Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 2–3 ноября 2010 г. МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ Уфа 2010
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Уфимский государственный авиационный технический университет
Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ
ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
2–3 ноября 2010 г.
МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
Уфа 2010
УДК 621.31 ББК 31.2 Н34 Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и
энергосбережения: сб. тр. / Уфа: УГАТУ, 2010.– 326 с. В сборнике представлены материалы докладов Всероссийской
конференции с элементами научной школы для молодежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения», проходившей 2–3 ноября 2010 г. в Уфимском государственном авиационном техническом университете в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Редакционная д-р техн. наук, проф. Исмагилов Ф. Р. (отв. редактор), коллегия: канд. техн. наук, доц. Валеев А. Р. (зам. отв. редактора), канд. техн. наук, доц. Рахманова Ю. В., канд. техн. наук, доц. Пашали Д. Ю., канд. техн. наук, ст. преп. Бабикова Н. Л.
Материалы статей публикуются в авторской редакции.
ISBN 978-5-4221-0120-7 © Уфимский государственный авиационный технический университет, 2010
3
Содержание Абдурашитов Ш. Р. Проблемы и приоритеты в современной энергетике ........12
Секция I. АВТОМАТИЗАЦИЯ И ЗАЩИТА В ЭНЕРГЕТИКЕ .............14 Исмагилов Ф. Р., Федосов Е. М. Предупреждение аварийных отказов элементов электроэнергетических систем ..............................................................14 Пашали Д. Ю., Бойкова О. А., Вавилов В. Е. Повышение эффективности диагностирования роторного оборудования энергетических систем ..................16 Алексеев В. Ю. Выбор параметров схем электроснабжения НПС для обеспечения самозапуска электродвигателей..................................................18 Гилязов Р. Ф. Ограничение токов короткого замыкания на нефтеперекачивающих станциях ........................................................................20 Галлямов Д. Ф. Феррорезонансные явления в электрических сетях, анализ сети энергосистемы РБ и предотвращение феррорезонансных явлений.............22 Арсланов С. Г., Волкова Т. Ю. Применение автоматических устройств компенсации реактивной мощности ........................................................................24 Ганеев Р. Ш. Использование модифицированного критерия подобия Померанцева при решении задач повышения энергоэффективности многоэтажных жилых домов с автоматической подачей теплоносителя............25 Николаев Н. А., Малафеев А. В., Буланова О. В. Математическое моделирование направленных фильтровых защит с высокочастотной блокировкой с целью оценки эффективности их работы......................................26 Панова Е. А., Беляев С. В., Емельянов А. А. Математическое моделирование сложных видов аварийной несимметрии с целью оценки чувствительности релейной защиты........................................................................29 Сазонова Т. В., Полякова Л. Ю. Синтез системы управления автоклава для производства газозолосиликатных шлакоблоков............................................31 Прутик А. Ф., Рубан Н. Ю., Андреев М. В. Анализ способов реализации фазового сдвига гармонического сигнала при моделировании средств релейной защиты и противоаварийной автоматики на ВМК РВ ЭЭС.................33 Размахнин Н. Г. Анализ достаточности объемов АЧР в Уфимском энергорайоне энергосистемы РБ в программном комплексе «Дакар» ...............35 Мухин М. А., Гареев А. Ш. Автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета потребления электроэнергии......37 Козин И. О., Русакова Е. А. Надежность управления переходными процессами в энергосистемах...................................................................................38 Козлов В. К., Гарифуллин М. Ш. Диагностика маслонаполненного электроборудования ..................................................................................................41 Ситдиков Д. А. Комплексная диагностика газоперекачивающих агрегатов при эксплуатации .......................................................................................................42 Белов А. Р. Автоматизированное выявление нарушений нормального режима ЭС на основе математической модели распространения возмущений ................................................................................................................45
4
Хасанова И. Х., Пушкарева А. З., Назарова Л. В. Разработка и внедрение ПК «Информационный комплекс РЗА» ................................................................47 Шендрик П. А., Степанов И. В. Автоматизация актуализации расчетной модели при краткосрочном планировании .............................................................49 Рубан Н. Ю., Андреев М. В., Прутик А. Ф. Анализ методов и средств моделирования релейной защиты и противоаварийной автоматики ...................51 Куляпин В. М., Рахимова И. М., Короткин А. В. Цифровые системы управления мостовых резонансных преобразователей .........................................53 Чан Хоанг Куанг Минь. О технической эффективности дистанционных защит линии................................................................................................................55 Захаров И. А. Проблема перенапряжения в распределительных сетях и защита электрооборудования от его воздействия..............................................57 Кривогузова Ю. К., Кривогузов К. А. Особенности регулирования тепловой нагрузки котлоагрегатов на ТЭС с поперечными связями...................59 Андреев М. В., Рубан Н. Ю., Прутик А. Ф. Задача адекватного моделирования релейной защиты и противоаварийной автоматики и пути её решения ..................................................................................................................61 Украинцев А. В. Распределенная централизованная защита от замыканий на землю......................................................................................................................63 Исмагилов Т. С. Моделирование гидроэлектростанций для решения задач планирования их работы ...........................................................................................65 Шеин А. В., Салахутдинов И. М. Защита электрических сетей промышленных предприятий от внешних электромагнитных воздействий (грозозащита воздушных линий) .............................................................................67 Асаинов Д. Н. Короткие замыкания в электроэнергетической системе с газотурбинными установками малой мощности .................................................69 Федоровская А. И., Фишман В. С., Субботин М. В. Исследование влияния сопротивления заземляющей сетки на ток ОКЗ в системе собственных нужд подстанций с высшим напряжением 35÷220 кВ ...................72 Нагай И. В., Киреев П. С., Персиянов И. В. Повышение чувствительности защит дальнего резервирования ответвительных подстанций..................................................................................................................75 Калинина Н. О., Сарры И. С., Барышев М. В. Совершенствование системы блокировки коммутационных аппаратов 6-110 КВ .................................77 Хардина А. Е. Регулирование разряжения газов в дымоходе котла ДКВР-20-13.................................................................................................................79 Костюкова А. П. Построение системы управления эксплуатационными рисками сложносвязных нагревательных объектов...............................................81 Алексеев А. А. Применение нечеткой логики при регулировании разряжения в топке отопительного котла ...............................................................83 Габитов Р. Ф. Метод плавающего горизонта с многомерной нейросетевой моделью в управлении печью прокалки катализаторов ........................................85
5
Секция II. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОАУДИТ........................88 Рахманова Ю. В. Определение режима работы, электромагнитных и геометрических параметров специального трансформатора .............................88 Ганеева Г. Ф. Ввод выхлопных газов ГТУ в топку действующего энергетического котла ТЭС ......................................................................................90 Хайбуллин А. Ф. Пути сокращения сезонных ограничений электрической мощности Уфимской ТЭЦ-2, связанных с сезонным снижением уровня воды в реке Уфа .........................................................................................................92 Ким Ю. В., Киселев А. В., Цукублин А. Б. Оптимизация параметров турбогенератора для питания забойной телеметрической системы ....................94 Агзамова Г. М. Энергосбережение и энергоаудит промышленных предприятий ...............................................................................................................96 Афанасьева Т. И. Энергоаудит – основа принятия решений ..............................98 Ахметова Е. И. Выбор привода питательного насоса для блочной электростанции на базе турбоустановки К-300-240-1 ЛМЗ ................................100 Беляевский Р. В. О рационализации работы силовых трансформаторов на промышленных предприятиях ..........................................................................102 Никулин О. В. Алгоритм расчета режимных параметров синхронного электропривода бурового насоса при частотном регулировании ......................104 Кабаргина О. В. Алгоритм управления технологическим участком магистрального нефтепровода................................................................................106 Буланова О. В., Тарасов В. М., Извольский М. А. Определение регулирующего эффекта двигателей постоянного тока, питающихся от нерегулируемых выпрямителей, при планировании режимов.......................107 Горсков А. С. Оптимизация работы Салаватской ТЭЦ OOO «БГК» в связи с изменением режима работы после отказа ОАО «СНОС» от паров 8 и 16 ата....................................................................................................109 Гуркин М. А., Мугалимова А. Р. Исследование энергетических характеристик энергосберегающего компенсированного асинхронного двигателя в несимметричных режимах .................................................................110 Хакимзянов Д. З. Обоснование параметров и режимов работы многодвигательного привода главного движения токарного станка .................113 Меркулова Г. А., Богданова Т. А., Мартынова Я. А. Поиск энергосберегающей технологии при подготовке заготовок для штамповки деталей из магниевого сплава системы магний-цинк-цирконий........................114 Вахитов М. Р., Николаев А. Н. Эффективность процесса теплообмена в контактных элементах вихревых экономайзеров ..............................................116
Нугуманова А. Ф., Тимербулатов Т. А., Волкова Т. Ю., Потапчук Н. К. Проблемы энергосбережения на промышленном предприятии и пути их решения................................................................................................................118 Васильева О. В., Колчанова В. А. Расчет баланса энергии коаксиального магнитоплазменного ускорителя ...........................................................................120 Шапиро С. В., Жидков В. В. Применение высокой частоты для генерирования озона и новый способ получения этой частоты ..................122
6
Струевцева А. А. Модернизация тепловой схемы Салаватской ТЭЦ с целью исключения простоя основного оборудования при отсутствии производственного теплового потребления..........................................................124 Маклакова А. В., Корнеева М. А. Система подготовки высоковлажной коры хвойных и лиственных пород деревьев к сжиганию в топках котлов......126 Беляев С. В., Журавлев П. Ю. Анализ гармонических составляющих тока секции 10 кВ широкополосного стана горячей прокатки ...................................128 Лукин А. А. Способ улучшения энергетических показателей электропривода прокатного стана без применения компенсирующих устройств...................................................................................................................130 Мусин М. Н. Проблемы организации процесса «влажного» сжатия при впрыске воды в компрессорах газотурбинных энергоустановок ................132 Хузяхметова М. Т. Использование теплового насоса при сушке .....................134 Хасанов М. И., Шаяхметов Р. З. Эффективности МТА при энергоаудите в АПК ........................................................................................................................136 Пашали Д. Ю., Соленок А. Г., Гарипов Р. В. Технологичность электрооборудования атомной энергетики ...........................................................138 Хайруллин И. Х., Фаррахов Д. Р. Энергосбережение при испытаниях электрических машин..............................................................................................140 Шартдинова Ю. Ф. Борьба с гололедом на ЛЭП ...............................................142 Парфенов Е. В., Вавилова Т. Ю. Нейросетевой комплекс прогнозирования городского энергопотребления «Энергопрогноз-ИИ» ........143 Трунов А. А. Анализ эффективности электрических устройств для нагрева воды ...........................................................................................................................145 Кадымов И. И. Исследование тепловых потерь многоэтажного жилого дома при разных углах обтекания воздухом.........................................................147 Гурин С. В., Афанасьев И. П., Валиахметов Р. И. Пути повышения энергоэффективности и энергосбережения на объектах энергетики.................150 Каримов Р. Д. Увеличение коэффициента полезного действия в силовых трансформаторах......................................................................................................151 Мусин М. Н. Проблемы организации распыла перегретой воды при её впрыске в компрессорах ГТД .....................................................................152 Ямалов И. И. Энергосберегающие технологии с использованием преобразователей частоты на предприятиях топливно-энергетического комплекса..................................................................................................................154 Саяпова Л. Р. Перспективные источники света: переход к светодиодным лампам .......................................................................................................................156 Бородина Е. И., Цыва М. В. Модель эквивалентирования системы с помощью характеристики ΔЭ(P) и ее использование для прогнозирования потерь...................................................................................157 Ведяскин Е. В. Разработка энергосберегающих режимов нагрева и плавления лома .....................................................................................................159 Маслов Р. А. Повышения КПД генерации электрической энергии летательного аппарата .............................................................................................160
7
Гилимханов А. М. Применение нейронных сетей для оптимизации электроэнергетических систем ...............................................................................162 Сиразетдинова Г. И. Энергосберегающие технологии в освещении...............163 Фомина И. Н., Якимова В. Г. Анализ мероприятий, направленных на снижение потребления электрической энергии в электроприводе ................165 Шакирова А. И. Расширение функциональных возможностей преобразователей частоты для электротехнологий .............................................166 Миронова И. С. Разработка интегральных критериев оценки энергобезопасности и энергоэффективности электрооборудования .................168 Арзамасцев Е. В. Утилизация тепла нагретого воздуха системы охлаждения дымовых газов электросталеплавильного цеха ОАО «ММК» ....170 Болдырев О. И. Разработка методики оценки температуры продуктов сгорания углеводородного топлива в рабочем цикле ГТД с учётом термической диссоциации ......................................................................................171 Васильева Н. Г. Комплексная оценка энергоэффективности систем электроснабжения ....................................................................................................173 Горбунов А. С., Гнусенкова Т. С. Выбор параметров ферромагнитных модулей для установок индукционного нагрева ..................................................174 Дёмин Ю. К. Исследование возможности использования потенциала окружающей среды при производстве сжатого воздуха .....................................176 Ротанова Ю. Н., Буланова О. В., Ионова Ю. В. Исследование переходных процессов при выходе на раздельную работу после короткого замыкания собственных электростанций на примере системы электроснабжения промышленного предприятия с учетом перспектив развития ....................................................................................................................178 Караваев А. А. Компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии и микропроцессорным управлением................................180 Кирсанов М. Л., Федоров А. А. Об основных направлениях развития энергоэффективных источников освещения.........................................................182 Кружилин Н. В. Применение комбинированной схемы расположения горелок с целью снижения коррозии поверхностей нагрева в зоне активного горения....................................................................................................183 Бодаква Д. В. Совершенствование тепловой работы водоохлаждаемых элементов дуговых сталеплавильных печей .........................................................185 Парфенов Е. В., Мукаева В. Р., Невьянцева Р. Р. Анализ энергоемкости процессов электролитно-плазменной обработки .................................................186 Федотов А. И., Наумов О. В. Влияние нагрева элементов цеховых сетей низкого напряжения на величину потерь электроэнергии ..................................188 Салимянов С. И. Оценка показателей эффективности работы моноблока ПГУ-220Т..................................................................................................................190 Сидоров С. А. Современные сухие силовые трансформаторы..........................192 Демидович В. Б., Ситько П. А. Пути повышения эффективности применения технологии индукционного нагрева при термообработке проволоки .................................................................................................................194
8
Буланова О. В., Ротанова Ю. Н., Ионова Ю. В. Исследование режимов ресинхронизации генераторов собственных электростанций в системах электроснабжения промышленного предприятия черной металлургии............195 Смирнов М. А., Ищейкина Т. М. Введение принципа энергосбережения в электропривод с регулятором на основе нечеткой логики...............................197 Гильманов Р. М. Моделирование теплообмена и гидродинамики в резервуарах хранения водоугольных суспензий ...............................................199 Теплякова И. В. Влияние изменения теплофизических свойств рабочего тела в газотурбинном контуре парогазовой установки на точность определения её мощности и экономичности ........................................................201 Гайнетдинов Т. А. Энергосберегающие методы при высокочастотной термообработке металлов .......................................................................................203 Муравьева Е. А. Энергосберегающее управление вербально представленными технологическими объектами, реализованное на четких логических регуляторах ..........................................................................................205 Гуляев Е. Н. Энергосбережение за счет улучшения качества электроэнергии.........................................................................................................207 Федотов А. И. Исследование процессов гидродинамики при ламинарном движении водоугольной суспензии в каналах с дискретной шероховатостью .......................................................................................................209 Хабиров А. Р. Определение основных показателей тепловой экономичности газопоршневых электростанций .................................................211 Хаматнурова Л. Д. Проблемы теплоснабжения города Уфа ............................212 Шаймарданов Х. Ф. Разработка программного приложения для автоматизированной обработки информации................................................214 Чащина С. А., Афанасьев К. Ю. Мероприятия по повышению эффективности ХВО на тепловой станции ...........................................................216 Абубакирова В. Ф. Проведение энергетического обследования Сандинского гипсоперерабатывающего завода с целью повышения энергетической эффективности работы предприятия .........................................218 Ахмадуллин А. Р. Замена блока №1 мощностью 300 МВт с паровой турбиной К-300-240 и котлом ПК-41 КГРЭС на ПГУ-450..................................220 Бабикова Н. Л., Вафин Л. Ш., Гареев А. Ш. Выбор средств измерения для инструментального аудита...............................................................................223 Шабельникова А. Ю. Алгоритм выбора схемы электроснабжения промышленных предприятий в аварийных ситуациях .........................................224 Лукашов Г. А. Совмещение программ развития энергосбережения и использования возобновляемых источников энергии как способ улучшения их эффективности ................................................................................226 Афанасьев К. Ю., Чащина С. А. Повышение эффективности теплоснабжения с использованием трансзвуковых аппаратов ...........................228 Исхаков А. И. Учет электроэнергии как фактор энергосбережения.................230 Паранькина А. С. Моделирование причинно-следственных связей в проблеме экономии электроэнергии..................................................................232
9
Лукманов И. Ф. Реконструкция Уфимской ТЭЦ-1 установкой ПГУ...............234 Голяев Р. В., Роженцова Н. В. Анализ факторов, влияющих на твёрдую изоляцию кабельных линий, и методов контроля изоляции...............................236 Озеров А. Н., Свирякин И. Г. Совершенствование конструкции плоскофакельной горелки с целью улучшения перемешивания топлива с воздухом.................................................................................................................237
Секция III. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ....................240 Максудов Д. В. Применение устройств компенсации реактивной мощности на подстанциях промышленных предприятий...................................240 Нугуманова А. Ф., Юлуков А. М. К расчету механической прочности контактных ножей разъединителей повышенной надежности...........................242 Афанасьева Т. И. Компенсация реактивной мощности.....................................244 Тихончук Д. А. Решение задачи коммутации конденсаторных батарей 110 кВ ........................................................................................................................246 Морунов В. А. Анализ методов моделирования электромагнитных систем автомобильного электрооборудования..................................................................248 Рахманова Ю. В., Губайдуллина З. И. Повышение качества электроэнергии.........................................................................................................249 Бикмурзин А. С. Диагностика кабельных линий методом регистрации частичных разрядов .................................................................................................251 Гапечкин В. В. Особенности расчета электромагнитов для приводов вакуумных выключателей.......................................................................................253 Мельников С. В. Компенсация реактивной мощности в электрических сетях ..........................................................................................................................255 Шарипов Р. И. Инверторы для сети переменного тока 220 В...........................257 Сибиряков А. О. Импульсный стабилизатор переменного напряжения .........259 Шабарчин А. Л. Комбинированные системы автоматического управления противообледенительной системы ........................................................................260 Фокеев А. Е. Задача корректного определения потерь в силовых трансформаторах......................................................................................................262 Муфтиев С. Р. Электронная система мониторинга и стабилизации напряжения в тяговых подстанциях городского электротранспорта.................264 Юсупов И. Р. Разработка метода расчета высших гармоник в электрической сети с учетом нелинейного взаимодействия несинусоидальных нагрузок ...................................................................................266 Аитов И. Л., Камалетдинова Р. Р. Бортовой источник питания 400 Гц со стабилизацией коэффициента нелинейных искажений ..................................267 Каримов В. И. Моделирование интеллектуальных систем регулирования частоты электромашинного преобразователя.......................................................269 Колосницын Д. В. Состояние и перспективы систем управления батареями (аккумуляторами) для электротранспортных средств .....................271
10
Зигангиров Л. Р., Логинова Т. М., Гарипова Г. Т. Информационно-измерительная система бесконтактного контроля гармонического состава переменного тока на основе феррозондовых датчиков .......................................273 Зарипов А. Ш., Сергеев М. П., Гизатуллин А. Р. Повышение эффективности управления комплексом систем диспетчерского и технологического управления в электроэнергетическом секторе при применении геоинформационных систем .....................................................274 Ризванова М. М. Способы повышения живучести энергорайонов ..................275 Сайгафаров М. Ф. Измеритель энергии искровых разрядов в свече зажигания..................................................................................................................277 Ахметзянов Р. Р. Использование волоконно-оптического датчика давления в диагностике силовых трансформаторов ............................................279 Ахметшин А. Р. Обеспечение нормативного уровня напряжения в распределительной электрической сети 10 кВ ..................................................281 Мухаметшин А. М. К вопросу влияния систем силовой электроники на качество электроэнергии ....................................................................................283 Самородов А. В. Исследование взаимосвязи технического состояния электрооборудования с параметрами генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений............................................285
Секция IV. НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ................................287 Бабикова Н. Л., Саттаров Р. Р., Крымов Б. С. Автономное зарядное устройство для обслуживающего персонала ЛЭП...............................................287 Камалов Ф. А. Пьезоэлектрические генераторы как средство энергосбережения ....................................................................................................288 Алтынбаева З. М., Вурсал Д. Н. Средства рационализации потребления водных ресурсов микроГЭС ...................................................................................290 Юрков Е. В., Шайсламов А. Ф., Волкова Т. Ю. Призрак дешёвой энергии ......................................................................................................................292 Пашали Д. Ю., Андреев Д. М., Вахитов К. Ш. Вопросы проектирования силовой части автономной ветроэнергетической установки ..............................294 Саттаров Р. Р., Бабикова Н. Л., Полихач Е. А. Перспективы развития портативных источников питания для персональных мобильных устройств ..296 Ялалов И. Р. Современные методы диагностики электротехнического оборудования............................................................................................................298 Бронников М. А. Комплексное использование ветрогидроэнергетических ресурсов региона......................................................................................................300 Шайбеков А. Ф., Семенов В. В. Применение асинхронизированных синхронных генераторов в ветроэлектростанции ................................................301 Бабушкин Н. А. Анализ параметров схемы расширения на МГеоЭС-2 ..........303 Санников А. М. Пути использования энергии природы РБ ..............................305 Чандра Рулит. К обоснованию выбора асинхронного генератора для ветроустановки до 100 кВт ..............................................................................307
11
Хаматьянов Р. И., Кидяева Е. И., Хабибуллин А. Я. Роль парусных ВЭУ в развитии транспортной и энергетической инфраструктуры ............................309 Косоуров А. А. Микротурбинные установки.......................................................311 Кунусбаева Л. Р., Волкова Т. Ю. Нетрадиционная энергетика в РБ...............312 Берг О. И., Зинатуллин И. Р. Ветроагрегаты в электростанциях класса Ecological System......................................................................................................313 Бронников М. А. К истории ветроэнергетики в России ....................................315 Кашбуллин Р. Р., Волкова Т. Ю. Применение эффекта электрогидравлического удара и кавитации жидкости для генерации тепла и электричества ........................................................................................................317 Буторин Д. Л., Зиганшин Т. Р. Эффективное использование гидроресурсов...........................................................................................................319 Шиянова Н. И. Применение теплофикационных газотурбинных установок для подогрева воды..................................................................................................320
Указатель имен ..............................................................................................323
12
Проблемы и приоритеты в современной энергетике
Ш. Р. АБДУРАШИТОВ, канд. техн. наук, доцент, советник генерального директора ОАО «Башкирэнерго»
Энергетика всегда была ключевой отраслью мира, ибо именно на ней базировалась экономика и культура цивилизации. Мало того, от уровня развития энергетики зависели почти все направления прогресса в технике и технологиях. Ныне энергетика поднялась до высот, ставших уже опасными не только для природы и окружающей среды, но и для дальнейшего существования самого человека. В этой связи она сама переживает немалые трудности, порожденные неразумными действиями людей и истощением ископаемых ресурсов топлива. Проблемы эти проявляются в следующем с одной стороны суммарное мировое энергопотребление, слабо реагируя на финансово-экономические кризисы, безостановочно нарастает ежегодно на один-два процента. В сферу производства электричества вовлечены десятки видов источников энергии и энергоносителей. Преимущественными среди них были в течение всего прошлого века (остаются и поныне) ископаемые виды топлива: уголь, нефть и газ. На их долю в мире (в том числе и в нашей стране) приходится две трети всей выработки электричества и свыше 95% тепловой энергии. Что касается транспорта и самоходных механизмов, то почти на 99% моторным топливом для них служат те же уголь, нефтепродукты и природный газ. С другой стороны, в общей энергетике мира, подобно шагреневой коже, с каждым годом сужается ресурсный потенциал угля, нефти и природного газа. По этой причине в экономике всех стран непрерывно растет доля затрат на энергетику, удорожая соответственно цены на все виды потребительских товаров и услуг. Объемы ежегодной добычи и потребления органического топлива превысили в условном исчислении 13 млрд. тонн. В натуральном же выражении он составляется из 5 млрд. тонн угля, свыше 4 млрд. тонн нефти и более 2 трлн. кубометров природного и попутного нефтяного газов.
Реальной альтернативой ископаемому топливу служат ныне энергия ГЭС и АЭС, на долю которых приходится примерно по 15% из 18 трлн. кВт·ч электроэнергии, вырабатываемой ежегодно в мире. На все же остальные энергоисточники, именуемые нетрадиционными (солнечные, ветровые, геотермальные, приливные и др.), падает около двух процентов, хотя о разговоров о них во всем мире (кроме России!) ведется не меньше, чем о традиционной энергетике. Ныне технологии ГЭС и АЭС доведены до совершенства, не уступающего тепловым электростанциям. Однако структура мирового производства электрической и тепловой энергии остается такой же, как полвека назад; в лучшем случае, кое-где она весьма сдержанно меняется в пользу ГЭС или АЭС. Нетрадиционная же энергетика по-прежнему сохраняет статус слабо востребованных электротехнологий. Вот почему нужды человечества в электричестве, тепле и моторном топливе продолжают удовлетворятся по старинке, не взирая на обострение экологических проблем,
13
истощение запасов ископаемых топлив и рост энерготарифов. Полное же замещение органического топлива энергией ГЭС или АЭС возможно. Такое происходит в отдельных странах и территориях. Например, электроэнергетика Норвегии на 99% базируется исключительно на ГЭС. Однако в глобальном масштабе замкнуть всю энергетику планеты на ГЭС и АЭС не удастся. Для ГЭС не хватит гидроэнергоресурсов Земли; увеличение же на порядок (до 4-5 млрд. кВт) суммарной мощности всех действующих АЭС чревато недопустимым загрязнением Земли радиоактивными отходами, да и ядерного топлива в таких количествах вряд ли можно будет изыскать на планете.
Вместе с тем, выход, из кажущего «энерготупика», к счастью, есть – это использование нетрадиционных источников энергии: солнца, ветра, гравитации, биогаза, геотермальных вод, водорода и других. Технологии эти давно уже освоены и успешно используются в разных сферах деятельности. Придав же им приоритетную значимость в стратегической политике любой страны и территории мира, включая Россию и Башкирию, можно очень быстро (за 5-7 лет) вывести нетрадиционную энергетику в разряд конкурентоспособной отрасли. Это позволило бы абсолютно реально и с огромным эффектом для экономики и экологии мира совершить «энергетическую революцию» - «переместить» в течение 25-30 лет производство тепловой и энергетической энергии из сферы ТЭС и АЭС в сферу «бестопливной» энергетики. Совокупная полезность такой «ломки» в электротехнологиях настолько велика и беспрецедентна, что ее невозможно переоценить. Она была бы несравнимо выше, например, перехода от паровых машин к электродвигателям и от свечек к электролампам.
Другим важнейшим аспектом рационального использования топлива и энергии являются все технические, технологические и организационные формы энергосбережения и топливозамещения. На этом пути можно добиться снижения энергопотребления на единицу продукции и услуг в два-три раза и более. Это доказано на практике во многих сферах деятельности. Наиболее острой проблемой во всем топливно-энергетическом комплексе является нефть, составляющая более четверти в структуре энергопотребления. Главными «едоками» нефтяного топлива являются машины на базе двигателей внутреннего сгорания. Ныне в мире их общий парк насчитывает более одного миллиарда единиц. В 20-м веке они стали главным «движителем» прогресса во всех сферах деятельности человечества: от простых бытовых механизмов до тяжелых транспортных средств и военной техники. Этими-то свойствами нефти обусловлена огромная стратегическая роль ее в сложных политических перипетиях мировых государств. Одновременно с этим нефть стала главным загрязнителем природной среды, прочно заняв первое место в большинстве экологических проблем. Нарастающая год от года тенденция замещения нефти электроэнергией может со временем радикально снизить или даже свести к нулю все негативные факторы, связанные с нефтью.
Таковы важнейшие аспекты проблем и приоритетов в топливно-энергетическом комплексе мира на нынешнем этапе его развития.
14
Секция I Автоматизация и защита в энергетике
Ф. Р. ИСМАГИЛОВ, Е. М. ФЕДОСОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Предупреждение аварийных отказов
элементов электроэнергетических систем Надежность работы элементов электротехнических систем прежде всего
определяется надежностью его изоляции. Для предотвращения аварийного отказа электрооборудования необходимо проводить своевременную диагностику состояния изоляции.
Одним из наиболее эффективных методов диагностирования электротехнического оборудования под рабочим напряжением является метод диагностики по частичным разрядам (ЧР), позволяющий выявлять быстроразвивающиеся локальные дефекты.
В настоящее время метод диагностики изоляции по частичным разрядам широко применяется лабораторных условиях и на заводях изготовителях трансформаторного оборудования при контроле качества изоляции выпускаемой продукции как в России, так и многих зарубежных странах. Однако на настоящий момент недостаточно результатов исследований зависимостей характеристик ЧР от времени эксплуатации электротехнического оборудования, которые позволяли бы прогнозировать пробой изоляции по характеристикам частичных разрядов и предотвращать отказ этого оборудования.
С целью выявления такой зависимости проведено моделирование старения образцов эпоксидной изоляции с измерением ЧР на каждом этапе старения. В качестве диагностических характеристик ЧР, дополнительно к традиционному параметру – максимальному кажущемуся заряду, предлагается использовать в качестве характеристик интенсивности ЧР параметры, учитывающие все импульсы ЧР, такие как ток и мощность ЧР, а также амплитудно-частотные и амплитудно-фазовые характеристики.
Так как основным фактором старения систем изоляции является температура, то представляется целесообразным воспользоваться методом ускоренного термического старения изоляции, представленного в ГОСТ 10518-88. Метод ускоренного старения основан на правиле Монтзингера, согласно которому при увеличении допустимой номинальной температуры Т0 на некоторую величину ΔТ при нормальных условиях срок службы изоляции сокращается вдвое
0
0 2Т ТТ
ТL А−
Δ= ⋅
15
где LТ – срок службы при температуре изоляции Т, А0 – номинальный срок службы изоляции при температуре Т0, соответствующей классу нагревостойкости изоляционного материала.
Для получения зависимости характеристик частичных разрядов от срока службы изоляции проводилось моделирование старения пяти образцов эпоксидной изоляции, согласно методике ускоренного термического старения. После каждого цикла старения, соответствующего ресурсу в 2000 часов, проводилась регистрация ЧР.
Для обобщения полученных статистических данных и выявления общих закономерностей изменения интенсивности частичных разрядов во времени, получена усредненная характеристика мощности ЧР, где каждому моменту времени соответствует среднее арифметическое значение мощности всех пяти образцов испытуемой изоляции. Данная характеристика представлена на рис 1.
0
1020
304050607080
90
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000
время эксплуатации, час
Pчр, мВт
Рис. 1. Усредненная характеристика интенсивности ЧР
На основании полученных данных можно сделать вывод, что мощность
частичных разрядов является диагностическим параметром, позволяющим выделить следующие этапы старения изоляции:
- первый этап эксплуатации твердой изоляции, на котором может наблюдаться улучшение ее характеристик, составляет 2000-4000 часов;
- основной период эксплуатации изоляции, на котором характеристики изоляции практически не ухудшаются, составляет примерно 14000-18000 часов, то есть граница данного интервала соответствует сроку службы в 18000-20000 часов;
- период старения изоляции, характеризующийся устойчивым ростом интенсивности ЧР. Длительность данного периода находится в пределах 12000-16000 часов, скорость возрастания интенсивности ЧР составляет 2–5 мВт/1000 часов;
- предпробойная стадия старения изоляции. При этом наблюдается резкое увеличение интенсивности ЧР после момента эксплуатации, соответствующего
16
28000-30000 часов. Рост интенсивности ЧР на данном этапе достигает 10-15 мВт/1000 часов.
Таким образом, результаты проведенных экспериментальных исследований показывают, что мощность частичных разрядов является эффективным диагностическим параметром, позволяющим оценивать стадии старения изоляции элементов электротехнических комплексов. Д. Ю. ПАШАЛИ, О. А. БОЙКОВА, В. Е. ВАВИЛОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. Х. ХАЙРУЛЛИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Повышение эффективности диагностирования роторного оборудования энергетических систем
Эффективная организация и автоматизация управления диагностики и
ремонтов обеспечивают значительное снижение расходов на проведение своевременного ремонта и технического обслуживания (РТО) энергетического оборудования. Например, анализ работы более пятисот энергетических предприятий США и Европы, проведенный компанией Technology for Energy, показал, что диагностический мониторинг приводит к снижению затрат на ремонт оборудования на 50–80%, затрат на техническое сопровождение – на 50–80%, объемов материально-производственных запасов – на 30%, к повышению рентабельности производства на 20–60% [1].
Анализ современных источников показал, что при оперативных диагностических исследованиях электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) основными методами являются: тепловой, электрический, виброакустический, хроматографический и магнитный (по внешнему магнитному полю) [3].
Цель работы разработка АДК позволяющего повысить достоверность, эффективность и точность результатов диагностирования РО, применяемого в энергетике и его программного обеспечения.
Автоматизированные диагностические комплексы (АДК) роторного электрооборудования (далее РО), применяемого в энергетике, в частности взрывозащищенных асинхронных двигателей (далее ВАД), позволяют обеспечить: бесперебойную работу РО; обнаружение дефектов, места их расположения и оценить степень развития; противоаварийную защиту РО (своевременный вывод из эксплуатации при наступлении предельного состояния), что позволяет избежать значительных экономических затрат, экологических катастроф и т.д. [2].
Cтруктурная схема АДК РО приведена на рис. 1. Разработанный авторами АДК позволяет: контролировать тепловое и
вибрационное состояние РО; фиксировать частотные всплески в спектре ВМП; измерять основные механические или электромеханические характеристики
17
РО; задавать определенный режим работы; моделировать неисправные состояния РО; измерять ВМП в окружающем РО пространстве в заданных координатах и рабочих режимах; проводить в режиме непрерывного мониторинга: неразрушающий контроль всей поверхности деталей и узлов РО, диагностику внутренних дефектов, обусловленных фазовой, структурной и геометрическими неоднородностями; обрабатывать данные измерений, проводить спектральный анализ, сохранять результаты; формировать базы данных.
Рис. 1. Автоматизированный диагностический комплекс «EFFECT»: РО – исследуемый объект; ДЭ – датчик тока питающей сети; ДТ – датчик
температуры; ДВ – датчик вибрации; ДВМП – датчик внешнего магнитного поля; НЭП – накладной электромагнитный преобразователь; БПОС – блок предварительной обработки сигнала (усилитель сигнала ДВМП и режекторный фильтр); ПК – персональный компьютер
С целью повышения достоверности оперативной диагностики РО в АДК в
дополнение к ДВМП используется датчик – НЭП [5], позволяющий проводить в режиме непрерывного мониторинга оперативную диагностику поверхности внешнего магнитопровода асинхронного двигателя, диагностику внутренних дефектов, в том числе обусловленных фазовой, структурной и геометрическими неоднородностями.
Авторами разработаны алгоритм и программа ЭВМ «Расчет ВМП АД» [6] для: расчета электромагнитного поля в рабочем зазоре ВАД; определения параметров ВМП ВАД; осуществления периодического и/или непрерывного диагностирования состояния ВМП ВАД; формирования баз данных диагностических критериев; отображения результатов диагностического мониторинга с учетом степени развития дефектов в режиме онлайн.
Разработанные АДК и его ПО позволяют: повысить достоверность, эффективность и точность результатов диагностирования РО (за счет использования современных методов диагностирования и средств их
18
реализации, в том числе оригинальных конструкций датчиков ВМП); анализировать режимы работы РО на основе зарегистрированной достоверной информации (за счет использования баз данных, полученных при применении оригинального ПО АДК); оптимизировать управление процессами, протекающими в рабочих зазорах РО и в окружающем его пространстве; снизить технические потери и сократить эксплуатационные затраты РО в энергетике; облегчить принятие решений по ремонту и техническому обслуживанию и т.д.
Список литературы 1. Ткачев С. П., Мясникович М. В. Совершенствование системы управления энергетическим комплексом в контексте энергобезопасности страны // Наука и инновации, 2009. – № 2. – С. 2–17. 2. Пашали Д. Ю., Набиуллин А.Р. Комплексы оперативной диагностики роторного электрооборудования в энергетике // Труды НГТУ. Актуальные проблемы электроэнергетики. Т.59. Н.-Новгород, НГТУ, 2006. C. 234-237. 3. Хайруллин И. Х., Пашали Д. Ю., Бойкова О. А. Методы и средства функциональной диагностики электромеханических преобразователей энергии // Электронные устройства и системы. Межвузовский научный сборник – Уфа, УГАТУ – 2010. С.25-29 4. Вавилов В. Е., Охотников М. В. Разработка программного обеспечения диагностических комплексов энергетических установок // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Труды XII Всероссийского студенческого научно-технического семинара в 2-х томах – Томск, 20-23 апреля 2010 г. – Томск: ТПУ, 2010 – т.1. Электроэнергетическое направление. – 388с. С.345-348. 5. Хайруллин И. Х., Пашали Д.Ю., Бойкова О.А. Накладной электромагнитный преобразователь // Патент RU № 68700, 2007. Бюл.№ 33. 6. Хайруллин И. Х., Пашали Д. Ю., Бойкова О. А., Вавилов В. Е. Расчет внешнего магнитного поля асинхронного двигателя // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2010615107. Дата рег. 09.08.2010.
В. Ю. АЛЕКСЕЕВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент В. А. ШАБАНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет
Выбор параметров схем электроснабжения НПС для обеспечения самозапуска электродвигателей
В практике проектирования параметры системы электроснабжения
промышленных предприятий выбираются исходя из расчетных токов нагрузки в нормальных и послеаварийных режимах. Это требование обусловлено ориентацией экономики на снижение затрат на сооружение и эксплуатацию систем электроснабжения. Такой подход не учитывает последствий от кратковременных перерывов электроснабжения. В частности не учитывается
19
требование обеспечения самозапуска электродвигателей в послеаварийных режимах и требование обеспечения устойчивости технологических процессов при кратковременных нарушениях электроснабжения. Обычно эти вопросы решаются средствами электрической и технологической автоматики в процессе эксплуатации. В докладе рассматривается учет требований обеспечения устойчивости технологических процессов на стадии проектирования системы электроснабжения.
Для обеспечения устойчивой работы промышленных предприятий с повышенными требованиями к надежности электроснабжения одним из основных требований является обеспечение непрерывности технологического процесса при нарушениях в системе электроснабжения. При этом одним из важнейших требованием при проектировании является выбор таких параметров системы электроснабжения, при которых обеспечивается успешная работа средств сохранения бесперебойности технологического процесса. На нефтеперекачивающих станциях (НПС) основными средствами повышения устойчивости процесса перекачки нефти являются автоматическое включение секционного выключателя (АВР) при потере питания по одному из вводов, самозапуск электродвигателей магистральных насосных агрегатов (МНА) после АВР и пуск МНА после включения технологического АВР.
Целью данной статьи является исследование влияния параметров схемы электроснабжения НПС на условия допустимости и успешности самозапуска МНА при несинхронном включении.
С одной стороны ток самозапуска IСЗП должен быть меньше допустимого значения тока статора IДОП по условиям механической прочности или теплового воздействия на обмотку статора. Это требование означает, что эквивалентное сопротивление системы электроснабжения должно быть больше некоторого минимально допустимого значения
ZЭ ≥ ZМИН..Д (1)
С другой стороны напряжение на вводах двигателя должно быть достаточным для успешного разгона. На НПС применяются синхронные двигатели серии СТД. Пусковая асинхронная характеристика двигателей серии СТД и механическая характеристика магистральных насоса позволяют оценивать успешность асинхронного разгона в процессе самозапуска по напряжению UСЗП в начальный момент восстановления питания. Это напряжение должно быть выше некоторого критического значения. При этом эквивалентное сопротивление системы электроснабжения должно быть меньше некоторого максимально допустимого значения
ZЭ ≤ ZМАХ.Д. (2)
Таким образом, для выполнения условий допустимости и успешности самозапуска параметры питающей энергосистемы должны находиться в
20
диапазоне, ограниченном неравенствами (1) и (2). Очевидно, что кроме условий (1) и (2) должны выполняться и такие общепринятые требования, как: ток короткого замыкания в системе электроснабжения не должен превышать максимально допустимых значений по условиям термической и электродинамической стойкости кабельных линий и току отключения выключателей, потери напряжения не должны превышать допустимых значений и т.д.
Значения ZМИН..Д и ≤ ZМАХ.Д определяются расчетным путем и зависят не только от схемы электроснабжения, но от мощности и числа электродвигателей, участвующих в самозапуске, и числа электродвигателей не терявших питание при нарушении электроснабжения. В свою очередь распределение электродвигателей по секциям шин и их участие в режимах самозапуска определяется во многом требованиями технологического режима. Таким образом, для обеспечения процессов пуска и самозапуска синхронных двигателей необходимо проверять выполнение требований (1) и (2) при всех возможных технологических режимах работы НПС.
Для проверки выполнения условий (1) и (2) были выполнены расчеты на действующих НПС. Расчеты пусковых токов, времени асинхронного разгона, допустимость и успешность самозапуска выполнены при пуске на закрытую и открытую задвижку. Был рассмотрен асинхронный разгон и самозапуск синхронных двигателей типа СТД-8000 и СТД-4000 при изменении сопротивления питающей сети. В процессе расчетов и исследований были определены предельные соотношения сопротивлений питающей сети и двигателя, при которых пуск и самозапуск МНА НПС будет успешен.
Р. Ф. ГИЛЯЗОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент В. А. ШАБАНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет
Ограничение токов короткого замыкания
на нефтеперекачивающих станциях Нефтеперекачивающие станции (НПС) магистральных нефтепроводов по
требованиям к надежности электроснабжения относятся к 1-й категории. Для питания НПС вблизи нее сооружается главная понижающая подстанция (ГПП) с двумя трансформаторами мощностью до 63 МВА. Энергия к ГПП подводится по воздушным линиям электропередачи напряжением 35, 110 или 220 кВ. Для питания высоковольтных электродвигателей на НПС сооружается закрытое распределительное устройство (ЗРУ) напряжением 6(10) кВ. Такое ЗРУ на НПС называют технологическим. Электроснабжение технологического ЗРУ от ГПП выполняется либо по кабельным линиям 6(10) кВ большого сечения, либо по гибким воздушным токопроводам. Для привода основных насосных агрегатов на НПС применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и
21
синхронные двигатели мощностью до 8000 кВт и более. При таких значительных мощностях двигателей на НПС и трансформаторов на ГПП возникает проблема ограничения пусковых токов, токов самозапуска и токов короткого замыкания (КЗ), в том числе токов посылаемых электродвигателями в точку КЗ – токов подпитки. Для решения этих проблем на НПС применяется распределение крупных электродвигателей по отдельным секциям шин, трансформаторы с расщепленной обмоткой и токоограничивающие реакторы.
В работе рассматривается сочетание перечисленных средств ограничения токов КЗ с установкой преобразователей частоты (ПЧ). Анализ проводится на примере НПС с двумя технологическими ЗРУ, каждое из которых содержит две секции шин. На каждой из секций шин по два синхронных двигателя типа СТД для привода магистральных насосов и по два асинхронных двигателя мощностью по 2000 кВт для привода подпорных насосов. Причем в одном технологическом ЗРУ мощности синхронных двигателей по 8000 кВт, а в другом по 6300 кВт. В работе выполнены расчеты токов КЗ на шинах технологических ЗРУ №1 и №2 (табл. 1). Токи КЗ превышают токи отключения установленных в ЗРУ выключателей и допустимые значения токов по термической стойкости кабельных линий. Особенно велики токи КЗ в сети ЗРУ №2 с электродвигателями СТД-6300 из-за больших токов подпитки от СТД-8000 ЗРУ№1. Поэтому в рассматриваемой схеме электроснабжения НПС установлены сдвоенные реакторы на выводах каждого из трансформаторов ГПП, а на вводах ЗРУ№2 установлены дополнительно одиночные реакторы. Расчеты токов КЗ при наличии реакторов (табл. 1) показали, что для ограничения токов КЗ требуются реакторы с большим индуктивным сопротивлением. Однако при этом в реакторе будут значительные потери напряжения в нормальном режиме, а также при пуске и самозапуске, что приведет к снижению напряжения на зажимах пускаемого электродвигателя. В результате может произойти как увеличение времени пуска и самозапуска, так и срыв самозапуска.
Таблица 1 Результаты расчета токов КЗ
Варианты расчета Токи КЗ через выключатели ЗРУ-10 кВ ГПП, кА
С реакторами 21,890 – 29,794 Без ПЧ Без реакторов 30,206 – 38,110 С реакторами 10,448 С ПЧ Без реакторов 16,330
При использовании частотно-регулируемых электроприводов
магистральных насосов можно уменьшить число реакторов или их индуктивное сопротивление, либо вообще обойтись без них. Объясняется это следующим. При одном неуправляемом выпрямителе в составе ПЧ мощность через него передается только в одном направлении – из сети к электродвигателям. Поэтому ПЧ не пропускает в сеть ток подпитки от электродвигателя, и
22
суммарный ток КЗ в сети уменьшается до значений, определяемых лишь параметрами питающей системы и схемы электроснабжения.
В работе выполнены расчеты токов КЗ для рассматриваемой НПС при установке ПЧ в цепи двигателей СТД (табл. 1). Расчеты выполнены как при наличии, так и при отсутствии средств ограничения токов КЗ. Расчеты показывают, что ток КЗ, протекающий через выключатели ЗРУ, при наличии ПЧ по сравнению со случаем без ПЧ меньше: в 1,85–2,33 раза при отсутствии токоограничивающих устройств и в 2,10–2,85 раза при наличии токоограничивающих устройств. Со снижением токов КЗ при установке ПЧ в цепи СТД появляются возможности упрощения как схем ГПП, так и схем электроснабжения НПС в целом. Так, например, lдля рассматриваемой НПС исключается необходимость установки токоограничивающих реакторов, появляется возможность применения коммутационных аппаратов с меньшей отключающей способностью. Кроме того, при наличии ПЧ упрощается расчет токов КЗ, а также выбор уставок срабатывания устройств релейной защиты и автоматики.
Д. Ф. ГАЛЛЯМОВ Филиал ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ
Феррорезонансные явления в электрических сетях, анализ сети энергосистемы РБ и предотвращение феррорезонансных явлений Феррорезонансные явления возникают в результате взаимодействия
нелинейных индуктивностей намагничивания магнитопроводов трансформаторов с емкостями электрооборудования электрических систем. Они появляются в электрических сетях при оперативных переключениях, неполнофазных включениях и перемежающихся дуговых замыканиях на землю. При протекании феррорезонансных явлений возникают длительные перенапряжения на шинах распределительных устройств, опасные для разрядников и ограничителей перенапряжений, и токовые перегрузки обмоток электромагнитных трансформаторов, под действием которых повреждается изоляция и образуются межвитковые замыкания. Это приводит к взрывам трансформаторов и пожарам в распределительных устройствах электрических станций и подстанций.
В докладе рассматривается феррорезонанс, который происходит в РУ 220 кВ с выключателями, содержащими емкостные делители и электромагнитные трансформаторы напряжения.
Производится анализ РУ-220 кВ ПС Благовар и Кумертауской ТЭЦ на возможность появления феррорезонанса по методике, изложенной в МУ 34-70-163-87.
Результирующая схема замещения любого РУ выглядит следующим образом (рис. 1):
23
а) б)
Рис. 1. Схема замещения части РУ 220 кВ: а) - с электромагнитным трансформатором напряжения при снятом с него напряжении;
б) - эквивалентная; L- индуктивность трансформатора напряжения; R - активное сопротивление обмотки ВН; E - ЭДС сети.
Производится расчет на возможность появления феррорезонанса данной схемы, полученная точка отмечается на номограмме (рис. 2), далее выявляется входит ли наша точка в область или нет.
Рис. 2. Область существования феррорезонанса
Предложены меры по борьбе с феррорезонансом: - увеличение емкости оборудования относительно земли, т.е.
увеличение параметра CS; - изменение порядка ведения оперативных переключений.
E
L
R
С
E С
L
R
С
Точка а с координатами (3680;0,36) для Кумертауской ТЭЦ с воздушными выключателями
Точка с координатами (1870;0,29) для ПС Благовар
Точка с координатами (2445;0,037) для Кумертауской ТЭЦ с выключателями типа HPL
Сэ,103 пФ
24
Выводы Расчет на возможность возникновения феррорезонанса, приведенный в
МУ 34-70-163-87 дает качественные результаты, т.к. на КТЭЦ и на ПС Благовар явление феррорезонанса было зарегестрировано (методика “говорит” о том же). Необходимо отметить, что приведенная номограмма (рис. 2) не совпадает с полученным результатом на ПС Благовар. Поэтому стоит уточнять методику по мере поступления новых практических случаев явления феррорезонанса. Оценивая полученные результаты, в дальнейшем планируется продолжать анализ по данной методике на возможность возникновения феррорезонанса на ряде других объектов Башкирской энергосистемы и тем самым предотвратить возможные негативные последствия.
С. Г. АРСЛАНОВ, Т. Ю. ВОЛКОВА Филиал «БашРЭС-Нефтекамск», Октябрьские распределительные электрические сети, ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Применение автоматических устройств компенсации реактивной мощности
Для компенсации реактивной мощности на предприятии применяются
устройства компенсации реактивной мощности - УКРМ. Задачи решаемые при компенсации реактивной мощности:
- снижение затрат на оплату электрической энергии; - повышение напряжение на шинах питания; - возможность подключения дополнительной нагрузки без увеличения
мощности понижающих трансформаторов; - снижение потерь электроэнергии. При применении УКРМ групповой компенсации наиболее выгодной
является установка автоматических устройств УКРМ отслеживающих режим потребления нагрузки на шинах низкого напряжения трансформаторных подстанций и в соответствии с коэффициентом нагрузки включающих 10, 20, или 100 % мощности батареи косинусных конденсаторов.
Содержание доклада: - схема электроснабжения предприятия; - описание автоматической установки компенсации реактивной
мощности; - графики нагрузки предприятия с учетом компенсации и их анализ; - анализ режима работы АУКРМ; - расчет снижения потерь электроэнергии и снижение затрат на ее оплату; - расчет срока окупаемости АУКРМ.
25
Р. Ш. ГАНЕЕВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Ф. Р. ЛАТЫПОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Использование модифицированного критерия подобия Померанцева при решении задач повышения энергоэффективности многоэтажных
жилых домов с автоматической подачей теплоносителя Элеваторный способ подготовки теплоносителя для отопления жилых
домов всё больше в России заменяется более экономной схемой насосного принуждения. Наиболее универсальной является подача теплоносителя через электромагнитный клапан, управляемый 4-х импульсным ПИ-регулятором. В большинстве случаев пока используется автоматика иностранного производства («Danfoss», «Siemens», «Advantech» и др.), изначально настроенная на отопление западноевропейских, в основном коттеджных домов, с их набором теплофизических свойств, материалов и архитектурой ограждений. Однако, наши более толстостенные и бóльшие по размерам многоквартирные дома («корабли», «свиноматки» и др.) значительно, по тепловой инерции и динамике переходных процессов, отличаются от европейских домов. Поэтому всегда существовала необходимость в перенастройке заводских режимов импортной автоматики под конкретные архитектурно-строительные и теплофизические параметры отечественных зданий.
С целью повышения энергоэффективности многоэтажных жилых домов, в Республике Башкортостан, использующих датские ПИ-регуляторы ECL Comfort 200 c SIM картой P30, нами были проанализированы экспериментальные данные по 80 домам, имеющим такую автоматику. На основе программы SPSS компьютерного многофакторного матрично-корреляционного анализа решались две задачи. Первая – с помощью многофакторного анализа выделить важнейшие показатели (из 50 строительных и теплофизических показателей), влияющих на энергоэффективность обогрева дома ε=Qрасч./Qфакт. (согласно ГОСТа 31168-2003). Вторая задача состояла в поиске новых безразмерных критериев подобия. Компьютер сам подбирал произведения степенных сомножителей с плавающими показателями степени (от – 4 до + 4), при которых получались безразмерные критерии теплового подобия процесса обогрева жилого дома через важнейшие показатели работы системы.
Для домов этажности более 7, компьютер нашел соотношение ряд определяющих критериев подобия. Более внимательное рассмотрение полученных критериев подобия (ранее неизвестных) показало, что один из них является модификацией критерия подобия Померанцева В.В. Он был выведен ленинградским специалистом по теории топочных процессов ещё в конце 1940-х годов и использовался для оптимизации процессов горения в печах разного объема и конфигурации. Думается, такая находка не случайна, так как
26
процессы теплопередачи через ограждения разной конструкции, как у печей так и у больших зданий, во многом аналогичны.
Установленная нами модификация критерия подобия Померанцева В.В. соответствует формуле
2
боксрср3 v
s lFRT
QPo ⋅⋅⋅Δ
= , )1(
где sQ – удельный расход теплоты на 1м2 жилой площади здания, Tcp – средний температурный перепад ограждений зданий за отопительный период, Rcp – среднее термосопротивление стен здания, Fбок – площадь боковой поверхности здания, lv – характерный размер здания.
Также, в результате экспериментов с жилыми домами в г. Уфе была установлена формула оптимальной настройки «крутизны приемистости» β в характеристиках ПИ-регуляторов. Соответствующая формула имеет вид
33,133333,2 Poβ −= . )2(
Формулы (1) и (2) имеют практическую ценность, так как на их основе можно настраивать автоматику регулирования подачи теплоносителя на максимальную эффективность, для любого высокого здания этажностью более семи.
Список литературы 1. Латыпов Ф.Р., Мамаев И.Р., Фаррахов Р.Г. и др. Модифицированный критерий подобия Померанцева для анализа энергоэффективности автоматического теплоснабжения многоэтажных жилых домов //Матер. науч.-технич. конф. по энерго- и ресурсосбережениям, 6–9 дек. 2005г. – Екатеринбург: Изд-во УГПУ, 2005. – С.84–88. 2. Латыпов Ф.Р., Мамаев И.Р. Анализ данных системы учета и автоматического регулирования теплоснабжения пяти- и более этажных жилых домов //Известия вузов и энергетич. объединений СНГ. Энергетика. –Минск: Изд-во Белорус. нац. техн. универ., 2006. №2. – С.58–63.
Н. А. НИКОЛАЕВ, А. В. МАЛАФЕЕВ, О. В. БУЛАНОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент В. А. ИГУМЕНЩЕВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Математическое моделирование направленных фильтровых защит
с высокочастотной блокировкой с целью оценки эффективности их работы Системы электроснабжения современных крупных промышленных
предприятий по многим свойствам приближаются к районным энергосистемам.
27
К таким свойствам относятся наличие собственных источников электроэнергии и наличие сложнозамкнутых сетей на напряжениях 110-220 кВ. Для анализа аварийных режимов в таких системах электроснабжения необходимо в ходе расчета переходного процесса учитывать последовательное изменение оперативного состояния схемы в результате работы введенных по условиям анализируемого режима устройств релейной защиты при выполнении условий срабатывания.
Одними из наиболее сложных из защит сетей 110-220 кВ является направленная фильтровая защита с ВЧ-блокировкой. В таких защитах орган направления мощности и пусковой орган реагируют на составляющие обратной последовательности.
Рассмотрим в качестве примера комплект ПДЭ 2801. Защита выполнена с ускоренным пуском ВЧ-передатчика (ВЧА) от блокирующих органов тока и напряжения обратной последовательности, включенных по схеме логического умножения. Останов ВЧА при КЗ в защищаемой зоне производится от отключающего реле мощности обратной последовательности. Ввод в действие этого реле происходит одновременно с пуском ВЧА от одних и тех же измерительных органов. При КЗ в зоне цепь отключения подготовится, если одновременно сработают отключающие реле направления мощности, тока и напряжения.
Измерительными органами при трехфазных КЗ являются два направленных реле сопротивления с эллиптическими характеристиками, включенные на линейное напряжений и соответствующую разность токов. Реле сопротивления вводится в действие блокировкой при качаниях на 0,2 с–0,4 с после возникновения КЗ с последующим выводом на время до 12 с. Измерительными органами блокировки являются реле тока обратной последовательности с торможением от фазных токов и реле, реагирующее на производную модуля фазного тока.
Для оценки эффективности работы релейной защиты на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. Г.И. Носова разработано программное обеспечение, основанное на методах последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов. При проверке условий срабатывания комплекта ПДЭ 2801 на каждом шаге интегрирования n определяется, дает ли блокировка при качаниях разрешение на работу защиты.
Для этого требуется, чтобы выполнялось условие:
)()n()n( I,II 01 60 &&& >− − . (1)
При этом устанавливается флаг фиксации работы блокировки по приращению тока, значение счетчика циклов качаний Nцикл устанавливается в 1.
Если для времени работы блокировки выполняется условие:
28
( ) пускбл,возврбл,пускбл,циклбл tttNtnt ++<Δ= , (2)
то дается разрешение на пуск защиты. Если ( )возврбл,пускбл,циклбл ttNt +≥ , то счетчик циклов увеличивается на 1. Условие отключения по составляющим обратной последовательности:
откл,22 UU )n( > , откл22 ,)n( II > . (3)
Условие отключения по направлению мощности обратной последовательности )n()n()n( UIS 222 3 &&& = выполняется, если 0S 2(n) >&Re и
0S 2(n) >&Im . Условия срабатывания отключающего органа сопротивления,
действующего при симметричных КЗ (эллипсность e принимается равной 0,7):
( )( )
⎪⎪⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪⎪⎪
⎨
⎧
≤
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ′
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ′
=
=
=
ϕ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
ϕ−ϕ−=′
ϕϕ−=′
1
2
sin
12
tg
22
откл
отклмч,отклмч,
отклотклмч,
откл мч,отклмч,
CBx
ArC
eAB
ZA
sinZrxr
costgrxx
(4)
Аналогичным образом моделируется работа блокирующего органа. В случае пуска блокирующего комплекта устанавливается флаг пуска ВЧА.
Сигнал на пуск защиты формируется, если сформирован разрешающий сигнал от блокировки при качаниях, выполняются условия срабатывания отключающего комплекта и ВЧ-сигнал от блокирующего комплекта с противоположного конца линии отсутствует.
По истечении заданного времени срабатывания защита действует на отключение выключателей с обоих концов линии с учетом их полного времени отключения, расчет режима на следующем интервале выполняется при новом оперативном состоянии схемы.
Разработанные математические модели и программное обеспечение внедрены на ОАО «ММК» и используются для оценки быстродействия, чувствительности и селективности защиты распределительных сетей 110-220 кВ.
29
Е. А. ПАНОВА, С. В. БЕЛЯЕВ, А. А. ЕМЕЛЬЯНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. В. МАЛАФЕЕВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Математическое моделирование сложных видов аварийной несимметрии
с целью оценки чувствительности релейной защиты
Оценка чувствительности релейной защиты (РЗ) в сетях с эффективно заземленной нейтралью выполняется на основе расчета параметров установившихся и переходных режимов при однофазных и двухфазных замыканиях на землю. Основными причинами таких повреждений являются, как правило, обрывы проводов ЛЭП. Следовательно, для оценки чувствительности РЗ наиболее корректно рассчитывать режим замыкания на землю с учетом наличия в схеме обрыва, т.е. режим сложного повреждения, которое подразумевает сочетание продольной и поперечной аварийной несимметрии.
Традиционным подходом к моделированию сложных видов повреждений является задание в расчетную схему замещения двух ЭДС: продольной для учета обрыва провода, и поперечной для учета замыкания поврежденного провода на землю. На кафедре ЭПП МГТУ им. Г.И.Носова разработан программно-вычислительный комплекс (ПВК), одной из возможностей которого является расчет установившегося режима и переходных процессов при сложных повреждениях. В данном ПВК все элементы задаются в расчет Т-образной схемой замещения с ЭДС в поперечной ветви. Использование такой схемы замещения не позволяет задать обрыв продольной ЭДС. Для моделирования продольной несимметрии было выполнено преобразование продольной ЭДС в поперечную. Для задания места повреждения в расчетную схему вводятся элементы-границы неполнофазного участка. Определение ЭДС в месте повреждения и расчет установившегося режима при сложных повреждениях производится методом последовательного эквивалентирования согласно разработанному алгоритму (табл. 1). Расчет выполняется в три стадии, отдельно для схемы каждой последовательности. Особой фазой во всех случаях является фаза А. Для сложных повреждений с учетом наименования фазы, в которой произошел обрыв, принято, что короткое замыкание (КЗ) происходит в особой фазе, а обрыв – в расчетной. В рассмотренном ПВК реализована возможность расчета режима для любых сочетаний обрывов и КЗ. В табл. 1 в качестве примера приведены расчетные формулы для определения поперечной ЭДС элемента-границы неполнофазного участка для случаев сложного повреждения в особой фазе и по одному варианту однофазного и двухфазного обрывов в расчетной фазе (В,С, АС, АВ) в сочетании с КЗ в особой фазе.
Расчет переходных процессов с использованием рассмотренного алгоритма проводится на основании методов последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов. Результаты расчетов с
30
использованием указанных алгоритмов могут быть использованы для расчета параметров срабатывания устройств РЗ и оценки их чувствительности.
Таблица 1
Алгоритм расчета режима при сложных видах аварийной несимметрии 1 Расчет исходного доаварийного режима методом последовательного
эквивалентирования 2 Расчет замыкания на землю Однофазное КЗ Двухфазное КЗ ,31,32 2.1. исхКЗисхКЗ UEUE &&&& −==
исхКЗ UE && 310. −= ,31,31 2.1. исхКЗисхКЗ UEUE &&&& ==
исхКЗ UE && 310. = 3 Определение EΔ как падения напряжения на неполнофазном участке в
режиме КЗ 4 Расчет режима сложного повреждения 4.1 Обрыв с однофазным замыканием на землю
;32 1.1.1. кзкзразр ЕЕE &&& Δ+= ;31 2.2.2. кзкзразр ЕЕE &&& Δ−= 0.0.0. 31 кзкзразр ЕЕE &&& Δ−= 4.2 Двухфазный обрыв с замыканием на землю
;31 1.1.1. кзкзразр ЕЕE &&& Δ+= ;31 2.2.2. кзкзразр ЕЕE &&& Δ+= 0.0.0. 31 кзкзразр ЕЕE &&& Δ+= 4.3 Обрыв фазы В с однофазным замыканием на землю
;32 1.1.1. кзкзразр ЕЕE &&& Δ+=
( ) ( )( ) ( ) ( )( )[ ];Re63Im61Im63Re61 2.2.2.2.2.2. кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& Δ−Δ+Δ+Δ+=
( ) ( )( ) ( ) ( )( )[ ]0.0.0.0.0.0. Re63Im61Im63Re61 кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& ++−+= 4.4 Обрыв фаз А и С с однофазным замыканием на землю
;31 1.1.1. кзкзразр ЕЕE &&& Δ+=
( ) ( )( ) ( ) (([ Re63Im61Im63Re61 2.2.2.2.2.2. кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& Δ+Δ−+Δ−Δ−+=
( ) ( )( ) ( ) ( )( )[ ]0.0.0.0.0.0. Re63Im61Im63Re61 кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& −−++−+= 4.5 Обрыв фазы С с двухфазным замыканием на землю
;32 1.1.1. кзкзразр ЕЕE &&& Δ+=
( ) ( )( ) ( ) ( )( )[ ];Re63Im61Im63Re61 2.2.2.2.2.2. кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& Δ+Δ+Δ−Δ+=
( ) ( )( ) ( ) ( )( )[ ]0.0.0.0.0.0. Re63Im61Im63Re61 кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& −+++= 4.5 Обрыв фаз А и В с двухфазным замыканием на землю
;31 1.1.1. кзкзразр ЕЕE &&& Δ+=
( ) ( )( ) ( ) (([ Re63Im61Im63Re61 2.2.2.2.2.2. кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& Δ−Δ−+Δ+Δ−+=
( ) ( )( ) ( ) ( )( )[ ]0.0.0.0.0.0. Re63Im61Im63Re61 кзкзкзкзкзразр ЕЕjЕЕЕE &&&&&& +−+−−+=
31
Т. В. САЗОНОВА, Л. Ю. ПОЛЯКОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор А. И. КАЯШЕВ Филиал ГОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке
Синтез системы управления автоклава
для производства газозолосиликатных шлакоблоков Автоклавная обработка является одной из важнейших операций при
изготовлении газозолосиликатного шлакоблока. Её режимы напрямую влияют на такие качественные характеристики готового продукта, как морозостойкость, усадка при высыхании, прочность при сжатии, внешний вид изделий (отколы, трещины).
Газозолосиликатный шлакоблок является правильно подобранной смесью извести (CaO), золошлакоотходов ТЭС, работающую на бурых углях, которые вводят в процесс SiO2, воды и алюминиевой пудры после её формования и автоклавной обработки. Из компонентов CaO, SiO2 и Н2О в автоклаве при воздействии высокого давления и высокой температуры образуется новый минерал — тоберморит (С4S5H5).
Технологический регламент производства газозолосиликатных шлакоблоков автоклавного твердения состоит из пяти стадий: загрузка автоклава, прогрев, выдержка, охлаждение и выгрузка готового продукта. Для получения качественных шлакоблоков температура и давление в автоклаве на стадиях прогрева, выдержки и охлаждения должны изменяться по графикам, изображенным на рис.1, с допустимым отклонением ±5%. Причем изменение температуры в стадии охлаждения состоит из 10 временных интервалов продолжительностью 12 мин. со «своими» законами изменения температуры, в то время как давление в этой стадии уменьшается по линейному закону. Задача управления усложняется еще и тем, что длительность стадий 2 ÷ 4 и законы изменения температуры и давления в автоклаве меняется в зависимости от количества вводимой добавки в шлакоблочную смесь для нейтрализации оксида железа, содержание которого в составе ЗШО Кумертауской ТЭЦ меняется в широких пределах.
В ходе технологических экспериментов выявлено шесть оптимальных значений нейтрализующих добавок с разной продолжительностью временных интервалов и со своим графиками изменения температуры и давления, а значит и с различными режимами работы автоклава, при которых обеспечивается наилучшее качество шлакоблоков и минимум энергозатрат.
Совершенно очевидно, что для управления упомянутыми режимами требуются отдельные регуляторы со своими коэффициентами передачи.
32
Рис. 1. Один из шести режимов работы
автоклава: h эксперимент; технологический регламент
Поскольку внутри каждой технологической стадии температура и давление во времени во всех технологических стадиях изменяются по линейному закону (кроме изменения температуры в зоне охлаждения), то управление процессом автоклавного твердения шлакоблоков целесообразно возложить на программно-реализованный ПИД-регулятор [7], коэффициенты передачи которого автоматически устанавливаются четким логическим регулятором в соответствии с графиками, изображенными на рис. 1, для
одной из шести нейтрализующих добавок в шлакоблочную смесь. Структурная схема, реализующая предлагаемую концепцию
регулирования температуры в автоклаве, представлена на рис. 2. Регулятор давления имеет аналогичную структуру.
Рис. 2. Система регулирования температуры в автоклаве с четким логическим регулятором:
ИМ – исполнительный механизм; Кп, Ки, Кд – коэффициенты передачи соответственно
пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих ПИД-регулятора; Т, Тзад – фактическая и заданная
температура в автоклаве, ºС; ∆Т = Т – Тзад
Цикл работы автоклава инициируется подачей на блоки «Технологические часы» и «Задатчик температуры» сигнала «Автоклав загружен» (рис.2). С первого выхода технологических часов подается сигнал на задатчик
температуры, на выходе которого вырабатываетя функция Тзад=90·t, соответствующая стадии прогрева (1). Одновременно с выхода 2 этого же блока подается команда на вход четкого логического регулятора (ЧЛР) в результате чего на его выходе выставляются значения коэффициентов для ПИД-регулятора при Т=Т1, т.е. Кп=1,1, Ки=3,4, Кд=15. ПИД-регулятор вырабатывает управляющее воздействие U, которое исполнительным механизмом ИМ преобразуется в угол поворота ϕ вентиля, регулирующего подачу пара в автоклав.
Как следует из рис. 1, погрешность регулирования во всех
33
технологических стадиях не превышает (2 ÷ 3)%, что приводит к повышению качества шлакоблоков и снижению их себестоимости на (20 ÷ 30)% и уменьшению энергозатрат.
А. Ф. ПРУТИК, Н. Ю. РУБАН, М. В. АНДРЕЕВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, доцент А. С. ГУСЕВ ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Анализ способов реализации фазового сдвига гармонического сигнала при моделировании средств релейной защиты и противоаварийной
автоматики на ВМК РВ ЭЭС
При моделировании средств релейных защит и противоаварийной автоматики (РЗА) на всережимном моделирующем комплексе реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС) [1], в получающихся системах дифференциальных уравнений, характерных для схем замещения РЗА, часто возникает задача умножения входного гармонического сигнала, т.е. его квантованных значений, на комплексное число. При этом результирующий сигнал отличается модулей и фазой от исходного. Если расчет модуля результирующего сигнала математически проблемы не представляет, то вычисление его фазы средствами микроконтроллеров – операция затруднительная, так как при разработке модулей программы с использованием специальных библиотек, отвечающих за операции с комплексными числами, неприемлемо падает быстродействие. Существуют также другие способы осуществления рассматриваемой операции:
1. С использованием операции задержки сигнала [2]. 2. Аналогично полупроводниковым фазоповоротным фильтрам в схемах
различных РЗА, в которых осуществляется вычисление симметричных составляющих. Для этого решается система соответствующих дифференциальных уравнений, реализующая изменение фазы сигнала.
3. С помощью математического преобразования, предлагаемого в данной работе.
В настоящее время в микропроцессорных панелях релейных защит используется вариант по пункту 1. Недостаток данного способа очевиден – необходимость временной задержки, в связи с чем увеличивается время работы всего алгоритма и, как прямое следствие, время срабатывания защиты.
Недостатки второго варианта аналогичны. Его реализация неизбежно приводит к решению численным метод дифференциального уравнения как минимум второго порядка. Поэтому значительное количество комплексных коэффициентов в математической модели РЗ приводит к большому количеству дифференциальных уравнений и соответствующим временным затратам.
Предлагаемый способ в плане быстродействия представляется более
34
выгодным. Рассматриваемый гармонический сигнал U можно представить как
( )sin ω=U U t . При его умножении на комплексное число jα=A Ae получаем ( )sin αω′ = ⋅ ⋅ +U U A t . На микроконтроллерах специализированных гибридных
процессоров (СГП) ВМК РВ ЭЭС, обеспечивающих моделирование РЗА, данную операцию можно произвести, пользуясь известной формулой синуса суммы ( ) ( ) ( )sin sin cos( ) cos sin( )α β α β α β+ = ⋅ + ⋅ .
Тогда ( ) ( ) ( ) ( ) ( )sin α sin cos α cos sin αω ω ω′ = ⋅ ⋅ + = ⋅ ⋅ −⎡ ⎤⎣ ⎦U U A t U A t t ,
где ( )sin ωt – входной гармонический сигнал от аналогово-цифровых преобразователей СГП ВМК РВ ЭЭС;
( )cos ωt можно вычислить как ( )21 sin ω− t ; α – известный угол (на который необходимо изменить фазу сигнала), его
синус и косинус для данного преобразования вычисляется предварительно. Таким образом, формула для осуществления операция умножения
гармонического сигнала на комплексное число принимает вид:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )2sin α sin cos α 1 sin sin αω ω ω⎡ ⎤′ = ⋅ ⋅ + = ⋅ ⋅ − − ⋅⎣ ⎦U U A t U A t t .
Недостатки данного способа следующие: 1. Необходимость осуществления фильтрации сигнала для приведения
к синусоидальной форме. Однако во всех схемах РЗА, как правило, присутствуют в схемах частотные фильтры. Поэтому к дополнительным временным затратам в работе алгоритма это не приводит.
2. Наиболее существенный недостаток – вычисление квадратного корня. Разработанные ранее ассемблерные функции позволяют решить данную задачу на приемлемом уровне. Алгоритм работы таких функций менее сложен, и, следовательно, более быстродействующий, чем соответствующий алгоритм численного решения дифференциального уравнения второго порядка простым методом (например, методом Эйлера).
Таким образом, актуальность использования предлагаемого варианта решения проблемы должна быть объективно оценена в сравнении с наиболее распространенным отмеченным выше первым способом, что и будет проделано на следующем этапе работы.
Список литературы 1. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Многопроцессорная программно-техническая система реального времени гибридного типа для всережимного моделирования энергосистем // Технологии управления режимами энергосистем XXI века: Сб. докладов Всеросс. науч.-практич. конф. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - С.125-131. 2. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. – М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.: ил.
35
Н. Г. РАЗМАХНИН Филиал ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ
Анализ достаточности объемов АЧР в Уфимском энергорайоне энергосистемы РБ в программном комплексе «Дакар»
Филиалы ОАО «СО ЕЭС» РДУ в своей операционной зоне должны
определять возможные схемы аварийного отделения частей энергосистемы и максимально возможные дефициты мощности в них и с учетом заданий филиалов ОАО «СО ЕЭС» ОДУ задавать субъектам электроэнергетики объем, структуру и настройку АЧР, ЧАПВ. В связи с этим, в службе электрических режимов Филиала ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ был проведен анализ достаточности объемов и правильности настройки устройств АЧР в Уфимском энергорайоне.
Для выполнения расчетов по определению достаточности объемов АЧР Уфимского энергорайона был выбран электрический режим, соответствующий режиму энергосистемы РБ 16.12.2009 18-00. Настройка устройств АЧР и нагрузка присоединений, подключенных к АЧР, соответствует графику расстановки АЧР в энергосистеме РБ за 16.12.2009 18-00. Расчёты производились в программном комплексе «ДАКАР».
На основе проведённого анализа аварийных режимов Уфимского энергорайона было выбрано сечение наиболее подверженное каскадному развитию аварии с выделением на изолированную работу (ПС Западная, ПС Глумилино, ПС Краснодонская, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3).
При выделении части Уфимского энергорайона с дефицитом активной мощности 186 МВт без учета работы АЧР, частота в выделенном энергорайоне устанавливается на уровне 40,9 Гц.
При расчёте с учетом действия АЧР через 0,8 сек происходит срабатывание спецочереди АЧР на уставке 49,2 Гц, отключая нагрузку в объеме 16,4 МВт. За интервал времени 0,9-1,6 сек после выделения автоматикой АЧР-1 отключается нагрузка суммарной мощностью 120,7 МВт. В результате этого, удается предотвратить аварийное снижение частоты, после чего частота начинает повышаться. В момент времени t8=7,4 сек и t9=10,4 сек происходит отключение нагрузки в объеме 22 МВт автоматикой АЧР-2 несовмещённая с выдержками времени 7 и 10 секунд соответственно. В результате этого частота начинает возрастать быстрее и в момент времени t=16,3 сек достигает уставок ЧАПВ. В момент времени t10=36,3 сек происходит включение нагрузки в объёме 33,4 МВт, после чего происходит снижение частоты до 48,0 Гц.
На интервале времени 50,5-62,5 сек происходит отключение нагрузки от АЧР-2 в объеме 38,4 МВт, в результате чего частота снова повышается и на 66-ой сек достигает уставок срабатывания ЧАПВ. После включения нагрузки в объёме 9,8 МВт частота устанавливается на уровне 49,4 Гц в соответствии с (рис. 1).
36
Рис. 1. Изменение частоты в выделенном энергорайоне с учетом действия АЧР/без учета
действия АЧР Автоматика ограничения снижения частоты должна обеспечивать подъем
частоты до уровня при котором энергосистема может работать длительное время (выше 49,0 Гц), а также должны выполняться следующие условия:
- работа энергосистемы с частотой ниже 49,0 Гц – не более 40 с; - с частотой ниже 47,0 Гц – не более 10 с; - с частотой ниже 46,0 Гц – не допускается. Из (рис. 1) видно, что частота в выделенной части Уфимского
энергорайона с учетом работы АЧР ниже 47 Гц не опускается, а продолжительность работы энергорайона с частотой ниже 49 Гц составляет 24,8 сек.
Выводы Расчёты по определению достаточности объёмов АЧР в Уфимском
энергорайоне, выполненные для электрического режима, соответствующего режиму энергосистемы РБ 16.12.2009 г. 18-00 показали, что для данного режима:
- объём нагрузки, подключенной к устройствам АЧР в Уфимском энергорайоне, достаточен;
- настройка устройств АЧР правильная.
37
М. А. МУХИН, А. Ш. ГАРЕЕВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Автоматизированная информационно-измерительная система
коммерческого учета потребления электроэнергии
Преимущества организации автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии промышленных предприятий общеизвестны, и применяются как в России так и за рубежом. В данной статье мы рассматриваем необходимость и метод автоматизации учета потребления электроэнергии бытовыми потребителями.
До недавнего времени доля потребления электроэнергии бытовым сектором была не велика, и поэтому на сбор оплаты за электроэнергию, потребленную на бытовые нужды, внимание не уделялось, и он осуществлялся по принципу самообслуживания. В связи с ростом потребления электроэнергии бытовым сектором и увеличением тарифов на электроэнергию, с целью предотвращения роста коммерческих потерь, возникает необходимость принятия мер по улучшению собираемости платежей от населения, и снижению уровня неплатежей и воровства. Мировой опыт свидетельствует, что если бытовой сектор приносит более 20 % доходов, то энергокомпании вынуждены принимать такие меры.
Сегодня, при взаимодействии энергосбытовых компаний с бытовыми потребителями непременно возникает ряд проблем. Одной из проблем является переход к периодическому массовому списанию показаний счетчиков контролерами энергосбытовых компаний, так как это обостряет проблему попадания контролеров к местам установки счетчиков, и многократно увеличивает численность самих контроллеров. Еще одна большая проблема возникает в связи с повышением тарифов на электроэнергию, так как для смягчения нежелательных социальных последствий неизбежно придется вводить новые виды тарифов и новые системы оплаты за электроэнергию. Так же к этим проблемам можно отнести ошибки контролеров при списании данных с счетчика которые могут быть как случайными так и преднамеренными. Большинство проблем, возникающих у энергосбытовых организаций при попытке улучшить собираемость с бытового сектора, решаются внедрением автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета потребления энергоносителей.
Для учета энергоресурсов в бытовом секторе, а так же для учета на отходящих фидерах трансформаторных подстанций 6(10)/0,4 кВ компанией «Инкотекс» разработана система автоматизированного учета потребления энергоресурсов «Меркурий-ЭНЕРГОУЧЕТ», в которой контроль за потреблением электроэнергии осуществляется по силовой распределительной сети 0,4 кВ.
Систему «Меркурий-ЭНЕРГОУЧЕТ» отличает от существующих аналогов:
38
• очень надежная передача данных по силовой сети за счет применения модемов собственной конструкции, которые отличает от существующих очень низкое рабочее соотношение сигнал/шум в точке приема;
• невысокая стоимость оборудования при высоких характеристиках; • низкие затраты на внедрение; • полностью отсутствует необходимость в дополнительных проводах
цифрового интерфейса связи; • максимальное количество счетчиком опрашиваемых одним
концентратором – до 1024. Периодичность опроса от 4 до 15 минут; • система универсальна. Имеет единую топологию с возможностью
применения в частном, коммунальном, мелкомоторном секторах. Автоматизированные информационно-измерительные системы
коммерческого учета потребления электроэнергии «Меркурий-ЭНЕРГОУЧЕТ», рассматриваемые в данной статье, имеют ряд преимуществ над аналогичными системами других производителей, как в аппаратном составе, так и в программном обеспечении.
Внедрение АИИС «Меркурий-ЭНЕРГОУЧЕТ» позволит своевременно снимать показания счетчиков каждого абонента сети без необходимости прямого доступа к приборам учета. Также с помощью данной системы очень просто отслеживать неисправные счетчики, и устранять возможность безнаказанного хищения электроэнергии, а также других нарушений. Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии имеют удобное и понятное программное обеспечение позволяющее рассчитывать потребленную электроэнергию по различным тарифам для различных потребителей, и вести расчет баланса отпущенной и потребленной абонентами электроэнергии для уменьшения технических и коммерческих потерь.
И. О. КОЗИН, Е. А. РУСАКОВА Профессиональный лицей – филиал ГОУ ВПО Тюменский государственный нефтегазовый университет
Надежность управления переходными процессами в энергосистемах
В этом году заведение отметило 70-летний юбилей и, как прежде,
является кузницей рабочих кадров для градообразующих предприятий города, области. Город Тобольск готовится стать туристическим центром Сибири. Тридцать лет назад старинному городу новую жизнь подарило строительство нефтехимического комбината, ныне – ООО «Тобольск-Нефтехим». В 2012 году вступит в строй завод «Полимер» по производству полипропилена.
Проходя производственную практику на ООО «Тобольск-Нефтехим», убедился, что выбранная мною профессия «Слесарь по контрольно-
39
измерительным приборам и автоматике» важная и нужная, требует хороших знаний, ответственности и неразрывно связана с энергосистемой.
Одним из важнейших показателей эффективности обеспечения потребителей электроэнергией является надежность электроснабжения.
Чтоб система могла считаться надежной, она не должна допускать такого развития аварии, которое могло бы довести до полного развала при любых возможных возмущениях или отказах каких либо элементов сети и системы управления.
Учитывая избытки от аварии в 70-х годах в США, в 80-х во Франции, в 90-х годах прошлого столетия в Канаде, а также, что в Тобольске находится крупнейший в стране «НХК»( нефтехимический комбинат), где имеются взрывоопасные смеси, надежность энергосистемы играет важнейшую роль, как для технологического процесса, так и безопасности жителей города.
Основными причинами нарушений нормального режима, которые сопровождаются электромеханическими переходными процессами, являются повреждения ЛЭП(линия электропередач).
