Особенности работы насосов ТЭЦ и ТЭС, требования к их электроприводам

 

Центробежные насосы являются наиболее распространенными и энергоемкими механизмами. На привод этих механизмов расходуется колоссальное количество энергии, составляющее около 20 % от вырабатываемой электроэнергии.

Мощность промышленных насосов лежит в пределах от 1 до нескольких десятков тыс. киловатт. Мощность питательных насосов тепловых электростанций и насосов гидротехнических сооружений достигает 25 000 кВт. Насосы, как правило, работают на сеть с противодавлением, причем статический напор сети составляет обычно не менее 20 % полного напора. Исключением являются лишь циркуляционные насосы, которые могут работать на сеть, практически не имеющую статического напора. Почти все насосы оснащаются нерегулируемым электроприводом. Для регулирования производительности при этом используют практически единственный способ – дросселирование на стороне нагнетания.

Регулирование производительности насосов применяют в двух случаях:

а) при необходимости регулирования количества жидкости, подаваемой насосом, в соответствии с технологическими требованиями или вследствие случайного изменения потребности жидкости (например, производительность циркуляционного насоса системы охлаждения нужно регулировать в зависимости от количества теплоты, подлежащей отводу, или производительность сетевых насосов должна изменяться соответственно режиму теплопотребления);

б) при необходимости первоначальной подрегулировки производительности насоса для обеспечения требуемого расхода (например, если требуется насос с параметрами Q₁ и Н₁ для подачи жидкости на определенную высоту при постоянстве расхода и сопротивления гидросети, то его выбирают по каталогу с ближайшим номинальным напором при данном расходе, т.е. Н_Н>H_1.

Допустим для работы с заданными параметрами, напор насоса должен быть снижен с Н_Н до H₁. Если насос работает при неизменной частоте вращения, то простейшим и обычно применяемым способом регулирования его производительности является дросселирование, т.е. неполное открытие задвижки на напорном трубопроводе насоса. Это соответствует увеличению вредного сопротивления сети.

Ниже на рисунке 20 приведены результаты расчетов и исследований, проведенных для центробежного насоса.

 

а) Характеристики сети и насоса б) Изменение КПД

при дросселировании при дросселировании

 

Рисунок 20 – Характеристики насосных агрегатов

Если задвижка открыта полностью (характеристика сети соответствует кривой 1- рисунок 20, а), то рабочей является т. А, которой соответствует максимальный расход Q₁ и напор Н_1. Кривая 1 – задвижка открыта полностью.

Если задвижку открыть неполностью, то появляется дополнительное паразитное сопротивление R₃, вызывающее потерю напора . При этом снижается расход (т. В с параметрами Q₂ и Н₂).

Такой способ регулирования производительности весьма прост, однако он крайне невыгоден с энергетической точки зрения, поскольку ведет к существенному снижению КПД насосного агрегата и бесполезному расходованию электроэнергии. Это происходит по двум причинам.

Во-первых, из-за дополнительных потерь мощности в задвижке, определяемых по формуле:

. (102)

 

Во - вторых, вследствие снижения КПД самого насосного агрегата, объясняющегося переходом от работы в т. А к работе в т. В (см. рисунок 20,б).

При регулировании дросселированием полный КПД насоса рассчитывают по формуле:

 

, (103)

 

где КПД собственно насоса, определяемый при данном Q по характеристике - см. рисунок 20б;

Н_ПОЛ. - полезный напор, определяемый по характеристике сети (кривая 1) для данного значения Q , кГс/м²

Н - напор, развиваемый насосом и определяемый по характеристике Н=f(Q) насоса для данного значения Q , кГс/м²

Рассчитанные для данных, приведенных на рисунке 21, зависимости КПД от расхода при регулировании производительности центробежного насоса задвижкой и изменением частоты вращения приведены на рисунке. Кривая 1 – при регулировании заслонкой, 2 – при регулировании частотой вращения двигателя.

Сравнение по КПД рассмотренных способов регулирования показывает чрезвычайную неэкономичность регулирования с помощью задвижек и определяет необходимость перехода на регулируемый привод.

Насосные агрегаты обычно объединяют в насосные станции, при этом несколько насосов работают параллельно на одну сеть. Рассмотрим совместную работу двух насосов на общую сеть. Если насосы работают с постоянной частотой вращения, то положение рабочей т. А (см. рисунок 22) определяется пересечением их суммарной характеристики (кривая 2) с характеристикой сети (кривая 1). Насосы 1 и 2 имеют характеристики соответственно 5 и 4 (производительности Q₁ и Q₂). Расход можно регулировать дросселированием одного или обоих насосов.

 

Рисунок 2

 

1 - Зависимость КПД при регулировании производительности

 

На рисунке 22 показан вариант дросселирования насоса где, А - рабочие точки при совместной работе двух насосов, 1 - характеристика сети, 2 - суммарная характеристика двух насосов, 4-5 характеристики насосов при производительности Q₁ и Q₂, 6 – совместная характеристика насосов при регулировании заслонки на одном двигателе.

При анализе совместной работы насосов падение напора в задвижке удобнее рассматривать как внутренние потери напора в насосе. В этом случае при дросселировании насоса угол наклона его характеристики возрастает. Если прикрыть задвижку так, что характеристика насоса 1 на рисунке 22 займет положение, соответствующее кривой 6, то результирующая производительность снизится до Q_А (т. А). Тогда суммарная характеристика насосов будет соответствовать кривой 3.

 

Рисунок 22 - Характеристики совместной работы насосов при дросселировании

 

Регулирование производительности насосной станции изменением частоты вращения насосов иллюстрируются на рисунке 23. 1 – характеристика сети, 2 – суммарная характеристика насосов с производительностью Q_A, 3 – с производительностью Q^/_A, 6,7 – характеристики при уменьшении частоты вращения обоих двигателей, 8 – при снижении частоты вращения одного двигателя.

 

 

Рисунок 23 - Характеристики совместной работы насосов при регулировании производительности насосной станции изменением частоты

вращения

 

Пусть два насоса (суммарная характеристика – кривая 2) работают на сеть (кривая 1) с производительностью Q_A (т. А). Для уменьшения их производительности Q^/_A (т. А^/ – кривая 3) можно либо уменьшить частоту вращения обоих насосов (характеристики 6 и 7), либо снизить, но более значительно, частоту вращения одного из насосов, например, насоса 2 (характеристика 8).

С точки зрения экономичности регулирования несколько более выгодным является одновременное изменение частоты вращения всех параллельно работающих насосов.

Однако это связано с увеличением капитальных затрат на оборудование всех агрегатов регулируемым электроприводом. Поэтому для большей части насосных станций достаточно иметь только один регулируемый агрегат, при необходимости более глубокого регулирования отключают отдельные насосы.

Электропривод питательных насосов Питательные насосы в схеме водоснабжения ТЭЦ являются мощными механизмами собственных нужд и по своему значению приравниваются к основному тепломе­ханическому оборудованию. Приспособление насосов к нагрузкам котла и турбоустановки определяется не только требуемыми параметрами оборудования, но и в значительной мере зависит от приме­няемого привода.

 

Таблица 4 - Характеристика двигателей питательных насосов, установленных на ТЭЦ

№	Тип, марка Электродвигателя	Мощность Рн, кВт	Напряж. Uн, В	Обороты Об/мин	Кол-во, шт.
	2АЗМ-4000/6000У4

 

Питательная вода поступает в барабан котла, который герметичен и находится под давлением. Вода и пар в нем высокой температуры. В процессе переходных режимов уровень в котле быстро меняется на весьма значительную величину. С одной стороны, спуск уровня из барабана приводит к пережогу труб, поверхностей нагрева, а с другой – переполнение барабана котла водой может привести к забросу воды в паропроводы и повлечь разрушение лопаток турбины (см. рисунок 24).

Регулирование уровня в барабане котла осуществляется регулятором уровня. Команда уровня передается на регулирующий клапан. При снижении уровня клапан открывается, при увеличении уровня - прикрывается.

Такой представляется упрощенная картина регулирования уровня. На самом деле на уровень в барабане котла влияет целый ряд факторов. К этим факторам относится: тепловая нагрузка котла, давление пара в барабане котла, расход пара из барабана котла и расход питательной воды в барабан. Если питательный насос подает воду на параллельно работающие котлы, то при отключении одного из них давление, создаваемое питательным насосом, увеличится (вследствие уменьшения нагрузки насоса).

 

 

1-котел; 2-регулировочные клапаны турбины; 3-турбина;4-электрический генератор; 5-конденсатор; 6-питательный насос; 7-питательный клапан.

Рисунок 24 - Блок схема системы, котел – турбина

 

Увеличение давления приведет к повышенному количеству воды, подаваемой в оставшиеся в работе котлы, вследствие чего уровень в них повысится. Для предупреждения подобного явления в регулятор питания котла заводят еще один сигнал – по расходу питательной воды.

Регулирование расхода питательной воды по котлам производится, как правило, индивидуальными регуляторами, но подача на общий коллектор на ТЭЦ регулируется ступенчато, параллельным подключением питательных насосов. В предыдущем разделе было показано, что плавное регулирование хотя бы одного из питательных насосов позволит значительно сократить потребление электроэнергии при более точном управлении подачей питательной воды.

Как уже отмечалось, для привода механизмов СН ТЭС, в том числе и для питательных насосов, широкое распрост­ранение получили АД с КЗ ротором.

Однако перевод таких двигателей на работу с регулированием ЧВ от ТПЧ вносит свои особенности и предъявляет дополнительные требования к формированию питательной группы турбоагрегата и к сети электроснабжения СН. Это означает, что простое добавление ТПЧ к нерегулируемому асинхронному электроприводу не всегда решает задачи рационального формирования группы питательных насосов.

Особенно наглядно это проявляется в случае использования мощных высоковольтных ТПЧ, рассчи­танных на непосредственное подключение к статору АД и к сети электроснабжения.

Для мощных энергоблоков за рубежом основное распрост­ранение получили три схемы формирования питательных групп: 2 насоса 100%-ной про­изводительности, 2 насоса 100%-ной производительности и 1 пускорезервный насос 50%-й производительности, 2 насоса 60%-й производительности (без резерва).

На практике, в частности, для турбоагрегатов мощностью 160 и 210 МВт, также получили распространение различные по составу питательные группы с насосами 100%-й и меньшей производительности.

В блочных электростанциях с указанными типами турбоагрегатов, существует 7 наиболее часто встречающихся вариантов (см.таблица 5).

 

Таблица 5 - Формирование групп питательных насосов

№ №	Состав группы питательных насосов, тип насоса	Произв- ность, %	Тип приводного электродвигателя	Коэф. макс. наг. двигателя
	1хПЭ-430 и 2хПЭ-380		АС-4000/6000 или АТД-4000/6000	0,95 - 1
	2хПЭ-380		2АЗМ-3 200/6000 (4АЗМ-4000/6000)	0,8 - 0,9
	ЗхПЭ-380		2АЗМ-3 200/6000 (4АЗМ-4000/6000)	0,8 – 0,9
	2хПЭ-720		АС-5000/6000 или 2АЗМ-5000/6000)	0,85 – 0,9
	2хПЭ-580		АТМ-3500/6000 или 2АЗМ-5000/6000	0,85 – 0,9
	2хП-640		АС-5000/6000	0,9 – 0,95
	1х ПЭ-640 и 2хПЭ-430		АТД-4000/6000, АТД-3500/6000	0,95 - 1

 

Эти варианты отражают состав групп питательных на­сосов, как у эксплуатируемых энергоблоков, так и у вновь вводимых. В условиях работы энергоблока в постоянной части графика на нагрузки указанные варианты в принципе обес­печивают требуемую надежность работы энергоблоков с точ­ки зрения бесперебойной выработки электроэнергии и сох­ранения энергоблока в работе при аварии (или выводе в ремонт) одного из насосов.

При этом для варианта с дву­мя питательными насосами 50%-й производительности вывод одного из насосов требует разгрузки энергоблоков.

При глубоких разгрузках энергоблоков 160 и 210 МВт, пере­водимых в маневренный режим, экономичность насосов падает вследствие необходимости дросселирования значи­тельного избыточного напора (до 40-70 кгс/см²).

Оче­видно, что при формировании питательных групп маневренных энергоблоков и оснащении их регулируемым электроприво­дом требования экономичности и надежности работы являют­ся определяющими.

Потери мощности в нерегулируемом приводе питательных насосов складываются из потерь в дросселирующих устройствах питания котлов и в устройствах “перепуска”, поддерживающих давление в общем коллекторе при изменении режимов работы станции.

Для питания пяти действующих котлов обычно используется 4 ПН. К примеру при обычном для ТЭЦ-2 ночном сбросе нагрузки, потребление питательной воды снижается на 10%. При работе их днем в номинальном режиме, каждый из насосов недогружен в ночное время на приблизительно на 10%. Следовательно, потери мощности в дросселирующих устройствах котлов можно определить, как

 

, (104)

 

где -относительное снижение мощности двигателей насосов

-номинальная мощность двигателя ПН, кВт

- количество насосов

Потери электроэнергии за год определяются, как

 

, (105)

 

где - годовая длительность ночного сброса мощности ТЭЦ.

