ro en

Электронный журнал №4(48)2020

"ПРОБЛЕМЫ РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ"

СОДЕРЖАНИЕ

0	Синхронное ШИМ-регулирование инверторов системы электропривода с двумя статорными обмотками электрического двигателя Авторы: Олещук В.И. Институт энергетики Молдовы, Кишинев, Республика Молдова
	Аннотация: Характеристики систем регулируемого электропривода на базе силовых преобразователей в значительной степени зависят от используемых в системах законов управления и от стратегий, способов, схем и алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), используемых для регулирования выходных параметров преобразователей. Целью данной работы является модернизация схемы синхронного управления преобразовательной системой для электропривода на базе двух инверторов, питающих электро-двигатель с двумя статорными обмотками, при котором регулирование инверторов осуществляется на базе специализированных алгоритмов синхронной многозонной ШИМ векторного типа. Достижение по-ставленной цели осуществляется за счет включения в схему управления системой функциональных зависимостей, связывающих величину напряжения на статорных обмотках электродвигателя (соединенных между собой по схеме двойного треугольника) с соответствующими полярными напряжениями двух инверторов, а также за счет включения в схему управления текущих значений специализированного фазового сдвига между управляющими сигналами инверторов, благодаря чему обеспечивается улучшенный спектральный состав напряжения на статорных обмотках электродвигателя. Один из наиболее существенных результатов работы заключается в том, что в двухинверторной системе с модифицированными алгоритмами управления и модуляции напряжение на статорных обмотках электродвигателя характеризуется четвертьволновой симметрией, и в его спектре отсутствуют гармоники четного порядка, а также субгармоники, в том числе при режимах управления с дробным соотношением между частотой переключения вентилей инверторов и выходной частотой системы, что является особенно важным для электроприводов повышенной мощности. Также, важным и значимым является установление такого факта, что при пониженных и средних значениях коэффициента модуляции инверторов алгоритмы не-прерывной синхронной модуляции позволяют обеспечить лучшие интегральные спектральные характеристики напряжения на статорных обмотках электродвигателя. При повышенных значениях коэффициентa модуляции инверторов улучшенные спектральные характеристики напряжения на статорных обмотках электродвигателя достигаются при использовании модифицированных алгоритмов прерывистой многозонной синхронной модуляции.
	Ключевые слова: инвертор напряжения, электродвигатель c двумя статорными обмотками, схемы и алгоритмы широтно-импульсной модуляции, гармонический состав напряжения. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4316617
1	Исследование симметричных нагрузочных режимов и расчет типовой мощности трансформаторного фазорегулирующего устройства на базе многоугольника Авторы: Бошняга В.А., Суслов В.М. Институт энергетики Кишинев, Республика Молдова
	Аннотация: Целью работы является исследование установившихся симметричных нагрузочных режимов работы новой перспективной схемы фазорегулирующего трансформатора на основе трехфазного трансформатора с соединением обмоток в схему шестиугольника и дополнительным регулировочным автотрансформатором для тонкого регулирования. Это позволило получить величины типовых мощностей для различных вариантов схемного исполнения. Исследуемое устройство характеризуется существенно меньшим необходимым числом отводов обмоток основного трансформатора, и соответственно количеством необходимых коммутационных устройств, что существенно влияет на типовую мощность и весо-габаритные показатели устройства. Трехфазный регулировочный автотрансформатор, переключаемый с помощью полупроводниковых ключей, обеспечивает возможность тонкого регулирования фазы выходного трехфазного напряжения в диапазоне 0-360°, что позволяет использовать это устройство в качестве преобразователя частоты для гибкой связи энергосистем переменного тока. Такое устройство относится к классу FACTs устройств. Поставленная цель достигнута в результате аналитического исследования на основе теории электрических и магнитных цепей, при этом для расчета токов использованы законы Кирхгофа и уравнение равновесия магнитодвижущих сил обмоток стержня, справедливые для симметричного режима нагрузки. На основе составленной системы совместных уравнений получены формулы для расчета векторов токов в обмотках трансформатора и автотрансформатора в симметричных нагрузочных режимах. Показано, что токи зависят от положения переключающих устройств, которое характеризуется специальным коэффициентом. Токи обмоток выражены в относительных единицах через величину тока нагрузки. Это позволяет в конечном итоге получить значение типовой мощности устройства, выраженное в долях мощности нагрузки. Варианты схем отличаются друг от друга способом подключения регулирующего автотрансформатора. В результате исследования определены максимальные значения модулей токов и напряжений, а также и типовых мощностей для ряда рассмотренных вариантов схем. Полученные результаты позволяют проводить сравнительный анализ разных схемных модификаций по величине типовой мощности.