Причины повреждений ЛЭП основной сети весьма разнообразны и зависят от многих условии: перекрытия изоляции при грозе; перекрытия с проводов на трос и между проводами при гололеде; обрыв гирлянд, провод тросов, повреждения и падения опор; перекрытия изоляции при неблагоприятных метеорологических условиях; перекрытия на краны, стогометатели, деревья, линии других напряжений, падение деревьев; набросов на линии и т.п.
При анализе возможных повреждений ЛЭП следует учитывать, что часть их бывает устойчивыми, вследствие чего включение от АПВ будет сопровождаться повторным возмущением. Среднее значение успешного действия АПВ линий 500кВ составляет 55-60%. Таким образом, примерно в 40-45% случаев при действии АПВ происходит повторное включение на устойчивое короткое замыкание.
Рассмотрим обобщенные данные нарушений нормального режима работы в следующих основных направлениях: 1) по виду аварийного возмущения, характеру действия системы противоаварийного управления, степени развития аварийных процессов; 2) по характеру нарушения схемы и режима работы, распространения аварийных режимов на соседние районы; 3) по факту отключения нагрузки при ликвидации аварийной ситуации; 4) по виду управляющих воздействий, осуществляемых системой противоаварийного управления в процессе ликвидации аварий.
Под надежностью энергосистемы понимается ее свойство сохранять работоспособность и обеспечивать электроснабжение потребителей при возможных отказах элементов оборудования первичной сети и системы управления. Надежность энергосистемы обеспечивается как надежностью объекта управления (силового энергетического и электротехнического оборудования), режимами работы, так, и надежностью системы управления.
40
Надежность первичной сети зависит от надежности входящих в нее элементов и от их системы соединения.
Чем надежней элементы оборудования (трансформаторы, генераторы, выключатели и др.) и ЛЭП, тем реже повреждаются и реже, следовательно, возникают в энергосистем аварийные ситуации. Надежность сети повышается при правильном выборе схемы электрических соединений электростанций и подстанций.
Правильно выбранная схема должна обеспечивать локализацию повреждений, предотвращая распространение аварии на соседние участки предупреждая возможные отказы выключателей.
Надежность энергосистемы тесно связана с работой энергетического и электротехнического оборудования. Перегрузка трансформаторов и генераторов влечет за собой ускоренное старение оборудования, увлечение вероятности его повреждения. Работа ЛЭП с предельными нагрузками при малых запасах повышает вероятность нарушения устойчивости при аварийных возмущениях.
Для устройств автоматики, обеспечивающей разгрузку электропередач для предотвращений нарушения устойчивости параллельной работы, характерны следующие показатели надежности, %: правильная работа – 80-85; ложные и излишние срабатывания от общего количества неправильных действий – 75; полные и частичные отказы – 25. Надежность устройств противоаварийной автоматики ликвидирующих асинхронный режим, характеризуется следующими показателями, %: правильная работа – 90; ложные и излишние срабатывания от общего количества неправильных действий – 4; отказы – 6. К отказам автоматики отнесены также происходившие в эксплуатации случаи, когда после правильного срабатывания автоматики асинхронный ход продолжался из-за отказа на отключения на одной из фаз выключателя. Устройства релейной защиты должны обязательно обеспечить отключение повреждения с использованием при необходимости средств дальнего и ближнего резервирования.
Устройства автоматики, ликвидирующей асинхронный режим, должны обеспечит прекращения асинхронного хода, поскольку нормальная работа энергосистемы при длительном асинхронном режиме невозможна.
К следующей группе устройств противоаварийной автоматики относятся разнообразные устройства, обеспечивающих восстановление допустимых параметров режима при опасном отклонении частоты или напряжения в том или ином районе энергосистемы.
Особо важное значение имеет автоматика частотной разгрузки (АЧР), предотвращая полное погашение энергосистемы или отделившегося района при опасном дефиците активной мощности. Кроме того, от надежности системы автоматизации зависит энергоснабжение не только одного предприятия, но и ТЭЦ и в целом всего города.
41
В. К. КОЗЛОВ, М. Ш. ГАРИФУЛЛИН ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Диагностика маслонаполненного электроборудования
Надежность работы силового электрооборудования во многом
определяется состоянием его изоляции. Одним из важнейших видов изоляции является трансформаторное масло, которое одновременно служит как диэлектрической, так и теплоотводящей средой маслонаполненного электрооборудования. Электроизоляционные характеристики масла определяются его физико-химическим составом. Зная химический состав масла можно определить не только диэлектрические характеристики масла, но и сделать выводы о текущих процессах в оборудовании в целом. В практике энергосистем предусмотрено физико-химическое исследование образцов масел в химических лабораториях. Недостатком таких исследований является трудоемкость и длительность исследований.
Одним из удобных методов исследований физико-химического состава масел является оптическая спектроскопия. В ходе исследований были изучены корреляционные связи между электроизоляционными и оптическими характеристиками масел и предложена физическая интерпретация полученных результатов.
Было получено, что имеется высокая корреляция между кислотным числом масла и координатой цветности x. Люминесцентный анализ позволил выявить связь между интенсивностью люминесценции на длине волны 400 нм с одной стороны и tgδ или ПРU с другой стороны.
Очень удобно и высокоинформативно исследование спектров пропускания (поглощения) в видимой, ближней и средней ИК областях спектра. При сравнении спектров пропускания свежего и окисленного образца масла можно определить степень состаренности того или образца. Для количественной оценки, например, окисленности удобно использовать поглощение на длине волны 1710 см-1, относящееся к полосе поглощения карбоновых кислот.
В процессе старения трансформаторного масла одними из продуктов окисления являются коллоидные частицы. Именно ими в первую очередь обусловлена мутность масла и рассеяние излучения. Величину и количество этих частиц удобно определять спектрам пропускания излучения видимой области спектра в диапазоне 350 – 700 нм. При этом одним из критериев может служить длина волны отсечки – длина волны, на которой при уменьшении длины волны от 700 нм коэффициент пропускания практически равен нулю.
Также было проведено исследование образцов трансформаторных масел, искусственно состаренных в разрядной ячейке путем различного количества пробоев. Было получено, что при пробоях происходит уменьшение пропускания во всем диапазоне длин волн, что можно объяснить с помощью рассеяния на продуктах распада.
42
За процессом химических реакций в изоляционном масле можно следить по структурно-групповому составу масла. Используя данные спектра пропускания в диапазоне 800 – 1000 нм, где расположены полосы поглощения ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов, с помощью специального математического аппарата можно определить долю каждой компоненты в масле. Изменение содержания каждой из компонент свидетельствует о течении в масле определенного рода реакций, вызываемых конкретными дефектами в оборудовании.
Основным преимуществом метода оптической спектроскопии перед лабораторным химанализом является возможность проведения исследований в полевых условиях. Это достигается благодаря компактным размерам современных спектрофотометров. Используя волоконно-оптический зонд (насадку к прибору), в ряде случаев можно обойтись вообще без отбора проб масла из оборудования. Все измерения проводятся автоматически, исключая субъективный фактор. Например, цветовые характеристики наиболее точно можно определять по спектру пропускания (отражения) масла в диапазоне 350 – 750 нм.
Практически все дефекты в маслонаполненном электрооборудовании, так или иначе, связаны с термическим нагреванием. Локальные нагревы сопровождаются оптическим излучением. При этом максимум спектральной плотности энергетической светимости в зависимости типа дефекта смещается либо в сторону УФ, либо ИК излучения. Непрерывная регистрация излучения в баке трансформатора с помощью волоконно-оптического зонда позволяет своевременно обнаружить внутренние дефекты, а также идентифицировать их – нагрев контактов, разрядные явления и т.д.
Таким образом, методами оптической спектроскопии можно проводить диагностику текущего состояния изоляционного масла, прогнозировать остаточный ресурс масла, а также вести непрерывный мониторинг внутренних дефектов оборудования.
Д. А. СИТДИКОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. М. ГОРЮНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Комплексная диагностика газоперекачивающих агрегатов
при эксплуатации Обеспечение надежной работы газоперекачивающих агрегатов (ГПА)
требует создания методов достоверной оценки функционирования оборудования, как в текущий момент, так и на некоторых прошлых и будущих промежутках времени. Поэтому разработка эффективных методов контроля технологических параметров агрегата в период функционирования, выявление дефектов и неисправностей на ранней стадии их возникновения является весьма
43
актуальной проблемой. Успех диагностирования в значительной мере обусловлен правильностью выбора информативных компонент для построения принципиальных диагностических моделей объекта. Требует решения вопрос распознавания трудноразличимых неисправностей по количественной и качественной оценке параметров динамических процессов во время эксплуатации конвертированных авиационных двигателей. Процесс эксплуатации газотурбинных установок (ГТУ) выявил особенности контроля их техсостояния. В первую очередь, в отличие от авиации, где работа двигателя складывается из отдельных полетов, газотурбинные двигатели промышленного назначения должны непрерывно работать весь межрегламентный период. Длительность такого цикла работы может составлять 1500 - 3000 часов. Поэтому контроль состояния ГТУ должен вестись непосредственно во время их работы. Режимы работы ГПА определяются как параметрами работы соответствующего компрессорного цеха (объем транспортируемого газа, степень повышения давления, температура окружающего воздуха и т.д.), так и техническим состоянием элементов ГПА. Условия работы компрессорного цеха (КС) постоянно меняются в силу сезонных вариаций объемов транспортируемого газа. Параметры технического состояния элементов ГПА также изменяются с течением времени. В настоящее время на КС, как правило, не организована комплексная оценка технического состояния ГПА. Поэтому при определении режимов работы ГПА техническое состояние их элементов не учитывается. В связи с этим особое значение приобретают усилия, направленные на разработку надежных и достоверных методов диагностирования и оптимизации режимов работы ГПА.
Система автоматического управления и регулирования газоперекачивающим агрегатом выполняет функции диагностирования оборудования:
-оперативное, с помощью персонального компьютера, представление параметров ГПА в цифровой и графической форме;
-расчёт ряда косвенных (не измеряемых) параметров; -автоматическое представление информации о предупредительных и
аварийных ситуациях. Полученные данные параметров ГПА на станции контроля хранятся в
архивной базе. Для анализа технического состояния обслуживающему персоналу необходимо производить сравнение статистики и выполнять определенные вычисления.
Из этого следует, что автоматическая диагностика состояния оборудования выполняется только для достаточно быстрых процессов в режиме реального времени работы ГПА. Реализация обработки данных медленных процессов в контроллере нижнего уровня является не целесообразным, так как требует больших ресурсов и многократного удорожания аппаратной части. В то же время оснащенность и возможности программно - технических средств современных систем автоматического управления и регулирования газоперекачивающими агрегатами (САУ и Р ГПА) позволяют реализовать
44
задачу комплексной диагностики. Обработка получаемых данных на верхнем уровне во взаимодействии с расчетными данными быстрых процессов нижнего уровня для своего функционирования не требует установки дополнительной датчиковой аппаратуры и компьютерной техники.
Предлагается комплексная система диагностики, который использует инструментальные средства пакета программ САУ и Р в составе проекта. Модули для математических вычислений, хранения необходимых данных, а также алгоритмы обработки функционируют на персональном компьютере станции контроля. Основой алгоритма диагностики служит математическая модель объекта диагностирования. Алгоритмы опираются на линеаризованные модели первого уровня, использующие описание связи между элементами двигателя уравнениями без учета зависимости теплоемкостей воздуха и продуктов сгорания от температуры и с постоянными формально заданными коэффициентами потерь давления в газовоздушном тракте и к.п.д. отдельных узлов. Математические модели второго уровня характеризуют объект более точными физическими связями между элементами с учетом изменения теплоемкостей рабочего тела и расчетом коэффициентов потерь в элементах объекта. Система проводит текущий анализ работы агрегата, при котором рассчитываются показатели состояния главных узлов газотурбинного двигателя, нагнетателя природного газа и вспомогательных систем, к которым относятся системы смазки и обработки воздуха, системы фильтрации и др. Система рассчитывает показатели (признаки) состояния различных узлов машин относительно проектных или восстановленных характеристик. Оператор получает информацию о неисправностях или неэффективной работе в узлах агрегата, а также рекомендации по устранению причин неудовлетворительной работы оборудования.
Использование алгоритмов обработки и анализа на верхнем уровне существенно повышает достоверность заключений о техническом состоянии работы двигателя, нагнетателя природного газа и вспомогательного оборудования в условиях эксплуатации, и оптимизирует работу ГПА.
Список литературы 1. Зарицкий С.П., Исламов В.Н. и др. Опыт эксплуатации ГПА на базе авиационного привода с применением автоматизированных систем диагностирования. – В сб. материалов семинара «Диагностика оборудования и трубопроводов компрессорных станций».- М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2001. 2. Козлов Н.А., Сергеев С.В. Система автоматического управления на базе МСКУ-СС-4510: опыт эксплуатации. Газотурбинные технологии. Том 4. 2004. С. 24-26.
45
А. Р. БЕЛОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор С. В. ЖЕРНАКОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Автоматизированное выявление нарушений нормального режима ЭС
на основе математической модели распространения возмущений
Одним из возможных вариантов по выявлению и ликвидации нарушений является создание вероятностно-детерминистической модели, описывающей динамику развития нарушения. В основе модели лежат формализации структуры системы в виде графа и негативного влияния в виде импульсного воздействия.
Типовая схема (рис. 1), состоящая из 2-х генераторов Г1, Г2, 2-х трансформаторов Т1, Т2 и 2-х ЛЭП Л1,Л2 может быть представлена в виде неориентированного графа (рис. 2).
Рис. 1. Типовая схема
Рис. 2. Граф типовой схемы
Каждая вершина графа представляет собой некоторый вид оборудования,
ребро – наличие электрической связи. Для графа используется обозначение − G(V,E) , где V={vi}, i= − множество вершин, а E={e={v,u}}− множество его ребер. С каждой вершиной свяжем величину, характеризующую надежность данного оборудования. Надежность элемента – вероятность P(t<T) того, что элемент будет работоспособен в течение времени T с момента начала эксплуатации. Система находится под влиянием внешних воздействий. Воздействие имеет источник – оборудование, к которому оно было приложено или которое является причиной воздействия. Воздействие при прохождении от одного элемента к другому теряет свою силу. Время меняется дискретно t={0,1,2..T}. Величина wi(t)=Pi(t<T) – величина надежности для вершины vi V, i {1,..n} к моменту времени t. А вес w(vi,vj) = ij, j {1,..m}, i j, дуги (vi,vj) E – положительное число 0< ij,≤1, равное доле воздействия от vi к vj к некоторому моменту времени. Тогда для схемы (рис. 1) имеем орграф (рис. 3).
46
Рис. 3. Граф распространения возмущения
Процесс изменения wi(t) во времени можно выразить, введя понятие
импульсного воздействия impj(t) = wj(t)/ wj(t-1), impj(t) ≤ 1 при t>0. Тогда при t≥0 для j-ой вершины графа G надежность рассчитывается по формуле
, (1)
где degvj – полустепень захода вершины vj, то есть количество входящих в нее дуг.
Тогда для импульсного воздействия получаем
impj(t+1) = , (2)
Таким образом, видно, что надежность оборудования определяется его положением в схеме. Cистема находится в предельном состоянии, если надежность одного или нескольких наиболее элементов системы ниже некоторого критического уровня. Так, если для графа (рис. 3) начальное воздействие Imp(0) = (1, impv2(0),1,1,1,1), то через t=2 ед. имеем граф H (рис.4).
Рис. 4. Простое воздействие через время t=2 ед.
Вершины с нулевыми полустепенями захода (не имеют входящих дуг), не
достижимы ни из каких вершин, являются базой. Фронт воздействия (контрбаза) – вершины, полустепени исхода которых равны нулю (не имеют исходящих дуг).
Если доля возмущения (рис. 3), а вершина v2 – источник возмущения. Тогда при достижении фронтом воздействия вершины u ее надежность будет определена как br(u) = wu(0)*(imp0)vl(u) ps(u). Тогда если учесть, что воздействие может носить длительный характер и Imp0(t)=const, то при достижении фронта некоторого элемента его надежность может либо сразу стать ниже критической надежности элемента (wv5(2) < wv5
кр при t=3), либо
47
может стать ниже критической после некоторого времени ∆timp. В случае, если веса дуг w(vi,vj) , i , то всегда будет существовать путь из базовой вершины в контрбазовую, который будет вносить наибольший вклад в ухудшение надежности. Для поиска такого “опасного” пути можно использовать любой известный алгоритм нахождения кратчайшего пути, например алгоритм Флойда. Найденный “опасный” маршрут размыкается.
В результате построения вероятностно-детерминистической модели распространения возмущения на примере типовой схемы было показано, как распространяется возмущение на примере типовой схемы. Существенной особенностью модели является прямая зависимость надежности оборудования от его положения в структуре, а также зависимость стойкости всей системы от выбранной при проектировании структуры.
В дальнейшем планируется разработка COM-сервера и COM-клиента для ПК RastrWin, осуществляющих поиск источников возмущений и изменяющих топологию сети для ликвидации нарушения на основе предложенной модели.
И. Х. ХАСАНОВА, А. З. ПУШКАРЕВА, Л. В. НАЗАРОВА Филиал ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ
Разработка и внедрение ПК «Информационный комплекс РЗА» Основанием для разработки ПК «Информационный комплекс РЗА»
послужила необходимость создания базы данных нормативно - технической документации, информационных, расчетных документов и корреспонденции, используемых при выполнении расчетов и текущей работы специалистами службы релейной защиты и автоматики (СРЗА), и связанных с выдачей и изменением технических параметров настройки устройств релейной защиты и автоматики.
В виду большого количества объектов электроэнергетики в операционной зоне Башкирского РДУ процесс поиска информации занимает немало времени, так как для создания или изменения только одного бланка параметров настройки устройств РЗА, необходимо пересмотреть всю переписку с организациями, обслуживающими данные устройства РЗА, с момента их ввода и до настоящего времени, найти информацию по оборудованию высокочастотных (ВЧ) каналов релейной защиты и принципиальные схемы устройств РЗА. Кроме того, имеется необходимость в создании и сохранении выданных уставок в единой форме (формуляров карт уставок защит) для каждого типа оборудования, удобной для дальнейшего пользования.
По техническому заданию СРЗА службой эксплуатации программно-аппаратного комплекса (СЭПАК) Башкирского РДУ был разработан ПК «Информационный комплекс РЗА», способный облегчить и упростить поиск нужной информации.
48
«Информационный комплекс РЗА» состоит из 6 разделов: «Регистратор карт уставок», «Руководящие указания по РЗА», «Оперативные указания по РЗА», «Таблицы ОМП», ПК «Данные по ВЧ каналам», «Отчеты о работе устройств РЗА».
Работа с картами уставок производиться в разделе «Регистратор карт уставок». Структурная схема раздела следующая: - наименование организации [БСК, БГК, БашРЭС, сторонние организации]; - журнал регистрации, протоколы расчетов; - подразделы: «действующие уставки», «заданные уставки», «архив».
В подразделе «Действующие уставки» можно только просмотреть уставки всех защит присоединений, которые выставлены и подтверждены письмами, корректировку и изменения производить в данной директории нельзя.
Подраздел «заданные уставки» содержит директорию заданных уставок, в которой помещаются формуляры карт уставок с измененными или вновь заданными уставками. В данной директории разрешен просмотр, корректировка (в соответствии с уровнем доступа). При выполнении изменения (внесения подтверждения в строке «уставки подтверждены») данный формуляр заменяет старый формуляр в директории действующих уставок, а старый формуляр из директории действующих уставок переносит в «архив».
В подразделах «действующие уставки» и «заданные уставки» имеется возможность дополнительных вложений – писем с заданными уставками, писем с уведомлением об исполнении изменений, схем и т.д.), выдача электронного варианта формуляра в виде файла Microsoft Office Excel, печать.
В «журнале регистрации» содержатся дата, имя пользователя, вносящего изменения или создающего документ, номер письма, срок исполнения.
В ПК обеспечивается различный уровень доступа с возможностью одновременного просмотра, редактирования, создания новых данных с разных рабочих мест.
В подразделе «протоколы расчета» содержатся протоколы расчетов технических параметров настройки устройств релейной защиты.
Нормативно - техническая документация представлена в разделах «Руководящие указания по РЗА» и «Оперативные указания по РЗА». В данных разделах имеется возможность пополнения базы директивных документов в неограниченном количестве.
Раздел «Таблицы ОМП» выполнен в виде таблиц токов и напряжений нулевой последовательностей и их отношений для определения мест короткого замыкания при повреждениях на линиях электропередач энергосистемы.
Раздел «Данные по ВЧ каналам» представляет собой ПК, разработанный ранее службой СЭПАК Башкирского РДУ, в котором собрана информация по оборудованию ВЧ каналов РЗ и устройств передачи аварийных сигналов и команд (УПАСК), ВЧ постов, установленных на объектах энергосистемы.
49
В разделе «Отчеты о работе устройств РЗА» содержатся ежемесячно присылаемые с организаций отчеты о случаях правильной и неправильной работы устройств РЗА.
Выводы Внедрение ПК «Информационный комплекс РЗА» создаст базу данных
информационных, расчетных документов, нормативно – технической документации в едином комплексе, что позволит существенно облегчить процесс выдачи, поиска и своевременный контроль исполнения принятых решений и выданных технических параметров устройств РЗА. П. А. ШЕНДРИК, И. В. СТЕПАНОВ Филиал ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ, ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Автоматизация актуализации расчетной модели
при краткосрочном планировании Одним из этапов краткосрочного планирования энергосистеме является
процесс актуализации расчетной модели энергосистемы. Целью процесса является получение информации для возможности обеспечения выполнения плановых ремонтов сетевого и генерирующего оборудования, поддержания требуемых уровней напряжения в системообразующей сети с учетом выполнения необходимых критериев надежности.
Расчет актуализированного установившегося режима основывается на прогнозе электропотребления, составе и нагрузках генерирующего оборудования, планах ремонтов оборудования и действующих оперативных заявках.
В общем случае необходимые и требуемые для расчетов данные представляет собой колоссальный объем информации, в связи с этим нельзя не отметить, что ошибки обусловленные человеческим фактором неизбежны.
Для минимизации ошибок, обусловленных влиянием человеческого фактора, в Башкирском РДУ был разработан программный комплекс «Автоматизация актуализации расчетной модели».
Общий алгоритм работы комплекса (рис.1). При запуске комплекса определяются расчетные сутки и время, после
чего осуществляется связь с базой данных макетов 53500 и 308, а также с программным комплексом «Заявки СМС» посредством разработанного Башкирским РДУ программного комплекса «Заявки».
Макет «Параметры генерирующего оборудования (53500 xml)» содержит данные по прогнозируемому составу и нагрузкам генерирующего оборудования. При осуществлении связи программы с базой данных макета выполняется импорт данных на расчетные сутки и время с сохранением индивидуальных наименований установленных на электрических станциях
50
турбогенераторов и соответствием данных макета импортированным и отображаемым комплексом. При этом значение генерации турбогенераторов можно варьировать в диапазоне от минимального до максимального.
Рис. 1. Общий алгоритм работы ПК «Автоматизация актуализации
расчетной модели»
Выбором значения генерации определяется величина генерации электростанций в расчетной модели энергосистемы. Генераторы, представленные в макете, имеют привязку к узлам расчетной модели, где каждый из них представлен отдельным узлом.
Макет 308 («Прогноз электропотребления по территории РБ с разбивкой по субъектам ОРЭМ на предстоящие сутки») содержит данные по прогнозируемому электропотреблению энергосистемы. При осуществлении связи главного окна программы с базой данных макета 308 выполняется импорт данных на расчетные сутки и время. Импортированные данные по потреблению определяют величины потребления энергорайонов и энергоузлов при выполнении расчета установившегося режима.
Данные по оперативным заявкам импортируются с учетом стадии и статуса их рассмотрения (принятые, разрешенные и т.д.). Для последующего расчета установившегося режима требуется определить перечень конкретных оперативных заявок, которые будут учтены и выполнены при последующем расчете.
Экспорт данных по оперативным заявкам в ПК «RastrWin» выполняется при помощи базы данных ремонтных режимов. Она содержит необходимую информацию по режимным мероприятиям, необходимым для проведения ремонта из условия сохранения надежности. Режимные мероприятия привязаны к ветвям имеющейся расчетной схемы ПК «RastrWin» и представляют собой перечень требуемых изменений в расчетной схеме для проведения того или
Актуализированная модель. Установившийся режим
Запуск ПК «Автоматизация актуализации расчетной модели».
Открытие главного окна программы: - выбор даты и времени расчетных суток; - выбор учитываемых при расчете оперативных заявок; - выбор температуры окружающего воздуха на расчетный период.
Импорт данных макета 53500
Импорт данных макета 308
Импорт данных по топологии сети (оперативные заявки)
ПК Заявки
ПК Заявки СМС База данных макета 53500
База данных макета 308
База данных ремонтных режимов
ПК «RastrWin»
51
иного ремонта. Необходимым условием экспорта данных, определяющих топологию сети, является совпадение номера ремонтного режима и уникального кода конкретного оборудования в рассматриваемой заявке и базе данных. Уникальные коды оборудования и номера ремонтных режимов представлены в базе данных и каждой конкретной заявке.
После выполнения представленных мероприятий осуществляется экспорт данных потребления, генерации и топологии сети в ПК «RastrWin», после чего выполняется расчет установившегося режима на заданное время и сутки.
Завершающим звеном расчета является анализ полученного установившегося режима.
Результаты Разработанный программный комплекс позволил минимизировать
ошибки, обусловленные влиянием человеческого фактора на результаты и качество расчетов. Осуществлена связь макетов 53500 xml и 308, а также ПК «Заявки СМС» с новой расчетной моделью. При выполнении расчетов выполнен учет сетевых ограничений и требований ремонтных режимов.
Н. Ю. РУБАН, М. В. АНДРЕЕВ, А. Ф. ПРУТИК Научн. руковод. – д-р техн. наук, доцент А. С. ГУСЕВ ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Анализ методов и средств моделирования релейной защиты
и противоаварийной автоматики Функционирование средств релейной защиты и противоаварийной
автоматики (РЗ и ПА) оказывает существенное влияние на протекание аварийных и послеаварийных процессов в электроэнергетических системах (ЭЭС), причем собственные процессы в устройствах РЗ и ПА неразрывно связаны с процессами в ЭЭС и, соответственно, правильность действий РЗ и ПА оказывается взаимосвязанной с этими процессами. Согласно обобщенной статистике 25% тяжелых аварий в ЭЭС происходит из-за неправильных действий РЗ и ПА, одной из основных причин которых является использование при проектировании и эксплуатации недостаточно полной и достоверной информации об указанных процессах. Из вышеизложенного следует, что для обеспечения возможности получения полной и достоверной информации о процессах в ЭЭС и правильной настройки средств РЗ и ПА необходимо адекватно моделировать не только основное оборудование и технологическую автоматику ЭЭС, но и средства РЗ и ПА. В связи с этим актуальным является исследование используемых методов и средств моделирования РЗ и ПА и ЭЭС в целом.
С этой целью проведен анализ свойств и характеристик наиболее распространенных программных средств «Мустанг» (Руководство пользователя
52
программы «Мустанг-98»),«ДАКАР» (Руководство пользователя программы «ДАКАР-99»), «Eurostag»[1], предназначенных для расчета режимов и процессов в ЭЭС, в которых учитывается действие средства РЗ и ПА:
1. Моделирование средств РЗ и ПА в программе «Мустанг» включает в себя набор условий работы этих средств, а также набор действий, которые производятся в схеме при выполнении заданных условий. Такой подход не учитывает процессы в измерительных трансформаторах и аппаратной реализации РЗ и ПА, оказывающих существенное влияние на моделирование их функционирования.
2. В программе «ДАКАР» моделирование средств РЗ и ПА осуществляется логическим путем, т.е. построением таблицы последовательной очередности срабатывания соответствующих защит и средств ПА, составленной на основании уставок и времен задержек, что также не обеспечивает решение задач адекватного моделирования средств РЗ и ПА в силу не учета измерительных трансформаторов и особенностей аппаратной реализации РЗ и ПА.
3. Программа «Eurostag» обеспечивает моделирование средств РЗ и ПА посредством создания различных логических блоков, каждый из которых способен учитывать как особенности аппаратной реализации РЗ и ПА, так и погрешности измерительных трансформаторов, что позволяет создавать модель любой существующей РЗ и ПА. Однако при этом к математической модели ЭЭС добавляется значительный объем указанных математических моделей РЗ и ПА. В результате совокупная ЭЭС получается слишком жесткой, а система дифференциальных уравнений высокого порядка, решение которой численным методом интегрирования оказывается весьма затруднительным. Тем более что согласно [1], применяемый в «Eurostag» метод численного интегрирования Nordsieck предназначен для решения нежестких систем дифференциальных уравнений.
Моделирование средств РЗ и ПА в режимных диспетчерских тренажерах, таких как РЕТРЕН в составе системы «КАСКАД-НТ», осуществляется так же, как и в рассмотренных программах.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что существующий уровень моделирования средств РЗ и ПА не обеспечивает необходимой адекватности, т.к. не учитываются процессы в измерительных трансформаторах и аппаратной части средств РЗ и ПА, а значит для полного и достоверного моделирования ЭЭС необходимо создание новых, адекватных средств моделирования устройств РЗ и ПА, учитывающих эти процессы. Создание адекватных всережимных моделей стало особенно актуальным в связи с появлением таких средств достоверного и полного моделирования ЭЭС, как Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС (ВМК РВ ЭЭС) [2] и Real Time Digital Simulator (RTDS)[3]. Патентные исследования и анализ литературных источников по данной тематике позволяют считать предлагаемый подход концептуально новым.
53
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Список литературы 1. Веб-сайт российской группы поддержки программного комплекса EUROSTAG [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://eurostag.regimov.net, свободный. – Загл. с экрана. 2. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Многопроцессорная программно-техническая система реального времени гибридного типа для всережимного моделирования энергосистем // Технологии управления режимами энергосистем XXI века: Сб. докладов Всеросс. науч.-практич. конф. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - С.125-131. 3. Веб-сайт компании RTDS Technologies [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rtds.com, свободный. – Загл. с экрана.
В. М. КУЛЯПИН, И. М. РАХИМОВА, А. В. КОРОТКИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Цифровые системы управления мостовых резонансных преобразователей
Схема мостового резонансного инвертора с задающими генераторами на
микросхемах М1114ЕУ4 и IR2153 представлена на рис. 1. В диагональ моста включен последовательно LКCК контур и первичная обмотка трансформатора.
При открывании транзисторов VT1 и VT4 происходит формирование положительной полуволны синусоиды. В момент t1 ток i1 = 0. Транзисторы VT1 и VT4 закрываются и открываются диоды VD1 и VD4, через которые происходит рекуперация в источник питания энергии, запасенной в емкости СК, и начинается формирование отрицательной полуволны тока i1.
В момент t2 открываются транзисторы VT2 и VT3, рекуперация прекращается, диоды VD1 и VD4 закрываются, и формируется отрицательная полуволна тока i1 (ток iК2).
+ U ï
C ï
V T 1
V T 2
V D 1
V D 2
V D 3
V D 4
L ê
V T 3
V T 4
C ê
T V 1
V D 5
V D 6
C ô R U í
Рис. 1. Мостовой резонансный преобразователь
54
Стабилизация напряжения осуществляется системой регулирования по отклонению за счет изменения времени паузы tп, до момента открывания транзисторов при неизменной частоте преобразования. Собственная (резонансная) частота контура f0 ниже частоты подачи импульсов управления fп.
Возможны два пути реализации цифровых КСАУ. Один основан на использовании центральных микро-ЭВМ, управляющих сложными объектами и ряд дополнительных задач диагностики, контроля, защиты и распределения энергии преобразователя. Второй путь основан на использовании в каждом контуре управления автономной микро ЭВМ или микропроцессора (микроконтроллера). В настоящей работе при построении КСАУ принят принцип децентрализации управления отдельными системами. В дальнейшем их можно использовать для интеграции процессов управления, степень которой ограничивается быстродействием используемых микропроцессорных устройств.
Высокое качество управляющих воздействий, а также минимальные массогабаритные показатели системы управления по отклонению позволяет получить задающий генератор на основе применения восьмиразрядных микроконтроллеров AVR серии ATtiny25/45/85 в восьмивыводном корпусе. Микроконтроллер не требует внешнего источника тактирования так как уже имеет встроенный тактовый генератор на 8 МГц а также встроенную ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты). За счет чего данный микроконтроллер позволяет организовать восьмиразрядный двухканальный ШИМ с частотой до 250кГц. При необходимости частота ШИМ может быть увеличена путем снижения его разрядности. Наиболее эффективный бирезонансный режим управления инвертором за счет регулирования времени паузы между открыванием транзисторов моста осуществляется очень просто за счет использования введенного в данный микроконтроллер специального блока генерации времени запаздывания (Dead Time Generation, DTG). Обратная связь осуществляется по напряжению, поступающему на вход АЦП, где сигнал при необходимости усиливается аппаратными средствами микроконтроллера. При отклонении напряжения в обработчике прерывания по АЦП изменяется содержимое регистра управления временем запаздывания. Кроме того, встроенный датчик температуры позволяет корректировать работу микроконтроллера с учетом изменения температуры. Все эти особенности микроконтроллеров серии ATtiny25/45/85 позволяют максимально повысить эффективность работы резонансного инвертора. Работа описываемой КСАУ была успешно смоделирована в прикладном программном пакете Proteus.
Список литературы 1. В.М. Куляпин. Комбинированные системы автоматического регулирования напряжения электрооборудования летательных аппаратов/ В.М. Куляпин, И.М. Аслямов//Вестник УГАТУ:2008. Т.10, №1 (26). С. 151-160.
55
2. А. Полищук.Высокоэффективные источники питания высокого напряжения для радиопередающих устройств СВЧ/ А. Полищук // Силовая электроника №2’2004. 3. Вестник 2008, т.10,№1 (26), стр.155-159
ЧАН ХОАНГ КУАНГ МИНЬ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. В. ШМОЙЛОВ ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
О технической эффективности дистанционных защит линии
Оценка технической эффективности функционирования релейной защиты
(РЗ) как разности потенциально возможного эффекта в виде показателя коротких замыканий (КЗ) на защищаемом объекте и потерь (отказов работы, ложных и излишних действий), отнесенной к потенциальному эффекту, является актуальной задачей проектирования и эксплуатации РЗ электрооборудования и электрических сетей. Среди РЗ большой удельный вес занимают дистанционные РЗ линий. Дистанционные РЗ являются основными защитами в магистральных и объединенных распределительных высоковольтных сетях, использующихся для защиты от многофазных КЗ и однофазных КЗ на землю. На рамках этой работы рассматривается техническая эффективность дистанционных РЗ от междуфазных и однофазных КЗ на землю высоковольтных линий.
Технический эффект E в вероятностной форме для основных (первой и второй) ступеней ДЗ при междуфазных КЗ и однофазных КЗ на землю может быть представлен выражениями:
c(м,1) c(м,1) c(м,1) э ар(м,1) нпф(1) c(м,1)p(A ) p(O ) p(Л ) p(Л ) p(Л ) p(И ),E = − − − − − где буквой р обозначены вероятности событий:
А – КЗ на защищаемой линии, О – отказов срабатывания, Л – ложных, И – излишних действий; верхние индексы: с – обозначение ступеней ДЗ, например I,II,III, (м,1) – междуфазных и однофазных КЗ, э – рабочих или эксплуатационных состояний, ар – асинхронных режимов, НФП – неполнофазных режимов.
Первая составляющая технического эффекта с(м,1)p(A ) как имеющая достаточно представительную статистику при КЗ на защищаемой линии определяется выражениями:
с(м,1) (м,1) с(м,1)p(A ) m( )Tω= , (м,1) (1) (1)№ № № у у[1 p(K1)] , p(K1) ,
100 100l lω ω ω ω ω ω= − = − =
где (м)ω – параметр потока двухфазных (2), трехфазных (3), двухфазных КЗ на землю (4) на защищаемой линии, (1)ω – то же самое при однофазных КЗ на
56
защищаемой линии; p(K1) – среднее значение вероятности однофазных КЗ в высоковольтных сетях; l – длина в км защищаемой линии; c(м,1)m( )T – средние продолжительности обнаружения и отключения КЗ ДЗ при междуфазных и однофазных КЗ (фактически ее уставка),
Статистика ряда событий, например, отказов срабатывания О , излишних действий И и ложных действий Л при асинхронных и неполнофазных режимах для функционирующих РЗ является весьма редкостной, т.е. непредставительной и ненадежной. С этой точки зрения прямое определение вероятностей названных потерь будет неправомерным. В связи с этим решено вероятности этих событий определять расчетным путем совмещения их с другими событиями, имеющими более представительную статистику. Так вероятность отказов срабатывания может быть найдена посредством совмещения отказов срабатывания О с КЗ на защищаемой линии, т.е.
c(м,1) c(м,1) c(м,1) c(м,1) c(м,1)p(O ) p(O .A ) p(O/A )p(A )= = . Аналогично могут быть найдены вероятности излишних действий
c(м,1) c(м,1) c(м,1) c(м,1) c(м,1)п п пp И p(И .BK ) p(И/BK )p(BK )( ) = = ; вероятности ложных
действий при асинхронных режимах ар(м,1) (м,1) (м,1) (м,1)
ар арp(Л ) p( Л .АР ) p( Л /АР )p(АР )= = ; вероятности ложных действий при НПФ нпф(м,1) (м,1) (м,1) (м,1) (м,1)
нпф нпфp(Л ) p( Л .НПФ ) p( Л /НПФ )p(НПФ )= = . Условные вероятности, входящие в состав приведенных выражений, определяют по разработанному в [1] метод селекции границ и интервалов входных и выходных данных (СГИД), вероятности состояний определяют как произведение параметра потока возникновения этих потоков на среднюю продолжительность их существования, на пример:
при асинхронных режимах ар аларр(АР)=ω m( ),T при неполнофазных режимах нпф оапв р(НПФ)=ω m( )T , при внешних КЗ излишних действий
c(м,1) (м,1) c(м,1)п дзp(BK )=ω m( )T .
Вероятность излишних действий определяется выражением: П
c(м,1) c(м,1) c(м,1)п п п п п
п 1
1p(И ) [ p(Д /ВК ) p(О /ВК) ]p(ВК ),2
n
=
= +∑
где излишние действия рассматриваемой ступени c(м,1)И сформированы за счет функциональных действий c(м,1)
пД и отказов в срабатывании c(м,1)пО комплекта
равновременных ступеней ступенчатых защит предыдущих линий, дифференциальных защит предыдущих трансформаторов (автотрансформаторов), быстродействующих РЗ предыдущих линий с обменом информацией между комплектами на концах линии, причем аппаратурные отказы не учитываются.
57
Список литературы 1. Шмойлов А.В., Кривова Л.В., Стоянов Е.И., Игнатьев К.В. Вероятностный метод селекции границ интервалов данных для задач электроэнергетики//Изв. ВУЗов «Проблемы энергетики» – 2008. – № 7 – 8/1. – C. 146 – 157.
И. А. ЗАХАРОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Р. Г. ВИЛЬДАНОВ Филиал ГОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате
Проблема перенапряжения в распределительных сетях и защита электрооборудования от его воздействия
Бесперебойность электроснабжения потребителей зависит от надежности
работы сетей 6 - 35 кВ. При отказах в сетях 6 - 35 кВ (на производствах с непрерывным циклом) возможно возникновение существенных материальных ущербов в виде массового брака продукции и повреждения дорогостоящего технологического оборудования. Причиной значительной доли отказов в сетях 6 - 35 кВ являются внутренние перенапряжения, которые возникают при таких видах электромагнитных переходных процессов как дуговые и коммутационные.
Одной из основных задач электроэнергетики является ограничение грозовых и коммутационных перенапряжений, поскольку оно позволяет значительно облегчить условия работы изоляции. Во многих случаях это приводит к сокращению затрат на используемые электроизоляционные материалы. В идеальном варианте, к которому следует стремиться, перенапряжения должны быть ограничены до такого уровня, при котором они не оказывали бы влияния на изоляцию.
Электросетям высокого напряжения присущи колебательные свойства, так как они содержат сосредоточенные и распределённые индуктивности и ёмкости. Одной из причин возникновения колебании электрической и магнитной энергии, запасённых в реактивных элементах сети, являются плановые и аварийные коммутации. Каждая коммутация вызывает переходный процесс, часто сопровождающийся перенапряжениями.
Среди разнообразных видов коммутаций следует выделить такую группу коммутаций, где причиной перенапряжений являются не только колебательные свойства схемы, но и неустойчивый характер дуги в выключателе.
Отключение малых индуктивных токов приводит к растягиванию дуги и увеличению её сопротивления. При этом большая часть электромагнитной энергии переходит в электростатическую, что обусловливает перенапряжения.
При отключении емкостной нагрузки дуга в выключателе обрывается вблизи нулевого значения тока, т. е. отключаемая ёмкость остаётся заряженной.
58
Другая причина внутренних перенапряжений – это замыкание на землю токоведущих частей электрических установок. В распределительных сетях 6 - 35 кВ эти повреждения составляют не менее 75 %. Они не должны были бы приводить к прекращению электроснабжения. Однако данный подход к построению электрических сетей среднего класса напряжения в последние десятилетия стал подвергаться критике в связи с выявившимися дополнительными факторами, свидетельствующими об опасности режимов ОЗЗ.
Применение комплекса мер по ограничению перенапряжений является одним из наиболее эффективных способов повышения надёжности сетей 6 - 35 кВ. Правильно построенные средства защиты от перенапряжений предотвращают повреждения изоляционных конструкций и электрооборудования, снижают износ коммутационной аппаратуры. Защита электрооборудования от внутренних перенапряжений является задачей более сложной, чем защита от грозовых перенапряжений линий электропередач.
Защита от коммутационных перенапряжений основана на ограничении: – числа режимов, в которых могут возникать опасные перенапряжения, с
помощью схемных решений; – амплитуд установившихся перенапряжений, что приводит также и к
снижению перенапряжений переходного процесса; – амплитуд коммутационных перенапряжений с помощью: ОПН, RC-
цепочек и вентильных разрядников. Современные аппараты защиты предназначены для ограничения как ком-
мутационных, так и грозовых перенапряжений. Поэтому в настоящее время актуальным становится выполнение принципа «приведение изоляции к норме».
С точки зрения технической реализации и экономической выгоды значительно проще рассчитать величину и значение перенапряжения при математическом моделировании этого сложного переходного процесса.
Учитывая, что перенапряжения возникают при разных переходных процессах, таких как коммутация различных элементов цепи, ОЗЗ, срабатывание АПВ и АВР, воздействие атмосферного электричества и т.п., метод создания точной и достоверной математической модели является очень сложной технической задачей. При этом необходимо учитывать физические свойства многих элементов и параметров цепи и их изменения во времени.
Разработана модель (в подпрограмме Simulink среды «Matlab») распределительной сети 6 кВ, на базе которой можно исследовать переходные процессы, а следовательно и осциллограммы перенапряжений возникающих при коммутациях и однофазных замыканиях на землю (рис.1).
59
Рис. 1. Модель распределительной сети, созданной в подпрограмме Simulink среды «Matlab»
Ю. К. КРИВОГУЗОВА, К. А. КРИВОГУЗОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент И. П. ОЗЕРОВА ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Особенности регулирования тепловой нагрузки котлоагрегатов на ТЭС с поперечными связями
Объектом регулирования является паровой барабанный котёл. Топливо
поступает через горелочные устройства в топку, где сжигается обычно факельным способом. Для поддержания процесса горения в топку подаётся воздух в количестве Qв. Он нагнетается с помощью дутьевого вентилятора ДВ и предварительно нагревается в воздухоподогревателе 9. Образовавшиеся в процессе горения дымовые газы Qг отсасываются из топки дымососом ДС. Попутно они проходят через поверхности нагрева пароперегревателей 5, 6, водяного экономайзера 8, воздухоподогревателя 9 и удаляются через дымовую трубу в атмосферу. Процесс парообразования протекает в подъемных трубах циркуляционного контура 2, экранирующих топку и снабжаемых водой из опускных труб 3. Насыщенный пар Dб из барабана 4 поступает в пароперегреватель, Основными регулируемыми величинами котла являются расход перегретого пара Dпп, его давление рпп и температура tпп.
При неблочной структуре тепловых электростанций пар от всех паровых котлов поступает в общую магистраль, а оттуда распределяется по отдельным турбинам. Регулирование нагрузки (паропроизводительности) котельного агрегата, косвенным показателем которой является давление пара, в соответствии с потребляемой нагрузкой производится путём воздействия на подачу в топку топлива и воздуха, необходимого для горения.
60
Автоматическое регулирование нагрузки котлоагрегатов на ТЭС с поперечными связями осуществляется следующим образом. Корректирующий регулятор 6 (рис. 1) получает импульс по давлению пара в магистрали от датчика 5. Выходной сигнал корректирующего регулятора представляет собой заданное значение тепловой нагрузки регулятору 2 и другим подчиненным регуляторам. Регулятор тепловой нагрузки через исполнительный механизм 3 воздействует на регулирующий орган подачи топлива 4. Изменение подачи топлива будет продолжаться до тех пор, пока сумма сигналов по расходу пара от котла и скорости изменения давления не уравновесит задающий сигнал от корректирующего регулятора. Сигнал по скорости изменения давления в барабане формируется измерительным устройством 1 и дифференциатором, а сигнал по расходу пара формируется дифференциальным манометром 7.
Рис. 1. Схема регулирования нагрузки котельного агрегата с регуляторами давления в
барабане и корректирующим регулятором На ТЭЦ, где существуют значительные перетоки пара по общему
паропроводу от соседних котлоагрегатов к ближайшим турбинам, т.е. наблюдается сильная связь по давлению и расходам пара между соседними котло- и турбоагрегатами, необходимо учитывать влияние перетоков пара от каждого котлоагрегата к отдельной турбине через паровой тракт.
Учет потокораспределения посредством введения коэффициентов связи котлоагрегатов с турбинами через паровой тракт дает возможность управлять нагрузкой котлоагрегатов таким образом, чтобы обеспечить оптимальные параметры на входе турбин, основным из которых является давление пара. Создание системы автоматического управления давлением пара перед турбинами позволит осуществлять управление нагрузкой котлоагрегатов с учётом парового тракта и оптимизировать профиль давлений пара перед турбинами на ТЭЦ с поперечными связями.
Учет влияния парового тракта и изменения состава основного оборудования осуществляется путем ввода в систему автоматического
61
регулирования (САУ) блока изменения структуры (БИС). Сама схема будет при этом тоже изменена. В памяти БИС должны храниться матрицы расчетных коэффициентов связи между котлами и турбинами для всех расчетных вариантов с возможным составом основного оборудования. По вводимому в БИС управляющему воздействию о составе работающего основного оборудования в блоке изменения структуры выбирается матрица коэффициентов связи, соответствующая заданному составу котлоагрегатов и турбин. Сигналы, подаваемые с БИС на регуляторы нагрузки котлов будут формироваться с учётом коэффициентов связи. Таким образом, БИС позволяет учитывать изменение характеристик парового тракта введением коэффициентов связи отдельного котлоагрегата с каждой турбиной через паровой тракт, рассчитываемых для определенного состава работающих котлов и турбин по специальной методике.
М. В. АНДРЕЕВ, Н. Ю. РУБАН, А. Ф. ПРУТИК Научн. руковод. – д-р техн. наук, доцент А. С. ГУСЕВ ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Задача адекватного моделирования релейной защиты и противоаварийной автоматики и пути её решения
Любая современная электроэнергетическая система (ЭЭС) представляет
собой многопараметрическую, жесткую (отношение наибольшей постоянной времени к наименьшей >10), нелинейную, динамическую систему. Натурные эксперименты в ЭЭС недопустимы, за редкими исключениями, а полноценное физическое моделирование невозможно, из-за её чрезмерной сложности. В результате основным путем получения полной и достоверной информации о протекающих в ЭЭС процессах служит математическое моделирование.
Функционирование релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА) непосредственно влияет на аварийные и послеаварийные процессы в ЭЭС. Поэтому для адекватного моделирования ЭЭС необходимо использование всережимных (адекватных) моделей не только основного оборудования, но и средств РЗ и ПА, достаточно полно и достоверно воспроизводящих в них без декомпозиции и ограничения интервала реальный спектр процессов при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы.
В настоящее время средства РЗ и ПА моделируются весьма упрощенно, что приводит к потере достоверности воспроизведения аварийных и послеаварийных процессов, следствием которой является не всегда правильная и оптимальная настройка средств РЗ и ПА. Последнее подтверждается статистикой причин аварийности в ЭЭС, представленной в виде диаграммы (рис.1).
62
Рис. 1. Структура и причины аварийности в ЭЭС Возможность использования всережимных моделей РЗ и ПА связана с
наличием соответствующих средств моделирования ЭЭС. Такими возможностями обладают, в частности, Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС (ВМК РВ ЭЭС) [1] и Real Time Digital Simulator (RTDS)[4].
В настоящее время используются средства РЗ и ПА на электромеханической, микроэлектронной и полупроводниковой, а также микропроцессорной элементных базах. В зависимости от элементной базы и конкретной реализации каждое устройство РЗ и ПА обладает своей спецификой, влияющей на процессы в них. Кроме того значительное влияние на процессы в этих устройствах оказывают и измерительные трансформаторы.
Методика создания всережимных моделей средств РЗ и ПА, позволяющая существенно повысить полноту и достоверность моделирования протекающих в них процессов и учитывающая указанные выше факторы, включает в себя следующие этапы:
• анализ схем РЗ и ПА с целью составления адекватной схемы замещения;
• составление схемы замещения с учетом измерительных трансформаторов и особенностей конкретной реализации;
• составление математического описания процессов в измерительных трансформаторах и конкретной реализации РЗ или ПА с помощью метода направленных графов [2];
• предварительное исследование полученных математических моделей с помощью программ MathCAD и MatLAB, позволяющее провести предварительную проверку и необходимую корректировку;
• разработка программ для реализации полученных моделей в микропроцессорах средств применения, в частности, в ВМК РВ ЭЭС;
• экспериментальное исследование разработанных моделей в ВМК РВ ЭЭС.
Данная методика проверена путем моделирования дифференциальной защиты трансформатора с торможением ДЗТ-21[3]. Результаты положительные.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
63
Список литературы 1. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Многопроцессорная программно-техническая система реального времени гибридного типа для всережимного моделирования энергосистем // Технологии управления режимами энергосистем XXI века: Сб. докладов Всеросс. науч.-практич. конф. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - С.125-131. 2. Дж. Абрахамс, Дж. Каверли. Анализ электрических цепей методом графов. М., «Мир», 1967. 3. Голанцов Е.Б., Молчанов В.В. Дифференциальные защиты трансформаторов с реле типа ДЗТ-21 (ДЗТ-23).- М.: Энергоатомиздат, 1990.-88с. 4. http://www.rtds.com
А. В. УКРАИНЦЕВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор В. И. НАГАЙ ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Распределенная централизованная защита от замыканий на землю
Существование в электрических сетях 6-35 кВ с компенсированной нейтралью проблемы, связанной с селективностью защит от замыканий на землю (ОЗЗ), на которые приходится 75-90% от общего числа повреждений [1], является главной причиной совершенствования существующих и поиска новых методов определения повреждённого присоединения при ОЗЗ. Известно много различных защит, использующих электрические величины промышленной частоты [2]. Большинство из них не являются достаточно надежными, что зачастую приводит к неправильному действию релейной защиты и дальнейшему переходу однофазных замыканий в двойные и множественные замыкания. В качестве альтернативы для этих защит применяют защиты, основанные на измерении высокочастотных составляющих установившегося тока нулевой последовательности (НП), например УСЗ-3М. Недостатком этих защит является их малая эффективность при нестабильном уровне и составе высших гармонических составляющих, а также невозможность их применения при кратковременных и перемежающихся ОЗЗ.
Применение принципа относительного замера в распределенной централизованной защите от замыканий на землю позволяет решить эту проблему. Принцип основан на одновременном сравнении уровней высших гармоник в токах ОЗЗ всех присоединений защищаемого объекта. Сравнивая показания измеряемой величины тока при ОЗЗ, полученные от каждого из устройств, находится максимальное значение и по нему определяется повреждённое присоединение. Защита, основанная на этом принципе, не требуют отстройки от собственных ёмкостных токов присоединений, чувствительна к замыканиям через переходное сопротивление.
64
На кафедре электрических станций ЮРГТУ(НПИ) разработано микропроцессорное устройство распределенной централизованной защиты (сигнализации) от ОЗЗ, работающее по принципу относительного замера, измеряющее сумму высших гармоник в токе ОЗЗ. Структура системы защиты, построенной на базе устройств Реном-04Т, представлена на рис. 1.
ПТТ ФильтрАлгоритм накопления интегральной
суммы
ПТТ Фильтр
Алгоритм накопления интегральной
суммы
ПТТ Фильтр
Алгоритм накопления интегральной
суммы
Сравнение с уставкой
Сравнение с уставкой
Сравнение с уставкой
1
2
3
n
Блокировка
3I01
3I02
3I03
3I0n
Срабат.
Пуск по 3U0
Рис. 1. Структура защиты от однофазных замыканий на землю в сетях 6 – 35 кВ Защита по принципу действия является токовой ненаправленной. Защита
выделяет из тока нулевой последовательности (НП) сигналы высших гармонических составляющих с подавлением тока основной гармоники. Содержание высших гармоник в токе ОЗЗ в зависимости от особенностей электрической сети (количества и характера источников высших гармоник, режимов их работы, режимов работы сети и др.) может изменяться от единиц до десятков процентов. При внутреннем ОЗЗ содержание высших гармоник в поврежденном присоединении всегда больше, чем в любом из неповрежденных присоединений. Измерение проводится по всем присоединениям одновременно, чтобы исключить изменение во времени параметров сети, и, как следствие, величин токов высших гармоник. Временная характеристика срабатывания устройства является обратно зависимой от тока. Защита подключается к трансформаторам тока нулевой последовательности (ТТНП), установленных на кабельных вводах присоединений.
Используемый принцип позволяет селективно определять поврежденный фидер с высокой степенью надежности.
65
Список литературы 1. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. 2. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. Т. С. ИСМАГИЛОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. Х. ХАЙРУЛЛИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Моделирование гидроэлектростанций
для решения задач планирования их работы На сегодняшний день планирование работы водохранилищ и
гидроэлектростанций при них является весьма актуальной задачей. Это обусловлено следующими факторами. В силу своей способности за короткие промежутки времени менять мощность в широких пределах, гидроэлектростанции при суточном режиме регулирования энергосистемы используются для покрытия пиков нагрузки. При недельном регулировании, ГЭС за выходные дни, когда нагрузка существенно снижается, способны аккумулировать часть воды в водохранилище, для того, чтобы впоследствии работать с несколько большей отдачей. Водохранилища тоже имеют существенное влияние на объекты промышленности и народного хозяйства расположенные в нижнем течении от створа плотины. Регулирование в период весенних паводков и летне-зимней межени позволяет существенно снизить негативные последствия высоких половодий с одной стороны и поддерживать необходимый уровень рек в маловодные годы [1].
Выполнение всех этих функций требует подробного планирования режимов работы на различный срок и с разной детализацией. Однако это невозможно без подробного моделирования гидроузла. Математическая модель так же необходима при выполнении водноэнергетических и иных видов расчётов.
Определим параметры модели: USL – уровень верхнего бьефа (УВБ). Уровень водоёма непосредственно
примыкающего к плотине и находящегося по течению выше от неё. Во всём диапазоне изменения УВБ располагаются следующие важные отметки. Нормальный подпорный уровень USLNWL – наивысший уровень водохранилища (УВБ), при котором ГЭС и её сооружения работают длительное время с соблюдением нормальных запасов надёжности. Форсированный подпорный уровень USLHWL – наивысший уровень водохранилища (УВБ), который могут поддерживать подпорные сооружения в течение короткого промежутка времени. USLDWL уровень мёртвого объёма – самый низший уровень ВБ, до которого срабатывается водохранилище в процессе эксплуатации.
66
DSL – уровень нижнего бьефа (УНБ). Уровень водоёма непосредственно примыкающего к плотине и находящегося по течению ниже от неё. Важное значение при моделировании имеет зависимость )( DSDSL dischFDSL = (так называемая кривая связи уровней и расходов), где dischDS – суммарный расход в нижний бьеф. Для низко- и средненапорных ГЭС колебания уровней в нижнем бьефе оказывают существенное влияние на напор в течение как краткосрочных, так и длительных периодов времени. Значимость функции )( DSDSL dischF при выполнении расчётов особенно повышается с ростом неравномерностей суточных режимов работы ГЭС.
Press – напор гидроэлектростанции. Принято различать напор брутто бруттоTH , и напор нетто TH . Но поскольку, расчёт TH , при решении
практических задач часто вызывает трудности, принято использовать простой геометрический напор ГЭС – напор брутто брутто
TH . Он вычисляется как разность уровней бьефов ГЭС: DSLUSLPress −= .
W – объём воды в водохранилище. Для расчёта W используют кривые объёмов водохранилища, отображающие зависимость объём водохранилища от УВБ: ( )USLFW W= . Кривые строятся в период проектирования и первичной эксплуатации гидроузла.
Affx – приток в створ водохранилища. Один из основных параметров модели, определяющий водный баланс гидроузла.
Расходы через створ водохранилища: dischDS – суммарный расход в нижний бьеф, включающий в себя все далее перечисленные виды; dischSHU – суммарный расход через все гидроагрегаты ГЭС (dischSHU тесно связан с напором press и вырабатываемой мощностью гидроагрегатов PSHU); dischF – расход на фильтрацию. Потерями на фильтрацию называют разность объёмов подземного притока и оттока по контуру чаши водохранилища в естественных условиях, и после создания подпора [2]. Детальные расчёты фильтрации проводят при гидротехническом проектировании с целью обеспечения устойчивости сооружений. В процессе эксплуатации для определения объёмов фильтрации пользуются либо этими расчётами, либо вычисляют путём определения всех составляющих водного баланса; dischSP – расходы на холостой сброс через водосливные сооружения; dischMIN, dischMAX – ограничения на максимальные и минимальные суммарные расходы в нижний бьеф. Набор этих эксплуатационных ограничений индивидуальный для каждой ГЭС.
PHU – мощность гидроагрегата. Расчёт мощности выполняется по эксплуатационной характеристике гидроагрегата при известных величинах напора и расхода через гидроагрегаты ),( pressdischFP HUHUHU = .
Таким образом, математическая модель гидроэлектростанции может быть описана следующей системой уравнений [3]:
67
( )
⎪⎪⎪⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪⎪⎪⎪
⎨
⎧
≤≤==
==
⋅=−=
⋅⋅⋅−+=
++=+++
MAXDSMIN
HUHUHU
DSDSL
W
USL
HUHU
tDS
ttt
fSPHUDS
dischdischdischdischpressFP
dischFDSLUSLFW
WFUSLNPP
DSLUSLpressdischaffxWW
dischdischdischdisch
),()(
)(
246060)( 111
где t – текущий день наблюдений, HUN – количество активных гидроагрегатов. Предложенная математическая модель была взята за основу и с
небольшими дополнениями реализована в виде программного модуля программного комплекса регулирования работы гидроэлектростанций в ОАО «Башкирэнерго». Промышленная эксплуатация показала достаточную адекватность модели и приемлемую точность графиков работы гидроузла.
Список литературы 1. Обрезков, В. И., и др. Гидроэнергетика. В. И. Обрезков. М.: Энергоиздат, 1981. стр. 608. 2. Иванов, А. И. и Неговская, Т. А. Гидрология и регулирование стока. М: "Колос", 1970. 3. 39. Hydropower station's seasonal scheduling. The algorithm of pre-flood drawdown. F.R. Ismagilov, I.H. Khairullin, T.S. Ismagilov. s.l. : Ufa State Aviation Technical University, 2009, Vol. 2.
А. В. ШЕИН, И. М. САЛАХУТДИНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Л. В. ФЕТИСОВ ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Защита электрических сетей промышленных предприятий от внешних
электромагнитных воздействий (грозозащита воздушных линий) При эксплуатации электрических сетей промышленных предприятий
большое значение и имеет воздействие внешних электромагнитных воздействий. Для дальнейшего повышения надежности функционирования сетей требуется внедрение защиты там, где ее нет и модернизация устаревшей.
Электрические сети, а именно воздушные линии (ВЛ) промышленных предприятий непосредственно после их сооружения в процессе эксплуатации подвергаются разнообразным внешним электромагнитным воздействиям.
68
В свою очередь электромагнитные воздействия делятся на источники возникновения:
1) естественные; 2) искусственные. Каждый источник наносит начиная незначительным, заканчивая
разрушительным воздействием на ВЛ и все оборудование расположенного на ней. Более разрушительным действием обладают естественные источники, а именно попадания ударов молнии.
Ввиду того что рассматриваются ВЛ, то можно выявить некоторые их характерные особенности:
1) надежность распределительных электрических сетей ниже, чем у сетей более высоких классов напряжения;
2) низкая импульсная прочность изоляции распределительных сетей. После рассмотрения множества способов защиты ВЛ можно рассмотреть
два часто используемые: 1) устройства с дугогасящими “рогами”;
Рис. 1. Устройства с дугогасящими “рогами”
2) устройства с длинно-искровыми разрядниками.
Рис. 2. Устройства с длинно-искровыми разрядниками.
После анализа двух этих устройств сделан следующий вывод сведенный в
табл. 1. Проведенный обзор литературы и источников информации по
направлению диссертации показал, что на данный момент мало организаций и компаний используют грозозащиту, а если и используют то она мало эффективна или не эффективна вовсе. При установки устройств защиты ВЛ учитывается их малая стоимость, а не стоимость ущерба причиненного при не эффективном срабатывании или не срабатывании вовсе этих устройств.
69
Таблица 1 Анализ устройств
Устройства с дугогасящими “рогами”
Устройства с длинно-искровыми разрядниками
Защита от прямых ударов молнии Защищает Защищает
Защита от грозовых перенапряжений Защищает Защищает
Прожег изоляции Изоляция прожигается Изоляция не прожигается
Защита от дуговых замыканий Защищает Защищает
Отключения при дуговых замыканий Да производится Нет не производится
Отключения при грозовых перенапряжений Да производится Нет не производится
Разрушение устройства Разрушается Не разрушается
Д. Н. АСАИНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Ю. П. ГУСЕВ ГОУ ВПО Московский энергетический институт (технический университет)
Короткие замыкания в электроэнергетической системе с газотурбинными установками малой мощности
Согласно Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики на
период до 2020 г. с учетом перспективы до 2030 г. прогнозируется значительный рост числа ввода газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности, подключаемых в существующие узлы электроэнергетической системы (ЭЭС).
При коротких замыканиях (КЗ) в ЭЭС с ГТУ малой мощности не всегда удается согласовать параметры настройки существующих в сети устройств релейной защиты и автоматики, одновременно обеспечить динамическую устойчивость и электродинамическую стойкость турбогенераторов, механическую прочность муфты ГТУ, соединяющей ротор турбогенератора с турбиной или редуктором.
С помощью разработанной математической модели ГТУ малой мощности и примыкающего участка электросети были проведены исследования влияния на электродинамическую стойкость турбогенератора таких факторов как жёсткость связи с ЭЭС, удаленность КЗ, тип системы возбуждения, тип и мощность нагрузки местного потребителя.
70
В качестве величины, характеризующей жёсткость связи турбогенератора ГТУ с ЭЭС, принято отношение тока КЗ от ЭЭС к току КЗ от турбогенератора при КЗ на шинах генераторного распределительного устройства (точка К1, рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема ГТУ с примыкающим участком электросети
Под удаленностью КЗ принято остаточное напряжение в % от
номинального значения на шинах генераторного распределительного устройства в начальный момент КЗ (точка К2, рис. 1).
Исследования проводились на основе выделения знакопостоянной составляющей электромагнитного момента турбогенератора. На рис. 2 представлено изменение электромагнитного момента во время переходного процесса при КЗ и после его отключения. Оказалось, что после отключения КЗ знакопостоянная составляющая электромагнитного моменты может быть больше, по сравнению с таковой в начальный момент КЗ, как по значения, так и по продолжительности (рис. 2).
Поэтому проверку электродинамической стойкости турбогенератора предложено производить путем сопоставления знакопостоянных составляющих электромагнитных моментов после отключения КЗ с полученными при испытаниях турбогенератора по ГОСТ 533-2000 (МЭК 34-3-2007).
После отключения КЗ и жёсткости связи турбогенератора с ЭЭС превышающей 3 о.е. наибольшее значение знакопостоянной составляющей электромагнитного момента возникает при достижении максимального угла выбега ротора турбогенератора, равного, примерно 120 градусов.
При оснащении турбогенератора системой независимого возбуждения после отключения КЗ возникают большие по значению ток статора и электромагнитный момент, чем при оснащении турбогенератора системой самовозбуждения. Но, несмотря на данный факт, электродинамическая стойкость турбогенератора, оснащенного независимой системой возбуждения, и механическая прочности муфты ГТУ малой мощности обеспечивается при меньших удаленностях КЗ.
71
Рис. 2. Изменение мгновенного значения ( ) и знакопостоянной составляющей ( )
электромагнитного момента турбогенератора, при КЗ на выводах статора С увеличение доли асинхронной нагрузки местного потребителя,
подключенного к шинам генераторного распределительного устройства, электродинамическая стойкость турбогенератора обеспечивается при больших провалах напряжения, вызванных КЗ. Так как после отключения КЗ асинхронные двигатели начинают раскручиваться и потреблять повышенное значение тока, ограничивая тем самым ток статора турбогенератора. Однако при этом ухудшаются условия динамической устойчивости турбогенератора относительно ЭЭС. Статическая нагрузка, в отличие от асинхронной нагрузки, практически не влияет на электромагнитный момент, возникающий после отключения КЗ.
Было сопоставлено применение реактора или разделительного трансформатора, устанавливаемых в цепи статора турбогенератора, для ограничения электромагнитного момента. Оказалось, что при отношении ограничивающего сопротивления к синхронному индуктивному сопротивлению турбогенератора 03,0огр >dxx применение реактора ограничено условием обеспечения допустимого уровня напряжения на выводах статора турбогенератора. Такая проблема отсутствует, если применять разделительный трансформатор, так как он может быть изготовлен с любым коэффициентом трансформации. И при 12,0огр ≥dxx электродинамическая стойкость турбогенератора и механическая прочность муфты ГТУ малой мощности обеспечиваются при любой удаленности КЗ. Следует отметить, что при применении указанных средств, также ухудшаются условия динамической устойчивости турбогенератора.
Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1. для турбогенератора процесс отключения КЗ может быть более опасным,
чем само КЗ;
72
2. при проектировании ГТУ необходимо проверять возможность параллельной работы с ЭЭС дополнительно по критериям электродинамической стойкости турбогенератора и механической прочности муфты ГТУ;
3. проверку электродинамической стойкости турбогенератора ГТУ следует производить путем сопоставления значений знакопостоянных составляющих электромагнитных моментов турбогенератора при отключении КЗ и при испытаниях турбогенератора по ГОСТ 533-2000 (МЭК 34-3-2007);
4. для увеличения предельно допустимой продолжительности КЗ, по условиям электродинамической стойкости, рекомендуется применять системы независимого возбуждения вместо систем самовозбуждения;
5. наличие асинхронной нагрузки, подключенной к турбогенератору, снижает знакопостоянную составляющую электромагнитного момента, при отключении КЗ;
6. снижение электромагнитных моментов, действующих на турбогенератор, может быть ограничено установкой реактора или разделительного трансформатора в цепи статора.
А. И. ФЕДОРОВСКАЯ, В. С. ФИШМАН, М. В. СУББОТИН «Энергосетьпроект –НН-СЭЩ» филиала «ООО УК «Электрощит - Самара»
Исследование влияния сопротивления заземляющей сетки
на ток ОКЗ в системе собственных нужд подстанций с высшим напряжением 35÷220 кВ
1. Существующие руководящие и методические указания (Л1,2) не
позволяют рассчитывать ток однофазного короткого замыкания (ОКЗ) на заземляющую сетку в системе собственных нужд до 1 кВ подстанций с высшим напряжением 35÷220 кВ. Знание этого тока необходимо для правильного выбора защитной аппаратуры и определения её чувствительности к минимальным значениям тока ОКЗ.
2. Согласно действующим руководящим указаниям (Л2) ток ОКЗ определяется с использованием метода симметричных составляющих по формуле:
201
201 )*2()*(2E/*3 XXRRIокз +++= ; (1)
где Е –фазное напряжение источника питания, В, R1,X1 – активное и реактивное сопротивления прямой
последовательности, R0,X0 – активное и реактивное сопротивления нулевой
последовательности.
73
Для системы заземления типа TN-С сопротивления прямой и нулевой последовательности даны в приложении к Л1, а методика расчета дана в Л3.
При системе заземления типа TN-S сопротивления нулевой последовательности кабеля значительно больше (Л4) и могут быть приняты равными:
н11 0 R*3R += фR ; (2)
10 *4 фXX ≈ . (3)
3. Однако, для случаев ОКЗ типа «фазный провод - заземляющая сетка», указанные методы расчета не подходят.
Для решения данной задачи д.т.н. проф. Рогинской Л.Э. (кафедры «Электротехника») было предложено применить метод контурных токов, использующий 2-й закон Кирхгоффа.
Под её руководством в Нижегородском филиале ЭСП-НН-СЭЩ ООО УК «Электрощит-Самара» была разработана математическая модель системы, включающая источник питания (трансформатор собственных нужд – ТСН 10(6)/0,4/0,23кВ), кабель отходящий от шин 0,4 кВ и заземляющая сетка подстанции.
Заземляющая сетка представляет собой комбинацию из продольных и поперечных стальных полос сечением 40х4 мм², проложенных в грунте на глубине 0,7 м.
4. Модель заземляющей сетки составлена для 2-х вариантов: Заземляющая сетка в форме 16-ти квадратов со сторонами 4,5 м и
заземляющая сетка в форме 49-ти квадратов со сторонами 9 м. На рис. 1 представлена модель заземляющей сетки и система уравнений
контурных токов. Для решения системы уравнений составляется соответствующая матрица, которая решается известным методом.
5. При определении индуктивных сопротивлений кабеля и стальных полос заземляющей сетки учитывалась как их собственная, так и взаимная индуктивность. При этом использовались формулы индуктивности и взаимоиндукции проводников, приведенные в Л5.
Кроме того, при определении индуктивных сопротивлений стальных полос учитывался фактор насыщения стали, при этом степень насыщения зависит от искомого результата, т.е. от силы тока, протекающего по данной полосе.
Ввиду нелинейного характера системы уравнений, учитывающих данное обстоятельство, был применен итерационный метод решения задачи с помощью ПЭВМ.
74
Рис. 1. Модель заземляющей сетки и система уравнений контурных токов.
6. В результате проведенной серии расчетов можно сделать следующие
предварительные выводы: 6.1. На подстанциях с высшим напряжением 110 кВ и выше, для
которых в соответствии с гл. 7 ПУЭ необходимо выравнивания потенциалов, сопротивление заземляющей сетки весьма невелико и, как правило, не превышает Z = 0,05÷0,06 Ом.
При этом, значения тока ОКЗ на заземляющую сетку в сети СН 0,4/0,23 кВ лежат в интервале, ограниченном током 2-х фазного КЗ сверху и однофазным КЗ типа фаза-N снизу в системе TN-S.
6.2. Аналогичный вывод можно сделать и для подстанций с высшим напряжением 35 кВ, для которых выравнивание потенциалов на территории ОРУ не требуется, и заземляющая сетка, как таковая, не сооружается.
В таких случаях сопротивление магистралей заземления току ОКЗ оказывается несколько больше, чем для ПС с высшим напряжением 110 кВ и выше, однако соотношение между токами, указанное в п. 6.1. сохраняется.
6.3. Таким образом, расчеты показали, что для выбора и проверки защитной аппаратуры в системе СН подстанций с высшим напряжением 35-110÷220кВ проведение специальных расчетов ОКЗ на заземляющую сетку не требуется.
Для проверки чувствительности защитной аппаратуры следует использовать значение тока ОКЗ типа фаза-N, причем сопротивление кабелей необходимо определять, как указано в п. 2.
6.4. Важно также отметить следующую закономерность: чем дальше удалена точка ОКЗ от источника питания – ТСН, тем меньше влияние на
75
величину тока имеющихся в кабеле проводников типа PE, PEN, Протекающая по ним часть тока при удаленном замыкании составляет лишь незначительную, порядка ≈ 5%, часть общего тока ОКЗ. Остальная часть тока протекает по заземляющей сетке, поскольку её сопротивление оказывается много меньше сопротивления PE или PEN проводника.
6.5. Из вышесказанного также следует, что при применении в системе СН заземления типа TN-C нежелательно, поскольку рабочий ток однофазных потребителей в этом случае также в основном будет проходить по заземляющей сетке, а не по PEN проводнику, что будет создавать электромагнитные помехи в работе микропроцессорной аппаратуры. Кроме того, постоянное прохождение тока по проложенным в земле стальным заземляющим проводникам приведет к их усиленной коррозии.
Список литературы 1. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. 2. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования, РД 153-34.0-20.527-98. 3. Каменский М.К., Холодный С.Д. Силовые кабели 1-10 кВ с пластмассовой изоляцией. Расчет активного и индуктивного сопротивлений. ж. Новости Электротехники,№4, 2005г. 4.Фишман В.С. Силовые кабели до 1 кВ. Расчет сопротивлений нулевой последовательности. ж.Новости Электротехники, № 2, 2007г. 5. П.А. Калантаров, А.А. Цейтлин. Расчет индуктивностей.
И. В. НАГАЙ, П. С. КИРЕЕВ, И. В. ПЕРСИЯНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, профессор В. Г. ШУЛЯК ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Повышение чувствительности защит
дальнего резервирования ответвительных подстанций Распознавание аварийных режимов, особенно защитами дальнего
резервирования, затруднено из-за наличия ряда влияющих факторов: сопоставимости токов короткого замыкания за резервируемыми трансформаторами с токами нагрузки, наличия переходных сопротивлений в месте повреждения, малых уровней напряжений симметричных составляющих на шинах в месте установки защит при удаленных повреждениях, наличия двигательной нагрузки, батарей конденсаторов и т.д.
В настоящее время себя зарекомендовали такие способы повышения чувствительности релейной защиты дальнего резервирования, как расширение информационной базы защиты, оптимальное сочетание систем ближнего и дальнего резервирования, реализация устройств защиты на основе адаптивных
76
измерительных органов с контролем аварийных составляющих токов и сопротивлений, ортогональных составляющих и применением адаптивного торможения.
Рис. 1. Поясняющая схема электрической распределительной сети с ответвительными
подстанциями В рассматриваемых сетях весьма вероятны режимы продольно-
поперечной несимметрии (ППН), обусловленные разрывом фазных проводов воздушных линий (ВЛ) и одновременным КЗ в сети высшего или низшего напряжения, которые в большинстве случаев не сопровождаются повышением токов до уровней сопоставимых с токами КЗ. В ряде случаев, например, при обрыве одного из фазных проводов ответвления и последующем коротком замыкании на стороне низшего напряжения, увеличения модулей токов прямой последовательности не происходит, что означает невозможность определения удаленного КЗ по признаку векторного или модульного приращения, в том числе и приращения ортогональных составляющих (рис. 2).
0.7 0.8 0.9 1.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
I*
Ing*
(1) - In (2) - I
1A (3) - I
2A (4) - I
1-2k (5) - I2-2k (6) - I1Ak (7) - I
2Ak (8) - I
1A-2k (9) - I
2A-2k (10) - I
0A-2k
Рис. 2. Зависимость модулей токов прямой, обратной, нулевой последовательности от
тока нагрузки линии При исследовании возможности распознавания КЗ при одновременной
продольной несимметрии рассмотрены следующие виды ППН: обрыв и замыкание на землю фазы А первого участка ответвления с КЗ со стороны трансформатора Т1 (режим AY), обрыв фазы А и КЗ фаз AB (ABY), CA (CAY), обрыв фазы А и короткое замыкание на стороне низшего напряжения трансформатора Т1 с группой соединения обмоток «звезда-треугольник» фаз АВ (АВΔ), ВС (ВСΔ), СА (САΔ), АВС (АВСΔ). Для построения селективной и высокочувствительной защиты важным является возможность распознавания
77
режимов ППН с селекцией вида повреждения. При этом необходимо формирование информационных признаков в многомерных пространствах, позволяющих получить непересекающиеся области рассмотренных выше режимов (рис. 3). Такие пространства могут быть построены в фазных координатах, в координатах токов прямой, обратной и нулевой последовательности и их аргументов.
1 2 3 40
1
2
3
4
LI2-I0
CB
ΔAB C
ΔC A
ΔB C
ΔA B
C AY
AB Y
AY
2*I
0*I
0 2 4 6 8 100
2
4
6
8
10
LIc-Ib
AY
ΔC A AB Y
ΔA B
C AYΔB C
ΔAB C
bI*
cI*
-120 -80 -40 0 40 80-180
-150
100
150
200
Lφc-φb
A
,bϕ
,cϕград
град
ΔAB C
C AY
ΔB C
ΔC A
AY
A B Y
ΔAB
а) б) в)
Рис. 3. Области режимов продольно-поперечной несимметрии защищаемых трансформаторов
Проведенные исследования режимов работы электрических сетей с
ответвительными и промежуточными подстанциями и алгоритмов функционирования адаптивных измерительных органов на основе математического и физического моделирования и выполненных натурных экспериментов в сети 110 кВ доказывают возможность распознавания аварийных режимов за трансформаторами данных подстанций.
Н. О. КАЛИНИНА, И. С. САРРЫ, М. В. БАРЫШЕВ ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Совершенствование системы блокировки коммутационных аппаратов 6-110 КВ
Особое внимание в электроэнергетике традиционно уделялось
надежности работы оборудования и безопасности действий, совершаемых рабочим персоналом при оперативных переключениях. Важным средством предупреждения неправильных операций, производимых оперативным персоналом, является оснащение всех разъединителей и заземляющих ножей устройствами блокировки.
78
В ЮРГТУ(НПИ) разработана система блокировки на основе электромеханических и твердотельных реле с использованием бесконтактных датчиков положения. Её функционирование включает взаимодействие двух основных блоков А и В.
Рис. 1. Структурная схема устройства блокировки при организации логики на клеммах и
реле
Блок привода А (рис. 1) устанавливается непосредственно на приводах разъединителей и выполняет функцию традиционных блок-контактов КСА. Блоки клеммных шкафов В (рис. 1) служат для формирования разрешающих сигналов блокировки.
Использование микропроцессорных устройств при построении централизованной магистральной системы блокировки предполагает снижение числа кабельных связей. При этом значительно сокращается объем монтажных работ по сравнению с существующей системой (рис. 2).
Сигнал о состоянии коммутационных аппаратов формируется в локальных устройствах (ЛУ) и передается на центральное управляющее устройство (ЦУУ), где и формируется разрешающий импульс. ЛУ обеспечивают получение информации о состоянии собственных коммутационных аппаратов.
79
КРУ 10 кВ
Ввод 35 кВ
1с 110 кВ 2с 110 кВ
W1
Q3
Q4
QS7 QS8
QS9
QS10
QS11
QS12
QSG9 QSG10
QSG11
QSG12
QSG13
QSG14
QSG15
QSG16
Q6
T1
TV1
Q7 QS14QS13
QSG20QSG19QSG18
ЛУ
ЛУ
ЛУ
ЛУ
ЛУ
ЛУ
ЦУУ
Рис. 2. Структурная схема устройства блокировки при организации логики на
микропроцессорной базе Рассмотренные варианты построения блокировок коммутационных
аппаратов позволяют реализовать технические системы свободные от недостатков устройств блокировки с механическими контактами положения разъединителей и могут быть интегрированы в АСУ подстанции.
А. Е. ХАРДИНА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Н. И. ШИЯНОВА Филиал ГОУ ВПО Московского государственного университета технологий и управления в г. Мелеузе
Регулирование разряжения газов в дымоходе котла ДКВР-20-13
Котельная установка ДКВР-20-13 по своему назначению является
производственно – отопительной системой, вырабатывающей пар для потребностей производства и отопления.
Принцип работы котельной установки заключается в передаче тепла, образовавшегося при сгорании топлива, воды и пара. Котел ДКВР состоит из двух горизонтально расположенных барабанов Б (верхнего и нижнего). В верхнем барабане происходит конвективный нагрев воды. Питательная вода подается к верхнему барабану через экономайзер Э1, который служит для предварительного подогрева питательной воды остаточным теплом дымовых газов.
80
Рис. 1. Функциональная схема котла ДКВР – 20 – 13
Топочная камера, состоит из соответственно топки с газовыми горелками и камеры догорания. Циркуляция воды происходит за счет опускания более холодной воды через необогреваемые трубы, расположенные вне топочного пространства. Вода поднимается по кипятильным трубам, а пар отводится через штуцер в верхнем барабане котла. Паровой котел ДКВР дает насыщенный пар. Топливом для котла служит природный газ. Воздух, необходимый для нормального сгорания природного газа в горелках котла, подается дутьевым вентилятором ДВ с электроприводом.
Нормальная работа котла в заданном режиме обеспечивается путем автоматического регулирования ряда основных технологических параметров: АСР уровня в барабане котла, АСР разрежения воздуха в топке котла.
В ходе анализа технологического процесса и действующей системы автоматизации был выявлен ряд недостатков:
− большинство функций контроля и регулирования осуществляется оператором, и качество регулирования во многом зависит от навыков и опыта персонала;
− большая часть используемых средств автоматизации нижнего уровня поддерживает дискретные сигналы и, в случае индикации измеряемых величин, не отображают промежуточные значении, а также обладают значительным энергопотреблением;
− действующая система поддержания температуры пара в заданном диапазоне не обеспечивает требуемое качество регулирования.
В настоящее время при регулировании температуры пара вышеуказанным способом происходит недоиспользование полной мощности топки, это соответственно приводит к перерасходу потребляемого топлива, а значит к снижению экономических показателей котлоагрегата.
