Адаптация режимов работы электромеханических комплексов шахтного водоотлива к графикам энергосистемы в условиях переменных водопритоков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Черняховский, Роман Леонидович

• Черняховский, Роман Леонидович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черняховский, Роман Леонидович

Введение.

1. Водоотливные установки глубоких шахт.

1.1. Общие сведения о шахтных водоотливных установках.

1.2. Шахтная вода и водопритоки.

1.3. Электропривод и автоматизация водоотливных установок.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. Гидромеханический комплекс шахтного водоотлива.

2.1. Характеристика шахтных центробежных насосов.

2.2. Работа шахтных насосов на сеть.

2.3. Пусковые режимы при работе насосов на сеть.

2.4. Границы зоны регулирования частоты вращения насосного 40 агрегата.

2.5. Системные особенности главной водоотливной установки.

3. Математическая модель водоотливной установки с частотно-регулируемым насосным агрегатом.

3.1. Математическая модель короткозамкнутого асинхронного электродвигателя.

3.2. Частотное регулирование электропривода насосного агрегата.

3.3. Реализация математической модели короткозамкнутого асинхронного двигателя в системе MatLab.

4. Исследование режимов работы главной водоотливной установки с частотно-регулируемым электроприводом.

4.1. Характеристики насосной установки при реализации различных законов изменения напряжения и частоты питания асинхронного электропривода насосного агрегата.

4.1.1. Изменение величины напряжения при неизменной частоте питания.

4.1.2. Изменение напряжения и частоты питания в соответствие с U/f=const.

4.1.3. Изменение напряжения и частоты питания в соответствие с U/f2=const.

4.1.4. Оценка результатов исследования характеристик 84 частотно-регулируемого электропривода.

4.2. Экспериментальные исследования частотно-регулируемого электропривода насосного агрегата.

5. Техническая реализация системы частотного регулирования производительности водоотливной установки.

5.1. Преобразователи частоты для короткозамкнутых асинхронных двигателей.

5.2. Технико-экономическая эффективность системы управления частотно-регулируемого привода насосов главного водоотлива.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптация режимов работы электромеханических комплексов шахтного водоотлива к графикам энергосистемы в условиях переменных водопритоков»

В энергетической стратегии России [77] предполагается значительный рост добычи угля (на 28% к 2010 г.), опережающий увеличение добычи газа и нефти (12% и 10%, соответственно). В то же время удельный вес постоянной составляющей в общем расходе электроэнергии на угольных шахтах (на вентиляцию, водоотлив, освещение и т.п.) в среднем по отрасли достигает 70%. Именно здесь происходят наибольшие непроизводительные потери электроэнергии [22].

Необходимость повсеместного применения энергосберегающих технологий заставляет, в первую очередь, оценить возможность улучшения энергозатратных характеристик шахтных водоотливных установок, мощность которых составляет в среднем 20%, а на глубоких и обводненных месторождениях доходит до 40% от мощности всех электроприемников шахты [58].

Проблемы шахтного водоотлива и методы регулирования подачи насосов неоднократно рассматривались в работах А.П. Германа, В.Г. Гейера, Г.М. Тимошенко, В.М. Попова, Н.Г. Картавого, В .Я. Карелина, В.В. Мазуренко. Частотно-регулируемому электроприводу посвящены работы М.И. Чиликина, А.С. Сандлера, В.В. Рудакова, И.М. Столярова, Г.Д. Онощенко.

В диссертации последовательно рассмотрены задачи исследования характеристик системы, состоящей из асинхронного электродвигателя, центробежного насоса и напорного трубопровода. В работе установлено, что существует возможность плавного регулирования подачи насоса на 40% при изменении частоты вращения асинхронного электродвигателя на 10%. Высокий коэффициент усиления по каналу «частота вращения» - «подача насоса» (3.5.4), в соответствии с терминологией систем, является системной особенностью шахтной водоотливной установки.

Изучение характеристик водоотливной установки выполнялось методом математического моделирования с помощью компьютерной модели в системе MatLab. Оценка адекватности модели проверялась путем исследования макета системы на стенде.

Возможность значительного изменения подачи в свою очередь обеспечивает отработку переменных водопритоков при их изменении на ±25% при сохранении заданной интенсивности откачки.

Изучение регулировочных характеристик шахтной водоотливной установки с частотно-регулируемым электроприводом выявило экстремальный характер зависимости удельных энергозатрат от частоты вращения с минимумом в зоне 0,9пном.0.94пном (пном — номинальная частота вращения насосного агрегата). При работе в этой зоне, названной «зоной эффективного регулирования», достигается уменьшение удельных энергозатрат на откачку воды на (4.6)%.

Для шахтной водоотливной установки с насосами ЦНС 300 540 и электродвигателем ВАО 2-560, мощностью 800 кВт рекомендуется применение тиристорного преобразователя частоты ПЧ-ТТП ОАО «Электровыпрямитель» и дополнительного комплекса приборов для контроля удельных энергозатрат и уровня воды в водосборнике.

Срок окупаемости системы — менее одного года.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Черняховский, Роман Леонидович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи энергосбережения на водоотливных установках глубоких шахт в условиях переменных водопритоков посредством организации процесса откачки воды в периоды между часами максимальных нагрузок энергосистемы, с применением насосных агрегатов с частотно-регулируемым электроприводом.

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Установлены и исследованы особенности электромеханического комплекса шахтного водоотлива, обеспечивающие возможность адаптации режимов шахтной водоотливной установки к графикам энергосистемы путем регулирования производительности установки изменением частоты вращения электроприводов насосных агрегатов в ограниченном интервале.

2. Разработаны математические модели работающего на трубопровод насосного агрегата с частотно-регулируемым электроприводом, реализованные в среде MatLab, что позволило выполнить исследования режимов работы насосных агрегатов при регулировании частоты вращения с различными законами изменения питающего АД напряжения.

3. Установлено, что для насосных агрегатов шахтных водоотливных установок наиболее эффективным является закон изменения частоты и напряжения питания АД U/f =const, при регулировании частоты вращения в пределах (1.05.0.9)пном уменьшается потребляемый ток и скольжение, и увеличивается кпд электродвигателя.

4. Установлен экстремальный характер зависимости величины удельных энергозатрат от частоты вращения электроприводов насосных агрегатов, причем минимальные удельные энергозатраты находятся в зоне (0.9.0.96)пНОм- При работе частотно-регулируемых электроприводов насосных агрегатов в указанной зоне величина удельных энергозатрат снижается.

5. Адекватность разработанных математических моделей подтверждена экспериментальными исследованиями макета частотно-регулируемого электропривода насосного агрегата на стенде, состоящим из преобразователя частоты, короткозамкнутого асинхронного двигателя, машины постоянного тока, регулируемого резистора, выпрямителя и комплекта измерительных приборов.

6. Разработаны рекомендации по составу технических средств контроля и управления, с помощью которых можно реализовать эффективные режимы частотно-регулируемого электропривода насосных агрегатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черняховский, Роман Леонидович, 2003 год

1. Автоматизация и автоматизированные системы управления в угольной промышленности. Под. ред. Братченко Б.Ф. М., Недра. 1976.383с.

2. Автоматизированный электропривод. Под общ. ред.Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. -М.: Энергоатомиздат,1990.

3. Асинхронные двигатели общего назначения. Е.П. Бойко, Ю.В. Гаинцев, Ю.М. Ковалев и др. М., Энергия, 1980.

4. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболевская. — М.: Энергоиздат, 1982.-504с.

5. Барков В.А. Энергетическая электроника в автоматизированном электроприводе. СПб.: Нестор, 1999.

6. Бармин А. Ташлицкий М. Преобразователи частоты фирмы Siemens. М. СТА-Пресс. Современные технологии автоматизации. №4(17) 2000. с.6-19.

7. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.—392с.

8. Беликов П.Ф. Определение времени разгона воды в трубопроводе водоотливного агрегата. Сб. Водоотлив глубоких шахт под ред. Нечушкина Г.М., Борисенко К.С. М. «Недра» 1967. с. 72-76.

9. Борохович А.И. Некоторые вопросы водоотлива из глубоких рудников и шахт с большими притоками воды сб. Водоотлив глубоких шахт под ред. Нечушкина Г.М., Борисенко К.С. М. «Недра» 1967. с. 39-42.

10. О.Булгаков А.А. Частотное управление асинхронным электроприводом. М.: Наука. 1966. 296с.

11. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы. М.: Высшая школа, 1978.

12. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М.: Недра, 1987.

13. З.Герман-Галкин С.Г. Моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие.- СПб.: Корона принт, 2001. 320с.

14. М.Гладилин JI.B. Основы электроснабжения горных предприятий. М., Недра, 1978.

15. Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. JI.: Энергия. 1966. 183с.

16. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MatLab. СПб.: Питер. 2000.

17. Данильчук Г.П., Шевчук С.П., Василенко П.К. Автоматизация электропотребления водоотливных установок. Киев Техника. 1981. 100с.