	Ключевые слова: трехфазный фазорегулирующий трансформатор, схема шестиугольника, регулируемый автотрансформатор, нагрузочные режимы, типовая мощность. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4316631
2	Выбор периодичности оценки технического состояния воздушных линий 6–10 кВ по результатам статистических исследований их надежности Авторы: Басманов В.Г., Холманских В.М. Вятский государственный университет г. Киров, Российская Федерация
	Аннотация: Целью работы является обоснование выбора критерия периодичности оценки технического состояния воздушных линий (ВЛ) 6–10 кВ с использованием показателей надежности ВЛ (интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, интенсивность восстановления и среднее время восстановления). Для достижения поставленной цели применен ретроспективный метод получения информации о надежности, а для обоснования критерия периодичности - статистический метод анализа надежности изделий много-кратного действия. Для обработки полученной информации применялись отдельные методы математической статистики, в частности, для подтверждения гипотезы об экспоненциальном законе распределения отказов ВЛ и времени их восстановления использовался критерий Колмогорова. На основе анализа базы данных об отказах ВЛ за 6 лет сетевого района была подтверждена принятая гипотеза об экспоненциальном законе распределения отказов ВЛ и времени их восстановления, кроме того, было установлено, что 65 % всех отказов приходятся на самоустраняющиеся, т.е. ВЛ после отказов включались в ра-боту средствами автоматического или ручного повторного включения. В работе определены фактические показатели надежности ВЛ, при сравнении которых со справочными значениями, было установлено, что они не превышают эти значения, несмотря на довольно большие сроки эксплуатации ВЛ. Наибо-лее существенным результатом является экспериментальное и теоретическое подтверждение того, что в качестве критерия периодичности проверки технического состояния ВЛ можно использовать комплексный показатель надежности коэффициент технической готовности с учетом самоустраняющихся отказов. Этот коэффициент наиболее полно характеризует текущее состояние ВЛ с точки зрения ее эксплуатационной надежности. Доказана высокая точность критерия даже при малом количестве отказов. Значимость полученных результатов состоит в том, что, контролируя динамику коэффициента и сравнивая его с нормативным значением в зависимости от категории надежности ВЛ можно своевременно назначать сроки проверки технического состояния ВЛ.
