WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Повышение энергоэффективности стационарных режимов работы установок охлаждения газа с частотно – регулируемым электроприводом

На правах рукописи

АЛИМОВ Сергей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СТАЦИОНАРНЫХ

РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА

С ЧАСТОТНО – РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 –Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Электромеханика и автомобильное электрооборудование».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Абакумов Александр Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузнецов Павел Константинович
кандидат технических наук, доцент Масляницын Александр Петрович
Ведущая организация ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет»

Защита состоится 28 июня 2011 года в 10 – 00 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.04 ГОУВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: Россия, 443010, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корп. 1, ауд. №4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: Россия, 443010, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, а с авторефератом диссертации – на официальном сайте: http://postgrad.samgtu.ru.

Отзывы на автореферат просим высылать (в двух экземплярах) по адресу: Россия, 443010, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; E-mail: krotkov@samgtu.ru.

Автореферат разослан мая 2011 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.217.04

доктор технических наук, доцент А.А. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях роста цен на электроэнергию важное место в повышении экономической эффективности предприятий Газпрома занимают мероприятия по энергосбережению на всех стадиях транспортировки газа.

Современная технология транспортировки газа по магистральным трубопроводам требует его охлаждения до определенной температуры. Необходимость охлаждения газа продиктована требованиями повышения пропускной способности магистральных трубопроводных систем, обеспечения качества подготовки товарной продукции, надежности и эффективности эксплуатации газопромыслового оборудования, снижения эксплуатационных расходов в системе транспортировки. С этой целью на газотранспортных предприятиях – на установках комплексной подготовки газа, на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, дожимных компрессорных станциях, станциях подземного хранения газа и других объектах широкое применение нашли аппараты воздушного охлаждения (АВО) газа.

Температура газа на линейном участке газопровода не должна превышать максимальную температуру, которую способно выдержать изоляционное покрытие трубопровода, а так же должна быть выше температуры точки росы для транспортируемого газа во избежание образования гидратов. Задача регулирования температуры газа на выходе установки охлаждения газа (УОГ) может быть решена несколькими способами: отключением одной или нескольких секций, отключением вентиляторов у части работающих АВО газа, изменением угла установки лопастей вентиляторов, с помощью жалюзи, изменением скорости вращения вентиляторов.

На КС с газотурбинным приводом на долю АВО приходится до 70% электроэнергии, потребляемой на транспорт газа. В связи с этим задача повышения энергоэффективности АВО является весьма актуальной. Несмотря на значительное количество исследований в этой области, среди которых можно отметить работы Б.Г. Меньшова, М.С. Ершова, В.А. Шпилевого, Г.Р. Шварца, А.Д. Яризова, и других ученых, ряд вопросов требует дальнейших исследований.

Одним из направлений работ по снижению эксплуатационных издержек за счёт уменьшения энергетической составляющей является оптимизация распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения. Решение задачи оптимизации требует разработки адекватной математической модели процессов теплопередачи в аппаратах воздушного охлаждения газа, учитывающей пространственную распределенность объекта.

Для выбора эффективного алгоритма управления частотой вращения электродвигателей вентиляторов АВО газа, обеспечивающего поддержание заданной температуры газа на выходе УОГ при минимальных энергозатратах, необходимо решить ряд задач, включающих математическое моделирование процессов теплообмена в аппаратах воздушного охлаждения, определение характеристик объекта и синтез на основе полученных результатов системы автоматического управления.

Целью исследования является повышение эффективности использования электроэнергии электроприводами вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа компрессорных станций на базе разработки математических моделей установки охлаждения газа и оптимизации алгоритмов управления.



Задачи исследования.

1 Разработать математические модели аэродинамических и тепловых процессов в системе «электропривод – вентилятор – теплообменный аппарат с поперечным потоком воздуха».

2 Выполнить экспериментальное исследование и параметрическую идентификацию математической модели теплообменного аппарата.

3 Разработать методики расчета оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов управления АВО в стационарных режимах по критерию минимума расхода электроэнергии электроприводами вентиляторов.

4 Реализовать разработанные алгоритмы и разработать систему автоматического управления режимами работы АВО газа.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач использованы методы электромеханики, математического анализа, теории теплопроводности, оптимизации, теории автоматического управления, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты.

1 Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, аэродинамических и тепловых процессов, функционально ориентированная на решение задачи оптимизации режимов работы АВО газа.

2 Методика и вычислительный алгоритм решения задачи оптимизации режимов работы установки охлаждения газа.

3 Алгоритмы оптимального и квазиоптимального управления режимами работы установки охлаждения газа.

4 Структура системы автоматического управления режимами работы установки охлаждения газа, реализующая разработанные алгоритмы.

Практическая полезность работы заключается в следующем.

1 На основе разработанных математических моделей и методики решения оптимизационной задачи сформированы энергосберегающие алгоритмы управления электроприводами УОГ.

2 Результаты, полученные при решении оптимизационной задачи, позволяют обоснованно подходить к выбору количества и мощности частотных преобразователей для электроприводов вентиляторов.

3 Разработана структура системы автоматического управления, обеспечивающая повышение энергоэффективности УОГ.

Реализация результатов работы. Поставленные в диссертационной работе задачи решены в рамках основных направлений, указанных в Концепции энергосбережения ОАО «Газпром» в 2001 – 2010 г.г. и в Концепции энергосбережения и повышения энергоэффективности ОАО «Газпром» на период 2011 – 2020 г.г. Разработанные в диссертации методики, положения и выводы внедрены в учебный процесс Самарского государственного технического университета, а также используются при переподготовке специалистов предприятий ОАО «Газпром» в Сервис центре САМГТУ МИЭИ».

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, аэродинамических и тепловых процессов, функционально ориентированная на решение задачи оптимизации режимов работы АВО газа.

2 Методика и вычислительный алгоритм решения задачи оптимизации стационарных режимов работы установки охлаждения газа по критерию минимума расхода электроэнергии электродвигателями вентиляторов.

3 Алгоритмы оптимального и квазиоптимального управления режимами работы установки охлаждения газа.

4 Структура системы автоматического управления режимами работы установки охлаждения газа, реализующая разработанные алгоритмы.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на II-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», г. Липецк, Северо–западный государственный заочный технический университет, 2010; Девятой международной научно–практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт–Петербург, 2010; Седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием. Математическое моделирование и краевые задачи, Самара, 2010; Международной научно-технической конференции «Безопасность, надежность, эффективность в энергетике и электропотребляющих установках», Санкт-Петербург, 2010; Международной конференции «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа», Самара; Совещании «Применение частотного регулирования вентиляторов АВО газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов», Донецк, 2006; Научно-техническом совете ООО «Тюментрансгаз» «Технико-экономическое обоснование целесообразности применения частотно – регулируемых приводов на основном и вспомогательном оборудовании КС», Югорск, 2010; Заседании комиссии по проведению приемочных испытаний системы частотного регулирования АВОм разработки и изготовления ООО «АТРИ» для ГПА-Ц-16 Ивдельского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск», Югорск, 2010; Заседании комиссии по проведению межведомственных испытаний системы ХПВ с частотно – регулируемым приводом разработки и изготовления ООО «АТРИ» для ГКС Ново-Комсомольская Комсомольского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск», Югорск, 2009; расширенных заседаниях НТС кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» Самарского государственного технического университета (г. Самара, 2008 – 2010 г.г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 4 работы в изданиях, определенных перечнем ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 121 наименований. Основной текст диссертации изложен на 114 страницах, диссертация содержит 37 рисунков, 6 таблиц, библиографический список на 9 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность исследования, цель и задачи исследования. Показана научная новизна и практическая полезность работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе содержатся аналитический обзор работ по рассматриваемой проблеме, моделированию и оптимизации технологических процессов в установках охлаждения газа; постановка задачи исследования; рассматриваются характеристики объекта управления.





Во второй главе разработано математическое описание технологического процесса охлаждения газа в АВО. Для разработки математической модели, ориентированной на оптимизацию алгоритмов управления АВО, проведена декомпозиция объекта управления с выделением взаимосвязанных процессов теплообмена, аэродинамических процессов и электромеханических процессов в электроприводах вентиляторов.

Схема АВО представлена в виде двух последовательно включенных секций (частей теплообменника) 1 и 2 (рисунок 1) с возможностью независимого регулирования частоты вращения n1 и n2 вентиляторов В1 и В2, приводимых в движение электроприводами ЭП1 и ЭП2.

 Расчетная схема АВО При постоянном угле атаки лопастей -0

Рисунок 1 – Расчетная схема АВО

При постоянном угле атаки лопастей мощность на валу вентилятора зависит от относительной скорости в третьей степени

, (1)

где nном – номинальная частота вращения, Pс.ном – номинальная мощность на валу вентилятора при номинальной частоте вращения.

Экспериментальные исследования, выполненные для аппаратов воздушного охлаждения газа типа 2АВГ-75, оборудованных двумя вентиляторами, приводимыми в движение электродвигателями типа ВАСО-16-14-24, подтверждают справедливость соотношения (1).

Управление аэродинамическими процессами осуществляется за счет изменения частоты вращения n вентиляторов с помощью частотно – регулируемого привода. Результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик свидетельствуют о возможности представления взаимосвязи скорости потока охлаждающего воздуха V от частоты вращения n (или частоты f напряжения на двигателе) в виде линейной зависимости

Vi = kвп ni, Vi = kвf fi, i = 1, 2, (2)

где kвn, kвf – коэффициенты передачи вентилятора по частоте вращения двигателя и частоте напряжения на статоре.

При исследовании тепловых процессов поведение температуры газа в каждой секции АВО может быть описано уравнением теплового баланса

, 0 < x <L, t > 0, (3)

T(0,t) = g(t),

где T(x,t) – распределение температуры потока газа по длине теплообменника, T1(x,t) – распределение температуры трубы по длине, Vг – скорость потока газа, – коэффициент поверхностного теплообмена между внутренней стенкой трубы и газом, c – теплоёмкость газа, – плотность газа.

В стационарном режиме и уравнение (3) принимает вид

, 0 < x <L, T(0) = g. (4)

Для элементарного объёма трубы в стационарном режиме соблюдается равенство потоков тепла от газа к трубе и от трубы к воздуху. Считая температуру трубы в любой точке сечения одинаковой, можно записать:

B SB (T1(x) – Tнв(x)) = S (T(x) – T1(x)), (5)

где S и SB – площади соприкосновения газа с внутренней стенкой трубы и воздуха с оребрением трубы соответственно,B – коэффициент поверхностного теплообмена между оребрением трубы и воздухом, Tнв(x) – температура наружного воздуха.

Анализ приведенных соотношений показывает, что в стационарном режиме перепад температуры в частях теплообменника является нелинейной функцией следующих параметров: температуры газа Tвх на входе, температуры наружного воздуха Tнв, расхода газа Q, расхода или скорости потока Vi охлаждающего воздуха i-й секции теплообменника, скорости потока воздуха смежной секции. Последнее объясняется тем обстоятельством, что во вторую часть теплообменника поступает газ, частично охлажденный в первой части теплообменника. В результате эффективность охлаждения газа во второй секции снижается. Таким образом, перепад температуры газа на первой и второй части теплообменника можно записать в виде

T1 = Tвх – Tвых1 = f1(V1, Q, Tвх, Tнв, V2); (6)

T2 = Tвх2 – Tвых = f2(V2, Q, Tвх2, Tнв, V), при Tвх2 = Tвых1.  

Общий перепад температуры на АВО

Tвх – Tвых = T1 +T2 = T. (7)

При экспериментальных исследованиях тепловых процессов с учетом линейного характера зависимости скорости охлаждающего воздуха от частоты вращения и частоты f напряжения на статоре двигателя рассмотрены обобщенные характеристики АВО, устанавливающие взаимосвязь между регулирующим воздействием – частотой f и выходной переменной – перепадом температуры T на АВО.

С целью выявления влияния частоты вращения отдельных вентиляторов (первого и второго по ходу газа) на результирующий температурный перепад проведены эксперименты при регулировании частоты вращения и включении/отключении отдельных вентиляторов (в работах принимал участие к.т.н. Маланичев В.А.).

Установлено, что в рабочем диапазоне изменения переменных полученные экспериментальные данные могут быть аппроксимированы линейной зависимостью

Tаппр = C + kf f, (8)

где Таппр – перепад температуры на АВО по аппроксимирующей зависимости, °С; С – начальное значение перепада температуры при отключенных двигателях вентиляторов, °С; kf – коэффициент аппроксимации – коэффициент передачи АВО по регулирующему воздействию в виде изменения частоты напряжения на двигателе вентилятора, °С/Гц.

При обработке экспериментальных данных значения C и kf определялись по стандартному методу наименьших квадратов.

Результаты исследования рассматриваемых характеристик для одного из АВО представлены в обобщенном виде на рисунке 2.

Анализ полученных характеристик показывает, что коэффициенты передачи по перепаду температуры для случая отключения первого и второго вентилятора отличаются примерно на 10%, причем результирующий коэффициент передачи АВО при двух включенных вентиляторах оказывается ниже, чем сумма коэффициентов при отключении одного из вентиляторов. Уменьшение результирующего коэффициента можно объяснить тем, что во вторую часть теплообменника поступает газ, охлажденный в первой части теплообменника. При этом эффективность охлаждения газа второй частью теплообменника снижается вследствие уменьшения коэффициента теплообмена.

 Температурный перепад на АВО в функции частоты напряжения,-5

Рисунок 2 – Температурный перепад на АВО в функции

частоты напряжения, подаваемого на двигатель, при двух включенных

вентиляторах и отключении одного из вентиляторов

Показано, что для общего случая независимого регулирования частоты вращения каждого вентилятора и последующего решения задачи оптимизации управления математическая модель объекта управления может быть представлена в виде

, (9)

где k/f 1 – коэффициент передачи АВО по частоте напряжения, подаваемого на электродвигатель первого вентилятора, при отключенном втором, °С/Гц; kf 1 – коэффициент передачи АВО по частоте напряжения, подаваемого на электродвигатель первого вентилятора при совместной работе двух вентиляторов, °С/Гц; kf 2 – коэффициент передачи АВО по частоте напряжения, подаваемого на второй вентилятор, °С/Гц.

Учитывая линейную зависимость между частотой напряжения f на статоре двигателя и частотой его вращения n, а также линейную взаимосвязь между скоростью V воздуха и частотой вращения n, разработанная модель может быть представлена в аналогичном виде для управляющих воздействий n и V:

(10)

(11)

Целесообразность использования той или иной формы представления модели определяется в основном удобством вычисления соответствующих коэффициентов.

В работе дополнительно проведены экспериментальные исследования температурных перепадов на АВО при различных расходах газа. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что при изменении расхода газа через аппарат от Qг=6065 нм3/сут. до Qг=11205 нм3/сут. коэффициенты k аппроксимирующей зависимости уменьшаются на 5…8%, а значения С снижаются на 33…45%.

В третьей главе разработана математическая модель, функционально ориентированная на решение задачи оптимизации режимов работы установки охлаждения газа в стационарном режиме по критерию минимума потребляемой мощности электродвигателей вентиляторов.

В общем случае УОГ может содержать l параллельно включенных АВО с m секциями (i=1, 2, …, l; j=1, 2, …, m) (рисунок 3).

На вход первых по ходу газа секций теплообменника поступает газ, имеющий температуру Твх. На выходе последних по ходу газа секциях температура равна Твыхi. Расход газа по каждому из параллельно включенных АВО составляет Qгi, а перепад температуры газа

Ti = Твыхi – Твх.

С учетом уравнения теплового баланса перепад температуры на УОГ можно представить в виде

. (12)

Перепад температуры для каждого АВО при условии Vij>0 в соответствии с выражением (11) можно записать в виде

. (13)

По требованиям технологии перепад температуры на УОГ с учетом некоторой погрешности должен быть равен заданному значению Tзд

T ± = Tзд. (14)

Мощность Pij на валу электродвигателя соответствующего вентилятора

, (15)

где Pijном – номинальная мощность электродвигателя вентилятора ij; Vijном – номинальная скорость потока воздуха, создаваемого вентилятором.

 Расчетная схема УОГ С учетом пропорциональной связи скорости-12

Рисунок 3 – Расчетная схема УОГ

С учетом пропорциональной связи скорости Vij с частотой вращения nij

. (16)

При этом на частоту вращения и, соответственно, скорость потока воздуха наложены ограничения

0 nij nijном ; 0 Vij Vijном. (17)

Суммарная мощность электродвигателей вентиляторов

. (18)

С учетом этих условий задача оптимизации может быть сформулирована следующим образом. Требуется найти значения управляющих воздействий nij, обеспечивающих минимум целевой функции (18) при выполнении требований технологического задания (14), уравнений связи (12), (13), (16) в условиях ограничений (17).

В типовом УОГ содержится l параллельно включенных АВО, каждый из которых имеет два вентилятора. При этом соотношение (13) трансформируется к виду

Ti = Ci + kVi1Vi1 + kVi2Vi2. (19)

При допущении равномерного распределения потока газа по отдельным АВО поток газа через каждый АВО равен

,

а температурный перепад на УОГ

. (20)

При допущении однородности тепловых характеристик параллельно включенных АВО общий температурный перепад на УОГ по выражению (20) совпадает с температурным перепадом на отдельном аппарате воздушного охлаждения

T = Ti. (21)

В общем случае при решении оптимизационной задачи в качестве целевой функции принимается мощность, потребляемая электродвигателем из сети. Она является нелинейной функцией частоты вращения, что связано с изменением КПД и коэффициента мощности. Рассмотрен случай, когда изменением КПД и коэффициента мощности можно пренебречь и считать, что потребляемая из сети электрическая мощность пропорциональна мощности на валу вентилятора.

С учетом изложенного задача оптимизации стационарного режима работы УОГ может быть сформулирована как задача минимизации целевой функции

. (22)

При определенных значениях параметров Tвх, Tнв, Qг и номинальных значениях частоты вращения вентиляторов nномi и, соответственно, номинальных значениях скорости потока воздуха Vномi УОГ обеспечивает некоторое максимальное значение перепада температуры

T1max + T2max = C + k1Vном1 + k2Vном2 = Tmax. (23)

С учетом соотношения (15) мощность на валу вентиляторов

, (24)

где Vном1, Vном2 – скорости потока воздуха первого и второго вентиляторов при номинальной частоте вращения соответствующего вентилятора.

