УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
DEVICE FOR DETERMINATION OF ENERGY LOSSES IN POWER TECHNOLOGICAL PROCESSES

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к информационно-измерительной технике и может быть использована для определения потерь энергии в энерготехнологических процессах.
Известен лабораторный комплекс ЛКТ-9 (Косьянов П.М. Лабораторный практикум по общему курсу физики. Методические указания к лабораторным работам. - Нижневартовск: Издательство Нижневартовского государственного гуманитарного университета, 2008. - С. 73) в составе: электрочайник, вольтметр, манометр, секундомер и мультиметр. ЛКТ-9 предназначен для проведения лабораторных работ по определению мощности и КПД нагревателя. Основной элемент комплекса - электрочайник, используемый в качестве водяной бани, нагревателя и калориметра. Чайник постоянно подключен к электрической розетке внутри пульта управления, которая через два предохранителя на 10 А соединена с кабелем питания. Пульт управления установкой позволяет измерять сетевое напряжение - вольтметром, давление в исследуемом объеме - манометром, интервалы времени - секундомером, температуру, сопротивление нагревателя и другие параметры - мультиметром.
К недостаткам данного комплекса относятся: низкая точность измерений, вследствие ручного управления и человеческого фактора, отсутствие возможности в автоматическом режиме регистрировать, рассчитывать и архивировать параметры технологического процесса нагрева жидкости, а также определять потери энергии в энергетическом оборудовании.
Известно устройство для диагностики системы двухпозиционного регулирования температуры электропечи (пат. РФ №106007, G 05 D 27/00). Устройство для диагностики системы двухпозиционного регулирования температуры электропечи с теплоэлектронагревателем и двухпозиционным регулированием температуры, имеющей слой теплоизоляции, электронагреватель (ТЭН), контакт теплового реле, установлены лабораторный автотрансформатор, обеспечивающий изменение напряжения, подводимого к ТЭНу; термопара ТХК, установленная внутри электропечи, которая через аналого-цифровой преобразователь подключена к ПЭВМ; градуировочный график, позволяющий измеренное напряжение преобразовать в температуру; термостатирующее устройство свободных концов термопары; вольтметр и амперметр для измерения напряжения и тока нагревателя.
Недостатками данного устройства являются:
1. Отсутствие возможности регистрировать и архивировать энергетические параметры оборудования (напряжение, ток, температура жидкости и т.д.) в течение представительного интервала времени, что исключает проведение на основе этих данных дальнейшего энергетического анализа;
2. Отсутствие возможности сравнения измеренных и вычисленных параметров технологического процесса с архивированными паспортными данными и результатами предшествующих энергетических исследований, что не позволяет выявлять потери энергии в исследуемом оборудовании.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению можно отнести устройство контроля показателей энергоэффективности процесса нагрева жидкости (пат. РФ №156085, Н05В 1/02; G05D 23/00).
Устройство контроля показателей энергоэффективности процесса нагрева жидкости содержащее исследуемый объект с теплоизоляцией с находящимся внутри него измерителем температуры, так и электронагревателем, к которому подведен источник питания с измерительной аппаратурой, входы аналогово-цифрового преобразователя соединены с датчиком температуры окружающей среды, датчиком тока, датчиком напряжения, датчиком температуры жидкости и с первым выходом пульта управления, а выходы аналогово-цифрового преобразователя соединены как с первым входом вычислительного блока, так и с первым входом блока памяти, первый вход-выход которого соединен с интерфейсным устройством, вторым входом-выходом с вычислительным блоком, а третьим входом-выходом с блоком сигнализации, а выход блока памяти соединен с первым входом дисплея, второй вход которого соединен с выходом блока сигнализации, первый вход которого соединен с выходом вычислительного блока, а второй вход со вторым выходом пульта управления, третий выход которого соединен с входом блока памяти, а четвертый выход соединен с входом вычислительного блока.
Недостатками данного устройства являются:
1. Сложность конструкции, измерения и вычисления показателей энергоэффективности нагрева жидкости.
2. Требуется подключение различных датчиков в электрическую цепь водонагревателя, которые должны быть согласованы по пределам измеряемой величины.
3. Невозможность непосредственного получения значения потерь энергии.
