеса, с необходимостью использования для регулирования частоты вращения дорогостоящих высоковольтных преобразо вателей частоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было бы осуществлять воздействие только на одно рабочее колесо.
3. Разрешить указанное техническое противоречие с достижением того же энергетического эффекта при существенно меньших затратах позволяет включение в состав ГВУ шахт и рудников подкачивающих насосов, оборудованных низко вольтным АЧРП с экстремальной поисковой системой управления, осуществляю щей регулирование частоты вращения привода ПН в более широком диапазоне на основе информации о текущем удельном расходе электроэнергии приводом основ ного насоса.
4. Расширение диапазона регулирования подачи при минимальной мощности привода ПН и устойчивой работе основного насосного агрегата обеспечивает при менение комбинированного способа энергосберегающего регулирования с допол нительным, управляемым частотой вращения ПН, дозированным подводом возду ха на вход основного насосного агрегата.
Достоверность научных положений и выводов Подтверждается корректным применением проверенных математических ме тодов исследования и компьютерного моделирования, достаточной сходимостью результатов моделирования и эксперимента (максимальное расхождение менее 11%).
Практическая ценность Реализация предложенных в работе способов регулирования и методики проектирования водоотливных установок с подкачивающими насосами, оборудо ванными АЧРП, позволит, благодаря минимизации расхода электроэнергии, улуч шить экономические показатели работы ГВУ шахт и рудников.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладыва лись на 2-й международной, посвященной 100-летию НПИ, и 56-й научно практической конференции, г. Шахты, 2007 г.;
Международном симпозиуме «Не деля горняка-2008», г. Москва, 2008 г.;
Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации гор нодобывающих и перерабатывающих предприятий», г. Санкт-Петербург, 2008 г.;
Всероссийской 57-й научно-практической конференции, посвященной 50-летию ШИ (Ф) ЮРГТУ (НПИ), г. Шахты, 2008 г.;
Международном симпозиуме «Неделя горняка-2009», г. Москва, 2009 г.;
Международной научно-практической конфе ренции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодо бывающих и перерабатывающих предприятий», г. Санкт-Петербург, 2009 г.;
58-й региональной научно-практической конференции «Перспективы развития Восточ ного Донбасса», г. Шахты, 2009 г.;
Научно-практической конференции «Развитие топливно-энергетического комплекса и повышение энергоэффективности эконо мики юга России», г. Ростов-на-Дону, 2009 г.;
Всероссийском конкурсе научно исследовательских работ аспирантов и молодых учёных в области энергосбереже ния в промышленности «Эврика-2010» (г. Новочеркасск, 2010 г, Диплом 3-й сте пени). В полном объёме работа доложена на семинаре «Электрификация и энерго сбережение в горной промышленности» международного симпозиума «Неделя горняка-2010», г. Москва, 2010 г. и на кафедре «Электропривод и автоматика » ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ), 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе два патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 139с машинописного текста, включая 69 рисунков, 13 таблиц, список литературы, содержащий 104 наименования, и приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, важность энергосбережения, необходимость применения энергосберегающих решений на ГВУ шахт и рудни ков.
В первой главе диссертационной работы выполнен анализ состояния вопро са, рассмотрен опыт и эффективность применения регулируемого привода в сис темах промышленного и городского водоснабжения. Рассмотрены основные тех нологические особенности шахтных водоотливных установок, способы организа ции их работы, сформулированы проблемы, требующие решения, проанализирова ны работы по применению регулируемого привода на ГВУ шахт и рудников.
Различным аспектам АЧРП посвящены работы М. И. Чиликина, А. С. Санд лера, М. Г. Юнькова, Н. Ф. Ильинского, Г. Г. Соколовского и других ученых.
Проблемы повышения эффективности шахтного водоотлива и методы регулирова ния подачи насосов рассматривались в работах В. Г. Гейера, Г. М. Тимошенко, В.М. Попова, Н. Г. Картавого, Г. М. Еланчика и др.
Известны работы Лезнова Б. С., Браславского И. Я., Бабокина Г. И., Школь никова А. Д., Черняховского Р. Л. и др. по применению регулируемого электро привода на насосных и воздуходувных установках. Работы по применению регу лируемого электропривода турбомеханизмов активно ведутся в НИИ «ВОДГЕО», ООО «Ягорба-2», МЭИ (ТУ), СПГГИ (ТУ), ТулГУ, УрФУ, ОАО “Электропривод” и других организациях.