Кроме того, как показывает практика, в типовой УОГ номинальные мощности двигателей и номинальные значения скорости воздуха для обоих вентиляторов можно считать одинаковыми

Pном1 = Pном2 = Pном; Vном1 = Vном2 = Vном. (25)

Для получения обобщенных результатов в работе использовалась система относительных единиц. За базовые значения приняты: максимальное значение перепада температуры Tmax, мощность Pном и скорость воздуха Vном. Параметры и переменные в относительных единицах представлены в следующем виде

; ; ; ;

; ; ; ; ; .

В относительных единицах соотношения (13), (14), (17), (23), (24) записаны в виде

= c + k11 + k22; (26)

= тр ± ; (27)

min i max i; (28)

c + k1 + k2 = 1; (29)

. (30)

При этом задача оптимизации стационарного режима работы УОГ может быть сформулирована как задача минимизации целевой функции (30) при выполнении требований технологического задания (27), уравнений связи (26), (29) и ограничений (28).

Получено аналитическое решение поставленной задачи. Рассмотрен общий случай v1>0, v2>0.

Из соотношения (27) при =0 с учетом выражения (26) следует

. (31)

Используя обозначение

(32)

выражение (31) можно представить в виде

2 = a – b1. (33)

После подстановки выражения для v2 в соотношение для целевой функции (30) и преобразований получено

. (34)

С использованием классического метода отыскания экстремума найдены выражения для оптимальных значений переменных

; 2опт = a – b 1опт. (35)

Соотношения (35) справедливы для b  1. Значение b = 1 соответствует частному случаю, когда k1 = k2. В этом случае

. (36)

Из изложенного следует, что в случае k1  k2 оптимальное решение, соответствующее минимуму мощности pопт, достигается при неравных значениях управляющих воздействий. Анализ показывает, что при уменьшении отношения k1 / k2 <1 оптимальное значение 1опт уменьшается, а 2опт возрастает.

В четвертой главе на основе разработанной методики рассмотрены оптимальные алгоритмы управления частотой вращения электродвигателей вентиляторов для различных технологических условий охлаждения газа.

На КС для поддержания заданной температуры газа на выходе УОГ широко используется дискретный способ регулирования, заключающийся во включении / отключении двигателей вентиляторов. На ряде КС для управления температурой газа используется частотно – регулируемый привод вентиляторов. При этом частота вращения всех вентиляторов регулируется синхронно (в установившихся режимах частоты вращения этих вентиляторов равны). Такое управление называется далее рациональным в отличие от оптимального, при котором частоты вращения первых и вторых по ходу газа вентиляторов различны.

Для оценки эффективности оптимальных решений значение мощности двигателей вентиляторов АВО при рациональном управлении p0 сравнивалось с мощностью pопт при оптимальном управлении, и вычислялось соответствующее процентное отклонение

. (37)

В качестве примера на рисунке 4 приведена зависимость % в функции b = k1 / k2 при тр=0,75. Значение нелинейно зависит от соотношения коэффициентов k1 / k2.

При экспериментальном исследовании характеристик АВО в главе 2 установлено, что характерное значение b=k1/k2=0,6…0,65. Как следует из приведенной кривой, при таких значениях b уменьшение мощности за счет оптимального управления составляет около 3…5%.

Таким образом, при отличающихся значениях коэффициентов передачи k1 и k2, что принципиально присуще АВО газа с последовательно включенными частями теплообменника, целесообразно использовать оптимальные алгоритмы управления частотой вращения вентиляторов. Полученная зависимость носит достаточно универсальный характер: изменение mp, как показывают расчеты, несущественно влияет на ее вид.

 Зависимость экономии мощности от отношения коэффициентов k1/k2 -36

Рисунок 4 – Зависимость экономии мощности

от отношения коэффициентов k1/k2

Оценена эффективность оптимального управления для одного АВО.

В ситуации, когда требуемый температурный перепад в принципе может быть обеспечен за счет включения только одного вентилятора, возможны следующие варианты управления.

Вариант 1. Дискретное регулирование. Включен один (второй по ходу газа) вентилятор, и он работает с номинальной частотой вращения (v2=1). При этом мощность на валу с учетом принятых относительных единиц p2=1.

Вариант 2. Рациональное управление. Включен один вентилятор, например второй, и его частота вращения может регулироваться. Оптимальное регулирование в этом случае невозможно, так как оно предполагает включение двух вентиляторов.

Вариант 3. Включены 2 вентилятора и их частота вращения регулируется с использованием рационального алгоритма управления.

Вариант 4. Включены 2 вентилятора и их частота вращения регулируется с использованием оптимального алгоритма управления. Для расчета оптимального значения скорости использована ранее рассмотренная методика расчета.

Кривые зависимости мощности p в относительных единицах от относительного значения mp для различных вариантов управления приведены на рисунке 5. Там же показана шкала мощности в абсолютных единицах для АВО с двумя вентиляторами мощностью по 37 кВт. Для принятых в примере значений параметров требуемый температурный перепад может быть обеспечен за счет включения одного вентилятора в диапазоне 0,1< mp0,55.

Как следует из графиков при использовании варианта 2 при mp=0,55 требуемое значение мощности равно 1 и совпадает с вариантом 1. При уменьшении mp требуемая мощность для варианта 2 по сравнению с вариантом 1 значительно снижается. Например, при mp=0,45 она составляет 0,47 от мощности одного вентилятора.

Однако значительно больший эффект дает использование варианта 3. При использовании рационального алгоритма управления и mp=0,45 потребная мощность составляет только 0,12 от мощности одного вентилятора. Кроме того, использование варианта 3 с регулированием скорости обоих вентиляторов позволяет снизить и значение мощности при граничном значении mp=0,55. Здесь относительное значение мощности составляет 0,25.

 Зависимость мощности p в относительных единицах и Р в кВт-37

Рисунок 5 – Зависимость мощности p в относительных единицах и

Р в кВт электродвигателей АВО от требуемого

относительного перепада температуры тр

При использовании оптимального алгоритма управления по сравнению с рациональным достигается дополнительное снижение мощности примерно на 4%.

Следовательно, в случае, когда требуемый температурный перепад может быть обеспечен включением только одного вентилятора, оптимальным по минимуму мощности является управление частотой вращения обоих вентиляторов.

В ситуации, когда требования по перепаду температуры на АВО могут быть выполнены только с использованием двух вентиляторов, возможны следующие варианты регулирования температуры:

Вариант 1. Комбинированное управление. Электродвигатель первого вентилятора подключен к сети и работает с номинальной частотой (v1=1), двигатель второго вентилятора подключен к частотному преобразователю, и его частота вращения может регулироваться.

Вариант 2. Рациональный алгоритм управления. Электродвигатели обоих вентиляторов подключены к частотному преобразователю, и их частота вращения может регулироваться.

Вариант 3. Оптимальный алгоритм управления. Для расчета оптимального значения скорости использована ранее рассмотренная методика расчета.

Как следует из приведенных расчетов (рисунок 5) при значениях mp>0,9 значение требуемой мощности в различных вариантах отличаются незначительно, и при mp=1 требуемая мощность равна удвоенной мощности одного вентилятора. При снижении mp использование второго варианта (рациональное регулирование частоты вращения обоих вентиляторов) обеспечивает существенное снижение мощности. Например, при mp=0,7 требуемая мощность по первому варианту составляет 1,04, а по второму – 0,60, то есть обеспечивается снижение мощности примерно на 40%.

Использование оптимального алгоритма по сравнению с рациональным дает дополнительное снижение мощности примерно на 4%. Таким образом, наилучшим вариантом с точки зрения минимизации мощности является вариант регулирования частоты вращения обоих вентиляторов по оптимальному алгоритму.

Следует отметить, что при оптимальном управлении и значениях тр, близких к 1, вступают в силу ограничения по регулирующему воздействию – частоте вращения вентиляторов и оптимальное управление вырождается в рациональное.

На основе проведенного анализа эффективности получены зависимости экономии мощности при использовании рационального и оптимального алгоритмов управления по сравнению с дискретным регулированием.

По аналогичной методике проведен анализ эффективности различных алгоритмов управления для типовой установки охлаждения газа, содержащей l параллельно включенных АВО.

Установка охлаждения газа должна выполнять достаточно жесткие требования по обеспечению заданной температуры газа на выходе. В условиях действия на объект управления разнообразных возмущений для качественного решения задачи управления система должна быть выполнена в виде замкнутой системы автоматического управления (САУ).

Общая функциональная схема замкнутой САУ температурой газа на выходе УОГ приведена на рисунке 6. Типовая установка охлаждения газа содержит l параллельно включенных АВО. Соответственно система управления содержит l параллельных каналов управления. Каждый канал включает обобщенный объект управления (ОУ), в котором выделены два звена: аэродинамические процессы и процессы теплообмена. С помощью электроприводов ЭП1 и ЭП2 создаются регулирующие воздействия на первые и вторые части теплообменников. С помощью датчика температуры газа измеряется температура в выходном коллекторе УОГ. Сигнал датчика температуры в виде сигнала отрицательной обратной связи поступает на вход регулятора температуры, где сравнивается с сигналом задания. Сигнал рассогласования через регулятор температуры поступает на каждый из параллельных каналов САУ.

Регулирующим воздействием на ОУ является частота вращения электропривода n, определяющая скорость потока воздуха Vв и пропорциональный ей расход воздуха Qв. Основными возмущающими воздействиями на объект управления являются температура наружного воздуха Тнв и расход газа Qг.

 Функциональная схема САУ температурой газа на выходе УОГ Как-38

Рисунок 6 – Функциональная схема САУ температурой газа на выходе УОГ

Как показано в главе 3, в предположении равномерного распределения потока газа по отдельным АВО для анализа режима работы УОГ может рассматриваться один из параллельно включенных аппаратов воздушного охлаждения газа и, соответственно, система управления одним АВО. Алгоритмическая схема системы управления температурой на выходе АВО показана на рисунке 7. Динамические свойства отдельных элементов системы на схеме отражены соответствующими коэффициентами передачи и передаточными функциями.

Передаточные функции W1(p) и W2(p) на алгоритмической схеме отражают инерционность изменения температуры на выходе АВО при изменении частота вращения (скорости охлаждающего воздуха) первого и второго вентиляторов. Эквивалентные передаточные функции WЭП1(p) и WЭП2(p) характеризуют динамические свойства электроприводов первого и второго вентиляторов. Датчик температуры газа принят в виде пропорционального звена с коэффициентом передачи kДТ.

 Алгоритмическая схема САУ температурой газа на выходе АВО Как-39

Рисунок 7 – Алгоритмическая схема САУ температурой газа на выходе АВО

Как показано в главе 2, оптимальные значения скорости воздуха и соответственно частоты вращения первого и второго по ходу газа вентилятора отличаются друг от друга. Причем оптимальное значение скорости первого вентилятора меньше, чем второго. Как показал анализ, значения коэффициентов передачи kv1 и kv2, входящих в передаточные функции W1(p) и W2(p), при изменении температуры наружного воздуха меняются. Соответственно меняются оптимальные значения скоростей первого и второго вентиляторов, при этом соотношение оптимальных скоростей остается примерно постоянным.

Поэтому для обеспечения различных скоростей первого и второго вентиляторов предлагается использовать в канале управления первым вентилятором делитель с коэффициентом передачи .

В настоящее время при разработке систем автоматического регулирования широко используется принцип подчиненного регулирования координат, обеспечивается близкое к предельному быстродействие системы. Это достигается так называемой компенсацией «больших» постоянных времени и соответствующей форсировкой регулирующих воздействий на объект управления. Применительно к системе управления УОГ быстрая ликвидация отклонения температуры газа на выходе достигается форсированным изменением частоты вращения вентиляторов. Причем, как показал анализ, частота вращения вентиляторов изменяется с большим ускорением по колебательному закону. Такой характер изменения частоты вращения приводит к повышенным динамическим нагрузкам на механическую часть привода. В результате утрачивается одно из важнейших преимуществ регулируемого электропривода – возможность плавного разгона двигателя с заданным ускорением. Кроме того, кратковременные отклонения температуры газа на выходе УОГ с учетом большой аккумулирующей способности последующей линейной части являются вполне допустимыми.

С учетом изложенного синтез системы управления температурой газа представляется целесообразным вести исходя из следующих требований. САУ при наиболее неблагоприятном скачкообразном изменении основного возмущения (температуры наружного воздуха) должна обеспечить апериодический процесс изменения частоты вращения вентиляторов с ограничением максимального ускорения. Такой же процесс изменения частоты вращения должен обеспечиваться при скачкообразном изменении сигнала задатчика температуры. В результате синтеза САУ с учетом указанных требований показана целесообразность использования пропорционально-интегрального регулятора с передаточной функцией

, (38)

причем, за счет выбора значения T2 можно обеспечить требуемое максимальное ускорение электропривода.

Требуемый апериодический характер переходного процесса изменения частоты вращения вентиляторов при скачке сигнала задатчика температуры обеспечивается установкой на входе системы задатчика интенсивности – фильтра с передаточной функцией

. (39)

Требуемый темп разгона привода в этом переходном процессе может задаваться выбором постоянной времени фильтра Тф.

Исследование динамических характеристик разработанной САУ путем моделирования на ЭВМ показало, что система автоматического управления температурой на выходе УОГ, реализующая разработанные алгоритмы, обеспечивает требуемое качество переходных процессов и экономию электроэнергии, потребляемой электродвигателями вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 В результате теоретических и экспериментальных исследований стационарных режимов работы АВО газа подтверждена возможность линейной аппроксимации зависимости скорости (расхода) воздуха через теплообменник АВО от частоты вращения вентилятора АВО и зависимость мощности на валу от относительной скорости в третьей степени.

2 Впервые получены математические модели, устанавливающие взаимосвязь перепада температуры на АВО от управляющих воздействий в виде частоты вращения вентиляторов, частоты напряжения, подаваемого на электродвигатели вентиляторов, скорости потока воздуха через теплообменник АВО.

3 Разработана общая постановка задачи оптимизации режимов работы установки охлаждения газа в стационарных режимах по критерию минимума мощности электродвигателей вентиляторов. Поставлена частная задача оптимизации режимов работы типовой установки охлаждения газа и разработана методика ее решения при ряде упрощающих допущений.

4 Получены выражения для расчета оптимальных значений управляющих воздействий. Показано, что при отличающихся тепловых характеристиках отдельных частей теплообменника для достижения оптимального по критерию минимума потребляемой мощности режима работы АВО необходимо на первый и второй вентиляторы подавать отличающиеся по величине управляющие воздействия.

5 Установлено, что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду на АВО могут быть выполнены включением только одного из вентиляторов, оптимальным является алгоритм одновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов. Показано что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду могут быть выполнены включением одного из вентиляторов на номинальную частоту вращения и регулированием частоты вращения второго вентилятора, оптимальным является алгоритм одновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов.

6 Проанализирована энергетическая эффективность использования оптимальных алгоритмов управления частотой вращения вентиляторов для установки охлаждения газа.

7 Предложена структура системы автоматического управления температурой на выходе УОГ, реализующая оптимальные алгоритмы управления. На основе моделирования показано, что САУ с синтезированным регулятором обеспечивает высокое качество управления температурой на выходе АВО в условиях действия основного возмущения.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

В изданиях по списку ВАК:

1 Алимов С.В. Аппараты воздушного охлаждения газа: опыт эксплуатации и пути совершенствования / С.В. Алимов, В.А. Лифанов, О.Л. Миатов // Газовая промышленность. – 2006.– № 6. – С. 54–57.

2 Алимов С.В. Модернизация вентиляторов АВО газа при реконструкции КС МГ / С.В. Алимов, А.О. Прокопец, С.В. Кубаров и др.// Газовая промышленность. – 2009.– № 4. – С. 54–56.

3 Алимов С.В. Моделирование установившихся процессов теплообмена в аппаратах воздушного охлаждения газа / С.В. Алимов, И.А. Данилушкин, В.Н. Мосин // Вестник Самарского Государственного технического университета. Серия «Технические науки». –2010 – № 2 (26). – С. 178–186.

4 Абакумов А.М. Аналитическое и экспериментальное исследование стационарных режимов работы установок охлаждения газа компрессорных станций магистральных газопроводов / А.М. Абакумов, С.В. Алимов, Л.А. Мигачева // Вестник Самарского Государственного технического университета. Серия «Технические науки». – 2010 – № 6(28). – С. 113-117.

В прочих изданиях:

5 Применение современного электропривода переменного тока в технологиях газовой и нефтяной промышленности. Книга 3 / А.М. Абакумов, С.В. Алимов, В. Зипман, Л.А. Мигачева, Г.Р. Шварц. – М.: Машиностроение–1, 2009. – 132 с.

6 Данилушкин А.И. Исследование динамических свойств аппарата воздушного охлаждения газа как объекта управления / А.И. Данилушкин, Л.А. Мигачева, С.В. Алимов, В.Г. Крайнов // Труды II Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии. – Липецк: Северо-Западный государственный заочный технический университет. – 2010. – С. 131–135.

7 Данилушкин И.А. Математическое моделирование установившихся режимов работы аппаратов воздушного охлаждения газа / И.А. Данилушкин, С.В. Алимов, В.Н. Мосин // Сборник трудов девятой международной научно–практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 22–23.04.2010. Т.1. Высокие технологии, исследования, промышленность. – СПб.: Изд–во Политехнического университета, 2010. – С. 137–139.

8 Алимов С.В. Модель теплообмена в аппаратах воздушного охлаждения. Стационарный режим. / С.В. Алимов, И.А. Данилушкин, В.Н. Мосин // Математическое моделирование и краевые задачи. Труды седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием. Ч. II. Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами. – Самара: СамГТУ, 2010. – С.13–16.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: [1], [2] – анализ эксплуатационных данных, рекомендации по модернизации; [3] – постановка задачи исследования и обобщение результатов; [4] – разработка методики решения оптимизационной задачи, проведения экспериментальных исследований и обработки данных; [5] – анализ различных способов регулирования производительности нагнетателей; [6], [7], [8] – постановка задачи моделирования, анализ результатов.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04.

Протокол № от 17.05.2011.

______________________________________________________________

Заказ № 588. Формат 60х84 1/16. Бумага тип. №1.

Печать офсетная. Уч.-изд. Л. 1,0. Тираж 100 экз.

______________________________________________________________

Самарский государственный технический университет.

Типография СамГТУ.

443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус.



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.