В связи с необходимостью поддержания давления в общем коллекторе, при сбросе нагрузки срабатывает схема “перепуска”, при которой часть воды с выхода ПНпоступает на его вход.

Потери электроэнергии при этом можно оценить, как

 

. (106)

 

Электропривода багерных насосов и насосов осветленной воды

 

Таблица 6 - Характеристика двигателей багерных насосов ТЭЦ

Тип, марка Электродвигателя	Мощность Рн, кВт	Напряж. Uн, В	Скорость Вращения Об/м	Кол-во, Шт.
А4-450-6
ДАЗО4 450У6У1

 

Таблица 7 - Характеристика двигателей насосов гидрозолоудаления ТЭЦ

Тип, марка Электродвигателя	Мощность Рн, кВт	Напряж. Uн, В	Скорость вращенияОб/м	Кол-во, Шт.
А114-4
ДАЗО4-400ХК-АТ2

 

Таблица 8 - Характеристика двигателей насосов осветленной водыТЭЦ

Тип, марка Электродвигателя	Мощность Рн, кВт	Напряж. Uн, В	Скорость Вращения Об/м	Кол-во, Шт.
А355L-4
А4-400Х-8У3
ДАЗО4-400ХК-АТ2

 

Шлак из топки котла поступает в шлакоудаляющее устройство и далее в шлакозоловой канал, куда также подается смывными устройствами из бункеров уловленная зола.

Гидротранспорт шлаковой и золовой пульпы до багерных насосов осуществляется по самотечным каналам, проложенным в полу зольного помещения. В приемном бункере багерного насоса устанавливается металлоуловитель, а иногда дробилка.

Багерные насосы по стальным трубопроводам перекачивают гидрошлаковую смесь на золоотвал. Осветленная вода поступает из отвала в

отстойный бассейн для повторного использования.

Насосная станция обычно располагается в приямке глубиной 3-4 м. Для перекачки гидрошлакозоловой смеси на ТЭЦ применяются центробежные багерные насосы. Расход электроэнергии багерными насосами составляет 6-8 кВт*ч/т.

Основной недостаток багерных насосов – это быстрый износ рабочих колес, срок службы которых не превышает 700 ч. Поэтому багерные насосы устанавливаются с одним резервным агрегатом в каждой группе.

Для поддержания необходимого уровня в накопительной емкости производительность багерного насоса необходимо регулировать.

Методы дросселирования в этом случае являются неприемлемыми, так как связаны с постоянным износом и выходом из строя запорно - регулирующей аппаратуры из – за состава удаляемой пульпы.

На ТЭЦ используется регулирование «перепуском», то есть сбросом части пульпы с выхода насоса на его вход. В этом случае установка регулируемого электропривода насоса является оптимальным решением, позволяющим:

- сэкономить значительную долю электроэнергии, потребляемой двигателем насоса,

- уменьшить износ насосного агрегата за счет снижения частоты вращения лопастей в режиме пониженной производительности.

От каждой багерной насосной станции шлакозолопроводы на золоотвал принимаются с одной резервной ниткой. Минимально допустимая скорость для шлаковой пульпы принимается 1,7-2,3 м/с, а для золовой пульпы 1,2 - 1,4 м/с.

Транспортировка пульпы по трубопроводам, осуществляется на расстояние до 12 км и более. По мере износа нижней части трубы пульпопроводы поворачиваются изношенной частью вверх. Срок службы пульпопровода до замены составляет 2-12 лет.

Потери мощности в электроприводе багерного насоса в первом приближении можно определить, как мощность на прокачку возвратной золошлаковой пульпы по формуле

 

, (106)

 

где: К – относительное количество возвратной пульпы, принимаем К = 0,2;

- номинальная мощность двигателя багерного насоса, кВт

Т - время работы насоса, ч.

Кроме экономии электроэнергии при внедрении регулируемого электропривода багерного насоса появляется эффект от снижения износа насосного агрегата который сложно по рассчитать, но очевиден.

 

Электропривод циркуляционных и конденсатных насосов

Таблица 9 - Характеристика двигателей циркуляционных насосов

Тип, марка Электродвигателя	Мощность Рн, кВт	Напряжен. Uн, В	Скорость вращения Об/мин	Кол - во, шт.
А13-62-8У4
А4-450У-8У3

 

Насос осветленной воды подает воду из отстойника на насосы гидрозоло-удаления и насосы орошающей воды, завершая замкнутый цикл удаления шлака и золы.

На ТЭЦ могут бытьиспользованы схемы оборотного водоснабжения с градирнями, в которых происходит охлаждение нагретой в конденсаторе воды, поэтому режимы работы циркуляционных насосов (ЦН) связаны как с процессами, происходящими в градирнях, так и с режимами работы конденсаторов.

Электропривода сетевых насосов и насосов подпитки теплосетей

 

Таблица 10 - Характеристика двигателей сетевых насосов ТЭЦ

Тип, марка Электродвигателя	Мощность Рн, кВт	Напряж. Uн, В	Скорость Вращения Об/мин	Кол-во, Шт.
4АЗМ-1600/6000УХЛ-4
А4-400У-4У3
А4-450-4
ДАЗО12-55-4МУ1
ДАЗО4-400У-4У1

 

Таблица 11 - Характеристика двигателей насосов подпитки теплосетей ТЭЦ

Тип, марка Электродвигателя	Мощность Рн, кВт	Напряж. Uн, В	Скорость Вращения Об/м	Кол-во, Шт.
А-114-4
А355Х-4
ДАЗО4-400ХК-АТ2

 

В неравномерной части графика нагрузок при необходимости менять режим работы, а также при переходе с зимнего на летний сезон, производительность ЦН необходимо менять, что производится в зависимости от количества теплоты, подлежащего отводу.

Расход охлаждающей воды в конденсаторе и ее температура определяют оптимальное давление пара в конденсаторе и могут быть связаны с режимом работы градирни, однако непрерывное управление этим процессом достаточно сложно, и в сложившихся режимах работы ТЭЦ не представляют значительного интереса с точки зрения энергосбережения СН.

Количество сетевых насосов используемых на ТЭЦ - ах может достигать 11 шт. и более, рассмотрим одну группу из четырех сетевых насосов СЭ2500-180, включенных параллельно. При параллельной работе каждый из насосов может обеспечить расход до четверти номинального. Для определения стоимости потерь электроэнергии в случае регулирования дросселированием воспользуемся методикой, изложенной в [2 ].

Мощность, потребляемая одним насосом, при наибольшей подаче определяется, по формуле:

 

, (107)

 

где плотность жидкости , кг/;

Q- подача насоса /с;

Н - напор насоса, м; - КПД насоса.

При относительной заданном значений минимальной подачи, и относительном статическом напоре по номограм мам [2], определяется относительная экономия энергии

Потери электроэнергии за год определяются по формуле:

 

, (108)

 

где - снижающий коэффициент, учитывающий работу насосов в группе; при параллельной работе агрегатов = 0,56

Т - 8760 час – расчетный период;

n – количество насосов в группе.

Необходимо учитывать, что внедрение регулируемого электропривода, кроме ликвидации указанных потерь, имеет и ресурсосберегающий эффект, эаключающийся в уменьшении износа основного оборудования за счет плавных пусков, устранения гидравлических ударов, снижения напора и потерь горячей воды, возможности комплексной автоматизации системы горячего водоснабжения. Эти факторы принято учитывать коэффициентом k = 1.35.

Для определения стоимости потерь электроэнергии насосов подпитки теплосетей в случае регулирования дросселированием воспользуемся той же методикой.

В результате исследования режимов работы энергоемких электроприводов собственных нужд, одной из конкретных ТЭЦ г. Алматы,определены основные объекты для возможного перевода их на энергосберегающие режимы работы. Наиболее целесообразным и первоочередным является проведение модернизации следующих групп механизмов:

1) электроприводы вентиляторов дымососов;

2) электроприводы дутьевых вентиляторов;

3) электроприводы сетевых насосов и насосов подпитки теплосетей;

4) электропривод багерного насоса.