	Ключевые слова: воздушные линии, коэффициент технической готовности, критерий Колмогорова, критерий периодично-сти диагностики воздушных линий, математическая модель надежности, комплексный показатель надежности. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4316637
3	Метод построения пространства диагностических признаков вентильно-реактивных двигателей на основе интегральных динамических моделей Авторы: Фомин А. А., Рубан А. Д., Рудковский О. В. Одесский национальный политехнический университет Одесса, Украина
	Аннотация: В работе решается задача построения диагностических моделей для нелинейных динамических объектов. Целью работы является повышение достоверности и быстродействия диагностирования состояний электродвигателей различных энергетических объектов в условиях априорной неопределенности. Априорная неопределенность вызвана недостаточной изученностью процессов, протекающих в объектах диагностирования вследствие эксплуатации в широком диапазоне внешних условий и наличия большого количества возмущающих воздействий и помех окружающей среды. Поставленная цель достигается путем развития метода технической диагностики на основе информационных моделей нелинейных динамических объектов диагностирования, полученных при помощи процедуры непараметрической идентификации. В качестве информационных моделей объектов диагностирования рассматриваются интегральные непараметрические динамические модели на основе многомерных весовых функций, одновременно описывающие нелинейные и инерционные свойства объекта, способные учитывать неисправности, вызванные как изменением параметров, так и структуры объекта, а также обеспечивающие удобство при тестовом и функциональном диагностировании. Наиболее существенные результаты: получил дальнейшее развитие метод построения пространства диагностических признаков нелинейных динамических объектов на основе информационных моделей в виде многомерных весовых функций путем применения однофакторного и многофакторного корреляционного анализа в качестве этапа фильтрации признаков с последующим перебором сочетаний признаков, что обеспечивает максимальную достоверность диагностирования. Значимость полученных результатов: применение предложенного метода позволяет одновременно обеспечить высокую достоверность диагностирования объектов в условиях априорной неопределенности благодаря использованию первичных информационных моделей на основе многомерных весовых функций и повысить быстродействие диагностической процедуры благодаря фильтрации признаков на основе корреляционного анализа диагностического пространства. Предложенный метод апробирован на данных задачи диагностирования вентильно-реактивного двигателя. Пример демонстрирует сокращение вычислительной сложности при построении диагностической модели по сравнению с методом на основе отсчетов с равномерным шагом при обеспечении заданной достоверности диагностирования.
	Ключевые слова: нелинейные динамические объекты, диагностические модели, редукция моделей, отбор признаков, корреляционный анализ. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4316968
4	О влиянии термоэмиссионного охлаждения на КПД газотурбинной энергетической установ Авторы: Колычев А.В.1, Ренев М.Е.2, Савелов В.А. 1, Архипов П.А.1 1Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ», Санкт-Петербург, Российская Федерация, 2Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация
	Аннотация: Работа посвящена проблеме повышения КПД энергетических газотурбинных установок, в том числе микротурбин. Одним из основных способов улучшения эффективности является повышение температуры газа перед турбиной. Охлаждение элементов микротурбин затруднено из-за их малых геометрических размеров. Одним из решений проблемы может стать метод термоэмиссионного охлаждения. Цель настоящей работы – оценить потенциальное влияние термоэмиссионного охлаждения лопаток турбины на КПД. Указанная цель достигается аналитическим выводом новой зависимости, связывающей КПД, температуру и работу выхода электронов поверхности лопаток и проведением детальных расчетов теплового состояния лопаток турбин с термоэмиссионным охлаждением для заданных значений работы выхода электронов поверхности лопаток турбины и температуры газа перед турбиной, определяющей КДП. Наиболее существенными результатами работы являются: зависимость КПД энергетической газотурбинной установки от величины работы выхода электронов (термоэмиссионного охлаждения) и температуры поверхности лопатки турбины. В результате расчета установлено, что температура лопатки турбины с термоэмиссионным охлаждением может достигать величины порядка 1000 К при работе выхода электронов поверхности лопатки турбины равной 1 эВ и при температуре газа перед турбиной 2700 К. При такой температуре газа перед турбиной КПД на 7-8 % выше. Значимость полученных результатов заключается в том, что полученные результаты можно применять на практике в части обоснования применения термоэмиссионного охлаждения в газовых турбинах и в установлении того факта, что термоэмиссионное охлаждение может найти свое применение в микротурбинах, крупных энергетических турбинах, авиационных двигателях.
