Энергосберегающие способы выбора параметров и оптимизации управления группой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах (стр. 1 )

На правах рукописи

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СПОСОБЫ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ И ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ЛОПАСТНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

03.00.23 – биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Щелково - 2008

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности РАСХН

и Московском институте коммунального хозяйства и строительства

Научный консультант:
Заслуженный деятель науки, доктор биологических наук, профессор
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
доктор технических наук
доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

научно-исследовательский и проектный институт агропромышленного комплекса» (Роснипиагропром)

Защита состоится 26 декабря 2008г в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д 006.069.01 во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности Московская область, Щелковский район, п/о Кашинцево, ВНИТИБП;

e-mail: vnitibp @*****

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности

Автореферат разослан … ………..2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Применение энергосберегающих технологий в промышленности позволяет достичь на предприятиях в целом экономии электроэнергии 15-30% от ее общего расхода. При этом стоимость оснащения 1 кВт мощности энергоустановки преобразователями электроэнергии составляет всего в среднем от 100 до 200 долларов США за 1 кВт в зависимости от мощности установки, величины напряжения и конструктивных особенностей преобразователя.

Существенный вклад в развитие энергосберегающих методов управления работой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах внесли: , , , , и другие.

Современные энергосберегающие технологии позволяют с минимальными капитальными затратами обеспечить существенную экономию электроэнергии и энергообеспеченность предприятий промышленности и сельского хозяйства. Для крупномасштабного решения проблемы необходим поиск оптимальных конструктивно-технологических и технико-экономических решений и разработка научно-обоснованных методов управления энергетическим оборудованием и сбережения электроэнергии в промышленных условиях.

Применение регулируемых электроприводов позволит сэкономить до 5-7% топлива на предприятиях теплоэнергетики и снизить в 1,5-2,0 раза износ машин и механизмов, уменьшить в 1,5-2,9 раза аварийность гидросистем отопления и водоснабжения за счет исключения гидроударов, что особенно важно для изношенных гидросетей предприятий АПК.

Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП РАСХН и кафедре Коммунального и промышленного водопользования МИКХиС.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлось энергосбережение путем регулирования насосными и воздуходувными установками в системах водоснабжения и водоотведения (в сооружениях аэробной биологической очистки)

При выполнении работы были поставлены следующие задачи.

1. Обобщить существующую информацию по системам управления электроприводов энергоустановок в очистных сооружениях населенных пунктов и предприятий АПК.

2. Выполнить анализ технологических режимов работы насосных и воздуходувных установок и способов регулирования группой лопастных нагнетателей в условиях эксплуатации современных систем аэробной биологической очистки.

3. Разработать математическую модель функционирования лопастного нагнетателя в нестационарном технологическом процессе.

4. Оценить влияние выбора способа управления лопастным насосным агрегатом и характера распределения нагрузки во времени на определение его оптимальных параметров.

5. Провести комплекс расчетно-экспериментальных исследований по разработке методов выбора оптимальных технических решений при создании систем энергоснабжения и регулирования технологическим оборудованием сооружений аэробной биологической очистки сточных вод.

6. Разработать и обосновать способы снижения потребления электроэнергии при реализации биотехнологических процессов переработки отходов (очистки сточных вод).

7. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой насосной установки с одним насосным агрегатом с регулируемым приводом.

8. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления при работе группы параллельно подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом при переменной нагрузке.

9. Разработать практические рекомендации по снижению потребления электроэнергии насосными и воздуходувными установками в процессе эксплуатации сооружений аэробной биологической очистки сточных

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель функционирования насосного агрегата с регулируемым электроприводом при переменной нагрузке в нестационарных технологических процессах.

2. Разработаны методы определения оптимальных параметров насосного агрегата при переменной нагрузке по минимуму затрат энергии с использованием численных методов и математической модели виртуального насоса.

3. Научно обоснованы способы снижения потребления электроэнергии технологическим оборудованием при реализации биотехнологических процессов очистки сточных вод.

4. Разработаны рекомендации по оптимизации параметров работы группы лопастных насосов в зависимости от их числа и характера распределения нагрузки с использованием современных теоретических методов расчета.

5. Разработаны методики выбора оптимальных параметров и способов управления лопастными нагнетателями в эксплуатации на основе прогнозирования с использованием математических моделей.

6. Научно обоснованы оптимальные пути снижения затрат электроэнергии в условиях биотехнологической переработки отходов предприятий сельскохозяйственного сектора.

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований энергосистем современных промышленных и сельскохозяйственных предприятий и позволяют с высокой степенью достоверности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем энергоснабжения сооружений аэробной биологической очистки сточных вод коммунального и промышленного происхождения.

Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конструктивно-технологических характеристик энергетических систем комплексов аэробной биологической очистки сточных вод.

Апробация работы.

На основании проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации по основам метода снижения энергопотребления технологического оборудования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод агропромышленного комплекса.