Снижение энергопотребления этих и других групп механизмов может быть обеспечено переводом их на регулируемый по частоте вращения электропривод. Применение современных систем электропривода, кроме того, позволит:

- сократить дополнительные потери в механической регулирующей аппаратуре;

- включить электропривод в систему автоматического управления технологическим процессом;

- уменьшить износ основных элементов агрегатов и потери тепла

Рассчитанная суммарная экономия электроэнергии для указанных групп механизмов вышеуказанной ТЭЦ, может составить примерно 11 000 000 кВт×ч в год. При обследовании существующих ТЭЦ и ТЭС на предмет энергосбережения на этих предприятиях за счет оптимизации потребления энергии механизмами собственных нужд, в каждом конкретном случае необходимо провести детальное обследование производства с целью выявления особенностей функционирования, структуры и режимов работы основных механизмов.Энергосбережение дает одну из наиболее перспективных возможностей для промышленности способствовать облегчению общей энергетической ситуации и соответствующий метод противодействия росту затрат на энергию. Руководи­тели промышленных фирм, как правило, знакомы ссуществующей энергети­ческой дилеммой, в связи с чем, они весьма охотно воспринимают методы, позволя­ющие обеспечить энергосбережение. Однако необходимо добиваться более точного учета специфических возможностей энергосбережения руководителями крупных фирм, специалистами предприятий, консультантами и торговыми агентствами, представляющими промышленные фирмы.

В краткосрочной перспективе путем применения уже существующих тех­нологических методов, которые экономически оправданы, может быть сэконом­лено до 30% энергии, расходуемой в промышленных процессах. Прогнозируемый рост цен на топливо, как ожидают, сделает меры по энергосбережению еще более привлекательными и в будущем. В долгосрочной перспективе в результате изо­бретения более эффективных устройств и разработки более эффективных тех­нологических процессов, а также утилизации в более крупном масштабе отхо­дящего тепла промышленность имеет возможность сэкономить более чем 30% вырабатываемой электроэнергии.

Несмотря на то, что энергосбережение не является панацеей от всех бед при решении энергетической проблемы, оно дает возможность внедрить в прак­тику совершенные технологические процессы и новые типы регулируемых электроприводов, которые мы должны осваивать неза­висимо от того, решается или не решается энергетическая проблема.

6 Экономические и технические аспекты проектирования электроприводов промышленных установок в энергосберегающих режимах

В составе критериев, используемых в процессе проектирования, обязательно присутствуют кри­терии экономические. Любое техническое решение будет неубедительным, неполным, а иногда и просто неверным, если в процессе разработки на всех ее стадиях не прояв­лено должного внимания к экономической стороне во­проса.

Экономические оценки, как и оценки функциональных свойств и надежности, должны сопровождать техническую разработку, начиная с постановки задачи. Осмыслив и сформулировав технические требования и условия, разра­ботчик должен ясно и полно определить, на какие вопро­сы экономического характера он должен уметь отвечать.

Каждая имеющая смысл техническая разработка пре­следует, как неоднократно отмечалось, вполне конкретные цели – технические и экономические. В подавляющем большинстве случаев она имеет аналоги, характеризующие технический и экономический уровень, который достигнут или может быть, достигнут известными средст­вами.

Если конечным итогом разработки является техничес­кий эффект, т. е. повышение каких-либо свойств или показателей по сравнению с достигнутыми, то на каждом этапе его получения разработчик должен стремиться к наиболее экономичным решениям, а в конце должен уметь определить, какова цена достигнутого эффекта.

В связи с тем, что энергетические аспекты выбора технического решения играют все возрастающую роль, так как один и тот же алгоритм функционирования, одни и те же технические показатели можно реализовать при существенно различных затратах энергии, т.е. при различных ее потерях, одним из основных задач проектирования являются вопросы энергосбережения иоценка технических решений по энергетическим критериям. Подход к разработке энегосберегающих режимов различных типов электроприводов рассмотрен в разделах учебного пособия.

Кроме этого, как ранее отмечалось, исключительная важность надежности, как обязательного свойства любого устройства или системы, необходимыми аспектами проектирования являются вопросы надежности. Обсуж­дая отдельные технические решения, мы постоянно отме­чали это их качество, однако, без строгих оценок и без строгого определения самого понятия «надежность».

Надежностью в строгом - математическом смысле принято называть вероятность того, что при работе в за­данных условиях устройство или система будет удовлет­ворительно выполнять заданные функции в течение уста­новленного промежутка времени.

Рассмотрим возможные этапы выполнения проектирования систем автоматизированного электропривода применительно для объектов изучаемых по курсам электроэнергетических специальностей.