81
Для обеспечения сгорания топлива предусмотрена система стабилизации разряжения в верхней части топки, посредством изменения положения поворотных шторок расположенных в дымоходе котла, которые имеют два положения – «открыто», «закрыто, что приводит к неэффективному сгоранию топлива. Предлагается система автоматического управления дутьевыми вентиляторами ДВ и дымососами Д в энергосберегающем режиме, оснащёнными асинхронными электродвигателями. Система осуществляет поддержание на заданном уровне либо изменение по заданному графику давления/разряжения воздуха и газов в топке котла.
В системе управления предлагается использовать преобразователи частоты вместо направляющих аппаратов (поворотных шторок), которые при работе по данной схеме полностью открываются, а регулирование разряжения в дымоходе производится путём плавного изменения частоты вращения дымососа и дутьевого вентилятора. Привлекательность такой схемы включения заключается в высокой скорости и простоте модернизации котельной при полном сохранении систем котельной автоматики.
Преимущества применения преобразователей частоты для управления тягодутьевыми механизмами котельных установок очевидны. Потребление электроэнергии снижается в среднем за год на 35-50%. И как следствие оптимизация технологического процесса позволяет снизить потребление топлива.
А. П. КОСТЮКОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор М. Б. ГУЗАИРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Построение системы управления эксплуатационными рисками
сложносвязных нагревательных объектов
Средства защиты, диагностики и управления плавильными комплексами, в частности индукционными тигельными печами (ИТП), применялись с момента начала эксплуатации таких комплексов. Такие средства решают задачи управления энергопотреблением и мощностью плавильной установки, режимом плавки, отслеживания состояния элементов печи, предупреждения аварийных ситуаций, сбора статистической информации для анализа производственного процесса и многие другие задачи. Исследования в этой области показали, что существующие системы управления ИТП слабо реагируют на риски, возникающие при эксплуатации печей (предотвращают менее 55% возникающих аварий), не обеспечивая стабильной и безопасной работы плавильных цехов. Это связано с тем, что подавляющее большинство систем диагностирования основано на измерении усредненных вторичных параметров технологического процесса плавки.
82
Системный подход к проектированию диагностических устройств дает следующий результат для анализа и синтеза (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема ИТП как объекта диагностирования
Поэтому для проектирования системы диагностирования процесс
функционирования плавильного модуля рассматривается в форме модели Маркова (рис.2).
1
4
3
2
λ0
μ
λ0
D*λ (1-D)*λ
Рис. 2. Граф состояний, отражающий процесс функционирования плавильного
модуля: 1– первоначальное и последующие работоспособные состояния модуля, в которых вероятность безотказной работы составляет величину P(mT), где m – номер плавки, T –
продолжительность одной плавки; 2 – простой, когда плавка в печи не ведется, а поддерживается постоянная температура 300-400°C; 3 – состояние, в которое переходит
модуль при обнаружении отказа диагностической системой с вероятностью D (контролируемый отказ); 4 – тупиковое состояние (неконтролируемый системой
диагностирования отказ c вероятностью наступления 1-D). С учетом вышеприведенной схемы (рис. 2) система диагностирования
приобретает вид, представленный на рис. 3.
83
1
1
μλ+s
i
i
s μλ+
n
n
s μλ+
.
.
.
1D
iD
nD
Σ
Алгоритм сравнения и принятия решения
.
.
.
.
.
.
--
Данные наблюденийКорректирующеевоздействие
1 1P
nP
iP 0P
Рис. 3. Модель системы диагностирования: iλ - интенсивность осуществления i-того риска;
iμ - интенсивность восстановления модуля после наступления i-того риска; iD - функция диагностирования i-того риска, зависящая от наблюдаемых параметров, которая
определяется как интенсивность предупреждения возникновения соответствующего риска; iP - вероятность осуществления i-того риска; 0P - вероятность перехода в состояние
контролируемого отказа.
Исследование модели системы (рис. 3) на предмет изменения вероятности перехода в состояние отказа при различных функциях диагностирования показало снижение вероятности отказа и стабилизацию работы печи.
А. А. АЛЕКСЕЕВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Е. А. МУРАВЬЕВА Филиал ГОУ ВПО Московского государственного университета технологий и управления в г. Мелеузе
Применение нечеткой логики при регулировании
разряжения в топке отопительного котла Для получения насыщенного и перегретого пара, используемого на
технологические нужды предприятия, предназначены котельные установки. Принцип работы котельной установки заключается в передаче тепла,
образовавшегося при сгорании топлива, воде и пару. Основными ее элементами являются котельный агрегат и топочное устройство.
Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:
1) процесс горения топлива,
84
2) процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой,
3) процесс парообразования, состоящий из нагрева воды, ее испарения и нагрева полученного пара.
Одним из важных и сложных контуров управления в котельном агрегате является управление процессом горения.
Сжигание газа и воздуха – это результат реакции между горючими элементами газа, прежде всего углеродом и водородом, и кислородом, содержащимся в воздухе.
Необходимо осуществлять режим полного сжигания, т.е. сжигание при оптимальном соотношении объемов газа и воздуха и равномерном их смешивании. Но на практике часто возникают случаи сжигание при недостатке воздуха и сжигание с избытком воздуха.
Соотношение газа и воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания, можно рассчитать. Из-за некоторых факторов, таких как, например, температура воздуха, давление в камере сгорания и т. д., настроенный объём воздуха, а значит и кислорода, не может быть всегда постоянным. Поэтому даже если настроить горелку на теоретически необходимое количество воздуха, под воздействием выше названных факторов неизбежно возникнут отклонения от настроенного значения и в определённый момент возможен недостаток воздуха. Таким образом, во избежание недостатка воздуха из-за внешних влияний, в большинстве котельных газ сжигают при избыточном количестве воздуха. Это приводит к тепловым потерям, так как избыток воздуха нагревается как балластное вещество.
Для обеспечения эффективного сгорания топлива необходимо наличие небольшого постоянного разряжения в верхней части топки (до 20 – 30Па). Для этого предусмотрена система стабилизации разряжения в верхней части топки, посредством изменения положения поворотных шторок, расположенных в дымоходе котла или плавного изменения частоты вращения дымососа.
Для эффективного регулирования режимов работы дымососа предложено регулирование, как с помощью преобразования частоты, так и с помощью поворотных шторок. Таким образом, система регулирования позволяет обеспечить компенсацию быстроизменяющихся возмущений за счет регулирования поворотных шторок, а медленные возмущения (например, изменения температуры) за счет изменения частоты вращения дымососа.
Для непрерывного управления применяют релейные (двухпозиционные) или ПИД-регуляторы. ПИД-регуляторы работают хорошо, когда управляемый объект находится в устойчивом режиме. В ситуациях же сильных помех, изменения параметров во времени или наличия запаздывания традиционные регуляторы могут не справиться со своей задачей, поскольку исходное для них предположение о линейности объекта уже не действует. В подобных случаях дополнение ПИД-регуляторов регуляторами на нечеткой логике часто оказывается более удобной, чем использование привычных, но усложненных регуляторов состояния или применение адаптивного подхода.
85
В тех случаях, когда необходимо учитывать взаимосвязь физических величин (параметров объекта), приходится строить полную математическую модель объекта, позволяющую найти решение. В промышленной автоматизации этому препятствует длительность разработки математической модели, необходимость введения специальных настроечных параметров для последующей оптимизации регулятора из-за существенных упрощений при построении большинства математических моделей и сложность настройки этих параметров (поскольку оптимизация объекта в одном режиме работы нередко ухудшает её работу в других режимах). Кроме того, большинство специалистов не имеют достаточной подготовки для построения строгой математической модели.
Поэтому нечеткая логика предоставляет высокоэффективное решение этой проблемы. Она позволяет разрабатывать многосвязные регуляторы с диспетчерскими функциями не по математической модели, а на основании экспериментальных данных и опыта операторов. Нечеткая логика не заменяет традиционные способы регулирования, а дополняет их высокоэффективной методологией реализации стратегий многосвязного управления.
Внедрение автоматического управления дымососами в энергосберегающем режиме на базе нечеткой логики в сочетании с традиционными способами регулирования позволит снизить расход электроэнергии и газа. А так же снизить содержание угарных газов в дымовых газах, что позволит защитить окружающую среду от вредных выбросов в атмосферу.
Р. Ф. ГАБИТОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор А. И. КАЯШЕВ Филиал ГОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета г. Стерлитамаке
Метод плавающего горизонта с многомерной нейросетевой моделью
в управлении печью прокалки катализаторов В настоящее время эффективность процессов крекинга в производстве
высокооктановых моторных топлив во многом зависит от качества применяемого катализатора. На Ишимбайском Специализированном Химическом Заводе Катализаторов осуществляется производство микросферического катализатора крекинга марки «актифайн», отвечающего современным требованиям по степени конверсии и износостойкости.
Стадия прокалки является одной из самых энергозатратных ступеней рассматриваемого производственного процесса. В то же время от качества управления печью прокалки зависит соблюдение таких противоречивых требований, как степень кристалличности, прочность на истирание и насыпная плотность продукта. Цель данной работы состоит в разработке системы
86
управления, обеспечивающей оптимальный компромисс между себестоимостью продукции и ее высокими эксплуатационными свойствами.
Существующая функциональная схема автоматизации вращающейся печи прокалки представлена на рис. 1.
FT4281
FCV4281M-407
FCV4282
FT4282
TE4284
TE4285
Òîïëèâíûéãàç
PT4282
M
TE4286 Òåõíè÷åñêèé
âîçäóõ
FÑ4281
FFÑ4281
FÑ4282
TIC4284
FT4283
FCV4283
FÑ4282
Ïíåâìîòðàíñïîðò
Рис. 1. – Функциональная схема автоматизации печи прокалки FT4281 – расходомер топливного газа, FCV4281 – регулирующий клапан топливного
газа, FC4281 – регулятор расхода топливного газа, FFC4281 – регулятор соотношения газ-воздух, FT4282 – расходомер воздуха на горение, FCV4282 – регулирующий клапан воздуха на горение, FC4282 – регулятор расхода воздуха на горение, TE4284 – датчик температуры холодного конца печи, TIC4284 – регулятор температуры холодного конца печи, FT4283 – расходомер воздуха на разбавление, FCV4283 – регулирующий клапан воздуха на разбавление,
FC4283 – регулятор расхода воздуха на разбавление, PT4282 – датчик разрежения в печи, TE4285 – датчик температуры в топке печи, TE4286 – датчик температуры входящего
воздуха
Основными регулируемыми параметрами являются температура холодного конца печи (TE4284) и температура в топке (TE4285). Управляющими воздействиями служат расход воздуха на горение (FT4282) и расход воздуха на разбавление (FT4283). Существующая система автоматизации осуществляет регулирование температуры холодного конца с использованием каскадного ПИД-управления клапаном FCV4282 подачи воздуха на горение. Задание регулятора расхода воздуха на разбавление формируется оператором установки. Практика эксплуатации печи выявила следующие недостатки данного подхода к управлению:
– Стабильная работа регулятора температуры возможна лишь при определенных значениях расхода воздуха на разбавление, температуры, влажности и скорости подачи сырья.
– Управление подачей воздуха на разбавление производится в локальном режиме, исходя из интуитивных соображений оператора, что повышает влияние человеческого фактора на качество и энергоемкость продукции.
87
Для преодоления этих недостатков предлагается использовать концепцию модельно-предикативного управления. Данная технология предполагает вычисление оптимального вектора управляющих воздействий на некоторый отрезок будущего времени, называемый горизонтом управления. Для прогнозирования поведения объекта управления используется его модель на основе динамической рекуррентной нейронной сети. Это позволяет отслеживать и корректировать влияние на регулируемый параметр нескольких величин: температуры в топке печи, частоты инвертора питателя подачи сырья, температуры наружнего воздуха. Система производит непрерывную оценку качества управления и производит периодическое переобучение нейронной сети при изменении условий ведения процесса. В качестве дополнительной задачи оптимизации включена минимизация расхода воздуха на горение. В отличие от ПИД-управления, число управляющих воздействий не имеет ограничений, что сделало возможным согласованное управление как подачей воздуха на горение, так и на разбавление. Результаты моделирования данной системы управления показывают следующие преимущества:
– Стабильное поддержание температуры при значительных изменениях скорости подачи, температуры и влажности сырья и температуры наружнего воздуха;
– Снижение расхода газа на единицу продукции. В предлагаемой системе управления предусмотрены возможности для
расширения числа оптимизируемых взаимовлияющих контуров, что может быть использовано в дальнейшем для уменьшения нагруженности и энергопотребления вентиляторов пневмотранспорта и фильтрации.
88
Секция II Энергосбережение и энергоаудит
Ю. В. РАХМАНОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Определение режима работы, электромагнитных
и геометрических параметров специального трансформатора В настоящее время практическое применение находят озонаторы
промышленной частоты и высокочастотные озонаторы с рабочей частотой 1000 Гц и более. Эквивалентный коэффициент мощности озонатора не превышает 0,4 поэтому, для повышения энергетических показателей необходима компенсация реактивной мощности, которая в данном случае является емкостной. Эта компенсация достигается применением трансформатора с воздушным зазором и повышенным рассеянием. Электромагнитные процессы в трансформаторе зависят от параметров источника питания, следовательно, для его проектирования необходимо исследование формы и скважности импульсов питающего напряжения.
Для решения проблемы согласования выходных параметров источника питания с параметрами нелинейной нагрузки, предложена улучшенная методика расчета специального высоковольтного трансформатора. Для исследования выбрана схема замещения представленная на (рис. 1).
Рис. 1. Схема замещения силовой части озонатора
Особенности работы трансформатора – наличие нелинейной нагрузки,
несинусоидальное питающее напряжение совмещенные в одном устройстве идеализированного трансформатора с 1 1U E≅ , 1 1 1E E n= , где 1Е , 2E – ЭДС
89
первичной и вторичной обмоток и линейного дросселя, индуктивность которого равная индуктивности рассеяния SL .
Согласно результатам машинного моделирования при частоте, близкой к
номинальной, длительность зарядного тока за полупериод достигает у1627 2
T⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
.
Судя по полученной цифровой осциллограмме, длительность протекания тока через тиристор составляет 5/8, а через диод – 3/8 периода, что объясняется наличием намагничивающего тока. Величина этого тока не превышает 20,2I . Для упрощения расчета электромагнитных параметров током намагничивания можно пренебречь. Тогда длительности протекания тока через диод и тиристор будут одинаковы.
Для вторичной цепи трансформатора была определена приведенная ЭДС, и считая тиристоры и диоды идеальными, выведены формулы для установившегося режима работы.
Для оптимизации геометрических размеров необходимо знать величину SL , которая зависит от собственной частоты резонансного контура и величины
тока вторичной обмотки. Данную величину, согласно [1-3], определим через частоту, волновое сопротивление контура и действующее значение вторичного тока 2I
к2
0,6ω d
Su
LI
′= ,
где кω – частота контура; du′ – приведенное значение напряжения на диоде. Следовательно, в техническом задании на расчет трансформатора должны
быть указаны: производительность озонатора, связанная с активной потребляемой мощностью согласно [3] P ≈ 15кВт/кг, питающее напряжение сети, тип выпрямителя, т.е. выпрямленное напряжение. Согласно этим данным выбираются и считаются заданными 20221 =≅′= ddd uUuun , установленная мощность трансформатора Sтр=2,56P, вторичный ток, равный ( )duSI ′= 74,0тр2 , волновое сопротивление 26,0 Iud′=ρ и относительное значение сопротивления 22* 35,0 IUX = .
Список литературы 1. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона – М.: Изд-во Московского университета, 1987. – 237 с. 2. Блинов И.В., Кузнецов К.Ю., Махин Ю.И Частотное регулирование производительности установок для синтеза озона // Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник. – 2005. – С. 164-167. 3. Костюкова Т.П., Рогинская Л.Э. Электромагнитные процессы в системе тиристорный регулятор напряжения - высоковольтный трансформатор-озонатор // Электротехника. – 2000. – №3. – С. 28-32.
90
Г. Ф. ГАНЕЕВА Научн. руковод. – Р. Р. МУСТАФИН ГУО ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Ввод выхлопных газов ГТУ
в топку действующего энергетического котла ТЭС
На многих ТЭЦ сегодня эксплуатируется устаревшее оборудование, которое выработало свой парковый ресурс, что приводит к работе с низкой тепловой экономичностью и требует больших затрат на частый ремонт. Но вывод из эксплуатации этого энергетического оборудования возможен только в случае замены их на современное, что требует чрезвычайно больших капиталовложений. В ряде случаев реконструкция оказывается наиболее эффективным способом снижения стоимости вырабатываемой электрической и тепловой энергии.
Современным направлением энергетики является использование комбинированных парогазовых энергоустановок (КПГУ). Комбинированный цикл позволяет более полно использовать теплоту сгорания топлива для выработки электрической и тепловой энергии. Термический КПД таких энергоустановок достигает величины 50-55%. В нашей стране энергетика базируется в основном на паротурбинных установках и возникает проблема рационального перехода к КПГУ. Суть этой проблемы в том, что в структуре КПГУ должен присутствовать КУ. Стоимость КУ в такой схеме весьма значительна и представляется актуальным изучить внедрение газотурбинных установок в существующие схемы станций с сохранением имеющихся энергетических паровых котлов и турбин.
Схемы газотурбинных надстроек со сбросом в котел отработавших в ГТУ газов относятся к наиболее экономичным и трудно реализуемым. Трудности реализации связаны с необходимостью размещения газовых турбин и газоводяных подогревателей (ГВП) в непосредственной близости с котлом, чтобы избежать устройства сложных и громоздких газоходов. Кроме того, эта схема не может быть реализована на пылеугольных котлах, поскольку сжигание угля, особенно малореакционного, в забалластированной среде представляет чаще всего неразрешимую проблему. ПГУ со сбросом газов турбины в топку парового котла характеризуется тем, что уходящие газы газовой турбины имеют достаточно высокую температуру (450-550 градусов Цельсия), забалластированными окислителем с содержанием кислорода 14-17 %. По этой причине их целесообразно использовать для сжигания основной массы топлива в паровом котле. Этот режим является основным режимом работ парогазовой станции. Уходящие газы газовой турбины подаются в горелки котла. В горелки поступает и подогретый в калорифере недостающих для процесса горения воздух нагнетаемый вентилятором дополнительного воздуха ВДВ. Установка газовых турбин исключает перегрузочные режимы основного
91
и вспомогательного оборудования паросилового цикла, и обеспечивает щадящий режим что позволит увеличить срок эксплуатации на 50 тыс. часов.
Использование котельных агрегатов с негерметичным экранированием в схемах сбросных ПГУ требует очень больших объемов реконструкционных работ, связанных с необходимостью уплотнения топки и газоходов. В противном случае при обесточивании станции и остановки, т.о., дымососов, котел с негерметичным экранированием, работающий в нормальном режиме под разряжением, может оказаться под избыточным давлением выхлопных газов выбегающей газовой турбины, что недопустимо по условиям безопасной работы.
В ПГУ, работающих по схеме со сбросом газов в топку надстраиваемого котла, большая часть топлива сжигается в котле (70-75%) в потоке уходящих газов газовой турбины, а остальное топливо сжигается в камере сгорания газовой турбины при высоком давлении. Котел по газовоздушному тракту расположен за газовой турбиной; отработанные в газовой турбине газы поступают в горелочное устройство котла в качестве окислителя для сжигаемого в нем топлива. Тепловая схема обеспечивает работу надстроенного блока в режиме ПГУ, а также при отключении ГТ- в режиме ПСУ.
Ввод выхлопных газов ГТУ в топочную камеру котла в достаточно большой степени изменяет коэффициент избытка воздуха и температуру дымовых по тракту котла, объемные расходы дымовых газов.
Ввод газов позволяет снизить расход природного газа. Низкий КПД котла объясняется высокой температурой уходящих газов, что связано с удалением регенеративного воздушного подогревателя (РВП). Для горения используется кислород, содержащийся в выхлопных газах. Его достаточно для сжигания подводимого топлива.
Уменьшение расхода вводимых газов (массовый расход газов на выходе из турбины) ведет к снижению КПД газотурбинной установки. При этом кислорода, содержащегося в вводимых газах, может не хватить для сжигания заданного количества топлива, что приведет к необходимости включения в работу РВП. Малый пропуск воздуха через РВП создаст тяжелые условия работы воздухоподогревателя.
Снижение температуры уходящих газов возможно установкой дополнительной хвостовой поверхности нагрева, используемой для подогрева сетевой воды.
92
А. Ф. ХАЙБУЛЛИН Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор К. М. ИСКАКОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Пути сокращения сезонных ограничений электрической мощности
Уфимской ТЭЦ-2, связанных с сезонным снижением уровня воды в реке Уфа
Большая стоимость систем водоснабжения крупных промышленных
предприятий вызывает необходимость весьма глубокого технико-экономического анализа возможных вариантов решения этой проблемы для выбора оптимального варианта.
Для некоторых крупных производственных объектов требуются -столь большие расходы воды, что часто местных водных источников оказывается недостаточно. Между тем место расположения многих промышленных предприятий в значительной степени диктуется наличием источников сырья, месторождений полезных ископаемых, местного топлива и т. д. В подобных условиях приходится обращаться к использованию удаленных источников воды, достаточно мощных для удовлетворения потребностей предприятия. Транспортирование больших количеств воды на большие расстояния требует затрат весьма значительных средств на строительство и эксплуатацию соответствующих сооружений. Иногда возникает вопрос о том, где же выгоднее (экономичнее) располагать предприятие — ближе к источникам сырья (топлива) или ближе к источникам воды. В отношении ряда отраслей промышленности (горнорудной, металлургической и т. п.) вопрос решается в пользу расположения предприятия вблизи источников сырья. Однако в некоторых случаях, например при выборе места расположения тепловых электростанций, может оказаться экономически целесообразнее располагать их ближе к источникам воды, чем к источникам топлива. Сокращение дальности транспортирования воды к объекту всегда повышает, кроме того, надежность системы водоснабжения.
Таким образом, самый выбор места расположения промышленного предприятия может зависеть от возможности его водообеспечения.
При выборе места расположения промышленного предприятия необходимо также учитывать возможное влияние его на местные природные водоемы. Сточные воды промышленных предприятий часто бывают сильно загрязнены, а иногда и токсичны. Надлежащая очистка больших количеств сточных вод связана с весьма большими затратами. Сброс же сточных вод без достаточной очистки вызывает недопустимое загрязнение водоемов. Принятый в СССР закон об охране вод устанавливает очень строгие правила по предупреждению загрязнения природных водоемов сточными водами.
Как локальная недостаточность водных ресурсов, так и необходимость резкого уменьшения стоков обусловливают широкое применение в производстве оборотного водоснабжения и повторного использования воды.
93
Сокращение расходов «свежей» воды приобретает не только экономическое, но и гигиеническое значение. Рационализация использования природной воды в производстве может в ряде случаев привести к созданию полностью замкнутых циклов водооборота, при которых практически требуются минимальные отборы свежей воды из источника.
В практике производственного водоснабжения получили широкое применение системы последовательного использования воды. Эти системы устраивают, когда качество воды, сбрасываемой одним потребителем, допускает ее использование другими потребителями. Так, потребитель сбрасывает воду нагретую, но не загрязненную. Она может быть использована потребителями. Если количество воды, сбрасываемой потребителем, превышает потребность цехов , ее избыток может поступать в общий сток.
В некоторых случаях вода из оборотного цикла одного потребителя после охлаждения частично используется для группы других потребителей , т. е. имеет место комбинация оборотного водоснабжения и последовательного использования воды.
Системы последовательного использования воды позволяют, значительно сократить подачу свежей воды из источника и снизить затраты на водоснабжение предприятия в целом.
На крупных предприятиях, занимающих весьма большую территорию, иногда оказывается рентабельным разделение системы их оборотного водоснабжения на несколько отдельных систем — по группам цехов с устройством нескольких блоков охлаждающих сооружений и насосных станций. Такая децентрализация позволяет снизить затраты на сооружение водоводов и магистралей в пределах площадки, сократить суммарные расходы энергии на подачу воды и одновременно повысить надежность водоснабжения.
В ряде случаев в системе производственного водоснабжения отдельные потребители (цехи) требуют подачи им воды под существенна различными напорами. Тогда в целях снижения расходов энергии на подачу воды для отдельных групп производственных потребителей устраивают отдельные сети разных напоров, т.е. применяют своеобразное зонирование системы водоснабжения.
Таким образом, на одной промышленной площадке могут быть сооружены отдельные системы для подачи воды различного качества, разных температур и разных давлений.
94
Ю. В. КИМ, А. В. КИСЕЛЕВ, А. Б. ЦУКУБЛИН Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент О. Л. РАПОПОРТ ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Оптимизация параметров турбогенератора
для питания забойной телеметрической системы Имеющийся опыт разработки и эксплуатации забойных телеметрических
систем со связью по электромагнитному каналу позволяет сформулировать требования к первичному источнику питания подобных систем. Эти требования следующие:
1. выходная мощность не менее 200 Вт; 2. наружный диаметр не более 60 мм; 3. частота вращения ротора не более 3000 об/мин. Данным требованиям соответствует трехфазный магнитоэлектрический
турбогенератор с ротором на постоянных высококоэрцитивных магнитах и беспазовым статором, работающий на нагрузку через мостовой выпрямитель.
Условия эксплуатации данных забойных телеметрических систем достаточно сложные. Часто нагрузка на генератор носит нестационарный характер, например, формирование выходного тока после выпрямителя при помощи широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Работа генератора на такую нагрузку сопровождается сложными переходными процессами, приводящими к перегрузке генератора и изменению формы выходного тока.
Серьезной проблемой стал частый выход из строя конденсатора в системе питания. Эта проблема может быть объяснена возникновением резонансных явлений в контуре «индуктивность генератора – конденсатор фильтра». Решением проблемы может стать снижение индуктивного сопротивления обмотки якоря.
Для беспазовых электрических машин выражение индуктивного сопротивления рассеяния обмотки якоря имеет следующий вид:
2σ 04π μ ω λ / ( )x f p q= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅∑ (1)
Из выражения (1) следует, что уменьшение количества витков даст существенное снижение индуктивного сопротивления.
При этом оптимизация параметров генератора не должна снизить его выходные показатели.
Известно, что ЭДС генератора
0 обф δ04 ω ФE k k f= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (2)
Из выражения (2) видно, что при сохранении ранее принятого числа полюсов и типа обмотки, уменьшение числа витков даст снижение
95
электродвижущей силы. Для сохранения требуемой величины ЭДС, необходимо повысить значение магнитного потока. Последнее может быть выполнено за счет увеличения проводимости отдельных частей магнитопровода. Определение загрузки магнитопровода проводилось посредством расчета магнитного поля с использованием программного продукта ELCUT 4.2.
Моделирование магнитного поля в используемой конструкции, выявило высокие значения магнитной индукции в магнитопроводе якоря (рис. 1).
Рис. 1. Распределение магнитного поля в исходном варианте генератора Учитывая предъявляемые требования к данным генераторам, в первую
очередь жестко заданные габаритные размеры (внешний диаметр статора 54 мм, аксиальная длина 140 мм), была проведена оптимизация внутренних размеров магнитопровода. Оптимизация велась при постоянстве выходного значения ЭДС генератора, а также при ограничении величины коэффициента заполнения обмотки якоря, которая не должна превышать значения kз= 0,75 и сохранении размеров сечения обмоточного провода.
Решение этой проблемы возможно путем увеличения толщины ярма магнитопровода за счет снижения его внутреннего диаметра. Уменьшение воздушного зазора и снижение магнитной индукции в ярме приводит к увеличению проводимости магнитопровода и увеличению магнитного потока при постоянных размерах ротора. Это приводит к снижению количества витков в фазе, и как следствие, к снижению индуктивности обмотки. Толщина ярма была увеличена с 45 мм до 65 мм. Снижение индуктивности составило 10 % .
96
Дальнейшее увеличение толщины ярма (снижение величины магнитной индукции в нем) не приводит к заметному изменению магнитного потока, поскольку проводимость ярма остается практически постоянной.
Поэтому дальнейшее решение поставленной задачи возможно увеличением размеров магнита ротора. Здесь, увеличение диаметра магнита ротора с 30 мм. до 33 мм. позволило уменьшить количество витков в фазе до 22, что обеспечило снижение индуктивного сопротивления рассеяния на 15 % по сравнению с исходным вариантом. Величина выходного напряжения при этом осталась на требуемом уровне.
Из рассмотренных вариантов первый вариант является более предпочтительным, так как не предполагает изменение магнитов – покупного изделия, поставляемого по специальному заказу.
Анализ полученных результатов показал, что в машине с числом полюсов 2р=2 уменьшение проводимости рассеяния обмоток статора, путем оптимизации размеров магнитопровода, возможно лишь в пределах (15-17) %.
Г. М. АГЗАМОВА Научн. руковод. – доцент Е. А. МУРАВЬЕВА Фирма ООО «Энергоавтоматика»
Энергосбережение и энергоаудит промышленных предприятий Энергосбережение – это реализация и поиск решений, которые
эффективны как энергетически, так и экономически для хозяйствования в условиях абсолютного контроля над потоками энергетических ресурсов. Начальным этапом энергосбережения является энергоаудит – необходимый инструмент и основа для разработки программы энергосбережения.
Энергоаудит – взаимосвязанный комплекс технических, организационных, экономических и иных мероприятий, направленный на выявление возможности экономически эффективной оптимизации потребления энергетических ресурсов.
Энергоаудит включает в свой состав: энергомониторинг; измерения (замеры) параметров в контрольных точках; опросы и анкетирование участников процесса производства или потребления энергоресурса; изучение сопутствующей нормативной базы, руководящих документов и инструкций на предприятии; расчеты экономической эффективности внедрения тех или иных организационных предложений, либо инвестиций в энергосберегающие технологии (устройства); составление отчета, содержащего результаты проведенного энергоаудита и рекомендации.
Результатом энергоаудита может являться: • заключение о качестве получаемых энергоресурсов; • рекомендации по внедрению мероприятий и технологий
97
энергосбережения; • рекомендации по проведению мероприятий (в том числе изменений в
технологии), направленных на повышение энергоэффективности продукции; • рекомендации по замене потребляемых энергоресурсов иными видами. Энергоаудит промышленных предприятий может включать в себя как
комплексное обследование энергетического хозяйства, так и локальные обследования отдельных заводских систем энергообеспечения по видам энергии, а также наиболее энергоемких производственных подразделений и технологических установок.
В общем случае состав работ по энергетическому обследованию промышленных предприятий должен включать следующие основные позиции:
• сбор и анализ отчетной документации, касающейся потребления и оплаты топливно-энергетических ресурсов (ТЭР);
• сбор и анализ технической и эксплуатационной документации по системам генерации и транспортировки энергоносителей, а также по энергопотребляющему оборудованию;
• определение структуры энергопотребления, структуры затрат на производство продукции и переработку сырья, оценка объемов и динамики изменения потребления ТЭР;
• определение текущих зависимостей расходов ТЭР от объемов выпуска продукции или переработки сырья по структурным подразделениям завода и по заводу в целом;
• анализ существующей системы учета энергоресурсов и материальных потоков продукции и сырья;
• проведение инструментального обследования и разработка энергетических балансов по видам энергоносителей (топливу, тепловой энергии, электрической энергии, сжатому воздуху, технической, оборотной и питьевой воде и т.д.);
• анализ разработанных энергетических балансов, определение эффективности использования ТЭР, потенциала и приоритетных направлений энергосбережения;
• разработка, технико-экономическая оценка и ранжирование мероприятий по энергосбережению;
• разработка комплексной программы повышения энергетической эффективности;
• подготовка отчетных документов по результатам выполненных работ. Комплексный энергоаудит промышленных предприятий помимо анализа
всех энергетических затрат должен включать в себя усовершенствование технического обслуживания здания и процессов его эксплуатации, возможно обучение людей. При проведении комплексного энергоаудита необходимо сосредоточится не только на энергосбережении оборудования, но и на формировании его оптимальной работы в соответствии с требуемой нагрузкой.
Результатом энергетического обследования является отчет о выполнении работ и энергетический паспорт предприятия.
98
Т. И. АФАНАСЬЕВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Ю. В. РАХМАНОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Энергоаудит – основа принятия решений
Энергетическое обследование − сбор и обработка информации об
использовании энергетических ресурсов в целях получения достоверной информации об объеме используемых энергетических ресурсов, о показателях энергетической эффективности, выявления возможностей энергосбережения и повышения энергетической эффективности с отражением полученных результатов в энергетическом паспорте. Энергетическое обследование (энергоаудит) − основа энергосбережения.
У каждого предприятия или организации есть скрытые резервы экономии. Выявить их как раз и должен энергоаудит. Если предприятие хочет двигаться по энергосберегающему пути, без аудита не обойтись. Именно он обнаружит нерациональное потребление энергоресурсов и покажет, как уменьшить энергопотери. Все это непосредственным образом скажется на снижении себестоимости продукции и приведет к получению реальной экономической выгоды. Основными вопросами, с которыми сталкиваются руководители организаций, которые используют услуги энергоаудиторов, являются – есть ли смысл тратить деньги на энергетическое обследование и какой при этом риск, а самое главное, где гарантия того, что затраченные деньги (деньги, потраченные не на аудит, а на реализацию предложений) быстро окупятся и энергоаудитор, проводящий обследование на предприятии, будет высокой квалификации и выполнит свою работу качественно?
Основные цели энергоаудита − это объективные оценки и предложения по эффективному использованию энергии и энергоресурсов: • реальный расход потребления энергии и энергоресурсов; • определения показателей энергоэффективности; • определение потенциала энергосбережения и повышения энергоэффективности;
• составление перечня типовых мероприятий энергосбережения и их стоимостная оценка;
• составление энергетического паспорта объекта. Что должен сделать энергоаудитор на предприятии? 1. Точно получить и обосновать величину и структуру фактического
энергобаланса объекта. Основная сложность − точное получение структуры баланса с высочайшей степенью детализации по энергопотребляющим элементам и видам потерь. Такие данные могут быть подготовлены на основе грамотно поставленных замеров потребления энергии и соответствующих методик обработки. Вместе с тем, именно эта информация является исходной
99
для последующего определения потенциала энергосбережения и энергетического эффекта мероприятий.
2. Определить величину и структуру потенциала энергосбережения как разницу между фактическим и теоретически энергоэффективным состоянием.
Это очень сложная задача. Потенциал энергосбережения должен быть структурирован не только по видам энергопотребляющих элементов, но и по факторам, формирующим потенциал энергосбережения внутри этих элементов.
3. На основе анализа структуры потенциала энергосбережения отсеять малозначимые элементы, выбрать наиболее важные и подобрать результативные мероприятия.
4. Обосновать энергетический эффект выбранных мероприятий. 5. Получить все экономические характеристики выбранных мероприятий. 6. Сформировать бизнес-план. 7. Предложить контролируемые параметры энергоэффективности для
дальнейшего мониторинга энергопотребления и анализа результативности выполнения программы энергосбережения.
Итоговыми документами энергоаудита являются: • отчет о проведенном энергетическом обследовании; • программа по повышению эффективности использования топливно-
энергетических ресурсов (ТЭР), снижению затрат на топливо и энергообеспечение, внедрению энергосберегающих мероприятий;
• энергетический паспорт предприятия − документ, составленный в соответствии с ГОСТ Р 51379-99 и отражающий баланс потребления и показатели эффективности использования ТЭР в процессе хозяйственной деятельности.
Стоимость работ энергоаудиторов колеблется в широких пределах: от 3…4 % до 15 % и более от годовых затрат предприятия на энергоресурсы. Чем крупнее предприятие, тем меньше должен быть указанный процент. Для гигантов индустрии 1,5...2%. Единой политики ценообразования на данный момент нет. Имеется методика детального расчета трудозатрат по отдельным видам работ при проведении энергоаудита, которая чаще всего и применяется.
На сегодняшний день подготовка специалистов по энергоаудиту сводится в основном к прохождению краткосрочных специализированных курсов. В свете имеющихся методических проблем, а также тенденции к усложнению работ по энергетическим обследованиям, требования к квалификации должны быть высокие. Энергоаудитор должен уметь использовать современные способы измерения энергетических параметров и методики обработки данных, хорошо владеть вычислительной техникой, знать технологии генерирования и потребления тепловой и электрической энергии.
100
Е. И. АХМЕТОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент И. З. ПОЛЕЩУК ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Выбор привода питательного насоса для блочной электростанции
на базе турбоустановки К-300-240-1 ЛМЗ В тепловой схеме турбоустановки с турбиной К-300-240 отбор пара на
турбопривод питательного насоса обычно осуществляется из третьего отбора турбины. В данной работе был произведен расчет тепловой схемы электростанции с турбоустановкой К-300-240 при использовании различных схем включения турбопривода питательного насоса. Существуют следующие схемы включения приводных турбин ПН в принципиальной схеме турбоустановки с турбиной К-300-240: с собственным конденсатором, с противодавлением и со сбросом отработавшего пара в основной конденсатор. Как показали расчеты с помощью программы для ЭВМ «К-300-240», использование схемы, изображенной на рис.1 в), невозможно, так как расход пара на приводную турбину превышает расход, необходимый для подогрева конденсата в регенеративном подогревателе (рис. 1).
Рис. 1. Схемы включения паровых турбин питательных насосов:
а – с собственным конденсатором, б, в – с противодавлением, г – со сбросом отработавшего пара в основной конденсатор; 1 – парогенератор; 2 – ПВД; 3 – деаэратор;
4-6 – соответственно питательный, бустерный и конденсатный насосы; 7 – ПНД, 8 – турбогенератор, 9 – промежуточный пароперегреватель; 10 – приводная турбина.
101
Кроме того, был рассмотрен вариант использования электропривода питательного насоса. Результаты расчета приведены в табл. 1.
Таблица 1
Изменение КПД КЭС на базе турбоустановки К-300-240 в зависимости от привода питательного насоса и температуры наружного воздуха
Турбопривод питательного насоса
Турбина с
противодавлени
ем (рис. 1, б)
Конденсационная турбина со
сбросом отработавшего
пара в собственный конденсатор
(рис.1, а)
Конденсационная
турбина со сбросом
отработавшего пара в основной конденсато
р (рис.1, г)
Электропривод
питательного насоса
tн=+5°С 0,3457 0,3326 0,3323 0,3442 tн=-5°С 0,3732 0,3481 0,3461 0,3624 tн=-15°С 0,3729 0,3602 0,3591 0,3725
КПД КЭС нетто tн=-20°С 0,3562 0,336 0,3347 0,3523
Анализ результатов показывает, что КПД КЭС «нетто» имеет наибольшее
значение при использовании в качестве привода ПН турбины с противодавлением. Это связано с тем, что отработавший на турбоприводе пар имеет достаточно высокие параметры, и его возвращение в пятый отбор турбины позволяет существенно увеличить выработку полезной мощности. Понижение КПД КЭС «нетто» при использовании электропривода питательного насоса связано с существенным увеличением отбора электроэнергии на собственные нужды электростанции. Использование конденсационного привода чревато потерей мощности, вырабатываемой турбиной. Кроме того, следует отметить, что при сбросе отработавшего на турбоприводе пара в собственный конденсатор давление в основном конденсаторе понижается, что увеличивает перепад давлений, срабатывающийся на главной турбине, и в то же время понижает степень сухости пара в последних ступенях турбины.
102
Р. В. БЕЛЯЕВСКИЙ Научн. руковод. – канд. техн. наук, ст. научн. сотр. В. М. ЕФРЕМЕНКО ГОУ ВПО Кузбасский государственный технический университет
О рационализации работы силовых трансформаторов на промышленных предприятиях
Общее снижение объемов промышленного производства, произошедшее
в России в последние десятилетия, привело к тому, что на сегодняшний день одной из основных проблем, вставших перед промышленными предприятиями, оказалась проблема низкого уровня загрузки электрооборудования. Снижение уровня загрузки электрооборудования приводит к увеличению потерь электроэнергии в электрических сетях, к дополнительному, не вызванному потребностями производства, расходу электрической энергии и, как следствие, к общему снижению энергетической эффективности технологических процессов и промышленных предприятий в целом. В сложившейся ситуации на промышленных предприятиях значительно увеличилась доля потерь электроэнергии, обусловленная малой загрузкой силовых трансформаторов. При малых загрузках потери электроэнергии в трансформаторах могут быть весьма существенными, т. к. при снижении коэффициента загрузки происходит значительное увеличение реактивной мощности намагничивания, потребляемой силовыми трансформаторами и расходуемой ими на создание основного магнитного потока.
Для оценки влияния нагрузки силовых трансформаторов на потребление реактивной мощности и потери электрической энергии были определены значения коэффициента реактивной мощности tgφ для различных типов силовых трансформаторов при изменении их коэффициента загрузки β в диапазоне от 0 до 1. Рассматривались трансформаторы номинальной мощностью от 25 до 2500 кВА включительно, получившие широкое применение для питания электроприемников в цеховых электрических сетях промышленных предприятий. Исходными данными для расчетов являлись каталожные данные силовых трансформаторов, приведенные в каталогах заводов-изготовителей. По результатам расчетов для указанных трансформаторов были построены графики зависимости tgφ = f(β). В ходе дальнейшего анализа было установлено, что характер изменения коэффициента реактивной мощности трансформаторов при изменении их коэффициента загрузки от 0 до 1 оказался примерно одинаковым для отдельных групп рассматриваемых силовых трансформаторов в определенных диапазонах их номинальных мощностей. Это обстоятельство позволило аппроксимировать графики зависимости tgφ = f(β) для данных групп силовых трансформаторов с использованием степенной аппроксимирующей функции (рис. 1).
103
Рис. 1. Графики зависимости tgφ = f(β) для трансформаторов типа ТМ:
1 – 25–100 кВА; 2 – 160–630 кВА; 3 – 1000–2500 кВА
Анализ полученных зависимостей показал, что нагрузка силовых трансформаторов оказывает существенное влияние на потребление ими реактивной мощности: при снижении коэффициента загрузки трансформаторов значение коэффициента реактивной мощности увеличивается. При этом в диапазоне нагрузок от 30 до 100% номинальной мощности коэффициент реактивной мощности трансформаторов изменяется незначительно. При снижении же нагрузки менее 30% номинальной мощности значение tgφ и потребление реактивной мощности трансформаторами существенно увеличиваются. При этом также возрастают потери электроэнергии в силовых трансформаторах.
Поэтому важнейшей практической задачей в настоящее время является выявление в промышленных электрических сетях малозагруженных силовых трансформаторов и последующее проведение мероприятий, направленных на рационализацию их работы. Выявление малозагруженных силовых трансформаторов должно осуществляться в ходе энергетических обследований (энергоаудита) промышленных предприятий, проведение которых предусмотрено Федеральным законом № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…». К мероприятиям по рационализации работы силовых трансформаторов можно отнести замену трансформаторов, систематически загруженных менее 30% номинальной мощности, и их перегруппировку, перевод нагрузки трансформаторов, временно загруженных менее 30% номинальной мощности, на другие трансформаторы, а также отключение трансформаторов на время работы на холостом ходу. Реализация указанных мероприятий должна способствовать естественному уменьшению реактивной мощности, потребляемой силовыми
104
трансформаторами, поддержанию нормируемых значений tgφ, уменьшению потерь электроэнергии в электрических сетях и должна быть направлена на повышение энергетической эффективности промышленных предприятий.
О. В. НИКУЛИН Научн. руковод. – канд. техн. наук, профессор В. А. ШАБАНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет
Алгоритм расчета режимных параметров синхронного
электропривода бурового насоса при частотном регулировании Для привода буровых насосов широко применяются синхронные
двигатели (СД) с явнополюсным ротором. При частотном регулировании СД с явнополюсным ротором для обеспечения постоянства тока и мощности, потребляемой двигателем из сети, необходимы более сложные законы регулирования напряжения, частоты и тока возбуждения, чем для СД с неявнополюсным ротором. При этом закон регулирования напряжения и частоты может носить адаптивный характер. В работе рассматривается один из вариантов адаптивного закона регулирования, который можно назвать методом последовательных приближений.
Исходные данные: ток статора I (например, его номинальное значение); индуктивные синхронные сопротивления при номинальной частоте по продольной xd0 и поперечной xq0 осям и сопротивление взаимоиндукции xad0 между статорной и роторной обмотками; номинальный коэффициент мощности. В относительных единицах номинальный режим характеризуется значениями: активная мощность, потребляемая из сети. р=0,9; U = 1,0; I=1,0; реактивная мощность q=-0,436.
Задача алгоритма: определить значения напряжения питания статора и тока возбуждения, при которых ток двигателя равен номинальному значению независимо от нагрузки на валу.
Дополнительные условия: угол нагрузки не должен превышать предельно допустимого по условиям устойчивости значения; коэффициент мощности, а следовательно, и угол φ между током и напряжением статора, должен поддерживаться постоянным; ток возбуждения не должен превышать номинального значения.
Последовательность расчета режимных параметров. 1) В процессе бурения по мере углубления скважины нагрузка на валу СД
изменяется вследствие изменения давления в гидравлической системе и требуемой подачи насоса. По требуемой подаче насоса определяется необходимая частота вращения ротора СД и требуемая частота f напряжения питания на выходе частотного преобразователя α = f/fНОМ. Определяются значения индуктивных сопротивлений xd= α xd0; xq= α xq0; xad = α xad0.
105
2) Задаемся значением напряжения U=γUНОМ. Для определения первого значения напряжения может быть принят пропорциональный закон регулирования. При этом γ= α. Это начальная точка для адаптивного алгоритма.
3) По приближенной формуле tgθ=αIxq0cosφ/(U+αIxq0sinφ) определяется тангенс угла нагрузки. Угол нагрузки θ сравнивается с допустимым. Для СД с неявнополюсным ротором предельно допустимый угол нагрузки 900. При запасе устойчивости по углу в 20% предельно допустимый угол будет θПРЕД= 720. Для СД с неянополюсным ротором целесообразно ввести дополнительный запас в 10-20%. Если угол нагрузки превышает допустимое значение, задается другое значение напряжения U и расчеты по пункту 3 повторяются.
4) Определяется составляющая тока статора по оси d: Id= -Isin(θ+φ). 5) Определяется ЭДС Е = Ucosθ+Idxd = Ucosθ+αIdxd0. 6) Определяется ток возбуждения в относительных единицах,
приведенный к обмотке статора
0adxЕ
fI α= .
Ток возбуждения сравнивается с допустимым значением. Если ток возбуждения превышает допустимое значение, задается другое значение напряжения U и расчеты по пунктам 3-6 повторяются.
7) Определяется электромагнитный момент двигателя
)sin2θ1-1(2α2
2γ+sinθα
γ=μ
d0xq0xd0xad0xfi
⋅⋅
⋅⋅
Если требуется поддерживать постоянное давление в гидравлической системе, то электромагнитный момент следует поддерживать постоянным. В общем случае он не должен быть больше допустимого для данной втулки бурового насоса значения. Поэтому должно выполняться условие μ =<μДОП. Если это условие не выполняется, принимается другое значение напряжения и расчеты по пунктам 3-7 повторяются.
8) Определяется электромагнитная мощность, развиваемая двигателем, в относительных единицах p=αμ. Это значение мощности не должно превышать номинального значения. В режимах, когда μ <μДОП, регулирование бурового насоса может выполняться с постоянной мощностью, например, равной номинальному значению. В таких режимах, если расчетное значение мощности не равна номинальному, принимается другое значение напряжения и расчеты по пунктам 3-8 повторяются до выполнения условия αμ= pНОМ.
106
О. В. КАБАРГИНА Научн. руковод. – канд. техн. наук, профессор В. А. ШАБАНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет
Алгоритм управления технологическим участком
магистрального нефтепровода
Одним из экономичных плавных способов регулирования режима работы магистрального нефтепровода является изменение частоты вращения вала насоса с помощью частотно-регулируемого привода. При системе перекачки из «насоса в насос» изменение частоты вращения одного из насосов изменяет режим работы и энергетические показатели всех других насосов технологического участка. Поэтому при частотном регулировании возникает задача оптимального управления насосными агрегатами по критерию минимума потребляемой мощности при ограничениях по давлениям на входе и выходе каждой нефтеперекачивающей станции (НПС). В работе рассматривается процедура отыскания оптимального режима работы технологического участка. В качестве критерия оптимальности режима принят минимум мощности, потребляемой магистральными насосными агрегатами всего технологического участка. Процедура отыскания оптимального режима многошаговая.
Шаг 1. Задаются исходные данные: характеристики трубопровода (высотные отметки НПС, длины линейных участков и диаметр нефтепровода, разность геодезических отметок, шероховатость труб, остаточный напор); характеристики перекачиваемой жидкости (вязкость, плотность); характеристики насосов (зависимости напора и КПД от подачи и частоты вращения насоса); значения минимально допустимого подпора на входе НПС и максимального напора на выходе НПС; требования к процедуре оптимизации.
Шаг 2. Задается исходный режим: количество и типы работающих насосов на каждой из НПС.
Шаг 3. Вводится значение производительности трубопровода для режима, к которому требуется перейти.
Шаг 4. Определяется частота вращения насоса, при которой произойдет открытие обратного клапана.
Шаг 5. Рассчитывается величина напора, до которого требуется снизить суммарный напор НПС для перехода к требуемому режиму.
Шаг 6. Выполняется процедура отыскания оптимального режима работы технологического участка. При оптимизации по критерию минимума мощности, потребляемой магистральными насосными агрегатами всего технологического участка целевая функция имеет сложную неквадратичную зависимость. Один из методов, который можно применить в данном случае – метод Флетчера-Ривса. При отыскании оптимального режима работы участка необходимо учитывать ограничения по минимально допустимому подпору на входе НПС и максимальному напору на выходе НПС, а также ограничение
107
частоты вращения вала насоса до частоты, при которой произойдет открытие обратного клапана.
Шаг 7. Вывод параметров оптимального режима: числа работающих насосов, их напоров и частот вращения.
Шаг 8. Данные о требуемых частотах вращения МН передаются к системам управления частотных преобразователей.
Изложенный алгоритм позволяет для каждого из насосов технологического участка определить такие скорости вращения, при которых суммарные потери мощности на перекачку будут минимальными.
О. В. БУЛАНОВА, В. М. ТАРАСОВ, М. А. ИЗВОЛЬСКИЙ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. В. МАЛАФЕЕВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Определение регулирующего эффекта двигателей постоянного тока, питающихся от нерегулируемых выпрямителей,
при планировании режимов В условиях интенсивного развития металлургической отрасли основной
тенденций является усовершенствование технологических процессов переделов, что сопровождается повышением энергоемкости выпрямительной нагрузки. На промышленных предприятиях распространены двигатели постоянного тока, питающиеся от нерегулируемых выпрямителей, имеющих такие схемы выпрямления, как нулевая, мостовая, сдвоенная с уравнительным реактором. Такие потребители оказывают значительное влияние на величину регулирующего эффекта комплексной нагрузки и на параметры эксплуатационных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий. В научных работах вопросы моделирования такой нагрузки для получения статических характеристик исследованы мало. Поэтому для планирования эксплуатационных режимов с целью снижения потерь и уменьшения времени аварийных простоев электроборудования необходимо определение регулирующего эффекта выпрямительной нагрузки.
В данной работе при моделировании двигателей постоянного тока учтены механические и скоростные характеристики и схемы выпрямления. Зависимость скорости вращения якоря от подводимого напряжения и момента сопротивления решена использованием итерационного счета. Алгоритм расчета регулирующего эффекта приведен на рис. 1, где схU kk , - коэффициенты напряжения и схемы;
dI - выпрямленный ток; dU - напряжение на выходе выпрямителя; mE2 - вторичная ЭДС трансформатора; m - число фаз; 0dU - номинальное напряжение на зажимах двигателя; ek - конструктивная постоянная двигателя; нормΦ - магнитный поток; R - сопротивление якорной цепи; Снач ММ , - моменты начальный и сопротивления; ω - частота вращения якоря. Математические
108
модели входят в алгоритм расчета установившихся и переходных режимов систем электроснабжения, базирующийся на сочетании модифицированного метода последовательного эквивалентирования и метода последовательных интервалов и положенный в основу оригинального программного обеспечения. На рис. 2 в приведены статические характеристики двигателя. Выпрямитель открыт полностью, поэтому реактивная мощность равно нулю.
Рис. 1. Расчет регулирующего эффекта вентильного привода постоянного
Рис. 2. Статические характеристики двигателя постоянного тока, получающего
питание от нерегулируемого выпрямителя
Начало
P, Q
1−= NN PP
Конец
Исходные данные
mсхmd EkEm
mU 220 sin =ππ
=
( )ρ
∗
∗
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
ωω
−+=ном
начначC MMM 1
22602
нормe
С
нормe
ud
kRM
kkUn
Φπ−
Φ=
ФkМI
e
С105,0=
dd IUP =
Udd kUU 0=
0=Q
109
Математические модели и программное обеспечение позволяют планировать режимы систем электроснабжения промышленных предприятий с учетом регулирующего эффекта нагрузки и разрабатывать энергосберегающие мероприятия по уменьшению простоев и потерь в сети.
А. С. ГОРСКОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Н. М. ЦИРЕЛЬМАН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Оптимизация работы Салаватской ТЭЦ OOO «БГК»
в связи с изменением режима работы после отказа ОАО «СНОС» от паров 8 и 16 ата
Салаватская ТЭЦ расположена в южной части республики Башкортостан
около города Салавата. Географическое место расположения СТЭЦ обусловлено месторасположением Салаватского нефтехимического комбината (ОАО «СНОС»), так как первоначально она входила в общий проектный комплекс сооружений комбината. Строительство СТЭЦ было начато в 1950 году под титулом комбината №18. Первый турбогенератор (ст №-3) был включен в сеть в январе 1953 года. Решением Совета Министров от 19 марта 1954 года Салаватская ТЭЦ была переведена из Миннефтепрома СССР в Министерство Электростанций СССР. Салаватская ТЭЦ является основным источником теплоснабжения города Салавата, а также обеспечивает тепло- и электроснабжение ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»
Установленная электрическая мощность СТЭЦ на начало 2009 г. 264 МВт, тепловая - 1130Гкал/ч.
На ТЭЦ установлены следующие паровые турбины: • три типа ПТ-60-90/13 с двумя регулируемыми отборами пара:
производственным и теплофикационным (ЛМЗ) ст. № 7,9,10; • две типа ПТ-30-90/10 с регулируемыми отборами пара:
производственным и теплофикационным (ЛМЗ) ст. № 3,4 (на консервации);
• одна типа ПР-30-90-10/1,2 с двумя регулируемыми отборами пара: производственным и теплофикационным (УТМЗ) ст. № 5 (на длительной консервации);
• одна типа Р-30-90-18 противодавление (УТМЗ) ст. № 6 (потребитель отсутствует, турбина списана);
• одна типа Р-6-90-31 противодавление (ХТМЗ) ст. №8. В связи с отказом ОАО «СНОС» от паров 8 и 16 ата возникла проблема
оптимизации работы Салаватской ТЭЦ. Установленная электрическая мощность Салаватской ТЭЦ на 2010 г.
составляет 66 МВт.
110
Сейчас в работе находятся две паровые турбины: турбина типа ПТ-60-90/13 с отключенным производственным отбором и двумя регулируемыми теплофикационными отборами и турбина типа Р-6-90/31, работающая на противодавление 35 ата. Пар 35 ата с паропроводов ТЭЦ отпускается на ОАО «СНОС».
Турбоустановка с турбиной ПТ-60-90/13 предназначена для отпуска пара давлением 10÷16 кгс/см2 на нужды промышленного производства ОАО «СНОС». Пар с параметрами 10÷16 кгс/см2 использовался для промышленного производства. В связи с отказом потребителя от использования пара производственного отбора встал вопрос о снижении затрат на эксплуатацию и повышении экономичности турбоустановки ПТ-60-90/13 в новых условиях. Возможным выходом из этой ситуации является реконструкция турбины путем ликвидации производственного отбора и организация дополнительного отбора пара из трубопровода отбора на ПНД-4 на собственные нужды.
В результате ликвидации отбора пара на производство, которая требует полной реконструкции ЧСД с установкой новых обойм, диафрагм, дисков, нового выхлопного дефлектора увеличивается электрическая мощность турбины. Реконструкция ЧСД позволяет (с учетом отборов на регенерацию) пропустить через ЧСД весь пар, поступающий в голову турбины.
Внедрение данного проекта позволит снизить затраты на ремонт и обслуживание оборудования, а также повысить экономичность ТЭЦ за счет организации дополнительного отбора пара на собственные нужды требуемых параметров.
М. А. ГУРКИН, А. Р. МУГАЛИМОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Р. Г. МУГАЛИМОВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Исследование энергетических характеристик энергосберегающего компенсированного асинхронного двигателя в несимметричных режимах1
На практике асинхронные двигатели могут работать в нестандартных
режимах, например, от несимметричных источников напряжения, аварийных режимах, таких как обрыв фазы обмотки статора, сгорание предохранителя в фазах источника питания и других. При работе в несимметричных режимах ухудшаются технико-экономические показатели асинхронного электропривода, в частности, уменьшается вращающий момент, снижаются электрический КПД, коэффициент мощности и энергетический КПД. Кроме того, электропривод может не выполнить технологическую задачу, что приводит к аварийным ситуациям.
1 Работа выполнена по гранту губернатора Челябинской области
111
Целью данной работы является исследование способов и технических средств, позволяющих повысить технико-экономические показатели электроприводов, созданных на основе компенсированных энергосберегающих асинхронных двигателей ( далее ЭАД) и работающих от несимметричных источников питания. Схема замещения компенсированного двигателя представлена на рис. 1. Цель достигается путем формирования кругового вращающегося магнитного поля с помощью конструктивных изменений обмоток статора, числа витков обмоток, количества обмоток, их расположения в пространстве и регулирования электрических параметров.
Рис. 1. Схема замещения одной фазы симметричного компенсированного асинхронного
двигателя Для достижения цели авторами создан программный комплекс,
позволяющий моделировать вращающееся магнитное поле асинхронных двигателей, рассчитывать их рабочие и механические характеристики при заданных конструктивных параметрах, законов изменения токов, протекающих по ним.
На рис. 2 приведены модели вращающихся магнитных полей симметричного асинхронного двигателя тип SMR250-4, нP =55кВт при питании от симметричного и несимметричных источников напряжения, рассчитанных с помощью разработанного программного продукта, где а – круговое вращающееся магнитное поле двигателя при питании от симметричного источника напряжения; б – эллипсоидное вращающееся магнитное поле двигателя при питании от несимметричного источника напряжения с падением модуля питающего напряжения на одной из питающих фаз ;в – эллипсоидное вращающееся магнитное поле двигателя при питании от несимметричного источника напряжения с несимметрией сдвига начальных фаз питающего тока.
112
Рис. 2. Вращающиеся электромагнитные поля асинхронного двигателя при питании от
симметричного (а) и несимметричного (б, в) источников питания Использование дополнительной обмотки в двигателе, кроме компенсации
реактивной мощности, позволяет управлять формой вращающегося электромагнитного поля, исправляя искажения, вызванные несимметрией источника питания. Исправление формы вращающегося магнитного поля дает возможность поддерживать асинхронный двигатель в рабочем состоянии, несмотря на кратковременные сбои электропитания, выполняя поставленную технологическую задачу.
Внедрение компенсированных асинхронных двигателей на производстве экономически эффективно. Стоимость перемотки статора асинхронного двигателя согласно схеме рисунка 1 составляет 45-55% от стоимости двигателя, в то время как расходы на перемотку статора двигателя по стандартной схеме составляют 35-45%. Экономические издержки на перемотку компенсируются экономией электроэнергии. Например, ЭАД мощностью 18 кВт для нефтяной качалки экономит в год не менее 12000 кВт*час электроэнергии, что в пересчете на денежный эквивалент составит 21000 руб. Кроме того, повышается надежности электромеханической установки. Следует учесть, что индивидуальная компенсация реактивной мощности так же снижает затраты связанные с использованием конденсаторных установок, позволяет уменьшит сечение проводников питающей линии. Электрическая сеть предприятия, построенная на основе ЭАД дешевле и эффективнее, чем та же сеть с использованием традиционного асинхронного двигателя.
Список литературы 1. Пат. 2112307 RU, МКИ 6 Н02 К 17/28. Асинхронная компенсированная электрическая машина / Савицкий А.Л., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д. // Открытия. Изобретения. 1998. №15.
113
Д. З. ХАКИМЗЯНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент О. Ю. МАРКИН ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Обоснование параметров и режимов работы
многодвигательного привода главного движения токарного станка
Технический уровень и качество продукции машиностроения, в том числе станков, определяется совокупностью показателей функционального назначения, общественно полезного эффекта, уровня всех видов затрат, а также потребительских и экономических характеристик.
Ресурсное обеспечение качества продукции рассматриваем, в частности, как способность технологического оборудования, в том числе металлорежущих станков (МРС), как субъекта производственного процесса обеспечивать выпуск продукции требуемого качества с минимальными затратами ресурсов: временных, материальных, энергетических и др. В то же время, рассматривая МРС как объект производства, т.е. как продукцию станкозавода, ресурсным обеспечением качества станка считаем обеспечение соответствующих показателей качества станка с наименьшими затратами материальных ресурсов при проектировании и изготовлении.
Снижение энергоемкости продукции, ресурсное обеспечение ее качества и конкурентоспособности возможно при широком внедрении энергосберегающего оборудования и ресурсосберегающих технологий.
ГОСТ 4.93 - 86 «СПКП (система показателей качества продукции). Станки металлообрабатывающие. Номенклатура показателей» устанавливает одним из важнейших показателей качества станков экономичность по расходу электроэнергии при эксплуатации. Одним из эффективных путей повышения экономичности станков по расходу электроэнергии при эксплуатации является использование многодвигательных приводов главного движения (ПГД), для которых разработаны теоретические основы расчета и эксплуатации. Эффективность привода обеспечивается адаптацией электроустановки ПГД к изменяющимся условиям обработки по потребляемой мощности.
Привод состоит из трех частей: а) силовой (энергетической) установки, включающей несколько
(например, два) электродвигателей (ЭД), суммарная мощность которых равна максимальной эффективной мощности резания;
б) информационной системы, регистрирующей изменение нагрузки при заданной частоте вращения путем контроля активного и реактивного токов статора электродвигателя, а также режим перегрузки встроенным в статор датчиком температуры;
в) электронной (микропроцессорной) системы управления, обеспечивающей поочередное или совместное включение электродвигателей в соответствии с требуемой на данном переходе мощностью резания.
114
Применение привода позволяет улучшить использование мощности ЭД и приблизить значение КПД при практически любых режимах обработки к максимальному значению.
Одним из показателей качества МРС, установленным стандартом, является производительность, которая достигается в том числе созданием высокоскоростных ПГД станков, обеспечивающих частоты вращения шпинделя (ЧВШ) 10000 - 12000 мин-1. Однако это требует применения дорогостоящих шпиндельных узлов (ШУ) со специальными шпиндельными опорами, так как подшипники качения при рациональных размерах и стандартной конструкции обеспечивают частоты вращения не более 4500 6000 мин-1. Разработаны структурные, кинематические и конструктивные схемы новых ПГД с коаксиальными ШУ, сочетающие эффективность высокоскоростных приводов с экономичностью конструкции, основанной на использовании известных узлов и деталей ПГД.
В магистерской работе нами планируются классифицировать способы соединения электродвигателей, обоснование параметров и режимов работы многодвигательного привода главного движения на примере токарного станка.
Г. А. МЕРКУЛОВА, Т. А. БОГДАНОВА, Я. А. МАРТЫНОВА ГОУ ВПО Сибирский федеральный университет, ООО «КраМЗ»
Поиск энергосберегающей технологии
при подготовке заготовок для штамповки деталей из магниевого сплава системы магний-цинк-цирконий
Экономия тепловой и электрической энергии при термической обработке
металлов является важной составляющей энергосбережения в промышленности.
Магниевые сплавы применительно к авиации, робототехнике и ракетной технике имеют ряд преимуществ по сравнению с другими материалами: низкую плотность, хорошие механические, конструкционные и усталостные характеристики в интервале температур от –271оС до +350оС, хорошие способности поглощать энергию удара, гасить вибрацию, демпфировать (по этой части они превосходят, например, алюминиевые сплав в 100 раз) [1].
Исследуемый нами сплав ZK 60A содержит магний, 6 % цинка, 0,7 % циркония. Его используют в заготовках для деталей, в дальнейшем подвергаемых штамповке выдавливанием и ковке. Введение небольших добавок цинка и циркония способствует уменьшению размера зерен и увеличению прочности. Однако это приводит к ухудшению технологических характеристик. Поэтому задача подготовки заготовок из этого сплава состоит в подборе такой технологии термической обработки, которая при минимальном расходе тепловой и электрической энергии обеспечила бы сохранение всех
115
положительных характеристик материала деталей (в данном случае моноциклетных дисков).
а
б
Рис. 1. Микроструктура сплава ZK60А после отжига при 380оС в течение 12 ч (а) и после ТЦО (б). (×1000)
На Красноярском металлургическом заводе (ООО «КраМЗ») при
подготовке указанных заготовок применяют длительную термическую гомогенизацию. Между тем расход тепловой энергии можно уменьшить, если применять термоциклическую обработку (ТЦО), которая оказывает благотворное влияние на ускоренные структурные изменения в сплаве и сокращает длительность гомогенизации.
На рис. 1 показаны структурные изменения в сплаве ZK 60A при 12-часовой выдержке при температуре 380 оС и по предложенной нами методике ТЦО.
По структурным изменениям на фотографиях рис. 1 видно, что происходит дробление дендритов (темные пятна), идет гомогенизация по цинку и цирконию. Конечно, полную гомогенизацию с однородной структурой получить не удается, это фактически гетерогенизация. Но это уже значительный успех и получен он за более короткий промежуток времени.
В дальнейших исследованиях мы планируем еще значительнее сократить время ТЦО за счет оптимизации графика кривой термообработки.
Список литературы
1. Биронт В.С. Теория термической обработки металлов. Комбинированные методы (учебн. пособ.) /В.С. Биронт. – Красноярск, 2000. – 140 с.
116
М. Р. ВАХИТОВ*, А. Н. НИКОЛАЕВ Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН*, ГОУ ВПО Казанский государственный технологический университет
Эффективность процесса теплообмена
в контактных элементах вихревых экономайзеров
Утилизация тепловой энергии дымовых газов, выбрасываемых промышленными предприятиями в атмосферу, получение нагретой воды являются эффективными путями улучшения использования топлива. Аппараты для проведения указанных процессов предложено называть экономайзерами. Наибольшее распространение для этих целей получили в настоящее время контактные аппараты, в которых нагреваемая жидкость входит в непосредственный контакт с охлаждаемым газом.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают многоступенчатые прямоточно-вихревые аппараты. Несмотря на то, что в контактных элементах этих аппаратов реализуется прямоточное движение фаз, в целом по аппарату жидкость и газ двигаются в режиме противотока. Аппараты устойчиво работают при скоростях газа в контактных элементах 30 – 40 м/с (4–8 м/с при пересчете на полное поперечное сечение аппаратов), что обуславливает их небольшие габаритные размеры. Гидравлическое сопротивление одной контактной ступени не превышает 250 мм вод.ст.
Эффективности нагрева воды и охлаждения газа определялись по выражениям
жнмс
жнжкж tt
ttE−−
= , мкгн
гкгнг tt
ttE
−−
= , (1)
где tжн, tжк – начальная и конечная температуры жидкости в контактном элементе, tгн, tгк – начальная и конечная температуры газа в контактном элементе, tмк, tмс – температуры мокрого термометра, соответствующие условиям газа на выходе из контактного элемента и на верхнем срезе капельного слоя.
Как показали расчеты, эффективность нагрева жидкости в контактном элементе уменьшается с возрастанием соотношения массовых расходов жидкости и газа (рис. 1). При более высоких температурах газа на входе в контактный элемент достигаются более высокие эффективности прогрева жидкости. К возрастанию эффективности приводит также увеличение массового влагосодержания в газе на входе, что связано с уменьшением затрат тепла, получаемого от газа, на испарение жидкости и увеличением затрат тепла на нагрев жидкости.
117
Наряду с эффективностями Eж и Eг в расчетах определялись степень
нагрева жидкости, жнжк t/t=ψ , и степень изменения расхода жидкости, жнжк L/L=η , в контактном элементе. Результаты расчета степени нагрева
жидкости при различных отношениях массовых расходов жидкости и газа, представлены на (рис. 2).
Расчеты показали, что степень изменения расхода жидкости η в большинстве случаев мало отличается от 1. Максимальное снижение расхода, наблюдаемое при высоких температурах газа 500оС, составляет η=0,91. Незначительные изменения расхода жидкости в контактных элементах связаны с малой степенью испарения жидкости в элементах, что вызвано в свою очередь малыми временами пребывания жидкости в элементе.
а
L/G
Eж
0,8
0,6
0,4
0,80,60,40,2
3
2
1
б
L/G
Eж
0,8
0,6
0,4
0,80,60,40,2
32
1
Рис. 1. Зависимость эффективности нагрева жидкости в контактном элементе от соотношения массовых расходов жидкости и газа.
A = 1; dэл = 0,08 м; H/d = 1; Wвх = 20 м/с; 0ξ = 0,2; tжн = 30оС. а) Xн = 0,1 кг/кг; tгн , оС: 1 – 100; 2 – 250; 3 – 500.
б) tгн = 250оС; Xн , кг/кг: 1 – 0,1; 2 – 0,2; 3 – 0,3.
аψ
L/G
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1 0,80,60,40,2
3
2
1
бψ
L/G
2
1,8
1,6
1,4
1,20,80,60,40,2
3
2
1
Рис. 2. Зависимость степени нагрева жидкости в контактном элементе от соотношения массовых расходов жидкости и газа.A = 1; dэл = 0,08 м; H/d = 1;
Wвх = 20 м/с; 0ξ = 0,2; tжн = 30оС. а) Xн = 0,1 кг/кг; tгн , оС: 1 – 100; 2 – 250; 3 – 500.
б) tгн = 250оС; Xн , кг/кг: 1 – 0,1; 2 – 0,2; 3 – 0,3.
118
А. Ф. НУГУМАНОВА, Т. А. ТИМЕРБУЛАТОВ, Т. Ю. ВОЛКОВА, Н. К. ПОТАПЧУК ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Проблемы энергосбережения на промышленном предприятии
и пути их решения
В настоящее время на большинстве промышленных предприятий произошло существенное снижение объемов производства. Как правило, это ведет к снижению энергопотребления, в том числе и электроэнергии.
В следующей работе рассматривается проблемы энергосбережения приборостроительного завода. Данное предприятие представляет собой в целом компактную электроустановку, сосредоточенную на ограниченном пространстве и соответственно имеет близко расположенные центры питания. Это обстоятельство является благоприятным фактором в плане модификации сети, с целью сокращения потребляемой электроустановкой реактивной мощности за счет сокращения центров питания (ТП).
По приведенным данным по фактическому потреблению электроэнергии предприятием за 2007 – 2009 гг. видно, что электрическая энергия является существенным фактором в составе себестоимости выпускаемой продукции.
Анализ зимнего и летнего характерных суточных графиков нагрузки показывает, что средневзвешенный зимний суточный коэффициент мощности составляет 0,83, а летний – 0,65. Различие в коэффициентах обусловлено возрастанием потребления световой нагрузки лампами накаливания в зимний период и различными нагревательными элементами по цехам предприятия. В целом можно говорить о низком коэффициенте мощности, который не превышает в летний период 0,89, что говорит о повышенном потреблении реактивной мощности в распределительной сети предприятия.
Все данные свидетельствуют о необходимости снижения потребляемой реактивной мощности, а также о ее компенсации в местах потребления в распределительной сети 0,4 кВ.
Само по себе снижение энергопотребления ничего не означает и может оказаться даже вредным, если эффективность использования энергии в этом случае не повышается. Следовательно, требуется не энергосбережение как таковое, а повышение эффективности использования энергии. Повышение эффективности использования энергии, повышение производительности энергоресурса, по существу, является основной задачей энергосбережения.
Энергетическое обследование предприятия является основой для выработки технических и технологических мер, обеспечивающих повышение эффективности использования энергии.
Отклонение ПКЭ от нормативных или оптимальных значений проявляется в виде экономического ущерба у потребителей электрической энергии. Данный ущерб имеет электромагнитную и технологическую составляющие. Электромагнитная составляющая определяется в основном
119
дополнительными потерями активной мощности и энергии и сокращением ресурса электрооборудования ввиду ускоренного старения изоляции. Технологическая составляющая ущерба связана с увеличением длительности производственного процесса, со снижением производительности электрооборудования, и следовательно, с увеличением удельного электропотребления на единицу произведенной продукции.
Проведенное энергетическое обследование показало, что в распределительной сети 6кВ основными составляющими потерь являются потери холостого хода трансформаторов.
Технико-экономический анализ позволил сформулировать технические решения, связанные с модификацией распределительных сетей. Предложены варианты модификации схем распределительных сетей предприятия с целью снижения потребляемой реактивной мощности.
Следующим техническим предложением является компенсация реактивной мощности в местах потребления с помощью конденсаторных батарей.
Энергетическое обследование ряда потребителей предприятия позволило в качестве первоочередного объекта компенсации реактивной мощности предложить «Инструментальный цех», в котором наблюдается достаточно стабильное потребление реактивной мощности (приблизительно 20 кВАр в рабочее время).
На остальных объектах, прошедших энергетическое обследование, необходимо проведение комплекса мероприятий по выравниванию нагрузки по фазам, снижению нестабильности потребления реактивной мощности (графики мощности имеют существенные пульсации).
Явным и очевидным фактором отрицательного воздействия на потребление электроэнергии выявленного в результате энергетического обследования, является превышение напряжения на РУ-0,4 кВ всех ТП. И в качестве первоочередных мероприятий необходимо осуществить перестановку ПБВ.
Явлением, требующим более детального исследования, является перекос фаз по нагрузкам практически на всех ТП. Так как симметрирование нагрузки по фазам является очередным и первостепенным мероприятием в рамках энергосберегательной политики на предприятии.
Проведенные исследования показали, что на предприятии необходимо провести комплекс технических мероприятий по модификации распределительных сетей, а также организационно-технические мероприятия, связанные с нормированием энергопотребления по подразделениям.
120
О. В. ВАСИЛЬЕВА, В. А. КОЛЧАНОВА Научн. руковод. – д-р физ.-мат. наук, профессор Ю. Н. ИСАЕВ ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Расчет баланса энергии коаксиального магнитоплазменного ускорителя
Целью работы является расчет баланса энергии коаксиального
магнитоплазменного ускорителя (КМПУ) и методами вычислительного эксперимента. Исследование осуществляется на примере модельного КМПУ, соответствующего реально используемого на практике устройства [1].
Для математического описания необходимо иметь величины параметров 0 , , ( ),L R L z C электромеханической модели. Приведем их описание.
Рис. 1. Упрощенная модель КМПУ
В электротехнической схеме (рис. 1) батарея конденсаторов емкостью
330 10 ФC −= ⋅ заряжается до напряжения 0 3кВU = [1]. Сопротивление цепи 310 ОмR −= [1–2]. Необходимо рассчитать два следующих параметра 0L и ( )L z . Линейная функция координаты распространения (1):
22
1
( ) ln4
z I RL z L zR
μπ
⎛ ⎞ ′= =⎜ ⎟⎝ ⎠
, (1)
где 71,36 10 Гн L −′ = ⋅ . Для индуктивности одного кольца (2):
121
2
10 2
0
2 ( , )z d
r
rL A z d dz
Sπ ρ ρ ρ
=
= ∫ ∫ . (2)
В результате расчетов получена индуктивность индуктора с четырьмя кольцами: 7
0 8.764 10 Гн L −= ⋅ . В качестве правильности работы алгоритма расчета проведем проверку
баланса энергии рассматриваемой системы. Огромное магнитное давление 3700 10 атмP = ⋅ [1] приводит к скоростям
порядка 10 км/с . При электродинамическом ускорении часть энергии трансформируется в кинетическую энергию (3):
2
( )2кин
mvW t = . (3)
Наличие реактивных элементов ,L C обуславливает взаимное преобразование электрической энергии в магнитную энергию и наоборот (4):
2 2( ) ( )( ) , ( )2 2
CC L
u t C i t LW t W t= = . (4)
За счет больших токов в тепло преобразуется энергия (5):
2
0
( ) ( ) ( )t
RW t i t R t dt= ∫ . (5)
Теперь можно записать баланс энергии в виде растрат электростатической энергии заряженного конденсатора (6):
2 2 2 220
0
( ) ( ) ( ) ( ( ))( ) ( )2 2 2 2
tCU C mv t u t C i t L z ti t R t dt= + + +∫ (6)
Рис. 2. Схема распределения энергии в плазменном ускорителе
122
Таким образом, представлен промежуточный этап разработанной математической модели КМПУ.
Список литературы 1. Сивков А.А., Герасимов Д.Ю., Цыбина А.С. Электроэрозийная наработка материала в коаксиальном магнитоплазменном ускорителе для нанесения покрытий // Электротехника. – Томск, 2005. – №.6.– С.25 – 38. 2. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, – 613 с.
С. В. ШАПИРО, В. В. ЖИДКОВ ГОУ ВПО Уфимская государственная академия экономики и сервиса
Применение высокой частоты для генерирования озона
и новый способ получения этой частоты
К настоящему времени разработаны разнообразные технологии с применением озона. Популярность применения озонных технологий обуславливается их экологичностью: несмотря на то, что ПДК по озону составляет 0,1 мг/м3, он безопасен потому, что в течение короткого интервала времени (от нескольких минут до нескольких десятков минут) распадается на кислород (скорость разложения зависит от температуры окружающей среды). Эффективность получения озона определяется частотой согласно уравнению:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +−= mГ
ГБГmБ U
СССUfUCP 4 (1)
где P – мощность, определяемая количество вырабатываемого озона (с её ростом выход озона увеличивается); СБ - емкость диэлектрического барьера; СГ – емкость газового промежутка; f – частота питающего напряжения; UГ - напряжение горения промежутка; Um - напряжение питания.
Как видно из уравнения, производительность озонатора зависит от частоты питающего напряжения f, емкостей диэлектрического барьера СБ и газового промежутка СГ, напряжения питания Um и величины напряжения горения промежутка UГ [1]. Мы видим, что для повышения эффективности работы озонатора необходим высокочастотный источник питания с учетом специфики электрических характеристик озонатора (он является нелинейно-емкостным элементом).
В научно-исследовательской лаборатории кафедры физики Уфимской государственной академии экономики и сервиса разработан электротехнический комплекс, состоящий из полупроводникового преобразователя трехфазного напряжения промышленной частоты в однофазное повышенное (20 кГц), высокочастотного трансформатора и высокочастотного озонатора с многоэлектродной разрядной трубкой, в которой
123
реализуется бегущий барьерный разряд [2,3]. Применение токов высокой частоты позволило создать портативный и экономичный генератор озона.
Принципиальная схема предлагаемого высокочастотного источника питания с трехфазным выходом и озонатора приведена на рис. 1.
Источник питания состоит из включенных в звезду встречно-параллельных транзисторов (ТA1 - ТA2, ТB1 - ТB2, ТC1 - ТC2) и конденсаторов CA, CB, CC. Лучи звёзд подсоединены к фазам питающей сети A, B, C. Между центрами звёзд (О1 и О2) включена коммутирующая цепь LК - CК и согласующий трансформатор Тр, к вторичной обмотке которого присоединена нагрузка – разрядный блок озонатора. Согласующий трансформатор преобразовывает напряжение uН с выхода преобразователя (порядка 220 В) в напряжение, необходимое для питания разрядных трубок озонатора (порядка 10 кВ).
Рис. 1. Принципиальная схема высокочастотного источника питания озонатора
В схеме используются транзисторы серии IGBT, которые работают в
ключевом режиме. Список литературы
1. Карлинз Д., Кларк Д. Получение озона коронным разрядом. // Фирма «Юнион Карбайд» / CRC Press inc/-USA, 1987 г. 2. Патент № 275433 РФ, МПК 5 С 01 В13/11. Высокочастотный озонатор / Шапиро С.В., Воронов Б.А. // Заявл. 15.04.92; опубликовано 20.03.97, бюл. №8. 3. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.П. Физическая химия озона.-М.: Издательство МГУ, 1998 г.
124
А. А. СТРУЕВЦЕВА Научн. руковод. – доцент В. А. СЛЕСАРЕВ ГОУ ВОП Уфимский государственный авиационный технический университет
Модернизация тепловой схемы Салаватской ТЭЦ
с целью исключения простоя основного оборудования при отсутствии производственного теплового потребления
Общие сведения о Салаватской ТЭЦ
Салаватская ТЭЦ является основным источником теплоснабжения города Салавата, а также обеспечивает тепло- и электроснабжение ОАО «Салаватнефтеоргсинтез». Установленная электрическая мощность на начало 2009г СТЭЦ 264 МВт, тепловая - 1130Гкал/ч.
На ТЭЦ установлены паровые турбины: - три типа ПТ-60-90/13 с двумя регулируемыми отборами пара:
производственным и теплофикационным (ЛМЗ) ст № 7,9,10 ; - две типа ПТ-30-90/10 с регулируемыми отборами пара:
производственным и теплофикационным.(ЛМЗ) ст № 3,4; - одна типа ПР-30-90-10/1,2 с двумя регулируемыми отборами пара:
производственным и теплофикационным (УТМЗ) ст № 5; - одна типа Р-30-90-18 противодавление (УТМЗ) ст№ 6; - одна типа Р-6-90-31 противодавление (ХТМЗ) ст№8. С паропроводов ТЭЦ отпускается пар: 35ата на ОАО «СНОС», 16ата на
ОАО «СНОС», 8ата на ОАО «СНОС». Прогнозный отпуск тепла
Отбор пара 8 ата используется только на собственные нужды. Давление в камере производственного отбора ТГ ст №-7 поддерживается номинальное 13 ата с температурой 2300С, чем обусловлена невозможность работы турбоагрегата ст. № 7 тип ПТ-60-90/13 в зоне естественного повышения давления. Загрузка турбоагрегата ст № 3,4 тип ПТ 30-90/10 по пару 8ата не предусматривается, т.к. для поддержания собственных нужд (пар на ДВД) достаточно 1 источника, распределение собственных нужд по пару 8 ата на 3 турбоагрегата приведет к увеличению ограничений.