Изучение состояния вопроса показывает, что вопросы применения АЧРП на сосов ГВУ шахт и рудников до настоящего времени исследованы недостаточно. В основном на частных примерах оцениваются возможности снижения затрат элек троэнергии без учета связанных с этим дополнительных капитальных вложений.
Анализ опубликованных материалов и практического опыта позволяет говорить о недостаточной энергоэффективности традиционных схем организации работы во доотливных установок, существовании проблемы некритичного переноса резуль татов применения регулируемого привода в системах промышленного и бытового водоснабжения на ГВУ шахт и рудников без учёта ряда существенных технологи ческих особенностей таких установок.
Наиболее важными особенностями ГВУ с точки зрения применения на них регулируемого электропривода являются следующие:
1. Шахтные водоотливные установки в течение суток должны выдать на по верхность шахты (поднять на геодезическую высоту НГ, м) объем воды, равный суточному притоку Qc, т. е., независимо от частоты вращения рабочих колес насо са, выполнить определённую полезную работу, АП = g QС H Г, Дж, затратив на A это из питающей сети A0 = П, Дж, где – плотность шахтной воды, кг/м3, g – ускорение свободного падения, м/c2, 0 – общий КПД насосной установки, равный произведению КПД насоса Н, трубопровода Т, приводного электродвигателя М, преобразователя П (при наличии такового) и питающей сети С.
Из приведенных соотношений следует, что минимизировать расход электро энергии водоотливной установкой можно только обеспечением работы её с макси мальным значением общего КПД 0 (с минимальным удельным расходом энер гии).
2. ГВУ шахт и рудников оборудуются многоступенчатыми центробежными насосами, как правило, с высоковольтным асинхронным электроприводом мощно стью 500 и более кВт. Регулирование режима работы в этом случае требует приме нения мощных высоковольтных дорогостоящих преобразователей частоты.
3. При округлении расчетного количества рабочих колес насоса до ближай шего целого возникает, как правило, избыточный по сравнению с расчетным напор (в пределах доли напора колеса), что приводит к ухудшению энергетических пока зателей работы водоотливной установки.
4. Малые потери напора в трубопроводе H по отношению к геодезической высоте подачи H / H Г 5...10% и, как следствие, жёсткая характеристика гид равлической сети, позволяющая изменять подачу Q насоса регулированием часто ты вращения рабочих колёс в узком диапазоне, что необходимо учитывать при вы боре варианта регулируемого привода насосных агрегатов.
5. Шахтные центробежные насосы ЦНС 300-1040 и ЦНС 300-1300 с номи нальной частотой вращения 3000 об/мин, мощностью привода 800…1600кВт из-за недостаточной всасывающей способности рассчитаны на работу совместно с под качивающими насосами ВП 340-18л с подачей до 340 м3/ч, напором 18 м и мощно стью двигателя 40 кВт. Возможно применение ПН и с другими типами шахтных насосов, что несколько усложняет и удорожает водоотливную установку, но, вме сте с тем, исключает кавитационные явления и необходимость применения в со ставе водоотливной установки заливочных насосов.
Выполненный анализ возможных вариантов организации работы ГВУ шахт и рудников показал, что перспективным путём энергосбережения является обеспе чение функционирования установки в режиме минимальных удельных затрат элек троэнергии средствами регулируемого электропривода.
Анализ состояния вопроса позволил определить цель и основные задачи дис сертационного исследования, решение которых необходимо для повышения энер гоэффективности ГВУ шахт и рудников.
Вторая глава посвящена теоретическому анализу энергетических режимов работы ГВУ шахт и рудников, что потребовало обобщённого описания рабочих характеристик шахтных центробежных насосов при регулировании частоты вра щения. При аппроксимации напорной характеристики насоса для номинальной частоты вращения n Н полиномом N-ой степени N H = ai Q i i = получено уравнение напорной характеристики насоса для произвольной относи тельной частоты вращения n* = n / nН :
N H (n* ) = ai n* i Q i (n* ), i = а также уравнение, связывающее подачу с частотой вращения N ai n* i Q i (n* ) RT Q 2 H Г = 0, i = где RТ – гидравлическое сопротивление (постоянная) трубопровода.
