Разработка энерго-ресурсосберегающих технологий в топливно-энергетическом хозяйстве города на основе современного электропривода

Жилищно-коммунальная сфера определяет качество и уровень жизни каждого горожанина. Город нуждается в общественном транспорте, дорогах, уличном освещении, рабочих местах, торговом обеспечении и еще множестве того, что делает жизнь населения комфортной. Жизнь современного горожанина немыслима без электричества, воды и отопления, то есть без эффективной работы основных систем жизнеобеспечения — электроснабжения, водопровод-но-канализационного и топливно-энергетического хозяйства.

Две последние из указанных подотраслей ЖКХ тесно связаны с электроприводом устройств и механизмов, обеспечивающих работу тепловых станций и транспортировку питьевой, горячей, технической воды и теплоносителя (перегретой воды).

Водопроводно-канализационное хозяйство, отличающееся своей спецификой, благодаря которой и выделено в самостоятельную подотрасль, включает водозаборы, водоприготовительные установки, промежуточные повысительные станции и канализационные объекты. В этой подотрасли в настоящее время успешно решаются задачи ресурсои энергосбережения. Здесь уже давно используются мощные регулируемые электроприводы, обеспечивающие рациональную организацию технологического процесса и экономию электроэнергии.

Иначе до недавнего времени обстояло дело в топливно-энергетическом хозяйстве и в системе доставки воды потребителям. Здесь широко использовались энергетически неэффективные способы управления технологическими переменными (напором и расходом воды и пр.) при простейших нерегулируемых электроприводах.

Предметом диссертации являются проблемы ЖКХ, непосредственно относящиеся к жизнеобеспечению населения города и его производственной сферы — обеспечение водой и теплом.

Теплоснабжение такой северной страны как Россия, 80% территории которой находится в холодной климатической зоне, относится к числу важнейших приоритетов государственной экономической и энергетической политики [1], и повышение его надежности, качества и экономичности является безальтернативной задачей. Любые сбои в обеспечении населения теплом негативным образом воздействуют на экономику страны и создают социальную напряженность. Стратегическими целями на период до 2020 г., относящимися к данной работе, являются [1]:

— надежное снабжение теплом и водой предприятий экономики и населения страны;

— повышение эффективности функционирования и обеспечение устойчивого развития отрасли на базе новых современных технологий;

— снижение вредных выбросов от энергоисточников в окружающую среДУ.

Тема энергоэффективности и энергосбережения в настоящее время постоянно обсуждается в мировом энергетическом сообществе. Для России она особенно актуальна ввиду высокой удельной энергоемкости экономики, основными причинами которой являются климатические условия и сложившаяся структура производств. Учитывая это обстоятельство, «Энергетическая стратегия» оценивает существующий потенциал энергосбережения в 40−45% текущего потребления (360−430 млн.т.у.т.), который распределяется как:

— 33% - в ТЭК (в т.ч. треть в электроэнергетике и теплоснабжении);

— 32% - в промышленности;

— 26% - в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Свыше 45% всей вырабатываемой тепловой энергии в России используется на отопление и горячее водоснабжение. Характерная для России система централизованного тепловодоснабжения охватывает 72% всего объема производства тепла [1], а жилой фонд в большинстве крупных городов обслуживается ею на 95% (в Москве-96% [2, 3]).

Централизованная система тепловодоснабжения имеет как преимущества, так и недостатки. Многие зарубежные государства, например, Германия и Дания, в которых доля централизации составляет 60%, используя ее преимущества достигли значительных успехов в энергосбережении. В России до недавнего времени тепловодоснабжению населения, а особенно вопросам ресурсои энергосбережения, должного внимания не уделялось, наблюдалось отставание в производстве энергосберегающего оборудования и, в частности, силовой электроники. Это обусловливало недостаточные темпы реализации энергосберегающих мероприятий при производстве, транспортировке и распределении тепловой энергии и холодной воды.

Мировой опыт последних 15−20 лет показывает, что наряду с множеством путей энергосбережения, одним из эффективных решений является сокращение потерь мощности, потребляемой многочисленными насосными и вентиляторными установками, оснащенными асинхронным электроприводом. Исключение дросселирования механическими устройствами не только экономит электроэнергию, но и обеспечивает многие важные технологические возможности.

По зарубежным источникам информации [4] только за один 2002 г в странах ЕС общее количество проданных преобразователей частоты составило 1,8 млн. единиц на сумму 1 млрд евро, причем в Германии продано 42% от продаж во всех странах ЕС. Наиболее характерный мощностной ряд 10−30 кВт для поставки тепловой энергии и воды непосредственно в дома оценивается в 115 тыс. единиц.

Приоритетными соображениями приобретения и использования регулируемых электроприводов являются возможности управления технологическими процессами, а приоритет энергосбережения, как и в России, низок из-за недостаточной очевидности экономических выгод [5]. Острота необходимости энергосбережения для производителя продукции сглаживается включением стоимости энергоресурсов в конечную стоимость продукта [4].

Все увеличивающиеся масштабы внедрения частотно-регулируемого электропривода в мире сопровождались техническими и экономическими дискуссиями, показывающими все новые его преимущества. Например, его применение в технологических процессах сжигания топлива вносит вклад в предотвращение парникового эффекта. Так, к 2015 г ожидается снижение выбросов углекислого газа на 19 млн. т., а ожидаемая экономия электроэнергии составит 39−43 трил. Вт*час/год [4, 6].

Работы Шакаряна Ю. Г., Лабунца И. А., Мамиконянца Л. Г., Онищенко Г. Б., Юнькова М. Г. [30−43] и др. по внедрению мощного регулируемого электропривода на котлоагрегатах энергоблоков и повысительных станциях в электроэнергетике показали перспективность его применения для водогрейных котлов и сетевых насосов тепловых станций.

Появлению на отечественном рынке современной преобразовательной техники и постепенному возрастанию спроса на нее в массовых применениях способствовало теоретическое обоснование ее необходимости (Ильинский Н.Ф. 7−16], Лезнов Б. С. 17−22], Чистяков Н. Щ23−25] и др.), создание в МЭИ первых конкурентоспособных современных отечественных преобразователей частоты с инвертором на силовых транзисторах (Кудрявцев A.B., Остри-ров В.Н., Козаченко В. Ф. [26,100,113,114] и др.) и демонстрационных версий нового электропривода в системах водоснабжения корпусов МЭИ и соседних зданий [26,27,28]. Зарубежный опыт, убедительные технико-экономические обоснования и натурные образцы в сочетании с исходящим от руководства отрасли поощрением мероприятий по энергои ресурсосбережению [29] явились побудительным мотивом внедрения регулируемого электропривода на насосных станциях ЦТП.

С середины 90-х годов прошлого века стала очевидна необходимость проведения исследований, направленных на реконструкцию многочисленных электроприводов, работающих в теплоэнергетическом комплексе — на тепловых станциях, на ЦТП и других объектах. Нужно было переходить от теоретически очевидных представлений о пользе регулируемого электропривода в сравнении с нерегулируемым к решению множества разноплановых задач, объединенных общей идеей энерго-ресурсосбережения и повышения технического и технологического уровня оборудования и осуществляемых им процессов.

Работая в теплоэнергетическом комплексе, автор обнаружил, что процесс горения топлива, определяемый соотношением воздух-газ и ранее регулируемый вручную только количеством газа, с помощью регулируемого электропривода дутьевых вентиляторов и дымососов мог бы дополнительно регулироваться изменением подачи воздуха с коррекцией по содержанию кислорода в дымовых газах. Этим могла решаться актуальная задача повышения эффективности использования топлива и снижения количества вредных выбросов в атмосферу, а также расширения диапазона тепловых мощностей котлоагрегатов.

Регулирование напоров и расходов теплоносителя посредством использования регулируемого электропривода могло дать возможность минимизации вмешательства оперативного персонала в регулирование тепловодяного баланса станции и ее продукта — теплоносителя с характеристиками в зависимости от погодных условий. Автоматическая система управления потенциально позволяла улучшить условия труда и снизить аварийность. Массовый переход к регулируемому электроприводу насосов в системах, подающих холодную и горячую воду и тепловую энергию отопления непосредственно жителям, и решение множества проблем, связанных с этим переходом, обещают повышение комфортности и надежности тепловодоснабжения с обеспечением значительного эффекта энергои ресурсосбережения.

Решению отмеченных проблем посвящены исследования и разработки, обобщенные в диссертации и определяющие ее актуальность.

В диссертации представлены также проблемы, не нашедшие до настоящего времени исчерпывающих решений, но представляющие значительный интерес в контексте общей большой проблемы энерго-ресурсосбережения в ЖКХ больших городов средствами электропривода. Предложенное в МЭИ направление по совершенствованию воздушного отопления общественных зданий посредством второго канала регулирования — расхода воздуха, эффективность которого подтверждена натурными экспериментами [45], развито автором до постановки задачи минимизации воздухообмена в здании согласно нормам СНиП в зависимости от внутреннего распорядка в здании.

Существующее мнение о нецелесообразности применения частотного регулирования электроприводов малой мощности из-за возрастания удельной стоимости может быть изменено применением регулируемого вентильно-индукторного электропривода, разрабатываемого в Московском энергетическом институте [46, 47]. Автором показана зона его применения — система горячего водоснабжения, и намечены этапы освоения серийного производства, что обеспечит его конкурентоспособность.

В развитие идеи совмещения функций пожарных насосов и насосов холодного водоснабжения [48, 49], реализация которой повышает надежность средств пожаротушения, автор показывает на конкретных примерах перспективность такого решения с минимальным снижением энергоэффективности за счет применения частотно-регулируемого электропривода.

Непосредственное участие в решении указанных и многих других проблем в области энерго-ресурсосбережения и совершенствования электрооборудования теплоэнергетического комплекса позволили автору сформулировать цель и задачи настоящей работы.

Цель работы — энерго-ресурсосбережение в топливно-энергетическом хозяйстве города посредством внедрения современного регулируемого электропривода механизмов, осуществляющих технологические процессы производства, транспортировки и распределения тепловой энергии и доставки воды потребителям, и повышение на этой основе технического уровня энергетического оборудования и надежности тепло-водоснабжения потребителей города.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи.

1. Анализ основных электроприводов системы тепло-водоснабжения с оценкой возможного эффекта энерго-ресурсосбережения, степени ответственности и технологической потребности в регулировании. Обоснование для каждой группы механизмов целесообразности перехода к регулированию частоты вращения и, соответственно, технологических показателей, связанных с ней.

Разработка технических требований к регулируемым электроприводам различных категорий ответственности по критериям энергосбережения, надежности и бесперебойности тепловодоснабжения.

2. Создание и внедрение автоматизированных систем управления тепловыми процессами на основе современного регулируемого электропривода с целью улучшения технологии, экономии топлива и повышения экономических и экологических показателей при выработке тепловой энергии.

3. Исследование ответственных частотно-регулируемых электроприводов, обслуживающих непрерывные производства, в условиях кратковременных нарушений электропитания и разработка мероприятий по минимизации влияния этого фактора на технологию. Экспериментальные исследования опытного образца на сетевом насосе в опытно-промышленной эксплуатации.

4. Развитие и, практическая реализация при массовом внедрении идеи комплектного объектно-ориентированного энергосберегающего регулируемого электропривода с целью минимизации индивидуальных проектных решений, организации серийного производства оборудования, сокращения затрат на сервисное обслуживание. Модернизация алгоритмов управления энергосберегающих частотно-регулируемых электроприводов на ЦТП и разработка организационно-технических мероприятий при массовом внедрении.

5. Постановка задач для развития перспективных направлений энергои ресурсосбережения в коммунальном хозяйстве.

Методы исследований.

В работе использованы базовые положения теории автоматического управления, автоматизированного электропривода и электрических машин, силовой электроники, математической статистики, моделирования.

Стационарные и медленные процессы на тепловых станциях исследовались посредством длительных наблюдений и экспериментов без ущерба комфортности населения.

