Исследование оптимального метода управления электроприводами насосов первого подъема, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур

ЦЕЛЬ. Работа направлена на решение важной проблемы повышения экономической эффективности, уровня ресурсосбережения и безаварийности участка первого подъема систем централизованного водоснабжения малых и средних населенных пунктов. При этом ставиться задача минимизации затрат электроэнергии и водных ресурсов, связанных с переработкой насосов, с одновременным обеспечением защиты трубопровода от замерзания в условиях отрицательных температур окружающей среды. МЕТОДЫ. Для решения поставленной задачи был разработан оптимальный метод управления электроприводами насосов первого подъема по запросам конечного потребителя воды, отличающийся от существующих анализом состояния тепловых параметров трубопроводной линии, для её защиты от замерзания в условиях низких температур окружающей среды. Метод основывается на вычислении управляющих воздействий по уровню воды в накапливающем резервуаре или давлению воды в трубопроводе U_L и температуры воды в конце трубопровода U_T, с последующим расчетом оптимальной уставки подачи насоса, которая затем поддерживается методом частотного регулирования. Чтобы определить оптимальные законы вычисления управляющих воздействий и оценить эффективность предложенных решений использовалась имитационная модель Matlab® Smulink. РЕЗУЛЬТАТЫ. По результатам моделирования было выявлено, что для вычисления управляющего воздействия по уровню U_L целесообразно применять ПИД закон, по температуре U_T - ПД закон, по расходу - ПИ закон. Также были оценены параметры технологического процесса и уровень потребляемой мощности в процессе управления. ВЫВОДЫ. Исследования предложенной концепции управления участком первого подъема показали высокую технико-экономическую эффективность, в частности экономия потребляемой электроэнергии оценивается примерно в 22 % при обеспечении защиты трубопровода от замерзания.

1. Число объектов хозяйственно-питьевого централизованного водоснабжения. Доступно по: https://www.fedstat.ru/indicator/37335. Ссылка активна на 09 мая 2021.

2. Утечки и неучтенный расход воды (тысяч кубических метров, объем показателя за год). Доступно по: https://www.fedstat.ru/indicator/34034. Ссылка активна на 09 мая 2021.

3. Число аварий в системе водопровода. Доступно по: https://www.fedstat.ru/indicator/34186. Ссылка активна на 09 мая 2021.

4. Иванова В.Р., Киселев И.Н. Частотно-регулируемый электропривод для энергосбережения и оптимизации технологических процессов в электротехнических комплексах. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019;21(5):59- 70.

5. Гумерова Р.Х., Черняховский В.А. Моделирование потребления электроэнергии приводами насосов при дроссельном и частотном регулировании производительности. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017;19(3-4):96-106.

6. Мустафин Э.Н. Применение регулируемых асинхронных двигателей в жилищно-коммунальном хозяйстве. В поиске компромиссного решения. Бюллетень строительной техники. Москва: Бст., 2018. № 3 (1003) С. 51-53.

7. Abidov K., Zaripov O., Zaripova S. Automatic drive-support method for constant pressure maintanence at pump units of the hydraulic power stations, E3S Web of Conf., 216 (2020) 01110 https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021601110.

8. Kan E., Ikramov N., Mukhammadiev M. The change in the efficiency factor of the pumping unit with a frequency converter, E3S Web Conf., 97 (2019) 05010

9. Pöyhönen S., Simola A.; Ahola J. Variable-speed-drive-based sensorless estimation of pump system reservoir fluid level, 2020 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'20 ECCE Europe), Lyon, France, 2020; pp. P.1-P.10,

10. Rodriguez Arribas J.; Vega Gonzalez C. M. Optimal vector control of pumping and ventilation induction motor drives, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002; vol. 49, no. 4, pp. 889-895.

11. Kukishev D., Meshcheryakov V., Boikov A, et al Energy saving in the scalar control system of an asynchronous electric drive, 2018 X International Conference on Electrical Power Drive Systems (ICEPDS), Novocherkassk, 2018, pp. 30 -31.

12. Костинский С.С. Обзор и результаты исследований гармонического состава тока, потребляемого преобразователями частоты малой мощности, а также способов и устройств для снижения их негативного влияния на системы электроснабжения. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020;22(2):27-42.

13. Jahmeerbacus M. I. Flow rate regulation of a variable speed driven pumping system using fuzzy logic, 2015 4th International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems (EPECS), Sharjah, 2015; pp. 1-6.

14. He L., Song L. The pump house constant pressure fuzzy self-tuning PID control system simulation, 2011 International Conference on Electric Information and ControlEngineering, Wuhan, 2011; pp. 5525-5527.

15. Fulai Y.; Hexu S. Optimal control in variable-speed pumping stations, 2011 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Beijing, 2011, pp. 2397-2401.

16. Палкин Г.А., Горбунов Р.В., Суворов И.Ф. и т.д. Способ регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике и цифровая система для его осуществления. Патент РФ на изобретение № 2593649. 10.08.2016. Бюл. № 22. Доступно по: https://fips.ru/iiss/document.xhtml?facesredirect=true&id=ee50a00bd42fb65219a943ab3f25f6 1e. Ссылка активна на 09 мая 2021.

17. Palkin G.; Suvorov I., Development of a simulation model of the first rise area of a water supply system with a storage reservoir. 2020 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russia, 2020, pp. 804-809.

18. Palkin G., Suvorov I and Gorbunov R. Evaluation of Ways to Improve the Energy Efficiency of Sites of First Rise Supply Water Systems with Storage Tank by Laboratory Modeling, 2018 International Ural Conference on Green Energy (UralCon), Chelyabinsk, 2018, pp. 227-234.