Результаты и материалы выполненной работы использованы и водоотведение» г. Москва, Внедрено синтез» г. Казань по Системам оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой заврда по производству Бифенола-А; тепловые сети» г. Руза Московская обл. при пуско-наладочных работах (ЦТП) № 2 г. Руза; Московская обл.; Каголымское МУП «Водоканал» г. Каголым по реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции КОС г. Калолым;

Материалы диссертационной работы доложены на Всероссийской выставке-форуме «Энергосбережение в регионах России», М. 2003; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2005», М, 2005; Всероссийском научно-практическом семинаре «Проблемы водоснабжения и водоотведения», г. Кагалым, 2006; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2006», М, 2006; Научно-технической конференции «Современные проблемы инженерных систем экологии городов и населенных пунктов», МГСУ, М.2006; Международном семинаре «Экология селитебных территорий» МГСУ, М. 2006; VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2007; Выставке-семинаре «Москва-энергосберегающий город. Современные; информационные технологии в городском хозяйстве», М., 2007; VII Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности», Пенза 2007; Международной научно-практической конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» ВНИТИБП, Щелково 2007; VIII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2008.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 66 таблиц и 5 приложений. Библиография включает 204 наименования, из которых 78 на иностранных языках.

Содержание работы

Обзор литературы, посвященный анализу современного состояния вопроса по теме работы, приведен в главе 1. Необходимость непрерывного регулирования насосными установками состоит в приведении в соответствие режимов работы насосов с режимами работы водопроводной или канализационной сети. Водопотребление и соответственно сток загрязненных вод непрерывно изменяются во времени по слу­чайно-вероятностным законам, которые необходимо отслеживать с помощью системы регулирования. Диапазон изменения водопотребления и притока сточных вод довольно широк и, чтобы отслеживать эти изменения, необходимо непрерывно регулировать режим работы насосной ус­тановки.

Изменился качественно процесс регулиро­вания технологических и энергетических режимов систем водо­снабжения и водоотведения. Вместо дискретного регулирования, сопряженного с прямым включением насосных агрегатов и, как следствие с большими пусковыми токами двигателей, гидравли­ческими ударами, перенапряжениями в стенках трубопроводов, повышенным износом затворов и задвижек, появилось плавное регулирование насосных агрегатов и систем в целом.

В настоящее время решаются проблемы автоматизации системы водоснабже­ния, состоящей из нескольких насосных станций, подающих во­ду в общую сеть. Разрабатываются и внедряются системы, обеспечива­ющие суммарный минимум энергопотребления нескольких станций, подающих воду в общую водопроводную сеть, и под­держивающая в ней стабильное давление. Наличие крупных и средних воздуходувных установок в со­ставе сооружений биологической очистки сточных вод и значи­тельного количества вентиляторных градирен в системах обо­ротного водоснабжения потребовало рассмотрения проблемы использования регулируемого электропривода в воздуходувных установках различного вида.

В главе 2 дано описание объектов исследования и приведены методы исследований и обработки их результатов, использованные при проведении работы. Объектами исследований являлись насосные и воздуходувные установки систем водопотребления и водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий. В состав установок входили комплекты оборудования, состоящие из одного или нескольких насосных или воздуходувных агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительной аппаратуры, аппаратуры управления и защиты. Насосные и воздуходувные агрегаты содержали несколько параллельно или последовательно соединенных насосов и воздуходувок в совокупности с электроприводом. Для привода насосов использовались преимущественно асинхронные короткозамкнутые и синхронные двигатели переменного типа. Электродвигатели имели мощность до 320 кВт и напряжение питания 380-660 кВ. Воздуходувки обеспечивали подачу воздуха с давлением 0,1-3,0 атм (104-3.105 Па). Использование современных методов научных исследований позволило определить влияние на технологические процессы различного рода внутренних и внешних воздействий и оценить эффективность предлагаемых технологических и конструктивных решений.

В главе 3 приведены результаты исследования рабочих режимов лопастного нагнетателя в нестационарном технологическом процессе.

Решение современных задач по анализу эффективности подбора насосного оборудования и способов управления им немыслимы без использования современных информационных технологий и специальных компьютерных программ. Для этого характеристики технологического процесса и обеспечивающего этот процесс оборудования должны быть представлены в виде аналитических зависимостей. При этом аппроксимирующие функции должны с достаточной степенью точности описывать изучаемый технологический процесс и характеристики используемого оборудования, и при этом не быть чрезмерно сложными и громоздкими, что затрудняло бы построение математической модели и решение оптимизационных задач.

Для пересчета напорной характеристики насоса было получено следующее выражение:

(1)

где – коэффициенты аппроксимации, вычисляемые методом наименьших квадратов; - коэффициент изменения частоты вращения.

Эта формула позволяет, располагая характеристикой нагнетателя при номинальной частоте, осуществлять перерасчет напорных характеристик нагнетателей в зависимости от задаваемой текущей частоты вращения рабочего колеса, что необходимо для эффективного управления нагнетателями.

Для обеспечения возможности варьирования параметрами оборудования в широком диапазоне вне привязки к существующим конструкциям, необходимо иметь математическую модель насоса, параметры которого на оптимальном режиме (, и ) могут быть заранее определены в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации и заданного характера распределения нагрузки.

Для этого представляет интерес изучение форм напорных характеристик лопастных насосов. Определенному значению быстроходности лопастного насоса присуще своя специфическая форма напорной характеристики (рис. 1). Всякое искусственное изменение формы кривой , как правило, вызывает снижение КПД насоса. В общем случае эта кривая представляет собой параболу, максимум которой располагается в точке , представляющая вершину параболы, которая может быть расположении либо в I-м либо во II-м квадранте (рис. 1, а, b). Для насосов с вершиной в I-м квадранте (>0) имеется западающий участок характеристики, расположенный в области: 0<(0,250,3) . Данный тип характеристики присущ лопастным насосам с быстроходностью <120. У насосов с западающей левой ветвью напорной характеристики возможны пересечение с характеристикой трубопроводной системы в двух точках. Возможность возникновение 2-х рабочих точек может привести при снижении нагрузки к возникновению явления помпажа, поэтому для насосов с > 0 снижение подач ниже недопустимо и должно быть учтено при определении области возможных ограничений.

В качестве критерия, характеризующего крутизну напорной характеристики, используется коэффициент крутизны . Коэффициент крутизны напорной характеристики определяется в зависимости от значения коэффициента быстроходности . Зависимость коэффициента от быстроходности насоса приведена в таблице.

Коэффициент быстроходности насоса	Вид напорной характеристики	Коэффициент напорной характеристики
40 < < 80	Пологая
80 < < 150	Средняя
150 < < 250	Крутопадающая

 

 

Рис. 1. К построению математической модели виртуального насоса:

а) вершина напорной характеристики (точка В) расположена в Iм квадранте (QB>0)

в) то же во IIм (QB<0)

Математические модели напорных характеристик в зависимости от расположения их вершины будут различны.

1). Случай, когда вершина параболы расположена в первом квадранте (рис. 1, а). Представленная на рисунке кривая характерна для лопастных насосов в диапазоне быстроходностей от 40 до 120.

Для построения математической модели насоса необходимо получить его следующие аналитические характеристики: напорную , КПД и кавитационную: . Исходными параметрами при этом являются подача и напор насоса на оптимальном режиме. Как указывалось ранее, напорная характеристика лопастного насоса может быть аппроксимирована полиномом 2-й степени.

Анализ форм характеристик для насосов с западающей левой ветвью показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче насоса, равной от 0,2 до 0,3 от (рис. 1 а). В этой связи для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующая последовательность расчетов:

1. Располагая значением и определяется быстроходность насоса по формуле:

(2)

где – частота вращения рабочего колеса, мин-1; – подача насоса на оптимальном режиме, м3/с; – напор насоса на оптимальном режиме.

2. Определяем напор насоса при нулевой подаче по формуле:

(3)

3. Принимаем ординату вершины параболы , а значение напора, на основе анализа характеристик насосов типов: , и , может быть принято равным 1,05 .

4. Таким образом получаем координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы :

5. Подставляем приведенные значения напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уровней:

(4)

6. Решая приведенную систему получаем значения коэффициентов аппроксимации , и для случая, когда вершина параболы расположена в I-м квадранте ( > 0).

2). Случай, когда насос имеет устойчивую ниспадающую характеристику (> 120) приведен на рис. 1, b. Из приведенного рисунка видно, что вершина параболы располагается во II-м квадранте. Методика определения параметров насоса в характерных точках для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующей:

1. Анализ форм характеристик лопастных насосов типов , и показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче равной: 0,2 0,3 . Принимаем значение (рис. 1, b).

2. Напор насоса в этой точке вычисляем с учетом быстроходности по формуле:

(5)

3. Для построения напорной характеристики необходимо определить напор насоса в точке (рис. 1, b), абсцисса которой равна нулю. Для этого рассмотрим подобные треугольники и . Из условий их подобия можно записать следующее:

(6)

После преобразований находим напор в точке

(7)

Необходимый для построения параболы напор в точке находим по формуле:

(8)

При этом соблюдается условие: < < , обеспечивающее ниспадающий характер напорной характеристики насоса.

4. Таким образом, получим координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы :

5. Подставляем приведенные выше значение напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уравнений:

(9)

6. Решая приведенную систему уравнений, получаем значения коэффициентов аппроксимации для случая, когда вершина параболы характеристики расположена во II-м квадранте ( < 0).

Для сравнения энергоэффективности выбираемых вариантов оборудования и способов управления им важнейшей характеристикой насоса является характеристика его КПД, т. е. . Характеристики КПД лопастных насосов с достаточной степенью точности могут быть аппроксимированы параболой вида . Поэтому при разработке математической модели важное значение имеет определение коэффициентов аппроксимации , и по заданным значениям оптимальной модели и оптимального (максимального) значения КПД .

Поскольку парабола вида: выходит из начала координат, то при будем принимать = 0. Если значение подачи будет равным , то КПД в этой точке имеет свое максимальное значение, т. е. при . Поскольку парабола симметрична относительно своей вершины (при ), то при значение КПД равно нулю. Таким образом, можно составить следующую таблицу: