Обоснование выбора рациональной системы управления электроприводами насосных установок геотехнологического рудника НГМК

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РУДНИКА НГМК

Курбонов Ойбек Мухаммадкулович, Навоийский государственный горный институт, г. Навои

E-mail: oybek7001@mail.ru

Аннотация. В статье рассмотрены энергоэффективные методы управления, с учетом особенностей технологии и конструктивных особенностей электроприводов насосных установок применяемых в технологии подземного выщелачивания и адекватной оценки экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках находящихся в эксплуатации.

Ключевые слова: подземное выщелачивание, насосные установки, частота вращения, электропривод, частотное регулирование.

Подземное выщелачивание руды осуществляется путем избирательного перевода металла в технологическую жидкость на месте залегания руд при помощи воздействия химических растворов. Для поднятия технологического раствора с рудой со скважин и обратной закачки химических растворов применяют центробежные насосы.

Энергетические показатели насосных установок зависят от режима работы. Параметрами, определяющими режим работы насоса, являются напор и подача. Эти величины также полностью определяют частоту вращения и момент нагрузки на валу электродвигателя, т.е. режим работы электропривода. Соответственно, регулирование основных параметров рабочего режима насоса окажет влияние на энергетические показатели и позволит определить эффективность работы насосной установки. Наиболее эффективно регулировать основные параметры режима работы центробежных насосов методом изменения частоты вращения рабочих колес [1]. Изменение частоты вращения рабочих колес насоса возможно, когда в качестве приводного двигателя используются

Е 1ЕС ТН К НА УК! 1

И ТВОРЧЕСТВА

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания или регулируемый электропривод.

Газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания могут обеспечивать плавное изменение частоты вращения насоса в необходимом диапазоне. Однако для САУ обычно используются различные виды регулируемого электропривода.

Регулируемый электропривод переменного тока по своим энергетическим характеристикам подразделяется на три основные группы:

1 - приводы, регулирующие без потерь энергии скольжения (частотные приводы, вентильные двигатели, многоскоростные двигатели);

2 - приводы с рекуперацией энергии скольжения (электрические, электромеханические и асинхронные вентильные каскады и т.п.);

3 - приводы с потерями энергии скольжения (электродвигатели с реостатом в цепи ротора, приводы с гидравлическими и электромагнитными муфтами скольжения и т. п.).

В значительной мере потери в электроприводе зависят от потерь энергии скольжения. Потери мощности скольжения в электроприводе насоса • существенно зависят от вида механической характеристики рабочего органа и его частоты вращения [1].

^ =(1 )-аг ,

где а - частота вращения в относительных единицах; г - показатель

степени в уравнении механической характеристики.

В исследованиях, приведенных в [1] определено, что максимально возможное значение потерь мощности скольжения имеет вид

Р *

ек тах —

(т + ¡у+1 , при частоте вращения а = ——

Зависимость потери мощности скольжения от частоты вращения и значения г представлена на рис. 1. При этом установлено, что максимальное значение потерь скольжения не превышает 8 ^ 15% от номинальной мощности насосного

агрегата при г = 2 ^ 4 . Этим потерям соответствуют частота вращения, равная

65 ^ 80% номинальных значений, что совпадает с диапазоном регулирования

насосов по скорости. При таких условиях потери скольжения в среднем равны

*

Г

т

*

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

4 ^ 8% от номинальной мощности насоса.

Рск *%"

16

12

8

4

0

0.2 0.4 0.6

0.8

1 а *

Рис. 1 Изменение потерь скольжения в зависимости от частоты вращения

В регулируемых электроприводах второй группы, работающих с • рекуперацией энергии скольжения, часть энергии возвращается обратно в электрическую сеть, но определенная часть теряется в электроприводе [1]:

где ^к - КПД каскадной схемы.

Из-за высоких значений КПД, в современных каскадных схемах (0,9—0,95) [1], электроприводы второй группы характеризуются высокими энергетическими показателями. В каскадных схемах имеются два вида потерь: зависящие от потерь скольжения и постоянные потери, которые составляют примерно 3% потребляемой мощности. Соответственно суммарные потери в электроприводе при выполнении технических расчетов ориентировочно можно принять

где Кп - суммарные потери в электроприводе; С - коэффициент, учитывающий потери за счет несинусоидальности преобразованного тока,

£ = 0,03 0,05 .

двигателя

КП.С.« ^ (1 -Лк ),

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

С учетом выше изложенного результирующая экономия электроэнергии при использовании электроприводов с рекуперацией энергии скольжения определяется

^=0 -о^ * ,

Лэд

где Ыб - мощность потребляемая насосом при наибольшей подаче; Т-

время; w* - относительная экономия электроэнергии. Лэд - КПД двигателя; (р -снижающий коэффициент.

К первой группе можно отнести, частотное регулирование частоты вращения насоса и регулирование частоты вращения изменяя число пар полюсов. Известно, что синхронная скорость вращения асинхронного двигателя обратно пропорциональна числу пар его полюсов, что используется для ступенчатого регулирования числа пар полюсов обмотки статора

п = 60^ . Р

Поскольку число пар полюсов не может быть дробным, при f = 50Гц без

учета скольжения частота вращения много скоростных асинхронных электродвигателей имеет значения: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т.д.

