Повышение эффективности циркуляционных систем горячего водоснабжения средствами регулируемого электропривода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Штин, Евгений Николаевич

• Штин, Евгений Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Штин, Евгений Николаевич

Введение

Глава 1. Энерго- и ресурсосбережение в системе водоснабжения средствами регулируемого электропривода

1.1. Актуальность энерго- и ресурсосбережения в ЖКХ

1.2. Технологическая схема и электропривод основных механизмов тепловых пунктов

1.3. Задачи экономии тепловой и электрической энергии в системе горячего водоснабжения

Глава 2. Разработка математической модели и исследование технологических свойств системы горячего водоснабжения

2.1. Описание системы ГВС жилых зданий

2.2. Эквивалентная схема ГВС. Условия и допущения

2.3. Математическое описание

2.4. Структурная схема модели системы горячего водоснабжения

2.5. Расчет тепловых потерь в циркуляционном контуре

2.5.1. Модель системы ГВС характерной ЦТП г. Москвы

2.5.2. Тепловые потери при нерегулируемом электроприводе циркуляционного насоса

2.5.3. Влияние угловой скорости электродвигателя насоса ГВС

2.5.4. Влияние температуры наружного воздуха

2.5.5. Влияние протяженности трубопровода

Глава 3. Экспериментальная оценка возможностей энергосбережения средствами регулируемого электропривода

3.1. Методика проведения экспериментов

3.2. Исследование режима тепло- и водопотребления при нерегулируемом электроприводе

3.3. Исследование контура горячего водоснабжения при уменьшении скорости вращения электропривода насоса

3.4. Определение целесообразности регулирования электропривода от расхода горячей воды

Глава 4. Разработка и реализация алгоритма управления электроприводом

4.1. Разработка алгоритма управления

4.2. Проверка разработанного алгоритма управления на математической модели

4.3. Реализация автоматической системы управления электроприводом циркуляционного насоса

4.4. Экспериментальное исследование эффективности разрабатываемого способа энергосбережения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности циркуляционных систем горячего водоснабжения средствами регулируемого электропривода»

Системой централизованного горячего водоснабжения (ГВС) в России к 2007 г. оборудовано 63% всех жилых и общественных зданий, а на его долю приходится 30-40% от общего теплопотребления [1]. В отличие от системы отопления, тепловая нагрузка в системе ГВС — круглогодичная и носит переменный характер. Так, в течение суток пики теплопотребления во многом зависят от состава и распорядка рабочего дня жителей, а в течение года в летний период теплопотребление существенно ниже, чем в зимний из-за более высокой температуры воды в городском водопроводе и меньших тепловых потерь в трубопроводах [2].

Наибольшее распространение получили циркуляционные системы ГВС, в которых полотенцесушители и водоразборные краны подключаются к напорному трубопроводу, а возвращается вода по обратному (или циркуляционному) трубопроводу. Комфортная температура воды у потребителей (не ниже 50 °С) и температура воздуха в ванных комнатах (около 25 °С) поддерживается за счет принудительной циркуляции, создаваемой электроприводом насоса ГВС. Подключение циркуляционных систем ГВС жилых зданий к тепловой сети и к городскому водопроводу осуществляется, как правило, через тепловые пункты, общее число которых в России к 2006 г. составляло около 23 тыс. [1], причем на долю Москвы приходится 40% всех тепловых пунктов Российской Федерации. В ней располагается около 42 районных тепловых станций (РТС), 6 тыс. центральных тепловых пунктов (ЦТП) и 3 тыс. индивидуальных тепловых пунктов (ИТП), обслуживающих порядка 50 тыс. жилых и общественных зданий города [3].

В тепловом пункте располагаются электроприводы насосов различного назначения: повысительные, вспомогательные, в том числе и электропривод циркуляционных насосов ГВС. В нем может находиться от 4 до 15 электроприводов, а число подключенных зданий доходит до двадцати.

Несмотря на широкое распространение циркуляционных систем ГВС, их эффективность работы в большинстве случаев находится на невысоком уровне: не обеспечивается нормативный напор и температура в местах водоразбора; плохо прогреваются полотенцесушители; имеет место завышенный циркуляционный расход в системе [4]. Все это приводит к значительному перерасходу электроэнергии на циркуляцию, а также сливу охлажденной воды в канализацию с потерями тепла и воды.

До недавнего времени повышение эффективности систем ГВС осуществлялось за счет реализации следующих мероприятий.

- Применение новых изоляционных материалов трубопроводов, имеющих более низкий коэффициент теплопроводности (около 0,033 Вт/(м-К)) [5,6].

- Замена кожухотрубных водонагревателей на пластинчатые теплообменники, что позволяет поддерживать невысокое падение напора на них в процессе эксплуатации и снизить трудоемкость очистки бойлеров от нарастаний. [7];

- регулирование напора в системе водоснабжения путем внедрения преобразователей частоты на электропривод хозяйственно-питьевых насосов.

По известным оценкам [1] проведение мероприятий по уменьшению тепловых потерь в существующих системах ГВС путем улучшения качества изоляционного слоя трубопроводов, регулирования температуры и давления позволяет уменьшить теплопотребление в системе до 12%. Однако, более значительное энергосбережение, как показано в [7] и [8], может достигаться изменением циркуляционного расхода.

Завышенная циркуляция - одна из самых частых причин нарушения гидравлического режима систем горячего водоснабжения и избыточных тепловых потерь в системе [7]. Она может быть заложена на стадии проектирования, либо вызвана проведением энергосберегающих мероприятий, направленных на уменьшение тепловых потерь в системе и уменьшение гидравлического сопротивления системы. В данной ситуации единственным способом уменьшения величины тепловых потерь является снижение температуры нагрева отправляемой потребителям воды. Но такой способ ведет к ухудшению качества водоснабжения.

Наиболее приемлемым вариантом может стать применение регулируемого электропривода циркуляционного насоса в системе ГВС. Уровень технического потенциала в этой области высок, а удельная стоимость преобразователей частоты в последнее время планомерно снижается. Кроме того, имеет место положительный опыт внедрения частотно-регулируемого электропривода на многих объектах теплоэнергетики [9-14].

Таким образом, внедрение регулируемого энергосберегающего электропривода в системе ГВС является актуальной проблемой, что позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Цель диссертационной работы - комплексное энергосбережение в системе горячего водоснабжения зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1. Анализ электроприводов и систем горячего водоснабжения на центральных тепловых пунктах с выявлением особенностей технологических схем и уточнением номенклатурного ряда электроприводов насосов.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности экономии тепловой и электрической энергии как нового направления энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве города.

3. Разработка математической модели системы горячего водоснабжения, позволяющей исследовать режимы тепло- и водоснабжения с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов.

4. Разработка алгоритма управления электроприводом циркуляционного насоса с учетом необходимых ограничений, предотвращающих снижение качества тепло- и водоснабжения.

5. Внедрение регулируемого электропривода циркуляционного насоса на действующих объектах теплоэнергетики и экспериментальное подтверждение эффективности разработанного алгоритма.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Теоретически и экспериментально выявлена новая зона экономии тепловой и электрической энергии, расходуемых на горячее водоснабжение зданий без снижения качества тепло- и водоснабжения.

2. Разработана адекватная математическая модель системы горячего водоснабжения, пригодная для исследования режимов тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки и внешних возмущающих факторов.

3. Разработан и экспериментально подтвержден алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса, обеспечивающий экономию тепловой и электрической энергии без снижения комфортности тепло- и водоснабжения.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Штин, Евгений Николаевич

Выводы по Главе 4

1. Разработан алгоритм управления электропривода циркуляционного насоса системы ГВС, обеспечивающий изменение скорости вращения в функции расхода горячей воды потребителями.

2. Реализация алгоритма управления на модели показала экономию 16,2% тепловой энергии в циркуляционном контуре без снижения комфортности тепло- и водоснабжения жильцов.

3. Разработана схема подключения вентильно-индукторного электропривода циркуляционного насоса к существующей системе энергоснабжения оборудования на примере ЦТП аб. №04-04-0212/025 г. Москвы.

4. Проведен анализ энергосбережения разработанным электроприводом циркуляционного насоса на пяти тепловых пунктов г. Москвы, показавший среднюю экономию тепловой энергии 8,9%, электрической энергии - 56%.

Заключение

Проведенное в диссертационной работе исследование влияния режимов работы электропривода циркуляционного насоса на тепловые потери в системе горячего водоснабжения позволило разработать алгоритм управления насосом, существенно снижающий потребление тепловой и электрической энергии на тепловых пунктах. При этом в работе были достигнуты следующие результаты:

1. Анализ крупного массива тепловых пунктов подтвердил необходимость разработки регулируемого электропривода насоса ГВС ориентированного на мощность электродвигателя до 7,5 кВт в циркуляционной схеме.