6.1 Постановка задачи проектирования. Этапы проектирования

 

Почти каждому инженеру, связанно­му с электроэнергетикой и в частности электроприводом, приходится решать различные задачи проектирования. Обычно они имеют пример­но следующие формулировки: взамен устаревшего электрооборудования, элект­ропривода данной установки разработать современный, с лучшими техническими и экономическими показателями; взамен нерегулируемого электропривода агрегата приме­нить регулируемый - энергосберегающий; разработать электропривод, которым можно заменить импортный, не обеспеченный запасными элементами; разработать электропривод какой - либо уни­кальной установки - испытательного стенда, специальной электроустановки, к примеру транспортера и т.п.

Более сложные задачи проектирования - создание но­вых типов комплектных электроприводов или различных электротехнологических оборудований, разработка серийных образцов электроустановок с электроприводом и т. п. - решаются обычно специализированными организациями с участием технологов, механиков, электриков, приводчиков, специа­листов из других областей, а перечисленные выше внешне простые задачи - обычно удел электрика цеха или инже­нера, работающего в КБ предприятия, заводской электро­лаборатории. Такие же задачи решаются обычно в курсо­вых и дипломных проектах студентов, специализирующих­ся по электроэнергетике и электрическому приводу [1].

Приведенные задачи, как и все задачи проектирования, довольно сложны, поскольку могут бытьрешены различными, в общем случае совсем не равными способами, а выбор одного решения, которое и будет затем реализовываться, должен быть сделан на основе ряда критериев при учете системы конкретных ограничений.

Решение таких задач проектирование - творческий процесс, в основе которого лежат, конечно, знания об объекте и условиях его функционирования, умение получать количественные оценки свойств объекта и т. п., но который невозможен без интуиции, эвристического мышления, изобретательности, без общей инженерной (а часто ине только инженерной) культуры. Рассмотрим основные этапы этого творческого процесса и приведем примерыиз предмета электропривода.

Этапы проектирования.

Формулировка задачи. Первый - и обязательный этап проектирования - это формулировка задачи, т. е. точное указание того, что есть, чем это не устраивает и в каком смысле должно стать лучше после реализации проекта. На этом этапе не нужны детали, нужны лишь самые главные (определить это иногда совсем не просто) черты объекта до и после проектирования. Если этот этап выполнен плохо, очень велика опасность, что весь дальнейший труд будет потра­чен впустую. Приведем примеры.

Очень часто в электроприводе, задача проектирования фор­мулируется так: разработать электропривод, например, тележки мостового крана грузоподъемностью а т, со ско­ростью передвижения b м/с, и ускорением с м/с², при пи­тании от трехфазной промышленной сети 380 В, 50 Гц. При такой формулировке, скорее всего, проектировать ни­чего не надо, а нужно найти в каталоге подходящее уже имеющееся решение и заказать соответствующее оборудо­вание (эту задачу, кстати, часто лучше решают опытные работники отделов снабжения). Разра­ботчики часто всерьез проектируют подобное оборудова­ние, тратят время, средства, а затем, что еще хуже, начи­нают его производить. И если такое положение дел еще как-то терпимо применительно к единичным не очень от­ветственным изделиям (издержки не очень велики), то оно становится совершенно недопустимым при массовом производстве таких разработок - появляются новые, ни­чем не лучшие прежних полупроводниковые приборы, телевизоры, лифты, комбайны.

В рассматриваемом примере может, правда, оказать­ся, что либо а, либо б, либо с не соответствуют стандарт­ному (имеющемуся) решению, и тогда может возникнуть такая, например, задача проектирования: существующие электроприводы тележки мостового крана грузоподъемностью, а т не обеспечивают нужной в данном кране скорос­ти передвижения; разработать электропривод, который будет ее обеспечивать. Это уже задача, она заслуживает внимания инженера [3,4].

Возможна такая формулировка преды­дущей задачи: серийно выпускаемые электроприводы те­лежек мостовых кранов не позволяют при разрешенных по паспортным данным ускорениях и скоростях контролиро­вать (ограничивать), раскачивание груза, что снижает фактическую производительность кранов. Раз­работать электропривод, обеспечивающий при тех же ус­корениях и скоростях движения уменьшение амплитуд раскачивания груза, по крайней мере, на порядок. Нетруд­но видеть, что если проект удастся, будет создана новая техника.

Еще одна формулировка. Опыт эксплуатации серийного электропривода тележек ответственных мостовых кранов показал его недостаточную надежность - средняя нара­ботка на отказ составила Т ч. Разработать электропривод, имеющий среднюю наработку на отказ, не менее 10 Т. Лег­ко видеть, что труд проектировщика не пропадает даром.