В частном случае при использовании полинома второй степени с коэффици ентами: a0 = H 0, a1 = A, a 2 = B получены зависимости подачи от относительной частоты вращения A n* ± A 2 n*2 + 4( B + RТ ) ( H 0 n*2 H Г ) Q (n* ) = 2( B + RТ ) и требуемой частоты вращения от подачи AQ + [ A 2 + 4 H 0 ( B + RТ )] Q 2 + 4 H 0 H Г n* =, 2H При аппроксимации зависимости КПД насоса от подачи для номинальной частоты вращения 1 (Q ) полиномом M-й степени M 1 (Q ) = ci Q i i = получена указанная зависимость для произвольной частоты вращения i Q (n* ) M n (Q (n* )) = ci n, * i = а также соотношения для пересчета мощности и энергии, потребляемой приводом насосного агрегата:
Q(n* ) 0 (n* = 1) P (n* ) P* (n* ) = =, P (n* = 1) Q(n* = 1) 0 (n* ) (n = 1) W (n* ) W* (n* ) = =0*, W (n* = 1) 0 (n* ) 0 – общий КПД насосной установки.
где С использованием полученных соотношений разработан алгоритм анализа энергетических показателей работы водоотливной установки и, в частности, пове дения относительных удельных энергозатрат е*, реализованный в системе MathCad, при изменении частоты вращения, а, следовательно, и подачи, для типоразмеров насосных агрегатов.
Технические данные насосов (номинальные подачи, коэффициенты аппрок симации напорных характеристик и характеристик КПД для номинальной частоты вращения) были занесены построчно в матрицу. Аппроксимация зависимости 1 (Q ) осуществлялась полиномом третьей степени. Расчёты выполнялись в цикле по индексу, соответствующему номеру столбца.
Значения удельных энергозатрат вычислялись при диапазоне изменения от носительной частоты вращения n* = 0,7…1,2 с шагом 0,001, устанавливаемым в на чале цикла.
Расчеты выполнены для нескольких вариантов параметров трубопроводов.
По результатам расчетов получены в графическом виде зависимости удельного расхода электроэнергии e* от относительной подачи для 67 типоразмеров насосов.
За базовые значения приняты удельные энергозатраты, соответствующие работе насосов с номинальной частотой вращения.
Выполненные расчёты показали наличие для абсолютного большинства ти поразмеров насосных агрегатов режима работы с минимальным удельным расхо дом электроэнергии (максимальным КПД насосной установки) в области подач, несколько меньших номинальных величин, как это видно в частном случае на рис. 1 для шахтных центробежных секционных насосов ЦНС 180 и ЦНС 300.
Основной вариант (жирные линии на рисунке) соответствует стандартному набору местных сопротивлений, приводимых в справочных данных, и скорости движения воды в нагнетательном трубопроводе 2 м/с. Другие крайние варианты, изображённые прерывистыми линиями, соответствуют скоростям движения воды в нагнетательном трубопроводе 1,8 и 2,5 м/с.
Рис. 1. Результат расчета поведения удельных энергозатрат Определён требуемый диапазон регулирования относительной частоты вра щения рабочих колёс n* для перевода насосных установок в режим работы с мини мальным расходом электроэнергии. Результаты приведены на рис. 2, где по оси абсцисс отложены номера (от 1 до 67) типоразмеров насосных агрегатов.
Рис. 2. Необходимые диапазоны регулирования частоты вращения для 67 типоразмеров насосов По результатам расчётов была выполнена оценка ресурсов экономии элек троэнергии при оборудовании водоотливных установок регулируемым приводом (рис. 3).
Рис. 3. Экономия электроэнергии при регулировании Установлено, что возможное снижение затрат электроэнергии не превышает 15 %, а для значительной части насосов лежит в диапазоне 5 – 10% при изменении относительной частоты вращения, не превышающем, как правило, 10%, что пока зано на рис.3 и 4а.