Быстротекущие процессы изучались посредством физического моделирования, использованием результатов математического моделирования, исследовались экспериментально с применением современных средств измерения и регистрации.

Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий на ЦТП при их массовом внедрении осуществлялась посредством статистического анализа на примере крупных городских районов.

Все новые алгоритмы и структуры управления отлаживались на промышленных объектах или опытно-промышленных образцах в производственных условиях теплоэнергетического комплекса Москвы. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждалась сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Развита, обоснована и доведена до практической реализации концепция энерго-ресурсосбережения в топливно-энергетическом комплексе большого города средствами современного регулируемого электропривода. Определены и сформулированы технические требования к электроприводам агрегатов, обслуживающих генераторы тепловой энергии, магистральные и распределительные сети, тепловые пункты — узлы подготовки и доставки тепловой энергии и воды непосредственно потребителю в части их функциональных возможностей и эксплуатационной надежности, и обеспечения бесперебойного тепло-водоснабжения.

2. Разработаны принципы использования электроприводов и алгоритмы управления при переходе от традиционно используемого ручного регулирования качества сгорания газа в топке котлов на автоматическое в целях экономии газа и улучшения экологической ситуации за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу, состоящие в обеспечении требуемого соотношения «воздух-газ» с учетом физических характеристик дутьевого воздуха, условий формирования общего факела и состава дымовых газов.

3. Теоретически и экспериментально исследована проблема избыточности тепловой мощности летнего режима в тепловых сетях при использовании мно-гогорелочных водогрейных котлов (до 16 горелок) и обоснована эффективность перехода к регулируемому групповому электроприводу дутьевых вентиляторов в сочетании с соответствующим изменением расхода газа, что позволило расширить диапазон изменения тепловой мощности котлов в сторону уменьшения и перейти от дискретного к непрерывному регулированию.

4. Предложен способ оптимального по критериям качества сгорания топлива регулирования характеристик отпускаемой станцией тепловой энергии, состоящий в параллельной работе нерегулируемых котлов (базовая тепловая мощность) с регулируемым котлом, тепловая мощность которого изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха и теплопотребления. Разработан алгоритм управления электроприводом дутьевых вентиляторов и дымососа, позволяющий реализовать способ за счет одновременного управления подачей воздуха и газа в горелки и регулирования разрежения в топке котла.

5. Выявлены причины негативных явлений, сопутствующих применению энергосберегающего высоковольтного частотно-регулируемого асинхронного электропривода ответственных механизмов теплостанций, состоящие в несоответствии уставок времени аварийных защит и возможностей преобразователей частоты по перезапуску в условиях кратковременного нарушения электропитания, и приводящие к остановке всех работающих котлов и прекращению циркуляции теплоносителя в районе теплосетей (сетевые насосы), групп котлов (циркуляционные насосы) или отдельных котлов (дутьевые вентиляторы и дымососы). Определены пути преодоления негативных явлений, в частности, за счет использования нового вентильно-индукторного электропривода с секционированным электропитанием.

6. Теоретически и экспериментально обосновано усовершенствование алгоритма управления частотно-регулируемым электроприводом массовых насосов холодного водоснабжения ЦТП, состоящее в изменении уставки на напор, развиваемый насосом, в функции общего расхода, что обеспечивает дополнительную экономию электроэнергии и воды до 10% без снижения комфортности водоснабжения.

7. Статистическим анализом эффективности и обобщением опыта внедрения регулируемого электропривода насосов на ЦТП обоснована техническая политика перехода к массовому внедрению энерго-ресурсосберегающих решений — использование комплектных объектно-ориентированных частотно-регулируемых электроприводов насосов совместно со станциями группового управления и встроенными системами связи и диспетчеризации.

Практическая ценность работы и реализация результатов.

Основные научные результаты диссертации использованы при модернизации объектов теплоэнергетического хозяйства Московской объединенной энергетической компании и могут быть применимы во всех крупных городах России ввиду принципиального сходства централизованных систем тепло-водоснабжения.

