ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

160

Ток, потребляемый из сети, равен сумме этих токов Ikj и токов нагрузки Iнj с реактивными составляющими, находящимися в противофазе с током Ikj:

Iвхj = Iкj+ Iнj = Imk sin (wt+φj -q) + I∑cosθ×sin(wt+jj +q) + + I∑ sinθ×sin(wt+jj +q) = Imaj sin(wt+ φj).

Как следует из последнего выражения, из сети потребляется только активная составляющая тока нагрузки, так как реактивная составляющая тока нагрузки I∑cosθ×sin(wt+jj +q) находится в противофазе с током Imk sin (wt+φj -q) и взаимно компенсируются при условии

Imk= I∑ cosθ.

Компенсация мощности искажений реализуется, как правило, замкнутой системой регулирования, в которой текущее значение искаженного нелинейными потребителями тока сети сравнивается с задающим гармоническим воздействием, а сигнал рассогласования и будет определять требуемую функциональную зависимость системы управляющих воздействий М1:

Uуj= sin [(wt+jj ) - i(t)j].

Совокупность свойств такого рода компенсаторов позволяет считать его энергетическим фильтром тока.

Потребление несинусоидальных токов, содержащих высшие гармоники широкого спектра частот, сопровождается искажениями и напряжения питающей сети из-за конечной величины импеданса системы энергообеспечения. Поэтому более радикальным способом улучшения качества параметров электрической энергии любой системы электроснабжения является совместное использование энергетических фильтров напряжения и тока импульсно-модуляционного типа. Для реализации такой возможности необходимо входы преобразователя М1 (рис.6.4) подключить через реакторы к питающей сети, а выходы М2 – к первичным обмоткам вольтодобавочного трансформатора, вторичные обмотки которого включаются в рассечку линейных проводов этой же сети.

161

Рис. 6.4. Структура силового фильтра напряжения и тока

Очевидно, что М1 по-прежнему будет выполнять функции фильтра тока нагрузки, а М2 – функции фильтрации напряжения сети вне зависимости от причин, вызвавших эти искажения. Практически достижимый коэффициент мощности с использованием импульсномодуляционных компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений находится в диапазоне 0,98…0,99.

6.2. Энергосбережение в системах водоснабжения

Современный этап развития городского хозяйства предполагает широкое внедрение автоматизированных систем управления насосными станциями водопроводных сетей прежде всего с целью сдержать неизбежный рост тарифов на коммунальные услуги за счет энергосбережения и повысить эффективность и надежность работы электротехнического, механического и гидравлического оборудования.

На всем пути доставки воды от водозабора до потребителя используются насосы с электроприводом, работающие круглосуточно и круглогодично. В то же время режим водопотребления характеризуется часовыми и суточными колебаниями расхода.

Регулирование режима работы насосных установок осуществляется, как правило, дросселированием потока воды задвижками. Однако такая технология регулирования давления в водопроводной сети имеет ряд существенных недостатков: потери

162

электроэнергии в насосном агрегате; повышенный износ насосов, задвижек, электродвигателей; необходимость постоянного контроля дежурным персоналом давления в сети или использования специализированных систем управления задвижками.

Известно, что для управления насосными агрегатами гораздо эффективнее использовать энергосберегающий частотнорегулируемый электропривод. Использование такого электропривода может обеспечить оптимизацию технологического процесса водоподачи, повышение эффективности работы насосных станций при комплексном управлении насосным, гидромеханическим и электроэнергетическим оборудованием.

Экономический эффект от использования частотнорегулируемых электроприводов достигается уменьшением расхода электроэнергии на привод насосов, а также:

-снижением утечек воды при снижении среднего уровня давления в сети;

-увеличением ресурса работы электротехнического и механического оборудования, в том числе электродвигателей при плавном регулировании частоты вращения, что исключает возникновение пусковых токов, многократно превышающих установленную мощность, и механических ударных нагрузок на запорную арматуру и водоводы;

-снижением потребления реактивной мощности из питающей сети (коэффициент мощности современных частот- но-регулируемых электроприводов близок к единице);

-оптимизацией управления технологическим процессом;

-повышением надежности гидросистем;

-уменьшением количества аварий, снижением затрат на их устранение;

-уменьшением численности дежурного и ремонтного персонала;

-снижением расходов на эксплуатацию, ремонт и техоб-

служивание основного оборудования.