2. Разработана адекватная математическая модель функционирования циркуляционного контура системы горячего водоснабжения, позволяющая исследовать режимы тепло- и водопотребления с учетом особенностей присоединенной тепловой нагрузки, внешних возмущающих факторов и скорости вращения электропривода циркуляционного насоса.

Исследование на модели и эксперименты, проведенные для наиболее характерного теплового пункта г. Москвы с мощностью электродвигателя насоса 2,2 кВт, показали возможность уменьшения тепловых в системе ГВС при регулировании электропривода насоса от расхода потребляемой горячей воды без снижения комфортности водоснабжения у жильцов.

3. Разработан алгоритм управления электроприводом циркуляционного насоса с возможностью его адаптации к условиям конкретного ЦТП.

Эффективность алгоритма управления была подтверждена на шести тепловых пунктах, а его реализация, осуществлена на базе вентильно-индукторного электропривода. Экономия составляет 7-9% тепловой и 60% электрической энергии от общей, потребляемой на ГВС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Штин, Евгений Николаевич, 2010 год

1. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения в России и за рубежом / Центр по эффективному использованию энергии. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.cenef.ru/file/Heat.pdf (дата обращения: 24.02.2010).

2. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. -472 е.: ил.

3. Московская объединенная энергетическая компания. URL: http ://www.oaomoek.ru (дата обращения: 24.02.2010).

4. Рохлецова T.J1. Горячее водоснабжение: Учеб. пособие. НГАСУ, 2005

5. Агапов Р.В. Энергосбережение в ОАО «Московская теплосетевая компания» // Энергосбережение, 2009. №1. с.54-55.

6. Хаванов П.А., Беккер B.JL Пути повышения эффективности тепло-и энергоснабжения Москвы // Энергосбережение. 2006. № 3.

7. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения: H.H. Чистяков, М.М. Грудзинский, В.И. Ливчак, Е.И. Прохоров. М.: Стройиздат, 1988. 270 е.: ил.

8. Пырков В.В. Современные тепловые пункты. Автоматика и регулирование. К.: II ДП «Таш справи», 2008. 252 е., ил.

9. Крылов Ю.А. Разработка энерго-ресурсосберегающих технологий в топливно-энергетическом хозяйстве города на основе современного электропривода. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 2008.

10. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в центробежных машинах средствами электроприводами // Вестник МЭИ. 1995. №1 с.53.

11. Ильинский Н.Ф. Регулируемый электропривод. Энерго- и ресурсосбережение // Приводная техника. 1997. № 3.

12. Ильинский Н.Ф., Шакарян Ю.Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. М.: Минтопэнерго РФ, 1997.

13. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиздат, 1991. 144 с.:ил.

14. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый электропривод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006.360 с.:ил.

15. Федеральная служба государственной статистики. URL: http://www.gks.ru (дата обращения: 24.02.2010).

16. Байдаков С.Л., Гашо Е.Г., Анохин С.М. ЖКХ России. М.: Издательский дом МЭИ, 2004.

17. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года/ Утверждена Правительством Российской Федерации от 28 августа 2003 года. № 1234-Р.

18. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2004.

19. Ремезов А.Н. МОЭК готова поделиться опытом с коллегами из регионов // Энергия столицы. Газета Московской объединенной энергетической компании. 2007. № 10.

20. Паньшин A.C., Крылов Ю.А. Комплекс энергосберегающих мероприятий по модернизации центральных тепловых пунктов // Промышленная энергетика. 2001. № 3,

21. Крылов Ю.А. Опыт внедрения регулируемого электропривода в ЖКХ крупного города // Электро. 2007. № 4.

22. Ремезов А.Н., Сорокин A.B. Некоторые аспекты применения частотно-регулируемого электропривода на теплоснабжающих предприятиях ЖКХ // Приводная техника. 2007. № 3.

23. Крылов Ю.А. Тепловая станция как объект автоматического регулирования // Промышленная энергетика. 2008. № 3.

24. Ильинский Н.Ф., Москаленко В.В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2008.

25. Бычкова Е.В., Сарач Б.М., Штин E.H. Опыт использования регулируемого электропривода в системе горячего водоснабжения // Вестник МЭИ. 2009. №1. с. 183.

26. СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов.

27. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

28. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

29. Разработка рекомендаций по применению регулируемого привода для хозяйственно-пожарных насосов // Научно-техн. отчет, ТОО «ТВА», руководитель работ Чистяков H.H. М., 1995.