	Ключевые слова: термоэмиссионное охлаждение, термоэлектронная эмиссия, энергетические газотурбинные установки, КПД. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4316996
5	Анализ эффективности применения роторно-поршневых двигателей для энергетических установок аккумулирования избыточной электрической энергии Авторы: Митрофанов А. С., Проскурин А. Ю. Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова Николаев, Украина
	Аннотация: В данной статье рассмотрены способы повышения эффективности энергетических установок аккумулирования избыточной электрической энергии, полученной с возобновляемых источников энергии. Основной целью исследования является анализ эффективности перспективных энергетических установок аккумулирования избыточной электрической энергии в виде сжатого воздуха на базе роторно-поршневых двигателей. Для достижения поставленной цели исследования проведен сравнительный анализ эффективности работы диабатической и адиабатической схем аккумулирования электрической энергии, который выявил основные преимущества и недостатки, а также конструктивные особенности каждой из схем. Установлены основные пути повышения эффективности установок аккумулирования сжатого воздуха за счет применения в качестве генератора электрической энергии роторно-поршневых двигателей. Из представленных экспериментальных эксплуатационных характеристик роторно-поршневых двигателей следует, что они в полной мере соответствуют параметрам энергетических установок аккумулирования воздуха. Наиболее существенным результатом является то, что методами анализа и обобщения разработаны принципиальные схемы диабатической и адиабатической энергетических установок аккумулирования избыточной электрической энергии в виде сжатого воздуха с использованием роторно-поршневых двигателей, не требующих дополнительного подогрева воздуха перед расширением. Значимость полученных результатов состоит в том, что применение роторно-поршневых двигателей в составе диабатической установки аккумулирования позволило полностью исключить выбросы СО2 в атмосферу при обеспечении общей энергоэффективности установки на уровне 41 %. Приведены основные уравнения математической модели рабочего цикла роторно-поршневого двигателя. Представлены результаты математического моделирования рабочего процесса роторно-поршневого двигателя при использовании адиабатической схемы аккумулирования. Согласно представленным результатам исследования, подогрев воздуха перед расширением позволяет повысить эффективность преобразования энергии в роторно-поршневых двигателях. Рост индикаторных показателей при увеличении температуры сжатого воздуха перед расширением на 80оС составил 11 %, а общая эффективность установки увеличивается до 46 %.
	Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, энергетическая установка, аккумулятор энергии, роторно-поршневой двигатель, сжатый воздух, температура подогрева. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4317046
6	Анализ энергетической эффективности различных способов ввода добавочной питательной воды в цикл паротурбинной ТЭЦ Авторы: Шемпелев А.Г. Вятский государственный университет, Киров, Российская Федерация
	Аннотация: В статье выполнен анализ энергетической эффективности нескольких способов ввода добавочной питательной в цикл ТЭЦ. Цель работы состоит в оценке влияния величин (массовых расходов) подачи добавочной воды в цикл теплофикационной установки на ее энергетическую эффективность в переменных режимах ее работы при различных способах подачи добавочной воды в цикл. Поставленная цель достигается за счет использования адаптированной, в соответствии с целью работы, математической модели турбоустановки Т-50-130, на которой проведены расчетные исследования переменных конденсационных и теплофикационных режимов работы и проведена сравнительная оценка энергетической эффективности подачи добавочной воды в конденсатор и в трубопровод основного конденсата при различных ее расходах. В качестве основных критериев, определяющих эффективность турбоустановки, были приняты величина вырабатываемой электрической мощности и удельный расход теплоты на выработку электроэнергии. Наиболее существенным результатом проведенных исследований является установление того обстоятельства, что именно конденсатор является наилучшим местом ввода добавочной воды в цикл теплофикационной турбины по критерию энергетической эффективности. Наибольший энергетический эффект может быть получен при подаче добавочной воды в конденсатор на теплофикационных режимах, при этом ее подача не должна превышать величины расхода рециркуляции основного конденсата в конденсатор. Значимость полученных результатов заключается в том, что их практическое использование позволит существенно повысить энергетическую эффективность паротурбинных установок путем подачи добавочной воды в их конденсаторы. Полученные результаты отличаются от известных тем, что впервые подобные исследования проведены на расширенной математической модели паротурбинной установки, основанной на использовании уточненных энергетических характеристик в виде обобщенных зависимостей основных параметров турбинных ступеней и отсеков, и имеющей в своем составе объединенную с ней математическую модель конденсатора турбины, что позволило существенно повысить достоверность полученных результатов.
	Ключевые слова: теплофикационная паровая турбина, добавочная питательная вода, система регенеративного подогрева, математическая модель, энергетическая эффективность. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4317048
7	Энергетическая эффективность теплонасосных установок на базе грунтовых вод для Юго-Восточных регионов Европы Авторы: Денисова А. Е., Климчук А А., Иванова Л. В., Жайворон О. С. Одесский национальный политехнический университет Одесса, Украина
	Аннотация: В статье рассмотрены пути и методы повышения эффективности работы одноступенчатых и двухступенчатых схем теплонасосных установок для целей отопления, основанные на принципах энергосбережения. Основной целью исследования является анализ способов повышения эффективности альтернативных низкопотенциальных теплонасосных установок на базе грунтовых вод, которые соответствуют требованиям энергосберегающих технологий. Для достижения поставленной цели исследования был проведен сравнительный анализ эффективности различных схем тепловых насосных систем теплоснабжения для потребителей Юго-Восточных регионов Европы. Разработан алгоритм расчета альтернативных систем теплоснабжения потребителей с учетом климатических условий. Предложена методика оценки энергоэффективности предложенных альтернативных схем теплоснабжения. Реализация метода показана на конкретном примере и подтверждена эффективность альтернативного отопления для потребителей. Проведено численное моделирование тепловых процессов в элементах одноступенчатой и двухступенчатой теплонасосной установки, коэффициентов преобразования теплоты, мощности, потребляемой электроприводом компрессора. Определены удельные затраты первичной энергии и проведено численное моделирование параметров циклов для предложенных схемных решений. Приведен анализ результатов численного моделирования тепловых процессов в элементах теплонасосной установки. Обоснованы рациональные схематические и конструктивные решения и режимы работы системы, обеспечивающие повышение эффективности альтернативной системы отопления для различных климатических условий. Определены основные пути повышения эффективности низкопотенциальных систем отопления за счет использования тепловых насосов на базе грунтовых вод. Разработаны рекомендации по практическому использованию альтернативной системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха. Значимость полученных результатов состоит обосновании условий, при которых в Юго-Восточных регионах Европы целесообразно использовать одноступенчатые и двухступенчатые схемы ТНУ на грунтовых водах. Наиболее значимыми результатами являются рекомендации по повышения эффективности работы теплонасосных систем на грунтовых водах для теплоснабжения потребителей в Юго-Восточных регионах Европы. Результаты анализа могут быть использованы для проектирования тепловых сетей на базе тепловых насосов, использующих низкопотенциальную энергию грунтовых вод.
	Ключевые слова: энергосбережение, эффективность, коэффициент трансформации, тепловой насос, грунтовые воды, промежуточный теплообменник, переохладитель, первичная энергия. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4317115
8	Тепловой четырехполюсник для включения тепловых насосов в состав системы теплоснабжения на базе ТЭЦ Авторы: 1Шит М.Л., 1Журавлев А.А., 2Пацюк В.И., 1Тимченко Д.В., 3Чернышов П.С., 4Ломовцев П.Б. 1Институт энергетики Молдовы, Кишинев, Республика Молдова 2Кишиневский Государственный Университет, Кишинев, Республика Молдова 3Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ», Санкт-Петербург, Российская Федерация 4Одесская Национальная Академия пищевых технологий, Одесса, Украина
	Аннотация: Работа посвящена системам централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ и использованием в них тепловых насосов на диоксиде углерода. Тепловые насосы использованы в системах теплоснабжения зданий и используют в качестве источника низкопотенциальной теплоты (НПТ) теплоту наружного воздуха, и, одновременно, теплоту обратной сетевой воды (ОСВ). Целью исследования является разработка структуры теплового четырехполюсника (ТЧП), определение параметров теплообменника с переменной площадью поверхности теплообмена, установленного в линии ОСВ. Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач: разработка требований и обоснование схемы ТЧП, обоснование параметров ТЧП. Наиболее существенными результатами являются гидравлическая схема ТЧП, модели статики и динамики ТО с ППТО, которые позволяют встраивать тепловые насосы на диоксиде углерода в тепловые сети с высоким температурным графиком. Значимость полученных результатов состоит в получении зависимостей между температурным графиком СО и параметрами ТЧП, которые могут быть использованы в практике проектирования СЦТ с ТНУ. В результате расчетов получены уравнения взаимосвязи между площадью теплообменника, установленного в линии обратной сетевой воды сети теплоснабжения, перепадами температур на концах теплообменника в зависимости от температурного графика, тепловой мощностью, передаваемой теплообменником (ТО) испарителю теплового насоса на диоксиде углерода при заданных режимах работы испарителя в зависимости от температурного графика. В результате решения уравнений динамики прямоточного и противоточного теплообменников при скачкообразном изменении площади поверхности теплообмена у кожухотрубного теплообменника получен вид передаточных функций ТО по каналам температуры нагреваемой воды на выходе и входе – изменение площади теплообмена. Установлено, что теплообменник, как объект управления температурой на выходе в зависимости от изменения площади поверхности теплообмена описывается нелинейной моделью типа Винера.
	Ключевые слова: теплообменник, переменная площадь поверхности теплообмена, математическая модель, тепловой насос. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4317194
9	Энергосберегающие бесшовные системы изоляции каркасных зданий с применением пенополиэтилена Авторы: 1Семенов В.С., 2Тер Закарян К.А., 3Бессонов И.В., 1Жуков А.Д., 1Медникова Е.А. 1Национальный исследовательский московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); ООО 2ТЕПОФОЛ; 3Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН) Москва, Российская Федерация
	Аннотация: Современное малоэтажное строительство имеет тенденцию к использованию недорогих строительных решений, в частности – систем на деревянном каркасе. В таких системах в качестве теплоизоляции традиционно применяют минераловатные плиты в сочетании с пароизоляцией, гидро- и ветрозащитой. Альтернативным решением в части утепления может выступать вспененный полиэтилен, который является эффективным теплоизоляционным материалом, обладает низкой паро- и воздухопроницаемостью. Актуальность исследования и внедрения таких систем подтверждается необходимостью снижения энергопотребления зданий. Целью работы являлось обоснование возможности применения рулонного вспененного полиэтилена с толщиной листа от 50 мм в качестве теплоизоляции малоэтажных каркасных зданий. Поставленная цель достигнута путём проведения экспериментальных исследований по определению физико-механических и эксплуатационных свойств пенополиэтилена, оценки стойкости материала к климатическим воздействиям и натурной оценки теплофизических характеристик материала и состояния конструкций на объекте. Наиболее существенными являются: результаты определения интервала рабочих температур с учетом механического нагружения и склонности к ползучести; результаты оценки влияния отражающего слоя; результаты определения прочности на разрыв материала по глади и по сварному соединению; результаты натурных испытаний. Установлено, что изделия на основе пенополиэтилена стойки как к климатическим воздействиям, так и по механическому нагружению, материал в интервале температур от минус 60°С до +60°С имеет высокую эксплуатационную стойкость. Влияние отражающего слоя, наносимого на пенополиэтилен, на механические характеристики материала незначительно, но способствует увеличению термического сопротивления изоляционной оболочки. Прочностные характеристики обеспечивают целостность бесшовной изоляционной оболочки. Натурные испытания на утепленном объекте после 5 лет эксплуатации показали высокую теплотехническую эффективность системы, и целостность деревянного каркаса, отсутствие гнилостных повреждений. Значимость полученных результатов состоит в обосновании технической возможности и экономической целесообразности разработки системных решений по комплексной изоляции каркасных зданий рулонным пенополиэтиленом.
	Ключевые слова: энергосбережение, деревянный каркас, малоэтажное здание, рулонный пенополиэтилен, изоляционная оболочка, термическое сопротивление, теплотехническая однородность. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018999
10	Юбилей Академика Н.Н. Андронатия