Отбор пара 16 ата потребитель не планирует, поэтому давление в камере производственного отбора на турбоагрегатах ст № 9;10 типа ПТ-60-90/13 поддерживается максимальное 16 кгс/см2.
Техническое предложение по модернизации тепловой схемы СТЭЦ Одним из способов реконструкции электростанций является установка
приключенных паровых турбин (турбин «мятого» пара), работающих паром от коллекторов отопительных или производственных отборов турбин типов ПР, ПТР, ТР, Р, ПТ, П и Т, когда они не загружены по прямому назначению, при этом у турбин, работающих от производственного коллектора может быть организован отбор пара для нужд отопления. Производственные отборы могут снижаться или их может вообще не быть при ограничении потребителей
125
технологического пара. Уменьшение отборов П, Т и Р снижает мощность установленных турбогенераторов.
Установка турбин мятого пара позволяет полностью загрузить имеющиеся турбины, обеспечивая их работу на наиболее экономичном расчетном режиме. Электрическая мощность ТЭЦ увеличивается за счет новых турбин при относительно невысоких капитальных затратах (не требуется установка новых энергетических котлов).
Основные характеристики приключенных турбин УТЗ установленных и работающих на ТЭЦ представлены в табл. 1.
Таблица 1 Основные показатели турбин мятого пара
Показатель Марка турбины Т-
65/70-2,9
ТР-65-2,9
Т-70/110-
1,6
ТР-70-1,6
Т-35/55-
1,6
ТР-35-1,6
К-110-1,6
К-17-1,6*
Мощность, МВт: ном./макс. на конд. реж.
65/70 50
65/65 -
70/110 110
70/70 -
35/55 55
35/35 -
110/110
110
17/17
17 Расход мятого пара ном., т/ч
425
425
650
650
325
325
650
222
Параметры мятого пара: -давление, кгс/см2 (МПа) - темп-ра, 0С
29,6 (2,9)
425
29,6 (2,9)
425
16,3 (1,6)
285
16,3 (1,6)
285
16,3 (1,6)
285
16,3 (1,6)
285
16,3 (1,6)
285
1,6 (0,16
)
112,7
Тепловая нагрузка ном., Гкал/ч
183
183
300
280
140
140
-
-
Пределы изменения давления в регулируемом отборе, кгс/см2**
0,5-2,5
0,5-2,5
0,5-2,5
0,5-2,5
0,5-2,5
0,5-2,5
-
-
*Давление указано в кгс/см2, у остальных турбин в МПа. **Возможен двухступенчатый подогрев
126
А. В. МАКЛАКОВА, М. А. КОРНЕЕВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Н. Н. СИНИЦЫН ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет
Система подготовки высоковлажной коры хвойных и лиственных пород
деревьев к сжиганию в топках котлов
Влияние влажности древесной биомассы на эффективность работы котельных установок чрезвычайно существенно. Повышение влажности древесной биомассы неизбежно вызывает снижение эффективности работы котельных установок. для обеспечения эффективного сжигания древесных отходов необходимо, чтобы конструкция котлоагрегатов отвечала особенностям этого вида топлива. Влажность коры зависит от погодных условий.
Проблема: невозможность поддерживать производительность котлов при необходимых параметрах пара (вследствие этого уменьшается производительность, происходит недовыработка).
Цель работы: разработать систему подготовки твердого топлива к сжиганию и оптимизировать процесс управления горением топлива.
Задача: разработать систему оптимизации и управления процессом сжигания коры хвойных и лиственных пород деревьев в топках котлов.
Снижение температуры уходящих газов ведет к существенному росту КПД котлоагрегата и обычно достигается развитием хвостовых поверхностей нагрева. Практически нижний предел температуры уходящих газов при сжигании влажных древесных отходов определяется из условия предотвращения конденсации водяных паров на поверхности нагрева. Температура точки росы дымовых газов определяется температурой конденсации водяных паров в дымовых газах при их парциальном давлении.
В качестве дополнительных поверхностей нагрева за воздухоподогревателем по ходу дымовых газов устанавливается экономайзер питательной воды и теплофикационный экономайзер. Теплофикационный экономайзер служит для подогрева воды, которая затем поступает в водяной калорифер и в свою очередь подогревает воздух. Воздух, нагретый в калорифере, поступает в воздухоподогреватель, в результате чего, температура дымовых газов за воздухоподогревателем и температура воздуха, нагнетаемого в топку, повышается. Увеличение температуры дымовых газов позволяет между воздухоподогревателем и теплофикационным экономайзером вставить экономайзер питательной воды и нагревать воду, поступающую в котел. Нагрев воздуха промежуточным теплоносителем необходим, так как в противном случае из-за малого температурного напора за воздухоподогревателем потребуется дополнительная поверхность нагрева недопустимо больших размеров. Предлагаемая схема позволяет увеличить КПД котлоагрегата на 4...5%. Экономически более целесообразно применять традиционные схемы
127
использования теплоты отходящих газов с помощью воздухоподогревателей и экономайзеров.
Для того чтобы эффективно использовать древесную кору в качестве котельного топлива, необходимо разработать технологическую схему, содержащую магнитный сепаратор, где из коры высокой влажности извлекаются металлические частицы, корорубку, где кора измельчается и направляется в бункерное устройство для накопления и буферного хранения сырой измельченной коры. Из бункерного устройства кора транспортируется в сушильную установку. Сушильная установка высушивает кору, используя теплоту или дымовые газы, подаваемых в сушилку из борова котельной вентилятором, либо продуктов сгорания определенной доли подсушенной коры, сжигаемой в специальной топке. Подсушенная кора из сушилки подхватывается сушильным агентом, засасываемым вентилятором, и подается в циклон, где она отщепляется от газов и поступает в бункерное устройство сухой щепы. Отработавшие газы очищаются от пыли в циклоне и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Из бункера сухой коры она направляется для сжигания в топки котельной и частично идет в специальную топку обеспечивающую приготовление теплоносителя для сушки в случае, если дымовые газы в этих целях по каким-либо обстоятельствам не могут быть использованы. Для сушки измельченной коры предназначается аэрофонтанная сушилка. Кора хвойных и лиственных пород имеет разные технические характеристики, влажность, фракционный состав, зольность. Поэтому для сушки коры лиственных пород предлагается пневматическая труба – сушилка. Расход топлива на подсушку в зависимости от влажности коры, поступающей из цеха окорки, можно определить, что предварительная сушка за счет сжигания части подсушенной коры целесообразна только в том случае, если первоначальная влажность коры не превышает 70-75% относительной. Следует при этом отметить, что при любой влажности первоначальной коры предварительная сушка ее перед сжиганием теплотехнически обоснована, если процесс осуществляется за счет вторичных тепловых ресурсов (теплота дымовых газов котельных, теплота воздуха, выбрасываемого при вентиляции помещений и т.п.). Кроме того, организованное сжигание отходов позволит улучшить экологическую обстановку в регионе. Поскольку обезвоживание коры с помощью короотжимных прессов имеет большой недостаток, образование в процессе их работы сточных вод. Анализы сточной воды, отжимаемой из коры, показывают, что она не отвечает нормам, предъявляемым к воде, которую можно сбрасывать в открытые водоемы. Сброс воды от короотжимных процессов может быть разрешен только после отметки их норм, оговоренных правилами охраны окружающей среды. Предложенная технологическая схема позволит успешно использовать кору в качестве топлива.
128
С. В. БЕЛЯЕВ, П. Ю. ЖУРАВЛЕВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор А. С. КАРАНДАЕВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Анализ гармонических составляющих тока секции 10 кВ
широкополосного стана горячей прокатки1 Искажения питающего напряжения при работе тиристорных
преобразователей являются следствием коммутации вентилей, подключенных в фазы выпрямительных мостов, при которой происходит кратковременное короткое замыкание фаз. Эти искажения имеют периодический характер, что позволяет проводить их гармонический анализ. Наиболее явно такие искажения проявляются в электропитающих сетях станов горячей прокатки, установленная мощность тиристорных электроприводов которых достигает сотен МВт. Отсутствие фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) приводит к ухудшению гармонического состава тока и напряжения, увеличению потерь, что в условиях складывающегося дефицита электроэнергии является недопустимым. Дефицит реактивной мощности в сетях стана 2000 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» согласно расчетам превышает 120 Мвар, а несинусоидальность кривой напряжения составляет 16-18%.
С учетом изложенного представляет интерес оценка фактического гармонического состава тока секций 10 кВ стана 2000 с целью разработки мероприятий по их улучшению. Запись сигналов производилась с помощью регистратора электрических сигналов РЭС-3 с частотой дискретизации 4,5 кГц. Последующая обработка сигналов осуществлялась в среде Matlab по специально разработанным программам.
С помощью разработанной программы «спектроанализатор» были определены наиболее значимые гармоники, присутствующие в кривой тока, – это 5-я, 11-я и 13-я (рис. 1). Алгоритм программы основан на быстром преобразовании Фурье исследуемого сигнала на заданном интервале, длительность которого составляет 10-15 периодов основной частоты. Однако «спектроанализатор» позволяет лишь выделить наиболее значимые гармоники, но не дает возможности проследить их изменение с течением времени. Для решения этой задачи использовались резонансные фильтры, настроенные на частоту выделяемой гармоники, реализованные в среде Matlab Simulink. Ниже приведены осциллограммы действующих значений тока (рис. 2, а) и его гармонических составляющих (рис. 2, б) в интервале времени 5 мин для первой секции РУ-10 кВ. Аналогичные осциллограммы получены для других секций 10 кВ стана.
1 Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (государственный контракт № 16.740.11.0072)
129
Рис. 1. Спектрограмма токов первой секции РУ-10 кВ стана 2000
Рис. 2. Осциллограммы действующих значений тока 1-й секции РУ-10 кВ (а) и его
5-ой, 11-ой и 13-ой гармонических составляющих (б) Анализ осциллограмм позволил сделать следующие выводы: 1. В кривых тока основной гармоники наблюдаются циклические
изменения с периодом 50-100 с, определяемым технологическим циклом прокатки.
2. Характер изменения уровня высших гармонических в целом соответствует изменению тока основной гармоники. По всем секциям уровень 5-й гармоники не превышает 1%, 13-й – не более 2% и 11-й – не более 5%.
130
3. На секции №1 наблюдается явная зависимость между токами 5-й и основной гармоник, однако на некоторых участках диаграммы при сбросе нагрузки возникают выбросы токов 5-й гармоники. При этом на 11-ю и 13-ю гармоники они не оказывают влияния, поведение этих гармоник отличаются большей стабильностью и соответственно выбор и настройка фильтров могут быть произведены по средним значениям токов только этих гармоник.
На основании выполненных исследований предложена комбинированная система управления реактивной мощности и улучшения гармонического состава напряжения путем ступенчатого изменения емкости батарей конденсаторов в составе ФКУ и последующей плавной подстройки тока возбуждения мощных синхронных двигателей черновых клетей.
А. А. ЛУКИН Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент В. Р. ХРАМШИН ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Способ улучшения энергетических показателей электропривода прокатного стана без применения компенсирующих устройств1 Теоретические и экспериментальные исследования энергетических
показателей главных электроприводов (ЭП) широкополосного стана 2000 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» показали, что уровень потребляемой реактивной мощности составляет 0,6−1,2 Мвар на клеть, что приводит к потерям электрической энергии в пределах 1,3−2 млн. кВт⋅ч/год. Основной причиной увеличения потерь, связанных с потреблением реактивной мощности, является необходимость поддержания запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (ТП) на уровне 22–25 % максимальной выпрямленной ЭДС ТП. Для тиристорных ЭП клетей ШСГП максимальный запас выпрямленной ЭДС ТП требуется при отработке динамических режимов, связанных с особенностями технологического процесса. К ним относится разгон при постоянной статической нагрузке (при наличии металла в валках), возникающий при прокатке с ускорением.
С целью уменьшения запаса выпрямленной ЭДС ТП за счет исключения ее перерегулирования в режиме разгона ЭП под нагрузкой предложен способ управления потоком возбуждения двигателя в системе двухзонного регулирования скорости (ДЗРС). Согласно способу при появлении сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой осуществляется автоматическое снижение заданного значения выпрямленной ЭДС до уровня, обеспечивающего отработку динамического режима разгона без превышения выпрямленной ЭДС
1 Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (государственный контракт № 16.740.11.0072)
131
номинального значения. После окончания переходного процесса тока двигателя заданное значение выпрямленной ЭДС автоматически повышается до номинального уровня.
Принцип действия системы ДЗРС при подключении дополнительных блоков на вход регулятора ЭДС (рис. 1, а) поясняется с помощью временных диаграмм (рис. 1, б). В установившемся режиме работы под нагрузкой с установившимся током 1I (до момента 0t подачи сигнала на ускорение ЭП под нагрузкой) сигнал «Разгон» на входе 1 логического блока отсутствует. За счет этого обеспечивается автоматическое поддержание выпрямленной ЭДС ТП на номинальном уровне НdE . При появлении сигнала на входе 1 контакт управляемого ключа переключается во второе положение, соответственно на вход регулятора выпрямленной ЭДС с выхода источника задающего напряжения подается сигнал на снижение выпрямленной ЭДС ТП на величину динамического перерегулирования при разгоне. В результате в промежутке времени 10 tt ÷ выпрямленная ЭДС снижается до уровня 1dE . Одновременно в момент времени 0t подается сигнал на включение таймера, который по окончании заданного времени отсчета подает сигнал на отключение логического блока. В результате контакт управляемого ключа переключается в исходное положение и на вход регулятора выпрямленной ЭДС подается сигнал
dНE , соответствующий номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.
а б Рис. 1. Функциональная схема подключения дополнительных блоков на вход регулятора
ЭДП (а) и временные диаграммы изменения координат электропривода (б)
132
Таким образом, обеспечивается переходный процесс выпрямленной ЭДС de ТП без превышения номинального значения. Это позволяет уменьшить выпрямленную ЭДС 0dE при нулевом угле управления на величину перерегулирования в начальный момент ускорения под нагрузкой, составляющую 15–18% номинальной выпрямленной ЭДС ТП. Запас выпрямленной ЭДС )(dE 10Δ до минимально возможного значения, которое определяется составляющими на отклонения напряжения сети (до 10%) и безопасное инвертирование реверсивного ПТ (до 25% номинальной выпрямленной ЭДС). Это обеспечивает высокий коэффициент мощности в установившемся режиме работы под нагрузкой и соответственно снижение потерь электрической энергии, связанных с потреблением реактивной мощности.
М. Н. МУСИН Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Г. БАКИРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Проблемы организации процесса «влажного» сжатия
при впрыске воды в компрессорах газотурбинных энергоустановок
Широкое применение ГТУ в энергетике обуславливает большую актуальность вопросов повышения их термического КПД и удельной мощности, определяющих сроки окупаемости и степень рентабельности этих установок.
Основными направлениями повышения термического КПД газотурбинных установок являются снижение мощности затрачиваемой на привод компрессора, а также регенерация теплоты выхлопных газов, покидающих турбину.
Впрыск небольшого количества воды (1…3% от расхода воздуха) на вход в компрессор или в его различные ступени является весьма эффективным и сравнительно малозатратным способом снижения относительной мощности компрессора, повышения КПД и удельной мощности ГТУ.
Полезный эффект в данном случае достигается уменьшением работы сжатия в компрессоре за счёт понижения температуры сжимаемого воздуха при испарении впрыскиваемой воды. В результате происходит снижение мощности компрессора и увеличение эффективного КПД установки. Увеличение расхода рабочего тела, обусловленное впрыском воды, ведет к заметному повышению абсолютной и удельной мощностей газовой турбины и энергоустановки в целом. Кроме того, при использовании «влажного» сжатия в компрессоре наблюдается увеличение степени сжатия и устойчивости работы установки, а также существенное снижение эмиссии оксидов азота (NOX).
133
Вместе с тем, в реальных условиях достижение этих целей связано с необходимостью решения ряда инженерных проблем, обусловленных наличием негативных факторов сопутствующих впрыску воды в тракт компрессора:
1) организация высокодисперсного и равномерного распыла впрыскиваемой воды.
2) сепарация капель впрыскиваемой воды на лопатках и корпусе компрессора и связанные с этим возможные осложнения в работе компрессора. Из-за недостаточно высокой дисперсности распыления впрыскиваемой воды, уже на первых ступенях компрессора (за сечением впрыска) происходит интенсивная сепарация капель на рабочих лопатках с образованием плёнок жидкости, которые под действием центробежных и кориолисовых сил движутся по поверхности лопаток в радиальном, а под действием сил трения воздушного потока – ещё и в продольном направлении. Движущиеся плёнки срываются с кромок лопаток, в результате чего формируются так называемые вторичные капли, значительная часть которых затем сепарируется на корпус компрессора.
3) обеспечение достаточной интенсивности испарения впрыскиваемой воды и сопутствующего ему охлаждения потока сжимаемого воздуха. С поверхности капель находящихся в потоке воздуха испаряется в несколько раз меньше влаги, (доля испарения с поверхности капель, как правило, составляет не более 20%) чем с поверхности плёнок жидкости на лопатках и корпусе компрессора.
4) механические потери, обусловленные ускорением капель в потоке и торможением вращающихся лопаток рабочих колёс каплями при их многократном осаждении и срыве с поверхностей лопаток и корпуса; а также трением, жидких плёнок о поверхности лопаток и корпуса компрессора. В результате снижается внутренний КПД ступеней и компрессора в целом.
5) защита поверхностей лопаток от каплеударной эрозии, возникающей при соударениях с ними капель впрыснутой воды.
По сути, единственным действенным способом предотвращения сепарации капель на поверхности лопаток является осуществление высокодисперсного распыла вводимой воды, при котором капли обладают способностью, двигаясь с воздушным потоком, обтекать лопатки, не соударяясь с их поверхностью. Для этого необходима реализация технологий впрыска, позволяющих обеспечить тонкий распыл впрыскиваемой воды в виде тумана, эффективный (преимущественный) диаметр капель которого не превышает 2 мкм.
Эффективность «влажного» сжатия в первую очередь зависит от интенсивности испарения и теплообмена капель с потоком воздуха, которая начинает резко возрастать при уменьшении эффективного диаметра распыла капель до 3 мкм. Происходит это в результате значительного увеличения суммарной площади поверхности капель, которая, в свою очередь, обратно пропорциональной их среднему диаметру. При этом сепарация капель столь малого размера на поверхности лопаток почти отсутствует, соответственно,
134
резко снижаются и связанные с ней механические потери. Однако даже самые современные механические и пневматические форсунки не позволяют осуществить распыл воды с получением эффективного диаметра капель менее 10 мкм. Поэтому требуется разработка новых технологий сверхвысокодисперсного распыла, позволяющих получить капли размером до 2 мкм. Перспективным направлением тут можно назвать в первую очередь технологию SwirlFlash, разработанную в конце 90-х годов прошлого века голландской фирмой Alpha Power Systems. Суть её заключается во впрыске на вход компрессора через центробежные форсунки воды, перегретой относительно температуры насыщения. При выходе этой воды из каналов форсунок резко падает её давление и в объеме образовавшихся капель происходит взрывное вскипание, в результате которого они дробятся на более мелкие капли. В 2001 году эта технология впервые была реализована на одной из электростанций в Голландии, и в настоящее время внедряется в газотурбинной энергетике.
М. Т. ХУЗЯХМЕТОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. М. КОНАХИН ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Использование теплового насоса при сушке
Интенсификация экономики на основе достижений науки и техники
органически связана с рациональным использованием природных ресурсов. Одновременно с ростом энерговооруженности народного хозяйства все в большей степени становится задача по снижению энергоемкости экономии национального дохода и прежде всего за счет экономии топлива и энергии на конечной стадии их потребления.
Существенную экономию топлива и энергии можно получить при широкой утилизации низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий.
В работе рассматривается использование низкопотенциальных вторичных энергоресурсов горячего воздуха, выходящего из сушильной установки «Джонсон» с температурой 58°С и влагосодержанием 14 г/кг для технологического процесса сушки желатина.
Расчет сушильного агента (воздуха) составляет 38 т.м3/ч. Согласно технологическому регламенту параметры воздуха на входе в сушилку должны иметь следующие параметры: температура- 20-30°С; влагосодержание- 6 г/кг. Эти параметры в настоящее время обеспечиваются установкой «Катабар» с использованием хлористого лития.
Предлогается исключить «Катабар» из процесса подготовки сушильного агента, заменив его теплонасосной установкой (ТНУ) (рис.1). При этом
135
происходит регенерация отработанного сушильного агента. Сушилка с ТНУ позволяет получить замкнутый воздушный контур.
Рабочее тело (хладагент) всасывается компрессором 1, сжимается до давления конденсации КР и направляется в конденсатор 7. Конденсируясь, оно отдает теплоту сушильному агенту, а затем направляется в регулирующий вентиль 2, где дросселируется до давления 0Р . С этим давлением рабочее тело поступает в испаритель 3 и испаряется за счет теплоты отработанного сушильного агента (воздуха), который охлаждается ниже точки росы и при этом осушается. Отделение выделившейся влаги происходит во влагоотделителе (сепараторе) 4, после которого воздух попадает в теплообменник-рекуператор 5. Здесь происходит его предварительный нагрев. Затем воздух направляется в конденсатор теплового насоса 7 и нагревается до требуемой температуры, с которым он вентилятором 8 подается в сушильную камеру 6. Отработанный сушильный агент проходит через теплообменник 5, где за счет его теплоты происходит предварительный нагрев воздуха и далее поступает в испаритель 3, охлаждается и осушается.
Рис.1. Сушильная установка с тепловым насосом. Принципиальная схема ТНСУ с
воздушным теплообменником: 1 - компрессор; 2 – регулирующий вентиль; 3 – испаритель рабочего тела; 4 – сепаратор; 5 – теплообменник- рекуператор; 6 – сушильная камера; 7 – конденсатор рабочего тела;
8 – вентилятор.
136
Применение воздушного теплообменника-рекуператора снижает нагрузку соответственно на испаритель и конденсатор.
Использование ТНУ позволяет сэкономить теплоту в количестве 24390 Гкал/год. За счет снижения себестоимости, капитальные затраты на ТНУ окупаются в течении 3,5 лет. Дополнительно: исключается из применения опасный раствор хлористого лития; отсутствуют выбросы в окружающую среду в виде отработанного сушильного агента, что предотвращает тепловое загрязнение.
М. И. ХАСАНОВ, Р. З. ШАЯХМЕТОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Р. С. АИПОВ ГОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет
Эффективности МТА при энергоаудите в АПК
Решением общей проблемы ресурсосбережения и повышение
эффективности использования машинно-тракторных агрегатов МТА в сельском хозяйстве призвана стать Система добровольной сертификации организаций в области рационального использования и сбережения энергоресурсов (далее Система). Основная идея - задача определить наиболее ёмкие параметры, по которым можно составить критерии ресурсосбережения, повышение эффективности и пути их реализации.
Наиболее значимым критерием для сельского хозяйства является потребление топливно-смазочных материалов. Действительно потребителями более 50% топлива и технического масла в сельском хозяйстве являются (МТА), около 70% которых расходуются на непроизводительные потери. Экономичная работа МТА возможна при систематическом контроле и поддержании удельного расхода топлива (УРТ) в допустимых пределах [1]. Однако УРТ зависит от совокупного влияния разнообразных конструкционных, технологических, природных и эксплуатационных факторов. По исследованиям [1] погрешность определения значений единичных факторов достигает 30-40% и делает невозможным непосредственную сравнительную оценку параметров МТА.
Основными эксплуатационными режимами работы МТА являются: 1 - качество выполняемых работ, 2 – оптимальные скорости работы почвообрабатывающих машин и орудий с одной стороны и значения тяговых мощностей, предельных тяговых усилий и степени загрузки тракторов по тяговой мощности на разных скоростях их движения с другой стороны. В [2] показано противоречие между оптимальным диапазоном рабочих скоростей почвообрабатывающих устройств и минимальными обеспечивающими эффективную работу скоростями движения тракторов. Рекомендовано комплектование МТА с обеспечением их работы на минимально возможной рабочей скорости при максимально возможной степени загрузки трактора по
137
тяговой мощности. Тогда получается, что необходимо одно МТА для вспашки зяби, другое для боронования и т.д. Причем для каждого навесного оборудования скорее потребуется свой, с соответствующими параметрами трактор, иначе МТА выйдет из оптимального режима работы, что дискредитирует эту идею.
Как видим, решение аудиторской проверки рационального использования и сбережения энергоресурсов оказывается сложным, т.к. во главу угла должно быть поставлено качество работы МТА (выполнение технологического процесса).
Предлагается использовать два приведенных принципа рационального использования и сбережения энергоресурсов, объединив их на уровне МТА, когда подбирается его состав, в зависимости от которого будут задаваться начальные условия для агрегатов. Этот принцип, назовем его аудиторским, применяется например, при рациональном использовании и сбережении энергоресурсов в электрических сетях [3]. Когда выбираются не более трех критериальных условий аудируемой системы и с ними производят необходимые действия для получения реальных параметра. Большее количество критериев приводит к простому удорожанию проекта и не несет дополнительной полезной информации.
Безусловно, основополагающим показателем оценки рационального использования и сбережения энергоресурсов является удельный расход топлива, однако данная величина должна быть взаимосвязана с технологическими параметрами, один из которых обязательный - выполнение технологического процесса, а другой - иметь возможность судить об эффективности использования топлива. При работе МТА основной нагрузкой является «крюковая», поэтому дополнительным критерием оценки возможно использование величины тягового сопротивления. Постоянное измерение и контроль величины тягового сопротивления, и сопоставление данной величины с удельным расходом топлива позволит оптимизировать работу МТА. Для каждой передачи выявляется оптимальная величина тягового сопротивления и соответствующий ему уровень расхода топлива. Величина тягового сопротивления должна быть близка к «максимальной», при которой отсутствует наличие буксования движителей МТА. Управление трансмиссией МТА осуществляется в зависимости от величины тягового сопротивления и от степени его изменения.
Полученные данные эксплуатации техники позволят повысить эффективность использования энергоресурсов в процессе выполнения полевых работ, показав реальные критерии для аудиторской оценки работы МТА. Предварительные подсчеты показали, что использование приведенных критериев на одном МТА вдвое сокращает непроизводительные потери и повышает точность определения значений факторов необходимых для анализа её работы.
138
Кроме того, предлагаемый принцип позволяет оптимально производить компоновку МТА в зависимости от имеющегося парка трактор – сельхозмашина.
Список литературы 1. Кунафин А.Ф. Оперативный контроль расхода топлива машинно-тракторного агрегата. - 2005 – МЭСХ № 11– С.26-28. 2. Пути снижения энергозатрат при работе тракторов с почвообрабатывающими машинами. – http//mehanizm.inf.ua/?p=216 3. Шаяхметов Р.З. К вопросу энергосбережения в сельском хозяйстве/ Тез. докл. на Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК», ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», Уфа, март. 2010г.
Д. Ю. ПАШАЛИ, А. Г. СОЛЕНОК, Р. В. ГАРИПОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Ю. В. АФАНАСЬЕВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Технологичность электрооборудования атомной энергетики
Сложившаяся структура электрогенерации в стране преимущественно
ориентирована на традиционные источники энергии: природный газ, нефть, уголь, гидроэнергетику. Последнее десятилетие характеризуются неуклонным повышением цен на углеводороды, снижением темпов добычи сырья, отсутствием новых крупных месторождений и оскудением уже используемых. Кроме того, наращивание электрогенерации за счет использования на ТЭС угля ведет к значительным выбросам в атмосферу парниковых и токсичных газов, тяжелых металлов и золы. Решить проблемы, связанные с энергетической безопасностью страны, способна атомная энергетика. Это одна из наиболее перспективных отраслей энергетики [1]. Одним из направлений деятельности ФГУП УАПО является производство взрывозащищенных асинхронных двигателей (далее ВАД) для атомной энергетики. Совместно с кафедрой электромеханики, УГАТУ за последние 10 лет предприятием внедрены свыше 70 типоисполнений ВАД. С целью повышения технологичности ВАД требуется глубокий, тщательный, всесторонний анализ по разделению выпускаемых ныне изделий на группы со своими размерными и функциональными особенностями по маркировке взрывозащиты и оценке по параметру et При качественном анализе различают: технологичность формы (конфигурация исходных заготовок, деталей и сборочных единиц) и размерную технологичность (назначение номинальных размеров, их точности на основе расчета размерных цепей и использования предпочтительных посадок; рациональная «технологическая» расстановка размеров). При этом показатели технологичности должны корректироваться с учетом достижения нужных параметров обеспечения взрывозащиты.
139
Основу качественного анализа технологичности формы ВАД, составляют следующие положения: • конструкции заготовок деталей (корпус, щит, коробка выводов),
изготавливаемых методом литья, должны: иметь простое внешнее очертание – без резких углов, высоких ребер; обеспечивать направленное затвердевание металла и достаточную сопротивляемость усадочным и термическим напряжениям; иметь припуск на механическую обработку и минимальное количество обрабатываемых поверхностей; иметь толщину стенки, удовлетворяющую условиям заливки металла и требованиям взрывозащитных свойств оболочки двигателя;
• в конструкциях деталей и заготовок, изготавливаемых штамповкой целесообразно: применять ребра жесткости, загибку фланцев, отбортовку; исключать при выборе конфигурации детали и ее развертки сложные кривые внутренних откосов; предусматривать использование отходов внутреннего контура листового материала (наружный контур одной детали располагать рядом или совмещать с наружным контуром другой); учитывать соответствие механических свойств материала требованиям прочности и жесткости детали; использовать возможность применения менее прочного металла при формоизменяющих операциях с учетом фактора упрочнения; унифицировать максимально сортаменты материалов (в особенности наиболее дорогой электротехнической стали).
Рекомендации по размерной технологичности: предельная точность штампованной детали в направлении движения подвижной части штампа должна быть в пределах: ± 0,05…± 0,10 мм, а в перпендикулярном направлении +0,02…+0,05 мм. Шероховатость поверхности =Ra 10 – 1,6 мкм; для листовой холоднокатаной электротехнической стали допуски должны быть в пределах: ± (0,08 – 0,1)s при толщине листа 5,15,0 ÷=s мм; ± (0,06 – 0,08)s – при толщине
5,35,1 ÷=s мм; ± (0,03 – 0,06)s – для ленточной стали. Исследование технологичности проводилось на девяти типах двигателей.
На основе конструкторских расчетов снижены массогабаритные показатели ряда исполнений двигателей, проведена унификация конструкций деталей, узлов и материалов активных частей. При этом использовались: качественный анализ технологичности по изложенным выше и в [2] требованиям, а также количественный по удельным показателям: трудоемкости технологической себестоимости, материалоемкости и по коэффициентам унификации и использованию материалов.
При унификации активных материалов достигается существенная экономия оборотных средств на программу выпуска двигателей мощностью 0,2 кВт составляет 19 % при этом, как показал эксперимент, происходит: увеличение скольжения при номинальной нагрузке на 23 %, рабочего тока на 14 %, а уменьшение момента при номинальном скольжении на 15 % и КПД на 8,5 %. Результаты такого же порядка следует ожидать на других типоразмерах.
140
Список литературы 1. Гаврилов П. А. Энергоэффективные и энергобезопасные технологии XXI на ФГУП «Горнохимический комбинат» (www.energy.vestsnab.ru, дата обращения 29.09.2010). 2. Исмагилов Ф.Р. Технологичность конструкции взрывозащищенных машин – важнейший фактор повышения качества и снижения их стоимости / Ф. Р. Исмагилов, Ю. В. Афанасьев, Ю. Г. Порошин, Д. Ю. Пашали, М. А. Давыдова // Электротехнические комплексы и системы. Межвузовский научный сборник – Уфа: изд-во УГАТУ – 2008. С. 128-138.
И. Х. ХАЙРУЛЛИН, Д. Р. ФАРРАХОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Энергосбережение при испытаниях электрических машин Автоматизация испытаний электрических машин позволяет получить
объективные и достоверные результаты испытаний, ускорить проведение контрольных измерений и повысить производительность труда [1].
Из всех видов электрических машин наибольший объем выпуска имеют асинхронные низковольтные двигатели [1]. Поэтому автоматизация и повышение энергоэффективности процесса испытаний асинхронных двигателей может дать серьезный экономических эффект.
С точки зрения экономичности выгодна схема испытания двигателей по методу взаимной нагрузки. В этом случае две электрические машины соединены электрически и механически так, что одна из них, работает в режиме генератора и отдает всю вырабатываемую ею электрическую энергию второй электрической машине, работающей в режиме электродвигателя. С появлением преобразователей частоты с возможностью рекуперации стало возможно использовать эту схему для испытания асинхронных двигателей [2].
Кафедра Электромеханики ФАП УГАТУ имеет опыт разработки автоматизированных испытательных стендов для электрических машин и поршневых ДВС с рекуперацией энергии в сеть.
Стенды имеют следующую конструкцию (рис. 1). В качестве нагрузочной машины применяется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Питание двигателя осуществляется от преобразователя частоты фирмы ABB. Информация от датчиков подается на входы ПЧ или на микроконтроллер. Персональный компьютер считывает эту информацию из регистров преобразователя или получает от МК для отображения, обработки и хранения.
На рис. 1 используются следующие обозначения: ПК – персональный компьютер; ПЧ – преобразователь частоты; M – измеритель момента; n – датчик частоты вращения;
141
Стоп – стопор вала для опыта короткого замыкания; РН – регулятор напряжения питания испытуемой машины; ИМ – измеритель мощности. Частотный преобразователь позволяет точно выдерживать заданную
частоту вращения и нагрузку на валу, а также своевременно их изменять.
Рис 1. Схема испытательного стенда.
Применение преобразователей частоты с возможностью рекуперации энергии торможения в сеть позволяет снизить потребление электроэнергии во время ряда испытаний. Так, если принять КПД ИМ = 0,85 – 0,90; КПД АД = 0,87; КПД ПЧ = 0,90, тогда КПД рекуперации составит
КПД Рекуперации = КПД ИМ · КПД АД · КПД ПЧ = 0,67 – 0,70. Таким образом, до 70 % энергии, потребляемой испытуемой машиной,
отдается обратно в сеть. Список литературы
1. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. Учеб. Для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2000. 2. Бейерлейн Е.В. Энергосберегающие технологии испытания электрических машин переменного тока средних и больших мощностей. – ТПУ ЭЛТИ.
142
Ю. Ф. ШАРТДИНОВА Научн. руковод. – д-р техн наук, профессор И. Х. ХАЙРУЛЛИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Борьба с гололедом на ЛЭП
Как известно, при эксплуатации протяженных воздушных линий
основным методом борьбы с гололедом является плавка за счет нагревания проводов протекающим по ним током [1]. Существует достаточно большое количество схем плавки гололеда, определяемых схемой электрической сети, нагрузкой потребителей, возможностью отключения линий и другими факторами. Выбор оптимального режима плавки, как по всей линии электропередачи, так и на отдельных участках может обеспечить существенную экономию.
Эксплуатационный персонал ВЛ контролирует процесс гололедообразования и обеспечивает своевременное включение схем плавки гололеда. ВЛ, на которых производится плавка гололеда, оснащаются сигнализаторами гололеда, работоспособность которых проверяется ежегодно перед наступлением зимнего периода.
Ледяную корку на высоковольтных линиях ликвидируют, нагревая провода постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры 100—130°С. Сделать это проще всего, замкнув накоротко два провода (при этом от сети приходится отключать всех потребителей) [4].
В линиях значительной длины и сечения из-за относительно большой их индуктивности напряжение источника переменного тока при частоте f = 50 Гц, а соответственно и его мощность должны быть в 5—10 раз больше по сравнению с источником постоянного тока той же силы [5]. Поэтому экономия электроэнергии обеспечивается при плавке постоянным током, хотя для этого необходимы мощные высоковольтные выпрямители. Переменный ток применяют обычно на высоковольтных линиях напряжением 110 кВ и ниже, а постоянный — выше 110 кВ.
Таким образом, плавка гололёда током — довольно неудобное, сложное, опасное и дорогостоящее мероприятие. Кроме того, очищенные провода при сохранившихся климатических условиях вновь обрастают льдом, который требуется плавить снова и снова.
Следует отметить, что плавка гололеда должна проводиться в районах интенсивного гололедообразования ( b > 20 мм) с частой пляской проводов. В других случаях применение плавки гололеда должно обосновываться технико-экономическими расчетами.
Так же известны такие методы борьбы как использование скин-эффекта и бегущей волны.
Скин-эффект состоит в том, что токи высокой частоты, в отличие от постоянного тока, не распределяются равномерно по сечению проводника, а концентрируются в очень тонком слое его поверхности, толщина которого
143
при частоте f > 10 кГц составляет уже доли миллиметра, а сопротивление проводов возрастает в сотни раз.
Электромагнитные колебания высокой частоты могут распространяться в свободном пространстве (при излучении антенной) и в волноводах, например, в так называемых длинных линиях, по которым электромагнитная волна скользит, словно по рельсам. Такой длинной линией может служить пара проводов линии электропередачи. Чем больше сопротивление проводов линии, тем большая часть энергии электромагнитного поля бегущей вдоль линии волны преобразуется в тепло [2].
В последнее время интенсивная работа ведется в области конструирования новых линий электропередач. Эти линии направлены на предотвращение образования гололеда за счет увеличения сопротивления внешнего диаметра провода, что приводит к нагреву проводника. Так же представляет интерес действия электромагнитных сил, возникающих в ЛЭП применительно к борьбе с гололедом. Конечно, замена всех ВЛ должна обосновываться технико-экономическими расчетами.
Список литературы 1. Дьяков А. Ф., Засыпкин А. С., Левченко И. И. Предотвращение и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. — Пятигорск: Изд-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000. 2. Каганов В. И. Колебания и волны в природе и технике. Компьютеризированный курс. — М.: Горячая линия — Телеком, 2008. 3. Левченко И. И., Засыпкин А. С., Аллилуев А. А., Сацук Е. И. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 4. Рудакова Р. М., Вавилова И. В., Голубков И. Е. Борьба с гололёдом в электросетевых предприятиях. — Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 1995. 5. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. — М.: Наука, 1974.
Е. В. ПАРФЕНОВ, Т. Ю. ВАВИЛОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент И. В. ВАВИЛОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Нейросетевой комплекс прогнозирования
городского энергопотребления «Энергопрогноз-ИИ» На данный момент, в условиях сформировавшейся новой модели
электроэнергетики и при активном росте потребления электроэнергии, необходима разработка новых подходов к энергосбережению. Системы прогнозирования электропотребления являются необходимым инструментом при принятии эффективных экономических решений. Наиболее важным является краткосрочный прогноз на ближайшие 1-2 суток, так как он позволяет
144
определить планируемые объёмы покупки, продажи электроэнергии и мощности, и формировать графики загрузки генерирующих мощностей и потребления мощности на каждый час на сутки вперёд, с максимальной погрешность не более 5% в 95% случаев.
Для создания прогнозной модели проводился взаимный корреляционный и спектральный анализ экспертно назначенных факторов, оказывающих влияние на энергопотребление. Выявлены следующие непрерывные и дискретные факторы: час, день, месяц, год, температура воздуха, скорость ветра, его направление, облачность, осадки, наличие федерального и регионального праздника, их перенос на понедельник (Новый год отдельно), выборы, наличие отопительного сезона. По результатам спектрального анализа показано, что колебания энергопотребления имеют две значительные гармоники, соответствующие суточному изменению энергопотребления; также проявляются недельные колебания с частотой в 7 раз меньше. Данные автокорреляционного анализа энергопотребления указывают на значимость лаговых переменных, т.е. энергопотребления 1, 2, 23, 24, 48, 72, 96, 120, 144 и 168 часов назад. В результате была сформирована база данных для обучения нейронной сети, содержащая почасовые значения факторов и отклика за 3 года, что составило порядка 25000 обучающих примеров, содержащих 16 факторов и до 10 лаговых переменных. Ввод базы данных осуществляется из электронных таблиц Excel, а текущих значений факторов – с помощью основного окна комплекса (рис. 1)
Рис. 1. Основное окно программы «Энергопрогноз-ИИ»
145
В качестве ядра нейросетевой системы были протестированы сети различной архитектуры: многослойные сети прямого распространения с 2 и 3 скрытыми слоями и сети с радиальной базисной функцией. Показано, что сети прямого распространения не могут быть обучены на базе данных такого объема с помощью типичного компьютера типа Pentium 4, максимальный обучаемый объем базы данных не превышает 6500 строк, что не позволяет с требуемой точностью осуществлять прогноз. Применение сетей с радиальной базисной функцией позволило создать нейросетевой ядро, способное обучаться значительному объему информации с требуемой точностью (рис. 2а) и осуществлять прогноз, не превышая заданную погрешность (рис. 2б), при этом время обучения такой нейросети составляет порядка 1 минуты, а время расчета прогноза – не более 2 минут.
(а) (б)
Рис. 2. Результаты обучения нейросети (а) и прогнозирования (б)
Таким образом, разработанный нейросетевой комплекс «Энергопрогноз-
ИИ» (Рег.№ 2005610988 от 22.04.2005 г.) позволяет прогнозировать энергопотребление муниципальных образований, что при соответствующем менеджменте способствует сбережению электроэнергии.
А. А. ТРУНОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Г. БАКИРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Анализ эффективности электрических устройств для нагрева воды
В настоящее время широкое применение в отоплении и горячем
водоснабжении нашли устройства, использующие для нагрева теплоносителя (например воды) электроэнергию. Такие нагреватели применяются в основном
146
в частных жилых домах, дачных домах и других сооружениях, лишенных централизованного снабжения природным газом.
Существует множество нагревательных аппаратов имеющих различную конструкцию и принцип действия. Наиболее распространенными из них являются устройства, преобразующие электроэнергию в тепло, используя сопротивление нити накаливания – ТЭНы. Трубчатый электронагреватель (ТЭН) представляет собой металлическую трубку, заполненную теплопроводящим электрическим изолятором. Точно по центру электрического изолятора (сердцевины ТЭНа), проходит токопроводящая нихромовая нить определённого сопротивления для передачи необходимой удельной мощности на поверхность ТЭН.
На сегодняшний день, многие фирмы предлагают на рынке электронагревателей свои приборы, в основе которых лежат совершенно иные принципы действия. Причем их характеристики эффективности, представляемые производителем в рекламных буклетах, весьма высоки. Порой, эти цифры кажутся просто фантастическими, но фирмы-производители объясняют столь высокую эффективность революционными технологиями и уникальными конструкционными решениями, использованными в их аппаратах.
Разумеется, прежде чем покупать такое оборудование, каждый инженер должен самостоятельно оценить достоверность его характеристик, проанализировать полученные результаты и выбрать оптимальное решение.
Рассмотрим электрические нагреватели воды трех конструкций: вихревой теплогенератор Потапова; гидродинамический нагреватель ТЕК; трансзвуковой струйный аппарат (ТСА).
Для оценки эффективности аппаратов определяется их энергетический КПД, эксергетический КПД, а также сравнивается генерируемое ими количество теплоты с теплотой, получаемой от идеального теплового насоса, потребляющего ту же электрическую мощность.
Отдельно стоит остановиться на целесообразности выбранного способа оценки. Расчет энергетического КПД устройств позволяет установить, достоверны ли заявленные характеристики аппаратов и не противоречат ли эти данные основным законам термодинамики.
Расчет эксергетического КПД дает возможность судить о действительной тепловой экономичности. Как известно, эксергия (от греч. ex — приставка, обозначающая здесь высокую степень, и érgon — работа) определяет максимальную работоспособность рабочего тела в реальных условиях, поскольку учитывает и запас располагаемой работы, и ту часть энергии, которую невозможно получить от рабочего тела (т.е. связанную энергию, необратимо теряемую). Иными словами, эксергия определяет качество энергии, возможность её эффективного использования.
Сравнение количества теплоты, вырабатываемого аппаратами с количеством теплоты, получаемой от теплового насоса той же электрической
147
мощности, позволяет выбрать наиболее выгодное решение для отопления и ГВС.
Расчеты производятся исходя из технических характеристик аппаратов, указанных в рекламных брошюрах. Результаты соответствующих расчетов показали, что энергетический (тепловой) КПД вихревого теплогенератора Потапова и гидродинамического нагревателя оказались соответственно 1,06 и 1,5, т.е. полезная работа, производимая этими устройствами, больше затрачиваемой электроэнергии, что противоречит второму началу термодинамики. КПД трансзвукового струйного аппарата (ТСА) получился очень близким к единице, что в данном случае неудивительно, так как упрощенно ТСА представляет собой подогреватель смешивающего типа. То есть почти вся теплота используемого для подогрева пара передается нагреваемой воде, за исключение потерь тепла в окружающую среду через корпус аппарата.
Эксергетический КПД рассмотренных аппаратов довольно мал. Это объясняется тем, что в принципе действия гидродинамического нагревателя ТЕК-4 и вихревого теплогенератора Потапова лежат превращения электрической энергии в механическую энергию движения воды, а затем тепловую. Помимо того, что при каждом преобразовании энергии будут иметь место потери, само по себе превращение более качественной электрической энергии (почти 100% электрической энергии составляет её полезная часть - эксергия, то есть электроэнергию можно полностью полезно использовать) в низкокачественную тепловую, работоспособность которой мала. При всем этом, количество тепла, вырабатываемого этими устройствами в 5-8 раз меньше, чем теплота получаемая от теплового насоса той же мощности. Единственным недостатком теплового насоса в данном случае является необходимость наличия источника низкопотенциального тепла.
Использование же трансзвукового струйного аппарата может оказаться вполне рентабельным в промышленности и энергетике. ТСА хорошо подходит для замены громоздких подогревателей смешивающего типа, так как довольно малых размерах обеспечивает высокую производительность и позволяет сэкономить пространство цеха.
И. И. КАДЫМОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Ф. Р. ЛАТЫПОВ, канд. техн. наук, доцент М. Ф. МУГАФАРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Исследование тепловых потерь многоэтажного жилого дома
при разных углах обтекания воздухом
На теплоотдачу от наружной поверхности стен зданий влияет сила ветра и характер обтекания здания набегающим потоком воздуха. Ветровой поток
148
возле дома деформируется, завихряется и зонально турбулизируется. Поток над кровлей в заветренной зоне движется вниз. Часть воздушной массы возле дома нагревается, меняет свою плотность, создавая дополнительный эффект свободной конвекции.
Несмотря на экспериментальные и компьютерные модельные исследования линий тока, зон завихрений и избыточных давлений на поверхностях при обтекании зданий различной формы [1, 2], нет полной ясности о взаимосвязи аэродинамических показателей и локальных коэффициентов теплоотдачи. С целью более четкой детерминации указанных связей нами проводится комплекс экспериментальных и модельных компьютерных исследований взаимодействия стандартного пятиэтажного дома («хрущевки») с набегающим потоком воздуха.
Модель трехподъездного пятиэтажного дома размерами 16×16×64 м имела 70 окон – 1,1×1,4×0,1 м (вделанных в поверхность стен), 24 выступающих балкона (0,75×2,1×1,1 м). толщина кирпичных стен 0,6 м. Температура внутри дома принималась +22 ºС, температура наружного воздуха -10 ºС.
Для численного моделирования использовалась специальная компьютерная программа COMSOL Multiphysics. Сопряжено решались два уравнения - Навье-Стокса (для потока воздуха огибающего контуры дома) и теплопроводности пристенного слоя воздуха, в области, прилегающей к ограждениям здания. Поверхностный слой воздуха разбивался на сеть из пирамидальных элементов, под которую создавались алгебраические матрицы с трехдиагональной структурой с 106 элементами. Расчет температурного поля пристенных областей осуществлялся итерационным численным методом апроксимационного приближения. Использовался итерационный алгоритм GMRes с относительной навязкой 10 - 4.
На рис.1 показана аэродинамическая картина обтекания модельного дома с линиями изотерм и «сечением» температурного поля в пристенной центральной области, рассчитанная по программе COMSOL.
Была изготовлена уменьшенная в 60 раз теплофизическая модель исследуемого дома. Вблизи поверхности модели с помощью гребенки прототборников (10 отборников Ø 0,75мм через 6мм) и регистрирующего чувствительного датчика полных давлений (∆p=±5Па) измерялась эпюра распределения локальных давлений. Кроме этого на поверхности дома были установлены 10 кондуктометрические датчики тепловых потоков, которые позволяли измерять локальные коэффициенты теплоотдачи.
Воздушный поток создавался от вентилятора мощностью 500 Вт. Модельный дом находился на вращающейся подставке, позволяющей задавать разные углы атаки воздушным потоком.
149
Рис. 1. Аэродинамическая картина обтекания модельного дома, рассчитанная по программе
COMSOL. Эксперименты по исследованию теплоотдачи модельного дома пока
далеки от завершения. Но на данном этапе изучения процесса обтекания модели можно сделать некоторые текущие выводы:
1. Интенсивность суммарной теплоотдачи от внешних поверхностей модели на регулярном тепловом режиме при заданном угле атаки набегающего потока «ветра», как и предполагалось, зависит от определяющих критериев подобия Re, Gr, Pr. Причем, как определяющий размер для критерия Re, решающее значение имеет характерный размер дома lv [3], а для критерия Gr – его абсолютная высота h.
2. При разных углах атаки набегающего потока «ветра» и переменных режимах отопления модельного здания, важным показателем, определяющим изменение теплопередачи через ограждения здания, становится использованный нами ранее модифицированный критерия теплового подобия Померанцева В.В. Po3.
Список литературы 1. Реттер Э.И. Архитектурно-строительная аэродинамика.–М.:Стройиздат, 1984. 294 с. 2. Гувернюк С.В., Гагарин В.К. Компьютерное моделирование аэродинамического воздействия на элементы ограждений высотных зданий //АВОК, 2006. N8.– C. 18-24;2007. N1. – С.16 – 22. 3. Латыпов Ф.Р., Мамаев И.Р., Фаррахов Р.Г. и др. Модифицированный критерий подобия Померанцева для анализа энергоэффективности автоматического теплоснабжения многоэтажных жилых домов //Матер. науч.-технич. конф. по энерго- и ресурсосбережениям, 6–9 дек. 2005г.–Екатеринбург: Изд-во УГПУ, 2005. – С.84-88.
150
С. В. ГУРИН, И. П. АФАНАСЬЕВ, Р. И. ВАЛИАХМЕТОВ ОАО «Башкирэнерго»
Пути повышения энергоэффективности
и энергосбережения на объектах энергетики
В новых экономических условиях современной российской энергетики, связанных с полной либерализацией рынка электрической энергии и мощности, ввода в действие конкурентного отбора мощности и требований по участию в нем, перевода тарифов на RAB-регулирование и появлением ряда других нововведений в энергетике, от энергетических компаний требуется повышение эффективности производства [1-3]. При этом существуют два основных пути развития: установка нового современного оборудования с высоким КПД и повышение энергоэффективности существующего оборудования.
Известно, что основное используемое оборудование в российской энергетике было установлено в 50-70 гг. прошлого века, и сейчас оно существенно отстает в техническом плане от современных аналогов. Если рассматривать перспективы развития в горизонте 10-15 лет, то очевидно, что энергокомпаниям, особенно владеющим генерирующими мощностями, придется существенно обновить парк используемого оборудования, для того чтобы быть конкурентоспособными на рынке и соответствовать требованиям законодательства, которое с каждым годом будет ужесточаться и требовать применения более эффективных технологий[4].
Новое строительство энергообъектов требует больших денежных средств и характеризуется достаточно длительным сроком, как строительства, так и окупаемости построенных объектов. Правительство РФ, понимая проблемы энергетиков, на законодательном уровне проводит политику, направленную на стимулирование вложения средств в энергетику. Так, существенно повысить окупаемость нового строительства генераторов электрической энергии позволяют договора поставки мощности (ДПМ), когда на этапе строительства объект решением Правительства РФ включается в список генерирующих объектов, для которых инвестор имеет право заключать ДПМ. При вводе объекта в эксплуатацию это обеспечивает ему определенные конкурентные преимущества.
Если же рассматривать ближайшее перспективы, то здесь основная роль должна уделяться повышению эффективности работы установленного оборудования, автоматизации, уменьшению условно-постоянных затрат и снижению как технологических потерь, так и затрат на собственные нужды.
В настоящее время проводимые мероприятия можно условно разделить на четыре уровня. Первый связан с заменой элементов оборудования на более современное и эффективное. В качестве примера можно привести модернизацию проточной части цилиндров турбины с заменой роторов, замену существующих оросителей градирен на современные полимерные, замену воздушных выключателей на элегазовые и т.п. Второй уровень связан с
151
установкой либо модернизацией вспомогательного оборудования для уменьшения затрат на собственные нужды. Здесь в качестве примера можно отметить внедрение частотно-регулируемых приводов и гидромуфт в приводах электронасосов, использование пластинчатых теплообменников, модернизацию питательных насосов, установку паровинтовых машин взамен дросселирующих устройств и т.п. Третий уровень – это внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), которые позволяют более эффективно вести технологический процесс и свести к минимуму ошибки персонала, а также систем коммерческого учета электрической и тепловой энергии (АСКУЭиТЭ). Что касается четвертого уровня, то это оптимизация технологических схем как в части их структуры, так и в части используемых материалов. Это направлено на снижение потерь при транспортировке энергоресурсов как за счет изменения трассировки труб и исключения ряда арматуры, изменения диаметров используемых труб либо сечения кабеля, применения труб и кабелей с современной изоляцией, возврат теплоносителей в цикл станции и т.п.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что развитие российской энергетики в 2010-2015 гг. будет направлено по повышение эффективности работы существующего оборудования, с одновременным строительством и вводом в эксплуатацию нового современного оборудования с высоким КПД для его последующей эксплуатации.
Список литературы 1. Федеральный закон от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». 2. Федеральный закон от 27 июля 2010 года № 190-ФЗ "О теплоснабжении" 3. Постановление Правительства Российской Федерации от 13 апреля 2010 года № 238 «Об определении ценовых параметров торговли мощностью на оптовом рынке электрической энергии (мощности) переходного периода». 4. Доронин, А.Ю., Афанасьев, И.П., Гурин, С.В. Развитие газотурбинных и парогазовых технологий в энергетике Республики Башкортостан - // LVII научно-техническая сессия РАН по проблемам газовых турбин «Научно-технические проблемы производства и эксплуатации наземных газотурбинных установок». – Уфа, 21-24 сентября, ОАО «ВТИ», 2010. – С.7-16.
Р. Д. КАРИМОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. Х. ХАЙРУЛЛИН. ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Увеличение коэффициента полезного действия в силовых трансформаторах
В настоящие время в стране наблюдается рост потребления
электроэнергии, что приводит к необходимости строительства новых
152
подстанций, что вызывает потребность в производстве трансформаторов. В наше время к трансформаторам предъявляются высокие международные требования, один из которых является высокий коэффициент полезного действия устройства, который может быть удовлетворен в случае применения высококачественных комплектующих материалов, а так же новых технологий при изготовлении.
Целью анализа является увеличения коэффициента полезного действия трансформатора. Для этого необходимо использовать новые материалы и способы их обработки, совершенствовать технологии шихтовки и сборки магнитопровода, а так же использовать новые технологии изготовления обмоток.
Одной из передовых и наиболее совершенных технологий изготовления магнитной системы является метод шихтовки Step-Lap [1]. Конструкция магнитной системы не является сложной, но содержит множество компонентов. Магнитная система собирается из слоев электротехнической стали. В терминологии Step-Lap слой называется шагом, несколько шагов с постоянным смещением перекрытия 7-15 мм образуют цикл, несколько циклов с одинаковой шириной листа электротехнической стали образуют пакет. Набор магнитной системы из пакетов с разной шириной пластин позволяет вписывать сечение стержня в окружность. Данный метод обеспечивают снижение потерь холостого на 15-20% по сравнению с действующими стандартами [2].
Использования этой технологии в современном трансформаторостроении позволит достичь более высоких КПД.
Список литературы 1. Силовые трансформаторы. Справочная книга/Под ред. С.Д. Лизунова,
А.К. Лоханина.-М.:Энергоиздат, 2004.-616с 2. Бахарев Н.П., Канивец А.В. Математическая модель проектирования
магнитной системы силового трансформатора// Электро.-2009. -№ 1.- С. 43-45.
М. Н. МУСИН Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Г. БАКИРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Проблемы организации распыла перегретой воды
при её впрыске в компрессорах ГТД
Для повышения эффективности «влажного» сжатия в компрессорах ГТД и увеличения тем самым КПД и удельной мощности ГТД требуется осуществление высокодисперсного распыла впрыскиваемой воды, при котором эффективный диаметр капель не превышает 2-3 мкм. Применяемые в настоящее время для впрыска воды механические и пневматические форсунки не обеспечивают столь тонкий распыл – минимально достижимый диаметр капель при их использовании составляет около 10 мкм. Поэтому актуален
153
поиск принципиально новых технологий распыла. Одним из наиболее перспективных методов представляется впрыск воды сильно перегретой относительно температуры насыщения. При истечении такой перегретой воды из сопла распылителя давление в ней резко падает и происходит взрывное вскипание образующихся капель или плёнок воды, которые, в результате, дробятся на ещё более мелкие капли.
Для практического применения впрыска перегретой воды в тракт компрессора ГТД необходимо иметь данные о зависимости дисперсного состава образующихся капель, формы и размеров факела распыла от начальных параметров впрыскиваемой воды, типа и геометрической формы форсунок и других факторов. Для организации впрыска в промежуточные ступени компрессора особенно важным является определение расстояния от среза форсунки, на котором образуются капли требуемого размера.
Экспериментальное исследование [1] показало, что распределение по размерам капель перегретой воды температурой 240°С, распыленной центробежной форсункой, носит бимодальный характер. При этом одна часть, составляющая примерно 65% (по массе) капель имеет диаметр менее 2 мкм, другие 35% капель имеют диаметр в диапазоне 5–15 мкм. Кроме того, было отмечено «шнурование» факела распыла, при котором капли малого размера (менее 3 мкм), образующиеся в результате взрывного вскипания обладают столь малой инерционностью, что сразу же увлекаются воздушным потоком. [2] Это ведет к уменьшению угла раскрытия факела распыла. Интенсивность «шнурования» потока капель увеличивается (чему соответствует уменьшение угла раскрытия факела распыла) как при росте температуры впрыскиваемой воды, из-за уменьшения средних размеров капель, так и при увеличении скорости сносящего потока воздуха. Центральная часть факела распыла образована воздушно-парокапельной струёй, сформированной потоком пара от выхода из канала форсунки, образующимся при взрывном вскипании впрыскиваемой перегретой воды. По мере удаления от среза форсунки парциальное давление пара в этой струе постепенно снижается в результате её разбавления потоком воздуха. Попадающие в периферийную область факела (с низким парциальным давлением) капли испаряются, снижая тем самым температуру потока воздуха. Таким образом, на периферии факела формируется кольцевая зона пониженной температуры. Однако снаружи этой холодной кольцевой зоны температура воздуха остается неизменной [3]. Описанное явление «шнурования» потока капель необходимо учитывать при разработке методов теплового и газодинамического расчётов и проектировании систем впрыска перегретой воды в тракт компрессора ГТД.
Для реализации рассматриваемого процесса в целях повышения эффективности ГТД, необходима разработка физической модели поведения жидкой фазы в проточной части компрессора при впрыске перегретой воды. Определение условий оптимального впрыска воды (величины перегрева воды относительно температуры насыщения, давления впрыскиваемой воды, размеров проточной части компрессора, места ввода воды, степени повышения
154
давления компрессора, количества впрыскиваемой воды и др.) возможно только при наличии адекватной физической модели исследуемого процесса, учитывающей все его значащие факторы.
В частности, необходимо оценить интенсивность негативных факторов сопутствующих распылу перегретой воды, таких как возможный подогрев воздуха впрыскиваемой перегретой водой.
Важным вопросом проектирования системы впрыска является выбор схемы ввода воды в тракт компрессора ГТД, определяющей распределение вводимой воды по длине тракта и по высоте проточной части, (впрыск перед входом в компрессор, распределённый впрыск по ступеням и т.п.), при которой впрыск будет иметь наибольший положительный эффект при разумных стоимости и сложности изготовления системы.
Актуальной задачей является создание программы расчёта параметров процесса сжатия воздуха в компрессоре, в котором реализован впрыск перегретой воды, и её интеграция в программный комплекс расчёта параметров термодинамического цикла ГТД.
Список литературы 1. Распыление перегретой воды: результаты экспериментальных исследований / Домбровский Л.А., Залкинд В.И., Зейгарник Ю.А. и др. // Теплоэнергетика. 2009. №3. С. 12 – 20. 2. Особенности поведения жидкой фазы в высокооборотных компрессорах конверсионных ГТУ и их влияние на характеристики и эффективность влажного сжатия / Р.Р. Григорьянц, В.И. Залкинд, Ю.А. Зейгарник и др. // Теплоэнергетика. 2007. №4. С. 55 – 63. 3. Некоторые аспекты распыла перегретой воды при взрывном вскипании / В.М. Батенин, В.И. Залкинд, Ю.А. Зейгарник, В.Л. Низовский // Доклады академии наук. 2010. Т.431. №3. С. 326–329.
И. И. ЯМАЛОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Энергосберегающие технологии с использованием преобразователей частоты на предприятиях топливно-энергетического комплекса
Энергосбережение для всех предприятий топливно-энергетического
комплекса является одним из определяющих факторов достижения более высоких показателей экономического развития. Одним из направлений, обеспечивающих наибольший экономический эффект и, самое главное, не требующих инвестиций на проведение каких-либо исследований и опытно-конструкторских работ, является внедрение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП).
155
На производственных объектах значительное количество электроэнергии потребляется электродвигателями с низким коэффициентом использования. Как правило, мощность установленных электродвигателей выбирается в расчёте на максимальную производительность оборудования, несмотря на то, что часы пиковой нагрузки составляют всего 10—15% от общего времени его работы. В результате среднесуточное потребление электроэнергии двигателями оказывается значительно (иногда на 60%) больше показателя, требуемого для обеспечения оптимального технологического процесса. Существующие способы регулирования производительности и других технологических параметров оборудования (дросселирование расхода перекачиваемого продукта, замена стандартного электродвигателя специальным, поочередное включение насосов) практически не позволяют снизить потребление электроэнергии, но приводят к увеличению количества оборудования и усложнению эксплуатации систем.
При оснащении электродвигателя преобразователем частоты появляется возможность обеспечивать оптимальный режим работы оборудования — путём регулирования частоты вращения электродвигателя, при котором достигается максимальный эффект энергосбережения и щадящий режим эксплуатации при значительно сниженных нагрузках и динамических воздействиях.
Экономический эффект от внедрения преобразователей частоты складывается, в частности, из следующих факторов:
• экономия электрической энергии благодаря оптимизации работы насосных агрегатов и тягодутьевых механизмов составляет в среднем по объектам 30 – 60%;
• снижение расхода воды до 5% и уменьшение скрытых утечек за счет обеспечения постоянства давления в сети и снятия избыточного напора;
• экономия тепловой энергии до 10% вследствие оптимизации температурного режима и расхода теплоносителя;
• экономия топлива до5 % ; • увеличение срока службы оборудования в 1,5 – 2 раза; • сроки окупаемости инвестиций не превышают двух лет.
Экономия электроэнергии при использовании регулируемого электропривода в различных механизмах может достигать: в насосах 25%-30%; в компрессорах 40%; в вентиляторах 30%; в центрифугах 50%; в дымососах от 30% до 80%.
Так на Уфимской ТЭЦ-4 была изменена схема подачи сырой воды с внедрением автоматического частотного регулирования ее расхода. Снижено сопротивление всасывающих и напорных коллекторов питательной воды, а также сопротивление тракта острого пара, идущего от котлов к паровым турбинам. Уменьшены избыточные напоры питательных насосов, устранены "неоправданные" перекачки питательной воды, что значительно снизило расход электроэнергии на привод питательных насосов. Значительно снижены расходы технической воды, сжатого воздуха, сбрасываемых стоков и, естественно, платежи за них.
156
За счет проделанной работы, инженерных решений и грамотного ведения технологического режима уменьшены:
- собственные нужды станции с 11,2 % до 9,1%; - удельный расход условного топлива при производстве электрической
энергии на 26,7 грамма в пересчете на один киловатт-час; - удельный расход условного топлива при производстве тепла - на 4,5
килограмма в пересчете на одну гигакалорию; - удельный расход электроэнергии на собственные нужды (при выработке
электроэнергии) - на 1,31% , при выработке тепла - на 3,29 киловатт-часа при пересчете на одну гигакалорию;
- потери пара и конденсата - на 0,8% и достигли нормативных показателей.
Экономия за год составила 2 434 тыс. тонн условного топлива. Возможности, открывающиеся при использовании преобразователя
частоты в качестве регулирующего устройства для электропривода, выполненного на асинхронном электродвигателе, безграничны.
В настоящее время важным становится повышение энергетической эффективности существующих электроприводов, позволяющих решать технологические задачи при минимальных затратах.
Список литературы 1. Браславский И.Я. О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов / Электротехника.- 1998. 2. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями /Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.
Л. Р. САЯПОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, проф. И. Х. ХАЙРУЛЛИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Перспективные источники света: переход к светодиодным лампам
Замена традиционных ламп накаливания и люминесцентных ламп на
более эффективные компактные светодиоды уже стало глобальным движением. В светодиоде, в отличие от лампы накаливания и люминесцентной лампы, имеется ряд неоспоримых преимуществ: электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, а не в тепло и теоретически это можно сделать почти без потерь; при должном теплоотводе он мало нагревается, что делает его незаменимым в некоторых случаях; излучает в узкой части спектра, его цвет чист, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют; светодиод механически прочен; срок службы достигает 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампы накаливания и в 5 – 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы; он относится к низковольтным электроприбор (12 В
157
или 24 В), что делает его безопасным; светодиодные лампы более экологичны и устойчивы к перепадам напряжения и не требуют специальной утилизации.
Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый – смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. В третьем способе желто–зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
Министерство экономического развития России оценило переход на энергосберегающие лампы в России в 100 миллиардов рублей, отметив, что энергосберегающие лампы, созданные на основе светодиодов, сейчас стоят в десятки раз больше, чем лампы накаливания, однако в ближайшие годы их цена снизится в 2–3 раза. Сейчас обычная лампочка мощностью 75 ватт стоит 7 рублей, люминесцентная (лампа дневного света) – от 80 до 350 рублей, а светодиодный прибор – от 300 до 1000 рублей. Традиционные лампы потребляют на 400 процентов больше электричества, чем энергосберегающие. Неудивительно, что последние будут менее дешевыми, но при этом более экономичными и с большим сроком эксплуатации.
Многие плюсы светодиодного освещения уже неоднократно упоминались: к ним относится экологическая безопасность (в них нет ртути и других опасных токсичных веществ), легкая утилизация, нетепловая природа излучение, отсутствие потребности в применении пуско-регулирующей аппаратуры, а также малое энергопотребление и рекордно продолжительные сроки службы. Разумеется, все эти преимущества способствовали тому, что область использования светильников на светодиодах постоянно расширяется, охватывая всё новые и новые отрасли.
Е. И. БОРОДИНА, М. В. ЦЫВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. Г. РУСИНА ГОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет
Модель эквивалентирования системы с помощью характеристики ΔЭ(P)
и ее использование для прогнозирования потерь
Схема сети создается в границах зоны электроснабжения. При этом учитывается содержание задачи, условие концентрации нагрузки, информационные возможности и др. Задача заключается в разработке схемы замещения сети для расчета ее нормальных режимов при передачи
158
электрической энергии. Принципы эквивалентирования сетей могут быть различны.
В общем случае для ЭЭС может быть множество вариантов схем сетей, которые зависят от количества РЭС (k=1,2,…,m), от количества зон эквивалентирования внутри РЭС (n=1,2,…,b), внутри каждой зоны могут быть узлы (i=1,2,…,l) и (j=1,2,…,f), между которыми имеются связи двух видов между зонами (d=1,2,…n) и между узлами в зоне (ij=1,2,…,p). Следовательно, число возможных вариантов определяется произведением количества этих параметров k*n*i*j*d*ij. Обычно, в реальной сети связей меньше. Например, за счет отсутствия части связей ij. Состояния связей задаются как исходные условия расчетов нормальных режимов.
Для выделения эквивалентных узлов необходимо применять принципы концентрации генерации, нагрузки, параметров схемы замещения. Методы эквивалентирования электрических сетей по всем сетевым параметрам хорошо разработаны в электротехнике.
Период прогнозирования связан с характеристикой мощности P(t) и процессами изменения параметров сети. Кроме того эти процессы связаны и надо учитывать их корреляцию. Большие проблемы появляются при выявлении процессов изменения нагрузок в концентрированных узлах сети, которые зависят от множества случайных и неопределенных факторов. Наконец переход от мощности к выработке электроэнергии требует использования специальной схемы расчетов. Все известные схемы приближенные и в основном это связано с информационными возможностями. Все методы расчета потоков электроэнергии для таких больших периодов являются приближенными и практически все они были разработаны для проектных задач. В число таких методов входит: оценка потерь электроэнергии по потерям мощности с использованием показателя maxτ , расчет потерь мощности и энергии от транзитных перетоков методом прямых расчетов. Данные методы в лучшем случае позволяют получить потери электроэнергии с погрешностями 10…30%.
В данной работе предлагается другой метод, основанный на сочетании моделей прогнозирования x(t) и использовании специальных принципов создания схемы сети. В качестве индикатора динамики внутренних процессов эффективно использовать средние потери мощности или потери энергии, так как они функционально зависят от совокупности процессов изменения токов, напряжений, мощностей и других параметров режима. При этом последовательно осуществляется переход от ∆Э к Z,R,Q в схеме замещения сети с концентрированными узлами.
Прогностические методы различны для различных факторов. Если рассматривать только задачу расчета нормального режима сети, то главную роль играют мощности в узлах генерации и нагрузки.
Все методы определения потерь электроэнергии основаны на использовании данных по мощностям генераторных узлов (электростанций), для которых имеются базы данных. Мощности нагрузок в полном и
159
необходимом объеме для расчета потерь получить нельзя. Для величин суммарных мощностей нагрузок ∑ itP базы данных нет.
При обобщении данных по мощностям используется либо ретроспективная информация за определенный период Т, собранная для интервалов дискретности t и для объектов генерации j, а по ней строится статистическая модель прогнозирования средних мощностей, которые и позволяют получить электропотребление, но не потери электроэнергии
∆Pt = ∑Pjt - ∑Pit , (1) где J- номер узла генерации мощности, I – номер узла нагрузки, t – интервал дискретности, T- период времени.
Основными составляющими потерь электроэнергии являются технологические (технические) потери ΔЭтехн и коммерческие потери ΔЭком.. Получить достоверные данные об этих составляющих трудно. В свою очередь они имеют внутренние факторы и составляющие.
Потери фиксируются в отчетных документах. Чаще всего в них учитываются четыре составляющих потерь: на передачу электроэнергии ∆Wm, на расход электроэнергии на собственные нужды подстанций ∆ Wn/cm, от недоучета ∆Wу, коммерческие потери ∆Wк.
Если отпуск электроэнергии можно получить по приборам станций и подстанций, то потребление – только по документам энергосбытовых компаний, по оплаченному потреблению Это совершенно не совместимые данные, поэтому всегда используются практические приемы. Соответственно и определение величины R по потерям вызывает большие трудности. Однако в ряде сетевых расчетов величины этих сопротивлений необходимы.
Е. В. ВЕДЯСКИН Научн. руковод. – д-р техн. наук, доцент С. В. КАРТАВЦЕВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Разработка энергосберегающих режимов нагрева и плавления лома Производство стали имеет большой экономический масштаб, в его
структуре имеется конверторное производство, электросталеплавильное и доля плавки стали электросталеплавильным способ растёт. В шихте сталеплавильного производства доля лома достигает 60-95 %. Электросталеплавильное производство потребляет большое количество энергии до 500-700 кВт.ч/т. Расход э/э снижают применением природного газа и кислорода. Однако при применении энергетического способа происходит значительное окисление. При коэффициенте избытка воздуха равным 1 железо сильно окисляется, при уменьшении α до 0,25 окислительного процесса не происходит, но в то же время сопровождается большим перерасходом газа. Кроме того при повышении температуры происходит изменение количества
160
окислительных веществ и увеличивается количество тепла уносимого с уходящими газами. Регулированием кислорода можно осуществить безокислительный процесс с минимальным потребление газа. В работе ставится задача разыскать условия наиболее рационального плавления лома природным газом.
Задача решалась сопоставлением диаграммы состояния системы Fe2O3-Fe3O4-FexO-Fe-CO2-CO-C и Fe2O3-Fe3O4-FexO-Fe-H2O-H равновесием окислительных компонентов неполного сгорания природного газа. Равновесие продуктов сгорания при T = 600-1600 °С рассчитывалась в программе MathCad с использование фундаментальных термодинамических данных. Результаты приводятся в табл. 1.
Таблица 1 Зависимость коэффициента избытка воздуха от температуры Температура Т, °С Коэффициент избытка воздуха, α
0-599 1 600 0,38 800 0,43 1000 0,475 1200 0,5 1400 0,515 1600 0,515
При помощи этих данных можно увидеть закон изменения α по мере
увеличения средней массовой температуры металла для безокислительного нагрева. Это позволяет получить минимальный расход топлива на нагрев и плавление металла, и максимальный выход годного металла. Таким образом, возможно достижение большого энергосберегающего эффекта.
Р. А. МАСЛОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Р. Р. САТТАРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Повышения КПД генерации
электрической энергии летательного аппарата
На современных самолетах генераторы являются основными источниками электрической энергии.
Генераторы должны нормально работать на высотах до 20000 м в диапазоне температур от -60 до +50 градусов Цельсия при относительной влажности до 98%
Специфические условия эксплуатации самолетных генераторов предъявляют особые требования к системам их охлаждения. Все
161
существующие искусственные способы вентиляции самолетных генераторов можно разделить на 4 основные группы:
1. С самовентиляцией, осуществляемой специальным вентилятором, насаженным на вал генератора;
2. С принудительной вентиляцией, осуществляемой за счет встречного потока воздуха при полете.
При больших скоростях полета температура воздуха, поступающего для охлаждения генератора, сильно возрастает по сравнению с температурой атмосферного воздуха и может достигнуть 120-150 градусов Цельсия. При этих условиях исключается возможность охлаждения продувом.
Применение первых двух систем не приемлимо для быстроходных генераторов, из-за низкого качества охлаждения.
3. Жидкостное испарительное испарение Охлаждение в этих случаях можно осуществлять посредством
охлаждающего действия испаряющейся жидкости, например, воды или применением турбохолодильных установок, основанных на охлаждении воздуха в результате адиабатического расширения.
К недостаткам испарительной системы следует отнести также наличие на борту ЛА специальной системы охлаждения (запаса охлаждающей жидкости). Генераторы с такой системой могут работать на любых высотах и при больших скоростях.
4. Жидкостное конвективное охлаждение. Оно бывают двух видов циркуляционные и струйные.
Разработка новых изоляционных материалов, которые не разрушаются от соприкосновения с маслом и, в свою очередь, не загрязняют масло, позволило перейти непосредственно к масляному охлаждению обмоток генератора к так называемому струйному или распылительному масляному охлаждению. Распылительное охлаждение объединяет в себе все достоинства воздушного охлаждения: непосредственный контакт с охлаждающим компонентом и высокий коэффициент теплоотдачи, характерный для масляного охлаждения.
При проектировании быстроходных электрических машин возникают как механические, так и электромагнитные проблемы. Для обеспечения необходимой механической прочности диаметр ротора DR ограничен максимальным допустимым механическим напряжением в материале ротора σmax:
где ω-угловая скорость; ρ-плотность материала ротора.
При определении активной длины ротора необходимо учитывать ее критическую скорость
.
162
В генераторах повышенной частоты вращения, как правило, ωном< ωкрит, что облегчает решение проблемы с вибрации машин. Одновременно в машинах этого типа, характеризующей меньшой массой ротора, меньше также эксцентриситет, что также снижает их вибрацию. Как правило, применяется меньшей значение индукции в зазоре. По поему мнению представляется целесообразным выполнение быстроходных машин на большее число фаз статора, использование электротехнических сталей с пониженными удельными потерями, узкой петлей гистерезиса. Меньшие механические потери достигаются при снижении физического зазора между статором и ротором и аэродинамического сопротивления.
Рассмотрим некоторые примеры спроектированных и изготовленных быстроходных машин.
В США исследовательским центром НАСА для привода маховика применен синхронный двигатель-генератор с постоянными магнитам мощностью 3 кВт, напряжением 80 В частота вращения 6000-60000 мин-1, двигатель выполнен двухполюсным с водяным охлаждением, частота при максимальной скорости вала 1000 Гц.
В Дармштадтском университете технологий была спроектирована и изготовлена синхронная машина с постоянными магнитами мощностью 40 кВт на частоту вращения 40000 мин-1, КПД 91,8%, cosφ=0,75. Двигатель выполнен четырехполюсным, диаметр расточки статора 90 мм, активная длина 90 мм, радиально расположенные магниты (Sm2Co17) высотой 4,5 удерживается углепластиковым бандажом толщиной 4,8 мм. Двигатель имеет водяное охлаждение и снабжен магнитными подшипниками.
Итак, повышения КПД генерации электрической энергии ЛА достигается в результате применения достаточно большой частоты вращения, высококачественных электромагнитных материалов, и эффективных способах охлаждения и работы при повышенных температурах электромагнитных материалов. А. М. ГИЛИМХАНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. Р. ВАЛЕЕВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Применение нейронных сетей
для оптимизации электроэнергетических систем
Для снижения затрат на производство, передачу, распределение электрической энергии необходимо постоянно оптимизировать режим работы энергосистемы. В электроэнергетике можно выделить следующие задачи оптимизации:
1. Стратегия развития энергосистемы (сооружение, реконструкция электроэнергетических объектов, местоположение, мощность и срок ввода в
163
эксплуатацию новых электростанций, подстанций, ЛЭП); 2. Выбор оптимальной конфигурации электрических сетей, соединяющих
подсистемы или распределяющих передающих энергию внутри сети; 3. Оптимальное распределение нагрузки между электростанциями; 4. Оптимальная стратегия использования материальных ресурсов; 5. Выбор оптимальных маршрутов грузоперевозки; 6. Выбор точек размыкания линии с двухсторонним питанием; 7. Выбор маршрута осмотра электротехнических объектов. В настоящее время в энергетике используются различные математические
методы оптимизации, в большинстве случаев – итерационные, которые легко могут быть реализованы на ЭВМ.
Одним из перспективных методов является применение в оптимизационных расчетах искусственных нейронных сетей.
Искусственные нейронные сети – математические модели, а также их программные или аппаратные реализации, построенные по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей – сетей нервных клеток живого организма. Нейронные сети не программируются в привычном смысле этого слова, они обучаются по исходному набору данных.
Возможность обучения – одно из главных преимуществ нейронных сетей перед традиционными алгоритмами. Технически обучение заключается в нахождении коэффициентов связей между нейронами.
Преимуществом использования нейронных сетей для задач оптимизации в электроэнергетике являются:
- возможность учета случайных изменений запланированного операционного пункта в связи с ростом данных;
- быстрая обработка и классификация данных; - неявные нелинейные модели и фильтрации системы данных; - возможность прогнозирования изменения входных данных; - возможность самообучения в процессе работы; - возможность учета дополнительных входных параметров.
Г. И. СИРАЗЕТДИНОВА Научн. руковод. – профессор Н. В. РОЖЕНЦОВА ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Энергосберегающие технологии в освещении
В последнее время проблема рационального использования
энергетических ресурсов приобретает все большую актуальность. Значительная часть расходуемой предприятиями электроэнергии приходится на нужды освещения. Постоянный рост цен на энергоресурсы, а также повышение требований к качеству освещения увеличивают число задач для промышленного сектора. Энергосбережение в светотехнических установках
164
достигается путем снижения расхода электроэнергии, совершенствования средств, способов освещения, организации правильной эксплуатации.
Важной задачей является законодательное закрепление энергосберегающих требований к светотехническим изделиям и установкам в стандартах, нормах и правилах. Так, в г. Москва, после принятия аналогичного решения европейскими странами, принято постановление мэра города о запрете использования в городских осветительных сетях ламп накаливания, взамен которым придут энергосберегающие источники света. Промышленный сектор также является заинтересованным в приобретении более долговечных, современных и экономичных источников света высокой эффективности.
Повышение энергоэффективности осветительных установок (ОУ) неразрывно связано с задачей комплексного снижения затрат в ОУ, так как для любого потребителя важно не только снижение энергоемкости, но и срок окупаемости затрат на новую или переоборудуемую ОУ. В конечном итоге эффективность ОУ определяется стоимостью световой энергии, зависящей от затрат на электроэнергию.
Эффективность ОУ зависит прежде всего от: - световой отдачи источников света и их срока службы; - светотехнических и энергетических параметров осветительных
приборов; - стабильности на протяжении эксплуатации параметров
светильников и, в частности, характеристик источников света при работе их в светильнике;
- тарифов на электроэнергию; - числа часов использования осветительной установки в год. В работе рассмотрены пути снижения стоимости световой энергии на
промышленных предприятиях, организациях и учреждениях за счет использования схем автоматизации управления освещением, а также выбора более эффективных источников света, в частности, выявлены преимущества в технических характеристиках и условиях эксплуатации твердотельных ламп перед традиционными. Оптимизация светотехнической части осветительных установок и осветительных сетей включает следующие мероприятия:
- правильный выбор систем освещения и типов источников света; - выбор экономичных схем размещения светильников; - правильный выбор светильников по светораспределению и
конструктивному исполнению. В настоящей работе предлагается перейти к замене традиционных
источников света на разрядные (компактные люминесцентные лампы) и твердотельные (светодиодные лампы) источники света, производится сравнительный анализ и расчет экономической эффективности их использования. Основная задача настоящих исследований – это повышение энергоэффективности осветительных установок и комплексное снижение затрат на нужды освещения.
165
И. Н. ФОМИНА, В. Г. ЯКИМОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Т. Х. МУХАМЕТГАЛЕЕВ ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Анализ мероприятий, направленных на снижение потребления
электрической энергии в электроприводе
Основным потребителем электрической энергии в системах электроснабжения является двигательный электропривод, который потребляет порядка 60 % от всей отпускаемой электроэнергии. Поэтому наиболее существенная экономия электроэнергии может быть достигнута в электроприводе при использовании энергосберегающих мероприятий. В настоящее время реализуется 2 основных направления данных мероприятий:
1) Переход к регулируемым электродвигателям; 2) Разработка новых энергоэкономичных электродвигателей; В рамках первого направления осуществляется активное применение
преобразователей частоты на основе полупроводниковых элементов. Однако, наряду с существенной экономией электроэнергии возникают некоторые проблемы, такие как: проблема с электромагнитной совместимостью(ухудшение качества электроэнергии) и низкие энергетические показатели, снижения срока службы двигателя и старение изоляции из-за блуждающих токов, и т.д.
На сегодняшний день с целью получения высоких электромеханических показателей с улучшенной энергетической и электромагнитной совместимостью с питающей сетью, для достижения данной цели, в силовой части электропривода используют новейшую топологию транзисторного двухзвенного непосредственного преобразователя частоты с микропроцессорной системой управления. Отличие данного преобразователя от традиционных двухзвенных преобразователей аналогичного назначения, состоит в том, что в схеме нового преобразователя частоты отсутствует громоздкий фильтр в промежуточном звене постоянного тока, что существенно улучшает массогабаритные показатели. Для предотвращения появления блуждающих токов в подшипниковый щит ставится специальная пластмассовая втулка, благодаря чему можно увеличить срок службы электродвигателя.
Второе направление подразумевает внедрение в производство новых энергосберегающих двигателей. В них , за счет увеличения массы активных материалов (меди и железа) повышены номинальные значения КПД и cosφ. Целесообразность создания и применения энергосберегающих двигателей в таких приводах должна оцениваться с всесторонним учетом дополнительных затрат, поскольку небольшое – на несколько процентов – повышение номинальных КПД и cosφ достигается за счет увеличения массы железа на 30-35%, меди – на 20-25, алюминия на 10-15%.
Вышеперечисленные мероприятия на сегодняшний день являются наиболее эффективными и позволяют значительно сэкономить электроэнергию,
166
улучшить механические характеристики электропривода и повысить надежность.
Список литературы 1. Ильинский Н.Ф., Рожановский А.О. Энергосбережение в электроприводе: практ. пособие. – М.: Высш.шк., 1989 г. 2. Браславский И.Я. Энергосберегающий электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: издательский центр «Академия», 2004.
А. И. ШАКИРОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Р. Р. ИСМАГИЛОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Расширение функциональных возможностей
преобразователей частоты для электротехнологий С развитием электротехнологических процессов возникают повышенные
требования к источникам питания высокой частоты. В настоящее время в основном используются полупроводниковые преобразователи частоты.
Их преимущества – высокий КПД, быстродействие, возможность регулирования электромагнитных параметров в широком диапазоне.
Однако требования к величине предельной частоты и диапазону регулирования приводят к необходимости разработки схем, позволяющих расширить частотный диапазон и глубину его регулирования. Одной из таких схем является каскадное соединение полупроводникового преобразователя и ферромагнитного удвоителя частоты (рис. 1).
В качестве полупроводникового преобразователя частоты (ППЧ) применен симметричный мостовой резонансный инвертор с нагрузкой в диагонали моста. Данный инвертор предназначен для преобразования постоянного тока в переменный повышенной частоты. Выбор обусловлен равенством частоты выходного напряжения и частоты управления. При этом формы тока и напряжения нагрузки близки к синусоиде.
Вторую ступень образует ферромагнитный умножитель - удвоитель частоты. Он подключается к выходу симметричного мостового резонансного инвертора с нагрузкой в диагонали моста (рис. 1).
Умножитель состоит из двух идентичных магнитопроводов, с тремя обмотками каждый. На сердечнике расположена первичная обмотка w1, вторичная обмотка w2 и обмотка подмагничивания wd. Соответствующие обмотки, расположенные на обоих сердечниках, соединены последовательно. Если обмотки w1 соединены встречно, то обмотки w2 и wd соединены согласно, и наоборот.
Обмотка подмагничивания wd подключена к источнику постоянного тока. На выходе удвоителя включен конденсатор поперечной компенсации С.
167
Применение удвоителя частоты позволяет решать ряд задач: увеличение выходной частоты в два раза, согласование выходного напряжения инвертора с напряжением нагрузки, при перегрузке выходное напряжение падает, мощность уменьшается, и ток через вентили не превышает заданного. Одновременно с увеличением выходной частоты инвертора в удвоителях легко осуществима и трансформация его напряжения. Удвоители могут быть рассчитаны на любые значения входного и выходного напряжений, что исключает потребность в согласующих трансформаторах.
Рис. 1. Схема каскадного соединения симметричного мостового резонансного инвертора с
нагрузкой в диагонали моста с удвоителем частоты Если необходимо уменьшить выходную частоту, ферромагнитное
устройство можно использовать в качестве трансформатора. При этом к выходному напряжению инвертора подключается обмотка подмагничивания wd, а нагрузка, как и ранее, к зажимам вторичной обмотки w2.
Таким образом, каскадное соединение полупроводникового преобразователя и ферромагнитного удвоителя частоты позволяет увеличивать частоту в два раза, осуществлять трансформацию и обеспечивать защиту при перегрузке.
Список литературы 1. Тиристорные преобразователи частоты/А. К. Белкин, Т. П. Костюкова, Л. Э. Рогинская, А. А. Шуляк. – М.: Энергоатомиздат, 2000. – 263 с.: ил. 2. Бамдас А.М., Блинов И.В., Захаров Н.В. Ферромагнитные умножители частоты. М.: Энергия, 1968, 170 с.
168
И. С. МИРОНОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор М. Г. БАШИРОВ Филиал ГОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате
Разработка интегральных критериев оценки энергобезопасности
и энергоэффективности электрооборудования Одной из главных причин аварий на промышленных предприятиях
является моральный и физический износ электрооборудования и электрических сетей, при этом общий износ оборудования составляет порядка 30 – 40 %. По данным МЧС России около 20 % пожаров в стране происходят по электротехническим причинам. Это порядка 50 тысяч пожаров в год. Доля ущерба от пожаров по электротехническим причинам выросла с 21,8 % в 2004 г. до 31,5 % в 2006 г., за 2007 г. составила 25 %; за 2008 г. – 33,3 %; за 2009 г. – 21,7 %. Анализ статистических данных ВНИИПО показывает, что 50 % возгораний на промышленных предприятиях происходит из-за перерывов электроснабжения и неисправностей электрооборудования. Задача обеспечения энергобезопасности требует формирования единого подхода к предупреждению аварий и инцидентов, связанных с отказом электрооборудования, и к повышению энергоэффективности производства, также зависящего от технического состояния электрооборудования. Для обеспечения безопасности эксплуатации электрооборудования большое значение имеет организация технического обслуживания и ремонта, в настоящее время существует тенденция к переходу от системы ППР к системе обслуживания по техническому состоянию. Применение интегральных критериев оценки технического состояния и ресурса электрооборудования позволяет обеспечить безопасную и эффективную эксплуатацию электрохозяйства предприятий.
Для оценки пожарной безопасности электроустановок используются три показателя: число пожаров, наносимый пожаром ущерб и число погибших. Исследован интегральный показатель – коэффициент значимости пожарной опасности электрооборудования, который показал, что первое место по рангу пожарной опасности занимают кабельные линии, второе – электродвигатели, третье – трансформаторы.
Исследования показывают взаимосвязь технического состояния электрооборудования с частотными характеристиками и параметрами генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений. В качестве интегрального параметра, характеризующего техническое состояние электрооборудования, используется Фурье-образ, формируемый высшими гармоническими составляющими токов и напряжений. Для оценки технического состояния используются коэффициенты искажения кривых тока KI(k) и напряжения KU(k). Диагностический параметр позволяет
169
идентифицировать вид дефекта:
( )( ) ( ) ( ) ( )( )1 2 31 2 3I k I I ID f K f w K w K w K= = + + +K , (1)
а интегральный параметр поврежденности P(t) характеризует общее техническое состояние электрооборудования:
( ) ( ) ( )2
11
20lgn
t kk
P I I=
⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
∑ . (2)
Для определения ресурса безопасной эксплуатации используется диагностический параметр P(t)*, получаемый на основе анализа динамики изменения параметра P(t) через заданные интервалы времени:
( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( )1 2 31 2 3t t t t tP f P f w P w P w P∗ = = + + +K . (3)
Составлены алгоритмы идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации электрооборудования на основе использования искусственной нейронной сети.
В результате исследований предложен интегральный критерий для оценки текущего технического состояния электрооборудования:
1
n
i ii
I I=
= δ ⋅∑ , (4)
где Ii − значение i-го фактора; δi − весомость i-го фактора. В основу интегрального критерия могут быть положены следующие
факторы: коэффициент значимости пожарной опасности электрооборудования; интегральный параметр поврежденности; анализ условий эксплуатации; срок службы. Для определения весомости используются различные методы: ранжирование, экспертные оценки и др.
Для комплексной оценки технического состояния электрооборудования предлагается использовать абсолютный показатель:
( )1D I Y= ⋅ , (5) где Y − материальный ущерб при аварии электрооборудования.
Для реализации решений по управлению энергоэффективностью и энергобезопасностью разработана структура интегрированной системы непрерывного мониторинга технического состояния электрооборудования, основанная на SCADA-системе TRACE MODE 6, АСДК «Нева», АИИС КУЭ, АИИС ТУЭ и технических средствах сбора первичной информации о техническом состоянии. Использование разработанной системы позволяет довести показатели эффективности оборудования до 93 % максимально возможных, а время незапланированного простоя снизить до 2 %. При этом отдача от производственного оборудования повысится на 20 – 25 %.
170
Е. В. АРЗАМАСЦЕВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, профессор Е. Б. АГАПИТОВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Утилизация тепла нагретого воздуха системы охлаждения
дымовых газов электросталеплавильного цеха ОАО «ММК»
Эффективное использование ВЭР позволяет снижать энергоемкость и себестоимость продукции. В электросталеплавильном производстве РФ удельный расход электроэнергии на тонну продукции на 15-30% выше, чем в странах ЕС, что связано с реализацией устаревшеих технологий и неиспользованными возможностями по энергосбережению. Максимальное использование ВЭР и внедрение энергосберегающих мероприятий решает одновременно экологические проблемы на предприятиях и позволяет уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу.
В печном участке электросталеплавильного цеха ОАО "ММК" установлены две электростлеплавильные печи производительностью 180 тонн каждая. Газы, образующиеся при завалке и выпуске плавки, а также газы, проникающие через отверстия для электродов во время плавки, улавливаются в колпаке перекрытия, расположенном над ДЭСП в конструкции свода. Колпак перекрытия соединен с газоходом. Объём дымовых газов 27000 м3/ч.
В конце охлаждаемого газохода установлен принудительный воздушный теплообменник для дальнейшего охлаждения отходящих газов, состоящий из пакета труб, в которых протекает горячий газ. Наружный воздух нагнетается принудительно в поперечном направлении осевыми вентиляторами (16 штук), обеспечивая охлаждение продуктов сгорания с 400 С° , примерно до 60 С° .
В результате чего в атмосферу выбрасывается около 152 000 м3/ч воздуха, нагретого до температуры 70-100°С, который можно использовать для воздушного отопления комнат персонала отделения шихтоподачи ЭСПЦ, заменив установленное в них водяное отопление. Это позволит снизить нагрузку на систему централизованного теплоснабжения на 0,15 Гкал/ч. Предложено оборудовать помещения системой напольного воздушного отопления, которая обеспечивает циркуляцию нагретого воздуха в помещении и исключает зависание теплых слоёв воздуха у потолка.
Учитывая нормы поступления воздуха установленные в СНиПах, расход теплоносителя 2100=L чм3 и температура, установленная для воздушного отопления, Сt °−= 4030 . При данных условиях нагрузка на систему 86 Мкал/ч.
Преимущества системы воздушного отопления над традиционной водяной системой:
- КПД на 20-30% выше; - меньшая материалоёмкость; - долговечность; - возможность ввода в эксплуатацию в любое время года; - низкая инерционность системы
171
В дальнейшем следует разработать систему забора, транспортировки, распределения и подачи нагретого воздуха в помещения.
О. И. БОЛДЫРЕВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. М. ГОРЮНОВ ОАО «НПП «Мотор»
Разработка методики оценки температуры продуктов сгорания
углеводородного топлива в рабочем цикле ГТД с учётом термической диссоциации
Принятые в настоящее время методы термодинамического расчёта ГТД
[1] основаны на следующих допущениях: – влияние термической диссоциации (далее – диссоциации) газов не
учитывается; – сгорание топлива полное при коэффициенте избытка воздуха α ≥ 1,0,
продукты сгорания – нереагирующая смесь СО2, Н2О (пар), О2 и атмосферного азота, объёмный состав которых зависит только от величины α;
– рабочие тела (воздух и продукты сгорания) обладают свойствами идеального газа.
При этом температура в ядре камеры сгорания современных ГТД приближается к 1800 К и выше.
Важным следствием высоких температур, характерных для процессов в камерах сгорания, является диссоциация компонентов продуктов сгорания.
Предлагаемая методика оценки температуры продуктов сгорания базируется на более строгих допущениях [2]:
– продукты сгорания – смесь химически реагирующих газов, состав и объёмное содержание которых определяется с учётом диссоциации при постоянном давлении по уравнениям химического равновесия и баланса масс химических элементов;
– компоненты продуктов сгорания обладают свойствами идеального газа, их изобарная теплоёмкость зависит только от температуры, однако изобарная теплоёмкость смеси в целом зависит и от уровня давления и тем значительнее, чем интенсивнее процесс диссоциации;
– модель идеального газа является хорошим приближением для описания связей между параметрами состояния продуктов сгорания.
В результате разработки методики получена система уравнений, в которой неизвестными являются 10 парциальных давлений компонентов смеси и температура смеси. Данная система уравнений является основой предлагаемой методики расчёта рабочего процесса камер сгорания с учётом влияния процесса диссоциации и давления в камере сгорания на величину энтальпии и температуры продуктов сгорания.
172
Результаты проведённых параметрических расчётов для различных температур поступающего в камеру сгорания воздуха Т*
В и коэффициентов избытка воздуха α иллюстрируют влияние процесса диссоциции на уровень температуры в камере сгорания (рис. 1).
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
200 300 400 500 600 700 800 900
Т В*, К
Т КС*, К
α = 1,0
α = 1,2
α = 1,5
p *KC =200 кПа
ηKC = 1.00
Рис. 1. Результаты расчёта температуры в основной камере сгорания с учётом диссоциации
(сплошная линия) и без учёта (пунктир) Таким образом, игнорирование фактора диссоциации при
термодинамических расчётах ведёт к завышению значения температуры в камере сгорания, что влияет на оценку основных параметров ГТД (погрешность в определении расчётной мощности и КПД цикла) и длительной прочности теплонапряжённых деталей.
Список литературы 1. Ильичёв Я.Т. Термодинамический расчёт воздушно-реактивных двигателей. Технический отчёт ЦИАМ № 6186. – М.: ЦИАМ, 1969 – 126 с. 2. Теория ракетных двигателей: Учебник для вузов / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; / Под ред. В.П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1989. – 464 с.
173
Н. Г. ВАСИЛЬЕВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Д. А. ПАВЛЮЧЕНКО ГОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет
Комплексная оценка энергоэффективности систем электроснабжения
В настоящее время одной из актуальных проблем энергетики является задача повышения энергоэффективности предприятий.
Анализ всего комплекса нормативных документов по энергосбережению, а также ПУЭ, ПТЭЭП, положений об отделе главного энергетика и должностных инструкций позволяет выделить множество факторов, влияющих на энергоэффективность предприятия.
Получить обобщенные показатели качества электроснабжения, характеризующие совокупный уровень энергетической эффективности, далеко не всегда возможно в силу трудности их формализации и наличию неразрешимых противоречий. В этих случаях поиск компромисса связан с решением сложных многоцелевых оптимизационных задач.
Опыт развитых стран показывает, что для комплексного воздействия на указанные выше факторы, необходимо создание системы энергоменеджмента на предприятии. Одним из важных элементов энергетического менеджмента является интегральная оценка энергоэффективности предприятия на основе анализа значений показателей, характеризующих её состояние [1, 2].
В данной работе предлагается методика, позволяющая объективно оценить уровень качества электроснабжения предприятия и потенциал энергоэффективности на основе 12 критериев. Числовые значения критериев, независимо от природы их происхождения, определяются в относительных выражениях как безразмерные величины.
Предлагаемая в данной работе математическая модель может быть применена для различных аспектов деятельности предприятий в направлении улучшения качества электроснабжения.
Во-первых, может быть решена задача сравнения деятельности предприятий в области энергоэффективности по суммарному рейтингу:
1 1
(1 ) ,m k
Э j j l lj l
R k kα α= =
= ⋅ − + ⋅∑ ∑ (1)
где индексы j и l относятся к критериям, значения которых соответственно уменьшают или увеличивают значение суммарного рейтинга; – весовой коэффициент i-го критерия, о.е.; – значение i-го критерия, о.е.; n = m+k – количество критериев [3].
Весовые коэффициенты в формуле аддитивной свертки (1) можно найти с помощью одного из метода экспертных оценок: непосредственной оценки, ранжирования, парных сравнений или последовательных предпочтений.
Во-вторых, предприятием может быть решена задача оптимизации деятельности в области энергоэффективности. Для решения данной задачи
174
предлагается математическая модель, позволяющая выбрать совокупность мероприятий, которые должны обеспечить максимальный эффект в условиях ограниченности ресурсов:
1 1(1 ) ,
m kj l
j j j l l lj l
z zF k x k x maxК К
α α= =
= − ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ →∑ ∑ 1
n
i ii
z x K=
⋅ ≤∑ (2)
где – стоимость проведения i-го мероприятия; – двоичные переменные ( , если мероприятие с номером i будет выбрано для внедрения, в противном случае); К – объем денежных средств.
Для решения данной задачи предполагается целесообразным использование методов искусственного интеллекта, в частности – генетических алгоритмов (ГА). Это обусловлено тем, что ГА устойчивы к локальным экстремумам, а постановка задачи с использованием двоичных переменных характерна для них.
Таким образом, предлагаемая информационная система оценки уровня энергоэффективности промышленного предприятия позволяет получать интегрированную оценку на основе первичных показателей с учетом мнений экспертов относительно их важности. Система может быть использована для ретроспективного или сравнительного анализа и прогнозирования уровня энергоэффективности, а также для выбора конкретного набора мероприятий по повышению энергоэффективности хозяйственной деятельности предприятия.
Список литературы 1. Максимов Д.Ю. Методика оценки уровня развития промышленного предприятия в направлении повышения эффективности использования ТЭР // Промышленная энергетика. – 2007. – №7. – С. 2-5. 2. Маркман Г.З. Оценка качества электроснабжения потребителей// Промышленная энергетика.- 2007.- №8 .- С. 30-33. 3. Павлюченко Д.А., Могиленко А.В. Комплексная экспертная система оценки энергоэффективности предприятий // Новости электротехники. –2010.
А. С. ГОРБУНОВ, Т. С. ГНУСЕНКОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Л. Э. РОГИНСКАЯ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Выбор параметров ферромагнитных модулей
для установок индукционного нагрева Для термообработки металлов широко используются различные способы:
индукционный нагрев, электродуговой нагрев, нагрев в печах сопротивления, электроконтактный нагрев и др. Наиболее перспективным методом, позволяющим получить наивысшие технико-экономические показатели, является индукционный нагрев. Одним из основных преимуществ данного
175
метода является бесконтактная передача энергии от нагревательной установки к детали [1].
Под действием электромагнитного поля, в детали индуктируются вихревые токи, вызывающие нагрев детали. Индукторы для осуществления технологического процесса нагрева детали подключаются к источнику питания повышенной частоты, в качестве которого могут применяться полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ), питаемые от стандартной трехфазной сети промышленной частоты 50Гц, напряжением 380В.
Одной из главных проблем при эксплуатации ППЧ является то, что их выходное напряжение нестандартно, и составляет, например, 260…300В для схемы простого несимметричного инвертора. Чтобы согласовать выходное напряжение ППЧ с номинальным напряжением питания выпускаемых индукторов, могут применяться согласующие высокочастотные трансформаторы. Решение этой задачи можно назвать согласованием системы индуктор-нагреваемое тело с высокочастотным источником питания [1].
У высокочастотных согласующих трансформаторов в качестве материалов магнитопроводов могут использоваться электротехническая сталь, магнитодиэлектрики и ферриты. Современные магнитомягкие материалы - аморфные сплавы позволяют получить трансформаторы с более высокими технико-экономическими показателями. Аморфные сплавы имеют высокую индукцию насыщения и низкие удельные магнитные потери, что позволяет их применять при высокой частоте питающего напряжения [2].
Для исследования работы индукционной установки был рассчитан согласующий трансформатор со следующими номинальными данными: мощность 10000Вт, частота питания f=22000Гц, U1=300В, U2= 800В.
Для индукционного нагрева применяются резонансные инверторы, позволяющие в широких пределах регулировать электромагнитные параметры.
Наибольший интерес из схем ППЧ со встречно-параллельными диодами представляет схема несимметричного инвертора, как наиболее простая и надежная в работе. Была составлена схемотехническая модель совместной работы согласующего трансформатора и инвертора (рис. 1).
Рис. 1. Схемотехническая модель ППЧ
176
В ходе работы был проведен расчет цилиндрического индуктора для нагрева под закалку участка наружной поверхности в горячем режиме (двухслойная среда) на языке программирования Delphi (рис. 2).
Рис. 2. Фрагмент программы для расчета индуктора
Вывод: расчет трансформатора и индуктора позволяет с помощью
компьютерной модели изучить электромагнитные процессы в индукционной установке.
Список литературы 1. Тиристорные преобразователи частоты / А.К. Белкин, Т.П. Костюкова, Л.Э. Рогинская, А. А. Шуляк. — М.: Энергоатомиздат, 2000. — 263 с.: ил. 2. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности / Ю.Н. Стародубцев. – М.: ИП РадиоСофт, 2005. – 320 с.: ил.
Ю. К. ДЁМИН Научн. руковод. – д-р техн. наку, доцент С. В. КАРТАВЦЕВ Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Исследование возможности использования потенциала окружающей среды при производстве сжатого воздуха
В современной промышленности велико применение сжатого воздуха.
Только в одной черной металлургии на каждую тонну проката расходуется около пяти тонн сжатого воздуха.
В настоящее время доказано, что энергия, содержащаяся в сжатом воздухе, является более дорогой, чем электрическая или энергия первичных двигателей, и ее экономия важна для удешевления производственных процессов. При этом известно, что при компрессии большая часть энергии затрачивается на сжатие воздуха.
177
Расход энергии пропорционален температуре всаса, поэтому удельные расходы энергии на сжатие больше при более высокой температуре всасываемого воздуха.
Обычно применяют 3-х ступенчатое сжатие с охлаждением газа в охладителях между ступенями, т.к. это дает большую экономию в энергии, расходуемой на привод компрессора. В качестве теплоносителя, в основном, применяют воду.
Но в зимнее время температура окружающей среды (0°С ÷ -30°С) ниже температуры воды (+5°С), следовательно, охлаждение сжатого воздуха до температуры окружающей среды может дать выигрыш в работе.
В данной работе исследуется возможность использования потенциала окружающей среды для промышленного охлаждения сжатого воздуха с целью вскрытия потенциала энергосбережения.
Так, охлаждение сжатого воздуха до -10°С (вместо +5°С) дает экономию порядка 4%, до -20°С – 6%, до -30°С – 9%.
Охлаждение до таких низких температур теоретически возможно. Как один из возможных вариантов рассмотрим охлаждение сжатого
воздуха воздухом атмосферным в прямом коллекторе большого диаметра. Рассмотрен компрессор с массовым расходом 15 кг/с, степенью сжатия 2
и показателем политропического процесса 1,15. На выходе из первой ступени воздух имеет давление 0,2 МПа и температуру + 15°С. Атмосферный воздух имеет давление 0,1 МПа, температуру - 10°С.
В ходе расчётов, с учетом термодинамических свойств сжатого и атмосферного воздуха, были рассчитаны коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи и длина коллектора (исходя из условия достижения температуры сжатого воздуха температуры окружающей среды).
Так при естественной конвекции и диаметре коллектора 1м необходимая длина равна 891 м, при диаметре 2 м – 343 м, а при 3 м – 216 м.
Необходимо отметить, что рассмотренный случай является крайним, с наибольшими габаритами коллектора – охладителя. Эти размеры могут быть значительно сокращены при разбиении коллектора на пучок труб, использование промежуточного теплоносителя, интенсификации теплообмена со стороны атмосферного воздуха.
Таким образом, охлаждение сжатого воздуха атмосферным воздухом может приносить (в зимний период) определённый выигрыш в работе по сжатию и снизить потребление пресной воды.
178
Ю. Н. РОТАНОВА, О. В. БУЛАНОВА, Ю. В. ИОНОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. В. МАЛАФЕЕВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Исследование переходных процессов при выходе на раздельную работу после короткого замыкания собственных электростанций на примере
системы электроснабжения промышленного предприятия с учетом перспектив развития
В современных условиях не исключен выход системы электроснабжения
промышленного предприятия на раздельную с питающей энергосистемой работу. При этом её режим претерпевает существенные изменения. Вследствие возникающего небаланса вырабатываемой и потребляемой активной мощности изменяется частота. Новое установившееся значение частоты по окончании переходного процесса будет определяться работой первичного и вторичного регуляторов скорости турбин и динамическими характеристиками комплексной нагрузки. Небаланс реактивной мощности, в свою очередь, приводит к значительному изменению напряжения в выделившейся сети, величина которого зависит от действия регуляторов возбуждения синхронных генераторов и регулирующего эффекта нагрузки по напряжению. Расчёт переходных режимов осложняется необходимостью учёта динамических характеристик нагрузки, систем регулирования скорости турбин и большой длительностью переходного процесса. Сохранение устойчивости при параллельной работе оценивается по величине и характеру изменения собственных углов генераторов, а в автономно работающей системе электроснабжения – по взаимным углам между генераторами выделившегося участка схемы.
За время короткого замыкания скорости роторов генераторов возрастают неравномерно. Поэтому выход на раздельную работу после отключения поврежденного элемента происходит с различными скоростями вращения. Кроме того, скорость роторов генераторов начинает изменяться в результате возникшего небаланса мощностей из-за отсутствия связи с энергосистемой. Для сохранения нормальной работы узла синхронные генераторы и электродвигатели должны втянуться в синхронизм друг относительно друга. Процесс втягивания в синхронизм обеспечивает дополнительный электромагнитный момент на валу, который обусловлен наличием взаимных асинхронных мощностей. При раздельной работе каждый из генераторов выдает собственную мощность, соответствующую собственной частоте вращения. Относительно него все остальные генераторы выдают или принимают некоторую асинхронную мощность в зависимости от соотношения скоростей рассматриваемой пары генераторов. С другой стороны, текущий генератор также будет выдавать (принимать) некоторую асинхронную мощность относительно других генераторов.
Рассмотрим режимы выхода на раздельную работу собственных
179
электростанций на примере системы электроснабжения промышленного предприятия ОАО «Магнитогорского металлургического комбината». Основными собственными источниками электроэнергии являются три электростанции – ТЭЦ, ЦЭС и ПВЭС. Распределительная сеть МЭУ образована четырьмя крупными узловыми подстанциями с высшим напряжением 220 кВ №30, №90, №60, №77. СЭС ОАО «ММК» соизмерима по нагрузке с рядом небольших энергосистем, но ее удельная мощность на единицу площади превосходит любую из энергосистем, что является ее существенным отличием.
В случае работы дифференциальной защиты шин или делительных устройств могут возникнуть режимы отделения станций, поэтому возникает необходимость исследования различных режимов раздельной работы.
Расчеты производились с помощью разработанного программного обеспечения для ЭВМ «Расчет и оптимизация установившихся и переходных эксплуатационных режимов параллельной и раздельной работы с энергосистемой, режимов короткого замыкания и режимов замыкания на землю с оценкой влияния на электрооборудование в системах электроснабжения промышленных предприятий» (получено свидетельство №2008610773 от 14.02.2008 об официальной регистрации). Исследовались режимы кольца 110 кВ, разомкнутого путём отключения ШСВ на секциях сборных шин 110 кВ на ТЭЦ, ЦЭС, ПС 60, ПС 30, ПС 77, ПС 90, а также разомкнуто в двух точках: отключена ВЛ ТЭЦ-ЦЭС со стороны ЦЭС (ПС 64 питается от ТЭЦ) и отключена ВЛ ПС 90-ПС 60 со стороны ПС 90 (ПС 88 питается с шин ПС 60). Образуется четыре участка кольца. Наилучшими вариантами при выходе на раздельную работу по результатам расчета являются вариант четырёх участков кольца (В-1) и вариант замкнутого кольца (В-2), т.к. предельное время отключения трехфазного короткого замыкания больше, чем в других вариантах. В-1 лучше В-2 для режимов отделения ТЭЦ тем, что повышение на с.ш. 110 кВ Uкон в В-1меньше, а также tпред.откл =0,6 с., что больше, чем в В-2. Во всех режимах было зафиксировано увеличение напряжения на секциях сборных шин 110 кВ на 10-40%, что свидетельствует о переизбытке реактивной мощности, возникающем вследствие отключения части нагрузки, связанном с выходом генераторов на раздельную работу от системы.
Разработанная программа позволяет проанализировать изменение углов во времени и судить о результирующей устойчивости при выходе на раздельную работу промышленной электростанции, а также разрабатывать мероприятия по повышению устойчивости и надежности электроснабжения потребителей.
180
А. А. КАРАВАЕВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Л. Э. РОГИНСКАЯ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии и микропроцессорным управлением
В условиях дефицита энергетических ресурсов и роста стоимости
электроэнергии актуальна проблема энергосберегающих технологий при передаче и потреблении электроэнергии. Вопрос энергосбережения имеет много аспектов, и один из них – это рационально организованная компенсация реактивной мощности. Эффективное регулирование перетоков РМ необходимо также для обеспечения стандартов качества электрической энергии.
За 2007 год отпуск электроэнергии в сети ФСК холдинга РАО "ЕЭС России" составил 742,5 млрд. кВт·ч, из них через распределительные сети 20-6/0,4 кВ – около 370 млрд. кВт·ч. При этом потери электроэнергии в сетях 20(6)-0,4 кВ составили 11,6% [1]. Следовательно, повышение наиболее характерного для распределительных сетей 20-6/0,4 кВ cosφ = 0,85 [2] только на 0,01 (1%) позволит сэкономить около 1 млрд. кВт·ч, что эквивалентно высвобождению 160 МВт дополнительной генераторной мощности.
В промышленных системах электроснабжения наиболее распространенным типом компенсирующих устройств является регулируемая конденсаторная установка (КУ). На сегодняшний день в сетях отечественных потребителей установленная мощность конденсаторов составляет порядка 30 млн. кВАр, из которых 18-20 млн. кВАр включаются и отключаются вручную. При этом доля низковольтных (до 1 кВ) конденсаторов составляет 75-80% от общего объема.
При несомненных достоинствах регулируемых КУ (высокий КПД, невысокая стоимость, простота и надёжность) они обладают также и рядом недостатков: 1) чувствительность к высшим гармоникам (перегрев); 2) большие пусковые токи (более 100·Iном) при отсутствии специальных схем управления; 3) чувствительность к перенапряжениям; 4) чувствительность к повышению температуры; 5) необходимость в специальных разрядных резисторах и дросселях; 6) Невысокая скорость регулирования (от 1 до 60 секунд); 7) ступенчатость переключения в 15...20% от необходимой мощности. (стандартное значение дискретности составляет 25 кВАр).
В целях совершенствования систем компенсации реактивной мощности предлагается использовать трёхфазный компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии и IGBT-транзисторами на базе разработанной системы управления. Сама идея такого компенсатора относится к концу 70-х гг. прошлого столетия, но тогда не удалось достигнуть эффективной работы устройства ввиду несовершенства элементной базы. При
181
применении современных технологий есть все составляющие для успешной работы компенсатора.
Алгоритм управления основан на широтно-импульсном модулировании (с частотой 12600 Гц) и организован таким образом, чтобы ток через дроссель не прерывался. Регулирование реактивной мощности компенсатора осуществляется за счёт изменения угла отпирания транзисторов относительно напряжения сети (линейная зависимость). Регулировать реактивную мощность можно как вниз (до 25% от номинальной мощности компенсатора) так и вверх (ограничено только тепловыми потерями в транзисторах и дросселе). Со схемой компенсатора и способом управления им можно подробно ознакомиться, изучив патент РФ [2], а также статьи автора в межвузовских сборниках [3].
Для выявления основных характеристик предложенного компенсатора было проведено компьютерное имитационное моделирование, которое полностью подтвердило его работоспособность и правильность разработанного ранее [2] алгоритма управления, а также показало, что компенсатор обладает следующими характеристиками: 1) высоким энергетическим показателем (реальный КПД более 95%), а мощность фильтра в условиях реальной сети составляет менее 1% от номинальной мощности компенсатора; 2) высоким быстродействием (1-4 периода сети или 0,02 – 0,08 с.); 3) возможностью бесступенчатого регулирования реактивной мощности.
Для практической реализации данного компенсатора нет никаких специфических препятствий, и планируется в четвёртом квартале 2010 года выполнить физическую модель компенсатора на небольшую (250 ВАр) мощность.
При дальнейшем развитии идеи данного типа компенсатора возможно применение сверхпроводящего дросселя, и появление возможности управления как реактивной, так и активной мощностями (с целью создания «умных электросетей»).
Список литературы 1. Железко Ю.С. Методы расчета нагрузочных потерь электроэнергии в радиальных сетях 0,38-20 кВ по обобщенным параметрам // Электрические станции. 2006. №1. 2. Рогинская Л.Э., Стыскин А.В., Караваев А.А. Пат. РФ № 2368992, МПК H02J3/18, заявл. 28.04.2008, № 2008116944/09, опубл. 27.09.2009, бюл. № 27. 3. Караваев А.А. Компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии. Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 2 / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: изд-во УГАТУ, 2009г. С 39-40.
182
М. Л. КИРСАНОВ, А. А. ФЕДОРОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Р. Р. САТТАРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Об основных направлениях развития
энергоэффективных источников освещения Наше время ставит перед нами задачу экономии электроэнергии при её
производстве, передаче, распределении и потреблении. В развитых странах мира растет осознание ответственности за сохранение экологии и ресурсов.
На этапе потребления одним из направлений экономии электроэнергии является использование энергоэффективных источников освещения – светодиодных осветительных приборов. В табл. 1 приводится сравнение наиболее распространенных источников освещения: лампы накаливания, люминесцентной лампы и светодиодные источники света.
Таблица 1 Сравнение основных характеристик источников света
Тип лампы
Срок службы
(тыс. часов)
Максимальная световая отдача
(Лм/Вт)
Цветовая температура
(К)
Специальные требования к утилизации
Механи-ческая
прочность
Лампа накаливания 0,8-1 8-10 2500-3200 есть низкая
Люминесцентная лампа
8-10 50-70 3700-5700 есть низкая
Светодиодный источник света
30-70 120-140 2700-7000 нет высокая
Видно, что источники света с использованием светодиодов превосходят
по всем основным параметрам остальные, кроме цены. Однако, в связи с быстрым темпом развития полупроводниковой техники, светодиоды становятся более доступными.
Был произведен расчет стоимости оборудования одной учебной аудитории светодиодными источниками света. Из этого расчета видно, что если помещение оборудуется на длительный период, то такое освещение будет более выгодным. Его высокая стоимость компенсируется тем, что светодиоды потребляют в 5-7 раз меньше электроэнергии, нежели другие осветительные приборы. Светодиодное освещение окупит себя в течении нескольких лет, в связи с минимальными затратами при эксплуатации.
Проведенный анализ доступных источников информации показывает, что потенциально светодиодная светотехника может претендовать на значительную долю рынка освещения в течение следующих 5-10 лет.
183
Н. В. КРУЖИЛИН ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Применение комбинированной схемы расположения горелок с целью снижения коррозии поверхностей нагрева в зоне активного горения
Опыт сжигания антрацитового штыба (АШ) на Новочеркасской ГРЭС
показал, что в последнее время качество АШ ухудшилось, что в свою очередь привело к сложностям при его сжигании – снижению устойчивости горения, нестабильному выходу жидкого шлака. Одним из способов решения этой проблемы - это сжигание АШ совместно с небольшим количеством более реакционного топлива – мазута или газа (или с «подсветкой» факела). Однако, с ухудшением качества АШ, доля газомазутного топлива на подсветку факела увеличилась. При сжигании различных видов сернистых топлив – уголь, мазут, газ в топках паровых котлов наблюдается высокотемпературная сероводородная (сульфидная) коррозия, которой поражаются трубы экранов в зоне активного горения. Причиной этого является взаимодействие металла труб экранов с сероводородом H2S, который образуется в зоне активного горения топочной камеры при сжигании сернистого топлива с недостатком воздуха. Обязательным условием появления сероводорода в факеле является наличие восстановительной газовой среды, которая характеризуется высокой концентрацией продуктов неполного сгорания (СО>2%) и недостатком воздуха на горение. Это возможно либо при работе горелок с избытком воздуха на уровне горелок меньше единицы, либо при неравномерном распределении топлива и воздуха по горелкам, либо при затянутом смесеобразовании в факеле. Поэтому при компоновке горелок и организации аэродинамики топки следует стремиться к тому, чтобы в пристенных областях топки и в зоне активного горения топочные газы содержали избыточный воздух.
Решение этих проблем на Новочеркасской ГРЭС проходило в несколько этапов. Котлы ТПП-110, ТПП-210 и ТПП-210А предназначены для сжигания твёрдого топлива типа АШ, оборудованы полуоткрытой топкой с пережимом и жидким шлакоудалением. Топка оборудована ошипованными экранами, покрытыми футеровкой. Ниже пережима – в зоне активного горения было установлено по двенадцать вихревых горелок в два яруса мощностью по 35 МВт каждая. В пылеугольных котлах с встречным расположением вихревых горелок на фронтовой и задней стенах высокотемпературная коррозия наиболее интенсивно развивается на боковых экранах, а при наличии пережима (полуоткрытые топки) - и под пережимом, на его скатах. Коррозия наблюдается как на гладкотрубных, так и на ошипованных экранах. В последнем случае сероводород диффундирует через слой футеровки. Шипы укорачиваются, футеровка разрушается, и на этих участках интенсифицируется коррозия. При этом максимальная скорость коррозии боковых экранов нижней радиационной части (НРЧ) достигала 2,5 мм/год. Температура в ядре факела достигала 1650
184
0С. Концентрация оксидов азота (NOх) в дымовых газах в сечении за конвективным пароперегревателем высокого давления (КПП в.д.) составила около 750-850 мг/м3. К.П.Д. котельного агрегата брутто (ηкабр) – на уровне 87,8%.
Было предложено использовать достоинства как вихревых горелок, установив их по центру топки для сохранения устойчивости горения, так и плоскофакельных, с установкой их у боковых стен топки для создания окислительной среды, при которой сероводород отсутствует, и защиты их от коррозии. Такая комбинированная схема компоновки горелок была реализована на котле ст. № 4˝Б˝ Новочеркасской ГРЭС. Средние плоскофакельные горелки на фронтовой и задней стенах топки были демонтированы, и заменены на вихревые такой же мощности. Крайние (у боковых экранов) горелки оставлены на котле прежними (плоскофакельными), также по 70 МВт.
Для изучения аэродинамики комбинированной схемы компоновки горелок была выполнена изотермическая модель нижней части топки котла ТПП-210 в масштабе 1:15. При изотермических продувках оси всех горелок располагались в одной, горизонтальной плоскости, расходы по горелкам выполнялись одинаковыми. Результаты продувок были представлены в виде изотермических полей скоростей.
В результате проведённых изотермических продувок установлено: 1. Структура аэродинамики центральной вихревой горелки сохраняется.
Присутствует зона обратных токов, что способствует хорошему воспламенению и выгоранию топлива.
2. Часть внешней зоны факела вихревой горелки пересекается с факелом прямоточных горелок, что способствует более равномерному распределению топлива, а так же созданию благоприятных условий для создания окислительной среды в пристенных областях топки.
Список литературы
1. Исследование аэродинамики топки котла ТПП-210 с вихревыми и плоскофакельными горелками на изотермической модели / Н.В. Усиков, В.П. Каминский, А.Н. Безгрешнов, Н.В. Кружилин, Г.И. Калмыков, Л.Н. Синяпкин // Повышение надёжности и экономичности работы оборудования ТЭС: СБ. науч. Тр. / Новочерк. Гос. Техн. Ун-т. Новочеркасск; НГТУ, 1993. - С 69-78. 2. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов / Под ред. Э.Х. Вербовецкого и Н.Г. Жмерика. – Санкт-Петербург., 1996. – 269 с. 3. Основы практической теории горения / Под ред. В.В. Померанцева. - Л., 1973. - 264 с.
185
Д. В. БОДАКВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, профессор Е. Б. АГАПИТОВ ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Совершенствование тепловой работы
водоохлаждаемых элементов дуговых сталеплавильных печей В настоящее время водоохлаждаемые панели являются наиболее
распространённым способом тепловой защиты свободного пространства дуговых сталеплавильных печей (ДСП). Фактически панели выполняют функцию экранных труб, и предназначены для отвода всего падающего на них теплового потока. Большинство систем охлаждения печей рассчитаны на то, что тепло, воспринятое водой в панелях печи, не утилизируется и сбрасывается в атмосферу. Это значительно влияет на увеличение расходной части теплового баланса ДСП (потери с охлаждающей водой достигают 20% расходной части баланса). Другой важной проблемой является значительное количество аварийных остановок печи вследствие прогаров элементов панелей. Основными причинами выхода панелей из строя (кроме механических повреждений при загрузке лома) являются замыкания электрической дуги и наброс жидкого металла. Максимальная величина теплового потока, отводимого с водой в штатном режиме работы – 400 кВт/м2, в то время как при аварийных перегораниях труб панелей тепловой поток возрастает на порядок, что и приводит к прогару элемента.
Для решения названных проблем предлагается разработать принципы энергоэффективной работы водоохлаждаемых элементов печи и мероприятия, исключающие возникновение прогаров трубчатых элементов. В программном комплексе FlowVision® была создана математическая модель теплообемна в свободном пространстве ДСП. Модель представляет собой одновременное решение связанных задач вынужденной конвекции внутри трубы и теплопроводности многослойной стенки из трубы и слоев гарнисажа. В результате решения задачи вынужденной конвекции были определены условия, приводящие к возникновению первого кризиса кипения в заданных условиях, который и является причиной прогара элементов. Величина результирующего теплового потока через многослойную стенку определяется по разности температур стенки и начальной температуры охлаждающей воды с учётом ряда термических сопротивлений, расположенных в направлении вектора теплового потока. Исходными данными для расчёта задачи теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку являются теплофизические свойства гарнисажа и стенки трубы, величина результирующего теплового потока, падающего на панель из внутреннего свободного пространства ДСП.
Особенностью тепловой работы водоохлаждаемых элементов является наличие экранирующего эффекта среды свободного пространства печи. Высокая концентрация сажистых частиц и многократная циркуляция газа снижают результирующий тепловой поток на 20-60%. Запыленность
186
атмосферы ДСП составляет в среднем 200-600 г/м3, что соответствует оптической плотности 0,6-0,75. При такой оптической плотности тепловой поток на водоохлаждаемый свод 100-т ДСП снижается, и составляет 80-115 кВт/м2.
В результате моделирования было установлено, что повышение давления охлаждающей деминерализованной воды до 3,5 МПа при использовании труб в панелях из жаростойких конструкционных материалов, позволит сократить общее количество воды в системе охлаждения, снизить величину воспринимаемого водой теплового потока и безопасно увеличить значение критического теплового потока (при котором возникает кризис кипения и прогар элементов) qкр до 7 МВт/м2. При определённом химическом составе, гарнисажный слой толщиной 1 мм дополнительно снижает тепловой поток на 10 кВт/м2.
Е. В. ПАРФЕНОВ, В. Р. МУКАЕВА, Р. Р. НЕВЬЯНЦЕВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор С. А. ГОРБАТКОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Анализ энергоемкости процессов электролитно-плазменной обработки
В последние годы метод электролитно-плазменной обработки (ЭПО)
получает все более широкое применение для очистки и полирования металлических поверхностей, нанесения и удаления защитных покрытий. Основным преимуществом данного метода является высокая экологическая безопасность. В качестве недостатка отмечается высокая энергоемкость процессов, однако в литературе отсутствуют данные по расчетам указанного показателя для типичных процессов (ЭПО), а также не приводятся способы его снижения.
Целью данной работы является оценка энергоемкости различных процессов электролитно-плазменной обработки, таких, как полирование (ЭПП), удаление защитных покрытий (ЭПУП) и оксидирование (ПЭО), а также формулирование подходов к энергосбережению на основе способов диагностики и управления процессами ЭПО.
Процесс электролитно-плазменной обработки представляет собой разновидность электрохимической, проводимой при повышенных напряжениях от 100 до 600 В и температурах электролита от 20 оС до 90 оС. В данных условиях вблизи обрабатываемой поверхности образуется парогазовая оболочка (ПГО), на которой происходит основное падение напряжения в цепи, а происходящие в ней электрохимические, электроразрядные и гидродинамические процессы определяют воздействие на поверхность, которое оказывается намного более эффективным по сравнению с электрохимическим методом. Кроме того, при ПЭО в порах формирующегося оксидного слоя появляются микроразряды, повышающие интенсивность роста покрытия.
187
Существенное удельное тепловыделение в ПГО позволяет поддерживать требуемую температуру электролита за счет системы охлаждения, не требуя дополнительных энергозатрат на подогрев. Таким образом, при определении энергоемкости процессов ЭПО в первом приближении достаточно ограничиться расчетом энергопотребления от технологического источника напряжения.
Для измерения энергоемкости процессов ЭПО предлагается отнесение энергозатрат W к единице площади обрабатываемой детали s и единице толщины целевого преобразованного поверхностного слоя h:
WEs h
=⋅
. (1)
Анализ энергоемкости проводился для процессов ЭПО, проводимых при постоянном напряжении U, при этом средняя плотность тока анода изменялась во времени в соответствии со свойствами поверхностного слоя. Температура электролита поддерживалась на заданном уровне T. Из рис. 1а, на котором показана динамика целевых свойств поверхностного слоя в эффективных условиях обработки, видно, что процессы ПЭО и ЭПУП, связанные с изменением толщины целевого слоя h, проходят с практически постоянной скоростью порядка 1…3 мкм/мин. Процесс ЭПП, при котором происходит изменение шероховатости поверхности Ra, имеет высокую скорость в начале обработки, и низкую в конце, и характеризуется экспоненциальной кривой. Кроме того, для данных процессов следует отметить различие на 2 порядка в толщинах преобразованного слоя. Такая динамика процессов отражается и на динамике их энергоемкости, приведенной на рис. 1б.
а) б)
Рис. 1. Динамика целевых свойств поверхностного слоя (а) и энергоемкости процессов ЭПО (б): ЭПП – U=300 В, T=80 oC; ПЭО – U=550 В, T=20 oC; ЭПУП – U=350 В, T=70 oC
Как видно из рис. 1б, для процессов ПЭО и ЭПУП энергоемкость слабо
изменяется во времени и составляет величины 0,8…1,2 Вт.ч/см2.мкм, что объясняется линейной динамикой процессов при сравнимой скорости. Расчеты показали, что для обработки типичных деталей, например, ПЭО поршня ДВС и ЭПУП с лопатки ГТД площадью 150 см2 с толщиной покрытия 60 мкм,
188
энергозатраты составляют 7,2…10,8 кВт.ч на деталь. Энергоемкость процесса ЭПП возрастает в 1,3…1,4 раза за каждые 5 минут, что связано с нелинейной динамикой процесса. Следует отметить, что энергоёмкость ЭПП превышает энергоемкость ПЭО и ЭПУП на 2 порядка, что может быть связано с удалением значительного слоя металла для заметного снижения шероховатости. Например, для обработки лопатки ГТД площадью 250 см2 при снижении Ra от 0,63 до 0,15 мкм, энергозатраты составят 9,6 кВт.ч.
Для процессов ЭПО предложен ряд способов (Патенты РФ №№ 2133943, 2360045, 2366765), позволяющих определять оптимальный момент окончания обработки и снижать энергоемкость в 1,2…1,5 раза.
А. И. ФЕДОТОВ, О. В. НАУМОВ ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Влияние нагрева элементов цеховых сетей низкого напряжения на величину потерь электроэнергии
Потери электроэнергии в элементах систем электроснабжения зависят от
величины тока нагрузки и эквивалентного сопротивления. Экспериментальные данные и опыт эксплуатации свидетельствует о
весьма существенном влиянии активного сопротивления контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов на общее сопротивление кабельных линий. В связи с этим, в современных промышленных электрических сетях низкого напряжения требуется уточнение величины эквивалентного сопротивления цеховых сетей.
Величина сопротивления контактных соединений, определяемая их тепловым состоянием во всех режимах работы, является одним из важнейших критериев работоспособности низковольтных аппаратов.
Сопротивление участка сети зависит от марки, сечения и длины провода, температуры его токопроводящей жилы, являющейся функцией температуры окружающей среды и нагрузки провода.
Для определения эквивалентного сопротивления линий цеховых сетей воспользуемся выражением [1]:
,1
К20 20)](α[1 ∑⋅ +−⋅+⋅=n
nRTlrR (1)
где r20 – сопротивление 1м жилы провода при температуре 200С; α – температурный коэффициент сопротивления, С-1; l – длина провода, м; RКn – сопротивление контактного соединения n-ого коммутационного аппарата., мОм; окрокрдоп
2з
θ)θ( +−= TкΤ – температура жилы кабеля (провода); Тдоп –
допустимая температура жилы провода, 0С; кз2 – квадрат среднеквадратичного
189
коэффициента загрузки линий, n
I
I
к
n
n
n∑
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
1
2
доп з , In – ток кабеля или провода
участка сети, А; In доп – допустимый ток кабеля или провода участка сети, А; n – количество линий сети, шт.
Для определения эквивалентного сопротивления линии цеховой сети, используя выражение (1) при изменении длины линии от 10 до 100м, построены номограммы (рис.1) для различных сечений.
Рис.1. Номограммы для определения эквивалентного сопротивления линии сети 10 мм2 с учетом коммутационной аппаратуры ВА-5125:
а – активное сопротивление линии; б – сопротивление линии с учетом нагрева; в –сопротивление линии с одним коммутационным аппаратом; г – сопротивление линии с
двумя коммутационными аппаратами; д – сопротивление линии с тремя коммутационными аппаратами; е – сопротивление линии с четырьмя коммутационными аппаратами Как видно из номограмм, при увеличении числа коммутационных
аппаратов на линии значительно растет ее сопротивление. При увеличении сечения линий, понижается доля сопротивления, вносимая коммутационными аппаратами. Так как цеховые сети промышленных предприятий наиболее разветвленные и протяженные с большим количеством последовательных соединений и элементов, учет нагрева проводников и сопротивлений контактных соединений коммутационных аппаратов позволяет существенно уточнять эквивалентные сопротивления линий цеховых сетей.
В результате анализа экспериментальных и теоретических данных установлено значительное влияние сопротивления коммутационных аппаратов на эквивалентное сопротивление линий цеховых сетей низкого напряжения. Влияние многочисленных факторов на величину эквивалентного сопротивления обусловливает необходимость их обобщения. Полученные
190
расчетные кривые для определения эквивалентного сопротивления линий цеховых сетей различного сечения и режима работы рекомендуются для практических расчетов потерь электроэнергии в цеховых сетях.
Список литературы 1. Грачева Е.И., Наумов О.В. Оценка величины потерь электроэнергии в электрических сетях до 1000В. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2003, №1-2.
С. И. САЛИМЯНОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. М. ГОРЮНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Оценка показателей эффективности работы моноблока ПГУ-220Т
На сегодняшний день проблема рационального использования и
сбережения топливно-энергетических ресурсов в энергетике является очень актуальной, так как явно наблюдается истощение запасов ископаемых топлив. Предприятия энергетического комплекса страны являются одними из превалирующих потребителей природного газа и мазута.
В связи с этим на первое место ставится задача повышения эффективности работы оборудования тепловых электрических станций, заключающаяся в повышении их КПД по производству тепловой и электрической энергии. Для этого необходимо широкое внедрение нового теплоэнергетическогого оборудования, обладающего большими значениями показателей эффективности его работы и применение современных методов преобразования энергии топлива в электрическую и тепловую энергию.
Главным и основным методом повышения эффективности тепловых электрических станций и отопительных котельных в современной энергетике является внедрение комбинированных парогазовых технологий в различных вариантах как то надстройка существующих паротурбинных блоков электростанций газотурбинными установками, замена устаревшего оборудования на современное в цехах имеющихся ТЭЦ, а также строительство новых парогазовых электростанций.
Основное преимущество парогазовых установок (ПГУ) заключается в более высоком уровне электрического КПД (до 0,51–0,53) по сравнению с 0,35–0,38 на паротурбинных блоках, широко используемых в настоящее время в России. Привлекательными особенностями ПГУ, помимо высоких КПД, являются умеренная удельная стоимость (в 1,5–2 раза ниже, чем у паровых энергоблоков близкой мощности), возможность сооружения за короткое (около двух лет) время, вдвое меньшая потребность в охлаждающей воде, хорошая маневренность.
В настоящий момент на территории города Уфа ведётся строительство новой современной теплоэлектроцентрали ПГУ ТЭЦ-5, работающей по
191
парогазовому циклу. Установленная электрическая мощность новой ТЭЦ составит 440 МВт, тепловая – 290 Гкал/ч. В качестве основного оборудования станции выбрано, как и уже зарекомендовавшее себя оборудование, так и новое, разработанное специально для данной ТЭЦ.
В состав ПГУ входят два моноблока, каждый из которых включает газотурбинную энергетическую установку (ГТУ) ГТЭ-160 (производства ОАО «Силовые машины»), паровую турбину Т-60/73-7,8/0,04 (производства ОАО «Калужский турбинный завод»), котёл-утилизатор Е-220/50-8,33/0,6-517/211 (производства ОАО «ЭМАльянс»).
Оценить эффективность работы оборудования можно различными способами. Наиболее рационально использовать для этой задачи специализированные системы математического моделирования. Расчёт показателей эффективности работы описанного выше моноблока, произведён с использованием системы математического моделирования DVIGwT.
Расчет показателей эффективности паровой части ПГУ базируется на данных, полученных из расчёта климатической характеристики газотурбинной установки ГТЭ-160. Перед расчётом данных характеристик, произведена идентификация полученной математической модели ГТУ с данными, предоставляемыми ОАО «Силовые машины» по значениям величин основных показателей установки в расчётной точке при условиях ISO (TH = 288,15 K; PH = 101,325 кПа).
При построении климатической характеристики ГТУ за счет варьирования температуры газов в камере сгорания, степени повышения давления в компрессоре, приведенного расхода воздуха на входе во входное устройство поддерживалась постоянной пропускная способность турбины, частота вращения ротора турбины и давление газов на срезе выхлопного патрубка ГТУ, а также использовалась как условие расчёта зависимость электрической мощности установки от температуры наружного воздуха NЭ=f(tН.В).
Расчёт ПГУ также производился в начале на номинальном режиме при температуре наружного воздуха tН.В.= -5,9 оС, а затем в температурном диапазоне, аналогичном области расчёта климатических характеристик ГТУ.
На номинальном режиме абсолютный электрический КПД парогазовой установки составил 48,7%, удельный расход условного топлива на выработку электрической энергии 252,16 г.у.т/кВт.ч, удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии 104,46 г.у.т/МДж, коэффициент использования теплоты (КИТ) порядка 0,81 – 0,83.
При сравнении с показателями ранее введённых станций близкой мощности (ТЭЦ-3 г. Челябинск) можно сделать вывод о том, что данный блок ПГУ-220Т соответствует требованиям, предъявляемым к подобным установкам и современному уровню развития теплоэнергетики.
192
С. А. СИДОРОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Р. Р. ИСМАГИЛОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Современные сухие силовые трансформаторы
В Республике Башкортостан значительную долю структуры
электроснабжения предприятий составляют масляные трансформаторы, тогда как реорганизация производственных мощностей и замена существующего оборудования требует перехода на новые системы электроснабжения.[1] Во многом это и определяет потребность производства современных моделей трансформаторов.
При этом масляные трансформаторы обладают рядом серьезных недостатков, такими как: высокая пожароопасность и экологическая опасность утечки масла [2]. Требование ПУЭ ЭСУ [3] не позволяет применять масляные трансформаторы на объектах, расположенных максимально близко к потребителям. Кроме этого необходимо контролировать качество и уровень масла, масса и габариты масляных трансформаторов превышают аналогичные по мощности сухие трансформаторы [4]. Все это повышает эксплуатационные расходы и усложняет эксплуатацию масляных трансформаторов.
Быстрое развитие научного прогресса и повышенные нормы безопасности при эксплуатации высоковольтного оборудования, все это позволило ввести в эксплуатацию другой тип оборудования – сухие трансформаторы. Современные сухие трансформаторы обеспечивают уровень прочности изоляции такой же, как и трансформаторы с жидким диэлектриком, а по удобству в обслуживании и монтажу существенно их превосходят [5]. Преимущества сухим трансформаторам дают новые изоляционные материалы, современные принципы конструирования и технологии изготовления.
В настоящее время рынок сухих трансформаторов в России представлен в основном продукцией зарубежных производителей, таких как Schneider Electric, Zucchini S.p.A, Siemens, GBE s.r.l, HTT, ABB и др. Ниже приведена сводная таблица четырех моделей сухих трансформаторов, наиболее широко представленных на российском рынке (табл. 1).
Из этого материала следует, что доля российских производителей на рынке подобного силового оборудования на сегодняшний день значительно меньше, чем доля рынка занятая зарубежными изготовителями. Хотя спрос на них существует, и он будет расти. Ведь российский рынок привлекателен, структура энергоснабжения предприятий до сих пор содержит значительную долю масляных трансформаторов, тогда как время диктует необходимость перехода на подстанции нового поколения. Поэтому в дальнейшем планируется детальное изучение конструкции, технологии изготовления, характеристик с целью проектирования конкурентоспособного силового трансформатора сухого типа.
193
Таблица 1 Сводная таблица характеристик сухих трансформаторов
Фирма – изготовитель, модель
Класс напряжения, кВ
Мощность, кВА
Цена, руб. Применение
ЗАО «Элтеко», ТСЗН-630/10УЗ
6;10
630 756 900 Для общественных зданий, которым предъявляются повышенные требования в части пожаробезопасности, взрывозащищенности, экологической чистоты.
GBE s.r.l., TR – 1600/10
6;10
1600 1010870 Для распределения электроэнергии в условиях агрессивной окружающей среды
Schneider-Electric, Trihal – 630/6
6
800
1005388 Для использования в помещении
Zucchini S.p.A., TTA-RES – 400/10(6)
6;10
400 - Для установки в электрических генерирующих и распределительных станциях и подстанциях
Список литературы
1. «Новости электротехники» [Электронный ресурс], Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2002/15/08.php (дата обращения: 28.09.2010) 2. Richard L.N. What we need to know about dry-type transformers// ProQuest Information and Learning Company- 2002– Oct.– с. 43-45. 3. Правила устройства электроустановок. Электрооборудование спецальных установок (ПУЭ ЭСУ) (ДНАОП 0.00-1.32-01). – К.:Украхстройинформ, 2001. 4. ЗАО «Электронмаш» [Электронный ресурс], Режим доступа: http://www.electronmash.ru/questions/nadezhnost/ (дата обращения: 28.09.2010) 5. Федотов М. Сухие трансформаторы для работы в тяжелых климатических условиях// Новости электротехники. – 2002. – 3(15). – С. 44.
194
В. Б. ДЕМИДОВИЧ, П. А. СИТЬКО ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Пути повышения эффективности применения технологии индукционного нагрева при термообработке проволоки
При производстве проволоки для термообработки используют
колпаковые и проходные печи с электрическим и газовым подогревом, установки электроконтактного нагрева, индукционные нагревательные установки.
Непрерывный промежуточный индукционный нагрев позволяет поддерживать температуру заготовки постоянной на входе в чистовую группу стана, увеличить производительность, снижает износ калибров валков, позволяет снизить температуру печи и окисление границ зерен металла, достичь более жестких допусков по сечению металла, экономить энергию.
Наибольшее распространение для отжига движущейся проволоки получили цилиндрические индукторы. Основным недостатком цилиндрических индукторов для нагрева проволоки является относительно низкий коэффициент полезного действия.
Обычный индукционный нагрев тонкой проволоки в диапазоне средних частот неэффективен из-за чрезмерной величины кольцевого зазора между проволокой и индуктором, а также из-за большой глубины проникновения тока на этих частотах, соизмеримой с диаметром проволоки. Технически сложно изготовить индуктор, внутренний диаметр которого сопоставим с диаметром проволоки.
КПД индуктора при нагреве стальной проволоки можно повысить путем увеличения ее магнитной проницаемости. Достигается это повышением частоты тока и уменьшением напряженности магнитного поля, что приводит к увеличению длины индуктора при неизменной мощности. Другим путем повышения эффективности индукционного нагрева движущейся проволоки является совершенствование конструкции индукционного нагревателя.
Если использовать индуктор для нагрева одной нити тонкой проволоки, то достичь высоких значений КПД будет проблематично. При производстве проволоки на многониточных устройствах можно производить отжиг не одной нити, а нескольких одновременно.
Оценка эффективности применения средне и высокочастотного индукционного нагрева как одной нити стальной проволоки, так и пучка проволоки проводилась на математических моделях, с помощью пакета программ Universal 2D.
В результате моделирования получены минимальные значения частоты при индукционном нагреве проволоки сечением от 1 до 8 мм, при которых при нагреве до 700 ºС КПД установки достигает 70%.
195
При нагреве проволоки диаметром до 1 мм КПД индукционной установки не превышает 0,5. Повышение частоты не дает существенного изменения показателей. Индукционный нагрев становится эффективным при нагреве одной нити проволоки, начиная с толщины 4 мм, частота тока при этом составляет 100 кГц. Дальнейшее увеличение диаметра приводит к резкому снижению минимальной частоты тока необходимой для эффективного нагрева.
Объединение проволоки в пучок по несколько нитей позволяет повысить значение КПД. Для проволоки толщиной 1мм нагрев на частоте 100 кГц становится эффективным (КПД 0.7) уже при объединении в пучок пяти нитей проволок. Аналогичная картина наблюдается при дальнейшем увеличении диаметра проволоки. Как указывалось выше, начиная с толщины проволоки 4 мм и более эффективным становится нагрев даже одной нити проволоки. Объединение проволок в пучок и в этом случае будет эффективным не только для повышения КПД установки, но и для снижения частоты тока.
Проведенные теоретические исследования показали, что количество нитей проволоки любого сечения в пучке оказывает существенное влияние на величину КПД при количестве проволок в пучке до 4–5 штук, при дальнейшем увеличении количества нитей значение КПД стабилизируется.
Современные транзисторные ТВЧ генераторы – это мощные генераторы на силовых транзисторах (IGBT), позволяющие работать в более широком диапазоне частот (вплоть до 100 кГц) способны отслеживать и изменять выходную частоту в широком диапазоне частот. Что позволяет подключить к ним индукционную нагревательную печь для термообработки проволоки с различным количеством нитей в пучке. Частоту генерации можно изменять в зависимости от количества и диаметра нитей проволоки, таким образом, сохраняя максимальный КПД системы в целом.
Также результаты моделирования показали, что можно выбирать размер индуктора не под конкретное количество проволок, а допускается некоторое его уменьшение, но не более чем в два раза.
О. В. БУЛАНОВА, Ю. Н. РОТАНОВА, Ю. В. ИОНОВА ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет
Исследование режимов ресинхронизации генераторов собственных электростанций в системах электроснабжения промышленного
предприятия черной металлургии
В современных условиях функционирования промышленных предприятий вероятен выход промышленных электростанций на раздельную работу и их последующая ресинхронизация. При работе несинхронного АПВ имеют место режимы ресинхронизации генераторов собственных электростанций, которые могут сопровождаться значительными изменениями токов и напряжений в различных точках электрической сети. В режиме
196
раздельной работы при значительных расхождениях углов роторов генераторов процесс ресинхронизации может затянуться, что приведет к нарушению устойчивости других генераторов систем электроснабжения.
Для исследования подобных процессов разработан алгоритм и зарегистрирована программа, позволяющая производить анализ установившегося и переходного режима при раздельной работе, режима короткого замыкания с выходом на раздельную работу и последующей ресинхронизацией в системах электроснабжения любой сложности и любой конфигурации с неограниченным количеством элементов.
Исследования переходных режимов проводились на примере системы электроснабжения ОАО «ММК», имеющего собственные электростанции. В ходе работы были рассмотрены режимы трехфазного короткого замыкания на шинах 110 кВ связи собственных электростанций тепловой (ТЭЦ), центральной (ЦЭС) и паровоздуходувной (ПВЭС) с энергосистемой, их выход на раздельную работу и последующая ресинхронизация в результате действия НАПВ.
Расчеты показали, что при длительности короткого замыкания менее 0,3 с. и времени восстановления параллельной с энергосистемой работой менее 0,7 с происходит восстановление нормальной работы промышленных генераторов с энергосистемой.
В случае выпадения генераторов из синхронизма начальное значение напряжения на шинах электростанций существенно отличается от конечного значения напряжения при асинхронном ходе. Предельное время отключения составляет 0,2-0,4 с, а время восстановления 0,7-5 с. При отделении ГРУ-10,5 кВ ТЭЦ и трехфазном коротком замыкании (ТКЗ) на РУ-110 кВ ТЭЦ видно, что отсутствие связи с системой генераторов ТЭЦ способствует сохранению устойчивости и последующему восстановлению. При отделении ЦЭС - ПВЭС-2 и подстанции 87 по 110 кВ предельное время отключения КЗ сокращается до 0,2 с, это объясняется не только малой удаленностью генераторов ЦЭС от точки ТКЗ, но и близостью генераторов ПВЭС-2, которые в последующем начинают раскачивать другие генераторы. Большее время отключения ТКЗ характерно для узла ТЭЦ при его выходе на раздельную работу, что связано с избытком активной и реактивной мощности в узле, способствующей сохранению устойчивости и уровня напряжения.
Восстановление параллельной работы осуществляется за счет действия НАПВ (рис.1). Противоаварийная автоматика должна осуществлять повторное включение выделившегося узла сети при таких значениях углов роторов, при которых обеспечивается наиболее быстрая синхронизация генераторов и отсутствуют значительные броски токов статоров. Существенное влияние при этом оказывает момент включения генераторов на параллельную работу: либо это происходит при нулевом значении угла генератора, либо при угле равном установившемуся значению. Как показывают расчеты, искомый момент времени соответствует переходу угла через ноль. Это связано с тем, что значение тока статора при этом тоже близко к нулю.
197
Рис. 1. Взаимные углы генераторов относительно ТГ-3 ТЭЦ при раздельной работе ТЭЦ в
режиме короткого замыкания на РУ-110 кВ при tпред. откл=0,2с и tвосст=2 с Разработанный алгоритм и программный комплекс позволяют
исследовать аварийный режим работы промышленных электростанций и разрабатывать мероприятия и рекомендации по повышению динамической устойчивости синхронных машин.
М. А. СМИРНОВ, Т. М. ИЩЕЙКИНА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Н. Г. УРАЗБАХТИНА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Введение принципа энергосбережения в электропривод
с регулятором на основе нечеткой логики Система электроприводов с синхронным реактивным двигателем (СРД),
также как и синхронным, имеют ряд преимуществ перед асинхронными двигателями в том, что сохраняют неизменную частоту вращения в определенном диапазоне нагрузок, однако, при уменьшении частоты вращения нагрузочный диапазон сокращается.
Для того чтобы сохранить нагрузочный диапазон, необходимо увеличить напряжение питания подаваемого с автономного инвертора (АИН), разработанного по принципу энергосбережения. При этом одновременно ухудшаются динамические характеристики привода, появляются колебания, как нагружаемого момента, так и частоты вращения вала.
Авторами была разработана модель электропривода состоящего из модели СРД на основе обобщенной электрической машины и имитационной модели АИН. Предполагается, что в систему был введен регулятор на основе нечеткой логики.
198
Система уравнений преобразованной математической модели двухфазного синхронного реактивного двигателя с демпферной пусковой обмоткой на роторе будет иметь вид:
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪
⎨
⎧
−==
−=
−+−=
++=
++=
ω+ω+++=θ
ω−ω−++=−
.dtd;
dtds
MMHps
iixiixii)xx(M
;riidtdxi
dtdx
;riidtdxi
dtdx
;ixixidtdxi
dtdxircosU
;ixixidtdxi
dtdxirsinU
;drqaqqrdadqdqd
rqrqrqrqqaq
rdrdrdrddad
rdardddrqarqqqq
rqarqqqrdardddd
θωωθω
cт
0
0
θ
эл1эл1
элэлo1
элэлo1
, согласно которой была разработана и исследована имитационная модель электропривода с СРД и регулятором на основе нечеткой логики, который позволил при регулировании частоты вращения привода расширить диапазон по нагрузке (Рис. 1.).
Система состоит из: ОУ – объекта управления; СУ – системы управления; датчика наблюдения состояния; Пр – преобразователя.
íàáëþäàòåëüñîñòîÿíèÿ
fuzzy-ðåãóëÿòîð
ÑÐÄÀÈÍÏð
ÎÓU
Ìñ
ÑÓ
U
U
Рис. 1. Система управления электропривода
Система постоянно контролирует сигналы оборотов и нагрузки, и на
основе этих данных рассчитывает и создает величину напряжения, подающуюся на СРД для поддержания необходимых оборотов на выходе. На рисунке (Рис. 2.) показан график реакции системы с нечетким регулятором на резкое изменение нагрузки.
ωr,
199
Рис. 2. График реакции на сигнал системы управления с нечетким регулятором
В результате моделирования системы на основе АИН, СРД и нечеткого регулятора были получены улучшенные показатели качества выходной переменной по сравнению с ПИД-регулятором. Однако создание базы правил для нечеткого регулятора требует экспертных знаний, что ограничивает его использование.
Р. М. ГИЛЬМАНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук Э. В. ШАМСУТДИНОВ Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН
Моделирование теплообмена и гидродинамики в резервуарах хранения водоугольных суспензий
Использование водоугольного суспензионного топлива или водоугольных
суспензий (ВУС) в различных энергетических установках является на сегодняшний день одним из перспективных направлений, позволяющим заменить дорогостоящее жидкое нефтяное топливо на энергетических объектах различного масштабного уровня – от небольших районных и промышленных котельных до крупных тепловых электростанций и энерготехнологических комплексов.
Основными проблемами на пути к расширенному применению ВУС являются: низкие показатели стабильности основных технологических характеристик, а также отсутствие научно обоснованных методических
200
рекомендаций при исследовании тепломассопереноса при приготовлении и хранении водоугольной суспензии.
Таким образом, целью исследования является исследование теплообмена и гидродинамики в резервуарах хранения водоугольных суспензий.
При исследовании теплообмена и гидродинамики в резервуарах для хранения ВУС использовалась основная система уравнений, которая базируется на фундаментальной системе дифференциальных уравнений сохранения энергии и механики сплошной среды – уравнений движения и неразрывности:
divTρ1=
dtdV (1)
0div =Vr
(2) ( )gradTdiv λρ =
dtdTcp (3)
В качестве естественных гидродинамических граничных условий приняты следующие:
1. На входе в резервуар считается заданным профиль вектора скорости: ( )tzrfv ,,=r (4)
где ( )tzrf ,, – функция, зависящая от профиля насадок и от характера изменения расхода жидкости.
2. На стенках резервуара граничное условие прилипания: 0=
ΓVr
(5) где Γ – граница резервуара.
3. На выходе из резервуара принимается: 0const ==P (6)
4. На оси резервуара выполняется условие симметрии течения: ( ) 0=⋅ nv rr (7)
где nr – нормаль к оси резервуара. Температурное начальное граничное условие имеет вид:
( ) ( )zrTtzrT ,0,, 0== (8) 1. Тепловые граничные условия на входе в резервуар принимают вид:
( )tzrTT ,,вх= (9) где ( )tzrT ,,вх – заданная функция координат r и z и времени t.
В частности температура жидкости на выходе из насадки может иметь постоянное значение:
( ) const,, 1вх == TtzrT (10) 2. На стенках резервуара принимается условие полной теплоизоляции:
0=∂∂
tT (11)
3. Тепловые граничные условия на выходе принимаются: 0=
∂∂
tT (12)
4. На оси резервуара выполняется условие симметрии:
201
0=∂∂
rT (13)
При расчетах приняты следующие исходные: внутренний диаметр
модельного резервуара – 1000 мм, высота – 1000 мм, диаметр форсунки – 20 мм, диаметр выходного патрубка –20 мм. Исследуемая среда – водоугольная суспензия (ВУС). Расход Q = 0,5 м3/ч (1,38·10-4 м3/с); Re = 44,12; начальная температура ВУС в резервуаре – 40 °С, температура греющей струи – 60 °С. На стенках и днище резервуара принимается условие полной теплоизоляции. Максимальная скорость составляет umax = 0,0055 м/с.
В результате численных исследований задач получены поля вектора скорости ur и его компонент ru и zu , поля температур, линий тока при ламинарном течении осесимметричной затопленной свободной струи ВУС.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (госконтракты №02.740.11.0062, 02.740.11.0685, 02.740.11.0753, П557, П1014)
И. В. ТЕПЛЯКОВА Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. Н. ГРИШИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Влияние изменения теплофизических свойств рабочего тела
в газотурбинном контуре парогазовой установки на точность определения её мощности и экономичности
При расчете параметров ГТУ в учебной литературе очень часто
используется метод расчета, где теплофизические характеристики задаются ступенчатым образом. Теплофизические характеристики определяются через осредненные значения показателя адиабаты [1]. Поэтому возникла необходимость проверки, насколько точны расчеты параметров мощности и экономичности парогазовой установки при таком способе задания теплофизических характеристик.
В методике [1] изменение теплоемкостей и показателей адиабаты рабочего тела при изменении его температуры в процессах сжатия и расширения не учитывается. Значения Ср и к принимаются постоянными для компрессора и турбины. Определение расхода топлива производиться с помощью известной формулы Я.Т. Ильичева.
Используя методику расчета [1], была составлена программа расчета газотурбинного контура газотурбинной установки ГТЭ-110 на номинальном режиме. Расчет проведен при параметрах, приведенных в статье [2]. В таблице 1 приведены некоторые исходные данные для установки ГТЭ-110, которые в дальнейшем использовались для оценки точности выполненных расчетов.
202
Таблица 1 Параметры Значение Размерность
Расход воздуха на входе в компрессор, 1кG 365,9 кг/c
Степень повышения давления в компрессоре, *
кπ 15,65 -
Температура газов на входе в турбину, *ГТ 1451,15 К
При выполнении термодинамического расчета определяются параметры
состояния рабочего тела по сечениям проточной части, удельная и абсолютная мощности на выходном валу, а также показатели экономичности газотурбинной установки.
В табл. 2 приведены данные статьи [2] и результаты расчета по разработанной программе.
Таблица 2 Параметр Данные из
статьи [2] Результаты расчета
Размерность
Электрическая нагрузка ГТУ, элN 116,1 123,1 МВт Тепловая мощность на выходе из газотурбинного контура, ТQ
327,4 332,9 МВт
КПД ГТУ, ГТУη 35,48 37,37 % Температура газов на выходе из турбины, *
ТТ 790,15 877,49 К
На основе данных таблицы 2 получены следующие погрешности расчета
параметров ГТУ (см. табл.3). Таблица 3
Погрешность расчета электрической нагрузки ( )0 0100% /эл эл эл элN N N Nδ = ⋅ −
6,06 %
Погрешность расчета КПД ГТУ ( )0 0100% /ГТУ ГТУ ГТУ ГТУδη η η η= ⋅ − 5,32 % Погрешность расчета температуры газа на выходе из газотурбинного контура ( )* * * *
0 0100% /Т Т Т ТТ Т Т Тδ = ⋅ − 16,89 %
Тепловая мощность на выходе из газотурбинного контура, ( )0 0100% /Т Т Т ТQ Q Q Qδ = ⋅ −
23,85 %
В таблице 3 параметры с «0» соответствуют параметрам ГТУ,
приведенным в статье [2]. Величина ТQ определена по температуре уходящих газов и соответствует тепловой мощности, отводимой из газотурбинного контура.
203
Полученные результаты расчета показывают, что точность определения мощности и экономичности не превышает 6%. Такая точность является удовлетворительной для расчета параметров ГТУ. Погрешности определения температуры уходящих газов составляют 17%, отвода теплоты из газотурбинного контура - 24%. Эти погрешности слишком велики для расчетов параметров парогазовой установки, в которую входит ГТУ как составная часть. Поэтому для расчета газотурбинного контура ПГУ необходимо использовать более точные формулы для определения теплофизических параметров рабочего тела, например, как в работе [3].
Список литературы 1. Арьков Ю.Г., Шайхутдинов З.Г. Конвертирование АД для использования в наземных энергетических установках. – Уфа: изд. УАИ, 1986. 82 с. 2. Агеев А.В., Гутник М.Н., Малахов С.В., Ольховский Г.Г., Трушечкин В.П., Хомиченко В.Н. Исследование тепловых характеристик газотурбиной установки ГТЭ-110 // Теплоэнергетика. – 2004. - № 11. 3. Манушин Э.А., Михальцев В. Е., Чернобровкин А.П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М.«Машиностроение», 1977.447 с.
Т. А. ГАЙНЕТДИНОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Л. Э. РОГИНСКАЯ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Энергосберегающие методы
при высокочастотной термообработке металлов
В настоящее время в России и в мире получают все большее распространение новые технологии энергосбережения. К ним, в частности, можно отнести и технологии, использующие прямой или косвенный индукционный нагрев. Предпочтение индукционному виду нагрева отдается благодаря ряду таких его преимуществ, как высокая концентрация и точная локализация энергии при нагреве, высокая производительность и показатели использования оборудования и материалов. В силу самого принципа индукционного нагрева формирование тепла происходит внутри детали, вследствие чего процесс более эффективен по затратам энергии, чем другие методы, и количество рассеиваемой энергии достаточно низко.
Прямой индукционный нагрев применяется в сверхчистой бесконтактной плавке, пайке и сварке металла, получении опытных образцов сплавов, гибке и термообработке деталей машин, выращивании монокристаллов, ювелирном деле, обработке мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве, закалке и термообработке деталей сложной формы. Технологии, использующие косвенный индукционный нагрев, – это плавка тугоплавких и цветных металлов, варка оптического стекла,
204
эпитаксиальная технология, спекание порошковых изделий сложной конфигурации, технология изготовления оптических волокон, покрытие металлов пленками и другие технологические процессы.
В настоящее время промышленностью выпускаются разнообразные типы индукционных установок, призванные удовлетворить многообразие потребностей, возникающих при индукционном нагреве. Поэтому конструктивное и схемотехническое совершенствование основных элементов индукционных установок по-прежнему остается актуальной задачей. В инверторах повышение надежности и расширение частотного диапазона достигается применением современной элементной базы.
В последнее время разработано новое поколение электронных ключей с применением субмикронной технологии. Такая элементная база позволяет применять простые схемы инверторов для получения напряжения достаточно высокой частоты. В настоящее время параметры IGBT модулей позволяют использовать для высокочастотного индукционного нагрева
одновентильные схемы (рис. 1). Аналитическая автоматизированная методика, разработанная для данной схемы, позволяет выбрать наиболее рациональные параметры, при которых достигаются максимальные частота управления и мощность в нагрузке.
Другим неотъемлемым компонентом индукционной установки является индуктор, выбор материалов, геометрических и электромагнитных параметров которого диктуется условиями технологического процесса. В качестве современных конструктивных идей считается использование в индукторе магнитопровода, применение которого является наиболее эффективным средством улучшения электромагнитной связи индуктора с нагреваемыми телами, тем самым способствуя повышению КПД. Благодаря наличию магнитопровода, индукционный нагреватель обладает существенно меньшим рассеянием магнитного потока в окружающее пространство и, соответственно, меньшими потерями, а также экологически более безопасен для обслуживающего персонала по сравнению с индукторами без магнитной системы. В качестве материала магнитопровода предпочтительно использовать феррит, например, марки 2500 НМС-1. Использование ферритов обусловлено достаточно высокой магнитной проницаемостью, низкими потерями на вихревые токи и низкой теплопроводностью, что позволяет использовать их при высоких частотах и сухом охлаждении.
Недостаточно исследовано на данный момент использование в индукторах добавочной проводящей среды. Под добавочной проводящей средой понимается проводящий полый цилиндр с радиальными изоляционными каналами (прорезями). В качестве нее можно рассматривать водоохлаждаемый металлический тигель в индукторе для плавки окисных
Рис. 1. Одноключевой транзисторный инвертор
205
материалов, вторичную обмотку индуктора-трансформатора и концентратор в ряде других специальных индукторов. Добавочная проводящая среда не прозрачна для электромагнитного поля индуктора, однако поле проникает в щели, сделанные внутри этой среды, тем самым, уменьшая поток рассеяния электромагнитного поля. При выборе металла добавочной проводящей среды определяющую роль играют электропроводность и теплопроводность, которые должны быть высокими, поэтому в качестве материала для добавочной проводящей среды широко используется медь и алюминий. В результате расчетов установлено, что наличие промежуточной проводящей среды с прорезями позволяет сохранить постоянство напряженности магнитного поля в зазоре между индуктором и деталью.
Выводы Для повышения энергоэффективности и экономичности высокочастотной
термообработки металлов необходимо использовать современные достижения науки и техники, а именно внедрять современную элементную базу полупроводниковых элементов, разрабатывать новые и эффективные схемотехнические решения для источников питания, а также использовать современные материалы и конструктивные решения для индукторов.
Е. А. МУРАВЬЕВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор А. И. КАЯШЕВ Филиал ГОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке
Энергосберегающее управление
вербально представленными технологическими объектами, реализованное на четких логических регуляторах
К началу 21 века классические методы управления энергосбережением
практически и теоретически исчерпали свои возможности. Поэтому все чаще для этих целей стали использоваться элементы искусственного интеллекта и особенно регуляторы на основе нечеткой логики, парадигма которой наиболее приспособлена для непосредственного переложения вербально представленного уникального опыта экспертов предметной области на язык современной компьютерной техники.
Однако использование нечетких регуляторов (НР) в системах энергосбережения выявило такие их недостатки как структурная избыточность, большая погрешность, низкое быстродействие и некорректное, с точки зрения психологии, представление информации множеством нечетких термов.
В докладе показано, что логической и алгоритмической основой устранения упомянутых недостатков НР является представление входных и выходных параметров совокупностью не перекрывающих друг друга четких термов, имеющих прямоугольную функцию принадлежности и являющихся по
206
своей логической природе аргументами двузначной логики. Тем самым удается устранить нечеткость в представлении информации, что превращает нечеткий логический регулятор (НЛР) в четкий (ЧЛР) с сохранением основных положительных качеств первого.
На рис.1 изображена совокупность четких термов T1÷Tn, интерпретирующих непрерывную физическую переменную p. Если ширину каждого терма принять равной l, то аналитически терм-множество, изображенное на рис.1, можно представить следующим выражением:
).())1((11
ilTilpliTТn
ii
n
iiр ∑∑
==
=<≤−= (1)
Знак суммы в выражении (1) означает совокупность n четких термов. Изображение технологических параметров совокупностью четких термов
хорошо согласуется с практикой, потому что эксперт предметной области, как правило, оперирует допустимыми интервалами изменения регулирующих и регулируемых параметров, внутри которых для него все четкие значения имеют одинаковый приоритет (единичное значение функции принадлежности).
Однако главное в предложенной замене заключается в принципиально новой возможности повышения быстродействия и снижения погрешности логических регуляторов, а также в расширении их управляющих функций по снижению энергозатрат в технологических установках.
Повышение быстродействия происходит вследствие появившейся возможности в каждом цикле сканирования без потери адекватности регулирования отрабатывать не всю систему продукционных правил регулятора, а только ту её часть, которая находится выше правила, антецедент которого в данный момент равен логической единице. Такое стало возможным из-за представления входных и выходных параметров регулятора совокупностью четких термов, в которой в любой момент времени только один терм равен логической единице, а в системе продукционных правил ЧЛР только у одного правила антецедент равен логической единице.
Рис. 1. Расположение четких термов на универсальной числовой оси Быстродействие у ЧЛР будет наибольшим, а его время отклика
наименьшим, если в начале системы продукционных правил расположить правила, у которых антецедент чаще принимает значение логической единицы. Достоверное значение частоты срабатывания продукционных правил предложено определять с помощью ANY-TIME алгоритма, в котором через заданный интервал времени по уточненному значению частоты срабатывания
207
правил в начало системы продукций автоматически устанавливаются правила с наибольшей частотой срабатывания.
Уменьшение погрешности регулирования достигнуто спецификой логического вывода в ЧЛР, который благодаря бинарной природе четких термов удалось свести к типовым преобразованиям двузначной логики. Поэтому независимо от сложности структуры антецедента продукционных правил результатом обработки продукционного правила является один из четких термов регулируемого параметра, по которому весьма просто (например, по ширине терма) находится его четкое значение с точностью, равной ширине этого терма. Причем минимальная ширина терма регулируемого параметра определяется, только разрешающей способностью элементной базы программируемого контроллера, на котором реализован ЧЛР.
Расширение управляющих функций ЧЛР вызвано единой логической природой четких термов и дискретных входных и выходных переменных объектов управления – все они являются аргументами двузначной логики. Указанное обстоятельство позволяет в антецедентах продукционных правил использовать не только термы входных, но и выходных переменных ЧЛР, а также дискретные входные и выходные переменные объекта управления. Например, это позволяет вводить необходимые блокировки непосредственно в системе продукционных правил регулятора, что упрощает аппаратную часть системы управления в целом.
Е. Н. ГУЛЯЕВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Л. Э. РОГИНСКАЯ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Энергосбережение за счет улучшения качества электроэнергии
Одним из важнейших показателей эффективности работы любой системы
является коэффициент полезного действия (к.п.д.). Данный показатель определяется как отношение полезно использованной энергии ( полW ) к суммарному количеству энергии ( сумW ), полученному системой. В силу закона сохранения энергии этот коэффициент всегда меньше единицы.
сум
сум
сум
пол
WWW
WW Δ−
==η (1)
где WΔ - потери энергии, Дж. В процессе работы часть энергии рассеивается в виде тепла в
окружающую среду – потери энергии. В энергосистеме при производстве, преобразовании, передаче и
потреблении электроэнергии также возникают потери. Часть этих потерь связана с транспортировкой электроэнергии от генератора к потребителю. Эти потери обусловлены активными и реактивными сопротивлениями сетевых
208
элементов (линии, трансформаторы). Для уменьшения потерь в сети повышают напряжение, применяют более современное оборудование из материалов с большей удельной проводимостью, повышают сечение линий электропередачи и т.д. Все из перечисленных методов связаны с финансовыми затратами со стороны сетевых компаний. Но в ряде случаев потери в электрических сетях можно снизить без реконструкции сети и за счет виновников вызвавших эти потери. В данном случае речь идет о потребителях с нелинейной вольт – амперной характеристикой. К данному классу потребителей относятся и полупроводниковые преобразователи. Полупроводниковые преобразователи, в результате бурного развития полупроводниковой техники, все больше внедряются в различные области промышленности, быта, науки и т.д., что сопровождается увеличением потребляемой ими мощности. Данный класс потребителей, потребляя мощность от энергосистемы, генерирует токи с частотой, отличающейся от номинальной. При этом потребляемая полная мощность будет равна
222 TQPS ++= (2) где P - активная мощность, Вт;
Q - реактивная мощность, ВАр; T - мощность искажения, ВА Протекающей по сети ток высших гармонических составляющих
увеличиваю потери электроэнергии в сети и тем самым снижает к.п.д. Следует заметить, что в ГОСТ на качество электроэнергии нормируется,
наряду с другими показателями, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения, при этом отклонение кривой тока от синусоидальной формы не нормируется!
Для уменьшения влияние высших гармонических составляющих применяют:
- увеличение числа фаз выпрямления; - многофазный эквивалентный режим работы преобразователя; - снижение уровней гармоник средствами питающей сети; - фильтры высших гармоник (пассивные, активные, гибридные). Наиболее оптимальным способом уменьшения влияние неактивных
составляющих тока и напряжения является многофазный эквивалентный ражим работы преобразователя. Применение данного метода наиболее оправдано при использовании в цепи для питания нагрузки понижающего трансформатора.
Для реализации данного метода предлагается применение многофазного преобразователя состоящего из модулей, каждый из которых содержит преобразовательный трансформатор, обмотка высокого напряжения которого соединена с питающей сетью, а обмотка низкого напряжения разделена на две части, при этом каждый из модулей содержит по два мостовых выпрямителя, каждый преобразовательный трансформатор содержит сетевую обмотку, подключенную к питающей сети, фазосдвигающую обмотку, обеспечивающую
209
создание углов сдвига напряжения вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, и разделенную на две части вентильную обмотку. Обмотки высокого напряжения преобразовательных трансформаторов выполнены по схеме «неравноплечий зигзаг».
Рис 1. Принципиальная электрическая схема преобразователя
А. И. ФЕДОТОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук Э. В. ШАМСУТДИНОВ Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН
Исследование процессов гидродинамики при ламинарном движении водоугольной суспензии в каналах с дискретной шероховатостью В настоящее время становится актуальным использование твердого
топлива для создания водоугольных суспензий (ВУС), которое может служить заменой некоторых видов традиционного топлива и обладает рядом преимуществ, свойственных жидким органическим топливам: их можно легко транспортировать по трубам на большие расстояния, распылять из форсунок в топках, хранить и перекачивать так же, как жидкое топливо. С учетом современных требований к ресурсо- и энергосбережению, возникает необходимость исследования происходящих процессов и разработки эффективных режимов эксплуатации систем транспортировки водоугольных суспензионных топлив. Это требует, в свою очередь, осуществить моделирование и исследование процессов гидродинамики при транспорте водоугольной суспензии, свойства которой существенно отличаются от свойств компонентов.
С этой целью были проведены численные исследования процессов гидродинамики при ламинарном движении ВУС в каналах с дискретной шероховатостью. В качестве программного комплекса использовался
210
лицензионный коммерческий пакет Comsol Multiphisic 3.5. В качестве базовых уравнений в исследуемой математической модели взяты уравнения движения и неразрывности:
( ) )))((( τμ UUpIUUp ∇+∇+−⋅∇=∇⋅ (1) 0=⋅∇ U (2)
где p-давление, I-единичный тензор, μ - динамическая вязкость, U - скорость. В качестве краевых условий приняты следующие условия:1) на входе в
трубу задан развитый профиль скорости )/()(2 4220 RrRQU π−= ( где R – радиус
трубы, r – координата, Q – расход жидкости); 2)на стенках канала выполняется условие прилипания жидкости; 3) на выходе задан свободный отток жидкости.
Для моделирования были выбраны следующие исходные данные: 1) Процесс изотермический (t=const=200C), 2) Значение вязкости μ=0.53Па·с (данное значение взято из
литературных источников [1] для концентрации суспензии φ=40%) 3) Характеристики исследуемого участка трубопровода: D=100 мм,
длина участка L =1 м, форма выступа – полукруг, высота выступа d=2,5; 10 мм 4) Режим течения ламинарный (значения расходов:Q=0.01; 0.005 м3/с) 5) Количество выступов менялось в зависимость от отношения
высоты выступа к диаметру трубопровода (d/D=0.5…3) В ходе численных исследований получены распределения компонент
вектора скоростей, линии тока, компоненты вектора вихря при заданных режимах работах, рассчитаны средние скорости и гидродинамические сопротивления для всех исследуемых вариантов. Установлено, что при расходе Q =0,005 м3/с в трубе с шероховатостью происходит уменьшение гидравлического сопротивления по сравнению с гладкой трубой (при d=2.5 мм улучшение 0.2-0.9%, при d=10 мм – до 12,5%). При увеличенном расходе (Q=0,01) гидравлическое сопротивление растет или изменяется незначительно по сравнению с предыдущим вариантом.
Таким образов можно сделать вывод, что малых скоростях движения ВУС шероховатость каналов оказывает существенное влияние на гидродинамические процессы и исследование в этом направление целесообразно продолжить.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (госконтракты №02.740.11.0062, 02.740.11.0685, 02.740.11.0753, П557, П1014)
Список литературы
1. Баранова М.П. Влияние температуры на реологические характеристики водоугольных суспензий из бурых углей/ М.П. Баранова, М.Л. Щипко, Б.Н. Кузнецов // Вест. КрасГУ. – 2005. – №2. – С.110-113.
211
А. Р. ХАБИРОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Г. БАКИРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Определение основных показателей тепловой экономичности
газопоршневых электростанций Известно, что на большинстве электростанций Российской Федерации
используется технология комбинированного производства электрической и тепловой энергии. При этом энергия, выделяемая при сжигании совокупного количества топлива в топках энергетических котлов, подлежит распределению на эти два вида вырабатываемой энергии. Для надлежащего деления общих топливных затрат используется специальная методика. В настоящее время в РФ действуют Методические указания по составлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрификации о тепловой экономичности оборудования (РД 34.08.552-95), разработанные ОРГРЭС и утвержденные в качестве нормативных в 1995г. Расчеты, проводимые по разделению топливных затрат на электрическую энергию, отпускаемую с шин электростанции, и тепловую энергию, отпускаемую с коллекторов, в соответствии с этими Методическими указаниями являются основанием для разработки предложений по тарифам на каждый вид энергии, которые должны быть согласованы с Федеральной службой по тарифам (ФСТ России).
Данные методические указания применимы для тепловых электростанций с паротурбинным оборудованием. Однако в настоящее время все большее количество ТЭС и многочисленных котельных цехов “надстраиваются” газотурбинными установками (ГТУ), газопоршневыми агрегатами (ГПА) и дизельными установками. Если для ГТУ и дизель-генераторов методика расчетов технико-экономических показателей имеется, то для газопоршневых установок такая методика, которая была бы утверждена в качестве нормативной отсутствует. Это приводит к большим трудностям для сравнения энергоэффективности. Необходимо также отметить тот факт, что методики расчета технико-экономических показателей для дизель-генераторов и ГТУ были приняты в качестве нормативных относительно недавно, в 2005 и 2008 годах соответственно и постоянно пересматриваются.
В данной статье нами выдвинуто предположение по разделению затрат топлива газопоршневыми агрегатами.
Мы предлагаем, исходит из того, что ТЭЦ, в том числе и газопоршневые сооружаются для получения экономии топлива. Экономия же достигается за счет комбинированного производства электрической и тепловой энергии, а, следовательно, и должна учитываться при расчете удельных расходов топлива на производство каждого вида энергии.
Расход топлива на производство электроэнергии
212
атэ,аэ,
аэ,Σээ ВВ
ВВВ
+⋅= , (1)
где ΣВ - суммарный расход топлива на ГПА-ТЭЦ, т; аэ,В - расход топлива на производство электрической энергии в альтернативной раздельной схеме, т;
атэ,В - расход топлива на производство тепловой энергии в альтернативной раздельной схеме, т. Необходимо отметить, что альтернативная схема – это раздельное производство электроэнергии на ГПА при полностью открытом газовом байпасе котла-утилизатора (КУ) и производство тепловой энергии на независимой котельной.
Расход топлива на производство тепловой энергии в альтернативной раздельной схеме (водогрейной котельной) может быть вычислен по формуле
отпВКВКатэ, QbВВ ⋅== , (2) где ВКВ - расход топлива в котельной при отпуске тепла, т; ВКb - удельный расход топлива на производство тепловой энергии в котельном агрегате, кг/Гкал, условно принят 160 кг/Гкал, что соответствует КПД водогрейного котла 89,3%; отпQ - отпуск тепловой энергии от ГПА за отчетный период, Гкал.
При этом расход топлива на производство тепловой энергии в комбинированном цикле ГПА определяется по формуле
ээΣтэ ВВВ −= (3) При использовании данной методики расчета технико-экономических
показателей ГПА по сравнению с физическим методом удельные расходы топлива на производство теплоэнергии снижаются, а на производство электроэнергии — повышаются, но получаются все же меньше удельных расходов топлива на конденсационных электростанциях, если ТЭЦ работает эффективно. Главная же особенность и основное преимущество данного метода заключаются в том, что режим использования мощности ТЭЦ сказывается на показателях удельного расхода топлива, относимого как на электроэнергию, так и на теплоэнергию.
Л. Д. ХАМАТНУРОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Г. БАКИРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Проблемы теплоснабжения города Уфа
В настоящее время теплоснабжение потребителей города осуществляется
от 226 тепло источников – это прежде источники ОАО ”Башкирэнерго” – ТЭЦ, крупные котельные и отопительные котельные, принадлежавшие ранее УПТС города, а также промышленные, промышленно – отопительные и отопительные котельные различных ведомств.
213
Основными источниками теплоснабжения потребителей являются источники ОАО “Башкирэнерго”. Они обеспечивают 93% суммарной нагрузки города, в том числе, ТЭЦ –58%, крупные котельные –19%, отопительные котельные – 16%. Отопительные котельные, в том числе и самые крупные (Телецентра тепловой мощностью 338Гкал/час и УЗКА – 300Гкал/час), являются основными источниками теплоснабжения большей части Южного теплового района – Старая Уфа. Кроме этих котельных, суммарная тепловая мощность отопительных котельных “Башкирэнерго” этого района составляет более 300Гкал/час, каждая из них работает изолированно на свой тепловой район.
Подача тепла от источников централизованного теплоснабжения осуществляется по магистральным и распределительным сетям. Протяженность тепловых сетей города составляет 835км, в том числе магистральных – 186км, квартальных сетей – 649км. Тепло подается на отопление и горячее водоснабжение жилищно–коммунального сектора и промышленных потребителей и пароснабжение промышленности.
Энергетический комплекс города нуждается в реконструкции и совершенствовании, - проведении работы по оптимизации структуры тепло источников и их доли в обеспечении тепловых нагрузок города. Задачей развития и реконструкции теплоисточников и системы магистральных тепловых сетей является обеспечение существующих и новых потребителей в соответствии с намеченным развитием территории города.
Недостатком системы теплоснабжения является наличие в составе крупных теплоисточников – ТЭЦ– 1,2,3 оборудования выработавшего свой ресурс на 70-90%, тепловая мощность которого составляет ≈ 30% тепловой мощности ТЭЦ города, а оставшееся оборудование ТЭЦ морально устарело.
Использование природного газа в традиционных паровых установках конденсационных и теплофикационных электростанций недостаточно эффективно. Это делает совершенно необходимым и экономически оправданным скорейшее внедрение высокоэкономичных газотурбинных установок на параметры, соответствующие мировому техническому уровню, и создание на их основе комбинированных парогазовых установок.
Эффективность парогазовых установок существенно выше, чем паровых. Это обусловлено в первую очередь значительной экономией топлива (на 30 % и более по сравнению с традиционным паросиловым циклом), а также повышением эффективности оборудования тепловых электрических станций, заключающаяся в повышении их КПД, уменьшением объемов капиталовложений и металлоемкости на единицу вводимой мощности, сокращением продолжительности строительства ТЭС, уменьшением потребления воды, снижением численности обслуживающего персонала и др. Парогазовые установки являются экологически чистыми, им не нужны специальные установки по очистке дымовых газов от вредных выбросов.
Также существует проблема большого количества промышленных и отопительных котельных малой производительности.
214
С вводом замещающей ТЭЦ-5 она будет обеспечивать нагрузки потребителей в Затонском и Демском тепловом районе и вытеснит тепловую мощность котельных данных районов, что обеспечит экономию ресурсов за счет комбинированного производства тепла и энергии, а так же перехода к парогазовым установкам вместо паровых.
Строительство ТЭЦ –5 потребует строительства новых и реконструкции части тепломагистралей в Южном тепловом районе. В районах строительства новых теплоисточников потребуется прокладка новых сетей от них и, в некоторых случаях, реконструкция существующих. При этом неизбежно возникновение ряда проблем, связанных с пересеченной местностью, на которой расположен город Уфа. Из физико-геологических явлений в рельефе наиболее выражены карстопроявления в виде одиночных карстовых воронок и карстовых полей разной конфигурации и возраста. Следствием чего является наличие многочисленных поверхностных карстопроявлений в виде воронок, озер преимущественно суффозионно-коррозионного и провального типа. Левобрежный склон долины р. Белой характеризуется значительным развитием овражной сети. Густота овражной сети здесь 0.05 на км2.
Другой проблемой, затрудняющей строительство теплотрассы, связывающей Южный тепловой район с ТЭЦ-5, является расположение первого значительно выше микрорайона Затон. Согласно гидравлическому расчету потери давления теплосети от ТЭЦ-5 до тк520 (Южный тепловой район) составили 46,5 м в. ст. Общая протяженность теплосети составила 13020 м.
Вышеописанные проблемы, а также необходимость прокладки теплотрассы через реку Белая, значительно затруднят передачу тепловой энергии от ТЭЦ-5 в южную часть города в связи с удорожанием стоимости прокладки тепловых сетей, отсутствием опыта прокладки их через реку, а так же необходимостью строительства насосной станции для поднятия теплоносителя в гору к Южному тепловому району.
Х. Ф. ШАЙМАРДАНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, профессор Н. В. РОЖЕНЦОВА ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Разработка программного приложения
для автоматизированной обработки информации
В виду старения оборудования энергосистемы в последние годы активно развивается такое направление как энергоаудит. Год от года появляются новейшие разработки в области энергетики и в то же время стареют и приходят в негодность нынешнее электрооборудование, которое необходимо заменять. Но иногда оборудование установленное четверть века справляется со своей задачей лучше нового. Разобраться, какое электрооборудование исчерпало свои
215
ресурсы, энергоаудиту позволяют различные комплексы диагностики электрооборудования.
Для диагностики используются специальные комплексы измерительных приборов при помощи которых получают большой спектр различных характеристик, которые указывают на дефекты исследуемого объекта. Данных, полученных после диагностики, очень много и разобрать их визуально практически невозможно. Решение этой проблемы в диагностике привело к созданию программных продуктов, которые автоматически обрабатывают и сохраняют полученные данные в удобном формате для чтения. Но некоторые программы автоматизированы не до конца и требуют дальнейшего развития их возможностей. В данной работе рассматривается диагностический комплекс имеющий проблемы в автоматизации.
В качестве диагностического оборудования используется аппаратный комплекс от компании CIRCUTOR (рис. 1), состоящий из измерительного устройства Tie Pie Handyscope HS3, анализатора качества и количества электроэнергии АR-5M и программного обеспечения Power Vision v1,7
Рис. 1. Диагностический комплекс CIRCUTOR.
При работе данным оборудованием, характеристики исследуемого
объекта обрабатываются с помощью анализатора, который сохраняет информацию в формате STD. Полученный файл с использованием кабеля копируется на компьютер и открывается программным продуктом Power Vision. Однако полученные данные отображаются в виде картинок и таблиц, которые нельзя копировать и редактировать, а значит и использовать в других программах для дальнейшего анализа и обработки.
В процессе исследования системы обработки информации диагностического комплекса было решено создать новое программное приложение дополнительного анализа данных.
216
С. А. ЧАЩИНА, К. Ю. АФАНАСЬЕВ Научн. руковод. – Л. И. МОЛОДЕЖНИКОВА ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Мероприятия по повышению эффективности ХВО на тепловой станции
Качественная водоподготовка, рациональный водно-химический режим
всегда являлись гарантом надежности, экономичности, безаварийности теплоэнергетического оборудования и тепловых сетей.
В настоящее время проблема создания эффективной технологии подготовки воды весьма актуальна, так как существенное влияние на состав поверхностных вод оказывают сбросы сточных вод и различных отходов промышленных предприятий, вследствие чего происходит загрязнение воды различными химическими соединениями как органического, так и неорганического характера, отрицательно отражающееся на объектах теплоэнергетики. Из чего становится очевидна необходимость постоянного совершенствования технологии подготовки воды и водно-химических режимов на котельных и ТЭС.
Необходимую и пригодную для питания котлов воду получают в водоподготовительных установках (ВПУ), где из сырой воды удаляют примеси, которые затрудняют надежную и экономичную работу оборудования.
Рассматриваемая ВПУ ТЭЦ-2 г. Омска предназначена для обеспечения тепловой энергией в виде горячей воды жилищно-коммунального сектора и работает по схеме: осветление в отстойниках, фильтрация на механических фильтрах и двухступенчатое натрий - катионирование. Источником питания является вода, содержащая в своем составе различные примеси.
Вся поступающая в химический цех вода сначала проходит через отстойник в направлении снизу вверх, где частички твердых веществ под действием силы тяжести оседают на дно. В дальнейшем на механических фильтрах происходит более тонкая очистка от механических примесей (фильтрующий материал – смесь сульфоугля с активированным углем). Используемые фильтры имеют следующие технические данные:
1-й механический однопоточный фильтр Д- 3,0м Q = 120 т/ч 2-й механический однопоточный фильтр Д- 3,0м Q = 120 т/ч 3-й механический 2-х камерный фильтр Д -3,4м Q = 200 т/ч Вода, которая проходит предочистку, практически не содержит в себе
грубодисперсных частиц. В химическом цехе ТЭЦ-2 осуществляется удаление основной части примесей в истинно-растворенном состоянии с использованием метода ионного обмена.
На ВПУ ТЭЦ-2 очистка воды от накипеобразователей - катионов Са2+ и Мg2+, присутствующих в исходной воде, происходит при катионном обмене в Nа – катионитных фильтрах первой и второй ступени. Фильтрующим материалом в них является катионит КУ-1.
217
Довольно длительное время, существующее водоподготовительное оборудование находится в эксплуатации, вследствие чего возникает необходимость его ремонта, реконструкции и усовершенствования. На сегодняшний день химически очищенная вода в цикле станции используется для восполнения внутренних потерь пара и конденсата. На данный момент среднегодовая производительность ВПУ составляет всего лишь 18 т/ч. Хотя изначально данная установка была рассчитана на производительность 160 т/ч, и предназначалась для обеспечения горячим паром завода транспортного машиностроения имени Октябрьской революции. Анализ показал, что при таком количестве обрабатываемой воды имеющееся в химическом цехе оборудование не позволяет выдерживать нормируемые скоростные режимы фильтрации.
Задача работы заключается в расчете оборудования, а именно механических и ионообменных фильтров для водоподготовительной установки ТЭЦ-2 производительностью 18 т/ч.
В результате проделанных расчетов получили: 1. для ВПУ производительностью 18 т/ч требуется 3 механических
фильтра с диаметром Д = 1500 мм и площадью фильтрования каждого f = 1,72 м2. Тогда скорость фильтрования составит 10,5 м/ч при рекомендуемой 10 – 12 м/ч.
2. натрий - катионитовых фильтров I ступени – 3 шт. с диаметром Д = 1000 мм, площадью фильтрования f = 0,78 м2 и высотой слоя катионита Нсл= 2 м. Скорость фильтрования составит 23 м/ч при рекомендуемой 15 – 30 м/ч.
3. натрий - катионитовых фильтров II ступени – 2 штуки с диаметром Д = 700 мм, площадью фильтрования каждого f = 0,38 м2 и высотой слоя катионита Нсл= 1,5 м. Скорость фильтрования составит 47 м/ч при рекомендуемой 30 – 60 м/ч.
Установка указанных фильтров позволяет выдерживать нормируемые скоростные режимы фильтрации, что приводит к повышению рабочей обменной емкости используемых катионитов, сократить объемы ионообменных смол в натрий – катионитовых фильтрах II ступени в 14 раз, а в натрий – катионитовых фильтрах I ступени - в 21 раз, сократить объемы потребления воды на собственные нужды в 2,3 раза, а также сократить расход соли за один год на регенерацию катионита в 1,5 раза.
Вместо действующей на данный момент параллельнопоточной схемы при реконструкции ВПУ рекомендуется применить наиболее перспективную на сегодняшний день противоточную технологию ионирования.
Таким образом, реконструкция позволит усовершенствовать технологию водоподготовки, сократив при этом количество минерализованных сточных вод, эксплуатационные расходы, количество используемого в процессе водоподготовки оборудования, арматуры, трубопроводов. Помимо этого, сокращается зона обслуживания оборудования и объемы ремонтов.
Сравнение результатов анализа работы ВПУ на сегодняшний день с результатами проведенных расчетов показало экономическую целесообразность применения предлагаемых фильтров.
218
В. Ф. АБУБАКИРОВА Филиал ГОУ ВПО Оренбургского государственного университета в г. Кумертау
Проведение энергетического обследования Сандинского гипсоперерабатывающего завода с целью повышения
энергетической эффективности работы предприятия
Энергоаудит является важной составляющей системы энергетического менеджмента, отправной точкой развития программы повышения энергетической эффективности любого предприятия.
По объемам проводимых работ энергетические обследования (энергоаудит) потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) подразделяются на:
− экспресс-обследования (экспресс-аудит) – проводятся по сокращенной программе, как правило, с минимальным использованием или без использования приборного оборудования и носят ограниченный по объему и времени проведения характер;
− полные инструментальные обследования – проводятся по всем видам ТЭР с инструментальными замерами в соответствии с согласованной программой данного энергетического обследования.
Целью экспресс-обследования Сандинского гипсоперерабатывающего завода является оценка состояния электропотребления и технических потерь электроэнергии на объектах основных технологических процессов, определение фактического электропотребления и выявление потенциалов энергосбережения.
В ходе проведения энергетического обследования Сандинского гипсоперерабатывающего завода проанализирована следующая документация:
− однолинейная схема электроснабжения предприятия; − акт разграничения балансовой принадлежности электрических сетей
(электроустановок) и эксплуатационной ответственности сторон №1 от 01.12.2009 г;
− соглашение о разделе мощности и организации коммерческого учета; − ведомости снятия показаний приборов учета электрической энергии; − ведомость замеров активной и реактивной нагрузки; − счета-фактуры и ведомости начислений за потребленную
электроэнергию; − паспорт счетчика ватт-часов активной энергии переменного тока.
Источником электроснабжения объектов ООО «Сандин» являются Кумертауские распределительные электрические сети.
Проанализирована динамика потребления электроэнергии в 2008-2010 гг. по объектам энергетического обследования.
219
В соответствии с актом №1 – 017405 от 06.07.2010 г измерения электроэнергии на объекте энергетического обследования производятся счетчиком ватт-часов активной энергии переменного тока ПСЧ-3ТА.07 с классом точности 1 (установлен на трансформаторе собственных нужд взамен счетчика САЗУ-И670М с классом точности 2) и счетчиком активной/реактивной энергии Меркурий-23 с классом точности 1.
По результатам экспресс-обследования объекта предложены следующие рекомендации.
1. Трансформаторные подстанции №2, 4, 6, 7 объекта работают с явной недогрузкой; при этом не обеспечивается экономически целесообразный режим работы силовых трансформаторов указанных подстанций, поскольку их фактический коэффициент загрузки ниже 0,5 [ГОСТ 14209-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки; НТП ЭПП-94 Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования]. Рекомендуется недогруженные трансформаторы заменить трансформаторами меньшей мощности и обеспечить их работу с оптимальным коэффициентом загрузки. Особое внимание следует уделить трансформатору передвижной подстанции 35/6 кВ, поскольку его мощность очень завышена по сравнению с установленной мощностью всех потребителей объекта, и, как следствие, потери в трансформаторе достигают необоснованной величины. Для указанной подстанции достаточно иметь трансформатор мощностью 1600 кВА.
2. Анализ суточного электропотребления показывает, что график реактивной мощности аналогичен графику активной мощности. В соответствии с актом разграничения балансовой принадлежности электрических сетей (электроустановок) и эксплуатационной ответственности сторон устройства компенсации реактивной мощности на объекте энергетического обследования отсутствуют. Дополнительная загрузка оборудования и сетей реактивной мощностью ведет к уменьшению их пропускной способности и росту потерь активной энергии. С целью снижения потерь активной энергии рекомендуется обеспечить компенсацию реактивной мощности вблизи крупных ее потребителей с помощью установок компенсации реактивной мощности КРМ-0,4 кВ.
На объекте энергетического обследования до июля текущего года учет электроэнергии производился счетчиками с классом точности 2, что не соответствует требованиям действующих нормативных документов, согласно которым счетчики должны иметь класс точности не ниже 1. Кроме того, на данном предприятии не имеется системы автоматизированного коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ). Все это обусловливает несовершенство учета электроэнергии на предприятии. Рекомендуется в перспективе внедрить элементы системы АСКУЭ на объектах ООО «Сандин».
220
А. Р. АХМАДУЛЛИН Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент И. З. ПОЛЕЩУК ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Замена блока №1 мощностью 300 МВт
с паровой турбиной К-300-240 и котлом ПК-41 КГРЭС на ПГУ-450
Неуклонное наращивание мощностей в промышленности и увеличение энергопотребления населением с каждым годом все острее ставят проблему энергообеспечения. Не секрет, что природный газ является основным топливом в энергетике России. Задача современных технологий – использовать его с максимальной эффективностью. И в настоящее время признано, то эффективное использование природного газа возможно при переходе электростанций на парогазовые установки (ПГУ).
Старение оборудования электростанций и связанная с этим необходимость полной или частичной его замены – одна из основных проблем развития электроэнергетики в ближайшие годы. Обновление позволяет не только сохранить и даже несколько увеличить мощность действующих станций, но также повысить эффективность использования органического топлива.
Замена блока №1 Кармановской ГРЭС на ПГУ направлено на улучшение технико-экономических показателей за счет обновления устаревшего паротурбинного оборудования и повышение конкурентоспособности станции на рынке электроэнергии и мощности.
Установленная мощность первого энергоблока Кармановской ГРЭС составляет 300 МВт. В рамках проекта предполагается заменить блок № 1 энергоблоком мощностью 450 МВт. Ввод в эксплуатацию первого блока Кармановской ГРЭС 450 МВт позволит повысить объем экспорта электроэнергии, восполнить имеющийся дефицит электроэнергии.
Блок №1 Кармановской ГРЭС после замены на ПГУ-450 будет работать на основе новейшей технологии парогазового цикла с КПД 52% (на обычных станциях с паросиловыми установками КПД не превышает 40%).
Электроэнергия на ПГУ-450 вырабатывается с экономией топлива в 310,59 154,2 100 50,4%
310,59−Δ = ⋅ = .
Экономия топлива также позволит снизить вредные выбросы в атмосферу.
Достоинства ПГУ-450 перед паросиловой установкой К-300-240 с котлом ПК-41:
1) ПГУ – самый экономичный двигатель, используемый для получения электроэнергии.
2) ПГУ – самый экологически чистый двигатель. В первую очередь это объясняется высоким КПД – ведь вся та теплота, содержащаяся в топливе, которую не удалось преобразовать в электроэнергию, выбрасывается в окружающую среду и происходит ее тепловое загрязнение. Поэтому
221
уменьшение тепловых выбросов от ПГУ по сравнению с паросиловой будет ровно в той степени, насколько меньше расход топлива на производство электроэнергии (как указывалось выше 50,4%). Далее ПГУ-450 дают существенно меньшие выбросы оксидов азота (NОx), не только потому, что в ГТУ сжигается газ, потому, что в топках энергетических котлов используется диффузионный (а не кинетический) принцип сжигания с большими избытками воздуха и длительным пребыванием топливно-воздушной смеси при высокой температуре.
3) ПГУ – очень маневренный двигатель, с которым в маневренности может сравниться только автономная ГТУ. Потенциально высокая маневренность ПТУ обеспечивается наличием в ее схеме ГТУ, изменение нагрузки которой происходит в считанные минуты.
4) При одинаковой мощности паросилового и парогазового блока потребление охлаждающей воды ПГУ-450 примерно втрое меньше. Это определяется тем, что мощность паросиловой части ПГУ составляет 1/3 от общей мощности, а ГТУ охлаждающей воды практически не требует.
5) ПГУ-450 имеет умеренную стоимость установленной единицы мощности, что связано с меньшим объемом строительной части, с отсутствием сложного энергетического котла, дорогой дымовой трубы, системы регенеративного подогрева питательной воды, использованием более простых паровой турбины и системы технического водоснабжения.
6) ПГУ-450 имеют существенно меньший строительный цикл. Это упрощает проблему инвестиций. Парогазовые установки практически не имеют недостатков.
В настоящей работе представлен проект реконструкции Кармановской ГРЭС с заменой блока №1 мощностью 300 МВт с паровой турбиной К-300-240 и котлом ПК-41 на ПГУ-450. Суть проекта заключается в демонтаже существующего устаревшего паротурбинного оборудования и постройки вместо блока №1 блок из двух газотурбинных установок (2 ГТУ) + двух котлов-утилизаторов (2 КУ) + паровой турбины. Причём при установке нового оборудования на старую площадку, можно получить мощность в 1,5 раза превышающие до реконструкции блока №1. Также предусматривается ряд других мероприятий, позволяющих повысить надёжность и экономичность электростанции, увеличение располагаемой мощности. Суммарная мощность всей станции после замены достигнет 1950 МВт. Установка ПГУ-450 позволит улучшить ТЭП всей станции, а также увеличить ее надёжность. Сроком окупаемости проекта 8-10 лет. Тепловая схема бинарной парогазовой установки ПГУ-450 включает две газовые турбины ГТЭ-160 (ОАО ЛМЗ) с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА), выходные диффузоры которых сообщены с соответствующими двухконтурными котлами-утилизаторами П-96 (ОАО "Подольский завод"), пар двух давлений от которых подводится к паровой турбине КТ-150-8 (ЗАО УТЗ). Первый энергоблок Кармановской ГРЭС после замены будет способен также выдавать тепловую мощность до 100 Гкал ч . Однако использование данной тепловой мощности предполагается в случае
222
дальнейшего развития поселка Энергетик, но для этого необходимо будет решение вопроса по строительству новых магистральных тепловых сетей от Кармановской ГРЭС до самого поселка. Необходимо отметить, что при переходе блока №1 к теплофикационному режиму работы КПД использования топлива возрастает с 52% до 76%. Соответственно возрастает экономическая эффективность всей станции в целом.
Также предусматривается ряд других мероприятий, позволяющих повысить надёжность и экономичность электростанции, увеличение располагаемой мощности. Перед нами стоят задачи по техническому перевооружению возрастного парка (их увеличения), улучшения технико-экономических показателей (ТЭП), сокращения эксплуатационных издержек и другие.
Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Таблица 1 Показатели тепловой экономичности блока №1 КГРЭС до и после замены
15Нt С= + ° .
Наименование показателя До замены
(К-300-240 с ПК-41)
После замены (ПГУ-450)
Электрическая нагрузка 300 МВт 459 МВт Электрический КПД 38 52,6 Удельный расход условного
топлива на отпуск электроэнергии, г/кВтч
310,59 г/кВт·ч 198 г/кВт·ч
Список литературы
1. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Москва: Издательский дом МЭИ, 2006. 584 с. 2. Попырин Л. С., Дильман М. Д., Беляева Г.М. Техническое перевооружение – путь к интенсификации экономики // Промышленная энергетика 2005, №2. C. 5–9. 3. Хлебалин Ю.М. Техническое перевооружение // Промышленная энергетика 2005, №7. C. 2 – 7.
223
Н. Л. БАБИКОВА, Л. Ш. ВАФИН, А. Ш. ГАРЕЕВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Выбор средств измерения для инструментального аудита
Большую долю себестоимости произведенной продукции составляют
затраты на потребляемые ресурсы (в том числе и энергоносители), а цены на них достаточно высоки. Поэтому проблема ресурсосбережения (энергосбережения) имеет особую актуальность. С этой целью проводятся разнообразные обследования, которые подразумевают сбор и анализ необходимой информации об объекте.
Широко распространенное сегодня понятие энергетический аудит (энергоаудит) – есть важнейшая часть технического аудита и, в частности, ресурсоаудита. В техническом аудите целесообразно различать инструментальный и неинструментальный аудит. К инструментальному аудиту относится все, что требует в процессе выполнения энергоаудита определенной объективности, достоверности, конкретной точности; использования автономных средств измерений (приборов); определенных метрологических характеристик.
Обследование объектов или его частей, выполняется квалифицированными независимыми специалистами, с помощью сертифицированных и поверенных инструментов. Инструментальное обследование имеет своей целью получение достоверной информации о потреблении ресурсов, параметрах состояния оборудования и коммуникаций объекта, объемах и качестве вырабатываемых продуктов, степени использования отходов. Метрологические характеристики, используемых в инструментальном аудите измерительных приборов должны отвечать поставленным задачам измерений. Эксплуатационные характеристики измерительного и компьютерного оборудования должны соответствовать условиям проведения экспериментов.
Комплект необходимых средств измерения зависит от поставленных целей и задач обследования.
К примеру, для определения эффективности работы оборудования преобразования и передачи электрической энергии необходимы такие приборы как цифровой мультиметр, анализатор параметров электрической цепи, цифровой контактный и бесконтактный инфракрасный термометры. Для определения эффективности работы электропривода помимо этих приборов нужны цифровой тахометр и магаомметр. Либо для определения эффективности работы котельной установки нужны газоанализатор, цифровой контактный термометр, цифровой измерительный регистратор, pH-метр. А для определения эффективности систем освещения нужны уже такие приборы как цифровой люкс-метр, цифровой измерительный регистратор, анализатор параметров электрических цепей. А для такой задачи как определение энергоэффективности сетей отопления и вентиляции необходимы
224
ультразвуковой расходомер, ультразвуковой толщиномер, цифровой термометр, цифровой измеритель влажности, цифровой анемометр, цифровой измерительный регистратор, анализатор параметров электрических сетей. Также, кроме указанных измерительных приборов необходимы средства вычислительной техники.
Иногда для решения сложных комплексных задач динамических измерений с большими объемами информации, серьезной последующей обработкой и разнообразными формами хранения и представления результатов используются мобильные диагностические лаборатории (МДЛ). МДЛ сегодня все шире применяются для обеспечения экспресс – обследований различных энергетических и технологических объектов и процессов в процессе инструментального аудита.
Требования к качеству проведения энергоаудита очень высоки. Качество обследования определяется в основном используемыми приборами. Они должны быть мобильными, иметь приемлемые массогабаритные характеристики, отличаться простотой установки и настройки, иметь удобный пользовательский интерфейс и долгое время работать от автономного источника питания. Современными приборами, обладающими, такими характеристиками являются тепловизоры марки NEC, электроанализаторы марок AR-5M, РЕСУРС, ЭРИС, расходомеры марок Panametrics 768, ВЗЛЕТ.
А. Ю. ШАБЕЛЬНИКОВА Научн. руковод. − канд. техн. наук Д. А. ВАСИЛЬЕВ ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет
Алгоритм выбора схемы электроснабжения промышленных предприятий в аварийных ситуациях
В настоящее время на промышленных предприятиях остро стоит
проблема переконфигурирования электрической сети при аварийных ситуациях и проведении плановых ремонтных мероприятий.
Электрически сети предприятий представляют собой сложные иерархические структуры, включающие в свой состав большое количество разнородных элементов.
Высокая надежность функционирования электросетей предприятий достигается за счет резервирующих элементов. Однако эти элементы существенно усложняют их структуру. Количество возможных схем питания приемников электроэнергии может достигать 1000 вариантов, поэтому выбор рациональной схемы электроснабжения является основной задачей управления транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях.
Для решения задачи вводится фиктивный узел (источник) v, объединяющий вводы электроэнергии в предприятие S11, S12, …, S1 m1-1, S1 m1. В
225
качестве пропускных способностей фиктивных ветвей (дуг), соединяющих вводы электроэнергии с источником выступают максимально возможные мощности PS1j (t), 11,j m= , потребляемые с вводов.
Аналогичным образом вводится фиктивный узел (приемник электроэнергии, сток) w, объединяющий фидеры S41, S42, …, S4 m4-1, S4 m4. В качестве пропускных способностей фиктивных дуг, соединяющих фидеры со стоком, в этом случае принимаются максимально возможные мощности PS4j (t),
41,j m= , потребляемые с них. Постановка задачи имеет вид
maxF → , (1)
ijij
vSS G
F P∈
= ∑ , ( ) ;ij
ij
S wS G
P F∈
− = −∑ (2)
qkiGSS
SSGSS
SSkl mzljqkiPPGSqzkl
qzklklij
klij ,,),(),(
,1,,;4,1,,,0, ===−∈∀ ∑∑∈∈
, (3)
SklSSSklij ijklijpPGSS ≤∈∀ ,),( ; (4) 0,),( ≥∈∀
klijSSklij PGSS , (5)
0 ,F ≥ (6) где F – целевая функция; G – граф сети;
klijSSp и klijSSP – соответственно
пропускная способность дуги ( klij SS , ) и поток мощности, передаваемый через нее.
Целевая функция F определяет величину потока мощности через сеть, которая ограничивается пропускными способностями ее дуг.
На полученном графе G решается задача (1)-(6) по обеспечению передачи максимально возможной мощности.
Этап 1. Из узла v выбирается путь, по которому будет передаваться поток мощности в узел w. В соответствии с (1) этот путь должен проходить через узел Sij c ,max ( )ij
ijS
Swp , j = 1, …, mi, i = 1, …, 4. Величина потока определяется
величиной пропускной способности pS ij w дуги (S ij, w). Этап 2. Граф G преобразуется в граф G′, в котором для дуги (Sij, Skl) с
нулевым потоком PSij Skl пропускная способность pSij Skl сохраняется прежней, а для дуги с ненулевым потоком – заменяется на величину p’
i j = pi j – Pi j , Pi j ≠ 0. Этап 3. Если построены потоки для всех узлов S ij, i = 4, j = 1, …, m4, то
выполняется переход к этапу 5, иначе – к этапу 4. Этап 4. Если в графе G′ можно найти ненулевой поток из v в w, то
выполняется переход к этапу 2 с новым графом G′, в котором исключается из рассмотрения узел S ij, i = 4, j = 1, …, m4, через который передается поток, иначе выполняется переход к этапу 6.
Этап 5. Выдача сообщения о варианте полного восстановления электроснабжения.
226
Этап 6. При невозможности восстановления электропитания всех приемников электроэнергии осуществляется анализ предложенного варианта электроснабжения с целью обеспечения электроэнергией приемников электроэнергии первой и второй категорий по надежности электроснабжения путем перераспределения потоков мощности в сети. Выдача сообщения о варианте неполного восстановления электроснабжения.
Далее может выполняться оптимизация структуры сети по критериям: минимума потерь мощности в сети, максимума надежности сети и др. или их различным комбинациям, повышающим живучесть, безотказность, а также качество, безопасность и долговечность функционирования сети.
Это осуществляется путем удаления из синтезированной структуры различных сочетаний дуг (в том числе с не минимальными пропускными способностями), оценки получаемых структур сетей по соответствующим критериям или их комбинациям и принятии на основе этой информации решения о структуре сети.
Решение данной задачи в составе АСУ энергетикой промышленных предприятий позволяет сократить ущерб, который несут предприятия при перебоях в электроснабжении.
Г. А. ЛУКАШОВ Научн. руковод. – д-р экон. наук, профессор Н. И. КЛИМОВА Институт социально-экономических исследований УНЦ РАН
Совмещение программ развития энергосбережения
и использования возобновляемых источников энергии как способ улучшения их эффективности
Одной из самых острых проблем переходных экономик является высокая
энергоёмкость и электроёмкость воспроизводственных процессов. Энергоёмкость России, рассчитанная в тоннах нефтяного эквивалента на тысячу долларов США 2000 года по ППС, в 2007 году составила 0,42. Это значение присуждает России 12 место по энергетической расточительности в мире. Среднее значение для мира составляет 0,2. Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России находится (за исключением крупных ГЭС) на низком уровне: меньше 1% доли ВИЭ в 2009 году в общем объеме производства электрической энергии.
Это позволяют сделать вывод о том, что как в области энергосбережения, так и в области использования ВИЭ России необходимо предпринимать шаги к улучшению ситуации. Можно разрабатывать программы развития отдельно для энергосбережения и отдельно для использования ВИЭ. Но их интеграция может дать прекрасные результаты. Цель исследования – раскрыть основу положительного синергетического эффекта, который может возникнуть в
227
результате совмещения программ развития энергосбережения и использования ВИЭ.
На первый взгляд энергосбережение и использование ВИЭ имеют мало общего друг с другом. Но пор сути они выполняют одинаковые задачи. Разрабатывая политику, целесообразно рассматривать вопрос энергосбережения вместе с вопросом о ВИЭ, поскольку оба эти способа призваны снизить потребность в обычном топливе и поскольку они оба решают экологические задачи. Энергосбережение через уменьшение потребления, а использование ВИЭ через диверсификацию производства ведут к увеличению энергетической безопасности. Примером в данном случае может служить опыт США и Европейских стран. В законе о национальной политике США в области энергосбережения (The National Energy Conservation Policy Act) записано: «Цель федерального управления в области энергетики состоит в том, чтобы обеспечивать сохранение и развитие эффективного использования энергии и использования ВИЭ». В Европейском союзе в 2005 году издан доклад «Интегрирование политики в области энергоэффективности и ВИЭ». Этот доклад обнародован в рамках Протокола к Энергетической хартии по вопросам энергетической эффективности и соответствующим экологическим аспектам (ПЭЭСЭА).
Общие цели говорят о возможности интегрирования политики. Так сказать, это необходимое условие. А достаточным условием является то, что совмещение программ развития даёт положительный синергетический эффект. Сочетание в рамках одной программы действий в области энергосбережения и использования ВИЭ порождает квазиконкуренцию между этими сферами. То есть возникает возможность в рамках этих программ действовать механизму конкуренции.
Покажем, каким образом действует механизм квазиконкуренции. Правительство страны принимает положение о программах энергоэффективности. Эти программы являются обязательными для исполнения на более низких уровнях государственного управления (например, регионом). Исполнительный орган региона, разрабатывает конкретную программу энергоэффективности на основе методических указаний, предписанных правительством страны. Целевым показателем данной программы может быть экономия невозобновляемых ТЭР в натуральном или стоимостном выражении. Также дополнительными целевыми показателями могут быть снижение выбросов вредных веществ от энергетики и увеличение энергетической безопасности. Исполнительный орган региона может воспользоваться и инструментами поощрения энергосбережения во всех секторах экономики на своей территории, и мерами поддержки внедрения использования ВИЭ в своей юрисдикции. Таким способом внедряется механизм конкуренции между двумя направлениями энергоэффективности.
Зачем вообще нужен механизм конкуренции в государственной программе? Для того чтобы найти оптимальный баланс между двумя направлениями энергоэффективности. В одном регионе больший эффект могут
228
дать инвестиции (прямые или косвенные) в энергосбережение, в другом – в использование ВИЭ. Это зависит от огромного количества факторов, учесть которые в своих расчетах не всегда в силах даже ведущие экономико-математические исследовательские центры мира. Баланс между проектами энергосбережения и ВИЭ зависит от региональных условий. В свою очередь на эти условия влияет большое разнообразие факторов.
Как известно, конкуренция создаёт так называемую «невидимую руку рынка». В теории это означает то, что более эффективное направление будет оттягивать на себя ресурсы от менее эффективного для достижения общей цели. Сможет ли заработать этот механизм на практике в странах с не очень качественным государственным управлением, такой как Россия, вопрос сложный. В любом случае, для того, чтобы начать применять совместные программы в области энергоэффективности и ВИЭ России необходимо принять новый закон об энергосбережении (энергоэффективности). В этом законе должна быть прописана возможность установление одной цели для двух направлений. 23 ноября 2009 года в России был принят новый закон об энергосбережении. В нём отражены целевые показатели программ энергоэффективности. К сожалению, в списке нет тех показателей, которые необходимы для интеграции направлений.
К. Ю. АФАНАСЬЕВ, С. А. ЧАЩИНА Научн. руковод. – Л. И. МОЛОДЕЖНИКОВА ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Повышение эффективности теплоснабжения с использованием трансзвуковых аппаратов
За последние годы все больше внимания уделяется сбережению и
оптимизации использования энергоресурсов. В этой связи повышение эффективности теплоснабжения является одной из основных задач по снижению затрат на производство тепловой энергии.
В данной работе представлен один из способов повышения эффективности теплоснабжения на базе паровой котельной с использованием трансзвукового аппарата (ТСА) «Фисоник».
ТСА «Фисоник» – это тепловая машина, которая использует энергию сверхзвуковых двухфазных пароводяных потоков для перемешивания, нагрева (охлаждения), перекачивания (без применения насосов) жидкостей и их смесей.
Принцип работы ТСА основан на использовании явления повышенной сжимаемости сверхзвукового однородного двухфазного потока по сравнению со сжимаемостью каждой из его фаз в отдельности.
Аппараты «Фисоник» могут работать при давлении пара, как большем, так и меньшем, чем давление воды на входе. При этом расход нагретой воды не
229
зависит от противодавления, что позволяет отнести аппараты «Фисоник» к классу устройств, работающих на скачке давления. Именно наличие расчётного скачка давления обеспечивает больший диапазон регулирования по сравнению с традиционными струйными аппаратами, что даёт возможность эффективного использования аппаратов там, где применение эжекторов и инжекторов неэффективно или невозможно.
Рассмотрена работа паровой котельной, расположенной в одном из вахтовых поселков Ханты – Мансийского автономного округа Тюменской области. Вырабатываемый пар идет на технологические нужды, отопление и ГВС.
На данной котельной для нагрева сетевой воды, вместо пароводяных теплообменников было предложено использовать ТСА. По принятым оптимальным параметрам работы ТСА были рассчитаны его геометрические размеры. Таким образом «Фисоник» использован в качестве теплообменника-смесителя и насоса. Его работа характеризуется повышенным давлением и температурой выходной воды по отношению к параметрам входной. Аппарат, работающий в таком режиме, заменил собой пароводяной поверхностный теплообменник и сетевой (циркуляционный) насос в системах отопления и ГВС.
Благодаря использованию на паровой котельной ТСА удалось снизить затраты на электроэнергию, так как отпала необходимость в использовании сетевых насосов вследствие создания ТСА дополнительного подпора (насосного эффекта) и отсутствия у ТСА гидравлического сопротивления.
Проведенные расчеты еще раз доказали эффективность и привлекательность использования ТСА на паровых котельных.
Список литературы
1. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. – М.: Атомиздат, 1978, 160 с. 2. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1989. 3. Ретхен А.В. Струйная техника: Основы, элементы, схемы: Пер. с нем./Пер. А.А. Левин. – М.: Машиностроение, 1980. 4. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. – 7-е издание, стереот. – М.: Издательство МЭИ, 2001. 5. http://fisonic.com
230
А. И. ИСХАКОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Р. ИСМАГИЛОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Учет электроэнергии как фактор энергосбережения
Наша страна располагает огромным потенциалом энергосбережения,
который по способности решать проблему обеспечения экономического роста страны сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов.
Нехватка энергии становится существенным фактором, сдерживающим экономический рост страны. Одним из решений данной проблемы является учет электрической энергии.
Целью исследования данного вопроса является анализ эффективности учета электроэнергии как фактора энергосбережения, ввиду принятия федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Электроэнергия – это такой же товар, у которого есть свой поставщик, или же их может быть несколько. И стоимость электроэнергии у разных поставщиков разная, по причине разного уровня затрат на ее выработку и развития энергосберегающих технологий. Но в силу факторов сдерживающих развитие энергосберегающих технологий, в нашей стране распространено мнение о том, что учет электроэнергии не нуждается в модернизации и не является фактором энергосбережения.
Факторы, сдерживающие развитие энергосбережения и энергоэффективности в стране:
- недостаток мотивации, определяется бюджетными ограничениями, изъятием получаемой экономии и сравнительно невысокими тарифами. Возможность переложить рост затрат на потребителя, отсутствие средств регулирования потребления - все это снижает мотивацию к энергосбережению и энергоэффективности. Экономические механизмы выстроены так, что получатель экономии энергии не определен. Сегодня трудно получить ясный ответ на вопрос: кому лично выгодна экономия энергии? Главными проблемами являются ее изъятие в бюджетном и тарифном процессах. В таких условиях повышение цен на энергоносители мотивирует не к повышению эффективности использования, а к обоснованию дальнейшего роста тарифов, или дополнительным запросам на бюджетное финансирование.
- недостаток информации. Информационное и мотивационное обеспечение подготовки и реализации решений по энергосбережению и энергоэффективности развито слабо. Стереотипы поведения (человеческий фактор), то есть практическое отсутствие мотивации к экономии энергии, так широко распространены именно потому, что они избавляют как от поиска информации, так и от принятия самостоятельных решений.
231
- недостаток опыта финансирования проектов в сфере энергоэффективности со стороны инвестиционных банков. Требования к выделению финансовых средств на реализацию проектов по повышению энергоэффективности и снижению издержек, как правило, существенно более жесткие, чем к проектам, связанным с развитием экономической мощности. Больше всего это касается тех предприятий, которые находится в тяжелом финансовом положении и в силу этого не располагают собственными средствами для решения проблем энергосбережения и энергоэффективности.
- недостаток организации и координации имеет место на всех уровнях принятия решений. Проблема повышения энергетической эффективности не воспринимается как средство решения широкого комплекса экономических и экологических проблем
Однако, при более детальном рассмотрении вопроса учета электроэнергии и использования автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), видно, что учет электроэнергии – фактор энергосбережения.
АСКУЭ позволяет: • производить дистанционный съем информации с приборов учета о
потребленной электроэнергии за отчетный период; • производить подсчет баланса мощностей выданной потребителю и
потребленной потребителем; • исключает несанкционированный отбор электроэнергии
потребителями; • оперативно и с высокой точностью производить расчеты с
бытовыми потребителями; • дает возможность использовать различные тарифные планы для
потребителей; • анализирует распределение нагрузки по часам суток и дням недели; • потребителю выбирать выгодный для него график
энергопотребления; • оперативно снимает показания со всех объектов системы не
зависимо от их географического местоположения; • анализирует качество электроэнергии и ведет журнал событий; • имеет высокую надежность и помехозащищенность и не позволяет
вмешиваться в конструкцию прибора учета для изменения его показаний; • дает возможность дистанционного ограничения потребления
электроэнергии неплательщиков; • имеет низкую, по отношении к другим системам, стоимость и
малый срок окупаемости; • повысить технологическую дисциплину и исполнительскую
ответственность персонала при ведении производства, для проверки любых мероприятий по повышению энергоэффективности оборудования.
232
В наш век высоких технологий и огромного развития энергетики недопустимо относится расточительно к энергоресурсам, а следовательно требуется их учет. Когда плательщик (частное лицо или организация) наглядно видит за что и сколько платит, а так же имеет возможность выбирать схему потребления и оплаты электроэнергии, экономический эффект от энергосбережения становиться очевидным.
Система коммерческого учёта электроэнергии должна быть проста и понятна. И состоять она должна из многофункциональных счётчиков электроэнергии, средств связи, компьютеризированного пункта сбора и обработки данных, а так же программного обеспечения, которое и реализует коммерческий учёт электроэнергии.
Общая экономическая эффективность: снижение стоимости электроэнергии до 50%.
В дальнейшем требуется повсеместное внедрение подобных систем и их качественное обслуживание.
А. С. ПАРАНЬКИНА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Р. П. МИТЯШИН ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет
Моделирование причинно-следственных связей
в проблеме экономии электроэнергии При моделировании причинно-следственных связей (ПСС) всегда
имеется некоторая неопределенность, как в количественном, так и в качественном описании причин и условий. Поэтому целесообразно применить такой математический аппарат, который позволял бы в большей или меньшей степени учитывать эту неопределенность.
В настоящей работе рассматривается нестохастическая неопределенность, которая может быть смоделирована с помощью аппарата нечеткой математики. В этой связи представляет интерес аппарат нечетких сетей Петри (НСП). Он позволяет учесть как детерминированную структурную часть ПСС, зафиксированную в структуре сети Петри, так и параметрическую и функциональную неопределенности, которые могут быть отражены нечеткими атрибутами НСП.
Среди всех моделей нечетких сетей Петри в качестве базовой для решения поставленной задачи выбрана модель типа Cf. Однако целесообразно модернизировать эту модель с целью ее адаптации к рассматриваемой предметной области.
Примером проблемы, в которой проявляется неопределенность ПСС, является проблема качества электроэнергии (КЭЭ) и экономии электроэнергии (ЭЭЭ).
233
Для моделирования были выделены наиболее значимые показатели КЭЭ (отклонения и колебания напряжения, несинусоидальность формы кривой напряжения, несимметрия и неуравновешенность трехфазной системы напряжения, отклонения и колебания частоты, компенсация реактивной мощности) и те факторы, которые приводят к ухудшению этих показателей, а также мероприятия, направленные на их улучшение [1].
Моделирование причин и условия в этой проблеме приводит к модели, показанной на рис. 1. Данная модель имеет 27 позиций, состоящая из 20 позиций im , соответствующих 20 мероприятиям, улучшающих качество электроэнергии и 7 позиций iф , соответствующих факторам, ухудшающих качество электроэнергии.
Каждая позиция имеет прямой (mi) и инверсный выход (1-mi), из которых выходят связи с прямым значением порога срабатывания tk(λ+
ki) и инверсным значением срабатывания порога tk(λ¯ ki).
Рис. 1. Модель причинно-следственных связей на основе нечеткой сети Петри типа Cf
Входную позицию перехода целесообразно интерпретировать, как
компонент некоторого условия или причины. При этом данный компонент следует считать конъюнктором причины (или следствия). В сетях типа Cf маркер во входной позиции является нечетким, т.е. степень его наличия в позиции Pi оценивается числом mi из диапазона [0,1]. Следовательно, соответствующий конъюнктор также является нечетким.
Переход в модели состоит из 2 частей: перехода для прямых значений (верхняя незатемненная часть) и перехода для инверсных значений (темная затемненная часть). Этот переход соответственно имеет прямое значение пороговой функции ( ) и инверсное значение пороговой функции ( ). Переход реализует механизм реализации следствия при наличии причины и условия.
При этом степень принадлежности маркера в позициях причин и условий влияет на реализацию следствия через условие активности перехода посредством неравенства:
234
{ } ktPIi
imki
λ≥⟩
min0),(,
Выполнение этого неравенства означает, что степень наличия всех причин и условий, влияющих на возникновение следствия, связанных с переходом tk, достаточна. Изменяя величину порога tk, становится возможным управлять степенью влияния причин и условий на следствие.
Предлагаемая модель предназначена для исследования эффективности мероприятий по повышению качества и экономии электроэнергии.
Список литературы 1. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. – СПб.:БХВ-Петербург,2005 – 736 с. 2. Т.В. Анчарова, С.И. Гамазин, В.В. Шевченко. Экономия электроэнергии на промышленных предприятиях. Кн. 5. / под редакцией В.А. Веникова. – М.: Высш. шк., 1990. – 143 с.: ил.
И. Ф. ЛУКМАНОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент И. З. ПОЛЕЩУК ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Реконструкция Уфимской ТЭЦ-1 установкой ПГУ
Большинство ТЭЦ с существующим оборудованием, морально и
физически устарели и требуют реконструкции или модернизации. При этом реконструкция или должна сопровождаться увеличением уровня загрузки в течение всего года. Так как в противном случае реализации проекта, как правило, не окупается. Из этих условий следует, что реконструкция и модернизация должна сопровождаться повышением выработки электроэнергии на тепловом потреблении, оптимизацией величины αтэц, повышением конкурентоспособности реконструируемого или модернизируемого оборудования в конденсационном режиме.
Необходимость реализации проекта по модернизации когенерационной установки на ПГУ обусловлена не полной загруженностью ГТУ в течение года (в летний период), из-за низких нагрузок по теплосети и проведения ремонтных работ невозможна работа ГТУ, т.к. тепловая нагрузка с горячей водой (отпуск с ГТУ) в летний период составляет – 8-11 Гкал. Кроме этого остается необходимость отпуска тепла с паром (10 ата) в количестве – 20-25 Гкал.
Для обеспечения потребителей технологическим паром на ТЭЦ-1 установлены турбины с производственным отбором пара и противодавлением для нужд теплофикации типа ПР. И в данной ситуации ,при этом отпуске тепла потребителям, экономически целесообразен отпуск тепла от имеющейся турбины ПР-25-90/10/0,9. При этом теплофикационной нагрузки для отпуска ее
235
с ГТУ просто не хватает и ГТУ простаивает практически весь летний период (до начала отопительного сезона).
Для решения данной проблемы простоя ГТУ, а также покрытия имеющегося дефицита электрической энергии потребителей узла ТЭЦ-1 (при выработке электрической энергии в 9-11 МВт потребность составляет – 25-35 МВт) предлагается модернизация имеющейся ГТУ ГТЭС-25П.
Реконструкция, заключается в демонтаже существующего когенерационного оборудования, и созданием блока ПГУ: газотурбинную установку оставить ту же, а котёл-утилизатор и паровую турбину конденсационную подобрать. В данный момент на ТЭЦ-1 газотурбинная установка ГТЭС-25П с котлом утилизатором К-25-130Н водогрейного типа. ГТЭС-25П была установлена в 2009 году (с единичной электрической мощностью 22,5 МВт и тепловой 26 Гкал/ч). Её установка в своё время позволила улучшить ТЭП всей станции, а также увеличить надёжность электро- и теплоснабжение города Уфа. ГТЭС была построена за 1,5 года, со сроком окупаемости 4,5 года, коэффициент использования топлива – до 85% (параметры ГТУ в табл. 1). Реконструкция установкой ПГУ позволит повысить производство электроэнергии, теплоты, а также снизит коэффициент использования топлива.
Таблица 1 Параметры ГТЭ-25П
Обороты турбокомпрессора, об/мин 4200 Расход газов на выходе, кг/с 74,8 Температура газов перед газовой турбиной, К 1540 Температура газов на выходе турбины, К 750 Степень сжатия в компрессоре 28 Базовая мощность на клеммах ЭГ, МВт Пиковая
22,5 27,0
КПД электрический, % 36,5
Список литературы 1. Попырин Л.С., доктор техн. наук, Дильман М.Д., канд. техн. наук, Беляева Г.М., инж. Институт энергетических исследований РАН, Москва. Стратегия развития парогазовых электростанций на базе технического перевооружения ТЭЦ// Промышленная энергетика. 2005. – №2. – С. 5-9. 2. Малышева М.В. Новые энергетические мощности на Уфимской ТЭЦ-1// Газотурбинные технологии. 2009. – №11. – С. 12-13. 3. Газотурбинные и парогазовые технологии в энергетике // Газотурбинные технологии 2006, №11. C54 – 56. 4. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Москва: Издательский дом МЭИ, 2006. 584с. 5. Лебедев В.М. Техническое перевооружение // Промышленная энергетика 2008, №4. C2 – 6.
236
Р. В. ГОЛЯЕВ, Н. В. РОЖЕНЦОВА ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Анализ факторов, влияющих на твёрдую изоляцию кабельных линий, и методов контроля изоляции
В процессе эксплуатации на изоляцию воздействуют электрические,
механические и тепловые нагрузки, вызывающие постепенное ухудшение ее свойств, связанное с уменьшением сопротивления изоляции, ростом диэлектрических потерь, снижением электрической прочности. Процесс ухудшения свойств называют старением изоляции. Эти изменения носят, как правило, необратимый характер и завершаются пробоем изоляции, что ограничивает сроки службы изоляционных конструкций.
Различают четыре основных вида воздействия на изоляцию и четыре процесса старения изоляции:
1) электрические нагрузки, связанные с возможной ионизацией при большой напряженности электрического поля - электрическое старение изоляции;
2) тепловые нагрузки, приводящие постепенному разложению или появлению трещин в изоляции - тепловое старение изоляции;
3) механические нагрузки, связанные с возникновением и развитием трещин в твердой изоляции - механическое старение;
4) проникновение влаги из окружающей среды - увлажнение изоляции. Возникающие в изоляции дефекты подразделяются:
1) сосредоточенные (трещины, газовые включения, эрозия, увлажнение небольшого объема изоляции);
2) распределенные, охватывающие значительный объем или поверхность изоляции. Основной причиной старения изоляции являются частичные разряды, то
есть такие разрядные процессы в изоляции, которые распространяются лишь на часть изоляционного промежутка. Они возникают в ослабленных местах изоляции: в газовых включениях, в местах резного усиления напряженности поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как они возникают при небольших напряжениях.
Возможности обнаружения разных видов дефектов значительно различаются, однако классификация методов диагностики и испытаний изоляции производится по признаку возможного разрушения изоляции в процессе контроля. По этому признаку все методы контроля изоляции подразделяются на четыре группы:
1) неразрушающие методы контроля, производимые при напряжениях, меньших рабочих, и основанные на явлениях, возникающих в слабых электрических полях (электропроводность и поляризационные явления) и связанных с пробивным напряжением изоляции;
237
2) неразрушающие методы контроля, производимые при рабочих напряжениях, - в основном это контроль частичных разрядов, а также тепловой и ультразвуковой контроль;
3) разрушающие методы контроля, связанные с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим напряжением и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте; Кроме того, методы контроля подразделяют на две группы по
электрическому признаку: - электрические методы контроля изоляции; - неэлектрические методы контроля: ультразвуковые методы контроля, радиоволновой метод, тепловизионный метод, оптикоэлектронный метод, рентгенографический метод.
Анализ методов контроля изоляции показал, что неразрушающие методы контроля изоляции, позволяют определять дефекты на ранней стадии развития, расстояние до места повреждения кабельной линии при любом характере повреждения и могут реализовываться на различных типах кабельных линий. Разрушающие методы определяют сложные с большим сопротивлением и неустойчивые места повреждения КЛ, а так же расстояние до места сложного (высокоомного или неустойчивого повреждения).
А. Н. ОЗЕРОВ, И. Г. СВИРЯКИН ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Совершенствование конструкции плоскофакельной горелки с целью улучшения перемешивания топлива с воздухом
Прямоточная плоскофакельная горелка (рис. 1) применяется при
сжигании высокореакционных топлив в топках паровых котлов. Конструкция горелочного устройства должна создавать оптимальные
условия для перемешивания топлива с воздухом, а так же обеспечить необходимое раскрытие струи и приемлемую длину факела.
В настоящей работе с использованием программного комплекса FlowVision проведено численное исследование качества перемешивания топлива с воздухом на выходе из прямоточной плоскофакельной горелки при различных способах распыла частичек топлива.
На рис. 2, а представлена картина распределения частиц угольной пыли в горизонтальном сечении струи горелки. Ширина потока частиц составляет порядка 0,25-0,35 от ширины потока воздуха, из чего можно заключить, что перемешивание потока ПВК с основным воздухом недостаточное.
238
239
В связи с этим были предприняты попытки улучшить распределение угольных частиц в потоке различными способами.
Второй вариант исследования предполагал изменение угла наклона сопел ПВК к оси горелки с 30° до –10°, т.е. поток ПВК был направлен внутрь потока вторичного воздуха, что должно повлечь более интенсивное перемешивание струи топливной пыли. При этом распределение воздушных потоков вблизи амбразуры практически не изменилось, а ожидаемого увеличения ширины потока угольных частиц не произошло, рис. 2,б.
В третьем варианте на выходе трубы ПВК был установлен конусный рассекатель. На рис. 2,в видно, что угол разлета угольных частиц в горизонтальной плоскости увеличился очень сильно. Уже на расстоянии 1 м от амбразуры частицы угля достигают стен топки, что может привести к шлакованию фронтового и заднего экранов.
Четвертый вариант исследований повторял третий вариант, но вместо конусного рассекателя был установлен уголковый.
Из рис. 2,г видно, что угол разлета угольных частиц в горизонтальной плоскости уменьшился по сравнению с вариантом конического рассекателя, но значительно вырос по сравнению с вариантом без рассекателей.
Таким образом, для окончательного выбора конструкции горелки можно рекомендовать вариант с уголковым рассекателем потока ПВК.
240
Секция III Качество электрической энергии
Д. В. МАКСУДОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Применение устройств компенсации реактивной мощности
на подстанциях промышленных предприятий
Применение устройств компенсации – весьма актуальный вопрос для промышленных предприятий, имеющих высокий уровень потребления реактивной мощности. Перетоки реактивной мощности увеличивают нагрузку на сеть и потери активной мощности.
Установка источников реактивной мощности вблизи узлов присоединения ее потребителей уменьшают перетоки Qk в сети и, следовательно, потери активной мощности, оплата которых производится в соответствии с тарифом, установленным электроснабжающей организацией, вследствие чего для потребителя вопрос компенсации реактивной мощности приобретает экономический аспект.
Кроме того, баланс реактивной мощности является доминирующим фактором, определяющим уровень узловых напряжений. Избыток или дефицит реактивной мощности приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению напряжения в системе. В случае если уровень потребления реактивной мощности на предприятии непостоянен в течение суток, уровень напряжения также будет испытывать значительные суточные колебания.
Трансформаторы подстанций, снабженные регулировочными отпайками, позволяют приблизить напряжение к номинальному в течение некоего интервала рабочего цикла, характеризующегося определенным уровнем потребления реактивной мощности, однако вышеуказанное существенное суточное колебание напряжения означает, что в течение других интервалов установленные ограничения по напряжению, тем не менее, могут быть нарушены.
Значительное превышение номинального уровня напряжения приводит к росту потребления активной мощности электроприемниками промышленного потребителя. Это прямые, поддающиеся простому учету потери рублей и киловатт-часов, достигающие нескольких процентов от общего уровня энергопотребления.
Однако есть и косвенные экономические потери связанные с сокращением срока службы электроприемников, нарушением технологических процессов, увеличением себестоимости и снижением качества производимой продукции. Эти косвенные потери по крайней мере на порядок превосходят прямые потери, связанные с оплатой избыточного потребления или потерь активной мощности.
241
Общая закономерность, выявленная для отклонений напряжения заключается в следующем:
Длительное превышение установленных норм для установившегося значения напряжения означает сокращение срока службы электротехнического оборудования, снижение напряжения приводит к росту длительности и себестоимости технологических процессов. В любом случае отклонение напряжение приводит к снижению качества выпускаемой продукции вплоть до сплошного брака.
Вышесказанное актуализирует применение устройств компенсации реактивной мощности, позволяющие благодаря автоматическому регулированию поддерживать в течение суток общий коэффициент мощности промышленного потребителя на неизменном уровне, близком к единице вне зависимости от последовательности и числа включений/отключений индуктивных нагрузок.
Экономически наиболее выгодным является режим, в котором при минимуме потребления реактивной мощности в нерабочие часы напряжение устанавливается на номинальном уровне при отключенных компенсаторах, а в рабочие часы падение напряжения вследствие роста потребления реактивной мощности не превосходит нормативных пределов благодаря регулированию компенсации.
Однако стабилизация суточного уровня напряжения – не единственное преимущество, которое дает применение устройств компенсации реактивной мощности.
Несимметрично включенная батарея конденсаторов позволяет выравнивать (симметрировать) напряжение, компенсируя составляющие обратной последовательности.
Компенсаторы реактивной мощности также можно использовать для подавления (шунтирования) высших гармоник, что приводит форму кривой напряжения к синусоидальной. Для этого применяются компенсаторы (состоящие из ряда параллельно включенных индуктивно-емкостных цепочек (узкополосный резонансный фильтр), каждая из которых резонирует на частоте определенной гармоники и шунтирует ее, в то время как на основной частоте та же цепочка выдает в сеть реактивную мощность, выступая в роли компенсатора.
Фильтры высших гармоник целесообразно применять на промышленных объектах, содержащих мощные нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками (преобразователи частоты, выпрямители, применяемые на тяговых подстанциях электрифицированного железнодорожного транспорта, дуговые и индукционные печи предприятий черной металлургии, мощное сварочное оборудование машиностроительных заводов, электролизное оборудование, используемое в технологических циклах цветной металлургии).
Быстродействующие компенсаторы реактивной мощности применяются также для уменьшения размаха колебаний напряжений – относительно быстрых изменений напряжения, возникающих в сети вследствие работы мощных
242
резкопеременных нагрузок (дуговые сталеплавильные, индукционные, рудно-термические печи, применяемые в металлургии, электролизное, сварочное оборудование).
Устранение колебаний, несимметрии и несинусоидальности напряжения – вопросы весьма актуальные для современных промышленных потребителей в связи с распространением в металлургии и машиностроении мощных однофазных или нелинейных нагрузок имеющих резкопеременный характер потребления реактивной мощности (например, дуговые сталеплавильный печи, индукционные, рудно-термические печи и т.д.).
Таким образом, компенсаторы реактивной мощности – многофункциональные устройства, позволяющие не только повышать cosφ или исключать потери активной мощности, но и одновременно решать целый комплекс весьма актуальных проблем, связанных с повышением качества электроэнергии по его различным показателям, таким как установившееся отклонение напряжения, колебания напряжения, несинусоидальность и несимметрия напряжения.
В связи с этим можно заключить, что широкое применение данных устройств на объектах систем электроснабжения промышленных предприятий является актуальной и перспективной тенденцией.
А. Ф. НУГУМАНОВА, А. М. ЮЛУКОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Р. Р. Исмагилов ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
К расчету механической прочности
контактных ножей разъединителей повышенной надежности С целью повышения отключающей способности разъединителей,
предназначенных для работы на открытом воздухе в воздушных электрических сетях напряжением до 35 кВ разработана конструкция [1], содержащая два неподвижных изолятора с контактами, подвижный изолятор и сочлененный с ним контактный нож (КН) и первую тягу, на неподвижном изоляторе с возможностью поворота одним концом закреплена вторая тяга, другим концом соединенная с подвижным изолятором и первой тягой посредством кулисы, с возможностью поворота и линейного перемещения относительно их общей оси поворота. На второй тяге закреплена ось поворота КН со смещением относительно оси поворота второй тяги равным e:
ϕϕσ
=sin
][ 2упрtgEJ
WLe
x,
где упрσ – допустимое напряжение упругости материала КН; E – модуль упругости материала КН; xJ – момент инерции КН; xW – момент
243
сопротивления; L – длина КН; ][
][
21
2упр
ξ′+δ′+δ′σ
=ϕkEJ
LWarctg
x – угол между
вертикально проходящей через ось поворота второй тяги и прямой, проходящей через оси поворота КН и второй тяги; 1δ′ , 2δ′ – величины зазоров, отнесенные к длине КН L, в шарнирном соединении второй тяги, соответственно со вторым неподвижным контактом и с КН в направлении действия силы F; ξ – упругая деформация одного из неподвижных контактов, отнесенная к длине КН L, в направлении действия силы F; 2=k – коэффициент запаса.
При отключении разъединителя под действием привода, подвижный изолятор, сжимая пружину, перемещается, поворачивая вторую тягу вокруг ее оси. В случае блокирования гололедом КН начинает деформироваться под действием силы, определяемой развиваемой приводом силой 1F и увеличенной до значения F за счет соотношения плеч ba / второй тяги
LW
F xупрσ= ,
Деформация контактного ножа определяется значением e, исходя из допустимого максимального прогиба
xEJFLf
3=
Угол поворота при этом не должен превышать [2]
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ξ+δ+δ
=ϕ)( 21k
farctg ,
По имеющимся данным для разъединителей типа РВН 10/400/50-IV УХЛ1 завода ГП «Электроаппарат» г.Уфа и разъединителей типа РЛНД-10 завода АО «Электрощит» г. Самара 6,035,01 ÷=δ мм, 6,035,02 ÷=δ мм, можно принять 53 ÷=ξ мм. Анализ технической литературы и существующих конструкций, проведенный в [3] позволяет представить величины зазоров 1δ′ ,
2δ′ , деформацию ξ и прогиб f в относительных единицах
L1
1δ=δ′ ,
L1
2δ=δ′ ,
Lξ=ξ ,
Lff =′ , ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ξ′+δ′+δ′
′=ϕ
)( 21kf ,
где базовой величиной является длина контактного ножа (L). Контактный нож стремится сдвинуться относительно неподвижных контактов на расстояние
( )ξ+δ+δ 21k . В месте контакта ножа со льдом создается сложное напряженное состояние от действующих в нем разнонаправленных сил и моментов упругости, а также сил, действующих по оси ножа.
Из-за анизотропии системы лед-металл хотя бы один из векторов сил совпадает или будет близок к плоскости с наименьшей прочностью системы лед-металл, что приведет к облегченному разрушению льда или ослаблению связи льда с металлом. При дальнейшем движении подвижного изолятора
244
клиновидная пластина первой тяги раздвигает (расклинивает) половинки контактного ножа, а затем выступы первой тяги ударяют по кромкам этих половинок. В результате лед скалывается в местах контактного соединения и происходит надежное отключение разъединителя. При этом анализ технико-экономических показателей известных конструкций разъединителей и конструкции [1], показал преимущества последней.
Список литературы 1. Афанасьев Ю. В. Разъединитель наружной установки для работы в гололедных условиях / Афанасьев Ю. В., Исмагилов Р. Р., Пашали Д. Ю. Саттаров Р. Р. // Энергетик. – № 10 – 2009. С.13-14. 2. Анурьев В. И. Справочник конструктора- машиностроителя: В 3-х т. Т.1. – 5-е изд., перераб. И доп. – М.: Машиностроение, 1979. – 728с. 3. Юлуков А. М. Обеспечение надежности коммутационных устройств / Юлуков А. М., Закирова Л. В., Пашали Д. Ю., Исмагилов Р. Р. // Материалы докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». В 4т.; Т.1. – Казань: КГЭУ, 2010. – 284 с.
Т. И. АФАНАСЬЕВА Научн. руковод. − канд. техн. наук, доцент Ю. В. РАХМАНОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Компенсация реактивной мощности
Компенсация реактивной мощности является важным фактором
позволяющим решить вопрос повышения качества электрической энергии. Проблема компенсации реактивной мощности возникла одновременно с
применением на практике переменного и особенно трехфазного тока. При включении в цепь индуктивной или емкостной составляющей нагрузки (это и всевозможные двигатели, и промышленные печи, и линии электропередач номинальным напряжением выше 110 кВ) между электроустановкой и источником возникает обмен потоками энергии, суммарная мощность которого равна нулю, но при этом он вызывает дополнительные потери активной энергии, потери напряжения и снижает пропускную способность электрических сетей.
Режим компенсации реактивной мощности позволяет: • уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить их срок службы; • уменьшить нагрузку на провода, кабели; • улучшить качество электроэнергии у электроприемников; • уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения
токов в цепях; • снизить расходы на оплату электроэнергии; • снизить уровень высших гармоник.
245
Возможные источники компенсации реактивной мощности: • синхронные компенсаторы; • синхронные двигатели, работающие в режиме перевозбуждения; • косинусные конденсаторы (конденсаторные установки); • статические тиристорные компенсаторы. Выбор и размещение устройств компенсации реактивной мощности в
электрических сетях производятся исходя из необходимости обеспечения требуемой пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах при поддержании необходимых уровней напряжения и запасов устойчивости нагрузки потребителей.
Наиболее оптимальное решение – компенсация реактивной мощности потребителями. Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях и технологией повышения эффективности использования электроэнергии у потребителей.
При этом установка устройств компенсации реактивной мощности непосредственно у потребителя улучшает технико-экономические показатели системы электроснабжения, так как при этом уменьшаются потоки реактивной мощности во всех элементах сети от источников питания до потребителей. Это, в свою очередь, приводит к снижению потерь электроэнергии и, следовательно, к уменьшению затрат на их возмещение в структуре баланса.
Уменьшение в распределительных сетях потоков реактивной мощности за счет ее компенсации у потребителя или на конечных подстанциях электросетевых компаний позволит:
• снабжать дополнительных потребителей, при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей, что обеспечит в определенной степени прирост потребления активной мощности без увеличения ее вырабатывания в узле (регионе) или без увеличения ее перетока из других энергосистем; • прирастить производственные мощности самому потребителю без увеличения потребления из сети; • повысить устойчивость электроэнергетических систем, систем электроснабжения и нагрузки потребителей при снижении и провалах напряжения в сети; • улучшить технико-экономическую эффективность систем электроснабжения как электросетевых компаний, так и самих потребителей. Для сетевых компаний снижение величины реактивной мощности – это, в
первую очередь, высвобождение мощности и возможность подключения новых потребителей. Для предприятий – снижение потерь, как следствие, снижение затрат на электроэнергию, влияющих на себестоимость продукции.
Экономический эффект от внедрения конденсаторной установки складывается из следующих составляющих:
246
1. Экономия на оплате реактивной энергии. Оплата за реактивную энергию составляет от 12-50 % от оплаты активной энергии в различных регионах России. Как показывает практика, стоимость конденсаторной установки компенсации реактивной мощности окупается через полгода − год после внедрения.
2. Для действующих объектов − уменьшение потерь электроэнергии в кабельных линиях за счет уменьшения значений фазных токов.
3. Для проектируемых объектов − внедрение конденсаторной установки на этапе проектирования позволяют сэкономить на стоимости кабельных линий за счет уменьшения их поперечного сечения.
Компенсация реактивной мощности – это ключ к решению вопроса энергосбережения.
Д. А. ТИХОНЧУК Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Р. ИСМАГИЛОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет, ООО «БашРЭС»
Решение задачи коммутации конденсаторных батарей 110 кВ
Батареи статических конденсаторов (БСК) используются для следующих
целей: компенсация реактивной мощности в сети, регулирование уровня напряжения на шинах.
Передача реактивной мощности по линии электропередачи приводит к снижению напряжения, особенно заметному на воздушных линиях электропередачи, имеющих большое реактивное сопротивление. Кроме того, дополнительный ток, протекающий по линии, приводит к росту потерь электроэнергии. Если активную мощность нужно передавать именно той величины, которая требуется потребителю, то реактивную можно сгенерировать на месте потребления. Для этого и служат конденсаторные батареи, того как будет протекать их коммутация существенно зависит качество электроэнергии.
При компенсации пик зарядного тока может превышать в 30 раз номинальный ток конденсатора, а при многоступенчатой компенсации броски пускового тока могут достигать величин в 130 раз выше номинальных значений.
Выбор выключателя в цепи БСК определяется по режиму повторного зажигания дуги в выключателе, когда между контактами выключателя может возникнуть удвоенное напряжение – напряжение заряда конденсатора с одной стороны и напряжение в сети в противофазе с другой стороны.
Важно, чтобы аппарат, коммутирующий БСК, смог выдержать перегрузку, или минимизировать вредные последствия переходных процессов при включении и отключении.
247
В связи с вышесказанным, для БСК применяют следующие мероприятия: 1. Использование быстродействующих выключателей, например,
вакуумных, у которых скорость расхождения контактов при отключении больше, чем скорость восстанавливающегося напряжения.
2. Установка выключателя на большее напряжение, к примеру, для БСК на 110 кВ, применяется коммутационный аппарат 220 кВ.
3. Эксплуатация выключателя при избыточном давлении дугогасящей среды.
4. Использование синхронизатора для отлавливания момента перехода тока или напряжения через ноль – управляемая коммутация.
5. Предвключение резисторов, демпфирующих реакторов, резисторов, или разрядников.
6. Усиление изоляции системы и оборудования. Наиболее современным и энергоемким является использование
синхронизаторов. Амплитуда переходных процессов зависит от точки на кривых токов или
напряжений, в которых происходит размыкание и замыкание контактов выключателей.
Команды включения или отключения на выключатель задерживаются таким образом, чтобы замыкание или разделение контактов происходили в оптимальный момент времени по отношению к фазовому углу.
Необходимо использовать выключатели, имеющие стабильное время срабатывания, которое изменяется лишь в незначительной степени, в зависимости от температуры окружающей среды и управляющего напряжения.
Обычно при трехфазной коммутации три полюса выключателя следует замыкать в разные моменты времени. Сдвиг по времени зависит от конкретного применения.
Для конденсаторной батареи с заземленной нейтралью три полюса должны замыкаться с разностью по времени в 1/6 периода (3,33 мс при 50 Гц, или 2,8 мс при 60 Гц), (рис. 1).
Для конденсаторной батареи с незаземленной нейтралью два полюса должны замыкаться одновременно при нулевом значении межфазного напряжения, а последний — на 1/4 периода позже (5 мс при 50 Гц или 4,2 мс при 60 Гц).
Рис. 1. Сдвиг по времени при управляемой коммутации
При пополюсном управлении выключателя типовой синхронизатор
позволяет управлять отдельно каждым полюсом, чтобы обеспечить замыкание
248
каждого полюса в надлежащий момент. При трехполюсном управлении одним приводом полюса регулируют механически (разносят).
Таким образом, необходимо чтобы отключение выключателей БСК не приводило к каким-либо значительным переходным процессам. Это реализуется исключением (минимизацией) повторных пробоев при отключении емкостного тока.
В. А. МОРУНОВ Науч. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. А. СЕВЕРИН ГОУ ВПО Тольяттинский государственный университет
Анализ методов моделирования электромагнитных систем автомобильного электрооборудования
Большое значение при исследовании характеристик и надёжности
электромеханических приборов (ЭМП) автомобиля имеет моделирование переходных процессов являющихся следствием включения и отключения потребителей электроэнергии; возникновение обрывов и коротких замыканий в элементах системы; внезапные набросы и сбросы нагрузки на валу электродвигателей и моторедукторов; атмосферно-климатические воздействия [1].
Для расчётного исследования переходных процессов электромагнитных систем (ЭМС) ЭМП целесообразно использовать классический метод решения систем дифференциальных уравнений, соответствующих различным состояниям ЭМС при различных видах неисправностей: обрыве провода, межвитковом замыкании в обмотках, замыкание на корпус и т.п.
Основой построения математической модели в случае оценки влияния различных факторы воздействий служит либо физический эксперимент, либо имитационный [2]. Строится математическая модель трёх видов: детерминированная, когда конечный результат определяется с помощью известных или неизвестных эмпирических выражений, вероятностная, когда присутствие фактора определяется с помощью генератора случайных чисел, временные или динамические, когда одним из факторов является время и система изменяет свои параметры с течением времени.
Для решения задачи оценки величины накопления остаточных деформаций необходимо производить измерения в переходных режимах работы. Основы динамических измерений рассматриваются в работах российских учёных А.Н.Крылова, А.А.Харкевича, А.С.Немировского и др. В методах исследования динамических процессов используется различный математический аппарат, позволяющий получать различные математические модели исследуемых объектов: линейные и нелинейные дифференциальные и разностные уравнения, обыкновенные дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных, преобразования непрерывные и дискретные, матричное и интегральное исчисление и т.д.
249
По результатам анализа сделаны следующие выводы: 1. Существующие методы и средства оценки технического состояния
ЭМС ЭМП не учитывают изменение контролируемых параметров и показателей надёжности при коммутационных воздействиях, не учитывают ряд важных значимых факторов воздействия на ЭМС в переходных режимах для определения вероятных повреждений, изменений параметров ЭМС.
2. Известные диагностические стенды и приборы не позволяют выполнять ряд исследовательских испытаний по определению увеличения остаточных деформаций в ресурсных, форсированных режимах, в условиях интенсивной эксплуатации. Стенды предназначены для определения определённого перечня параметров (электромеханические характеристики стартера, э.д.с. и падение напряжения АБ, потребляемые силы тока и т.д.), но не определяют некоторые параметры, существенные для многократных коммутационных режимов, в частности, начальную, текущую и остаточную деформацию ЭМС.
Список литературы
1. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока.- Л.:Энергия, 1980.-256 с. 2. Тетельбаум И.М. Электрическое моделирование.- Физматгиз, 1959.
Ю. В. РАХМАНОВА, З. И. ГУБАЙДУЛЛИНА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Повышение качества электроэнергии
Технологические процессы любого производства зависят от качества
электроэнергии. Качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых электроприемники способны выполнять заложенные в них функции. КЭ характеризуют термином “электромагнитная совместимость”. Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимают способность электроприемника нормально функционировать в его электромагнитной среде, не создавая недопустимых электромагнитных помех для других элетроприемников, функционирующих в той же среде.
Проблема ЭМС промышленных электроприемников с питающей сетью возникла в связи с широким использованием мощных вентильных преобразователей, дуговых сталеплавильных печей, сварочных установок, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на КЭ.
Согласно ГОСТ 13109-97, существуют следующие показатели качества электроэнергии (ПКЭ):
- установившееся отклонение напряжения δUy; - размах изменения напряжения δUt;
250
- доза фликера Рt; - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU; - коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n); -коэффициент несимметрии напряжений К2U, К0U. - отклонение частоты Δf; - длительность провала напряжения Δtп; - импульсное напряжение Uимп; - коэффициент временного перенапряжения Кпер U. Основными задачами контроля КЭ являются: 1. Проверка выполнения требований стандарта в части
эксплуатационного контроля ПКЭ в электрических сетях общего назначения; 2. Проверка соответствия действительных значений ПКЭ на границе
раздела сети по балансовой принадлежности значениям, зафиксированным в договоре энергоснабжения;
3. Разработка технических условий на присоединение потребителя в части КЭ;
4. Проверка выполнения договорных условий к части КЭ с определением допустимого расчетного и фактического вкладов потребителя в ухудшение КЭ;
5. Разработка технических и организационных мероприятий по обеспечению КЭ;
6. Определение скидок (надбавок) к тарифам на ЭЭ за ее качество; 7. Сертификация электрической энергии; 8. Поиск “виновника” искажений ПКЭ. В зависимости от целей, решаемых при контроле и анализе КЭ,
измерения ПКЭ могут иметь четыре формы: Диагностический контроль КЭ - основной целью диагностического
контроля является обнаружение “виновника” ухудшения КЭ, определение допустимого вклада в нарушение требований стандарта по каждому ПКЭ, включение их в договор энергоснабжения, нормализация КЭ.
Инспекционный контроль КЭ – осуществляется органами сертификации для получения информации о состоянии сертифицированной электроэнергии в электрических сетях энергоснабжающей организации, о соблюдении условий и правил применения сертификата, с целью подтверждения того, что КЭ в течение времени действия сертификата продолжает соответствовать установленным требованиям.
Оперативный контроль КЭ - необходим в условиях эксплуатации в точках электрической сети, где имеются и в ближайшей перспективе не могут быть устранены искажения напряжения.
Коммерческий учет ПКЭ – должен осуществляться на границе раздела электрических сетей потребителя и энергоснабжающей организации и по результатам его определяются скидки (надбавки) к тарифам на электроэнергию за ее качество.
251
Можно заключить, что для решения проблемы повышения качества электроэнергии необходимо разработать программу, в которой должны быть решены следующие задачи:
1. установление минимально необходимых требований к электромагнитным помехам;
2. повышение контроля, обеспечивающего соблюдение требований качества электроэнергии;
3. Учет поддержки инновационных разработок и производства электротехнических устройств − средств повышения качества электроэнергии.
Список литературы 1. ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения”. 2. Методические указания по контролю и анализу качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения (РД 34.15.501 – 88). 3. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.
А. С. БИКМУРЗИН ООО «БашРЭС»
Диагностика кабельных линий методом регистрации частичных разрядов
Нормативно-техническим документом РД 34.45-51.300-97 «Объем и
нормы испытаний электрооборудования» для контроля состояния кабельных линий регламентируются профилактические испытания кабельных линий. Профилактические испытания кабельных линий напряжением 6-10 кВ предписывается проводить 6-кратным выпрямленным напряжением. Однако данный вид испытаний является разрушающим для изоляции кабеля. Также из эксплуатации известно, что нередки случаи выхода кабельных линий из работы после проведения испытаний. В связи с этим, существует необходимость развития неразрушающих методов диагностики. Особенностью неразрушающих методов испытаний является то, что в момент их проведения кабель не подвергается старению. В некоторых системах неразрушающей диагностики кабель даже не выводится из работы.
В настоящее время в России появились приборы, устройства диагностики неразрушающим методом, каткие как переносные диагностические системы OWTS, установки VLF (все производства фирмы «Seba KMT», Германия), «AS-Tester», «CPDA», «OVM-3», «CCM-6» (все производства фирмы ООО «Димрус», г. Пермь, Россия).
Система OWTS и прибор «CPDA» предназначены для диагностики КЛ 6-35 кВ с отключением кабеля, «OVM-3» и «CCM-6» являются системами мониторинга КЛ под рабочим напряжением.
252
Рис. 1. Система диагностики и локализации мест повреждений кабельных линий методом
измерения частичных разрядов OWTS M28
Принцип работы системы OWTS и прибора «CPDA» заключается в следующем. Перед проведением испытаний кабель заряжается постоянным небольшим током до напряжения, близкого к номинальному значению. После этого кабель замыкается на землю через индуктивность, примерно равную, 0,5 – 1,0 Гн. В колебательном контуре, состоящем из параллельно включенных емкости кабеля и индуктивности катушки, возникает резонанс, с частотой в диапазоне 50 – 1000 Гц.
При помощи измерительного прибора регистрируются частичные разряды, возникающие под воздействием переменного синусоидального напряжения с уменьшающейся амплитудой. Длительность процесса затухания колебаний в кабеле не превышает одной секунды. На основании анализа полученной информации определяется интенсивность частичных разрядов в изоляции кабельной линии.
Рис. 2. Принципиальная схема системы диагностики ЧР – OWTS
Самым сложным этапом при выполнении диагностики кабельных линий
системой OWTS и прибором «CPDA» является обработка результатов диагностики и выдача заключения по результатам измерения частичных разрядов.
253
Рис. 3. Статистика распределения уровня ЧР по длине кабельной линии
В связи с тем, что в России метод измерения частичных разрядов только
начинает получать распространение, на данный момент отсутствуют методики, нормативы и критерии оценки состояния КЛ по результатам измерения характеристик ЧР.
Выводы В последние годы в России появились приборы и системы для
регистрации частичных разрядов в КЛ. Однако, основным «барьером» в развитии диагностики КЛ методом регистрации частичных разрядов является отсутствие нормативной базы. Соответственно, для создания норм и рекомендаций, требуется наработка статистических данных как для КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена, так и для КЛ с бумажно-масляной изоляцией. Немаловажным фактом является также и проблема подготовка персонала для обработки полученных результатов измерений.
В. В. ГАПЕЧКИН Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Л. Э. РОГИНСКАЯ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Особенности расчета электромагнитов для приводов вакуумных выключателей
Обеспечение надежной работы электростанций, подстанций и систем
электроснабжения промышленных предприятий в значительной степени определяется безотказной работой выключателей высокого напряжения Выключатели - основные коммутационные аппараты в электрических установках и служат для включения и отключения токовых цепей.
Преимущество вакуумных выключателей связано с тем, что вакуум является идеальной изоляционной средой. Поэтому электрическая прочность изоляционного межконтактного промежутка в вакууме значительно выше, а длина дуги значительно меньше, чем в других видах выключателей. Это
254
позволяет существенно снизить габариты дугогасительной камеры вакуумного выключателя.
Движение привода вакуумного выключателя осуществляется за счет действия электромагнита.
Все элементы конструкции вакуумных выключателей должны быть надежными. Соответственно для расчета электромагнита следует применять точные методы.
При синусоидальном напряжении источника в установившемся режиме ток в обмотке будет определяться следующим дифференциальным уравнением:
ϕωϕ
ddiLiRmU эвm
000sin += , (1)
где mU -амплитудное значение напряжения питающей сети; зп
пв rr
rm+
−= 21 ( пr и зr -
сопротивления вентиля прямому протеканию тока и обратному соответственно);ϕ - фазовый угол; Rэ = r + R0 – полное эквивалентное омическое сопротивление в цепи обмотки (r-активное сопротивление контура, R0-активное сопротивление обмотки); 0i - ток обмотки;ω , 0L -число витков и индуктивность электромагнита соответственно.
После решения уравнение для тока в обмотке может быть приведено к виду:
эtgээ
э
вm CeR
mUi αϕ
αϕα−
+−= )sin(cos0 , где э
э RLarctg 0ωα = (2)
Постоянная интегрирования С в установившемся режиме определяется из условия повторяемости процесса. После подстановки найденного значения постоянной интегрирования получаем следующее выражение для мгновенного значения тока в обмотке электромагнита при питании его от источника переменного напряжения через выпрямительную схему:
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−+−=
−
−
э
э
tg
tgэ
эээ
вm
e
eR
mUiαπ
αϕ
ααϕα1
sin2)sin(cos0 . (3)
Поскольку период функции )(0 ϕi , определяющей ток в обмотке электромагнита, равен π, уравнение кривой тока (3) может быть разложено в ряд Фурье. Таким образом действующее значение выпрямленного тока, определяющее нагрев обмотки, можно приближенно выразить формулой:
2
0
2.22
0021
9219,0
21
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+=+=
э
гв
э
вmср
RL
СRUmIII
ω, (4)
255
где срI0 -амплитуда постоянной составляющей выпрямленного тока, mI -
амплитуда первого слагаемого переменной составляющей,23
. =гвС для 00 ≈эR
Lω ,
гвС . стремится к 1 для 00 >эR
Lω
Намагничивающая сила обмотки электромагнита переменного тока с мостовой схемой выпрямления, таким образом, будет равна:
ωω
ω
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+==Θ2
0
.0
213219,0
э
гв
э
вмакс
RL
СR
Umi (5)
ωω
ω
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−==Θ2
0
.0
213219,0
э
гв
э
вмин
RL
СR
Umi (6)
Уже при значениях 2/0 >эRLω имеет место хорошее сглаживание кривой намагничивающей силы и пульсации не превышают ±16% среднего значения. Таким образом, при достаточно больших значениях эRL /0ω в электромагните переменного тока с выпрямлением можно получить незначительные колебания электромагнитной силы.
С. В. МЕЛЬНИКОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Л. Ю. ПОЛЯКОВА Филиал ГОУ ВПО Оренбургского государственного университета в г. Кумертау
Компенсация реактивной мощности в электрических сетях
Проблема компенсации реактивной мощности (КРМ) всегда занимала важное место в общем комплексе вопросов повышения эффективности передачи, распределения и потребления электрической энергии. Правильное решение таких задач в значительной мере предопределяет экономию денежных и материальных ресурсов, повышение качества электроснабжения. Основные вопросы компенсации реактивной мощности должны рассматриваться с учетом современных взглядов и с учетом новых технических решений в этой области.
Реактивная мощность может рассматриваться как характеристика скорости обмена энергией между генератором и магнитным полем приемника
256
электроэнергии. Протекая по элементам электрической сети, обладающим активным сопротивлением, вызывает в них дополнительные потери мощности. Это происходит вследствие того, что протекание реактивной мощности «забирает» часть сечения проводов и мощности трансформаторов (при tgφ = 0,5 более 10 %), снижая возможности передачи активной мощности, и приводит к увеличению потерь мощности и электроэнергии (при tgφ = 0,5 порядка 20 % суммарных потерь).
Еще большее влияние реактивная мощность оказывает на режимы напряжения. Потери напряжения, обусловленные передачей реактивной мощности, составляет около 1/3 суммарных потерь напряжения в сетях 6-10 кВ и около 2/3 в сетях более высоких напряжений. Происходящие при этом снижение напряжения в сети приводит к еще большему увеличению потерь электроэнергии и снижению пропускной способности линий и трансформаторов. Кроме влияния на экономические показатели сетей, передача реактивной мощности может привести и к нарушению технических ограничений по допустимым напряжениям в узлах потребления энергии.
Основное влияние на величину реактивной мощности в электрических сетях оказывает характер нагрузки, то есть характеристики электроустановок, присоединенных к электрическим сетям энергосистемы. Получается, что энергокомпания несет убытки и риски, возникающие по причине потребителя. Разграничение зон ответственности за реактивную составляющую мощности между распределительной сетевой компанией и потребителем - пожалуй, самая сложная задача в процессе управления реактивной мощностью.
Стимулирование промышленных потребителей к поддержанию оптимального для энергосистемы коэффициента реактивной мощности было введено еще в 30-х годах прошлого века, во времена интенсивной индустриализации. Была разработана гибкая система скидок и надбавок к тарифу на электроэнергию. Основной целью снижения величины реактивной мощности тогда было стремление к минимизации расходов на строительство электрических сетей. То есть, снизив величину реактивной мощности, можно было сэкономить на сечении проводов и уменьшении мощности трансформаторов.
В настоящее время основной задачей компенсации реактивной мощности является снижение потерь и повышение качества электроэнергии.
В то же время правильное управление потоками реактивной мощности приводит к увеличению устойчивости электроэнергетической системы в целом.
Острота проблемы компенсации реактивной мощности на современном этапе вызвана рядом обстоятельств:
- концентрацией и централизацией генерирующих источников. Передача дешевой реактивной мощности от генераторов электростанции к потребителю по линиям электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения стала экономически нецелесообразной;
- осуществление повсеместно политики ресурсо- и энергосбережения. Оптимизация реактивной мощности, в том числе с помощью местных
257
компенсирующих устройств, позволяет существенно снизить потери мощности и электрической энергии в сетях;
- повышенные требования к качеству электрической энергии в соответствии с нормами Г0СТ13109-97. Реактивная мощность существенно влияет на изменения режима напряжения в электрических сетях;
- недостаточная установленная мощность компенсирующих установок в питающих и распределительных электрических сетях, в том числе комплектных автоматически управляемых конденсаторных батарей.
Сегодня, когда промышленное производство восстановило свой доперестроечный уровень потребления электроэнергии, а кое-где и превысило его, необходимо понимать важность компенсации реактивной мощности на предприятиях, показать потребителю, что соблюдение режимов компенсации реактивной мощности, позволит потребителю улучшить надежность своих сетей и увеличить пропускную способность оборудования, снизить потери электрической энергии, в конечном счете, улучшить свои экономические показатели. Эту работу должны, прежде всего, проводить местные органы Ростехнадзора совместно с техническими службами местных сетевых компаний. К этой работе могли бы подключиться и профильные ВУЗы, имеющие солидный интеллектуальный багаж, и вооруженные передовыми теоретическими знаниями в этой области. И конечно, эта работа невозможна без участия инжиниринговых компаний, продвигающих на рынке устройства компенсации РМ, которые владеют технологическим аспектом внедрения этого оборудования на различных предприятиях и наработанной аналитикой.
Р. И. ШАРИПОВ Науч. руковод. – канд. техн. наук, ст. преподаватель А. В. ЛОБАНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Инверторы для сети переменного тока 220 В
Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока (например
12 В) в переменный ток (например 220 В) с изменением величины напряжения или без. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближенного к синусоиде. Причем получить на выходе можно, теоретически, любой ток, с любыми необходимыми параметрами. Ток, получаемый на выходе, не зависит от входящего — инверторы позволяют получать не статичные параметры тока на выходе, а регулировать его от нуля до максимума, любой частоты и любого напряжения. Источниками постоянного тока 12 вольт, как правило, являются аккумуляторные батареи (АКБ).
Принципы построения инверторов основаны на различных формах выходного напряжения. Существуют инверторы, обеспечивающие синусоидальное выходное напряжение, и инверторы, на выходе которых
258
выходное напряжение упрощенной формы, заменяющей синусоиду (модифицированная синусоида).
Актуальным является компьютерное моделирование рабочих процессов инверторов, которое позволяло бы разрабатывать и исследовать источники питания различных типов без сложных и трудоёмких натурных испытаний, а также предварительно прогнозировать особенности работы с разными видами нагрузки.
В докладе приводятся результаты разработки компьютерных моделей процессов в инверторе с синусоидальной формой выходного напряжения.
Различие между типами инверторов с различной формой выходного напряжения можно оценить с помощью частотного анализа по гармоническому составу выходного напряжения. Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения содержат в спектре выходного напряжения только основную гармонику 50Гц. Инверторы же с выходным напряжением в виде модифицированной синусоиды содержат в спектре выходного напряжения также высшие нечетные гармоники значительной амплитуды. Так как форма выходного тока при активной нагрузке повторяет форму напряжения, то подобные заключения будут справедливы и про спектр выходного тока. Практически оценить различия в форме выходного тока можно по производимому им акустическому эффекту. Акустический эффект может иметь различную физическую природу, например сила Ампера, вынуждающая колебаться проводники с током, или магнитострикционный эффект в материалах, находящимся в магнитном поле, возбуждаемом током. Акустический эффект может возникать во всех участках последовательной выходной цепи, например в потребителе или соединительных проводах, или в самом инверторе. Человек способен на слух различать гармонический состав производимого акустического эффекта. Так, звук от инвертора с синусоидальной формой выходного напряжения ощущается как однотонный гудящий (низкочастотный) шум. А звук от инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды более тембрально окрашен, с выраженными обертонами, более походящий на стук.
Инверторы с модифицированной синусоидой будут работать с большинством электроприборов. Если стоит задача обеспечить бесперебойное питание для домашнего освещения, телевизора, холодильника, то инвертор с модифицированной синусоидой будет наиболее экономичным решением. Инверторы чистого синуса предназначены для работы с более чувствительной аппаратурой.
На основе разработанных моделей возможно решение некоторых важных задач совершенствования и повышения эффективности инверторов.
259
А. О. СИБИРЯКОВ Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Р. М. ДАМИНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Импульсный стабилизатор переменного напряжения Электрическая энергия используется во всех сферах жизнедеятельности
человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует в создании других видов продукции, влияя на их качество. Каждый электроприемник (ЭП) предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении и т. п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое качество электрической энергии (КЭ). Таким образом, КЭ определяется совокупностью характеристик электрической энергии, при которых ЭП могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.
Отклонения напряжения оказывают значительное влияние на работу электродвигателей. При значительном снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя, возможно, его «опрокидывание» из-за уменьшения вращающего момента и частоты вращения ротора. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности, которую необходимо каким-то образом компенсировать. Колебания напряжения нарушают нормальную работу и уменьшают срок службы электронной аппаратуры: устройств телефонной связи, теле-, радио- приемопередающей аппаратуры, офисной и бытовой техники. Поэтому актуальность разработки стабилизаторов переменного напряжения не вызывает сомнений.
В настоящее время существуют следующие методы регулирования переменного напряжения: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый и широтно-импульсный. В данной работе предложена схема импульсного стабилизатора переменного напряжения с мостовым преобразователем и микропроцессорной системой управления на основе широтно-импульсного метода регулирования.
Такой способ регулирования требует выполнения схем регуляторов на вентилях с полным управлением, чтобы иметь возможность включать и выключать вентили в желаемые моменты времени. В разработке используется комбинация мостового диодного преобразователя и ключевого элемента. Одна диагональ преобразователя подключена последовательно с нагрузкой к повышающей обмотке силового трансформатора, а другая – к ключевому элементу. Таким образом, можно обеспечить прохождение тока по цепи в течение двух полупериодов с использованием всего лишь одного ключевого элемента. Целесообразным является использование в качестве силовых ключевых элементов современных высокочастотных полевых транзисторов с малыми остаточными напряжениями и током утечки.
260
Система управления состоит из датчика напряжения на нагрузке, микроконтроллера со встроенным АЦП и драйверного модуля, обеспечивающего согласование по уровням токов и напряжений ключевого элемента и системы управления, также он обеспечивает гальваническую развязку силовой и управляющей частей. Драйверный модуль обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрузки, при этом аварийное состояние определяется с помощью напряжения на коллекторе силового транзистора в открытом состоянии. В память микроконтроллера записан программный код, с помощью которого происходит управление силовыми ключами.
Таким образом, на основе широтно-импульсного метода регулирования возможно построение высокоэффективных стабилизаторов. Применение современных силовых приборов позволяет добиться КПД порядка 80-95%. Использование микроконтроллера упрощает схему системы управления. Выбором оптимальной частоты ШИМ можно добиться низкого значения потерь в ключевых элементах схемы. При широтно-импульсном способе регулирования выходного напряжения, при частоте коммутации в несколько килогерц форма тока в нагрузке регулятора будет практически синусоидальной. Характерно, что широтно-импульсное регулирование переменного напряжения не вносит дополнительного фазового сдвига первой гармоники тока на входе регулятора, а этот сдвиг зависит только от фазового угла активно-индуктивной нагрузки.
А. Л. ШАБАРЧИН Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор В. М. КУЛЯПИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Комбинированные системы автоматического управления
противообледенительной системы
Принцип действия и состав противообледенительных систем (ПОС) определяются способами предупреждения и устранения льда с защищаемых элементов летательного аппарата. В соответствии с этим различают тепловые, механические, физико-химические и комбинированные ПОС.
У всех этих систем наблюдается ряд недостатков. Тепловые системы отбирают большую мощность у электрических генераторов, конструктивно сложны, требуют большой трудоемкости при эксплуатации, имеют сложную систему трубопроводов и большой массой теплоизолированных труб. Механические системы имеют большое количество индукторов, не обеспечивают полное освобождение ото льда, требуют повышения мощности импульса по мере возрастания жесткости конструкции. Физико-химические системы имеют малый запас времени работы, из-за ограниченного запаса противообледенительной жидкости и ухудшают фильтрующие свойства
261
пористой обшивки. Автор пришел к выводу, что самые перспективные электроимпульсные ПОС.
Основной вопрос, который приходится решать при установке электроимпульсной ПОС на определенный тип самолета - это расстановка индукторов для оптимального их воздействия на обшивку защищаемой зоны и выбор параметров индуктора и электрического импульса.
Стандартный комплект агрегатов электроимпульсной ПОС (рис.1 ) состоит из следующих основных блоков: из преобразователя энергии БПЭ, управления БУ, программного коммутатора импульсов ПКИ, индукторов вихревых токов ИВТ, а также коммутационной аппаратуры, элементов обслуживания, сигнализации и контроля.
Рис. 1. Блок-схема электроимпульсного ПОС
Блок преобразования частоты предназначен для преобразования
трехфазного напряжения (208В,400Гц) в постоянное высокое напряжение(1500±50В) и для зарядки встроенных в блок накопительных конденсаторов. Блок состоит из повышающего трансформатора, выпрямителя, дросселя для ограничения тока разряда и конденсатора.
Особое внимание автор уделяет разряду емкостного накопителя, для того чтобы повысить коэффициент полезного действия.
Сложности, связанные с необходимостью измерения возмущений на входе в систему автоматического управления являются недостатком систем автоматического управления по возмущению комбинированных систем. Достоинством этих систем является простота, независимость процесса слежения от вида и места приложения возмущений, наибольшая точность и быстродействие. В комбинированных системах основные возмущения компенсируются на входе, а появившиеся отклонения устраняются контуром, реагирующим на отклонение регулируемой величины.
262
А. Е. ФОКЕЕВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, профессор В. К. БАРСУКОВ ГОУ ВПО Ижевский государственный технический университет
Задача корректного определения потерь в силовых трансформаторах
Применяемые для определения потерь в силовых трансформаторах
методики [1, 2] линеаризованы и не учитывают возможный нелинейный характер нагрузки при работе потребителей с нелинейной вольтамперной характеристикой.
Определение потерь холостого хода (в сердечнике трансформатора) и нагрузочных потерь (в обмотках трансформатора) сводится к использованию паспортных данных силовых трансформаторов (потери холостого хода PХХ, потери короткого замыкания РКЗ) и коэффициента характеризующего график загрузки трансформатора
2
ЗКЗХХ КPPP ⋅Δ+Δ=Δ . (1) Определение потерь электрической энергии за конкретный период
времени производится с учетом числа часов работы трансформатора t (для расчета потерь холостого хода) и времени максимальных потерь τ (для расчета нагрузочных потерь)
2
ЗКЗiХХiТРi КPtPW ⋅⋅Δ+⋅Δ=Δ τ . (2) Используемые в выражениях (1) и (2) коэффициенты КЗ и τ
характеризуют лишь изменение величины нагрузки и служат для усреднения используемых в расчете потерь короткого замыкания ΔPКЗ, определяемых при испытаниях трансформаторов. Потери мощности на намагничивание сердечника (отнесенные к условно-постоянным потерям) принимаются постоянными и зависят лишь от времени t, в течение которого трансформатор находится под напряжением.
Такой подход к определению потерь в силовых трансформаторах, при известных графиках нагрузки, позволяет с достаточной степенью точности определить потери в трансформаторе вызванные необходимостью намагничивания сердечника и протеканием по его обмоткам токов синусоидальной формы.
Работа потребителей элекрической энергии имеющих нелинейную вольтамперную характеристику приводит к искажениям кривых токов и напряжений в сети. Исследования [3, 4] показали, что при работе силовых трансформаторов на нелинейную нагрузку происходит увеличение потерь в сердечнике и обмотках трансформатора вследствие увеличения интенсивности вихревых токов и изменении режима перемагничивания сердечника.
263
Корректное определение потерь в силовых трансформаторах возможно с использованием массивов мгновенных значений токов и напряжений первичной (u1, i1) и вторичной (u2
’, i2’) обмоток
(t)i(t)u(t)i(t)u=p(t) ''
2211 ⋅−⋅Δ (3)
∫ΔΔT
p(t)dtT
=P0
1 (4)
Необходимость корректного определения потерь в силовых
трансформаторах при несинусоидальной форме тока, протекающего по его обмоткам, обусловлена двумя взаимосвязанными технико-экономическими факторами:
1. увеличение потерь в силовом трансформаторе вызывает повышенный нагрев его элементов, способствуя возникновению аварийных ситуаций и причинению экономического ущерба сетевой компании и потребителям;
2. увеличение потерь в силовых трансформаторах как элементах систем электроснабжения должно учитываться при расчете технологических потерь связанных с передачей электрической энергии, используемых при обосновании тарифа Из вышеизложенного следует, что в условиях роста нелинейных
нагрузок, корректное определение потерь в элементах системы электроснабжения, в частности в трансформаторах, становится необходимостью.
Требуется создание именно методики расчета, поскольку возможность определения потерь в режиме реального времени (по мгновенным массивам токов и напряжений) ограничивается дополнительными затратами на установку специального оборудования и огромным парком трансформаторов сетевых компаний.
Список литературы 1. «Методические рекомендации по определению потерь электрической энергии в городских электрических сетях напряжением 10(6)-0,4кВ». Разработаны РАО ЗТ «Роскоммунэнерго». Утверждены Заместителем председателя Госстроя России 23.04.01 2. «Методика расчета нормативных (технологических) потерь в электрических сетях». Утверждена приказом №21 Минпромэнерго России от 03.02.2005г. 3. «Исследование работы однофазного силового трансформатора при несинусоидальной форме тока в нагрузке», ИжГТУ Фокеев А.Е., Барсуков В.К. 4. «Методика исследования трехфазного силового трансформатора», ИжГТУ Фокеев А.Е.
264
С. Р. МУФТИЕВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор С. В. ШАПИРО ГОУ ВПО Уфимская государственная академия экономики и сервиса
Электронная система мониторинга и стабилизации напряжения
в тяговых подстанциях городского электротранспорта
Проблема энергоэффективности и энергосберегающих технологий в сфере муниципального электрического транспорта является важной задачей в развитии инфраструктуры города. Возможности уменьшения потребления тяговой электроэнергии имеются в модернизации как подвижного состава, так и тяговых подстанций, основными характеристиками которых являются качество питающего напряжения, его стабильность.
Проведённые измерения напряжений холостого хода на тяговых подстанциях города Уфы показали, что в реальности оно поднимается до 850 В. Такое повышенное напряжение отрицательно сказывается на дорогостоящем коммутационном и преобразовательном электрооборудовании подвижного состава, и часто приводит к выходу его из строя. С другой стороны, понижение напряжения контактной сети приводит к увеличению времени разгона двигателя электротранспортного средства и увеличению длины тормозного пути, а также перегреву силовых контактов и обмоток тягового двигателя. Прожоги контактной сети и токосъёмных контактов, также, является результатом низкого тягового напряжения. Ясно, что стабилизация напряжения сети питания трамваев и троллейбусов позволяет существенно повысить качество их работы – безопасность, надёжность и снизить расход электроэнергии.
Известны несколько способов стабилизации напряжения для тяговой сети. В частности:
1. Инерционный накопитель энергии для тяговой сети. Основой накопителя является вертикально расположенный
цилиндрический маховик, частота вращения которого не превышает 3600 об/мин. Синхронная машина, ротор которой находится на одном валу с маховиком, дает возможность принимать и отдавать энергию. В зависимости от уровня напряжения постоянного тока в контактной сети энергия будет накапливаться или отдаваться в сеть до тех пор, пока не будет достигнута уставка переключения соответственно в режим поддержания уровня напряжения в контактной сети или накопления тормозной энергии.
2. Установка суперконденсаторных подстанций. На каждой питающей подстанции предлагается устанавливать комплект
суперконденсаторов емкостью несколько сотен Фарад. При возникновении на линии большой пиковой нагрузки, например, разгон электропоезда, комплект суперконденсаторов берет на себя компенсацию этой нагрузки, не вызывая перегрузок в подводящей сети, а распределяя нагрузку равномерно во времени.
265
Основной задачей, которую решают эти устройства, является стабилизация напряжения в тяговой сети.
Муниципальное управление электротранспорта городского округа города Уфы совместно с научно-исследовательской лабораторией кафедры физики Уфимской государственной академии экономики и сервиса разрабатывает систему стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта.
Нами разработан модуль стабилизации напряжения для тяговых подстанций, основанный на использовании звена высокой частоты, как наиболее экономичный [1]. Модуль стабилизации напряжения состоит из инвертора на IGBT транзисторах, который преобразует постоянное напряжение 500±150 В в переменное с частотой 5 кГц, автотрансформатора, который служит для повышения напряжения с частотой 5 кГц, выпрямителя на IGBT транзисторах, датчика напряжения и широтно-импульсной системы управления.
Базовыми элементами при разработке системы были выбраны современные IGBT модули, в которых диапазон номинальных токов колеблется в пределах от 25 до 2500 ампер, а рабочее напряжение доходит до 3500 вольт.
Привлекательными чертами сильноточных модулей являются: наличие электрической изоляции, простота монтажа с охладителем и лёгкость связи с другими модулями для повышения нагрузки цепи. Они также позволяют избежать использования параллельного соединения ключей для токов, превышающих сотни ампер.
Для системы стабилизации были выбраны IGBT модули CM1400DU-24NF фирмы Mitsubishi Electric.
Система управления состоит из четырёх микросхем и датчика напряжения. Для управления работой и контроля параметров всех шести IGBT модулей был выбран мощный 6-канальный драйвер фирмы Semikron.
Для электронного преобразования постоянного напряжения на нагрузке в пропорциональный выходной ток с гальванической развязкой между первичной и вторичной цепями служит датчик напряжения LV100-750/SP4 фирмы LEM.
Система стабилизации тягового напряжения была исследована с помощью модели, основанной на использовании программных пакетов OrCAD 9.2.
Список литературы 1. Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры/ Л. А. Краус, Г. В. Гейман, М. М. Лапиров-Скобло, В. И. Тихонов — М.: Энергия, 1980.—288 с, 2. Шапиро С.В., Муфтиев С.Р. Электронная система мониторинга и энергосбережения в тяговых подстанциях городского электротранспорта// Главный энергетик. 2010. Т. 1, № 7. С. 25-30. 3. Шапиро С.В. Резольвента Лагранжа и её применение в электромеханике. Энергоатомиздат, 2008 г.
266
И. Р. ЮСУПОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор А. И. ФЕДОТОВ ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Разработка метода расчета высших гармоник в электрической сети с учетом нелинейного взаимодействия несинусоидальных нагрузок
Давно известно, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях,
оснащенных большим количеством компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте 50 Гц гармониками. Но в сетях свыше 1 кВ, также имеются достаточно мощные нелинейные преобразователи, особенно с сетях электроснабжения железнодорожного транспорта.
Расчет таких сетей ведется до 40 гармоники. Но в сетях кроме воздушных линий применяются и кабельные, которые имеют большую емкость. Так как в сети присутствует индуктивность, образуется колебательный контур, в котором на высших частотах возможно возникновение резонанса.
Высшие гармоники имеют негативное воздействие. Возможен перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники. Также происходит ускоренное старение изоляции при повышении рабочей температуры токонесущих проводников.
Искажение синусоидальности питающего напряжения. Следствием характера тока, потребляемого импульсной нагрузкой, является деформация синусоиды напряжения, действующей на зажимах нагрузки. Синусоида напряжения становится «плоской», так как в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении сети.
«Плоская» синусоида, воздействуя на импульсный источник питания, снижает уровень выпрямленного напряжения; увеличивает тепловыделения в элементах импульсного источника питания.
Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в трансформаторах. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и быть причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева.
Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву.
Ускоренное старение изоляции проводов и кабелей. Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.
Помехи в сетях телекоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены относительно близко. Вследствие протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока, в
267
кабелях телекоммуникаций могут наводиться помехи. Магнитные поля высших гармоник прямой и обратной последовательности частично компенсируют друг друга, поэтому наибольшее влияние на телекоммуникации оказывают гармоники, кратные трем. Чем выше порядок гармоники, тем больше уровень помех, наведенных ими в телекоммуникационных кабелях.
Все эти последствия наносят ущерб. В сетях 6, 10 кВ возникает повышение себестоимости продукции вследствие увеличения удельного расхода электроэнергии по причине невозможности использования конденсаторных установок, которые применяются для повышения коэффициента мощности. В этих сетях при наличии высших гармоник тока возникают резонансы тока в цепи батареи конденсаторов – внешняя сеть на частотах высших гармоник. Эти явления практически всегда приводят к перегрузкам конденсаторов по току и выходу их из строя.
При проектировании сетей необходимо рассчитать высшие гармоники в с учетом нелинейного взаимодействия несинусоидальных нагрузок. Эта задача облегчается применением специальных программ. Одной из таких программных обеспечения является Simulink, которая позволяет смоделировать реальную действующую или проектируемую сеть.
И. Л. АИТОВ, Р. Р. КАМАЛЕТДИНОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Бортовой источник питания 400 Гц
со стабилизацией коэффициента нелинейных искажений
В настоящее время в качестве источника питания 400 Гц используются полупроводниковые статические преобразователи постоянного напряжения, для которых характерными являются высокое значение коэффициента полезного действия и формирование ступенчатой формы выходного напряжения при работе силовых полупроводниковых приборов (СПП), работающих в ключевом режиме. Недостатком их, при работе СПП без паузы (τп), является протекание сквозных токов через полупроводниковые приборы.
В данной работе авторами предлагается структура трехфазного бортового источника питания (БИП) 400 Гц с регулируемой паузой (τп) между включением СПП, подключенных к каждой фазе, позволяющей получить трехступенчатую форму выходного напряжения, при этом ( )пКни F τ= . Это позволяет выбрать величину τп , при котором minКни − .
В результате исследования зависимостей Кни от значения паузы пτ между включениями фазных вентилей были получены зависимости. На рис.1а приведена зависимость )( пτ= FКни при активной нагрузке и 400=f Гц – const. Как видно из рисунка, %8≤Кни в пределах 145125п ÷=τ мкс, при этом
%2,7min =Кни при 130п =τ мкс.
268
% , ט ם �
τ ס ך ל , ן 6
1 0
f = 4 0 0 ֳ צ
8 0 1 0 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 7 0 1 9 0
1 2
8
c o s f 0 , 1 = ם
D τ ן
% , ט ם �
τ 6 ס ך ל , ן
1 0
1 2
8
f = 4 0 0 ֳ צ
c o s f 9 9 9 , 0 = ם ( L ם ֳ ך ל 0 2 = ם )
c o s j 8 9 9 , 0 = ם ( L ם ֳ ל 1 , 0 = ם )
8 0 1 0 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 7 0 1 9 0 Рис. 1. Зависимости )( пτ= FКни при активной нагрузке (а) и при
Lн 998,0999,0cos ÷=ϕ (б) В настоящее время для питания бортового оборудования требуется
значение коэффициента мощности Lн 8,00,1cos ÷=ϕ , поэтому были получены зависимости значений коэффициента нелинейных искажений от паузы при
Lн 998,0999,0cos ÷=ϕ (рис.1б) и при Lн 89,097,0cos ÷=ϕ (рис.2). % , ט ם �
τ 8 1 ס ך ל , ן
2 0
f = 4 0 0 ֳ צ
c o s f 7 9 , 0 = ם ( L ם ֳ ל 5 , 0 = ם )
c o s j 4 9 , 0 = ם ( L ם ֳ ל 7 , 0 = ם )
8 0 1 0 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 7 0 1 9 0
c o s j 9 8 , 0 = ם ( L ם ֳ ל 1 = ם )
Рис. 2. Зависимость )( пτ= FКни при Lн 89,097,0cos ÷=ϕ и 400=f Гц – const
Из рисунка 1б следует, что требуемое значение %8≤Кни при
Lн 999,0cos =ϕ в пределах 138105п ÷=τ мкс, при этом %45,7min =Кни при 125п =τ мкс, а при Lн 998,0cos =ϕ в пределах 137110п ÷=τ мкс, при этом
%6,7min =Кни при 128п =τ мкс. Следовательно, можно отметить, что значение Кни увеличивается при увеличении индуктивной составляющей нагрузки. При
269
этом значение паузы смещается в сторону увеличения при увеличении индуктивности.
Изменение характера нагрузки ( Lн 89,097,0cos ÷=ϕ ) приводит к увеличению %1918 ÷=Кни и изменению диапазона пτ . В этих случаях возможно использование дополнительного фильтра в каждой фазе для снижения Кни до требуемых 8%.
В результате данных исследований были получены зависимости Кни и пτ от изменения характера нагрузки.
Полученные результаты позволяют говорить о целесообразности использования такого АИН для бортовых систем путем автоматического поддержания необходимого значения пτ при изменении характера нагрузки.
В. И. КАРИМОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Г. Н. УТЛЯКОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Моделирование интеллектуальных систем регулирования частоты
электромашинного преобразователя Для преобразования постоянного тока в переменный на борту
летательных аппаратов променяют электромашинные преобразователи (ЭМП). К ЭМП предъявляется ряд требований к допустимым колебаниям вторичного напряжения и частоты при изменении нагрузки преобразователя или напряжения первичной сети постоянного тока. Допустимые максимальные отклонения частоты вторичного напряжения ограничиваются ±(2÷6)% от номинального значения. В ряде случаев эти пределы сужаются до ±(0,05÷0,1)%.
Для повышения точности регулирования частоты вторичного напряжения ЭМП представляет интерес использование интеллектуальных алгоритмов управления. Наиболее простыми в практической реализации являются системы регулирования на основе нейронных сетей и нечеткой логики. Преимуществом систем на основе нечеткой логики по сравнению с другими системами управления является то, что для синтеза системы регулирования можно применять знания экспертов. Среди достоинств систем регулирования на основе нейронных сетей можно отметить скорость работы из-за свойственного им параллелизма вычислений.
В интерактивной системе Simulink разработана модель системы регулирования частоты ЭМП с регулятором на основе интеллектуальных алгоритмов (рис. 1).
Математическая модель электромашинного преобразователя в статическом режиме представлена блоком «MATLAB Function». Этот блок вычисляет значение частоты вторичного напряжения ЭМП в зависимости от тока нагрузки и тока управляющей обмотки двигателя ЭМП. В качестве
270
нейросетевого регулятора использован блок функции, производящей выработку выходного сигнала нейронной сети на основе входных параметров: sim(net, [u(1); u(2)]), где [u(1); u(2)] – матрица входных параметров, net – идентификатор нейронной сети, загруженной в рабочую область Matlab; в качестве нечеткого регулятора использован блок «Fuzzy Logic Controller», применяющий заранее созданный файл системы нечеткого вывода.
Рис. 1. Структурная схема системы регулирования частоты электромашинного
преобразователя
Разработанные интеллектуальные регуляторы частоты имеют 2 входа – значения тока нагрузки и частоты вторичного напряжения ЭМП, и 1 выход – значение тока управляющей обмотки двигателя ЭМП.
Нейросетевой регулятор частоты представляет собой трехслойную сеть обратного распространения, включающуя 2 нейрона во входном слое (по числу компонент входного вектора) с передаточной функцией logsig, 15 нейронов во втором слое с передаточной функцией logsig и 1 нейрон в выходном слое (по числу компонентов выходного вектора) с передаточной функцией purelin. При этом в качестве обучающего алгоритма выбран алгоритм Levenberg-Marquardt (trainlm). Этот алгоритм обеспечивает быстрое обучение, но требует много ресурсов. Критерием окончания обучения является значение отклонения, при котором обучение будет считаться законченным. Это значение было выбрано равным 0.01. Максимальное количество циклов обучения – 1000.
Для формирования нечеткого регулятора частоты определены входные и выходные лингвистические переменные и вид функций принадлежности. Входная лингвистическая переменная «Ток нагрузки» имеет 6 функций принадлежности треугольной формы, переменная «Частота вторичного напряжения» - 5, выходная переменная «Ток управляющей обмотки двигателя ЭМП» - 13. База правил содержит 30 правил вида «если - то».
На рис. 2 представлены внешние характеристики двигателя ЭМП при регулировании частоты с помощью интеллектуальных регуляторов.
Результаты моделирования показали, что статическая ошибка регулирования частоты ЭМП с нейросетевым и нечетким регулятором при изменении тока нагрузки от 0 до 1,2 номинального значения не превышает 2%, что удовлетворяет требованиям ГОСТ.
271
Рис. 2. Зависимость частоты электромашинного преобразователя от тока нагрузки
Д. В. КОЛОСНИЦЫН Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор А. И. ЗАИКО ООО «ДДК»
Состояние и перспективы систем управления
батареями (аккумуляторами) для электротранспортных средств Появление в последние годы различных мобильных устройств
работающих не от стационарных электрических сетей, распространение электромобилей, электровелосипедов, электроскутеров, борьба за экологию путем использования альтернативных, более экологически чистых источников энергии повысило требования к существующим аккумуляторным батареям АБ. Особый интерес для развития энергетики представляют собой различного типа электромобили – гибридные, гибридные подзаряжаемые и полные. К аккумуляторам для электрических транспортных средств предъявляются весьма жесткие требования. При всей кажущейся простоте - заряжай и работай, существует масса тонкостей, позволяющих значительно продлить срок службы батареи. Одним из способов улучшения характеристик АБ является использование Системы Управления Батарей СУБ (BMS – Battery Management System) которая контролирует работу ячеек батареи, балансирует ячейки, вычисляет необходимые параметры, и в некоторых случаях активно контролирует окружающую среду.
Все СУБ должны выполнять четыре важнейшие функции: • Обеспечивать защиту ячеек или батареи в целом от повреждения. • Увеличивать сроки эксплуатации батареи. • Поддерживать батарею в состоянии, в котором она может выполнять
требуемые функции.
272
• Предоставить пользователю напрямую или через устройство входящее в состав АБ информацию о текущей емкости, времени до окончания заряда или разряда.
Ни одна из предложенных СУБ не удовлетворяет всем желаемым требованиям в полном объеме. Как правило, выбирается некий компромисс, в наибольшей степени удовлетворяющий требованиям к батареи конкретного энергопотребителя.
Наиболее сложно реализуемыми функциями СУБ является обеспечение работоспособности АБ при обрывах или замыканиях внутри АБ, а также определения оставшегося заряда батареи.
Одним из самых распространенных методов оценки оставшегося заряда АБ является измерение выходного напряжения АБ, что дает лишь приблизительную оценку, и не учитывает изменения вызванные деградацией ячеек, скорость разряда, окружающую температуру. Традиционные технологии определения емкости аккумулятора, опираются на статические и ненадежные методы, которые пытаются учитывать скорость разряда, температуру и возраст батареи, а так же моделируют саморазряд и другие внутренние токи батареи. Существуют методы математического моделирования для прогноза оставшегося заряда батареи, однако они требуют определенных вычислительных мощностей. Также существуют методы оценки которые вычисляют текущий заряд батареи исходя из ее ранее вычисленного заряда, плюс полученная энергия при заряде и/или минус энергия отданная в нагрузку. Недостатком этого метода является то, что необходимо знать начальное состояние АБ, что не всегда возможно.
Так же при проектировании СУБ необходимо решить еще ряд задач, таких как:
• Выбор способа балансировки ячеек АБ. • Выбор топологии СУБ. • Выбор элементной базы. • Проблему измерений. • Проблему коммутации. В настоящее время методики проектирования СУБ, основанные на
выборе оптимальных соотношений параметров, позволяющих обеспечить эффект энергосбережения и безаварийное функционирование АБ разработаны не достаточно хорошо. Так же не достаточно хорошо разработаны критерии оценки качества СУБ.
Список литературы 1. A Modular Battery Management System for HEVs. Thomas Stuart and Fang Fang The University of Toledo, Xiaopeng Wang Visteon Co., Cyrus Ashtiani DaimlerChrysler, Ahmad Pesaran National Renewable Energy Laboratory 2. Хечинашвили Александр. Система контроля и управления источником энергии тягового привода электромобиля. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук.
273
Л. Р. ЗИГАНГИРОВ, Т. М. ЛОГИНОВА, Г. Т. ГАРИПОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Г. В. МИЛОВЗОРОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Информационно-измерительная система бесконтактного контроля
гармонического состава переменного тока на основе феррозондовых датчиков
Необходимость контроля показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в
настоящее время ни у кого не вызывает сомнений. В ГОСТ 13109–97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» даны методы оценки ПКЭ; в РД 153-34.0-15.501–00 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» определены методы измерения ПКЭ, продолжительность и периодичность контроля, формы представления данных. В сентябре 2008 г. в России был принят международный стандарт IEC 61000-4-30:2003 «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-30. Методы испытаний и измерений. Методы измерения качества электроэнергии», предъявляющий самые жесткие требования к приборам контроля качества электроэнергии.
Одним из ПКЭ является несинусоидальность напряжения и тока. Для оценки этого показателя по ГОСТ 13109–97 необходима регистрация и обработка всего ряда гармонических составляющих от второй до 40-ой включительно.
На данный момент контроль гармонического состава электрической энергии осуществляется информационно-измерительными системами на основе бесконтактных датчиков тока.
В отличие от контактных датчиков тока, в бесконтактных датчиках контролируемый ток протекает по проводнику, пропущенному через отверстие в корпусе датчика, и создает магнитное поле в ферромагнитном сердечнике.
Магнитное поле, создаваемое контролируемым током, регистрируется с помощью встроенного датчика Холла. Напряжение с выхода датчика Холла усиливается и преобразуется в логические уровни, подаваемые на выход датчика тока.
Но для решения поставленной задачи наиболее приемлемым вариантом, по мнению авторов, является построение информационно-измерительных систем на основе феррозондовых датчиков, которые высоким (сотни кГц) быстродействием и малым порогом чувствительности (единицы нТл).
274
А. Ш. ЗАРИПОВ, М. П. СЕРГЕЕВ, А. Р. ГИЗАТУЛЛИН Филиал ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ, ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Повышение эффективности управления комплексом систем
диспетчерского и технологического управления в электроэнергетическом секторе при применении геоинформационных систем
Энергетический комплекс Российской федерации является сложной
системой, требующей постоянного внимания со стороны субъектов оперативно - диспетчерского управления.
Открытое акционерное общество «Системный оператор Единой энергетической системы» (Системный оператор) является территориально распределенным предприятием, которое осуществляет централизованное оперативно-диспетчерское управление технологическим режимом Единой энергетической системы России на территории 79 субъектов Российской Федерации.
Для осуществления надежного и качественного управления режимом энергосистемы необходимо отказоустойчивое функционирование средств диспетчерского и технологического управления, контроль и эксплуатация за которыми возложено на службу телемеханики и связи на всех уровнях иерархии Системного оператора.
Поскольку объекты управления и ведения для Службы телемеханики и связи Системного оператора характеризуются существенной протяжённостью и распределенностью (телекоммуникационное оборудование, кабельные и волоконно-оптические линии связи, оборудование телемеханики, маршрутизаторы, мосты, мультиплексоры и другие), то для эффективного решения задач мониторинга и управления необходима актуальная и достоверная информация о состоянии и топологии данных систем, интегрированной с оперативными данными всех информационных систем предприятия.
В настоящее время в случае выхода из строя (повреждения) оборудования систем связи и телемеханики осуществляется относительно длительный процесс анализа, поиска и устранения неисправности, который выполняется дежурным специалистом по связи субъекта диспетчерского центра Системного оператора и дежурным специалистом (ответственным за оборудование) на объекте электроэнергетики, вследствие чего целесообразно применять корпоративную геоинформационную систему (ГИС), способную объединить и оптимизировать необходимый перечень решаемых задач.
Геоинформационная система посредством постоянного контроля состояния оборудования по специальным каналам или по сети Ethernet отобразит состояние оборудования на данный момент, что позволит сократить процесс идентификации и устранения неисправности. За счет накоплении, хранения и визуализации исторической информации о состоянии оборудования
275
связи и телемеханики появится возможность выявления «слабых» мест, чаще всего подверженным различным негативным изменениям, что позволит организовать новые альтернативные каналы связи или заменить ненадежное оборудование до возникновения внештатной ситуации. Использование ГИС, реализованной в виде веб-приложения позволит специалистам службы телемеханики и связи оперативно отслеживать и получать достоверную и полную информацию по сети связи любого уровня иерархии Системного оператора.
Интеграция в геоинформационную систему сведений о пространственном положении объектов ответственности и их состоянии сократит время для устранения неисправности оборудования, проектирования линий связи, принятия решения о подключении новых объектов к инфраструктуре связи, а также позволит решать другие прикладные задачи службы телемеханики и связи.
Анализ графиков Ганта и функциональных моделей процесса устранения неисправлностей показал, что сокращение временных затрат при устранении неисправности оборудования связи с применением геоинформационных систем составляет в среднем 55 %.
В результате внедрения в промышленную эксплуатацию такого высокотехнологичного программного продукта, как геоинформационная система, специалисты ответственные за эксплуатацию систем диспетчерского и технологического управления получат современный и надежный инструмент, использование которого в повседневной работе повысит надежность работы систем связи и телемеханики за счет повышения оперативности реагирования в экстренных и чрезвычайных ситуациях, а также стабильность работы систем связи в штатном режиме.
М. М. РИЗВАНОВА Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. Р. ИСМАГИЛОВ Филиал ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ, ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Способы повышения живучести энергорайонов
Анализируя современные тенденции электрификации коммунально-
бытовых и производственных процессов в городах, следует отметить, что надежность их электроснабжения должна рассматриваться как комплекс, состоящий из таких единичных свойств, как безотказность, живучесть и безопасность. Очевидно, что безотказность на уровне абсолютно бесперебойного электроснабжения всех районов мегаполисов обеспечить невозможно, отдельные кратковременные погашения части электроприемников неизбежны из-за случайных отказов электрооборудования, от них электроприемники должны иметь индивидуальную защиту.
276
Одной из задач для настоящего времени является повышение живучести путем принятия проектных решения. Живучесть – свойство объекта энергетики противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития, ограничивая глубину (тяжесть) отказа с возможностью массового нарушения режима электроснабжения потребителей.
Живучесть электроэнергетической системы зависит от ее структуры, конфигурации, надежности электрооборудования, средств релейной защиты и противоаварийной автоматики, а также от запаса устойчивости, резерва активной мощности и т.д. Для обеспечения живучести необходимо отстроить режим работы энергосистемы, как от потери устойчивости, так и от промежуточных процессов, приводящих к потере устойчивости. Из группы этих промежуточных процессов можно выделить группу каскадных процессов.
Развитие каскадных процессов обуславливается неоднородностью сети. Каскадные процессы существуют вне зависимости от других видов развития нарушений сами по себе, как отдельные процессы в энергетических системах и возникают при создании определенных режимных условий в рамках соответствующей топологии.
Уфимский энергорайон РБ На сегодняшний день развитие электроэнергетики РБ – свидетельствует
о том, что наряду с необходимостью глубокого познания вещественно-энергетических свойств ЭЭС для совершенствования технологий преобразования и передачи энергии актуальное значение приобретают вопросы оптимизации структурно-поведенческих свойств: экономичности, живучести и в задачах оценки работы в экстремальных условиях. В настоящее время рациональное решение задач перспективного развития, организации эксплуатации и технического обслуживания, оперативно-технологического управления возможно при всестороннем учете свойств, определяющих качество функционирования систем.
На сегодняшний день дефицит Уфимского энергорайона составляет более 380 МВт. Из-за недостаточного количество подстанций 220 кВ глубокого ввода и неразвитой сети 220 кВ сильно загружены связи основной системообразующей сети 110 кВ, при этом загрузка связей неравномерна. Если раньше в 50-80-х гг. одно нормативное возмущение приводило к нарушению статической устойчивости в узле, то сейчас с изменением концентрации потребления в узлах характер протекания процессов поменялся. При нормативном возмущении процесс может развиваться как последовательность отключений, в которой потеря устойчивости является последним этапом, а может и не произойти.
Если учесть, что снижается генерация Уфимском энергорайоне из-за снижения теплопотребления с ТЭЦ, сетевое строительство и ввод новых генерирующих мощностей не успевает за естественным ростом электропотребления, то вероятность развития каскадных аварий в Уфимском энергорайоне будет возрастать и приводить к выделению какой, либо части Уфимского энергорайона на изолированную работу с дефицитом мощности. В
277
зависимости от организованного предшествующего режима характер и последовательность отключений может быть различна и приводить к разным последствиям.
Внешнее электроснабжение Требования к схемам внешнего электроснабжения могут быть
сформулированы следующим образом. Схема внешнего электроснабжения энергорайона должна включать в себя
не менее трех-четырех питающих подстанций высокого напряжения (220 кВ и выше) большой трансформаторной мощности. Питающие подстанции целесообразно размещать равномерно по периметру промышленного центра или города, объединяя их в единое кольцо. Рекомендуется от этих подстанций делать по направлению к центру или отдельным крупным предприятиям города так называемые «глубокие вводы» на высоком напряжении. Такая схема электроснабжения как показывают расчеты, характеризуется высоким уровнем резервирования и режимной гибкости в эксплуатационных условиях.
Важным для электроснабжения крупных городов является требование избегать пропуска больших транзитных потоков мощности и энергии по сети, проходящей по территории города. Таким образом, создаваемая система внешнего электроснабжения города должна иметь высокую степень гарантии ее надежности.
Выводы 1) При проектировании сети, необходимо уже на стадии проекта
определять и решать вопросы живучести энергосистем. 2) Крупные энергоузлы и энергорайоны необходимо строить на основе
подстанций «глубокого» ввода высокого напряжения (220 кВ). М. Ф. САЙГАФАРОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор Ф. А. ГИЗАТУЛЛИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Измеритель энергии искровых разрядов в свече зажигания В статье решается задача разработки оригинальной схемы цифрового
измерителя энергии искровых разрядов в полупроводниковых свечах емкостных систем зажигания на основе использования приемника оптического излучения, воспринимающего поток излучения от коммутирующего искрового разрядника в разрядной цепи.
Задача – косвенная регистрация энергии искровых разрядов без подключения фокусирующего устройства к свече зажигания.
На рис. 1 приведена структурная схема предлагаемого измерителя.
278
Рис. 1. Структурная схема измерителя энергии искровых разрядов в свече зажигания Измеритель работает следующим образом. Приемник оптического излучения 2 через фокусирующее устройство 1
воспринимает поток излучения от искрового разрядника FV в цепи свечи зажигания F. В искровом разряднике с определенной частотой образуются искровые разряды, причем поток излучения пропорционален мгновенной мощности искры. Усилитель 3 предназначен для усиления фототока в приемнике оптического излучения. Фототок, как известно, пропорционален потоку излучения и, следовательно, мгновенной мощности искры. При отсутствии искрового разряда аналоговый ключ 4 заперт. В момент появления сигнала на выходе усилителя 3 при появлении искрового разряда, компаратор 9 формирует импульс, по фронту которого срабатывает первый одновибратор 10, включающий первый аналоговый ключ 4. Компаратор срабатывает с некоторым запаздыванием по отношению к началу искрового разряда, поэтому с целью уменьшения потери части информации, уровень дискриминации выбирается соответствующим току начала искрового разряда. Одновременно с первым одновибратором срабатывает второй одновибратор 11, сигнал с прямого выхода которого запускает аналого-цифровой преобразователь 7.
Через открытый первый аналоговый ключ 4 сигнал от усилителя 3 поступает на вход интегратора 5, в котором осуществляется интегрирование сигнала, пропорционального мгновенной мощности искры, в течение длительности искры. Напряжение на выходе интегратора пропорционально энергии искры. Калибровочный усилитель 6, подключенный к выводу интегратора 5, необходим для настройки блока цифровой индикации 8. Настройка осуществляется экспериментально учитывая известное положение о
279
том, что энергия искры в свече и энергия в искровом разряднике являются пропорциональными величинами. В аналого–цифровом преобразователе происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой код и считывание информации с последующей её индикацией в блоке цифровой индикации 8.
Размыкание первого аналогового ключа 4 происходит по истечении времени, равного длительности импульса первого одновибратора, причем длительность импульса первого одновибратора заведомо превышает максимально возможную длительность искрового разряда.
Выключение аналого-цифрового преобразователя происходит по окончании импульса на прямом выходе второго одновибратора 11, длительность импульса которого выбирается заведомо большей, чем время считывания аналого-цифрового преобразователя. Одновременно от сигнала с инверсного выхода второго одновибратора осуществляется сброс интегратора 5 вторым аналоговым ключом 12. На этом цикл измерения энергии искры в разряднике FV заканчивается.
По окончании интегрирования, счета и индикации результатов измерения энергии искры устройство готово к приему информации о следующем разрядном импульсе в искровом разряднике. Цикл измерения энергии повторяется.
Таким образом, за счет использования фокусирующего устройства, подключенного к искровому разряднику в цепи свечи зажигания измеритель позволяет косвенным образом регистрировать энергию разрядов в свече в реальных условиях, т.е. при воздействии на свечу топливовоздушной смеси в камере сгорания.
Р. Р. АХМЕТЗЯНОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, доцент З. М. ХАСАНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Использование волоконно-оптического датчика давления
в диагностике силовых трансформаторов При нынешнем состоянии российской энергетики, когда более 50%
основного силового оборудования выработало свой ресурс, основной задачей диагностики становится продление срока службы этого оборудования, вплоть до полной выработки его реального ресурса. Существующие методы определения дефектов трудоемки, во многих случаях требуют полного отключения оборудования из сети, требуют дорогостоящих сложных приборов.
В докладе рассматривается использование описанной в работе [1] волоконно-оптического датчика давления (ВОДД) в диагностике сложных физико-химических процессов в силовых трансформаторах на местах их установки, под рабочим напряжением и в процессе нормальной эксплуатации. Уровень такой диагностики определяет не характер возможных повреждений, а
280
возможность как можно более раннего выявления проявляющихся отклонений от нормы, проведения требуемого объема эксплуатационных работ.
Для исследования пульсационных характеристик газов в масле силового трансформатора был создан специальный стенд. В него входят система сбора и обработки информации на микроконтроллере, ВОДД и волоконно-оптический термометр. В зависимости от конкретной программы в стенд могут быть установлены различные приборы. Результаты всех измерений протоколируются во времени и могут быть переданы в диспетчерский пункт станции.
Волоконно-оптические датчики давления с упругими чувствительными элементами типа «тонкая непологая оболочка вращения» разработаны в Уфимском государственном авиационном техническом университете и нашли широкое применение в различных системах управления. Высокая чувствительность, линейность характеристики, малая температурная погрешность, большой диапазон измеряемых давлений, в том числе способность выдерживать значительные перегрузочные давления делает эти волоконно-оптические датчики давления весьма перспективными [2].
Определение давления p и температуры T газов в баке силового трансформатора по измеренным спектрам ( )TpF , является трудоемким, рутинным процессом, состоящим из ряда стандартных операций. Обработка данных об изменении температуры и давления происходит после окончания каждого такта измерения, так что во время проведения измерений у контроллера проводится обработки информации о поведении p и T . Кроме того, необходимо учесть и то, что на фоне комбинационного изменения ( )TpF , , как правило, присутствует сложный спектр электромагнитных и тепловых помех. В этих условиях запись и обработка ( )TpF , осложняется.
При непрерывной записи и обработки измерительной информации ( )TpF , необходимы новые алгоритмы измерения, обработки и отображения информации о состоянии силового трансформатора. Например, для повышения быстродействия измерения одного из датчиков сигнал с соответствующего контроллера подается на его управление. В системе в целях повышения быстродействия используется прямой доступ в оперативную память контроллеров, для которых проблемное математическое обеспечение разрабатывается на основе принципа модульности, что позволяет легко строить обобщенные алгоритмы для решения задач обработки измерительной информации в фоне случайных электромагнитных и тепловых помех.
Для уменьшения динамических погрешностей в измерителях давления p и температуры T используется метод динамической коррекции. Обычным инструментом коррекции является корректирующее звено, включение которого в измерительную схему должно обеспечить желаемое улучшение характеристик. Задача еще более усложняется, если динамические характеристики аналоговой части преобразования информации не остаются постоянными, а изменяются во времени случайным образом.
281
Для выполнения задач поиска оптимальной коррекции и математического описания измерительной информации на исследуемой установке разработан алгоритм динамической рефлексной трансформации. При использовании этого алгоритма на выходе преобразователя фототока, имеющего нестабильные динамические свойства, включается динамическое корректирующее звено, динамические характеристики которого автоматически поддерживаются в определенном соответствии с текущим состоянием динамической характеристики преобразователей фототока.
Список литературы 1. А. с. СССР № 1504522 Волоконно-оптический датчик давления / Хасанов З.М. и др. Опубл.30.09.89. БИ № 32. 2. Хасанов З. М., Ахметзянов Р. Р. О некоторых проблемах расчета и промышленного изготовления упругих чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления // Технология машиностроения. М.: 2007. № 10. С.46 – 54.
А. Р. АХМЕТШИН Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор А. И. ФЕДОТОВ ГОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Обеспечение нормативного уровня напряжения в распределительной электрической сети 10 кВ
Использование в быту и на производстве электроприборов крайне
чувствительных к отклонениям напряжения заставляет соблюдать качество электроэнергии (КЭЭ), прописанное в нормативных требованиях (НТ). К сожалению КЭЭ, не всегда находится на приличном уровне. Это связано, как и с устаревшим оборудованием, используемым в электрических сетях (ЭС), так и с нарастающим темпом электропотребления. Отклонения напряжения от НТ приводят к нарушению работы и уменьшению срока службы электроприборов. В связи с этим возникает необходимость в увеличении пропускной способности ЛЭП для вывода напряжения в пределы, прописанные в НТ.
В работе рассматривалась существующая распределительная электрическая сеть (РЭС). При передаче дополнительной мощности отклонение напряжения превышало допустимые значения. Длина РЭС 17 км. Задачей исследования было определение оптимального технического решения для обеспечения уровня напряжения, требуемого в НТ.
282
Рис. 1. Распределительная электрическая сеть
Отклонения напряжения от НТ вызвано тем, что линия электропередачи
(ЛЭП) не обладает необходимой пропускной способностью. В работе рассматривались следующие способы увеличения пропускной способности ЛЭП:
– увеличение сечения провода; – уменьшение передаваемой реактивной мощности; – применение пунктов автоматического регулирования напряжения
(ПАРН). Замена провода на провод с большим сечением позволяет увеличить
пропускную способность. Тем самым сохранить напряжение у потребителя в пределах, прописанных в НТ.
Компенсация реактивной мощности (КРМ) — один из наиболее важных факторов, позволяющих решить задачу энергосбережения. Конденсаторы для повышения коэффициента мощности снижают реактивный ток в проводниках, тем самым, снижая падения напряжения.
Применение ПАРН серии ВДТ/VR32 предназначен для регулирования напряжения электрических сетей с любым способом заземления нейтрали трехфазного переменного тока частоты 50 Гц с номинальным напряжением 6 и 10 кВ, номинальным током до 600 А. В зависимости от схемы включения ПАРН в трехфазную сеть диапазон регулирования напряжения может быть ± 10% или ±15 %
ПАРН выполняют функции: - автоматического повышения или понижения уровня напряжения на
линии электропередачи в критических точках падения или подъема напряжения;
- автоматического поддерживания уровня напряжения в заданных пределах при прямом и обратном направлении потока мощности (реверсивный режим).
После расчетов были сделаны следующие выводы: - при замене провода на магистральной линии АС-50 на АС-120 и
компенсации реактивной мощности до значении установленных в НТ напряжение в конце участка не выходит на допустимый уровень;
- компенсация реактивной мощности положительно влияет на пропускную способность
283
- установка ПАРН позволяет увеличить напряжение в конце участка до значений удовлетворяющих нормативные требования;
- стоимость установки ПАРН значительно дешевле стоимости реконструкции линии.
А. М. МУХАМЕТШИН Науч. руков. – д-р техн. наук, профессор Л. Э. РОГИНСКАЯ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
К вопросу влияния систем силовой электроники на качество электроэнергии
В настоящее время в связи с ростом энерговооруженности
производственных процессов и развитием систем электроэнергетики класс систем и схем силовой электроники претерпевает бурное развитие. При этом особенно актуализировались проблемы электромагнитной совместимости уст-ройств силовой электроники с техносферой. Это связано как с усилением обратного влияния вентильных преобразователей на питающую сеть в связи с их непрерывно расширяющимся распространением, так и с ростом требований к качеству электроэнергии в сети из-за лавинного роста числа ответственных потребителей, чувствительных к некачественной электрической энергии. О государственной значимости этой проблемы свидетельствует принятие Закона «Об электромагнитной совместимости» и нового российского ГОСТа на качество электрической энергии. Установки индукционного нагрева, питаемые вентильными преобразователями, например, испытывают отрицательное влияние при изменении напряжения сети. Так даже небольшое снижение напряжения вызывает значительный рост времени, затрачиваемого на технологические процессы обработки материалов в термических печах, и снижает качество этих процессов. При снижении напряжения на 10% данные процессы становятся не возможными. Повышение качества преобразования и использования электрической энергии является основным фактором в обеспечении энергосбережения.
Современные компьютерные технологии уже в процессе проектирования и конструирования устройств силовой электроники помогают оценивать возможное их влияние на сеть и на других ответственных потребителей, и позволяют моделировать процессы и устройства, обеспечивающие необходимую электромагнитную совместимость. В прикладном пакете OrCAD возможно моделировать схемы устройств силовой электроники, проводить анализ Фурье, в результате получать данные о скачках напряжения, его несинусоидальности и других параметрах и помехах.
В источниках питания для индукционного нагрева часто используется класс схем тиристорных инверторов тока со встречно-параллельными диодами. Рассмотрим модель преобразователя частоты ТПЧ-25/22 (с частотой 22 кГц,
284
мощностью 25 кВт), питаемого от трехфазной сети 380 В 50 Гц. Преобразователь частоты состоит из одноячейкового несимметричного инвертора, работающего на нелинейную нагрузку, схемой замещения которой является параллельный резонансный контур. Сеть представляет собой 3 источника синусоидального напряжения, номиналом 220 В, соединенных в «звезду».
Современные стандарты для описания искажений напряжения сети используют набор из 40 коэффициентов гармоник (до 2 кГц). Как видно из рис. 1, напряжение сети, т.е. как раз идущее в наши дома, в нами любимые компьютеры, усеяно «двуглавыми» пиками!
Кроме искажений на средних частотах, преобразователь вызывает «шум» на высоких частотах, создавая также индуктивные помехи для приборов и систем, плохо экранированных (рис. 2).
Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики помех до 40-ой гармоники (2кГц)
Рис. 2. Осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений
Измерение уровня помех электромагнитного поля, излучаемого
устройством силовой электроники, провести очень трудно. Поэтому, дорогостоящую процедуру, требующую наличия дорогой аппаратуры и специальных помещений, можно заменить аналитической инженерной оценкой при известных формах напряжений и токов в цепи, или компьютерным
285
моделированием схем. Таким образом, с помощью имитационного моделирования можно
проанализировать влияние существующих систем силовой электроники на качество электроэнергии, на этапе проектирования разрабатывать пути совершенствования вентильных преобразователей в вопросах электромагнитной совместимости их с сетью.
А. В. САМОРОДОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор М. Г. БАШИРОВ Филиал ГОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате
Исследование взаимосвязи технического состояния электрооборудования
с параметрами генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений
На сегодняшний день актуально стоит вопрос о разработке метода и
средств диагностики, позволяющих идентифицировать текущее техническое состояние электрооборудования. Существующие методы диагностирования позволяют лишь в ограниченном объеме определить те или иные параметры электрооборудования, которые не всегда однозначно могут описать текущее состояние электрооборудования. Для решения данной проблемы в представленной работе предлагается метод диагностики, который позволяет производить оценку текущего технического состояния электрооборудования, по параметрам генерируемых гармонических составляющих токов и напряжений в различных режимах работы и при наличии характерных повреждений.
Для практической реализации предложенного метода был разработан диагностический комплекс на основе анализатора качества электропотребления Ресурс-UF2 (M), персонального компьютера и авторских программных продуктов (рис. 1). В качестве объектов исследования были выбраны: электродвигатели, трансформаторы и кабельные линии. Результаты измерений сопоставляли с показаниями серийно выпускаемых приборов. К примеру: состояние изоляции и проводников электрооборудования контролировали с помощью микропроцессорного прибора 2801 IN и индикаторов ИДО-05 и ИДВИ-02, для оценки технического состояния подшипников электродвигателей использовали индикатор дефектов подшипников ИДП-03.
В качестве примера рассмотрим, каким образом влияет значение сопротивления изоляции на гармонические составляющие токов (рис. 2). Для проведения данного опыта обмотку статора электродвигателя увлажняли и измеряли гармонические составляющие токов и напряжений при различных значениях сопротивления изоляции. Из графиков видно, что при различных значениях сопротивления изоляции гармонические составляющие проявляют
286
себя в разной степени. В связи со значительным объемом измерительной информации и количества влияющих факторов на изменение гармонических составляющих токов и напряжений, реализация новых методов идентификации и прогнозирования возможна только на основе последних достижений теории распознавания образов с использованием соответствующих программных продуктов.
Рис. 1. Структурная схема диагностического комплекса
0
0.5
1
1.5
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
№ гармоники
Ki
ABC
00.20.40.60.8
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
№ гармоники
Ki
ABC
а – сопротивление изоляции 1,2 МОм б – сопротивление изоляции 400 МОм
Рис. 2. Спектры гармонических составляющих тока электродвигателя АИР 100S4
Выявленные зависимости гармонического состава токов и напряжений, генерируемых электрооборудованием, показали, что каждому конкретному техническому состоянию и режиму работы соответствует определенная совокупность гармонических составляющих с определенными параметрами – Фурье-образ технического состояния электрооборудования. Анализ параметров гармонических составляющих токов и напряжений позволяет оценить текущее техническое состояние электрооборудования. Результаты исследований показали возможность дальнейшего развития предложенного метода с целью создания приборов и средств диагностирования текущего технического состояния электрооборудования.
287
Секция IV Нетрадиционная энергетика
Н. Л. БАБИКОВА, Р. Р. САТТАРОВ, Б. С. КРЫМОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Автономное зарядное устройство для обслуживающего персонала ЛЭП
Производство электрической энергии концентрируется преимущественно
на крупных электростанциях. Центры потребления электрической энергии, такие как промышленные предприятия, города, сельские районы удалены от ее источников на сотни и тысячи километров и распределены на значительных территориях. Производство, передача и распределение электрической энергии от станции к электропотребителям возлагаются на развитые электрические сети и линии электропередачи (ЛЭП). ЛЭП – центральный элемент системы передачи и распределения электрической энергии. Линии преимущественно выполняют воздушными, кабельными. Техническое обслуживание ЛЭП - это необходимая процедура, которую необходимо проводить не только в случае аварий, но и в профилактических работах.
Обслуживание ЛЭП состоит из наблюдения за правильной работой оборудования, контроля ее исправного состояния, планового осмотра и проведения ремонта различного рода опор, тросов и канатов, а также арматуры, служащих для крепления опоры, осмотр мест пересечения линий электропередач.
При осмотре ЛЭП на непересеченной местности обслуживающему персоналу приходится ходить на большие расстояния, так как имеются участки пути, по которым машина проехать не может. При обслуживании ЛЭП используются разнообразные маломощные потребители, работающие в автономных условиях без связи со стационарными энергосистемами (рация, мультиметр и т.д.). При долгом использовании оборудования заряд аккумулятора или батареи может разрядиться, что создает определенные сложности в связи с отдалением от стационарного источника питания. В связи с этим появляется спрос на компактные мобильные и экономичные системы электроснабжения.
Существующие системы электроснабжения часто не обеспечивают такие важные для потребителя качества как автономность и способность производить электроэнергию непосредственно в месте ее использования и по мере ее использования. В последние годы во всех развитых странах (особенно в США, Германии, Японии, Франции) проводятся научно-исследовательские работы по созданию новых систем электроснабжения. В них используется энергия солнца, ветра, текущей воды, тепла земных недр, топливных элементов, а также энергия механического движения – колебания, тряски, вибрации – какой-либо среды или физического тела.
288
Одним из перспективных направлений разработки автономной системы электроснабжения маломощных потребителей, до 2–5 Вт, является использование энергии механического возвратно-поступательного движения. Например, создание портативного зарядного устройства на основе генератора возвратно-поступательного движения, преобразующего механическую энергию движения, ходьбы человека, в электричество, совместно с электронным блоком позволяет получить напряжение питания 5 В при выходном токе до 200 мА (при длине генератора 23 см и весе 250 гр) [1]. Применение такого зарядного устройства в полевых условиях позволит подзаряжать аккумуляторные батареи разнообразных маломощных потребителей.
Таким образом, исследование и создание автономной системы электроснабжения маломощных потребителей, на основе генератора возвратно-поступательного движения, преобразующей сопутствующую энергию движения (ходьбы) человека и разработка новых технических решений таких генераторов является актуальной научной задачей, которая облегчит работу персоналу по обслуживанию ЛЭП.
Список литературы 1. Компактный персональный генератор энергии nPower PEG // International Transfer Licensing Invention Corporation. 2009. URL: http://www.itlicorp.com/news/1819 (дата обращения 17.01.2010).
Ф. А. КАМАЛОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. Х. ХАЙРУЛЛИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Пьезоэлектрические генераторы как средство энергосбережения В современном мире условием сохранения и развития цивилизации на
Земле стало обеспечение человечества достаточным количеством топлива и энергии. Ограниченность запасов традиционно топливно-энергетических ресурсов заставила обратиться к энергосбережению как одному из основных элементов современной концепции развития мировой энергетики. Постепенно становится необходимостью учитывать факторы энергосбережения уже на этапе проектировании техники.
Одно из перспективных направлений в энергосбережении наряду с мерами, направленными на уменьшение потерь электроэнергии как при ее производстве и транспорте, так и при ее потреблении, является использование автономных альтернативных источников энергии. Особенно это актуально при разработке автономных мобильных систем, для которых жизненно важно иметь электрическую энергию в любых условиях эксплуатации.
Существует несколько способов использования альтернативных источников энергии и развития альтернативной энергетики, например,
289
ветровая, солнечная и геотермальная [1,2]. Однако их привязка к местности, зависимости от погоды и времени суток ограничивает области, на которых они могут использоваться. Данный их недостаток призваны устранить следующий класс электромеханических преобразователей, как пьезоэлектрические генераторы. В основе пьезоэлектрических генераторов лежит технология сбора энергии механических колебаний среды, окружающей систему и преобразовывания ее в пригодную для использования электроэнергию. Для этого в генераторах применяются элементы из пьезоэлектрических материалов, у которых есть свойство непосредственно преобразовывать механическую энергию деформации в электрический потенциал. В роли колебательной среды может выступать, например, дорожное полотно (шоссе, железная дорога). При этом пьезоэлектрические генераторы могут являться частью самого дорожного полотна.
Одним из возможных реализаций автономных систем с таким альтернативным источником энергии, как пьезоэлектрический генератор, являются устройства, в которых для передачи электрической энергии на определенное расстояние осуществляется посредством струи жидкости, которая обладает электропроводящими свойствами. Например, известно устройство [3], в котором в качестве источника питания применяется пьезоэлектрический генератор. По сравнению с традиционными источниками энергии, использование данного типа преобразователей в данном устройстве имеет следущие преимущества:
- несложное схемное решение и отсутствие в схеме нескольких ступеней преобразования энергии, которое возможно благодаря тому, что необходимое для функционирования устройства высокое напряжение получается непосредственно на выходе пьезоэлектрических элементов генератора;
- энергонезависимость от сетевого источника энергии. Также возможно на схемном уровне реализовать решения, позволяющие
полученную энергию от пьезоэлектрических генераторов использовать для питания автономной системы, когда она будет эксплуатироваться, а в нерабочих периодах - перебрасывать энергию в систему жизнеобеспечения, например, использовать для освещения, подзарядки аккумуляторов средств связи.
Список литературы
1. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с. 2. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с. 3. Патент РФ №2370720, F41B 015/04. Электрошокер/ Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Камалов Ф.А. – Опубл. 20.10.2009. - Бюл. №29. – 5с.
290
З. М. АЛТЫНБАЕВА, Д. Н. ВУРСАЛ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Д. Ю. ПАШАЛИ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Средства рационализации потребления водных ресурсов микроГЭС
Одним из эффективных решений проблемы рационализации водных
ресурсов в России и в мире является восстановление разрушенных и строительство новых малых (МГЭС) и микроГЭС, с учетом: схем использования гидроресурсов и определения первоочередности строительства с учетом нужд потребителей и дефицита энергопотребления; результатов обследования состояния существующих сооружений МГЭС микроГЭС и определения возможности их восстановления или реконструкции. В настоящее время в РФ может быть обеспечена потребность внутреннего рынка с полностью автоматизированными гидроагрегатами единичной мощностью до 1000 кВт на напоры до 500 м, номенклатура электрогенераторов также позволяет укомплектовать серийными машинами гидроагрегаты мощностью до 1000 кВт [1]. В качестве гидротурбин малой мощности используются серийно выпускаемые водяные насосы с приводами (например, ДВН-1 производства ФГУП УАПО – потенциального поставщика активных частей электрических генераторов для питания приводов водяных насосов микроГЭС).
На рис. 1. приведена конструкция микроГЭС [2], содержащей гидродвигатель (ГД) 3 с дополнительным редуктором, электрогенератор (ЭГ) 6 компактно установленные на фланце 4 без дополнительных устройств, повышающих скорость вращения. Вода по водоподводящей системе 1 передается в ГД, где энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения, затем поступает в водоотводящую систему 5. Крутящий момент передается на выходную ось ГД, затем на вал ЭГ. Возникающее при работе электрогенератора напряжение поступает на блок автоматического управления 9, который связан с балластной нагрузкой 8 и поддерживает электрические параметры в стандартных пределах для потребителя. С помощью электрического расходомера 2 и задвижки 7 с электроприводом, установленными на водоподводящей системе, блок автоматического управления осуществляет регулирование расхода воды. С целью повышения экономичности работы микроГЭС, при изменении потребительской нагрузки и при аварийном режиме работы изменяется или прекращается подача воды. В качестве ЭГ в схеме [2] предлагается использовать конденсаторный однофазный асинхронный генератор и с целью рационализации потребления водных ресурсов авторами предлагается использование датчика линейных перемещений [3] оригинальной конструкции.
291
Рис. 1. Схема микроГЭС
Бесконтактный датчик перемещений (БДП) содержит двухполюсный
постоянный магнит, выполненный в форме диска со сквозным коническим отверстием на его оси, ферромагнитный сердечник-концентратор магнитного потока, создаваемого магнитом, выполненный в виде усеченного конуса и установленный с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, элемент Холла, закрепленный на меньшем по площади торце этого сердечника концентратора. В сердечник концентратор соосно с ним, с возможностью поворота установлена втулка, в которой с эксцентриситетом е установлена другая втулка с возможностью поворота относительно первой, в последнюю с таким же эксцентриситетом е и с возможностью осевого перемещения установлен элемент в виде цилиндра, выполненный из магнитотвердого материала, при этом втулки могут быть выполнены из ферромагнитного или диамагнитного материала. В предлагаемом БДП элементы компенсируют технологическую погрешность в широком диапазоне за счет подстройки оси магнитного потока относительно оси элемента Холла по трем координатным осям.
Список литературы 1. Стафиевская, В. В. Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Версия 1.0: электрон. учеб. пособие / В. В. Стафиевская, А. М. Велентеенко, В. А. Фролов. – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. 2. Свит П. П. Низконапорные микро-ГЭС с автобалластным регулированием. Сфера эффективного применения, расчет, конструирование и эксплуатация: монография / П. П. Свити др. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. – 160 с. 3. Пашали Д. Ю. Датчик перемещений (варианты) / Д. Ю. Пашали, М. А. Ураксеев// Патент РФ № 2189562. БИ № 26. Опубл. 20.09.2002.
292
Е. В. ЮРКОВ, А. Ф. ШАЙСЛАМОВ, Т. Ю. ВОЛКОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Призрак дешёвой энергии
В настоящее время в средствах массовой информации и интернете очень
часто встречаются статьи о перспективах использования и развития ветроэлектроустановок. Мало кто знает, что ветроэлектроэнергетика имеет свою историю продолжительностью более чем 100 лет. И первая ВЭУ в мире появилась на территории России в конце ХIХ века. Сегодня на территории России эксплуатируется около десятка ВЭС общей мощностью 14,3 МВт. Самая большая российская ВЭС мощностью 5,1 МВт построена в Калининградской области (пос. Куликово, Зеленоградский район)[3]. В 2001 году при содействии ОАО «Башкирэнерго» построена и запущена в эксплуатацию в Туймазинском районе республики вторая по мощности в России ВЭС «Тюпкильды» с установленной мощностью 2,2 МВт [4]. Основные всем известные достоинства ВЭС по отношению к традиционным источникам энергии являются отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребление кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей. Однако, ВЭС имеют ряд существенных недостатков. Перечислим основные: долгий срок окупаемости, соответственно дорогая стоимость вырабатываемой электроэнергии, выведение из сельскохозяйственного оборота культурных земель, акустическое воздействие (шумовые эффекты), электромагнитное излучение, телевидение и радиосвязь. Зная основные плюсы и минусы, мы можем постараться ответить на вопрос перспективности ВЭС на данный момент в России. Общая доля выработки электроэнергии ветром составляет менее 1% от всей вырабатываемой энергии, что в свою очередь не является энергетически, экономически, экологически и социально значимыми и привлекательными для России, что делает эту отрасль нерентабельной. Что же нужно сделать для развития и внедрения ветроэнергетических установок?
− Развитие отрасли в целом. − Перенять опыт европейских и западных государств. − Привлечение государства как основного заинтересованного лица.
Исследования показывают, что Россия обладает самым высоким в мире
ветропотенциалом, однако лидерами по выработке ветроэнергии являются страны Западной Европы (около 70%), а также США и Китай [3]. Основной причиной по которой Европа выбрала ветроэнергетику как одну из передовых отраслей – независимость её от невозобновляемых источников энергии, отсутствия каких-либо выбросов в атмосферу. Ярким примером которому может служить Дания, вырабатывающая на ВЭС 3 ГВт электроэнергии [5].
293
Одним из перспективных районов ветроэнергетики Российской Федерации считается Краснодарский край. Существует проект, который предусматривает строительство трёх ВЭС суммарной установленной мощностью 72 МВт [5]. На начальном этапе на площадке строительства в 2007 году было установлено три ветроизмерительных колеса. Однако, в конце лета 2009 года в связи с возросшим влиянием глобального экономического кризиса в России, сроки реализации проекта были отложены на неопределённый срок [6].
В России отсутствует государственная программа развития ветроэнергетики, а также отсутствуют льготы потребителям и производителям ветроэнергетического оборудования, принятых во многих странах мира, заинтересованных в развитии ветроэнергетики. В связи с таким положением Россия с передовых позиций как это было при СССР в ветроэнергетике перешла в разряд стран, занимающих последние места.
Для исправления ситуации России нужно принять комплекс мер по восстановлению ветроэнергетической отрасли. Если на строительство АЭС уходит десять лет, ГЭС может строиться еще дольше, то мощный ветропарк - это три-четыре года со дня принятия решения. Наращивать генерирующие мощности можно высокими темпами [6]. Но для того чтобы эта работа началась, необходимы политические решения, которые помогли бы российским компаниям, решившимся вложить средства в российскую ветроэнергетику, получить стартовые условия по крайней мере не хуже европейских или американских.
В следующие десятилетия данная отрасль будет развиваться еще более прогрессивными темпами и очень важно сейчас России не упустить возможность использовать свой потенциал и стать одним из передовых государств по выработки ветроэнергии.
Литература:
1. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. Москва: Энергоатомиздат, 1983, 200 с.
2. Кармишин А.В. Ветер и его использование. Москва: Государственное издательство технико-теоретическиой литературы, 1951.
3. Журнал Энергосбережение №1, 2006; №4 2007; №5 2007; №8 2008. 4. www.bashkirenergo.ru 5. www.wikipedia.ru. 6. www.eprussia.ru.
294
Д. Ю. ПАШАЛИ, Д. М. АНДРЕЕВ, К. Ш. ВАХИТОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Ю. В. АФАНАСЬЕВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Вопросы проектирования силовой части
автономной ветроэнергетической установки Проектирование современной ветроэнергетической установки (далее
ВЭУ) для конкретных районов эксплуатации и известного характера нагрузки выполняется по техническому заданию, определяющему параметры ветровых и электрических нагрузок, погодные условия, вид обслуживания и т.д. [1, 2]. По заданию нефтедобывающего предприятия в УГАТУ выполнены исследования и проектные расчеты ВЭУ с асинхронным генератором (далее АГ) для локального автономного электроснабжения трубопроводов мощностью до 30 кВт. Краткие положения последовательности исследования в объеме эскизного проекта силовой части ВЭУ изложены в данной работе.
Для формирования технического задания на разработку силовой части ВЭУ на основе теоретического анализа достоинств и недостатков известных технических решений и расчетов:
- оценивают потенциальные возможности ветрового потока и режим электропотребления;
- выбирают тип ветродвигателя (ВД) установки (при выборе типа ВД анализируются технические достоинства и недостатки всех известных вариантов ВЭУ);
- выбирают тип и материал ветроколеса (основными рабочими характеристиками ветроколеса, подлежащими определению, являются: коэффициент использования энергии Ср и коэффициент момента окружных сил См);
- определяют количество лопастей, с учетом зависимости номинальной скорости вращения ветроколеса и кпд ветродвигателя (чем больше лопастей содержит ветроколесо, тем больше его крутящий номинальный момент, но тем меньше его номинальная скорость вращения);
- определяют характеристики профилей лопастей на основании продувок в аэродинамической трубе;
- определяют мощность развиваемую ветроколесом и его диаметр; - выбирают толщину профиля лопасти с учетом конструктивных
соображений, главное из которых – обеспечение необходимой прочности; - определяют угол атаки £m при котором заданный профиль имеет
максимальное аэродинамическое качество; - выбирают тип электрогенератора (ЭГ) установки на основе оценки
согласования характеристик ВД и ЭД. Тип ЭД которого, мощность и номинальную частоту вращения необходимо обосновать технико-экономически;
295
Например, автономные бесконтактные АГ малой мощности с короткозамкнутым ротором, самовозбуждающиеся с помощью конденсаторов имеют, по сравнению с синхронными генераторами в диапазоне мощностей от 0,2 до 30 кВт (и более в случае повышенных частот 150-400 Гц) следующие преимущества: простота устройства и меньшие массогабаритные показатели; высокое качество (синусоидальность) напряжения за счет наличия мощной демпферной клетки в виде короткозамкнутой обмотки ротора и параллельного подключения к выходу АГ батареи конденсаторов возбуждения, выполняющих также роль фильтра; устойчивости при параллельной работе (биения напряжения и затяжные переходные процессы в АГ отсутствуют благодаря эластичной электромагнитной связи между вращающимся полем статора и ротора, определяемой и выравниваемой изменяющимся скольжением); АГ менее требовательны к ограничениям, накладываемым на начальные условия синхронизации с целью поддержанию системы в рабочем состоянии и т.д.
При обосновании выбора АГ, необходимо оценивать и специальные режимы их работы, например изменением соотношения емкостей конденсаторов можно изменять максимальное напряжение на нагрузке и стабильность тока.
Отдельным этапом проектирования является разработка системы управления, преобразования энергии и стабилизации напряжения по техническим требованиям энергопотребителя.
Данные метеосводок по РБ показывают, что наиболее вероятные скорости ветра равны 4-12 м/с [3]. Для рассматриваемого проекта ВЭУ и условий эксплуатации рекомендуется использование: для привода электрогенератора – быстроходного ветродвигателя с горизонтальной осью вращения; профиля лопастей «Эсперо»; автономного АГ с самовозбуждением от конденсаторов; оригинальных разработок кафедры ЭМ УГАТУ [4] при разработке устройств передачи электрической энергии от генератора в устройства преобразования и коммутации.
Список литературы 1. Концепция использования ветровой энергетики в России / под. ред. Безруких П. П. – М.: «Книга-Пента» – 2005. 128 с. 2. Gourieses D. Wind Power plants. Theory and Design. N.-Y.: Pergamon Press. – 1992. 285 p. 3. Андреев Д. М., Вахитов К. Ш. Повышение эффективности работы автономной ветроэлектростанции при слабых ветровых потоках // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «Асинтех-2010» – Астрахань: АГУ – 2010 – Т.2. – 130 с. С. 12-14. 4. Исмагилов Ф. Р., Афанасьев Ю. В. и др. Предохранительное устройство силового кабеля ветроагрегата // Патент РФ № 2131997. Опубл. 20.06.99.
296
Р. Р. САТТАРОВ, Н. Л. БАБИКОВА, Е. А. ПОЛИХАЧ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Перспективы развития портативных источников питания
для персональных мобильных устройств Появление разнообразных маломощных потребителей, работающих в
автономных условиях без связи со стационарными энергосистемами создает спрос на легкие, компактные, переносные источники питания.
В настоящее время повседневным способом решения проблемы питания персональных мобильных устройств, в числе которых, сотовые телефоны, устройства связи, датчиковая аппаратуры и микроЭВМ, является применение аккумуляторных батарей. Помимо неоспоримых преимуществ у этой технологии есть и недостатки, одним из которых является зависимость от стационарных источников питания из-за ограниченного времени автономной работы. При замене аккумуляторной батареи «нестационарными» портативными источниками в масштабе одного пользователя будет получена несущественная экономия энергии, но в масштабе планеты экономия электроэнергии будет внушительной. Лучшее решение для питания таких устройств – преобразование энергии побочных механических, солнечных или электромагнитных воздействий окружающей среды в электрический ток, необходимый для питания устройств.
Основные виды энергии сопутствующие человеку в повседневной жизни, которые могут быть полезно утилизированы, это:
Энергия электромагнитного поля. Солнечная энергия. Механическая энергия движения, обусловленная различными факторами. Электромагнитное поле окружает человека в повседневной жизни. Но его
действие строго ограничено и не может рассматриваться в качестве источника для питания мобильных устройств.
Солнечные фотоэлектрические установки осуществляют прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью фотопреобразователей. Солнечная фотоэлектрическая установка, как правило, состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей, работа которых заключается в преобразовании энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Электрический ток в фотоэлектрическом генераторе возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения. Наиболее эффективны фотоэлектрические генераторы, основанные на возбуждении электродвижущей силы на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремний) или между разнородными проводниками. Наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки на основе кремния трех видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного.
297
Одним из наиболее распространенных видов внешних воздействий является сопутствующая энергия механического движения – колебания, тряски, вибрации – какой-либо среды или физического тела. Ее источниками могут быть оборудование, транспорт, движение потоков воздуха или же двигательная активность человека – ходьба, дыхание и т.п. [1-2] Одним из перспективных направлений развития портативных источников питания является создание мобильного (портативного) зарядного устройства, с использованием генератора возвратно-поступательного движения. Генератор, преобразующий энергию механического движения, позволяет обеспечить автономность, мобильность, компактность разрабатываемого устройства и способен производить электрическую энергию непосредственно по мере ее затрат [3].
Чтобы собирать практически «бесплатную» энергию, не предпринимая при этом специальных физических усилий, необязательно дожидаться одежды со встроенными «солнечными ячейками». Разработаны генерирующие энергию эластичные пленки [4], которые используют двигательную активность человека. Пленки состоят из встроенных в силиконовые пластины керамических нанолент, которые при изменении формы конвертируют механическую энергию в электричество. Будучи встроенными в кардиостимуляторы, разработка избавит от необходимости замены элементов питания. Также применение разработки обеспечит потребности мобильного телефона.
Из анализа возможных источников энергии, сопутствующих человеку в повседневной жизни выявлены наиболее перспективные направления создания портативных источников питания для персональных мобильных устройств определены технические решения, которые могут быть коммерчески реализованы в течении ближайших лет. На основе этих технологий может быть организовано высокотехнологичное производство и бизнес.
Список литературы
1. Патент на изобретение № 2324998. МПК Н 02 К 35/02. Зарядное устройство - пояс энергетический / Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р. и др.//Опубл. 20.05.2008. 2. Патент на изобретение № 2325043. МПК Н 02 К 35/02. Зарядное устройство / Тарасов А.В., Хайруллин И.Х., Мухутдинов Р.Р. //Опубл. 20.05.2008. 3. Патент на изобретение № 2304342. МПК Н 02 К 35/02. Генератор возвратно-поступательного движения / Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Бабикова Н.Л. и др. // Опубл. 10.08.2007, Бюл. № 22. 4. Physorg.com. «Пъезоэластичные» чипы соберут энергию для телефона при ходьбе // Современная электроника, № 3, 2010, С.9.
298
И. Р. ЯЛАЛОВ Научн. руковод. – канд. тех. наук, доцент Ю. В. РАХМАНОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Современные методы диагностики электротехнического оборудования
Диагностика электротехнического оборудования занимает важное место в
современной электроэнергетической отрасли. В настоящее время, ежегодный прирост электрооборудования со сверхнормативным сроком службы значительно превышает прирост вновь вводимого оборудования. В сложившихся условиях актуальной задачей является создание системы технической диагностики, которая бы позволила использовать систему планово-предупредительных ремонтов для поддержания необходимой эксплуатационной готовности оборудования.
В качестве фундамента для построения эффективной системы диагностирования должны применяться такие средства и методы диагностики, которые обладают достаточно высокой информативностью, техническим и нормативным обеспечением, а также имеют гибкую методологическую базу принятия решений. Современными высокоэффективными способами являются: инфракрасная диагностика, ультразвуковая дефектоскопия; диагностика методами частичных разрядов. Они позволяют успешно определять места имеющихся дефектов с высокой степенью достоверности на действующем электрооборудовании.
Теплововизионный контроль оборудования основан на регистрации температурного поля на поверхности обследуемого объекта и последующем анализе инфракрасных снимков (термограмм) оператором-термографистом с использованием ЭВМ. Тепловизионные изображения, полученные в инфракрасном спектре - невидимом человеческому глазу, позволяют без соприкосновения с диагностируемым объектом получать исчерпывающую информацию о распределении температуры по поверхности объекта, выявлять температурные аномалии оборудования, несущие информацию также о внутренних процессах и структуре, нередко предшествующие отказам дорогостоящей техники или другим серьезным дефектам.
Ультразвуковая дефектоскопия – это поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путем излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и пр. с помощью специального оборудования − ультразвукового дефектоскопа.
Рассмотрим принцип действия ультразвукового дефектоскопа. Звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале. Отражение акустических волн происходит от раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отразится и вернётся к приёмнику при прохождении фронта волны через границу раздела. Так как
299
включения в металле часто содержат воздух, имеющий на несколько порядков большее удельное акустическое сопротивление, чем сам металл, то за включение волны практически не проходят. Разрешение акустического исследования определяется длиной используемой звуковой волны. Это ограничение накладывается тем фактом, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, волна от него практически не отражается. Это определяет использование высокочастотных колебаний - ультразвука.
Диагностика методами частичных разрядов. Частичные разряды (ЧР) - разряды, измеряемые по времени в наносекундах, которые появляются в слабых местах изоляции, шунтируя ее, приводят к развитию дефекта и постепенно разрушают целостность кабеля. Сущность метода измерения частичных разрядов заключается в следующем. В момент появления частичного разряда в кабельной линии возникает два коротких импульсных сигнала, длительности которых десятки-сотни наносекунд. Эти импульсы распространяются к разным концам кабельной линии. Измеряя импульсы, достигшие начала кабеля, можно определить расстояние до места их возникновения и уровень.
В результате проведенного анализа можно сделать следующий вывод: в настоящее время в электроэнергетической отрасли требуются современные методы диагностики электротехнического оборудования, которые позволят с высокой степенью точности определять местонахождение и уровень дефекта и будут соответствовать требования цены и качества. Время выполнения диагностики должно быть как можно меньше. Этим требования соответствует тепловизионная диагностика, которая обеспечивает возможность контроля теплового состояния оборудования без вывода его из работы, выявления дефектов на самой ранней стадии развития, сокращения затрат на техническое обследование, за счет прогнозирования сроков и объемов ремонтных работ по сравнению с другими методами диагностики.
Список литературы 1. Объем и нормы испытаний электрооборудования. РД.34.45-51.300-97//М: Издательство НЦ ЭНАС, 2001, с изменениями и дополнениями 24.01.2005. 2. Бажанов С.А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств. ИТФ «Энергопрогресс», приложение к журналу «Энергетик». М. - 2000. - 75 с. 3. Поляков В. С. Применение тепловизионных приемников для выявления дефектов высоковольтного оборудования / Методические указания по контролю оборудования тепловизорами. - Л.: ПЭИПК, 1990. - 57 с. 4. Хренников А. Ю., Сидоренко М. Г. Инфракрасная диагностика состояния электрооборудования высокого напряжения // Энергетик. - №10. - 2006 г.
300
М. А. БРОННИКОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Комплексное использование ветрогидроэнергетических ресурсов региона
Малые гидроэлектрические станции представляют собой весьма важный
вид возобновляемых источников энергии. Сегодняшняя экологическая и экономическая ситуация в Республике Башкортостан ограничивает возможность создания крупных ГЭС и гидроузлов, поэтому признано целесообразным создание на малых реках водохозяйственных комплексов, включающих в себя микро- и малые ГЭС. Организация производства энергии на малых реках возможна в нескольких технико-экономических вариантах исполнения. Экономическая и научно-техническая политика республики признает оптимальным только такой вариант, который в максимально более полной степени обеспечивает требования, предъявляемые всеми, на кого распространяется влияние речного водохозяйственного комплекса. Накопление гидроэнергетических запасов является решающим фактором, при этом предпочтение отдается проектам с созданием каскадов русловых водохранилищ.
Российской наукой накоплен опыт проектирования энергетических комплексов, использующих одновременно ВИЭ в виде ветряной и гидравлической энергии. Имеющиеся разработки демонстрируют существенное (иногда в разы) возрастание объемов производимой энергии при объединении в комплекс ВЭС и ГЭС, базирующийся на использовании малой ГЭС в качестве гидроаккумулятора. Проектирование таких комплексов основано на методике определения совокупного энергопроизводящего потенциала ветро- и гидроэнергетических ресурсов определенного района.
Определение потенциала совместного использования ветро- и гидроэнергоресурсов малых рек при создании комплексной ВЭС-ГЭС на основе каскада малых ГЭС с русловыми водохранилищами, целесообразно выполнять в следующей последовательности:
1. Создается гидрографическая схема используемой части речного бассейна реки, рассчитываются графики нарастания водосборной площади, устанавливается величина модуля стока расчетной обеспеченности, устанавливается допустимое количество возможных створов с определением расходов воды, определяются величины допустимых напоров и перепада уровней в планируемых водохранилищах.
2. Определяется ветроэнергетический потенциал точек, пригодных по техническим и экономическим соображениям для строительства ВЭУ в районах выбранных створов, определяется их тип и количество.
3. Определяются объемы и график выработки электроэнергии предполагаемыми к участию в комплексе ВЭУ.
301
4. Определяется возможная емкость водохранилищ как гидроаккумуляторов с учетом принятого для водохозяйственного комплекса типа водного регулирования.
5. Составляется комплекс совместного графиков энергопроизводства ВЭС и ГЭС для различных по водности и ветровой нагрузке лет, при этом определяются объемы накапливаемой в гидроаккумуляторе водной энергии для принятого типа регулирования водохранилища и для выполняемого графика электрической нагрузки. Графики целесообразно разрабатывать как для каждого створа ГЭС, так и для всего комплекса в целом.
6. На основе графиков определяется минимально возможная устойчивая коммерческая мощность всего комплекса ВЭС-ГЭС.
Устойчивая коммерческая мощность комплекса ВЭС-ГЭС является его основным техническим и экономическим показателем, подлежащим оптимизации и определяющим оценку всего проекта.
По экологическим соображениям сомкнутые каскады водохранилищ в пределах Республики Башкортостан возможны лишь для небольшой группы рек и водотоков горных областей. Именно горные области республики наиболее привлекательны для строительства комплексов ВЭС-ГЭС, в силу следующих особенностей: наибольшая территориальная компактность комплекса, обеспечивающая простоту строительства и управления, минимальные площадь затопления и мертвый объем водохранилищ. Определенным достоинством горных комплексов является также их малая мощность, что упрощает доставку материалов, оборудования и монтаж комплекса. Ветроэнергетический потенциал горных районов республики весьма ограничен, гидроэнергетический же весьма существенен. Тем не менее зимой использование малых ГЭС ограничено, энергия же ветра достигает своего максимума, что дает возможность комплексу ВЭС-ГЭС даже с ограниченным объемом гидроаккумулирования иметь значительно большую устойчивую коммерческую мощность, нежели при раздельном использовании ВЭУ и ГЭС. Кроме того, существенным фактором может оказаться возможность устойчивого энергоснабжения при полном отсутствии зависимости от привозного топлива.
А. Ф. ШАЙБЕКОВ, В. В. СЕМЕНОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Применение асинхронизированных синхронных генераторов в ветроэлектростанции
В последнее время повысился интерес инженеров и исследователей к
асинхронизированным (АС) машинам, которые представляют собой электромеханический комплекс, состоящий из электрической машины, возбудителя и автоматического регулятора возбуждения. Это объясняется двумя
302
обстоятельствами: с одной стороны, в ряде областей техники появились задачи, которые не решаются или решаются не лучшим образом с помощью традиционных методов; с другой стороны, созданы средства, с помощью которых можно реализовать эффективное управление асинхронизированных машин.
Так для энергосистем России существует проблема обеспечения требуемых нормативами уровней напряжения в электрических сетях 220-500 кВ. Следствием работы с высоким уровнем напряжения ведет к ускоренному износу и повышению аварийности электрооборудования. Для решения этой проблемы принимаются специальные меры, которые нередко приводят к ухудшению показателей устойчивости и экономичности работы энергосистем.
Одним из кардинальных способов решения проблемы является применение генераторов нового типа – асинхронизированных генераторов. В отличие от генераторов обычного типа (синхронных) АС-генераторы обладают существенно более высокими пределами устойчивости и предназначены для работы в режимах не только выдачи, но и глубокого потребления реактивной мощности. Поэтому создание и введение в эксплуатацию асинхронизированных генераторов позволит так же существенно снизить износ и аварийность электрооборудования [1].
Современные ВЭУ – это надежные машины, которые весьма эффективно преобразуют энергию ветра в электрическую.
Внедрение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергобаланс, при разумном использовании, позволит частично или полностью заменить существующие на сегодняшний день различные автономные энергосистемы (с износом 70 - 80 %), добиться экономии дорогостоящего топлива и обеспечить устойчивое, соответствующее современным, принятым в аналогичных климатических условиях уровням, электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного электроснабжения (преимущественно предприятия сельскохозяйственного, горнодобывающего и сырьевого использования). Из всего многообразия ВИЭ по запасам, доступности, экологичности и масштабам использования приоритетными являются энергия потоков воды и ветра.
Развития ветроэнергетики приносит обществу огромную пользу, независимо от того, идет ли речь об автономных ВЭУ, или подсоединенных к электросети ветрофермах.
Основным отличительным свойствами таких генераторов, обусловливающих целесообразность их применения, являются [2].
– возможность независимого энергоснабжения; – эффективное производство электроэнергии в локальной сети
энергоснабжения, которая в отличие от централизованной системы электроснабжения характеризуется меньшими энергопотерями;
– поддержание высокого качества вырабатываемой электроэнергии при возмущениях в энергосистеме и в энергоблоке;
– повышенный коэффициент готовности;
303
– повышенное быстродействие регулирования напряжения; – возможность неограниченно длительных асинхронных режимов без
возбуждения при обеспечении близкой к номинальной нагрузки и высокого качества электроэнергии;
– высокий уровень живучести при частичных отказах в системе возбуждения и при полной потере возбуждения (не требуется система резервного возбуждения);
– сокращение выбросов вредных газов вследствие снижения использования органических видов топлива для получения энергии.
В основном в ВЭУ используются асинхронные генераторы, синхронные генераторы, а также асинхронизированные синхронные генераторы. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Из указанных машин наиболее полно требованиям режимов работы ВЭУ отвечают АСГ, так как указанные преимущества АС-генераторов достигаются за счет применения новой конструкции ротора, который содержит не одну, как в синхронных, а две и более обмотки возбуждения, сдвинутые по окружности ротора друг относительно друга на 90 эл. градусов, и специальной системы автоматического регулирования возбуждения.
Преимущество применения асинхронизированного синхронного генератора в ветроэнергетической установке, заключается в демпфировании колебаний мощности, вызываемых порывами и изменением скорости ветра.
Список литературы 1. Загорский А. Е. Регулируемые электрические машины переменного тока. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 288 с.: ил. 2. Шакарян Ю. Г. Асинхронизированные синхронные машины. – М.: Энергоиздат, 1984. – 192 с., ил. Н. А. БАБУШКИН Научн. руковод. – Л. И. МОЛОДЕЖНИКОВА ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Анализ параметров схемы расширения на МГеоЭС-2
Высокие цены на привозное органическое топливо на Камчатке
обусловливают высокие тарифы на электроэнергию и сдерживают социально-экономическое развитие этого края, чрезвычайно богатого природными ресурсами края. Одной из отличительных особенностей Камчатки является наличие высокопотенциальных геотермальных ресурсов, позволяющих вырабатывать электроэнергию.
Работа направлена на более полное, комплексное использование для добываемого на месторождении теплоносителя и увеличении за счет этого мощности Мутновской ГеоЭC.
304
В то же время, отсепарированная от геотермального пара вода имеет высокую температуру (свыше 150оС) и за счет рационального использования тепла этого сбросного сепарата можно получить дополнительно до 12 МВт электрической энергии.
Использование тепла сбросного сепарата МГеоЭС-1 для выработки электроэнергии возможно в различных схемах, которые требует детальных исследований и оптимизационных технико-экономических расчетов. Для рассмотренного объекта был рассмотрен вариант использования бинарной установки.
В работе, для различных давлений в расширителе и в конденсаторе, были рассчитаны параметры:
• расход хладона на хладоновую турбину; • мощность хладоновой турбины; • затраты мощности на насос; • термический КПД цикла бинарной установки.
В процессе анализа полученных данных были построены зависимости: • влияния давления расширения на располагаемый теплоперепад в паровой
турбине при различных давлениях в конденсаторе; • влияния давления расширения на паропроизводительность расширителя и
расход сепарата на выходе из него; • зависимость внутренних мощностей паровой и хладоновой турбин, а
также их суммарной мощности от давления расширения сепарата при давлении в конденсаторе паровой турбины 0,01 МПа, 0,007 МПа, 0,005 МПа. Анализ результатов расчетов показывает, что наиболее эффективное
использование сбросного сепарата от действующей МГеоЭС для выработки электроэнергии возможно в энергоустановке комбинированного типа, состоящей из турбогенераторов на геотермальном водяном паре и на хладоне R-134a. Наиболее выгодное, с точки зрения получения максимальной мощности, давление сепарата находится в диапозоне от 0,2 МПа до 0,3 МПа, причем его меньшему значению соответствует большая доля выработки электроэнергии на паровой турбине.
С ростом давления в расширителе и, соответственно с увеличением расхода сепарата потребуется значительное количество охлаждающей воды, кроме того, существенно увеличится расход R-134a. Эти факторы являются определяющими в затратах на собственные нужды бинарной электростанции.
С учетом того, что доля энергии, затрачиваемой на собственные нужды для бинарного цикла выше, чем для пароводяного, целесообразно большую часть мощности вырабатывать на турбогенераторе первого контура.
С другой стороны, слишком низкое давление расширения сепарата (менее 0,2 МПа) приведет к неоправданному увеличению объемных расходов пара и, как следствие, к значительному увеличению металлоемкости установки.
305
А. М. САННИКОВ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Т. Р. ТЕРЕГУЛОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Пути использования энергии природы РБ
Сегодня будущее развития энергетической отрасли в России все чаще
связывают с малой и альтернативной энергетикой. Необходимость перехода на автономные источники питания в первую очередь обусловлена стремительным развитием отечественной экономики, что вполне закономерно приводит к увеличению потребления электрической и тепловой энергии.
Альтернативная энергетика – использование возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, вода, земля, биомасса) – уже сегодня является реальной и доступной альтернативой традиционной топливной энергетике, использующей газ, уголь, мазут, дизельное топливо.
В Республике Башкортостан в настоящее время наибольшее развитие может получить микрогидроэнергетика и ветроэнергетика. Микро-ГЭС мощностью до 100 кВт обладают простотой конструкции и низкой стоимостью. Классическая конструкция бесплотиной микро-ГЭС представлена на рис.1.
В отличие от других экологически безопасных возобновляемых источников электроэнергии - таких, как солнце, ветер, - малая гидроэнергетика практически не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу дешевой электроэнергии потребителю. Малая энергетика - это на сегодняшний день наиболее экономичное решение энергетических проблем для территорий, относящихся к зонам децентрализованного электроснабжения. Обеспечение энергией удаленных и энергодефицитных регионов требует значительных затрат, потому что у наиболее удаленных потребителей транспортная составляющая стоимости привозного топлива достигает 70-80%. Это касается не только завозимого жидкого топлива, но и добываемого в северных районах угля. Его доставка от мест добычи до удаленных населенных пунктов водным путем и по автозимникам на большие расстояния сопряжена с большими трудностями.
Что касается ветроэнергетики, то хотя и Башкортостан не относится к
числу районов с высоким потенциалом энергии ветра. Среднегодовые скорости ветра по данным метеостанций не велики и составляют для высот до 10 метров от 1,6 до 4,4 м/с. Однако в 1998 году по заказу ОАО «Башкирэнерго» была выполнена комплексная работа по оценке ветропотенциала на территории Башкортостана. По ее результатам определены ветровые зоны, в первую очередь в Зауралье и на Бугульминско-Белебеевской возвышенности, где среднегодовые скорости на высотах 20-50 метров составляют 5,3-6,3 м/с, и, возможно строительство ветроэнергетических установок (ВЭУ).
306
Рис. 1. Устройство микроГЭС:
1, 8 – крюк; 2 – ролик; 3 – стяжки; 4 – металлический трос; 5 – гидроротор; 6 – место фиксирования роторов; 7 – свободная опора с упорным подшипником; 9 – стальная
полоса
Первые крупные ветроустановки на Белебеевской возвышенности около деревни Тюпкильды, с абсолютными отметками 271-288 метров, Туймазинского района с расчетной среднегодовой скоростью ветра 6,1 м/с на высоте 40 метров. Ветроагрегаты установлены на 42 метровых башнях. Диаметр трехлопастного винта – 40 метров, масса ВЭС – 70 тонн, в т.ч. гондолы – 35 тонн, стеклопластиковой лопасти – 1,5 тонны. Ежегодно ВЭС вырабатывает 1,2 млн. кВт*час, что позволяет экономить около 500 тонн условного топлива.
Несмотря на многочисленные трудности, возникающие при эксплуатации первой ВЭС, в республике продолжается проработка вопроса по развитию этого направления энергетики. На юго-востоке, в Зауралье проводилось изучение ветрового потенциала и выбор места возможной установки новых ВЭУ, для чего применялся автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий определить характеристики ветра на высотах 20, 30 и 40 метров.
В настоящий момент, при сложившейся экономической конъюнктуре в России, связанной со сравнительно низкой стоимостью природного газа, выработка электроэнергии ветроустановками не рентабельна. Но при господдержке для альтернативных источников энергии будут создаваться предпосылки к развитию ветроэнергетики как в РБ так и в РФ в целом.
307
ЧАНДРА РУЛИТ Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент Ю. В. АФАНАСЬЕВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
К обоснованию выбора асинхронного генератора
для ветроустановки до 100 кВт
При проектировании современных ВЭУ вопрос выбора генератора заключается прежде всего в выборе типа генератора (асинхронный или синхронный) и частоты его вращения (тихоходный генератор, непосредственно соединенный с ветродвигателем или быстроходный генератор, соединенный с ветродвигателем через мультипликатор). Выбор типа генератора достаточно сложная задача рассматривается отдельно. Здесь дан анализ влияния частоты вращения асинхронного генератора на его массогабаритные характеристики. Качественный анализ очевиден: с увеличением частоты вращения масса и габариты генератора уменьшаются. Для количественной оценки по данным справочника и необходимых расчетов для аснхронных генераторов классического типа мощностью 30, 55 и 90 кВт для синхронных частот вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 об/мин составлена табл. [1, 2]
Рис. 1 Индукция в воздушном зазоре
генератора
Рис. 2 Активная масса генератора
По данным таблицы и рис. 1 следует, что индукция в зазоре генераторов Вδ при мощности 30 кВт на частоте вращения 500 об/мин равна 0,84 Тл с увеличением частоты снижается до 0,75 Тл, а затем возрастает на 5,3 % при частоте 3000 об/мин.
Для других рассмотренных ступеней мощности индукции при 500 об/мин равна соответственно для 55 кВт 0,78 Тл с повышением частоты снижается до 0,74 и остается на данном уровне. Для 90 кВт снижение от 0,8 Тл до 0,72 Тл и далее рост на 1,4 %.
308
Таблица Таблица данных расчета и справочника [2]
Электромагнитные нагрузки n, об/мин
Высота оси вращения
и обозначение активной длины
P2, кВт Вδ, Тл А, А/м J, А/мм2
Da1, ммМасса
стали Gc, кг
Активная масса М, кг
180M2 30 0,79 3,66 5,2 313 87,02 101,82 225M2 55 0,74 4,05 5,0 392 169,45 194,65 3000 250M2 90 0,75 4,19 4,6 437 269,08 303,98 180M4 30 0,79 3,35 5,5 313 111,03 125,53 225M4 55 0,76 3,70 5,3 392 188,27 213,57 1500 250M4 90 0,70 4,13 4,4 437 304,17 344,97 200L6 30 0,77 3,75 6,0 349 138,04 154,84 250M6 55 0,82 3,64 5,5 437 233,98 260,88 1000 280M6 90 0,81 3,93 5,0 520 372,71 424,21 225M8 30 0,87 3,97 5,8 392 164,74 184,44 280S8 55 0,83 3,85 4,3 520 306,45 354,85 750 315S8 90 0,79 3,60 3,8 520 554,93 619,53 250S10 30 0,82 4,07 6,7 437 198,88 218,58 315S10 55 0,77 3,62 3,8 520 414,12 466,32 600 355S10 90 0,74 4,07 4,4 590 629,09 695,09 315M12 55 0,76 3,70 4,1 520 505,23 556,23 500 355M12 90 0,88 3,75 4,0 590 757,04 828,34
Из рис. 2 видно, что при увеличении частоты вращения активная масса
(масса активных материалов) М генераторов уменьшается: для всего диапазона 30 кВт почти в 2,1 раза, 55 кВт – в 2,5 раза и 90 кВт – в 2,8 раза, т. е. доля снижения веса с ростом мощности в рассмотренном диапазоне возрастает на 27%.
Полученные данные могут быть использованы в задаче технико-экономического расчета ветродвигателя и электосиловой части ВЭУ в комплексе с батареей конденсаторов, элементами управления и стабилизатором напряжения.
Список литературы 1. Проектирование электрических машин. Под ред. Копылова И. П., – М.: Высш. шк. , 2002. –757с. 2. А. Э. Кравчик и др. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. – М.: Энергоиздат, 1982, с. 27–31.
309
Р. И. ХАМАТЬЯНОВ, Е. И. КИДЯЕВА, А. Я. ХАБИБУЛЛИН Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент А. Р. ВАЛЕЕВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Роль парусных ВЭУ в развитии транспортной и энергетической инфраструктуры
Важное место в стратегии развития электроэнергетики занимают
автономные системы электроснабжения (АСЭ) специального и общего применения. Их крупнейшими потребителями являются топливно-энергетический, агропромышленный и машиностроительный комплексы страны [1]. Установлено, что построение АСЭ на базе парусных ВЭУ (далее ПВЭУ) имеет ряд преимуществ: максимальное использование энергии ветра; более высокий КПД; обеспечение устойчивого функционирования при слабых, порывистых и шквальных ветрах. Если на лопастной ВЭУ происходит одномоментное сталкивание ветра с лопастью, то на парусной контакт ветра и паруса является длительным по времени и расстоянию [2].
Крупнейшими производителями стационарных ПВЭУ являются компании: «Энергия-Gravio» [3], г. Таганрог (типовые модели: 1 кВт, 4 кВт,10 кВт, максимальная мощность – до 100 кВт); «Wind-Sail» (типовые модели:1,5 кВт, 3 кВт) [4]; актуально использование в ПВЭУ лопастей ветроколеса типа HAWT [5] и VAWTs [6].
С точки зрения авторов по технико-экономическим показателям предпочтительно использование мобильных ПВЭУ [2, 7, 8]. При использовании мобильных ПВЭУ на водном транспортном средстве, крутящий момент с ПВЭУ передаётся с помощью трансмиссии, прямо на гребной винт, если судно небольших размеров. Если длина судна больше 10 метров, то крутящий момент сначала идёт на электрогенератор, затем электроэнергия по тоководам идёт к двигателю, снова преобразуется в механическую энергию и передаётся движителям. При изменении направления ветра или курса корабля, парусная ВЭУ на самоориентирующейся платформе поворачивается парусом поперёк ветра, что позволит кораблю идти против ветра с той же скоростью, что и по ветру. Качества инновации для небольших судов: движение транспорта строго против ветра; самоориентация судна и возможность управления одним оператором; стабильность движения (отсутствие крена и постоянство скорости в любом направлении); повышенная надежность паруса и т.д. Известна конструкция [2] оборудованная концентраторами ветровых потоков, преобразующими скорость ветра в 5 м/сек в 15 м/сек и позволяющая повысить эффективность работы ПВЭУ.
Применение стационарных и мобильных парусных ВЭУ позволит: снизить топливную зависимость автономных объектов и себестоимость производства электроэнергии, снизить экологическую нагрузку на территорию (не создают шумовых инфразвуков и радиопомех); эффективно использовать энергию ветра с высоким КПД за счет использования большой площади
310
ветрового потока; обеспечить работу в приземных воздушных потоках (турбулентность приземного воздушного потока мало влияет на эффективность работы) и т.д.
Однако вышеперечисленные конструкции не позволяют решить главную проблему, возникающую при освоении нового промышленного района – отсутствие транспортной и энергетической инфраструктуры.
Коллективом кафедры ЭМ разработана оригинальная конструкция автономной мобильной ветроэлектростанции [8], выполненной в виде кольцевой железной дороги (далее АМВЭС-КЖД), снабженной путепроводами, снегоочистителями и токосъемными проводами, с расположенным на ней подвижным составом тележек, на которых размещены управляемые ветряные движители, асинхронизированные синхронные генераторы, подключенные к токосъемникам, двигатели внутреннего сгорания, обеспечивающие разгон и движение состава при слабых ветровых потоках. АМВЭС-КЖД снабжена измерительными, контролирующими и регулирующими приборами, в том числе, средствами диагностирования технического состояния станции для повышения надежности ее работы. Возможно увеличение мощности АМВЭС-КЖД за счет: увеличения количества ветряных движителей, использования ДВС, которые позволяют также повысить бесперебойность электроснабжения; большого количества механической энергии, запасаемой составом.
Контрольным показателем эффективности работы ветроэнергетической парусной установки является сравнение скорости входящего и выходящего воздушного потоков. Скорость входящего в парусную АМВЭС-КЖД воздушного потока – 12 м/с, скорость выходящего воздушного потока – 2–3 м/с. Отсюда КПД коэффициент использования энергии ветра не менее 80 процентов.
Список литературы 1. Стафиевская В. В. Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие / В. В. Стафиевская, В. А. Фролов. – Электрон. дан. (6 Мб). – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. 2. Михеев А. А. Ветроэнергетическая парусная установка (варианты) // Патент РФ № 2346182. Дата опубл. 10.02.2009. 3. МикроГЭС и парусные ВЭУ. Каталог продукции ОКБ «Энергия-Gravio» www.gravio.selec.ru (дата обращения 24.09.10). 4. Wind-Sail Next Generation Wind Power. www.wind-sail.com (дата обращения 01.10.10). 5. The original and First World Solar Navigation. www.solarnavigator.net (дата обращения 05.10.10). 6. Robert N. T. Coupled vortex vertical axis wind turbine // Patent US № 6784566, date of patent 31.08.2004. 7. Зазимко В. Н. Ветроэнергетическая установка // Патент RU 2251022. Опубл. 27.04.2005. Бюл. №12. 8. Хайруллин И. Х. Ветроэлектростанция / И. Х. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, А. Р. Валеев, А. И. Хайруллин // Патент РФ № 2343309. Дата опубл. 2009.01.10.
311
А. А. КОСОУРОВ Научн. руковод. – д-р техн. наук, профессор И. Х. ХАЙРУЛЛИН ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Микротурбинные установки
Микротурбины – это современное оборудование для автономного
теплоэнергообеспечения потребителей, обладающие высокими техническими характеристиками и отвечающие нуждам современной распределенной энергетики. Микротурбинная установка (МТУ) состоит всего из одной движущейся детали – вращающегося вала, на котором соосно расположены высокоскоростной электрический генератор, компрессор и турбина. Турбина преобразует в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела газа, образующегося в результате сгорания топлива. Струя этого газа воздействует на лопатки турбины и приводит ее во вращение. В таких установках применяется рекуператор, который подогревает воздух, поступающий в камеру сгорания, при этом электрический КПД увеличивается с 28,8% до 35%. Для утилизации тепла МТУ может быть оборудована специальным теплообменником, а при желании заказчика МТУ оснащают специальными абсорбционными камерами, которые дают возможность преобразовывать тепло в холод. При этом КПД всей установки достигает 92%.
В качестве электрического генератора в основном используется высокоскоростной синхронный генератор. Он вырабатывает электроэнергию с повышенной частотой тока (до 2000 Гц). Поэтому МТУ оснащаются специальным силовым электронным преобразователем. В преобразователе высокочастотный ток сначала выпрямляется в постоянный ток, а затем с помощью инвертора преобразуется в трехфазный ток промышленной частоты.
Одним из важнейших элементов конструкции МТУ являются подшипники. Именно они определяют способность турбины длительно вращать рабочей вал с большой частотой (50 000 об/мин и более), а также надежность и ресурс агрегата. В МТУ применяются воздушные, масляные или шариковые керамические подшипники.
Контроль и управления МТУ осуществляется цифровой микропроцессорной системой управления.
Современные МТУ способны работать в различных режимах: когенерации, тригенерации, параллельно с сетью, автономно и в двойном режиме.
МТУ устроены таким образом, что потребитель может свободно выбирать топливо, посредством которого будет вырабатываться энергия - это может быть керосин, дизельное топливо или газ. МТУ не требуют предварительной газоочистки при работе на большинстве видов газового топлива. Например, для микротурбин Capstone допускается существенная загрязненность топлива любыми газовыми примесями, в том числе и сернистым газом до 7%.
312
Основными достоинствами микротурбин являются компактность, высокая экологичность, низкий уровень шума и вибраций, эластичность к нагрузке, исключительная надежность, а также самая высокая по сравнению с другими классами оборудования эффективность в режимах когенерации и тригенерации. За счет способности работы на разных видах топлива эти установки могут быть использованы практически везде: в районах промышленного освоения, на новых месторождениях нефти и газа, при строительстве городов и поселков, трасс и трубопроводов, в отдельно стоящих административных и частных зданиях, производственных предприятиях, спортивно-оздоровительных центрах и других объектах, где недоступно централизованное электро- и теплоснабжение.
Л. Р. КУНУСБАЕВА, Т. Ю. ВОЛКОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Нетрадиционная энергетика в РБ
Как и за счет каких источников человечество собирается покрывать всё
возрастающие затраты энергии? Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир рано или поздно столкнется с тем, что запасы невозобновляемых сырьевых ресурсов – нефти, газа и угля – будут исчерпаны. Чем активнее мы их используем, тем меньше их остается и тем дороже они нам обходятся.
Малая и нетрадиционная энергетика в нашей республике развивается по двум основным направлениям. Во-первых, для увеличения доли комбинированного производства электроэнергии и тепла котельные оснащаются небольшими газотурбинными или газопоршневыми энергетическими установками. Во-вторых, ведется работа по созданию бестопливных энергоисточников: гидроэлектростанциий, в том числе малых и микро-ГЭС, ветроэлектростанций.
Очень важным на современном этапе, при сложившейся экологической обстановке, представляется переход на альтернативные, возобновляемые источники энергии. Речь идет об энергии ветра (ветряные электростанции и ветроэнергетические установки), солнца (солнечные батареи и гелиостанции), морских приливов и отливов, внутреннего тепла Земли, геотермальных вод, отходов сельхозпроизводства (биомассы).
Программой строительства малых ГЭС в Республике Башкортостан ОАО “Башкирэнерго” было поручено строительство малых ГЭС на ряде рек. В настоящее время эксплуатируется 8 малых и микро-ГЭС (мощностью от 50 до 700 кВт). Усилия направлены на ускорение и удешевление строительства за счет внедрения типового ряда гидротурбин уфимского производства, предварительной заводской сборки всего оборудования и размещения его в стандартном контейнере, упрощения стыковки малой ГЭС с водоподводящим и отводящим трактами.
313
Необходимо отметить, что ветроэнергетика представляется одним из наиболее перспективных направлений в разработке и внедрении альтернативных источников энергии. В мире темпы развития ветроэнергетики в последние годы составляли около 30% в год, что превышает темпы роста других энергетических технологий.
Ветроэлектростанции XXI века мало чем напоминают своих древних собратьев — ветряные мельницы, хотя принцип работы ветроагрегатов практически не изменился: под напором ветра вращается колесо с лопастями, передавая крутящий момент другим механизмам, причем чем больше диаметр колеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и быстрее вращается.
Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции.
Ветроэнергетика в Республике Башкортостан пока еще делает первые шаги. Опытно-экспериментальная ветроэлектростанция (ВЭС) в д. Тюпкильды Туймазинского района – вторая по мощности в России (2,2 МВт).
Цель строительства – накопление опыта в новой для нас отрасли – ветроэнергетике. Есть планы по дальнейшему развитию этого направления.
К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю, что особенно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Ветроэнергетика — это экологически чистая энергия и установление ветроустановок не наносит вреда природе.
В то же время существуют и недостатки ветроэлектростанций, которые затрудняют их внедрение. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника — непостоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) во времени.
О. И. БЕРГ, И. Р. ЗИНАТУЛЛИН Научн. руковод. – канд. техн. наук, доцент С. К. ПРИЩЕПОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Ветроагрегаты в электростанциях класса Ecological System
Основной принцип построения природных электростанций (ПЭ) класса
ECOLOGICAL SYSTEM заключается в комплексной совместимости ряда электрогенераторов (ЭГ) с независимыми функциями преобразования различных природных и индустриальных воздействий (ветро-; гидро-; гелио-;
314
термо-; био-; хим-; электро-; магнито-; вибро- и т.д.). Мощность и непрерывность работы многоканальных ПЭ обеспечивается: а) номенклатурой ЭГ; б) к.п.д. функционального преобразования каждого ЭГ. В номенклатуре ЭГ наивысший совокупный показатель «мощность×непрерывность действия» принадлежит ветроагрегатам (ВА). К.п.д. ВА, состоящего из ЭГ и ветродвигателя (ВД), определяется, в основном, эффективностью ВД-преобразования ветрового потока (ВП).
Рис. 1. а) схема макета ВД с ГПВЛ: 1 – платформа ВД с лопастями; 2 – генератор; 3 –
основание; 4 – анемометр; α – угол отклонения пластины анемометра; б) типичная панорама ВА- электростанции «пустынных пространств»
В городских условиях индустриальные, жилые строения и кварталы
являются генераторами, преобразователями и концентраторами ВП: характерно образование локальных объёмов (ЛО) с независимыми направлениями и скоростями ВП. Данным ЛО соответствуют и естественным образом в них встраиваются компактные ВД с горизонтальной плоскостью вращения лопастей (ГПВЛ) по рис. 1а.
Полным противоречием условиям больших городов по: безопасности; экологии; эргономике; технике и технологии эксплуатации в ЛО ВП являются гигантские ВД с вертикальной плоскостью вращения лопастей (ВПВЛ) по рис. 1б. Недостатки ВД с ВПВЛ: 1) зависимость к.п.д. от розы ветров; 2) отсутствие вращения ВД при малых скоростях ВП: Мвр.<Мтр., где Мвр.- момент вращения; Мтр.- момент трогания ротора ВД; 3) гигантские габариты: диаметр ВПВЛ до 150 м; 4) ВПВЛ: опасные перемещающиеся объекты (лопасти); препятствие; экран для ВП; 5) ВПВЛ источник: шума; помех радио-; телеприёму; помех в сетях телекоммуникаций; 6) сложность системной совместимости в ПЭ из-за низкой стабильности основных параметров [1].
Сравнительный анализ пропеллерных ВД и ВД с ГПВЛ, теоретические и лабораторные исследования дали следующие результаты: 1) ВД с ГПВЛ по габаритам, принципу действия и конструктивным признакам соответствуют условиям больших городов по созданию энергосистем класса ECOLOGICAL SYSTEM; 2) определены методы оптимизации количества лопастей ВД с ГПВЛ; 3) определены методы оптимизации формы лопастей ВД, обеспечивающие наибольший к.п.д. преобразования ВП; 4) определены методы и созданы
315
средства для лабораторных исследований макетных образцов ВД с ГПВЛ; 5) получены результаты аэростатических и аэродинамических испытаний макетных образцов ВД, лучшие из которых характеризуются: Мвр.>Мтр. во всём диапазоне (0÷360)о углов трогания ротора ВД при малых скоростях ВП VВП≥0,5м/с; пропорциональностью скорости вращения ротора ВД скорости ВП; устойчивостью вращения в ламинарном водном потоке при полном погружении лопастей ВД [2, 3].
Выводы 1. ВД с ГПВЛ являются перспективными движителями для привода ЭГ
ВА в условиях больших городов. 2. Подготовлена теоретическая и экспериментальная база для проведения
этапов эскизного и ОКР- проектирования ВД с ГПВЛ для ПЭ больших городов. Список литературы
1. Ресурсы интернет http://www.apn.ru 2. Прищепов С.К., Зинатуллин И.Р., Берг О.И., Дмитриев О.А. Элементы систем ветроэнергетики/ «Измерение, контроль, информатизация»: Материалы 9-й международной н/т конференции – Барнаул: АлтГТУ, 2008. – с.266-270. 3. Прищепов С.К., Берг О.И., Зинатуллин И.Р. Ветродвигатель с вертикальной осью вращения в локальной системе электроснабжения/ «Электронные устройства и системы»: Межвузовский научный сборник.Уфа: УГАТУ, 2010. – с.245-250.
М. А. БРОННИКОВ ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
К истории ветроэнергетики в России
Среди возобновляемых ресурсов энергии ветровая и гидравлическая
имеют одну природу возникновения, близкие свойства, достоинства и недостатки. В силу единства этой природы возникла идея об их совместном использовании, при этом возможность гидравлической энергии к накоплению могла была быть использована для аккумулирования энергии ветровой. В настоящем докладе приводится краткий обзор отечественных разработок в этой области.
Первой установкой такого типа (1914 г.) можно считать спроектированный и построенный инженером Я. К. Романовским в частном имении Виленской губернии энергокомплекс из водяного аккумулятора при трех ветродвигателях (с горизонтальным колесом) по 25 л.с. каждый. Ветродвигатели накачивали воду в искусственный пруд, расположенный на высоком холме, из пруда вода подавалась через трубу под большим напором в турбину электрогенератора мощностью 20 л.с. Установка Романовского несла осветительную и моторную нагрузку для всех хозяйственных надобностей имения, вплоть до электрической дойки коров.
316
Народным комиссариатом земледелия в 1926 г. был проведен конкурс конструкций сельскохозяйственных ветродвигателей, пригодных для заводского и полукустарного изготовления. Второе место на конкурсе занял проект Н.В. Погоржельского (названный «АвтаГЭС»), предусматривающий прямой механический привод электрогенератора одновременно от ветродвигателя и от гидравлической турбины малой ГЭС, при этом турбина ГЭС могла использоваться в насосном режиме для аккумулирования в водохранилище ГЭС избыточной энергии ветра. Установка АвтаГЭС отличалась предельной простотой конструкции и возможностью изготовления большинства агрегатов из местных материалов. В 1940 г. улучшенный проект АвтаГЭС был принят для реализации на Армавирской опытной станции ветродвигателей Всесоюзного института механизации и электрификации (ВИМЭ) на реке Уруп с искусственным водоёмом-гидроаккумулятором объемом 10000 м3 и рабочим напором 25 м, с целью проверки возможности создания наиболее дешёвого, простого в эксплуатации и в то же время надёжного типа сельской электрической станции. Конструкция предусматривала автоматическое распределение мощности с вала ветродвигателя между генератором и насосом гидравлического аккумулятора (гидротурбина функционировала отдельно). В этом проекте расчетный КПД гидравлического аккумулирования составлял 15%, емкость гидроаккумулятора 162 кВт·ч (эл.), постоянная мощность всей установки 10 кВт (эл.). Начатое строительство АвтаГЭС в Армавире было прервано из-за войны и не возобновлялось.
К 1949-1950 гг. доктор технических наук. Н. В. Красовский совместно с инженерами института «Гидроэнергопроект» Н. С. Рабинович и К. Н. Черно-Ивановым разработал вариант генеральной схемы электрификации сельского хозяйства Малинского района Московской области на основе водной энергии бассейна реки Северки с широкомасштабным использованием энергии ветра. Водосборная площадь бассейна реки составляла около 1300 км2. По схеме Красовского предлагалось использовать 10 ВЭУ типа Д-50 (разработанных в 1935 г.), максимальной мощностью 1000 кВт каждая. ВЭУ должны были работать непосредственно на электрическую сеть района для удовлетворения графика нагрузки, расходуя избыток мощности на перекачку воды из нижнего бьефа обратно в верхний бьеф для зарядки гидроаккумуляторов. Предусматривалось создание накопительных бассейнов с суммарным полезным объемом около 50 млн. м3 (емкость 4 млн. кВт·ч). Проект Красовского предусматривал увеличение числа ГЭС речного каскада до 27 (без использования ВЭС – только 9 с общей мощностью 700 кВт) и достижение общей отдаваемой по твердому графику мощности Северского комплекса ВЭС-ГЭС в 8 МВт даже в условиях ветрового режима южного Подмосковья.
Этот проект впоследствии был переработан с заменой ВЭУ Д-50 на серийно выпускавшиеся ВЭУ ЦВЭИ Д-12. При этом использовался прямой механический привод генераторов каждой из 27 гидростанций от комплексов («кустов») ветродвигателей Д-12 по 16-20 двигателей каждый. По новому
317
проекту необходима была установка более чем 300 ВЭУ Д-12. Суммарная отдаваемая мощность снижалась вдвое.
С началом массового строительства ТЭС на твердом и жидком топливе господствующим стало мнение, что для экономичного строительства комплексов ВЭС-ГЭС решающее значение имеют гидрогеологические и топографические условия района их сооружения, которые имеются далеко не везде. Был сделан вывод о достижении экономической выгодности комплексов ВЭС-ГЭС лишь при больших мощностях, перерастающих потребности местной энергетики. При таком подходе комплексные ВЭС-ГЭС радикально проигрывали строящимся и проектируемым ТЭС и ГЭС в стоимости установленного киловатта, почему их дальнейшая разработка была прекращена.
С 1980-х и в особенности с 1990-х гг. наблюдается резкое оживление работ в области ВИЭ, лидерами выступили «Гидропроект» и Санкт-Петербургский государственный технический университет. В последнем был выполнен большой объем исследований по гидравлическому аккумулированию энергии ВИЭ. Была установлена рациональность аккумуляции ветровой энергии в больших масштабах с помощью водохранилища гидроэнергетической установки (ГЭС или ГАЭС), при этом наличие водохранилища с годичным или многолетним регулированием позволяет обеспечить работу ВЭС с максимальной выработкой. Наиболее эффективно строительство таких энергокомплексов на базе действующих ГЭС, нуждающихся в реконструкции. На основе работ СПбГТУ в ПО «Турбоатом» были выполнены конструкторские разработки обратимых насосно-турбинных колес для низконапорных ГЭС и ГАЭС.
Р. Р. КАШБУЛЛИН, Т. Ю. ВОЛКОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Применение эффекта электрогидравлического удара
и кавитации жидкости для генерации тепла и электричества
Эффект кавитации [1-3] в жидкости уже реально используется для получения тепловой энергии. Известны и уже достаточно широко применяются кавитационные теплогенераторы (КТГ) Потапова, Ларионова, Петракова, в том числе вихревые, роторные и прочие, основанные на полезном использовании явления выделения тепловой энергии при кавитации в жидкости. Главным недостатком КТГ является наличие мощного электродвигателя.
Как показывают многочисленные эксперименты, в процессе лопанья этих газовых пузырьков и выделяется аномальная тепловая энергия. По неофициальным данным в точке кавитации температура может достигать 6000-7000 С и вместе с тем создается давление в несколько тысяч атмосфер. Чем выше давление жидкости на входе кавитатора, тем мощнее кавитация и тем больше тепла образуется, тем эффективнее теплогенератор. Принципиальным
318
недостатком этих прогрессивных теплоэнергетических кавитационных установок[3] является наличие громоздкого, дорогого электродвигателя, привода ротора-насоса, снижающих надежность и КПД устройства.
Чтобы устранить громоздкий и прожорливый электродвигатель насоса, надо одновременно использовать эффект Юткина[2] и кавитационный эффект.
Эффект Юткина - это аномальный электрогидроэффект открыт русским инженером Юткиным Л.А. Электрогидравлический ударный эффект (ЭГД-эффект) возникает в жидкостях, например в воде, при электрическом разряде в них и представляет собой электрический взрыв в жидкости и практически мгновенное выделение энергии в заданной точке.
Количество и скорость выделяемой кинетической и тепловой энергии в зоне электрического разряда зависит от многих причин, в том числе от параметров электрического разряда и свойств жидкостей. При этом волну сжатия в жидкости, возникающую при интенсивном испарении жидкости в зоне разряда и расширении пара в электродуговом промежутке, можно вызвать как одиночным мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость, так и последовательной серией импульсов. Мощность электрического разряда повышают за счет накопителей электроэнергии.
ЭГД-эффект Юткина имеет огромные скрытые возможности и новые неожиданные широкие сферы полезного применения, благодаря своей универсальности и аномальной энергетике, и вполне может быть, например, эффективно применен и в теплоэнергетике для бесконтактного получения дешевой тепловой энергии.Этот эффект вполне может обеспечить:
- бестопливное малозатратное получение тепловой и механической энергии. Совместное использование эффекта ЭГД-удара и эффекта кавитации позволяет получить малозатратным способом тепловую энергию из внутренней энергии жидкости. Простейшая конструкция и принцип работы такого кавитационного ЭГД-теплогенератора показаны на рис.1.Энергию электрогидравлического удара жидкости в рабочей камере можно достаточно просто преобразовать в механическую энергию движения жидкости, например, в экономичных бестопливных электроразрядных турбинах, насосах и иных движителях.
- бестопливное малозатратное получение электроэнергии. В простейшем случае это комбинация электроимпульсной водяной турбины и электрического генератора на ее валу или получение пара посредством ЭГД-теплогенератора и последующее преобразование его тепловой энергии, например, стандартным турбогенератором. Возможны и иные методы получения электроэнергии, например прямым электрогидродинамическим способом, при условии импульсной электрической зарядки нейтральных жидкостей, или магнитогидродинамическим способом, при условии достаточной электропроводности жидкости.
319
1-Герметичная емкость с жидкостью-3; 2-Воздушная полость; 4,5-Электроды; 6,7-Электрические изоляторы; 8,9-Кавитаторы; 10-Электр. емкость; 11-Преобразователь напряжения; 12-Первичный источник
электроэнергии; 13-Система управл. частотой и ампл. электр. импульсов; 14-Датчик давления, температуры; 15-Зона электр. разряда; 16-Зона испарения жидкости.
Рис. 1. Блок-схема бесконтактного ЭГД-ТГ Регулирование мощности, интенсивности и периодичности ЭГД-удара и
давления в жидкости, например, на рабочий орган обеспечивается изменением параметров электрического разряда, например амплитудой и частотой электрических импульсов. Этот способ заключается в осуществлении внутри объема жидкости, в рабочей камере, регулируемых по мощности высоковольтных электрических разрядов с образованием вокруг зоны разряда гидравлических давлений пара вместе с жидкостью передающей эти удары на расположенный в рабочей камере рабочий орган, например водяную турбину.
Список литературы 1. И.П.Шелестов. Радиолюбителям. Полезные схемы. Книга 4.-М.:Солон-Р, 2001. 2. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности Изд-во: Л., Машиностроение, 1986. 3. http://www.ntpo.com/patents_heat/heat_1/heat_56.shtml (патент).
Д. Л. БУТОРИН, Т. Р. ЗИГАНШИН Научн. руковод. – доцент Т. Ю. ВОЛКОВА ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Эффективное использование гидроресурсов
Проблемой современного электроснабжения прибрежных районов
являются частые перебои с электроэнергией. Дополнительное использование
320
автономных систем электроснабжения позволят исключить частые перебои. Источниками питания таких систем вполне могут быть гидроресурсы и солнечная энергия.
К примеру, энергия, которой располагают массы воды при волновом движении в океанах и морях, огромна. Так, сравнительно небольшая волна высотой 4 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности способна развить мощность более 10 кВт. Рациональное использование энергии волны, к примеру, создание поплавковых электростанций позволяет питать потребителя во время перебоев. К тому же данные источники питания значительно упрощают транспортировку электроэнергии до потребителя за отсутствием сложных конструктивных решений при проектировании электропередачи.
Другим перспективным способом генерации электроэнергии является использование энергии солнца на примере солнечных концентраторов (гелиотермические электростанции). В отличие от солнечных батарей солнечные концентраторы не содержат дорогостоящих фотоэлементов, а представляют собой систему зеркал, систему труб с теплоносителем, турбины и генератор, что значительно уменьшает себестоимость вырабатываемой электроэнергии и затраты на постройку. Дополнительно возможно использование полученной электроэнергии для выработки водорода из воды.
Недостатками данного солнечного концентратора являются большие площади занимаемые установками и необходимость в устройстве слежения за солнцем. Но устранение недостатков возможно за счет размещения коллекторов на поверхности воды с использованием воздушной подушки.
Необходимо дальнейшее развитие конструкций автономных систем электроснабжения. А применение в них возобновляемых источников, может стать ключевым моментом для производства электроэнергии и поможет обеспечить бесперебойное питание прибрежных районов.
Н. И. ШИЯНОВА Филиал ГОУ ВПО Московского государственного университета технологий и управления в г. Мелеузе
Применение теплофикационных газотурбинных установок для подогрева воды
Разработка и внедрение в энергетику отечественных ГТУ, созданных в
результате конверсии военных авиационных двигателей, применение высоких авиационных технологий в энергетике для повышения эффективности и надежности энергопроизводства являются важной народнохозяйственной задачей, комплексное решение которой – весьма актуально.
ГТУ характеризуется большим количеством отходящих газов и сравнительно высокой их температурой, которая обычно составляет примерно
321
400-500°С. Теплота этих газов может полезно использоваться в котлах-утилизаторах для производства насыщенного или перегретого пара с невысокими параметрами для разных производственных целей, а также в теплофикационных подогревателях для подогрева сетевой воды до 150 С и выше.
В замкнутых ГТУ роль теплофикационного подогревателя выполняет охладитель. Использование последнего не приводит к добавочным гидравлическим потерям в газовом тракте и к дополнительным капиталовложениям и, следовательно, является почти всегда экономически выгодным.
Система автоматического управления ГТУ обеспечивает полную автоматизацию пуска, синхронизацию электрогенератора, а также контроль необходимого числа параметров в эксплуатации. Возможен вариант пуска с ручной синхронизацией.
ГТУ выполняются в виде транспортабельных блоков полной заводской комплектации с учетом размещения их на открытой или закрытой площадке. Блоки оснащены системами отопления, вентиляции, освещения.
Среди причин, обусловивших нынешний всплеск интереса к энергетическому оборудованию ГТУ, следует отметить, прежде всего, их высокую экономичность, низкий уровень загрязнения окружающей среды и способность работать в режиме комбинированной выработки электроэнергии и тепла. Немалое значение имеют также такие факторы, как относительная дешевизна природного газа по сравнению с иными видами органического топлива.
На рисунке 1 представлена принципиальная схема теплофикационной ГТУ, на которой вырабатываются одновременно электроэнергия генератором 5 с приводом от свободной турбины и пар для производственных нужд в котле-утилизаторе 6. На рисунке изображены соответственно: компрессор 1, турбина компрессора 2, свободная турбина 3, камера сгорания 4, циркуляционный насос котла 7.
Энергоустановка будет обеспечивать потребителя электроэнергией. Электроэнергия будет вырабатываться электрогенератором, приводимым во вращение свободной турбиной за счет расширения газов выходящих из турбины компрессора до давления, близкого к атмосферному.
Для защиты лопаток компрессора от попадания посторонних предметов, перед ним устанавливается фильтр. Предполагается, что компрессор двигателя остается без изменения. Изменениям подвергнется камера сгорания в связи с заменой штатного топлива – керосина на более дешевое – природный газ.
Для утилизации теплоты уходящих газов вместо котла-утилизатора предлагается применять подогреватель сетевой воды (ПСВ).
ПСВ обеспечивает подогрев воды от температуры Т1ж = 10оС до Т2ж = 110 оС с расходом природного газа Gж=5,6 кг/с.
322
Рис. 1. Принципиальная схема теплофикационной ГТУ
Для работы ГТУ с подогревом воды в автоматическом режиме
предлагается разработать и внедрить автоматизированную систему управления на базе микропроцессорной техники.
Список литературы 1. Арьков Ю. Г.,Шайхутдинов З. Г. Конвертирование авиационных ГТД для использования в наземных энергетических установках. - Уфа: Изд. УАИ, 1986. 82 с. 2. Изотов С. П., Шашкин В. В. Авиационные ГТД в наземных установках. - Л.: Машиностроение, 1984. 228 с. 3. Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. Материалы межотраслевой выставки. М., 1975, вып. 1, 1–215. (ВИМИ). 4. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. – Л: Машиностроение, 1984 - 280с., ил.
323
Указатель имен
Абдурашитов Ш. Р.......................... 12 Абубакирова В. Ф. ........................ 218 Агзамова Г. М.................................. 96 Аитов И. Л. .................................... 267 Алексеев А. А. ................................. 83 Алексеев В. Ю. ................................ 18 Алтынбаева З. М. .......................... 290 Андреев Д. М................................. 294 Андреев М. В....................... 33, 51, 61 Арзамасцев Е. В. ........................... 170 Арсланов С. Г. ................................. 24 Асаинов Д. Н. .................................. 69 Афанасьев И. П. ............................ 150 Афанасьев К. Ю. .................... 216, 228 Афанасьева Т. И. ..................... 98, 244 Ахмадуллин А. Р. .......................... 220 Ахметзянов Р. Р............................. 279 Ахметова Е. И................................ 100 Ахметшин А. Р. ............................. 281 Бабикова Н. Л. ............... 223, 287, 296 Бабушкин Н. А. ............................. 303 Барышев М. В.................................. 77 Белов А. Р......................................... 45 Беляев С. В............................... 29, 128 Беляевский Р. В. ............................ 102 Берг О. И. ....................................... 313 Бикмурзин А. С. ............................ 251 Богданова Т. А............................... 114 Бодаква Д. В. ................................. 185 Бойкова О. А.................................... 16 Болдырев О. И. .............................. 171 Бородина Е. И................................ 157 Бронников М. А..................... 300, 315 Буланова О. В. ......... 26, 107, 178, 195 Буторин Д. Л.................................. 319 Вавилов В. Е. ................................... 16 Вавилова Т. Ю............................... 143 Валиахметов Р. И. ......................... 150 Васильева Н. Г............................... 173 Васильева О. В. ............................. 120 Вафин Л. Ш. .................................. 223 Вахитов К. Ш................................. 294
Вахитов М. Р. .................................116 Ведяскин Е. В.................................159 Волкова Т. Ю. . 24, 118, 292, 312, 317 Вурсал Д. Н. ...................................290 Габитов Р. Ф. ....................................85 Гайнетдинов Т. А...........................203 Галлямов Д. Ф. .................................22 Ганеев Р. Ш. .....................................25 Ганеева Г. Ф. ....................................90 Гапечкин В. В.................................253 Гареев А. Ш..............................37, 223 Гарипов Р. В. ..................................138 Гарипова Г. Т. ................................273 Гарифуллин М. Ш. ..........................41 Гизатуллин А. Р. ............................274 Гилимханов А. М...........................162 Гильманов Р. М..............................199 Гилязов Р. Ф. ....................................20 Гнусенкова Т. С. ............................174 Голяев Р. В. ....................................236 Горбунов А. С. ...............................174 Горсков А. С...................................109 Губайдуллина З. И.........................249 Гуляев Е. Н. ....................................207 Гурин С. В. .....................................150 Гуркин М. А. ..................................110 Демидович В. Б. .............................194 Дёмин Ю. К. ...................................176 Емельянов А. А. ...............................29 Жидков В. В. ..................................122 Журавлев П. Ю. .............................128 Зарипов А. Ш. ................................274 Захаров И. А. ....................................57 Зигангиров Л. Р..............................273 Зиганшин Т. Р. ...............................319 Зинатуллин И. Р. ............................313 Извольский М. А. ..........................107 Ионова Ю. В...........................178, 195 Исмагилов Т. С. ...............................65 Исмагилов Ф. Р. ...............................14 Исхаков А. И. .................................230 Ищейкина Т. М. .............................197
324
Кабаргина О. В. ............................. 106 Кадымов И. И. ............................... 147 Калинина Н. О. ................................ 77 Камалетдинова Р. Р....................... 267 Камалов Ф. А. ................................ 288 Караваев А. А. ............................... 180 Каримов В. И. ................................ 269 Каримов Р. Д.................................. 151 Кашбуллин Р. Р. ............................ 317 Кидяева Е. И. ................................. 309 Ким Ю. В. ........................................ 94 Киреев П. С...................................... 75 Кирсанов М. Л. .............................. 182 Киселев А. В. ................................... 94 Козин И. О. ...................................... 38 Козлов В. К. ..................................... 41 Колосницын Д. В. ......................... 271 Колчанова В. А.............................. 120 Корнеева М. А. .............................. 126 Короткин А. В. ................................ 53 Косоуров А. А. .............................. 311 Костюкова А. П. .............................. 81 Кривогузов К. А. ............................. 59 Кривогузова Ю. К. .......................... 59 Кружилин Н. В. ............................. 183 Крымов Б. С................................... 287 Куляпин В. М. ................................. 53 Кунусбаева Л. Р............................. 312 Логинова Т. М. .............................. 273 Лукашов Г. А. ................................ 226 Лукин А. А. .................................... 130 Маклакова А. В. ............................ 126 Максудов Д. В. .............................. 240 Малафеев А. В................................. 26 Мартынова Я. А. ........................... 114 Маслов Р. А. .................................. 160 Мельников С. В. ............................ 255 Меркулова Г. А. ............................ 114 Миронова И. С. ............................. 168 Морунов В. А. ............................... 248 Мугалимова А. Р. .......................... 110 Мукаева В. Р. ................................. 186 Муравьева Е. А.............................. 205 Мусин М. Н............................ 132, 152
Муфтиев С. Р..................................264 Мухаметшин А. М. ........................283 Мухин М. А. .....................................37 Нагай И. В. .......................................75 Назарова Л. В. ..................................47 Наумов О. В....................................188 Невьянцева Р. Р..............................186 Николаев А. Н. ...............................116 Николаев Н. А. .................................26 Никулин О. В. ................................104 Нугуманова А. Ф. ..................118, 242 Озеров А. Н. ...................................237 Панова Е. А. .....................................29 Паранькина А. С. ...........................232 Парфенов Е. В. .......................143, 186 Пашали Д. Ю....................16, 138, 294 Персиянов И. В. ...............................75 Полихач Е. А. .................................296 Полякова Л. Ю. ................................31 Потапчук Н. К. ...............................118 Прутик А. Ф. ........................33, 51, 61 Пушкарева А. З. ...............................47 Размахнин Н. Г.................................35 Рахимова И. М. ................................53 Рахманова Ю. В. ......................88, 249 Ризванова М. М..............................275 Роженцова Н. В..............................236 Ротанова Ю. Н........................178, 195 Рубан Н. Ю. ..........................33, 51, 61 Русакова Е. А. ..................................38 Сазонова Т. В. ..................................31 Сайгафаров М. Ф. ..........................277 Салахутдинов И. М. ........................67 Салимянов С. И..............................190 Самородов А. В..............................285 Санников А. М. ..............................305 Сарры И. С. ......................................77 Саттаров Р. Р. .........................287, 296 Саяпова Л. Р. ..................................156 Свирякин И. Г. ...............................237 Семенов В. В. .................................301 Сергеев М. П. .................................274 Сибиряков А. О..............................259 Сидоров С. А..................................192
325
Сиразетдинова Г. И....................... 163 Ситдиков Д. А. ................................ 42 Ситько П. А. .................................. 194 Смирнов М. А................................ 197 Соленок А. Г.................................. 138 Степанов И. В.................................. 49 Струевцева А. А. ........................... 124 Субботин М. В................................. 72 Тарасов В. М.................................. 107 Теплякова И. В. ............................. 201 Тимербулатов Т. А. ....................... 118 Тихончук Д. А. .............................. 246 Трунов А. А. .................................. 145 Украинцев А. В. .............................. 63 Фаррахов Д. Р. ............................... 140 Федоров А. А. ................................ 182 Федоровская А. И............................ 72 Федосов Е. М. .................................. 14 Федотов А. И. ........................ 188, 209 Фишман В. С. .................................. 72 Фокеев А. Е.................................... 262 Фомина И. Н. ................................. 165 Хабибуллин А. Я........................... 309 Хабиров А. Р.................................. 211 Хайбуллин А. Ф. ............................. 92 Хайруллин И. Х............................. 140 Хакимзянов Д. З. ........................... 113 Хаматнурова Л. Д.......................... 212 Хаматьянов Р. И. ........................... 309
Хардина А. Е. ...................................79 Хасанов М. И. ................................136 Хасанова И. Х. .................................47 Хузяхметова М. Т. .........................134 Цукублин А. Б..................................94 Цыва М. В.......................................157 Чан Минь ..........................................55 Чандра Рулит..................................307 Чащина С. А. ...........................216, 228 Шабарчин А. Л...............................260 Шабельникова А. Ю. .....................224 Шайбеков А. Ф. .............................301 Шаймарданов Х. Ф. .......................214 Шайсламов А. Ф. ...........................292 Шакирова А. И...............................166 Шапиро С. В...................................122 Шарипов Р. И. ................................257 Шартдинова Ю. Ф. ........................142 Шаяхметов Р. З. .............................136 Шеин А. В.........................................67 Шендрик П. А. .................................49 Шиянова Н. И.................................320 Юлуков А. М..................................242 Юрков Е. В. ....................................292 Юсупов И. Р. ..................................266 Якимова В. Г. .................................165 Ялалов И. Р.....................................298 Ямалов И. И....................................154
Научное издание
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи
2–3 ноября 2010 г.
Подписано в печать 27.10.2010. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.
Усл. печ. л. 20,4. Усл. кр-отт. 20,4. Уч-изд. л. 20,3. Тираж 150 экз. Заказ № 104.
ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Редакционно-издательский комплекс УГАТУ
450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12
Related Documents
