Moderní systémy řízení a regulace pro energetiku

Ing. Martin SIROVÝ

Doctoral thesis

Control and Energy Efficiency Optimization of High-Power Pump and Fan Systems

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.

Abstract:

The high-power pump and fan applications are among the main electricity appliances in a worldwide scale. Concurrently, these applications have a very significant energy-saving potential arising especially from development of high-power electronics and/or frequency converters enabling energy efficient flow control. One of the major barriers, preventing massive redesign of existing installations and use of the energy-saving potential in new applications, is the complexity of precise technical and economical evaluation of the lifetime energy savings and energy consumption of the entire application chain. Hence, the thesis has focused on a development of a complex set of mathematical models, methodology and software tools for especially technical evaluation and energy efficiency optimization of these systems with impact to practical usability of the results in real systems. The introductory part of the work is dedicated to the state of the art, research motivation and objectives of the work. In the second part, the attention is paid to single pump systems. It is presented a set of mathematical models for a detailed evaluation of the application chain, beginning from models of hydraulic system and pump including collection of flow controls methods over drive part to power supply transformer. The third part deals with single fan systems. It describes mathematical models of pneumatic system and fan considering compressible medium. The most common flow control techniques for both radial and axial fans are also included. The impact has been put on to use strictly just commonly available data (i.e. non-laboratory measurements). Therefore, special approximation techniques and methodology has been developed to be able to estimate a system behavior out of the nominal operating state, which is commonly the only one specified. Finally, there have been developed sophisticated software tools for energy efficiency optimization of single pump and fan applications MVD Pump Save 2012 and MVD Fan Save 2012. The performance of developed mathematical models, methodology and software tools is widely presented on evaluated case studies. A typical performance curves for application components has been also included as a referenced one to provide a complex set of relevant data for poorly specified case studies. The last section of the thesis is dedicated to optimal control strategy of multiple pumps operating in parallel into common hydraulic system. It is presented the proposed algorithm and/or methodology for generation of an optimal control strategy of these systems. The presented algorithm is based on numerical optimization method using brute force approach, which enabled to solve the non-linear multidimensional optimization task. A special solution, which significantly speed-up the calculation process, for the cases of restricted space of freedom is also presented. The performance of the algorithm has been in detailed graphically presented on elaborated case studies. Additionally, the influence of a static head of a hydraulic system and the effect of variable sizing of pump in a pump group on an optimal control strategy have been presented. In the conclusion, it is summarized the main contributions of the work and the very last part presents the challenges for future research. The main contribution of this thesis is the development of the expert systems allowing optimal control design of high power pump and fan applications and proposed approach for optimal group control design of parallel pumps working into common hydraulic system.

Keywords

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, tepelné elektrárny, jaderné elektrárny, čerpací stanice, čerpadlo, škrcení, bypass, on-off regulace, ventilátor radiální, ventilátor axiální, vstupní tlumič, výstupní tlumič, regulace průtoku natáčením lopatek, technické zhodnocení, ekonomické zhodnocení, životní cyklus, případová studie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 6. 2014

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics