Разработка и исследование энергосберегающего автоматизированного комплекса электрохимической активации

Актуальность темы

Снижение затрат при производстве тех или иных продуктов, а также экологическая безопасность не возможны без применения новейших технологий. Одной из таких технологий является электрохимическая активация (ЭХА). Сущность электрохимической активации заключается в том, что слабоминерализованный водный раствор подвергается электролизу в диафрагменном электролизере. В процессе электролиза образуется кислотная среда с положительным зарядом у анода, а у катода образуется щелочная среда с отрицательным зарядом. Расположенная между анодом и катодом пористая диафрагма с одной стороны пропускает ионы, а с другой стороны препятствует смешиванию продуктов электролиза.

В результате электрохимической активации получаются растворы, позволяющие заменять кислоты и щелочи в промышленных производствах, дез. средства в медицине, получать консерванты, протравители и лечебные препараты для сельского хозяйства, ферменты и коагулянты для химических производств.

Электрохимическая активация водных растворов находит применение во многих областях хозяйственной деятельности человека, где применяются жидкие среды. ЭХА растворы являются экологически чистыми, так как очень быстро релаксируют в обычную воду, не причиняя вреда окружающей среде.

Электролиз жидких сред является энергоемким производством. Кроме того, при электролизе слабоминерализованных растворов хлорида натрия в настоящее время получают растворы с ненормированным составом продуктов электролиза из-за отсутствия стабилизации режимов, при которых можно было бы проводить контролируемый электролиз с целью получения более точных параметров продукта. Это особенно важно при получении растворов применяемых в лечебной практике.

Эти затруднения объясняются тем, что до настоящего времени в качестве источников питания мобильных электролизеров применяют нерегулируемые однофазные выпрямители, предназначенные для других целей (зарядные устройства, выпрямители ВСА-4к, ВСА-5к, сварочные аппараты «Анод», станции катодной защиты КСС-600 и др.), которые, как правило, не имеют средств стабилизации даже тока.

В этой связи актуальность темы диссертационного исследования заключается в необходимости разработки энергосберегающего автоматизированного локального комплекса электрохимической активации жидких растворов. При этом важно создание таких структур и способов управления, которые обеспечивали бы возможность получения выходного продукта со стабильными параметрами, с целью применения в производственных процессах и, в том числе, в лечебной практике.

Тематика диссертации соответствует одному из основных научных направлений ВГТУ «САПР и автоматизация производства» .

Целью работы является разработка и исследование энергосберегающего автоматизированного комплекса для локальных установок электрохимической активации водных растворов на базе автоматизированного электропривода, устройств автоматики импульсных модуляционных преобразователей, как основы создания комплекса аппаратных средств по автоматизированному управлению технологическими процессами с целью стабилизации свойств дезинфицирующего раствораанолита.

Исходя из данной цели, в работе поставлены следующие задачи: на основании анализа существующих технологий электрохимической активации и проведенных экспериментальных исследований энергосберегающей автоматизированной системы управления технологическим комплексом стабилизации выходной продукции (концентрации активного хлора в анолите) необходимо разработать и исследовать: систему по поддержанию постоянства протока раствора через электрохимический реакторсистему стабилизации напряжения источника питаниясистему стабилизации тока через реактор при постоянных значениях напряжения на реакторе, объемного расхода раствора и предельно допустимой мощности, вводимой в реакторпровести анализ электромагнитных процессов, энергетических показателей, электромагнитной совместимости устройств с питающей сетьюразработать средства защиты устройств от аномальных режимов.

Методы исследования.