Изменяя ступенями число пар полюсов, можно дискретно менять положения напорной характеристики насоса (рис. 2). Соответственно можно уменьшить превышения напоров в режиме минимальных подач.

Эффективность применения много скоростных электродвигателей можно оценить следующим образом.

Применение двухскоростного электродвигателя снимает превышение напоров, ограниченное криволинейным четырехугольником 2 ^ 4 ^ 5 ^ 6 (рис.2).

Следовательно, экономия электроэнергии за счет снятия этих напоров может быть определена согласно [1] как разность потерь электроэнергии, затрачиваемой на превышение напоров, ограниченных ординатами криволинейного треугольника 1 ^ 3 ^ 5 и ординатами криволинейных

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

треугольников 1 ^2^6 и 2^3^4.

Потери в электроприводах с частотным регулированием, обусловлены потерями в частотных преобразователях, а также снижением КПД электродвигателя из-за не синусоидальной формы кривой преобразованного тока. Потери в таких приводах определяется выражением [3]

Шп= N бТ (1 + С~Лпр ),

где т!ПР - КПД частотного преобразователя, ^ПР = 0,9 ^ 0,95 .

Рис. 2 Режим работы двухскоростного насосного агрегата: I - напорная характеристика насоса при работе на высшей скорости;

II - при работе на низшей скорости; III - характеристика трубопровода

При применении электроприводов, работающих без потерь скольжения, результирующая экономия электроэнергии с учетом потерь в электроприводе можно определить [1]

^=^ к-(1 )].

1эд

Вместе с этим, определению экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода без потерь скольжения, посвящены множество научных трудов. Например, при применении частотно-регулируемого электропривода в насосных установках с предложенным Г.И. Бабокиным

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

алгоритмом управления, позволило уменьшить потребление электрической энергии на 15-20% по сравнению с нерегулируемым электроприводом.

Результаты анализа научной литературы и опыта эксплуатации насосных установок показали:

1. Низкие значения потерь в сочетании с невысокой стоимостью электроприводов третьей группы делают целесообразным их применение в насосных установках, но требует использование электропривода специальной конструкции, что не приемлемо для большинства электроприводов насосных установок в технологии подземного выщелачивания полезных ископаемых. Кроме того, приведенный выше анализ показывает, что потери энергии скольжения существенно зависят от параметров и режима работы насосных установок.

2. Применение двухскоростного электропривода оправданно в тех случаях, когда:

- по технологии работы требуют всего два режима по производительности: рабочий и не рабочий (например, если для вентиляции производственных помещений в рабочие часы требуется подача полного количества воздуха, то в ремонтные смены она может быть снижена вдвое);

- не требуется регулирование производительности, однако применение односкоростного асинхронного двигателя затруднено из-за больших маховых масс привода;

- двухскоростной двигатель используется в сочетании с устройством для плавного регулирования скорости, например с индукторной муфтой скольжения.

Как показывают исследования в некоторых случаях двухскоростной электропривод можно применить для насосных установок, эксплуатируемых в технологии подземного выщелачивания.

3. Наиболее энергоэффективным методом управления, с учетом особенностей технологии и конструктивных особенностей электроприводов насосных установок применяемых в технологии подземного выщелачивания, является применение частотно-регулируемого электропривода. Кроме того, современные системы управления частотным преобразователем позволяют формировать управляющее воздействие с учетом аналоговых данных, получаемых с различных внешних источников, что дает возможность связать технологический процесс с режимом работы электропривода.

Вместе с этим для адекватной оценки экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках находящихся в эксплуатации на основе расчетных данных, необходимо детальное инструментальное обследование основных параметров насоса в конкретных горно-геологических условиях и при существующей системе

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

управления.

При принятии решения о целесообразности внедрения частотно-регулирующего привода следует учитывать, что кроме экономического эффекта от экономии электроэнергии применения частотно-регулирующего привода дополнительно обеспечивается следующее:

- снижается износ запорной арматуры, т.к. большую часть времени задвижки полностью открыты;

- большую часть времени насосы работают при пониженных давлениях, что снижает утечки в системе;

- снижается износ коммутационной аппаратуры, т.к. ее переключения происходят при отсутствии тока;

- снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыльчатки за счет плавного изменения числа оборотов;

- отсутствуют большие пусковые токи;

- уменьшается опасность аварий за счет исключения гидравлических ударов;

- обеспечивается одновременная защита двигателя от токов короткого • замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, неполнофазного режима, недопустимых перенапряжений;

- появляется возможность дальнейшей комплексной автоматизации объектов системы водоснабжения.

Литература:

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

2. Лезнов Б.С. Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок. - М.: ВНИИ ВОДГЕО. - 1987.

3. Экономия энергии с помощью регулирования частоты вращения электропривода управления кислородом котельных. Англия. Теспо1. - 2005. -№1. - С. 59-65.