Moderní systémy řízení a regulace pro energetiku
Date issued
2014
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Západočeská univerzita v Plzni
Abstract
Výkonové čerpací a ventilátorové systémy se řadí mezi nejvýznamnější spotřebiče elektrické energie. Vlivem vývoje výkonové elektroniky a frekvenčních měničů skýtají tyto systémy významný potenciál pro optimalizaci spotřeby elektrické energie plynoucí z aplikace energetické účinné otáčkové regulace na místo ztrátových, stále využívaných, zejména pasivních metod regulace průtoku. Mezi hlavní důvody, které doposud brání masivnímu prosazení výkonové elektroniky ve stávajících i nových instalacích, patří zejména náročnost spolehlivého technického a ekonomického zhodnocení přínosu, respektive exaktního vyjádření nákladů za dobu životnosti celého aplikačního řetězce. Z toho důvodu je tato práce zaměřena právě na vývoj uceleného souboru matematických modelů, metodiky a softwarových nástrojů pro zejména technické zhodnocení a optimalizaci řízení a energetické účinnosti těchto systémů s důrazem na praktickou využitelnost výsledků práce v reálných aplikacích.
Úvodní část práce je věnována motivaci výzkumu a vývoje, cílům práce a shrnutí aktuálního stavu poznaní v řešené problematice. Druhá část je zaměřena na optimalizaci hydraulických systémů s jedním čerpadlem. Je představen komplexní soubor matematických modelů pro řešení aplikačního řetězce počínaje modely hydraulického systému a čerpadla včetně souboru metod regulací průtoku přes pohon až po vstupní napájecí transformátor. Třetí část pokračuje pneumatickými systémy s jedním ventilátorem. Je popsán matematický model pneumatického systému a ventilátoru uvažující proměnnou hustotu média. Dále jsou představeny modely technik regulací průtoku jak pro radiální, tak pro axiální ventilátory. Důraz byl kladen na striktní využití standardně dostupných dat (tj. bez využití laboratorních měření). Z toho důvodu byly vyvinuty speciální aproximační techniky a metodika pro odhad energetické spotřeby systému mimo jmenovité provozní stavy, které jsou často jako jediné k dispozici. Navržené matematické modely byly následně implementovány do softwarových nástrojů pro optimalizaci energetické účinnosti hydraulických a pneumatických aplikací MVD Pump Save 2012 a MVD Fan Save 2012. Vyvinutý software, matematické modely i metodika byly následně verifikovány na případových studiích. Součástí práce jsou i typizované výkonnostní křivky jednotlivých komponent aplikačního řetězce. Poslední část je věnována optimální strategii regulace průtoku pro čerpací aplikace s čerpadly pracujícími paralelně do společného hydraulického systému. Je představen navržený algoritmus a metodika pro řešení optimálního přerozdělení průtoku čerpadly z pohledu celkové energetické účinnosti. Pro obecné řešení optimalizační úlohy v nelineárním multidimenzionálním prostoru bylo zvoleno numerické řešení hrubou silou. Pro úlohy s omezenými stupni volnosti pak bylo odvozeno zjednodušené řešení, které výrazně snižuje výpočetní náročnost algoritmu pro speciální případy. Výsledky algoritmu jsou detailně graficky prezentovány na vypracovaných případových studiích. Na základě výchozích případových studií byla dále zpracována analýza vlivu statické složky tlaku hydraulického systému a prezentace vlivu variabilního výkonového složení skupiny čerpadel na optimální strategii regulace průtoku. Na závěr práce jsou shrnuty hlavní přínosy práce a perspektivní směry dalšího výzkumu.
Hlavními přínosy práce jsou zejména vyvinuté expertní systémy pro návrh optimálního pohonu a řízení výkonových čerpacích a ventilátorových aplikací a návrh algoritmu pro optimální řízení průtoku paralelních čerpadel pracujících do společného hydraulického sytému.
Description
Subject(s)
optimalizace řízení, energetická účinnost, čerpací aplikace, ventilátorové aplikace, čerpací systémy, ventilátorové systémy, elektrický pohon, otáčková regulace průtoku, frekvenční měnič, asynchronní motor, transformátor, řízení skupiny čerpadel, tepelná elektrárna, jaderná elektrárna, čerpací stanice, čerpadlo, škrcení, bypass, případová studie