Анализ задачи. Второй этап проектирования - анализ задачи, т. е. выявление всех существенных качественных и количественных признаков создаваемого объекта в исходном (до проектирования) и конечном (после проектирования) состояниях, определение ограничений и назначение критериев. Для уже упоминавшегося объекта проектирования - электропривода тележки мостового крана, который должен приобрести новое качество, нужно обосновать все главные количественные характеристики - уровни скорости, диапазоны нагрузок, высоты подвеса грузов (ковша), возможные (желательные) времена циклов, допустимое раскачивание и т. п.

Нужно определить и сформулировать ограничения -технические (новый привод должен разместиться на тележке, не должен создавать недопустимых помех соседне­му электронному оборудованию, должен обеспечивать бе­зопасную работу персонала и т. п.), экономические (наличие ресурсов на модернизацию, возможность приоб­рести оборудование, работа в энергосберегающих режимах) и т. п.

Наконец, нужно назвать критерии, по которым будут оцениваться допустимые решения, т. е. определить, что хо­рошо и что плохо, более того расположить критерии в определенной иерархической последовательности - от са­мого главного к менее главным. Среди них будут чисто технические - такие, например, как показатели качест­ва движения в различных условиях; технико-экономичес­кие - надежность, массогабаритные показатели, удель­ный расход энергии; чисто экономические - срок окупае­мости, прибыль за счет нового технического решения и т. п. Необходимо провести полный учет конкретной технической ситуа­ции.

Поиск возможных решений - это третий этап проектирования. Здесь в первую очередь необходимы зна­ния. Но кроме знаний нужно, или, во вся­ком случае, очень желательно, нестандартное мышление, умение избегать как консерватизма, так и поспешности. Очень полезны аналоги, разумеется, при критическом к ним отношении, посещение выставок, чте­ние литературы, консультации и т. п.

Даже в простом случае уместно предложить несколь­ко (много) решений, которые в принципе соответствуют задаче. В нашем случае, по-видимому, могут рассматри­ваться и приводы постоянного тока, выполненные как уп­равляемый источник ЭДС - двигатель, источник тока - двигатель, и приводы переменного тока в различных струк­турах. Когда предлагается много решений, разумеется, не заведомо негодных, меньше шансов пропустить хорошее.

Выбор решения из множества возможных на основе сформулированных выше критериев и с учетом ограниче­ний. Это четвертый, очень ответственный этап. Здесь опять не нужны избыточные детали, кроме тех, что позволяют целенаправленно, по критериям сравнивать решения. Здесь очень важны верные крупные оценки. Например, в упоминавшемся объекте - электроприводе тележки кра­на - при примерно одинаковой управляемости, т. е. воз­можности иметь одинаковые показатели по техническому критерию, асинхронный короткозамкнутый двигатель бу­дет легче двигателя постоянного тока в 2,5 - 3 раза и де­шевле в 3 - 4 раза, но стандартный преобразователь час­тоты тяжелее и дороже управляемого выпрямителя в 4 - 5 раз.

Можно рассматривать специальные преобразовате­ли, не забывая об ограничениях по стоимости, надежности, энергопотреблению и т. д.

В теории проектирования вводится понятие нехудших решений, т. е. решений, попадающих в некоторую допустимую область по совокупности признаков, и формулируются алгоритмы их поиска. Поскольку мы лишь обозначаем этапы проектирования, не будем развивать дальшеэтиинтересные вопросы

Детальная разработка выбранного технического реше­ния. Это пятый этап - этап окончательного выбора оборудования, расчета характеристик, составления алгоритмов управления, конструктивной компоновки узлов, оценки ос­новных показателей и т. п. Пятый этап выполняется всег­да - и в серьезных, и в учебных проектах, однако если ему не предшествуют первые четыре или если они выпол­нены некачественно, нетворчески, итоги могут быть неудовлетворительными.

Подчеркнем, что, как и всякий творческий процесс конкретное проектирование, даже при очень жестких огра­ничениях во времени, не развивается по равномерно вос­ходящей линии - неизбежны возвраты, повторы и т. п. B хороших проектах первые четыре этапа занимают не менее 50 % всего времени - при этом создается или,точ­нее, может создаваться действительно новое и действитель­но хорошее, лучшее, чем было, решение.