30. Ильин В.К. Сравнительные варианты модернизации ЦТП на примере конкретного объекта// Энергосбережение, 2008. №1. с.32-35.

31. Штин E.H. Теоретическое обоснование применения регулируемого электропривода циркуляционных насосов в системе горячего водоснабжения // Электропривод и системы управления: Труды МЭИ. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 72 с.

32. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике: Учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2004. 84с.

33. Литвин A.M. Теоретические основы теплотехники, изд. 6-е, переработанное и дополненное, М.: «Энергия», 1969. 328с.

34. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления: Изд. 4-е, перераб. и доп. СПб: Изд-во «Профессия», 2003. 752с.

35. Загидуллин Р. Ш., Карутин С. Н., Стешенко В. Б. SystemView. Системотехническое моделирование устройств обработки сигналов. М.: Горячая Линия Телеком, 2005 г. 296с.: ил.

36. Государственная система обеспечения единства измерений. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя: Рекомендация МИ 2412-97. ГОССТАНДАРТ РОССИИ, 1997.

37. Пат. 2380619 / Способ снижения расхода тепловой и электрической энергии в циркуляционной системе горячего водоснабжения / Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Кочанов Ю.И., Крылов Ю.А., Ильинский Н.Ф., Бычкова Е.В., Штин E.H. // ИБ. 2010. №3.

38. Пат. 81790 / Циркуляционная система горячего водоснабжения. Полезная модель / Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Кочанов Ю.И., Крылов Ю.А., Ильинский Н.Ф., Бычкова Е.В., Штин E.H. // ИБ. 2009. №9.

39. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современном электроприводе // Научно-технический семинар «Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения». Тезисы докладов. М.: МЭИ, 1996.

40. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок // Приводная техника. 1998. № 3.

41. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод -проблемы и перспективы развития // Доклады научно-практическогосеминара «Вентильно-индукторный электропривод». М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

42. Проектирование вентильно-индукторных машин общепромышленного назначения / Ильинский Н.Ф., Штайнбрунн Й., Прудникова Ю.И. и др. // Вестник МЭИ. 2004. № 1.

43. Вентильно-индукторный электропривод перспективы применения / Ахунов Т.А., Макаров JT.H., Бычков М.Г., Ильинский Н.Ф. // Приводная техника. 2001. № 2.

44. Вентильно-индукторный электропривод перспективы применения / Т.А. Ахунов, Л.Н. Макаров, Н.Ф. Ильинский, М.Г. Бычков // Материалы 2-й Международной конференции «Состояние, разработка и перспективы применения ВИП». М.: Интерэлектро, 2001.

45. Цифровое векторное управление вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением / Козаченко В.Ф., Анучин A.C., Жарков A.A., Дроздов A.B. // Компоненты и технологии. 2004. № 8.

46. Электропривод на базе вентильных индукторных машин с электромагнитным возбуждением / Козаченко В.Ф., Корпусов Д.В., Остриров В.Н., Русаков A.M. // Электронные компоненты. 2005. № 6.

47. Остриров В.Н., Козаченко В.Ф., Русаков A.M. Новое направление в приводе -мощный многосекционный вентильно-индукторный электропривод с векторным управлением // Доклады научно-практического семинара «Вентильно-индукторный электропривод». МЭИ. 2007.

48. Козаченко В.Ф., Жарков A.A., Дроздов А. В. Мультипроцессорная система управления многофункциональным вентильно-индукторным электроприводом // Труды XI Международной конференции

49. Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Крым. 2006.

50. Кузнецов В. А., Кузьмичев В. А. Вентильно-индукторные двигатели. М.: Издательство МЭИ. 2003.

51. Бычков М.Г. Алгоритмы и системы управления вентильно-индукторного электропривода // Доклады научно-практического семинара «Вентильно-индукторный электропривод». М.: МЭИ, 2007.

52. Ильинский Н.Ф., Докукин А.Л., Кузьмичев В.А. Тепловые модели вентильно-индукторного электродвигателя // Электричество. 2005. № 8.

53. Красовский А.Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода: // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 2004.

54. Новое направление в приводе мощный многосекционный вентильно-индукторный электропривод с векторным управлением / Остриров В.Н., Козаченко В.Ф., Крылов Ю.А. и др. // Электронные компоненты. 2006. №1.

55. Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Крылов Ю.А. Результаты промышленных испытаний мощного вентильно-индукторного электропривода ответственных механизмов непрерывных производств // Электричество. 2007. № 6.