Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Водоснабжение, канализация

Диссертационная работа:

Николаев, Валентин Георгиевич. Энергосберегающие методы управления режимами работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.04 / Николаев Валентин Георгиевич; [Место защиты: НИИ ВОДГЕО].- Москва, 2010.- 375 с.: ил. РГБ ОД, 71 11-5/69

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проблемы

Рост потребления электроэнергии в нашей стране за последнее десятилетие значительно превышал темпы ввода в эксплуатацию генерирующих мощностей, что привело к образованию дефицита резерва свободной мощности в большинстве регионов России. Проблема дефицита мощности может решаться двумя путями: либо наращиванием темпов строительства и ввода генерирующих мощностей, либо путем рачительного расхода производимой энергии и внедрением новейших энергосберегающих технологий. Необходимо учитывать, что затраты на создание 1 кВт генерирующей мощности составляют от 1500 до 2000$ США, тогда как затраты на внедрение современных энергосберегающих технологий соответственно равны от 100 до 250$. Кроме того, сроки строительства и ввода в действие тепловых, атомных и гидроэлектростанций составляют от 5 до 10 лет и требуют значительных инвестиций, тогда как результаты экономии энергии при внедрении энергосберегающих технологий могут быть получены в ближайшие один-два года.

Поэтому снижение потребления энергии в нашей стране в настоящее время представляет важнейшую народно-хозяйственную проблему, основные направления решения которой сформулированы в Федеральном законе «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» №261-ФЗ от 23.11.09 г. Одним из крупнейших потребителей электроэнергии в стране (более 20%) являются лопастные насосные агрегаты, большая часть которых используется в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве.

Одним из наиболее эффективных способов экономии энергии в насосных установках, работающих с переменной нагрузкой, является применение регулируемого электропривода (РЭП). Приведенный в работе анализ результатов применения РЭП показал, что в одних случаях его установка приводит к ощутимой экономии энергии, в других – она незначительна, в-третьих, установка привода не обеспечивает получение её экономии. Исследование методов и форм применения регулируемого привода свидетельствует о том, что на практике чаще всего используются технически наиболее простые, а экономически наименее эффективные способы управления насосными установками, такие, как стабилизация давления на выходе из насоса. Степень использования потенциала энергосбережения, при этом, составляет не более 15-30%, что приводит к тому, что большая часть потенциала, даже после установки регулируемого привода остается невостребованной. Одной из основных причин такого положения является недостаточная изученность влияния РЭП на работу систем водоснабжения и водоотведения.

В диссертационной работе проблема внедрения современных энергосберегающих технологий на основе использования регулируемого привода в системах ВиВ решается путем создания математической модели виртуального насоса и математического моделирования гидродинамических систем «приемный резервуар – насосная установка – трубопроводная система». Для минимизации затрат энергии при работе насосных установок решен целый ряд оптимизационных задач с разработкой принципиально новых методов определения оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления им. С целью оптимального распределения нагрузки между параллельно подключенными агрегатами с различными характеристиками использовались оптимизационные методы неопределенных множителей Лагранжа и проекций градиента.

Диссертационная работа выполнена на опытно-промышленных установках и промышленных объектах, а также на кафедрах «Гидравлика» и «Коммунальное и промышленное водопользование» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства (МГАКХиС).

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлось развитие научных основ энергосбережения при работе насосных установок систем водоснабжения и водоотведения на базе их математического моделирования с использованием современных информационных технологий и оптимизационных методов.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи.

  1. Обосновать выбор объективного критерия для оценки энергоэффективности работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения (ВиВ) и составить рекомендации для определения имеющегося потенциала энергосбережения.

  2. Выполнить анализ фактических режимов работы насосных установок систем ВиВ и обобщить имеющуюся информацию об эффективности различных способов управления.

  3. Исследовать влияния нарушений условий гидродинамического подобия гидромашин на КПД лопастного насоса и пересчет его характеристик. Данные нарушения возникают в результате изменения частоты вращения рабочего колеса при поддержании минимально-допустимых напоров в диктующей точке водопроводной сети (при наличии статической составляющей поддерживаемого напора).

  4. Разработать математическую модель функционирования виртуального и реального насосного агрегата при оснащении их регулируемым приводом и без его использования.

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

  6. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления насосной установкой с одним насосным агрегатом с учетом возможности применения регулируемого привода.

  7. Исследовать особенности работы насосных агрегатов с регулируемым приводом в составе группы при их параллельном подключении.