Для реализации поставленных в диссертации задач при проведении исследований использовались методы дифференциального и интегрального исчислений, теория электрических цепей и систем, основы теории силовой преобразовательной техники, теории электропривода и автоматического управления, моделирования.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: разработан принцип создания энергосберегающей адаптивной автоматизированной системы управления технологическим комплексом для стабилизации параметров выходного продукта (концентрации растворенного активного хлора в анолите) в составе: замкнутой системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода центробежного насосабыстродействующей системы регулирования выходного напряжения полупроводниковых источников питанияадаптивной системы стабилизации тока через электролизерпредложена энергосберегающая технология транспорта жидкости с помощью частотно-регулируемого асинхронного электропривода, когда расход электроэнергии определяется только потерями в гидравлическом сопротивлении линииразработана безинерционная интегральная система регулирования выходного напряжения на стадии каждого цикла коммутации в преобразователях с широтно-импульсной модуляциейразработана система адаптивнщй компенсации изменения тока в элементах ПЭМ при уменьшении проводимости раствора в процессе электрохимической активации, когда напряжение питания и объемный расход раствора постоянны и определены технологиейопределен оптимальный закон частотного регулирования при постоянной перегрузочной способности = const и при постоянстве абсолютного скольжения или изменяемой перегрузочной способности я = Мк/м = comt' предложено наиболее компактное математическое описание моделей модуляторов на базисе разрывных функций, позволившее анализировать работу источников питания при помощи метода коммутационных функций с разрывными компонентамипоказано, что ключевой режим силовой части преобразователя предполагает воспроизведение выходного сигнала последовательности импульсов с формой, близкой к прямоугольной. Из этого следует, что блок с коммутационной функцией устанавливает связь токов и напряжений как обычный трансформатор, что позволяет проведение исследований во временной области преобразователей с промежуточным звеном повышенной частоты по методикам обычных импульсных преобразователей, работающих на LCфильтр.

Практическая значимость работы.

Макетирование двухтактного и однотактного преобразователей, работающих на повышенной промежуточной частоте, подтвердило теоретические выводы по исследованию режимов работы преобразователя.

Предложенные в работе режимы нашли практическое применение на стационарной установке, работающей бесперебойно длительное время в специализированном лечебном учреждении.

Потенциальный экономический эффект от внедрения результатов работы в промышленность обусловлен заменой дезинфицирующих средств химического происхождения на раствор анолит, получаемый при электрохимической активации.

При расчете экономической эффективности анолита в сравнении с наиболее широко применяемыми дезинфицирующими средствами получено следующее:

1л анолита дешевле 1 л раствора хлорамина в 167 разраствора «ПРЕСЕПТ» в 56 разраствора «Гигасепт ФФ» в 720 разраствора «Лизоформин ЗООО» в 744 разараствора «Деохлор таблетки» в 31 разрастора «Дюльбак сервиз доз» в 169 разраствора ГПХ в 10 раз.

На основе многолетнего опыта применения установок СТЭЛ для синтеза анолита в среднем отмечено, что одна установка производительностью 80 л/ч. при 6-ти часовой работе в день обеспечивает экономический эффект для лечебно-профилактических учреждений в пределах 200−250 тыс. руб. в год [2].

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты исследований в работе нашли практическое применение на установке по производству электроактивированных растворов — анолит и католит на кафедре фармакологии BFMA им Н: Н. Бурденко и в новых разработках установок СТЭЛ для электрохимической активации водных растворов, производимых ООО «Специализированная электрохимическая лаборатория». Внедрение результатов исследований на установках СТЭЛ позволили снизить потребление электроэнергии установками на 20%.

Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханические системы и электроснабжение» Воронежского государственного технического университета в лабораторный практикум по курсам «Электротехнологии» и «Энергосбережение» при выполнении дипломных проектов.

Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.

Внедрение в закрытом учреждении.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на Региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2002, 2003), научно-технической конференции (Чебоксары 2002), региональной научно-технической конференции «Системы и элементы роботизированных комплексов и роботизация технологических процессов» (Воронеж, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «ДНДС-2003» (Чебоксары, 2003).

Кроме того, результаты работы докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах кафедры «Автоматика и информатика в технологических системах», «Электромеханические системы и электросбережение», головном совете Академии медико-технических наук Российской Федерации.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 12 работ и монография. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем предложено: в [2] - способ управления силовыми элементами преобразователя с повышенной коммутационной способностьюв [3] - метод оценки энергетических показателейв [4] - разработанная методика учета влияния выходных фильтров на характеристики преобразователейв [5] - предложен общий подход к анализу импульсных источниковв [6] - определение эффективности применения преобразователей с промежуточным звеном повышенной частоты.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, основной текст изложен на 192 листах и содержи 65 рисунков, 12 таблиц, список литературы, включающий 138 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. При создании автоматизированной системы управления для достижения стабилизации характеристик выходного продукта (активного хлора) в дезинфицирующих растворах при электрохимической активации разработана структура технологического процесса, обеспечивающая стабильность следующих подсистем автоматического регулирования: а) система стабилизации протока (объемного расхода) раствора через электролизер, Q = constб) система стабилизации подводимого напряжения на электроды электролизера, Um" = constв) система поддержания постоянства тока, протекающего через электролизер при О = const, Unum = const, и постоянства потребляемой мощности элементом не более 100 ватт.