Задача изобретения - упрощение конструкции устройства при получении оперативной информации о потерях энергии по двум измеряемым параметрам энерготехнологического процесса получения результата действия энергии.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для определения потерь энергии в энерготехнологическом процессе, содержащее исследуемый объект с измерителем, источник питания с измерительной аппаратурой, пульт управления, вычислительный блок, дисплей, выход источника питания соединен через измеритель энергии и блок энерготехнологического процесса с входом блока измерителя результата действия энергии, второй выход измерителя энергии с первым входом вычислительного блока, выход блока измерителя результата действия энергии соединен со вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом дисплея, а вход-выход вычислительного блока соединен с входом-выходом пульта управления, выход которого соединен с входом источника питания.
Новые существенные признаки:
1. Выход источника питания соединен через измеритель энергии и блок энерготехнологического процесса с входом блока измерителя результата действия энергии.
2. Второй выход измерителя энергии соединен с первым входом вычислительного блока.
3. Выход блока измерителя результата действия энергии соединен со вторым входом вычислительного блока.
4. Выход вычислительного блока соединен с входом дисплея.
5. Вход-выход вычислительного блока соединен с входом-выходом пульта I управления.
6. Выход пульта управления соединен с входом источника питания.
Перечисленные существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства для определения потерь энергии в энерготехнологических процессах. Это устройство позволяет получить оперативную информацию по потерям энергии по двум измеряемым параметрам энерготехнологического процесса получения результата действия энергии.
Устройство позволяет проводить все измерения при неразрушающем контроле, то есть, без вмешательства в схему энерготехнологического процесса и технологию получения результата действия энергии.
На фигуре схематично изображено устройство для определения потерь энергии
в энерготехнологических процессах.
Устройство состоит из следующих элементов: источника питания 1, измерителя энергии 2, который предназначен для измерения потребленной энергии (измеряет интегральное значение израсходованной энергии). Например, для измерения электрической энергии в качестве измерителя энергии 2 может быть использован электронный счетчик электрической энергии, для измерения энергии при использовании природного газа - газовый счетчик, механической энергии - измеритель механической энергии.
Выход источника питания 1 соединен с входом измерителя энергии 2. Первый выход измерителя энергии 2 соединен с входом блока энерготехнологического процесса (БЭТП) 3. Выход блока энерготехнологического процесса (БЭТП) 3 соединен с входом блока измерителя результата действия энергии 4.
Второй выход измерителя энергии 2 соединен с первым входом вычислительного блока 5. Выход блока измерителя результата действия энергии 4 соединен со вторым входом вычислительного блока 5. Вычислительный блок 5 предназначен для сохранения результатов измерения, поступающих от измерителя энергии 2 и блока измерителя результата действия энергии 4 и для необходимых вычислений. Вход-выход пульта управления 6 соединен с вход-выходом вычислительного блока 5. Пульт управления 6 предназначен для ввода исходной информации для вычислений необходимого количества энергии (теоретически минимального количества энергии) для достижения результата действия энергии R и управления источником питания 1 (для включения и выключения). Выход пульта управления 6 соединен со входом источника питания 1. Выход вычислительного блока 5 соединен с дисплеем 7. Дисплей 7 предназначен для визуализации результатов вычисления и отображения величины потерь энергии в БЭТП 3.
нaч
кoн
Результатом действия энергии R, в зависимости от вида БЭТП 3 могут быть: значение повышения температуры воды от начального °t до конечного установленного значения температуры °t нагреваемой воды, объем воды W при: перекачивании ее на высоту Н и количество выпущенного продукта, измеряемое в штуках, тоннах, литрах и т.п. в соответствующих энерготехнологических процессах. Устройство для определения потерь энергии в энерготехнологических | процессах работает следующим образом.
Перед измерением потерь энергии с пульта управления 6 вводится исходная информация, в зависимости от назначения БЭТП 3 и достигаемого результата: действия энергии R.
I Пример №1 - энерготехнологический процесс нагрева воды в водонагревателе.
! С пульта управления 6 вводятся следующие параметры:
- масса воды m (кг),
нaч
- начальная температура воды °t (°С),
кoн
- конечная установленная температура воды °t (°С),
- теплоемкость воды с (Дж/кг*°С),
ном
- номинальная мощность ТЭНа Р (кВт).
нaч
кoн
Результатом действия энергии R энерготехнологического процесса нагрева воды является повышение температуры воды от начального °t до конечного " установленного значения температуры °t:
кoн
нaч
R=°t-°t.
кoн
кoн
Включение устройства для определения потерь энергии осуществляется пультом управления 6. При этом происходит отсчет времени в вычислительном блоке \ 5. Измеритель энергии 2 измеряет поступающую от источника питания 1 к БЭТП 3 энергию, где происходит нагрев воды до конечной установленной температуры воды °t. Блок измерителя результата действия энергии 4 измеряет и передает фактическое значение температуры воды в вычислительный блок 5, где происходит его сравнение С конечной установленной температурой воды °t.