18. Дмитриенко Ю.А. Регулируемый электропривод насосных агрегатов. Кишинев: Штиинца, 1985.

19. Дьяконов В.П. Аброменкова И.В. MatLab 5 с пакетами расширений. М.: Нолидж. 2001.

20. Дьяконов В.П. Аброменкова И.В. MatLab 5. Система символьной математики. М.: Нолидж. 1999.

21. Ершов В.Н. Неустойчивые режимы турбомашин. М., Машиностроение. 1966. 178 с.22.3акиров Д.Г. Концептуальные проблемы энергосбережения в угольной промышленности России. Уголь №3. 2001. с. 13-16.

22. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. M-JL, Госэнергоиздат, 1960.

23. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учеб. Для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1992.

24. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1986.

25. Картавый Н.Г. Стационарные машины. М., Недра. 1981.

26. Картавый Н.Г., Топорков А.А. Шахтные стационарные установки. М., «Недра», 1978. 263 с.

27. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: Изд. МЭИ. 2000.

28. Климов А.Н. Энергосбережение в Ml ill "Орелводоканал". Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы» №7 июль 2002 г (источник: http://www.etx.ru/kli .htrrp

29. КлючевВ.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат. 1985. 560с.

30. Ковач К.П., Рац Н. Переходные процессы в машинах переменного тока. Д., Госэнергоиздат, 1963.

31. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1994. -496 с.

32. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А., Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат. 1994. 504с.

33. Козлов М. Чистяков А. Эффективность внедрения системы с частотно-регулируемыми приводами. М. СТА-Пресс. Современные технологии автоматизации. №1 (18) 2001. с.76-82.

34. Колпаков А.И. Рекомендации по разработке частотных преобразователей средней и большой мощности. СПб.: ОАО "Новая ЭРА", 2001.

35. Копылов И.П., Мамедов Ф.А., Беспалов В.Я. Математическое моделирование асинхронных машин. М., Энергия, 1969.

36. Кривченко Г.И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. М.: Энергоатомиздат, 1983.

37. Лазарев Ю. MatLab 5.Х. Киев: Ирина, BHV. 2000.

38. Леви Л.З. Прогноз максимального водопритока в горные выработки вероятностно- статическими методами. М., Недра. 1971. 96с.

39. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М. Энергоиздат, 1991.

40. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках.- М.: ИК «Ягобра» «Биоинформсервис», 1998.

41. Лезнов Б.С., Чебанов В.Б., Зверева Л.Н. Условия эффективного использования регулируемого электропривода. Водоснабжение и санитарная техника. 1994. №10.

42. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Изд. Машиностроение. 1966.

43. Мазуренко В.В. Улучшение энергетических показателей шахтной водоотливной установки. Горный журнал № 5. 1993. с. 52-56.

44. Марцинковский В.А. Гидродинамика и прочность центробежных насосов. М., 1971.

45. Масандилов Л.Б., Москаленко В.В. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1978.

46. Математические модели и расчет электромагнитных систем. О.В. Иванов, П.М. Каменев. СПб., изд. СПГТИ. 2000.

47. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. MatLab 5 для студентов. М.: Диалог-Мифи. 1999.

48. Методика определения числа насосов, диаметра и количества трубопроводов, выбор коммутационной схемы шахтныхводоотливных установок. Под. ред. Г.И. Кирокасьян. Донецк ВНИИГМ. 1987.

49. Методика расчета режимов параллельной работы насосов водоотлива шахт имеющих большие притоки. Под. ред. А.И. Скаковой. Донецк ВНИИГМ. 1979.

50. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат. 1986. 416с.

51. Москаленко В.В. Современные системы автоматизированного электропривода. М., Высшая школа, 1980.53.0нищенко Г.Д., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов.

52. М., «Энергия», 1972. 240 с. 54.0сновы электротехники. Под. ред. К.А. Круга. JI., Госэнергоиздат. 1952.

53. Пак B.C. Гейер В.Г. Рудничные вентиляторы и водоотливные установки. -М.: Углетехиздат, 1955.

54. Попов В.М. Автоматизация рудничного водоотлива. Гос. научно-техн. изд. лит. по горному делу. М., 1960. 360 с.

55. Попов В.М. Водоотливные установки: Справочное пособ. — М.: Недра, 1990.

56. Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1983.

57. Попов В.М. Шахтные насосы (теория. Расчет и эксплуатация): Справочное пособ. М.: Недра, 1993.

58. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. 2-е изд., перераб. и доп. М., «Высшая школа», 1975.

59. Потемкин В.Г. Инструментальные средства MATLAB 5.Х. М.: Диалог-Мифи, 2000. 332 с.

60. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. Per. Госгортехназор, М. Недра, 1994, 234с

61. Рипп М.Г. Обобщение исследований по переходным процессам в водоотливных установках сб. Водоотлив глубоких шахт под ред. Нечушкина Г.М., Борисенко К.С. М. «Недра» 1967. с. 64-71.

62. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. JL: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние,1987.

63. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М., Энергия, 1974.

64. Сарваров А.С. Расширение диапазона частотного регулирования двигателей переменного тока. Привод и управление № 3. 2000.

65. Сипайлов Г.А., Лоос А.В. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высш. Школа, 1980. - 176 с.

66. Соловьев А.С., Гринберг Я.П., Абарцумян Н.А. Электропривод машин и установок шахт и рудников. Л., изд. ЛГИ. 1986.

67. Специальные электрические машины для горноы промышленности. В.В. Рудаков, И.М. Столяров. Л., изд. ЛГИ. 1981.

68. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шинянякого. М.: Энергоатомиздат, 1983. — 616 с.

69. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под. ред. И.П Копылова и Б.К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1988.

70. Столяров И.М. Электрические машины. Л., изд. ЛГИ, 1975.

71. Столяров И.М., Рудаков В.В. Электромеханические преобразования. Л., изд. ЛГИ. 1978.

72. Столяров И.М., Слепцова З.Б. Частотное регулирование машин переменного тока для рудничных приводов. Л., изд. ЛГИ. 1983.

73. Строительство группового водоотливного комплекса пласта 8 шахты «Интинская» в связи с ликвидацией ш. «Глубокая» АО «Интауголь». СПб., ГИПРОШАХТ, 1997.

74. Теория автоматизированного электропривода. Чиликин М.И., Сандпер А.С. М.: Энергия, 1979. - 616 с.

75. Фаворский . Россия ближайшие 20 лет. Вестник академии наук том 71 №1.01.2001.

76. Фадин В.А. Исследование насосов МС в промышленных условиях. Водоотлив глубоких шахт. Труды Всесоюзного научно-технического семинара по водоотливу глубоких шахт. М., Недра, 1967, С77-85.

77. Черняховский P.JI. Особенности водоотливных установок глубоких шахт. Записки Горного института. Т. 150. Часть 2. 2002. с. 106-108

78. Черняховский P.J1. Системный анализ для решения промышленных проблем. Сборник трудов молодых ученых СПГТИ. Выпуск 7.2001. с. 155-158.

79. Школьников А. Д., Марков Д.А. Особенности управления водоотливных установок шахт в условиях переменных водопритоков. С-Пб. СЗПИ, Межвуз. сб. вып. 17, 1999.

80. Школьников А.Д., Черняховский Р.Д., Регулирование частоты вращения насосных агрегатов. Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. Вып. 28. СПб.: СЗТУ, 2002. с. 8186.

81. Школьников А.Д., Черняховский Р.Д., Управление производительностью шахтной водоотливной установки изменением частоты вращения электропривода насосного агрегата. СЗТУ, сб.: Проблемы машиноведения и машиностроения, 2001, вып. 23. с. 104-109.

82. Электрические машины. Основы теории электромеханических преобразований. И.М. Столяров. JL, изд. ЛГИ. 1975.

83. Электрические преобразования. И.М. Столяров, В.В. Рудаков. Л., изд. ЛГИ. 1978.

84. Электромагнитная и электромеханическая совместимость в электрических системах с полупроводниковыми преобразователями. В.И. Вершинин, Э.А. Загривный, А.Е. Козярук. СПб., изд. СПГГИ. 2000.

85. Колебание средних месячных водопритоков (Qnp) в течение 1997 года

86. Месяц 1997год ш. "Северная", средний месячный водоприток, Qnp, м /ч ш. "Октябрьская", средний месячный водоприток, Qnp, м /ч1 221 2242 228 2103 235 2394 246 2365 241 2156 316 2377 427 2438 253 2369 295 22010 249 23711 219 21712 238 220

87. Средний месячный водопритокводоприток (м*м*м)/ч450 400 350 300 250 200 150 100 50 01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12месяцыш. "Северная", средний месячный водоприток, Qnp ■ ш. "Октябрьская", средний месячный водоприток, Qnp

88. Колебания средних сменных водопритоков (Qnp), ш. Северная.

89. Результаты исследования системы «насос трубопровод» в условиях шахтного водоотлива с центробежными насосами серии ЦНС.

90. На рисунках представлены 4 зависимости:1. Л/г \ пМ