Разработанные алгоритмы управления котлоагрегатом, оснащенным регулируемым электроприводом дутьевых вентиляторов и дымососов, внедрены при личном участии автора на 21-м котле в шести районах тепловых станций и сетей Москвы: Строгино, Рублево, Матвеевская, Кунцево, Крылатское, Отрадное. Осуществлено поэтапное наращивание функциональных возможностейрегулирование режима горения, тепловой мощности, температуры сетевой воды. Это обеспечивает замену ручного управления на автоматическоеэкономию газа до 2% (в летний период до 4,8%) и электроэнергии до 30%- улучшает экологическую ситуацию за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферуисключает перегрев теплосети в летний период или преднамеренный останов котлов, позволяет всесезонно автоматически регулировать температуру теплоносителя в зависимости от погодных условий.

Основные принципы регулирования, апробированные на локальных системах управления, использованы в комплексных системах автоматического управления, внедряемых другими организациями при реконструкциях тепло-станций.

Рекомендации по совершенствованию схемных решений и алгоритмов управления, минимизирующих влияние кратковременных нарушений электропитания на работоспособность теплостанций с уже эксплуатируемыми высоковольтными регулируемыми электроприводами, использованы на десяти районных теплостанциях Москвы. Они использовались также при разработке введенных в эксплуатацию в 2007 г. электроприводов сетевых насосов, дымососов и дутьевых вентиляторов РТС «Жулебино». Ввиду общности проблемы качества электроснабжения эти рекомендации могут быть полезны и для других непрерывных производств.

Принцип электропитания ответственных регулируемых электроприводов одновременно от двух вводов подтвержден опытно-промышленной эксплуатацией вентильно-индукторного электропривода, внедренного на сетевом насосе районной теплостанции «Коломенская», и использован на дутьевом вентиляторе и дымососе котла РТС «Жулебино».

Статистической оценкой ресурсои энергосбережения в системах тепло-водоснабжения крупных городских массивов подтверждена эффективность реализованной идеи использования комплектного объектно-ориентированного регулируемого электропривода на центральных тепловых пунктах: экономия электроэнергии — 36%, воды — 12%, тепла — 6%. Разработанные принципы применены при организации серийного производства преобразователей частоты и станций группового управления на этапе массового внедрения энергосберегающих технологий при модернизации нескольких тысяч центральных тепловых пунктов Москвы. С использованием полученных в диссертации научных результатов разработана Программа внедрения энергосберегающих технологий в топливно-энергетическом хозяйстве г. Москвы.

Апробация работы.

1. V Международная (16 Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2007. Санкт-Петербург, 2007 г.

2. Ежегодные научно-практические семинары кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института, 2005;2007 гг.

3. Москва-энергоэффективный город. Конференция и выставка энергосберегающего оборудования, 2001 г, 2002 г.

4. Научно-технический совет Департамента топливно-энергетического хозяйства (ДепТЭХ) г. Москвы по вопросам эффективности энергосбережения и технологической целесообразности применения высоковольтного частотно-регулируемого электропривода механизмов теплостанций, 2004 г.

5. Нучно-технический совет Управления топливно-энергетического хозяйства (УТЕХ) г. Москвы по вопросам энергосбережения, 2002 г, 2003 г. г.

6. Научно-технический совет Московской объединенной энергетической компании по вопросам обобщения имеющегося опыта внедрения энергосберегающих технологий на ЦТП и определения объема модернизации при массовом внедрении, 2005 г.

7. Научно-технический совет Московской объединенной энергетической компании по результатам опытно-промышленной эксплуатации вентильно-индукторного электропривода сетевого насоса, 2007 г.

8. Научно-технический совет ГУЛ «Мостеплоэнерго» по вопросу бесперебойной работы теплостанций при нарушении электропитания, 2004 г.

9. Техническое совещание по проблемам массового внедрения энергосберегающих технологий в ГУЛ «Мосгортепло», 2005 г.

10. Технические совещания по выполнению постановления Правительства Москвы № 672−1Ш «О городской программе по энергосбережению на 20 042 008 гг и на перспективу до 2010 года» в районах тепловых станций и сетей ТСиС г. Москвы, 2000;2007гг.