2. Система стабилизации протока осуществляется центробежным насосом с частотно-регулируемым асинхронным двигателем с короткозамкну-тым ротором. Производительность насоса контролируется на выходе электролизера либо датчиком давления, либо расходомером, показания которых вводятся в виде отрицательной обратной связи в систему управления преобразователя частоты. На входе электролизера постоянство давления в функции расхода.

3. Для получения набольшего технико-экономического эффекта при эксплуатации электропривода центробежных насосов единственным способом регулирования асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором является метод регулирования, способный в наибольшей степени осуществлять экономически целесообразные режимы работы как в статических, так и в динамических режимах.

4. Применение регулируемых ЭП насосов позволяет создать принципиально новые технологии транспорта жидкости с плавным регулированием параметров установок без непроизводительных затрат электроэнергии с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических* критериев работы системы подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики турбо-механизмов.

Нерегулируемые ЭП с традиционными способами регулирования подачи насосных установок путем дросселирования напорных линий по одному • из технологических параметров (давление на коллекторе или в диктующей точке сети) направлены на решение технологических задач и практически не учитывают энергетических аспектов транспорта жидкости.

5. Оптимальными законами частотного регулирования следует считать: регулирование при постоянной перегрузочной способности.

Л = = const и при постоянстве абсолютного скольжения или изменяемой.

Мн перегрузочной способности Л. =^- = const.

М„

6. Частотное управление по максимуму момента является основным способом достижения максимальной производительности асинхронного электропривода насосов в статических режимах: при частоте ниже 50 Гц наиболее рационально использовать управление по минимуму тока с ограничением.

АР =1. ООП.

7. Анализ работы преобразователя с промежуточным звеном повышенной частоты в главе 3 показал, что режим работы с трансформатором, работающим на повышенной частоте, можно представить блоком с коммутационной функцией, устанавливающий связь токов и напряжений, как обычный трансформатор. Это обстоятельство позволяет создать единую систему управления для преобразователей, рассмотренных во второй и третьей главах работы.

Обобщенная система стабилизации выходного напряжения преобразователей работает по принципу определения вольтсекундной площади каждого выходного импульса модулятора с концепцией падения напряжения в активном сопротивлении обмотки дросселя фильтра. При таком решении система, получается практически безинерционной.

8. Разработанная система стабилизации тока через электрохимический реактор решает очень важную задачу по стабилизации концентрации хлора в анолите, так как этот показатель определяется силой тока, протекающего через реактор. Изменение тока при постоянстве напряжения и расхода раствора происходит за счет уменьшения проводимости раствора во время электрохимической активации. Для компенсации отклонения тока от заданной величины разработана подсистема дополнительной подачи более концентрированного раствора с помощью дозатора, подающего этот раствор импульсами в питающую линию основного раствора. В этом случае повышение давления на выходе насоса, контролируемое датчиком давления, будет воздействовать на систему управления преобразователя частоты в сторону снижения скорости двигателя. Тем самым будет происходить выравнивание давления в магистрали, и выдерживаться требование постоянства расхода раствора через реактор.

9. Испытания макета двухтактного преобразователя с промежуточным звеном повышенной частоты подтверждают основные положения теоретических исследований подобных преобразователей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Широко применяемые в настоящее время дезинфицирующие средства являются веществами. Микроорганизмы при длительном воздействие на них дезинфицирующих средств адаптируются к их воздействию и мутируют, образуя не восприимчивые к дезинфицирующим средствам штаммы.

В отличие от химических реагентов, применяемых в качестве дезинфицирующих средств, разбавленные водные растворы минеральных солей в результате униполярной электрохимической обработки в анодной и катодной камерах диафрагменного электролизера становятся растворами, находящимися, в метастабильном состоянии. Микроорганизмы не вырабатывают к ним стойких штаммов. Низкая концентрация продуктов электрохимической активации и релаксация получаемых растворов определяет их экологическую чистоту.

Электрохимические растворы позволяют решить важнейшие экологические проблемы в технических процессах, связанных с использованием воды, водных растворов катализаторов окислительно-восстановительных процессов, а также в технологиях получения хлора, диоксида хлора, озона и многих других.

Функциональные свойства и технические параметры электрохимических реакторов ПЭМ зависят от многих факторов.

В настоящее время выпускаемые установки электрохимической активации жидких растворов не позволяют получать стабильные по своим характеристикам растворы, например, для лечения человека и животных.

Для получения стабильных характеристик растворов разработан энергосберегающий автоматизированный технологический комплекс наиболее энергоемкого процесса для получения дезинфицирующего раствора анолита в составе:

— контур поддержания постоянства протока раствора через электролизер;

— контур стабилизации напряжения на электродах реактора;

— контур стабилизации тока, протекающего между анодом и катодом реактора;

Проведение исследований по созданию автоматизированного энергосберегающего комплекса электрохимической активации для получения дезинфицирующих растворов позволяют сформировать основные выводы и рекомендации:

1. На основании проведенного анализа и экспериментальных исследований выяснены закономерности при получении анолита с максимальным содержанием активного хлора в растворе.

A) Оптимальное значение напряжения на электродах ПЭМ, по отношению к которому увеличение приводит к снижению концентрации хлора, а уменьшение приводит к возрастанию расхода соли. Решением этого требования является создание контура стабилизации напряжения.

Б) Выход анолита с необходимыми свойствами при ЭХА зависит от времени пребывания раствора в электролизере. Для этого нужно строго поддерживать постоянный объемный расход раствора через элемент ПЭМ. Эти требования реализуются установкой насоса с регулируемой системой производительности и системой стабилизации давления на выходе.

B) Концентрация активного хлора в анолите прямо пропорциональна силе тока, протекающего через элемент ПЭМ. При постоянстве напряжения источника и постоянстве протока раствора изменение тока будет происходить за счет уменьшения проводимости раствора при электрохимической активации. Это требование выполняется контуром стабилизации тока посредством определения отклонения тока А/ от заданной величины, с воздействием на дозатор, подающий концентрированный раствор соли в исходный раствор. Такая время-импульсная коррекция позволяет адаптироваться по степени минерализации исходного раствора в связи с необходимостью нахождения жидкости в электрохимическом реакторе определенное время при контролируемом протоке раствора.

2. Регулируемый привод насосов является основным звеном системы автоматизированного управления ЭХА для получения анолита со стабилизированной характеристикой концентрации активного хлора.

Применение регулируемых электроприводов насосов позволяет создать принципиально новые технологии транспорта жидкости с плавным регулированием параметров установок без непроизводительных затрат электроэнергии с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы системы подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики механизмов.

3. Частотное управление по максимуму момента является основным способом достижения максимальной производительности асинхронного электропривода турбомеханизмов в статических режимах. При частоте ниже 50 Гц наиболее рационально использовать управление по минимуму тока с ограничением /',""" = 1 (в относительных единицах), при более высоких частотахуправление по минимуму потерь с ограничением ДРооп = 1.

4. Для насосов при квадратической зависимости момента от частоты изменение тока статора возможно при работе без противодавления, когда критический момент формируется изменением магнитного потока, при соблюдении постоянства перегрузки с изменением частоты (статического момента), Мк.

А —— = Const.

Мн.

5. Для реализации работы автоматизированного комплекса проведены исследования режимов работы источников питания. В работе рассмотрено два типа преобразователей с широтно-импульсной модуляцией: в первом типе модуляция напряжения производится в установках до 15 вольтво втором случае осуществляется бестрансформаторная схема.

Ключевой режим работы полупроводниковых элементов силовой части преобразователя предполагает воспроизведение входного сигнала последовательностью импульсов с формой, близкой к прямоугольной. Приэтом при прохождении сигналов через силовые фильтры U2 = KP0z-L/x и /, = КРФг.-12 выходной ток приобретает импульсный характер. Из этого следует, что блок с коммутационной функцией КРФг устанавливает связь токов и напряжений как обычный трансформатор, что позволяет проведение исследований во временной области преобразователей с промежуточным звеном повышенной частоты по методикам, проводимым для преобразователей с трансформаторами на частоте 50 Гц.

6. Применительно к преобразователям с ШИМ на низком напряжении разработаны и решены следующие вопросы:

— введение добавочной индуктивности в силовую цепь ШИМ — преобразователя с целью дополнительного увеличения напряжения на коммутирующем конденсаторе в контуре искусственной коммутации в функции тока нагрузки существенно повышает надежность импульсного преобразователя с ШИМ;

— проведенный анализ работы ШИМ-преобразователя на LC-фильтр показал, что. пульсация выходного напряжения в системе обратно пропорциональна постоянной фильтра LC и квадрату рабочей частоты модулятора;

— передача информации по энергетическому каналу предъявляет к преобразователям дополнительные требования по эффективности преобразования потока энергии. Оценкой этого процесса является коэффициент полезного действия, величина которого зависит от статических и динамических потерь.

Анализ составляющих потерь показывает, что наибольшие потери мощности имеют место, когда нагрузка постоянна (Рн = const) при максимальном значении тока нагрузки и минимальном напряжении;

— электромагнитная совместимость преобразователей характеризуется в первую очередь спектральным составом тока, потребляемого из питающей сети. В работе показано, что при повышении кратности квантования спектральный состав сдвигается в сторону высших гармоник, причем при четной кратности квантования частотный спектр составляют только нечетные составляющие спектра.

— наиболее компактное математическое описание моделей модуляторов получено в базисе разрывных функций. Этот базис использован для анализа работы источников питания при помощи коммутационных функций с разрывными компонентами. В работе представлены результаты моделирования электромагнитных процессов в инверторных стойках с учетом обвязки силовых вентилей для защиты от коммутационных перенапряжений и коммутационных токов.

7. Нелинейность системы с ШИМ обусловлена как модуляцией^ на длительность, при которой к входной и выходной величинам модулятора неприменим метод суперпозиции, так и нелинейностью характеристики импульсного элемента, связывающей ширину импульсов с входным напряжением модулятора. Такие системы лучше всего поддаются исследованию устойчивости по частотному критерию. Для этого необходимо исходную систему привести к системе, состоящей из безинерционного нелинейного элемента и линейной импульсной части, образованной простейшим импульсным элементом и приведенной непрерывной частью. При линеаризации нелинейной импульсной системы необходимо представить уравнение движения этой системы по отношению ошибки и ее изображения.

При однополярной широтной модуляции иа непрерывную часть системы воздействует последовательность однополярных импульсов с постоянной амплитудой Еп относительно длительности уш. Реакция непрерывной части системы на такую последовательность определена с помощью интеграла Дюаме-ля. Подвергнув Д-преобразованию эту последовательность и используя при этом теорему свертывания в вещественной области, получено уравнение относительно изображений. В результате получена искомая форма записи уравнения широтно-импульсной системы, которая эквивалентна нелинейной импульсной системе.

Получено подтверждение об абсолютной устойчивости по частотному критерию Я. З. Ципкина, т.к. соответствующая линеаризованная система устойчива и при уменьшении периода повторения, а величина коэффициента асимтотически приближается к максимально допустимому коэффициенту усиления непрерывной части системы, состоящей из линейной части с передаточной функцией и нелинейностью.

8. Для стабилизации характеристики выходного продукта раствора анаолит разработан контур стабилизации тока, протекающего через электрохимический реактор. Такая система реагирует на изменение тока в реакторе из-за изменения сопротивления раствора в сторону увеличения в процессе электрохимической активации. В результате изменения рабочего тока происходит уменьшение концентрации активного хлора в анолите, которая зависит от величины тока в реакторе. При осуществлении стабилизации напряжения питания элементов ПЭМ, постоянства протока анолита через элемент и постоянства мощности, потребляемой элементом по условиям стабильности процесса электрохимической активации, компенсировать изменения тока через элемент ПЭМ возможно только путем изменения дополнительной подачи раствора соли в смеситель из дополнительной емкости с большей концентрацией соли посредством дозатора. Такая коррекция по концентрации раствора соли позволяет осуществить стабилизацию тока через элемент ПЭМ, что в конечном счете обеспечивает стабилизацию характеристики выходного продукта — анолита — по содержанию активного хлора.

9. Разработанная импульсная система управления дозатором в совокупности с устройством стабилизации напряжения на клеммах элемента ПЭМ при предельной потребляемой мощности элементом образует автоматизированную адаптивную систему управления технологическим процессом.

10. Разработан и изготовлен макет двухтактного преобразователя с промежуточным звеном повышенной частоты (20 кГц) мощностью 2 кВт. По весо-габаритным показателям такой преобразователь превосходит преобразователь, работающий на частоте 50 Гц, в 5−6 раз.