Эффективность частотно-регулируемого электропривода зависит от колебаний нагрузки на насосных агрегатах и колебаний входного давления. При снижении нагрузки давление на выходе насоса возрастает, что приводит к необходимости его снижения либо с помощью задвижек, либо путем уменьшения частоты вра-

163

щения приводного электродвигателя, что гораздо эффективнее. При повышении давления на входе насоса также возрастает давление на его выходе и возникает необходимость в его снижении тем или иным способом. При отсутствии регулирования давления на выходе насоса возрастают утечки в сети, повышается вероятность аварий, снижается надежность водоснабжения.

Довольно существенный эффект по экономии электроэнергии может быть получен при установке частотно-регулируемого электропривода на подкачивающих насосных станциях в районах высотной застройки. На этих станциях при наличии колебаний нагрузки на насосные агрегаты довольно в больших пределах колеблется давление в водопроводной сети на входе в насос. Экономический эффект по данным эксплуатации в этом случае достигает 50 %-й экономии электроэнергии за счет снижения частоты вращения электропривода насоса при уменьшении нагрузки и увеличении входного давления и 20 %-й экономии воды за счет снижения утечек.

Для оценки экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода необходимо располагать достоверной информацией о суточных графиках нагрузки на насосную станцию и давлениях на входе и выходе насоса. Эти графики получают путем длительного (в течение нескольких суток) приборного обследования и получения по его результатам средних суточных графиков. При отсутствии приборной базы по измерению расходов воды через насос можно определить его косвенным методом по данным только манометрического обследования давления на входе и выходе насоса. В этом случае для определения расхода воды через насос используется его характеристика, представляющая зависимость перепада давления на выходе и входе от расхода воды.

Рассмотрим последовательность расчета экономического эффекта на примере подкачивающей станции, расположенной по ул. Лермонтова в Володарском районе г. Брянска. На рис.6.5 показаны полученные при манометрическом обследовании этой станции средние суточные графики изменения давления на входе и выходе и расхода воды на насосном агрегате.

164

Рис.6.5. Результаты манометрического обследования подкачивающей насосной станции по улице Лермонтова

Далее определяется полезная мощность насоса исходя из приведенных на рис.6.5 данных

Pпол = 0,0027(pвых – pвх)Q,

где pвых, pвх – давления на выходе и входе насоса, м; Q – расход воды через насос, м3/ч.

Потребляемая из сети электрическая мощность без учета реактивной энергии

Pэл = Pпол/ηагр ,

где ηагр – коэффициент полезного действия агрегата по его паспортным данным.

Определяется расход электроэнергии на перекачку воды за сутки исходя из рассчитанного суточного графика потребляемой из сети электрической мощности

Аэл = Pэл t ,

где t – интервалвременимеждузамерамивсуточномграфике, ч.

По полученному значению расхода электрической энергии за сутки можно определить этот расход за год эксплуатации.

165

При внедрении регулируемого электропривода на насосном агрегате давление на выходе насоса можно регулировать автоматически, поддерживая его на требуемом уровне. Так, если принять за требуемый уровень давления при девятиэтажной застройке величину в 55 м, то полезная работа, выполняемая насосом, в этом случае уменьшается, так как уменьшается перепад давления на насосе и расход воды через него. При расчете расхода электрической энергии на перекачку воды в этом случае используются те же формулы, что и приведенные, с подстановкой в них в качестве выходного давления pвых= 55 м, а в качестве расхода воды Q нового значения с учетом снижения утечек. Уменьшение утечек из водопроводной сети от снижения давления в ней можно принять в первом приближении пропорциональным этому снижению. Beличина утечек воды в водопроводных сетях, по данным различных источников, лежит в интервале от 10 до 30 %. Принимая величину утечки в сети за 10 % от полного расхода, ее снижение Q в нашем случае будет определяться по выражению

Q = 0,1Q(pвых-55)/pвых ,

соответственно новое значение расхода воды через насос

Qрег = Q – Q .