  8. Решить оптимизационную задачу минимизации затрат энергии при работе группы параллельно подключенных агрегатов, имеющих различные характеристики с оптимальным распределением нагрузки между ними.

  9. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления при работе группы параллельного подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом и без его использования при переменной нагрузке.

  10. Разработать практические рекомендации по снижению потребления электроэнергии насосными установками в системах водоснабжения и водоотведения.

Научная новизна.

  1. Впервые установлено, что базовым (эталонным) значением максимальной энергоэффективности, необходимым для определения потенциала энергосбережения насосных установок систем ВиВ, является теоретический минимум целевой функции минимизации затрат энергии, который может быть достигнут в том случае, если напор в диктующей точке водопроводной системы или на выходе из насосной установки (для систем водоотведения) на всем диапазоне изменения подачи будет минимально допустимым, а отклонения КПД от своего максимального значения равны нулю.

  2. Впервые введено новое понятие «виртуальный насос» и созданы математические модели виртуальных и реальных насосных установок, работающих с постоянной и переменной частотой вращения рабочих колес. Разработка математической модели виртуального насосного агрегата открывает принципиально новые возможности для исследования энергоэффективности работы сложных гидродинамических систем «резервуар – насосная установка – трубопроводная система».

  3. Разработана принципиально новая методика определения оптимальных параметров насосных установок, обеспечивающих их максимальную энергоэффективность для заданных технологических условий. Выбор параметров насоса осуществляется путем решения оптимизационной задачи минимизации затрат энергии на всех возможных режимах его работы, с вычислением параметров наиболее эффективного виртуального насоса. Затем по полученным параметрам виртуального насоса подбирается реальный насос, параметры которого наиболее близки к виртуальному.

  4. Впервые разработана методика определения области возможных режимов работы насосного агрегата с регулируемым приводом и учетом имеющихся ограничений при его эксплуатации: помпажу, кавитации, КПД, мощности электродвигателя привода, максимальному и минимальному значениям частоты вращения рабочего колеса. Определение границ области допустимых режимов обеспечивает возможность исследования совместимости характеристик насосных агрегатов при оценке целесообразности и эффективности включения их в совместную работу.

  5. Впервые путем сканирования области возможных режимов работы насосов получены дифференциальные характеристики и для ряда насосных агрегатов отечественного и зарубежного производства. Исследование характера поведения полученных зависимостей обеспечивает возможность выбора оптимизационного метода для решения задач, связанных с оптимальным распределением нагрузки между насосными агрегатами при их совместной (параллельной или последовательной) работе.

  6. Впервые для группы параллельно подключенных агрегатов, имеющих различные характеристики и работающих с переменной нагрузкой, решена задача одновременной оптимизации состава и режимов их работы с использованием специальной матрицы возможных состояний агрегатов. Для оценки надежности и достоверности полученных результатов задача минимизации затрат энергии была решена двумя различными оптимизационными методами: неопределенных множителей Лагранжа и проекций антиградиента (т.к. определялся минимум энергетического функционала).

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований режимов работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения коммунального хозяйства, современных промышленных и сельскохозяйственных предприятий и позволяют с высокой степенью достоверности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих насосных станций систем водоснабжения и водоотведения сточных вод коммунального и промышленного происхождения.

Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конструктивно-технологических характеристик систем водоснабжения и водоотведения.

Апробация работы.

На базе проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации и научно обоснованы методы снижения энергопотребления насосного оборудования систем водоснабжения и водоотведения.

Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», г. Москва, внедрены в ОАО «Органический синтез», г. Казань, в системе оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой завода по производству Бифенола-А; ООО «Рузские тепловые сети», г. Руза Московской обл., при пуско-наладочных работах системы горячего водоснабжения центрального теплового пункта (ЦТП) №2, канализационной станции и водозаборного узла, г. Руза, канализационной станции и ЦТП №5 п. Тучково Московской обл.; системы аэробной биологической очистки сточных вод животноводческого комплекса ЗАО «Кузнецовский» Московской обл.; при реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции (КОС), Когалымское МУП «Водоканал», г. Когалым;

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

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 35 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, сборниках трудов конференций, симпозиумов и международных конгрессов, в числе которых патент на изобретение и 16 работ, опубликованных в журналах, входящих в Перечень изданий ВАК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 375 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 67 таблиц и 11 приложений. Библиография включает 210 наименований, из которых 78 на иностранных языках.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net