а) б) Рис. 4. Распределение 67 типоразмеров насосов: а) – по требуемому снижению частоты вращения;
б) – по экономии электроэнергии при внедрении АЧРП основных насосных агрегатов Таким образом, выявлено техническое противоречие: воздействию при вне дрении АРЧП основного насоса подвергаются все рабочие колеса, что требует применения дорогостоящих, как правило, высоковольтных преобразователей час тоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было бы осуществлять управляющее воздействие только на одно рабочее колесо.
При учете же этих потерь, которые для современных высоковольтных пре образователей частоты на IGBT транзисторах составляют 2-2,5%, применение АЧРП для большинства типоразмеров насосных агрегатов оказывается экономиче ски неоправданным, что заставляет искать менее затратные пути повышения энер гоэффективности функционирования ГВУ шахт и рудников.
Третья глава посвящена разработке и исследованию энергосберегающих способов регулирования режимов работы ГВУ шахт и рудников. Для разрешения указанного выше технического противоречия предлагается использовать в составе водоотливных установок подкачивающие насосы (ПН) с низковольтным асин хронным частотно-регулируемым приводом (рис. 5).
Как видно из рисунка, режим работы установки с максимальным КПД в точке В достигается снижением частоты вращения подкачивающего насоса до значения n2.
В условиях изменяющихся параметров насоса и сети для минимизации расхо да электроэнергии предложен способ регулирования режима работы водоотливной установки с применением поисковой экстремальной системы управления частотой вращения приводного двигателя ПН на основе информации о текущем значении удельного расхода электроэнергии а) б) Рис. 5. Совместная работа центробежного насоса НА с подкачивающим насосом НА2, оборудованным АЧРП 1 – характеристика трубопровода;
2 – напорная характеристика основного насоса;
3, 4 – напорные характеристики подкачивающего насоса при номинальной и сниженной частоте вращения;
5, 6 – суммарные напорные характеристика насосов при номинальной и сниженной частоте вращения ПН.
Функциональная схема такой системы управления приведена на рис. 6. Сис тема работает следующим образом. Периодически, например, после очередного за пуска в работу насосного агрегата, измеряют подачу Q и мощность P, потребляемую приводом М1 основного насосного агрегата НА1;
определяют удельный расход электроэнергии E=P/Q и изменением частоты выходного напряжения преобразова теля ПЧ, питающего электродвигатель М2 подкачивающего насоса НА2, устанавли вают режим работы насосной установки, соответствующий минимальной величине удельных энергозатрат E.
При реализации данного способа необходимо иметь в виду, что диапазон ре гулирования подачи снижением частоты вращения ПН ограничен допустимым разрежением на входе основного насоса. При необходимости его расширения предлагается применение комбинированного способа регулирования (рис. 7): до полнительным дозированным впуском воздуха через вентиль В в трубопровод, со единяющий основной и подкачивающий насосы, при появлении в нём разрежения в процессе снижения частоты вращения ПН. Стабилизацию разрежения, а, следо вательно, и количества подсасываемого воздуха осуществляют регулированием частоты вращения привода ПН аналогично предыдущему способу.
Рис. 7. Функциональная схема системы Рис. 6. Функциональная схема системы комбинированного энергосберегающего энергосберегающего регулирования регулирования режима работы шахтной водоотливной установки Четвертая глава посвящена компьютерному моделированию и проверке предложенных теоретических выводов на физической модели. Математическая модель водоотливной установки в составе основного и подкачивающего насосов при аппроксимации их характеристик полиномами второй степени для установив шегося режима работы описывается следующей системой уравнений:
H = H 0 + A Q B Q 2 ;
h = H 01 n*2 + A1 n* Q B1 Q 2, H = H + H 01 n*2 + ( A1 n* + A1 ) Q ( B + B1 ) Q 2.
Координаты рабочей точки основного центробежного насоса определяются в результате совместного решения уравнений результирующей напорной характери стики и характеристики трубопровода (сети):
H = H Г + RТ Q 2.
Получена следующая зависимость подачи Q от относительной частоты вращения n* подкачивающего насоса:
A1 n* + A + ( A1 n* + A) 2 + 4 ( RT + B + B1 ) ( H 01 n*2 + H 0 H Г ) Q(n* ) =.
2 ( RT + B + B1 ) На рис. 8 приведена компьютерная модель установки в приложении Simulink MatLab.
