Вестник Южно-Уральского государственного Университета. Серия: «Энергетика»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОГНОЗОВ ПРИТОКА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ К ВОДОХРАНИЛИЩУ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (НА ПРИМЕРЕ ИРИКЛИНСКОЙ ГЭС)

Д.Е. Клименко — 2024-12-30

Планирование режимов управления водохранилищами крупных ГЭС требует соблюдения ряда условий: получение прибыли за счет выработки электроэнергии; соблюдения условий безопасного функционирования гидротехнических сооружение; соблюдение условий экологически устойчивого существования водохранилища. В связи с тем, что режим рек подчинен географическим закономерностям, и водность оказывается неодинаковой в течение года, возникает необходимость наиболее полного и безопасного использования объема стока многоводной фазы. Для многих рек большая часть объема годового стока приходится на период весеннего половодья, за это время возникает возможность выработки максимально объема электроэнергии и заполнения водохранилища до проектных отметок. При этом ключевым условием оптимальной работы ГЭС и водохранилища является наличие заблаговременных прогнозов объема притока приемлемой точности. В статье обосновываются расчетные схемы получения дополнительной прибыли за счет поддержания уровней воды рассматриваемого реального водохранилища на проектных отметках; за счет минимизации величин холостых сбросов; сокращения энергозатрат на работу насосов ГРЭС. В качестве расчетного инструмента разработаны функции ущербов и прибыли. Установлено, что при условии идеальных прогнозов (с нулевой погрешностью) доходы от выработки электроэнергии рассматриваемой ГЭС возрастут в 2 раза по сравнению с существующими доходами.

СУРРОГАТНЫЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕКЛЯННЫХ ДЕТАЛЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ

А.В. Коржов — 2024-12-30

Статья посвящена построению суррогатной модели как элементу системы технического зрения для выявления внутренних дефектов в изоляционных деталях сложной формы. Для анализа электрофизических характеристик высоковольтных изоляторов с дефектами определены принципы оптимального построения физической модели, необходимой для получения имитационных данных. Также определен набор функциональных зависимостей для анализа электрической прочности образца и принципы подбора аргументов этих зависимостей. На примере стеклянной детали изолятора ПС-70Е показано, что для анализа электрической прочности изолятора достаточно суррогатной модели в виде полинома пяти переменных седьмого порядка, учитывающей изменение формы эллиптических газовых включений и их расположение. Относительная ошибка в определении основных характеристик электрического поля в дефекте по результатам имитационного моделирования и расчета по суррогатной модели составляет не более 10%. Использование суррогатной модели позволяет выявить области, для которых в дефектах будет наблюдаться максимальная напряженность электрического поля, что дает возможность системе технического зрения оценивать потенциальную опасность дефектов. Использование полиномиальной формы суррогатной модели упрощает процесс создания модели, поскольку алгоритм построения имеет детерминированный характер. Указанное преимущество можно использовать при построении суррогатных моделей изоляционных конструкций, поскольку их физические свойства достаточно однородны во всем изделии и их можно аппроксимировать полиномиальной функцией небольшой степени. Также преимущество полиномиальной модели определялось относительной простотой получения данных имитационного моделирования.

ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ НАТЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ПЕТЛЕНАКОПИТЕЛЯМИ

Г.П. Корнилов — 2024-12-30

В статье рассмотрены технологические линии обработки полосы непрерывного действия, применяемые в металлургии, на примере непрерывного травильного агрегата (НТА) прокатного цеха металлургического комбината. Проанализированы основные сложившиеся принципы выбора и построения структуры основных регуляторов в системах автоматического регулирования (САР) скорости и натяжения натяжных станций (НС) и петленакопителей. В электроприводах с косвенным регулированием натяжения регулятор скорости (РС) обычно находится в насыщении, уровень которого определяется заданием на момент, поэтому он не реагирует на изменения скорости и не оказывает стабилизирующего воздействия на колебания натяжения полосы, возникающих из-за упругих связей в многомассовой системе. Для демпфирования колебаний в САР накопителей введён дополнительный пропорциональный регулятор, работающий по отклонению фактической скорости привода от заданной. Целесообразность изменения традиционной структуры регуляторов и введения дополнительных корректирующих сигналов подтверждена экспериментально на действующем агрегате.

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ В COMSOL MULTIPHYSICS® ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

Е.С. Безбородов — 2024-12-30

В статье представлены результаты моделирования асинхронного двигателя с фазным ротором в стационарном режиме с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics^®. Моделирование проводилось при постоянной номинальной скорости вращения ротора с учётом скольжения. Так же представлена двухмерная модель двигателя с заданной толщиной вне плоскости, полученная с помощью метода конечных элементов. Полученные результаты соответствуют расчётным и каталожным значениям, что говорит об адекватности модели.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ИЗМЕНЕНИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Б.Д. Табаров — 2024-12-30

В работе приводятся результаты исследования энергетических показателей в разных участках систем электроснабжения с известным механическим регулятором напряжения типа переключение без возбуждения и новым регулятором напряжения типа двухподдиапазонный реакторно-тиристорный управляемый регулятор напряжения при снижении напряжения питающей сети и повышении тока активно-индуктивной нагрузки. Данные исследования проводились в среде Matlab на разработанной блочно-модульной имитационной модели трансформаторной подстанции системы электроснабжения мощностью 1 МВ∙А и напряжением 6/0,4 кВ при активно-индуктивном характере нагрузки с углом фазового сдвига тока нагрузки φ=45 град. Результаты исследования энергетических показателей в разных участках системы электроснабжения показали, что известный регулятор напряжения не имеет способности сохранить уровень напряжения у потребителей на заданном значении, которое приводит не только к комплексному снижению энергетических показателей электроустановки, но и к ухудшению качества выпускаемой продукции и сокращению срока службы электрооборудования. Полученные результаты численных экспериментов проведенных при помощи предлагаемого двухподдиапазонного реакторно-тиристорного управляемого регулятора напряжения подтверждают, что предлагаемое устройство благодаря расширению его функциональных возможностей несмотря на внешние и внутренние изменения электрических параметров повышает энергетические показатели во всех участках системы электроснабжения в результате чего в том числе устраняется проблемы по возникновению дополнительных потерь электроэнергии. Приводится также интегральная характеристика стабилизации напряжения у потребителей с существующим и предлагаемым регулятором напряжения. Наиболее целесообразной областью применения, предлагаемого двухподдиапазонного реакторно-тиристорного управляемого регулятора напряжения, являются трансформаторные подстанции напряжением 35/(6, 10)/0,4 кВ, где требуется плавное и точное регулирование напряжения с высокими технико-экономическими показателями.

НАБОР РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЛЕЖКОЙ, ОСНАЩЕННОЙ МАНИПУЛЯТОРОМ РОБОТА, ИНТЕГРИРОВАННЫМ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

И.Ю. Холодилин — 2024-12-30

МНОГОУРОВНЕВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

В.А. Кушнарёв — 2024-12-30

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ

О.В. Григораш — 2024-12-30

Показано, что одним из способов улучшающих энергетические характеристики ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой мощности является подключение их непосредственно к потребителям электроэнергии через распределительное устройство. В этом случае необходимо стабилизировать не только напряжение источника электроэнергии, из-за изменения величины и характера нагрузки, но и частоту тока, из-за переменной частоты вращения ветроколеса. Приведены структурно-схемные решения стабилизаторов параметров электроэнергии ВЭУ малой мощности, выполненные с использованием современной элементной базы, и раскрыты особенности их работы, преимущества и недостатки. Предложена функциональная схема стабилизатора напряжения и частоты синхронного генератора с постоянными магнитами, содержащая неуправляемый трехфазный выпрямитель, однофазный инвертор напряжения и однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем. Раскрыт принцип работы автоматической системы управления по стабилизации параметров электроэнергии. Предложенное структурно-схемное решение позволяет улучшить КПД, показатели надежности и повысить быстродействие системы управления по стабилизации напряжения и частоты генератора электроэнергии ВЭУ. Результаты исследования повысят эффективность предпроектных работ по разработке энергоэффективных стабилизаторов параметров электроэнергии автономных ВЭУ малой мощности.

ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВОМ НАКОПИТЕЛЕ С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ПРИ ЕГО РАЗРЯДКЕ

А.Н. Чадаев — 2024-12-30

Технологии хранения тепловой энергии могут улучшить стабильность производства и потребления традиционной и возобновляемой энергии. В статье представлена конструкция теплового накопителя энергии, который предлагается к интеграции в систему распределенной энергетики в качестве инструмента для регулирования перепадов в производстве и потреблении электроэнергии. Описаны принцип его работы и область применения. Целью работы является исследование процесса переноса энергии в тепловом накопителе при его разрядке. Разработана методика оценки разрядки теплового накопителя энергии с высокотемпературным рабочим телом. Представленный алгоритм расчета позволит вычислить геометрические размеры накопителя энергии и время его разрядки. Оценка разрядки теплового накопителя реализуется путем расчета и сравнения между собой нескольких стационарных режимов работы теплового накопителя, характеризующихся различной температурой теплоаккумулятора, которая для каждого последующего режима понижается с заданным шагом 100°C. Анализ результатов показал, что при высоких температурах доминирующим механизмом передачи тепла является радиационное излучение, доля которого постепенно уменьшается с уменьшением температуры теплоизоляционных слоев. С понижением температуры, увеличивается доля конвективных потерь, оцениваемых через эквивалентный коэффициент теплопроводности. Получены экспоненциальные выражения для описания уменьшения температуры наружной стенки и доли остаточно заряда теплового накопителя энергии от времени его эксплуатации. Сравнение различных стационарных режимов позволило оценочно установить, что за 72 ч. тепловой накопитель энергии разряжается до 26,7% (температура теплоаккумулятора падает от 2000 до 700°C).

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА КОТЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЗМУЩЕННЫХ ДАННЫХ

А.Н. Дилигенская — 2024-12-30

Рассматривается процесс нестационарной теплопроводности, ставится задача нахождения коэффициентов конвективного теплообмена между рабочей средой и внутренней поверхностью стенки барабана котла, а также между наружной теплоизолированной поверхностью и окружающей средой по результатам измерения температуры его внешней поверхности, полученным с учетом погрешностей измерения. Контроль ненаблюдаемых коэффициентов теплопроводности направлен на предотвращение деформации металла барабана при его нагреве и обеспечение интенсификации процесса паро- и водоподготовки. Моделирование температурных распределений производится на базе структурной теории распределенных систем. Формулируется обратная задача теплопроводности, и проблема сводится к задаче поиска оптимального управления ансамблем траекторий с интервальными неопределенностями, когда считается известной информация о границах диапазона возможного распределения температуры. Параметризация искомых коэффициентов в классе постоянных функций и учет альтернансных свойств оптимальных температурных распределений приводят к задаче параметрической оптимизации, сформулированной относительно всей совокупности температурных реализаций на расширенном множестве аргументов. Решение задачи обеспечивает гарантированное качество идентификации для наиболее неблагоприятной траектории. Результаты решения задачи на основе зашумленных экспериментальных данных, полученных на котловом оборудовании газотурбинной установки, демонстрируют работоспособность метода.

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИСЛОРОДНОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ЖАРОТРУБНЫХ КОТЛАХ

В.В. Шапошников — 2024-12-30

В целях реализации международных климатических соглашений на наднациональном и национальном уровнях используются различные меры, стимулирующие в числе прочего технологический переход энергетики от генерации на основе углеводородного сырья и других видов топлива к безуглеродным энергоресурсам и энергоресурсам с низким уровнем выбросов парниковых газов. В данной работе рассмотрены результаты математического моделирования сжигания природного газа для жаротрубного котла в воздухе и в смеси воздуха с рециркулируемым потоком углекислого газа, обогащенного кислородом. Исследование кислородного сжигания природного газа производилось при замещении воздуха чистым кислородом в диапазоне от 0 до 100 % потребности в нем. Часть вырабатываемого углекислого газа предлагается направлять на рециркуляцию в топку, а вторую часть на технологические нужды для закачки в пласт, дальнейшего сжижения и реализации или хранения. Исследована зависимость КПД оборудования, температуры уходящих газов, объема выбросов СО₂, NO_x, Н₂О от объемной доли кислорода в топливо-воздушной смеси. Сделаны выводы о наиболее эффективных режимах работы оборудования исходя из экологических и энергетических критериев. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности продолжения работ в этой области для снижения выбросов парниковых газов в окружающую среду.