На рис. 6.6 показаны результаты расчета суточного графика потребляемой из сети насосным агрегатом электрической энергии при нерегулируемом и регулируемом насосе, полученные в результате расчета по приведенным формулам.

Оценку экономической эффективности использования регулируемого электропривода на подкачивающих насосных станциях можно дать и на основании графического представления расхода электрической энергии в виде площади под кривой потребляемой из сети мощности. Экономический эффект при этом определяется в виде площади, заключенной между двумя графиками, а площади между графиками и осью абсцисс представляют собой расходы электрической энергии на перекачку воды при регулируемом и нерегулируемом электроприводе.

166

Рис. 6.6. Потребляемая из сети мощность при регулируемом и нерегулируемом электроприводе насоса

Расчеты, проведенные применительно к подкачивающей насосной станции по улице Лермонтова, показали, что введение регулирования давления на выходе насоса в 55 м привело к расходу электрической энергии за сутки в 144 кВт·ч, в то время как при нерегулируемом электроприводе он составлял 236 кВт·ч. Экономия электрической энергии за сутки оказалась равной 92 кВт·ч, что при работе насоса в течение года даст экономию в 35580 кВт·ч.

При анализе внедрения автоматизированного электропривода на насосных станциях, работающих непосредственно на водопроводную сеть, перед разработчиками возникает задача определения возможного уровня снижения давления на отдельном насосе или на группе насосов. Для определения этого уровня необходимо проведение сложного и дорогостоящего приборного обследования расходов и перепадов давления на всех участках сети и у всех потребителей. Необходимость такого обследования объясняется тем, что каждый из потребителей, находящийся в том или ином узле сети должен получать воду в соответствии с действующими нормами и правилами. В этом смысле каждый узел сети является лимитирующим узлом, в котором поддерживается требуемый уровень давления, обеспечиваемый давлением на выходе всей системы насосов. Так как эффективность использования частотно-регулируемого электропривода определяется диапазоном изменений расходов и давлений в каждом узле в течение

167

суток, такое исследование необходимо проводить несколько раз, чтобы получить суточные графики этих параметров. Кроме этого, необходимо получить информацию об изменении режимов работы водопроводной сети в будние и выходные дни. Если сюда добавить необходимость исследования режимов работы сетей по времени года, то объем исследований возрастает многократно.

По полученной в результате обследования картине процессов колебания нагрузок и давлений строится система регулирования, которая обеспечивает минимальный уровень давлений на выходе насосов в те или иные периоды времени суток, корректируя его на будние или выходные дни, а также на то или иное время года. Уровень давления на выходе насосов должен обеспечивать требуемый уровень давлений во всех точках сети в соответствии с нормами и правилами, чтобы это давление обеспечивало необходимый расход воды у всех потребителей.

Существует методика исследования работы водопроводной сети на основе предварительного приборного обследования только по нескольким характерным точкам. Данные этого обследования вместе с данными по топологии сети, характеристикам потребителей, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры ложатся в основу построения математической модели сети. На основании построенной модели исследуются режимы работы всех участков сети, строятся суточные графики изменений расходов и давлений на этих участках. Проведение расчетов по математической модели сети в случае нерегулируемого и регулируемого электропривода насосов позволит определить расход электрической энергии для каждого из этих случаев. Сравнение результатов этих расчетов позволит определить оптимальный вариант построения системы регулирования и требуемый закон изменения в функции времени давления на выходе каждого из регулируемых насосов. Сравнение расходов электрической энергии на транспорт воды позволит определить экономию электрической энергии при внедрении регулируемого электропривода.

В основе расчета водопроводных сетей лежит необходимость решения на ЭВМ довольно больших систем нелинейных алгебраических уравнений, которые формируются на основе топологии сети по уравнениям теории цепей. Нелинейность определяется зависимостью падений давления в тех или иных элементах сети (трубопроводы, задвижки, сужения, повороты, развилки и т.д.) от квадрата расхода во-

168

ды или воздуха через этот элемент, а также нелинейной зависимостью давления на выходе насосов и вентиляторов от расхода воды или воздуха, перекачиваемого ими в водопроводную или вентиляционную сеть. В качестве исходных данных при расчетах берутся те или иные известные сопротивления элементов сети и нагрузки на сеть, сосредоточенные в большинстве случаев в ее узлах. При таком подходе неизвестными являются уровни давления в тех или иных точках сети и расходы воды в ее элементах. Суммарный расход воды по всем источникам равен заданному суммарному расходу всех ее потребителей. При расчетах предполагается, что расход воды или воздуха не зависит от давления в сети в точке потребления этого расхода.

С точки зрения возможностей использования для проведения гидравлических расчетов тех или иных стандартных пакетов программ наиболее проблемной частью решения данной задачи является формирование системы нелинейных алгебраических уравнений по топологии сети, представленной в виде, подготовленном для хранения ее в ЭВМ. Решение другой части задачи, а именно нелинейной системы алгебраических уравнений, возможно при использовании практически любого прикладного математического пакета программ

(MatLab, MathCad, Mathematica и т.д.).

Существуют прикладные пакеты программ, ориентированные на решение задач теории цепей при наличии тех или иных нелинейностей, которые вполне могут сформировать и систему уравнений гидравлической цепи. Эти же пакеты могут и разрешить сформированную систему уравнений. Наиболее разработанные в этом направлении пакеты ориентированы на использование программы моделирования электронных схем Pspice, являющейся в настоящее время мировым стандартом для моделирования и разработки электронных схем самого различного назначения. На основе программы моделирования Pspice разработаны пакеты программ, позволяющие пользователю вносить в систему моделирования новые элементы, которые в последние годы постоянно появляются на мировом рынке электроники. Указанные программные средства, в частности пакет программ фирмы OrCad, являющейся правопреемницей фирмы разработчика программы PSpice, позволяют моделировать не только электронные цепи, но и ряд других устройств. К ним в первую очередь следует отнести автоматические системы управления на основе структурных схем, электрические цепи с трансформаторами и элек-

169

трическими машинами, цифровые устройства, вплоть до программируемых матриц и микропроцессоров. Последние версии указанного пакета позволяют выполнить также моделирование смешанных устройств, включающих все названные компоненты.

Учитывая изложенное, можно использовать пакет программ OrCad (версии 9.1) для моделирования водопроводных сетей, чтобы определить параметры сети при заданных расходах воды и отработать алгоритмы управления насосами за счет совместного моделирования водопроводной сети и системы автоматики.

Решение данной задачи требует разработки и внесения в пакет моделирования OrCad9.1 библиотеки элементов водопроводной и вентиляционной сети, из которых в дальнейшем может быть сформирована топологическая схема с конкретными параметрами ветвей и узлов.

Целью проведения гидравлического расчета является техникоэкономическая оценка тех или иных алгоритмов управления насосами, поэтому для ее решения достаточно ограничиться минимумом элементов сети, существенно влияющим на параметры, определяющие экономические показатели этой сети, в частности расходы энергии на перекачку. К этим параметрам в первую очередь следует отнести:

-характеристики отдельных насосов и насосных станций (реализация зависимостей давления от расхода вода),

-характеристики трубопроводов как элементов гидравлического сопротивления (реализация зависимости падения давления на трубопроводе от расхода воды),

-характеристики узлов отбора воды или воздуха в точках ее потребления (независимый расход, переменный расход в функции времени суток, случайный расход при заданных параметрах закона распределения),

-характеристика задвижек, как элементов возможного регулирования давления в системе, а также элементов, с помощью которых можно вводить в систему местные сопротивления (реализация зависимости падения напряжения на задвижке в зависимости от степени ее открытия и на местных сопротивлениях).