Рис. 8. Компьютерная модель системы энергосберегающего управления шахтной водоотливной установкой На рис. 9 представлена компьютерная модель установки с комбинированным способом регулирования, отличающаяся от предыдущей введением подсистем расчета напорной характеристики и КПД основного насоса при впуске воздуха.
Модели предусматривают два варианта изменения частоты вращения электропри вода ПН: непрерывно и дискретное.
Рис. 9. Компьютерная модель комбинированного способа На рис.10 в качестве примера приведены результаты моделирования работы водоотливной установки в составе центробежного секционного насоса ЦНС 180 600 и ПН с параметрами одноколесного насоса 8НДв-60 (рис. 11, а), а также уста новки с насосом ЦНС 300-600 при использовании подкачивающего насоса ВП-340 18Л в комбинации с управляемым подсосом воздуха (рис. 11, б).
Представленные графики иллюстрируют изменение подачи Q*, КПД и относительных удельных энергозатрат e* насосной установки при снижении час тоты вращения подкачивающего насоса. Отмечается наличие режима работы с ми нимальным удельным расходом энергии и появление характерных изломов на гра фиках, соответствующих началу впуска воздуха.
а) б) Рис. 10. Результаты моделирования Целью эксперимента на физической модели являлась проверка адекватности разработанной компьютерной модели и возможности устойчивой работы насосной установки с управляемым подсосом воздуха.
На рис. 11 изображен внешний вид экспериментальной установки и ее схема.
Рис. 11. Экспериментальная установка с подкачивающим насосом Установка состоит из основного насоса типа БЦ 1,1-18 и ПН типа НЭ, поме щенного в емкость с жидкостью. Для учета расхода жидкостей установлены счет чики расхода типа СГВ 15. Величины давлений и разряжений измерялись мано метрами типа МТИ-1 классов 0,4 и 1,0. На входе насоса БЦ 1,1-18 был установлен вентиль игольчатого типа, через который подавался воздух в насос при появлении разряжения, а количество подаваемого воздуха определялось по реометру типа ЭТМ НИИГТ. Мощность двигателя основного насоса измерялась ваттметром типа Д5065 класса 0,5. Питание электродвигателя подкачивающего насоса осуществля лось от преобразователя частоты типа СМ1 50/3 фирмы SIEMENS.
Для компьютерного моделирования были сняты характеристики лаборатор ного оборудования и произведена аппроксимация данных по методу минимума среднеквадратичного отклонения. Результаты проведения эксперимента и компью терного моделирования работы экспериментальной водоотливной установки пред ставлены на рис.12.
Рис. 12. Результаты эксперимента и компьютерного моделирования работы экспериментальной водоотливной установки При проведении опыта минимальные удельные энергозатраты составили 118,71 Вт·ч/м3, по результатам компьютерного моделирования – 132,5 Вт·ч/м3. Аб солютная погрешность составила 13,79 Вт·ч/м3, что составляет 10,4 %.
Экспериментами подтверждена устойчивая работа основного насоса в ком плекте с ПН при подсосе воздуха вплоть до 50% от подачи насоса, что значительно превышает объёмы, необходимые для минимизации энергопотребления.
В пятой главе приведены рекомендации по проектированию водоотливных установок, оборудованных ПН, а также выполнена оценка возможности использова ния ряда насосов в качестве подкачивающих.
При выборе водоотливной установки, содержащей ПН с регулируемым при водом, предлагается производить вначале расчет трубопровода, а затем использо вать следующую формулу для определения требуемого количества рабочих колес основного насоса: z = ( H М H П ) / H К, где Н М – требуемый манометрический напор, м;
Н П – номинальный напор подкачивающего насоса, м;
Н К – напор на одно колесо основного насоса, м.
Манометрический напор Н М определяется по заданной производительности насоса при расчётном сопротивлении трубопровода. Определение возможностей ис пользования подкачивающих насосов производится путем решения системы урав нений и неравенств.
Уравнения, приведенные на рис. 13, связывают между собой напоры, созда ваемые основным и подкачивающим насосом, с потерями напора в нагнетательном трубопроводе. Неравенства учитывают ограничение разряжения на входе основного насоса и диапазона регулирования частоты вращения ПН. Решение систем уравне ний, где искомой переменной служит относительная частота вращения привода под качивающего насоса в режиме минимального удельного расхода электроэнергии (максимального КПД водоотливной установки), проведено в системе MathCAD.
H 01 n 2 + A1 Q n B1 Q 2 ( h1 + h1 ) + H 0 + A Q B Q 2 = H Г + RТ Q H 01 n1 + A1 Q n1 B1 Q 2 ( h1 + h1 ) 1;
n1 1, где Q1 – подача, соответствующая максимуму КПД насосной установки;
h1 – потери напора во всасывающем трубопроводе;
h1 – высота колодца;
n Н – номинальная частота вращения ПН;
n1 –частота вращения ПН в режиме минимума удельных энергозатрат.
Рис. 13. К определению параметров подкачивающего насоса 1 – напорная характеристика основного насоса;
2-суммарная напорная характеристика;
3-характеристика трубопровода На рис. 14 представлены результаты расчета номинальных напоров подкачи вающих насосов, которые они должны развивать при работе с основными насосами.
Рис. 14. Необходимые номинальные напоры подкачивающих насосов По графикам можно установить, что требуемые напоры ПН имеют относи тельно небольшую величину.
Диапазоны мощностей ПН, соответствующие рассчитанным напорам, приве дены на рис.15.
Рис. 15. Необходимые номинальные мощности подкачивающих насосов Соотношения мощностей основного и подкачивающего насосов при рассчи танных напорах приведены на рис.16.
Полученные результаты показывают, что требуемая для обеспечения энерго сберегающего режима работы ГВУ шахт и рудников мощность регулируемого при вода ПН в десятки раз меньше мощности основных насосных агрегатов.
Рис. 16. Необходимые соотношения мощностей основного и подкачивающего насосов ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе научно обоснована и, на основе комплекса теоре тических и экспериментальных исследований, а также разработок, решена важная научно-техническая задача повышения энергетических показателей работы ГВУ шахт и рудников применением в их составе одноколёсных подкачивающих насо сов с асинхронным частотно-регулируемым приводом.
Основные научные и практические результаты выполненной работы сводятся к следующему:
1. Разработано обобщённое описание рабочих характеристик центробежных насосов с регулируемой частотой вращения при аппроксимации зависимостей на пора и КПД от подачи для номинальной частоты вращения полиномами произ вольных степеней. В частном случае получены соотношения, позволяющие: по строить напорную характеристику насоса для любой частоты вращения;
опреде лить подачу насоса при заданной частоте вращения и, наоборот – частоту враще ния для получения требуемой подачи;
проанализировать поведение энергетиче ских показателей при регулировании режима работы изменением частоты враще ния рабочих колёс.
2. Разработан алгоритм и программная реализация расчёта энергетических показателей работы ГВУ шахт и рудников при регулировании режима изменением частоты вращения, с представлением исходных данных в матричном виде. По ре зультатам расчётов для 67 типоразмеров насосов получены зависимости удельного расхода электроэнергии от частоты вращения и, соответственно, подачи, подтвер дившие наличие режима работы насосных агрегатов с минимальным расходом энергии.
3. По результатам расчётов произведена оценка ресурсов экономии электро энергии при оборудовании водоотливных установок регулируемым приводом. По казано, что возможное снижение затрат электроэнергии при переводе установки в режим минимального энергопотребления не превышает 15%, а для значительной части насосов лежит в диапазоне 5 – 10%.
4. Установлено, что требуемый для этого диапазон регулирования частоты вращения для большинства насосных агрегатов не превышает 10% номинальной частоты вращения, с изменением напора в пределах доли напора, развиваемого од ним рабочим колесом насоса.
5. В результате выполненного анализа выявлено техническое противоречие:
при внедрении АРЧП основного насоса воздействию подвергаются все рабочие колеса, что требует применения дорогостоящих, как правило, высоковольтных преобразователей частоты, тогда как для достижения энергоэффективного режима работы достаточно было бы осуществлять управляющее воздействие только на од но рабочее колесо.
6. Для разрешения указанного технического противоречия предложено ис пользовать в составе водоотливных установок одноколёсные ПН, оборудованные низковольтным АЧРП.
