Оптимальная система управления гидротранспортным комплексом при технологических параметрах стабилизации

Автор: Алексеева Ю. А., Конох И. С., Коренкова Т. В.

Автор перевода: Семёнова Ю. А.
Источник: Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць – Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2006. – Вип. 62. – 242 с. http://www.kdu.edu.ua

Введение. Вероятностный характер водопотребления требует постоянных изменений в работе насосных станций (НС), что обеспечивается за счет автоматических систем управления АСУ НС, поддерживающих необходимые технологические регулирующие законы: стабилизация давления (мощности) в определённой точке сети трубопровода или выхода насосного агрегата, стабилизации гидравлической мощности и т.д. [1,2]. В большинстве случаев, существующие АСУ гидротранспортных комплексов (ГТК) обеспечивают решение технологических проблем и не принимают во внимание энергетические аспекты транспортировки воды.[3,4] предлагают комплексный подход к повышению эффективности ГТК, с учетом реальных диаграмм потребления воды и переменных эксплуатационных характеристик оборудования.

В общем, эта проблема может быть решена с оптимальными AСУ, которые разработаны в связи с требованиями любых качественных показателей, основанных на различных технико-экономических показателях управляемого процесса. Эти системы осуществляют необходимые изменения законов управляющего сигнала [5-7].

Цели. Разработка и исследование динамических режимов оптимальных автоматических систем управления гидротранспортного комплекса.

Материалы и выводы. Применительно к АСУ ГТК, оптимизация его работы основана на технологическом компоненте – минимальное несоответствие между требуемым и текущим значением давления ΔH_dp(t) и энергии – минимальная общая потеря мощности ΔP_∑(t) [4,8].

Тогда критерием оптимальности является:

где K_p – весовой коэффициент мощности; H_c.req(t)., H_c.cur(t). – обязательное и текущее давление в потребительской сети; H_PS.nom(t). – номинальное давление на выходе НС; ΔP_∑nom=ΔP_IM+ΔP_TM+ΔP_LM – номинальная мощность общих потерь; ΔP_IM, ΔP_TM, ΔP_LM – потери мощности в асинхронном двигателе, насосе, трубопроводе; ΔP_∑cur, ΔP_∑nom – НС текущая и номинальная потеря мощности.

Весовые коэффициенты в значениях формулы (1) принимаются на основе анализа приоритетных задач в ГТК. Поскольку основная цель НС является реализация необходимых законов технологического регулирования, коэффициент ΔP_∑ (t) имеет максимальную массу, равную единице. Проблема экономии энергии может быть решена путем поддержания минимальной общей потери мощности ΔP_∑ (t) которая является сопутствующей проблемой в разработке необходимых технологических условий регулирования в соответствии с требуемой точностью для поддержания параметров. Таким образом, весовой коэффициент мощности считается равным K_p (t).

Принципиально задача оптимизации (1) может быть решена с особой AСУ, которая использует принцип прямого измерения производной критерия оптимальности dI/du где u – управляющий параметр. В развитой АСУ ГТК контролируемым параметром является частота f(t) сети питающего электрического двигателя насоса, напряжение U(t) подаваемого на электродвигатель. Оно меняется в соответствии с выбранным законом частотного регулирования U/f₂=const.

Был разработан алгоритм экстремального функционирования АСУ. Это позволяет контролировать режимы НС, находя значение переменной f(t) соответствующей минимальному критерию оптимальности. Это подтверждается результатами моделирования, приведенных на рис. 1, где: Q_'PS=Q_PS/Q_n – выходная мощность; ΔP_'∑cur=ΔP_∑cur/ΔP_∑n – общие потери в ГТК; ΔP_∑n= 309 kW; P_'C=P_C/P_C.max – максимальное гидродинамическое сопротивление в трубопроводе потребителя; P_C.max=3432,4 s²/m². В связи с переменным потреблением воды в течение долгого времени в АСУ ГТК промежуток времени от 5⁰⁰ до 23⁰⁰ соответствует требуемому давлению H_'c.req=0,8 пока H_'c.req=0,3 сохраняется в течение времени от от 23⁰⁰ до 5⁰⁰

Переменная кривая потребления воды моделируется формирования сигнала на трубопроводе потребителя: где – математическая зависимость многофакторной линейной регрессии; H_S – статический напор трубопровода; A₂ ,B₂ ,C₂ – коэффициенты аппроксимации зависимости от конструктивных особенностей насоса и определяется номинальными характеристиками насосов; К – постоянный модельный коэффициент; a₁ - a₅ – коэффициенты регрессии; p_DP – давление на определённую точку, в часах; K_h – дневной часовой коэффициент; K_DW – недельный часовой коэффициент; Т – температура воздуха; P₀ – атмосферное давление, миллиметров ртутного столба [9].

Анализ крайней эксплуатации АСУ ГТК, принимающих реальные графики потребления воды во внимание показали, что стабилизация давление в системе обеспечивается с точностью (0,2÷1,6%)H_c.req в то время как минимизация потерь электроэнергии во всех звеньях технологической системы осуществляется путем изменения единицы частоты вращения насоса.

Рисунок 1 – Кривые изменения относительных параметров HTC на крайнем AСУ в момент расхода воды в день Q(t)

Выводы. Разработанная крайняя система автоматического управления гидротранспортной комплекса позволяет свести к минимуму потребляемую мощность во всех звеньях технологической цепи при стабилизации давления в определённой точке трубопровода.

Режимы энергии из насосной станции контролируются путем нахождения частоты питающего напряжения, соответствующего минимальному критерию качества.

Предлагаемый подход может быть использован для прогнозирования потребления воды и электроэнергии, рассуждая схемы регулирования технологических параметров, оценки технического состояния оборудования, определение переходных режимов в гидротранспортном комплексе и т.д.

Список использованной литературы

1. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006. – 360 с.

2. Петросов В. А. Устойчивость водоснабжения. – Харьков: Фактор, 2007. – 357 с.

3. Алексеева Ю. А., Коренькова Т. В. Система повышения эффективности насосного комплекса с энергонаблюдателем в контуре управления // Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія й практика. Тематичний випуск науково-технічного журналу «ЕЛЕКТРОІНФОРМ». – Львів: ЕКОінформ, 2009. – С. 377-381.

4. Алексеева Ю.А., Коренькова Т. В. Требования к построению системы энергоуправления насосным комплексом // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-виробничий журнал. Кременчук: КДУ. – 2010. – Вип. 2/2010 (10). – С. 17–22.

5. Зайцев Г. Ф. Теория автоматического управления и регулирования. – К.: Вища школа, 1975. – 421 с.

6. Власов К. П. Специальный курс по теории автоматического управления. – Харьков.: Политехнический институт им. В. И. Ленина, 1974. – 198 с.

7. ДСправочник по теории автоматического управления. Под редакцией А.А. Красовского. – М.: Наука, 1987. – 712 с.

8. Алексеева Ю. А., Коренькова Т. В., Конох И.С. Экстремальная система автоматического управления гидротранспортным комплексом при стабилизации технологического параметра // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-виробничий журнал. Кременчук: КДУ, 2010. Вип. 2/2010 (10). – С. 34–38.

9. Алексеева Ю. А., Коренькова Т.В., Сидоренко В. Н. Модель водопотребления в системе энергоуправления насосным комплексом // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-виробничий журнал. Кременчук: КДПУ, 2008. – Вип. 3-4/2008 (4). – С. 54–58.