тeop
тeop
тeop
По данным введенным с пульта управления 6 в вычислительном блоке 5 рассчитываются теоретическое необходимое количество энергии на нагрев Q и теоретическое время нагрева воды t. Теоретическое необходимое количество энергии Q для заданной массы воды определяется по формуле:
тeop
кoн
нaч
Q=с⋅m⋅ (°t-°t)=с⋅m⋅R,
тeop
ном
Определяется теоретическое время t нагрева воды с учетом номинальной мощности Р:
тeop
тeop
ном
t=Q/P.
Результаты измерения измерителя энергии 2 и блока измерителя результата действия энергии 4 дискретно поступают на входы вычислительного блока 5 и сохраняются. В зависимости от особенностей процесса и требуемой точности частота измерений может быть различной (секунда, минута, час).
кoн
факт
факт
При достижении температурой воды конечной установленной температуры °t, при помощи вычислительного блока 5 фиксируются фактическое время t нагрева (достигается результат действия энергии R) и величина потребленной энергии Q. При этом по команде вычислительного блока 5 пульт управления 6. отключает источник питания 1.
На практике обычно фактическое время нагрева всегда будет больше теоретического времени нагрева из-за потерь энергии:
факт
тeop
t=t+Δt.
факт
тeop
В вычислительном блоке 5 определяется приращение времени Δt между фактическим t и теоретическим временем нагрева t:
факт
тeop
Δt=t-t.
При известном значении мощности ТЭНа и вычисленном значении приращения времени Δt, определяется величина потерь энергии ΔQ на выполнение энерготехнологического процесса нагрева воды:
ном
ΔQ=Р⋅Δt или
факт
тeop
ΔQ=Q-Q.
факт
тeop
По завершении энерготехнологического процесса нагрева воды, вычислений и расчетов на дисплее 7 визуализируются численные значения потерь энергии ΔQ и приращение времени At. j На основании полученных значений фактически потребленной энергии Q, теоретически необходимого количества энергии Q и значения потерь энергии в БЭТП 3,: можно получить величину потерь энергии на единицу результата, а также показатели энергоэффективности энерготехнологического процесса нагрева воды.
Пример №2. - энерготехнологический процесс подъема воды при помощи насосного агрегата. С пульта управления 6 вводятся следующие параметры:
3
- объем воды W (м),
- высота подъема Н (м),
ном
- номинальная мощность электродвигателя насосного агрегата Р (кВт). При определении потерь энергии энерготехнологическом процессе при подъеме объема W воды на высоту Н в вычислительном блоке 5 определяются:
- теоретическое необходимое количество энергии для подъема объема воды W на высоту Н:
тeop
Q=1000⋅W⋅g⋅H.
тeop
- определяется теоретическое время t подъема заданного количества воды на высоту Н:
тeop
тeop
ном
t=Q/Р.
факт
факт
По результатам измерений определяется фактическое время t подъема объема воды на высоту Н, при котором достигается результат R (объем поднятой воды) и значение израсходованной фактически энергии Q.
Обычно фактическое время подъема воды всегда будет больше теоретического времени подъема воды.
факт
тeop
t=t+Δt.
Определяется приращение времени фактического и теоретического времени подъема воды.
факт
тeop
Δt=t-t.
Определяются потери энергии в энерготехнологическом процессе при подъеме воды:
ном
факт
тeop
ΔQ=Р⋅Δt или ΔQ=Q-Q.
По завершении энерготехнологического процесса подъема воды, вычислений и I расчетов на дисплее 7 визуализируются численные значения потерь энергии ΔQ и приращение времени Δt.
факт
тeop
На основании полученных значений фактически потребленной энергии Q, теоретически необходимого количества энергии Q и значения потерь энергии ΔQ в БЭТП 3, можно получить величину потерь энергии на единицу результата, а также показатели энергоэффективности энерготехнологического процесса подъема воды при помощи насосного агрегата.
факт
Таким образом, по измеренным двум параметрам (значению израсходованной энергии на входе БЭТП 3 и результату на выходе БЭТП 3) в течение времени t в любом энерготехнологическом процессе при помощи предлагаемого устройства можно определить потери энергии по приведенным в примерах алгоритмам.
По полученным значениям потерь энергии можно определить значения потерь i энергии на единицу результата действия энергии, а также показатели к энергоэффективности энерготехнологического процесса (относительная энергоемкость, мощность действия энергии).