Все основные результаты диссертации, состоящие в специфике использования современного регулируемого электропривода в новой области — в теплоэнергетическом хозяйстве и демонстрирующие эффект энергоресурсосбережения и повышения технического и технологического уровня оборудования, обеспечивающего город теплом и водой, внедрены на предприятиях МОЭК в Москве. Они могут быть полезны для других больших городов, имеющих похожую структуру тепло-энергетического хозяйства.

В диссертации рассмотрены также другие направления ресурсо-и энергосбережения в коммунальном хозяйстве города с применением регулируемого электропривода — совершенствование воздушного отопления зданий, модернизация схем горячего водоснабжения с использованием вентильно-индукторного электропривода, повышение готовности систем внутреннего пожаротушения путем совмещения функций холодного водоснабжения и пожаротушения.

Заключение

.

Исследование особенностей и возможностей современного регулируемого электропривода применительно к агрегатам теплоэнергетического комплекса открыло новые пути существенного повышения технического и технологического уровня оборудования и позволило экономить значительные ресурсы на всех этапах выработки, транспортировки и распределения тепловой энергии и подачи потребителям воды.

1. С использованием регулируемых электроприводов осуществлена замена ручного регулирования качества сгорания газа в топке котлов на автоматическое, что дает экономию газа 2% (в летний период до 4,8%) и электроэнергии до 30%- улучшает экологическую ситуацию за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферуисключает перегрев теплосети в летний период или вынужденный останов котлов.

Групповой регулируемый электропривод дутьевых вентиляторов позволил создать всесезонный котел-регулятор, который самостоятельно или параллельно с другими котлами регулирует температуру теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха с отклонением, не превышающим ±-0,3°С.

Разработанные системы автоматического управления в период 1995;2004 гг внедрены на 21 котле типа ПТВМ и шести теплостанциях тепловых сетей «Матвеевская», «Рублево», «Отрадное», «Кунцево», «Строгино», «Красный Строитель» и используются во внедряемых комплексных системах управления другими теплостанциями при их поэтапной реконструкции.

2. Выявлены причины негативных явлений, сопутствующих применению энергосберегающего частотно-регулируемого асинхронного электропривода ответственных механизмов теплостанций и разработан комплекс мероприятий, обеспечивающих безостановочную работу теплостанций в условиях кратковременного нарушения электропитания и использованный на десяти теплостанциях с высоковольтным ЧРП.

С целью радикального решения проблемы бесперебойной работы регулируемых электроприводов ответственных агрегатов сформулирован принцип их построения с одновременным использованием нескольких независимых вводов электропитания. Принцип реализован в новом мощном вентильно-индукторном электроприводе с независимым возбуждением с секционированными статор-ными обмотками.

Экспериментальные исследования и опытно-промышленная эксплуатация нового электропривода 630 кВт, 1500 об/мин с электропитанием от двух вводов подтвердили неизменность технологических характеристик и нормальную работу котлов при нарушении электропитания по одному вводу. Новые вентиль-но-индукторные электроприводы с одновременным питанием от двух вводов внедрены на трех механизмах теплостанций «Коломенская» и «Жулебино» с перспективой расширения внедрения.

3. Теоретически и экспериментально обосновано усовершенствование алгоритма управления частотно-регулируемым электроприводом массовых насосов холодного водоснабжения ЦТП, состоящее в изменении уставки на напор, развиваемый насосом, в функции общего расхода, что обеспечивает дополнительную экономию электроэнергии и воды до 10% без снижения комфортности водоснабжения.

Развита и подтверждена на практике идея необходимости объектно-ориентированного комплектного электропривода насосов в системах водоснабжения зданий, разработаны технические требования к регулируемым электроприводам насосов центральных тепловых пунктов. Идея реализована при организации серийного производства отечественного комплектного электропривода «Универсал» и выполнении Программы ОАО «МОЭК» на 2005;2010 гг. по массовому внедрению энергосберегающих технологий на центральных тепловых пунктах.

Статистическая оценка эффективности внедрений регулируемого электропривода насосов на ЦТП больших городских районов Москвы показала, что экономия электроэнергии составляет в среднем 36%, холодной и горячей воды — 12%.