7. С учётом того, что параметры насосов и сети в процессе работы не остают ся постоянными, для минимизации расхода электроэнергии разработаны на уровне изобретений способы энергосберегающего регулирования режима работы водоот ливных установок с применением поисковой экстремальной системы управления частотой вращения приводного двигателя ПН на основе информации о текущем значении удельного расхода электроэнергии.
9. Разработаны математические и компьютерные модели водоотливных уста новок в составе основного насоса и подкачивающего насоса с регулируемым при водом. Компьютерным моделированием подтверждены результаты теоретического анализа поведения удельного расхода электроэнергии при регулировании работы водоотливной установки изменением частоты вращения подкачивающего насоса.
10. Для проверки предложенных технических решений создана эксперимен тальная установка в составе основного насосного агрегата и подкачивающего на соса с АЧРП, с возможностью управляемого подсоса воздуха на вход основного насоса. Результатами экспериментов подтверждена адекватность разработанных математических и компьютерных моделей, а также, благодаря принудительной по даче воды подкачивающим насосом на вход основного насоса, устойчивая работы основного насоса при дополнительном регулировании режима работы дозирован ным управляемым подсосом воздуха.
11. Выполнена оценка требуемых параметров ПН для основных типоразме ров шахтных центробежных насосов и разработана методика проектирования во доотливных установок с регулируемым приводом ПН.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
1. Боченков Д. А. Энергосберегающее регулирование режима работы глав ных водоотливных установок шахт и рудников средствами электропривода / Из вестия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2010. – №4.
– С.42 – 45.
2. Способ регулирования режима работы водоотливной установки. Пат.
2375606 Рос. Фед.: МПК F04D 29/041.– 2008111700/06;
Заявл. 26.03.2008;
опубл.
10.12.2009;
Бюл. № 34.
3. Способ регулирования режима работы водоотливной установки. Пат.
2403452 Рос. Фед.: МПК F04D 15/00.– 2008149672/06;
Заявл. 16.12.2008;
опубл.
10.11.2010;
Бюл. № 31.
4. Сташинов Ю. П., Боченков Д. А., Волков В. В. Технические и энергетиче ские аспекты применения регулируемого привода на главных водоотливных уста новках шахт / Горное оборудование и электромеханика, – 2008. –№11.– С. 22 – 25.
5. Сташинов Ю. П., Боченков Д. А. К пересчету напорной характеристики центробежного насоса при изменении частоты вращения рабочих колес / Горное оборудование и электромеханика. –2008. –№12. –С. 18 – 20.
6. Боченков Д. А. Анализ влияния величины подачи центробежного секци онного насоса на КПД водоотливной установки // Перспективы развития Восточ ного Донбасса: cб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ “Набла” ЮРГТУ (НПИ), 2008. – Ч. 2.– С. 61 – 65.
7. Боченков Д. А., Бабкина Л. А. Оптимизация режима работы шахтной во доотливной установки применением регулируемого привода подкачивающего на соса // Перспективы развития Восточного Донбасса: cб. науч. тр. / Шахтинский ин т (фил.) Юж. Рос. гос. техн. ун-та (НПИ).– Новочеркасск: УПЦ “Набла” ЮРГТУ (НПИ), 2008. –Ч. 2.–С. 83 – 88.
8. Боченков Д. А., Сташинов Ю. П., Бабкина Л. А. Моделирование системы энергосберегающего управления шахтной водоотливной установкой. // Перспекти вы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. По материалам 58-й регион. науч. практ. конф./ Юж. Рос. гос. техн. ун-т (НПИ);
Шахт. ин-т (фил.) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ. – 2009. – С. 54 – 60.
9. Боченков Д. А., Волков В. В., Сташинов Ю. П. Комбинированный энерго сберегающий способ регулирования режима работы шахтной водоотливной уста новки /Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009.– Отд. вып. №8.
Электрификация и энергосбережение. – С. 71 – 77.
10. Боченков Д. А. Исследование влияния подачи насосных агрегатов на энергетические показатели работы шахтных водоотливных установок // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. По материалам 58-й регион. науч.-практ. конф. / Юж. Рос. гос. техн. ун-т (НПИ);
Шахт. ин-т (фил.) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ. – 2009. – С. 65 – 69.
Боченков Дмитрий Александрович ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ СРЕДСТВАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Автореферат Подписано в печать 16.11.2010.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 48-1174.
Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения,