Оптимизация асинхронных электроприводов при постоянной частоте тока статора

Особый практический интерес представляют собой возможности для снижения потерь электроэнергии в нерегулируемых по скорости асинхронных электроприводах.

Во-первых, такие электроприводы являются самым массовым потребителем электрической энергии, поэтому ее экономия даже в малых размерах применительно ко всему парку эксплуатируемых в народном хозяйстве АД может дать существенный народнохозяйственный эффект.

Во-вторых, регулирование напряжения при постоянной частоте вращения двигателей теоретический позволяет получить наибольший энергетический эффект по сравнению с другими условиями работы электропривода.

Постоянство частоты тока статора предполагает регулирование только напряжение статора АД. Для регулирования в настоящее время используются тиристорные преобразователи переменного напряжения (ТПН). Постоянство частоты также упрощает поиск условий, обеспечивающих минимизацию потерь в АД. На рисунке 17 показаны рассчитанные по схеме замещения зависимости от напряжения (синусоидальной формы) потерь, тока и мощности асинхронного двигателя типа 4А 180М4 (30 кВт , 1000 об/мин) при моменте сопротивления на валу, равным 20% от номинального.

 

Рисунок 17- Зависимость потерь от напряжения

 

Приведенные данные свидетельствуют о том, что путем регулирования напряжения можно обеспечить не только минимум потерь, но и минимум тока статора и активной потребляемой мощности. Поэтому в настоящее время предложены различные системы автоматического регулирования, обеспечивающие минимизацию одной из этих величин.

Рассмотрим зависимости тока статора, потребляемой активной мощности и потерь в асинхронном двигателе от напряжения при частоте сети 50 Гц.

Проведем сравнительный анализ различных способов энергетической оптимизации асинхронного электропривода. Для этого выразим потери в асинхронном двигателе через параметры его схемы замещения:

 

(58)

 

где - активная составляющая тока намагничивания

Для упрощения дальнейших выкладок в (58) не учтены механические и добавочные потери.

Потери в роторной цепи асинхронного двигателя

 

. (59)

 

Если учесть, что для реальных асинхронных машин , а при малых значениях скольжений, соответствующих работе двигателя на линейной части его механической характеристики, можно принять, что

, то можно получить следующие соотношения для схемы замещения:

(60)

 

где реактивная составляющая тока намагничивания.

С учетом (59) получаем следующее выражение для потерь

 

(61)

где

 

Скольжение соответствующее минимуму потерь находится из выражения

. (62)

 

Проведенный анализ позволяет сделать важный вывод: для обеспечения минимальных потерь в двигателе необходимо при любых нагрузках поддерживать постоянное оптимальное скольжение, определяемое выражением (62). Это свойство асинхронного двигателя позволяет обеспечить минимизацию потерь в системе автоматического регулирования с обратной связью по скольжению (или скорости). Примером такой системы регулирования может служить структурная схема, приведенная на рисунке 18, где за счет стабилизации скорости напряжение статора двигателя автоматически изменяется в функции момента на валу по закону

 

(63)

 

обеспечивая минимальные потери

 

(64)

 

 

 

 

Рисунок 18 – Структурная схема электропривода

 

Аналогичные исследования на экстремум выражений для тока статора

(65)

 

и активной потребляемой мощности

(66)

позволяют получить соотношения для скольжений, обеспечивающих :

- минимум тока статора

(67)

 

- минимум потребляемой мощности

 

(68)

Рассматривая совместно выражения для скольжений можно сформулировать следующее положение: любой из рассмотренных способов энергетической оптимизации асинхронного двигателя – минимуму потерь тока статора и потребляемой мощности – может быть реализован при поддержании постоянства скольжения асинхронного двигателя. Эти скольжения различны, причем

(69)

 

Возможность реализации любого из рассмотренных способов минимизации энергетических показателей путем поддержания постоянства скольжения делает универсальной систему регулирования, показанную на рисунке 18.

В рамках программы эффективного использования электроэнергии по выше описанному методу, группа английских специалистов разработала приборы, называемые – контроллер для асинхронных двигателей переменного тока (POWERBOSS). От общего объема потребляемой электроэнергии приходится на асинхронные электродвигатели более 60%. Они используются в системах охлаждения, кондиционирования, в пневматических устройствах, в конвейерных устройствах, в вакуумных насосах, в осушающих устройствах, в дробильно - измельчающих аппаратах и т.д. Таким образом, эффективное управление энергией, потребляемой этими электродвигателями, может привести к значительной экономии ресурсов.

Основополагающим в этом явилось следующее: электродвигатель потребляет полную энергию в момент его запуска. При изменении нагрузки большая часть энергии идет на вибрацию механической системы и на нагрев электродвигателя. Английские ученые применили микрокомпьютер, созданный Национальной Ассоциацией Космических Исследований (NASA,США) для регулирования работы электродвигателей, применявшиеся при запуске космических аппаратов. Установленный в контроллере, микрочип запоминает максимальные значения нагрузки и, в процессе работы электродвигателя, меняет рабочее напряжение, подводя его под величину максимальной нагрузки. Такая операция совершается в течение 0,01 сек. Это позволяет минимизировать потребление энергии, ее экономия находиться в пределах до 40%. Микроконтроллер “POWERBOSS” относится к группе приборов высокой технологичности, использующих принцип регулирования питающего напряжения. POWERBOSS-3 – контроллер, регулирующий работу 3-х фазных асинхронных электродвигателей, выпускается в 7 вариантах по мощности до 37кВт.

Вопросы энергосбережения в промышленных объектах различных производств отличаются большим многообразием и специфичностью работы механизмов, в связи с этим необходимо в каждом конкретном случае использовать специальные методы и подходы для осуществления мероприятии по рациональному использованию электрической энергии.

 

4 Энергосберегающий асинхронный двигатель, на примере регулируемого электропривода насосов

 

Регулирование режимов работы насосных станций различных трубопроводов изменением частоты вращения электрического привода является наиболее прогрессивным способом из всех известных. При этом методе регулирования задвижка на трубе остается полностью открытой. Следовательно, нет добавочного гидравлического сопротивления, нет добавочных потерь на гидравлическом сопротивлении; при этом вся гидравлическая мощность насоса используется на перемещение жидкости по трубе (первая ступень энергосбережения в системе двигатель-насос-трубопровод).

При частотном регулировании должно поддерживаться определенное соотношение между частотой, напряжением и моментом, обеспечивающее соответствие характеристик двигателя характеристикам нагрузки. Оптимальные законы статические управления должны обеспечивать, кроме того, минимум потерь в двигателе (вторая ступень энергосбережения в системе двигатель-насос-трубопровод).

Энергосберегающий подход к решению задачи оптимизации режимов работы насосных станций включает в себя решение вопросов разработки энергосберегающего асинхронного двигателя насоса, т.е. такого двигателя, который в режимах работы насосной станции имел бы наименьшие потери при обеспечении технических характеристик и минимизации действительной стоимости двигателя (третья ступень энергосбережения в системе трубопровод- насос-двигатель).

Основным исходным уравнением при разработке любой электрической машины является выражение расчетной мощности, которую будем считать заданной:

, (70)

 

где n - синхронная частота вращения (для магистральных насосов n=50 об/сек)

D, l - диаметр расточки статора и длина сердечника;

А, - линейная нагрузка и магнитная индукция машины, в

воздушном зазоре, в номинальном режиме;

- обмоточный коэффициент;

- обмоточный коэффициент укорочения;

У-шаг обмотки;

- коэффициент распределения.

Как следует из выражения (70) при заданной мощности Р и частоте вращения, произвольно изменяющимся являются пять величин:. От выбора этих и ряда других, указанных ниже величин, зависят технические характеристики двигателя, т. е. соответствие их техническим требованиям привода, энергетические характеристики и решение поставленной задачи энергосбережения.

Потери в двигателе складываются из потерь в обмотке статора -, потерь в обмотке ротора -, потерь в стали -, потерь механических-:

 

. (71)

 

Потери в обмотке статора:

 

, (72)

 

где - число фаз, ток, сопротивление обмотки статора.

Потери в обмотке статора складываются из потерь в ее активной части - и лобовой части - :

. (73)

 

Потери в активной части обмотки статора:

 

, (74)

где , (75)

- удельное сопротивление материала обмотки статора;

длина фазы активной части обмотки статора

 

, (76)

сечение фазы

. (77)

- число витков и плотность тока в обмотке статора

Ток обмотки статора может быть выражен через линейную нагрузку:

 

, (78)

 

После подстановки (66) в (62) получим:

 

. (79)

 

Таким образом, потери в активной части обмотки статора равны произведению поверхности расточки сердечника статора, удельного сопротивления материала (меди) обмотки статора, линейной нагрузки и плотности тока в обмотке статора.

Аналогичным образом можно получить:

 

(80)

 

где - длина полувитка лобовой части обмотки статора.

Подобные выражения могут быть получены для потерь в обмотке ротора заменой индекса 1 на 2.

Анализ выражений (58), (67), (68) показывает, что при заданной мощности и частоте вращения, при неизменном объеме сердечника изменение шага (например, уменьшение), с одной стороны, приводит к изменению (уменьшению) потерь, с другой стороны, к изменению (увеличению) линейной нагрузки, и, следовательно, потерь.

Таким образом, первым направлением в решении задачи разработки энергосберегающего двигателя является оптимизация, с точки зрения минимума потерь, шага обмотки.

При заданной мощности и частоте вращения, при выбранных значениях электромагнитных нагрузок

(81)

 

Из (81) следует, что, т.к. D и при выполнении последнего условия могут иметь бесчисленное число значений, задача выбора главных размеров электрической машины является многовариантной: машина может быть короткой (малая длина сердечника, большой диаметр) или длинной (большая длина сердечника, малый диаметр). Геометрию машины (длинная, короткая) принято характеризовать геометрическим параметром

 

, . (82)

 

Известно, что выбор параметра оказывает всестороннее влияние на все технические характеристики асинхронного двигателя: на нагрев его обмоток, энергетические параметры, на потери. В асинхронных двигателях выбор параметра оказывает большое влияние на такие технические характеристики как: пусковой момент, максимальный момент (перегрузочная способность), маховый момент (большой или, наоборот, малый). Высоких требований к пусковому моменту асинхронного двигателя в частотно-регулируемом приводе насоса не предъявляется. Понятие перегрузочной способности для асинхронного двигателя насоса теряет физический смысл.

Поэтому при выборе параметра для асинхронного двигателя насоса требования, предъявляемые к этим техническим характеристикам, отодвигаются на второй план, на первый план выдвигаются требования обеспечения минимума потерь, возможны так же различные подходы к решению этой задачи. Таким образом, вторым направлением решения задачи снижения потерь является оптимизация геометрического параметра исходя из критерия минимума потерь.

Обратимся теперь к выбору электрических нагрузок - линейной нагрузки А и плотности тока в обмотках статора и ротора . Анализ формул (79), (80) показывает, что снижение электрических нагрузок А и j приводит к снижению потерь в обмотках статора и ротора. Однако, снижение линейной нагрузки сопряжено (как следует из 70) с увеличением габаритов и объема сердечника, что в свою очередь приводит (при ) к увеличению потерь в стали и потерь в обмотках статора и ротора, т.е. к отрицательной обратной связи на функцию снижения потерь. Поэтому это направление (снижения линейной нагрузки) не следует считать приоритетным.

Более перспективным для достижения поставленной цели-снижения потерь в обмотках статора и ротора - является путь снижения плотности тока в обмотках. В обычных асинхронных двигателях использование такого подхода сопряжено с рядом ограничений. Значительное снижение плотности тока в обмотке ротора приводит к уменьшению ее сопротивления, а следовательно, к уменьшению пускового момента, что недопустимо по техническим требованиям согласно ГОСТ. Как уже отмечалось, данная проблема применительно к асинхронным двигателям частотно-регулируемых приводов насосов практически снимается. Снижение плотности тока в обмотке статора (как правило, и в обмотке ротора) сопряжено с увеличением площади паза, высоты паза. Увеличение высоты паза приводит к увеличению индуктивных сопротивлений рассеяния, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Действительно, индуктивное сопротивление:

 

; (83)

,

,

 

- магнитная проводимость полей рассеяния;

 

; (84)

.

После преобразований:

; (85)

или

, (86)

где .

 

Анализ выражения (86) показывает, что с увеличением высоты паза увеличивается магнитная проводимость полей рассеяния, индуктивное сопротивление, снижаются и пусковой момент и максимальный, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями для обычных двигателей.

Поскольку в асинхронном двигателе частотно-регулируемого привода насоса жестких требований к пусковому моменту и к перегрузочной способности не предъявляются, то увеличение высоты паза, в разумных пределах, достаточных для решения поставленной задачи, не вызывает возражений. Рассмотрим теперь потери в стали.

Потери в стали -, выраженные через потери в зубцах -

 

, (87)

 

где - отношение потерь в ярме к потерям в зубцах.

Потери в зубцах

, (88)

 

где - объем стали зубцов;

- удельный вес стали;

- удельные потери в стали (в одном кг. стали при индукции 1 Тл и частоте f=50 Гц); при данном анализе будем считать, что частота f = 50 Гц;

- магнитная индукция в зубцах.

Объем стали зубцов:

, (89)

 

где - отношение средней ширины зубца к среднему зубцовому шагу;

- коэффициент заполнения пакета сталью;

- отношение высоты паза к диаметру.

Магнитная индукция в зубцах:

 

. (90)

 

Магнитная индукция в воздушном зазоре,

 

. (91)

 

После подстановки (89), (90), (91), в (88) получим зависимость изменения потерь в стали сердечника, при изменении магнитной индукции (т.е. и объема сердечника) при постоянной мощности, частоте вращения и линейной нагрузки:

, (92)

 

где ;

. (93)

 

Из выражения (92) следует, что при указанных выше условиях и уменьшении индукции (за счет увеличения сечения сердечника) потери в стали уменьшаются обратно пропорционально объему сердечника. Другими словами, такое снижение потерь в стали достается слишком дорогой ценой. Но и это только одна сторона проблемы.

С другой стороны, согласно выражению (81), с увеличением габаритов сердечника - увеличиваются потери в обмотках статора. При этом, как правило, суммарные потери в обмотках статора и ротора, больше потерь в стали. Поэтому общий эффект от снижения потерь в стали (соответственно, от увеличения объема сердечника) может быть отрицательным. Поэтому направление поиска снижения потерь за счет снижения индукции не может также считаться приоритетным.

Однако, из выражений (87), (88) следует, что есть направление возможного значительного снижения потерь в стали - это использование для сердечника статора электротехнических сталей с малыми удельными потерями, т.е. современных электротехнических сталей, сталей меньшей толщины; хотя эти стали и более дорогие.

 

5 Основные аспекты энегосбережения на примере электроприводов механизмов собственных нужд ТЭЦ и ТЭС

В режимах работы, в условиях эксплуатации оборудования ТЭС и ТЭЦ за последние годы произошли существенные изменения, вызванные рядом причин. Колеба­ния цен на нефть и газ, рост стоимости электроэнергии обусловили необходимость разработки эффек­тивной политики энергосбережения. При этом актуальность приобретают вопросы перераспределения капиталовложений в производство электроэнергии и мероприятия по энергосбережению.

Как показывает опыт ряда европейских стран, инвестиции в мероприятия по энергоснабжению в большинстве случаев более предпочтительны.

Важная роль в деле рационального и экономичного расхо­дования топливно-энергетических ресурсов отводится электроэнергетике, являющейся важнейшим звеном в цепочке энергетического производства, начиная от добычи топлива, производства электрической и тепловой энергии, кончая распределе­нием их, и доведением до потребителя. Поэтому значитель­ное внимание в национальных программах энергосбережения должно уделяться вопросам повышения эффективности энергетического производства и экономичности, что имеет особое значение из-за огромных масштабов и темпов развития электроэнергетики. Так, к примеру, при годовой выработке агрегатами ТЭС одноготрлн кВт-ч снижение удельного расхода топлива на 0,5 - 0,8 г/(кВт-ч) за счет повышения экономичности работы и снижения потерь на механизмах собственных нужд (СН), позволило бы сэкономить более 1,5 млрд. кВт-ч электроэнергии [2]. Однако складывающиеся условия в энер­гетике и промышленности в определенной мере, на данный момент в республике, для вложения значительных капиталовложении неблагоприятны. Практически стабилизировались экономические показате­ли паротурбинных энергоблоков ТЭЦ, так как они работают на максимально возможных с технико-экономической точки зрения параметрах пара, КПД их не превышает 40%. Ис­черпана возможность дальнейшего повышения экономичности, поскольку при переходе к более высоким значениям сверхкритического давления пара и начального значении тем­пературы сложно обеспечить надежную работу энергооборудования (котел, турбина, паропроводы, запорная арматура, на­сосы и др.) особенно, в маневренных режимах [2].

Неблагоприятные изменения структуры генерирующих мощ­ностей и характера потребления электроэнергии в энергообъединениях обусловили возникновение проблемы регулирования, переменной части графиков электрических нагрузок. Эта проблема является одной из наиболее серьезных в энергетике и решается по разному,например, в ФРГ и США была развернута программа создания «полупиковых» и «пиковых» энергоблоков.

В программах Франции и Великобритании создание высокоманевренных энер­гоблоков не предусматривалось, зато ко всем вводимым энер­гоблокам мощностью до 500-700 МВт предъявлялись тре­бование работы в «полупиковом»режиме вплотьдо двухсменного графика с ежесуточными остановами на ночь.

В Японии, наряду с созданием ограниченного количества специализированных «полупиковых» энергоблоков на пониженные параметры пара, была поставлена задача, достичь высокой маневренности на энергоблоках 500 и 700 МВт со сверхкритическим давлением пара.

В нашей республике действующее оборудование мощных энергоблоков часто мало приспособлено к режимам работы с длительными глубо­кими разгрузками. Тем не менее, благодаря большому объему исследовательских и экспериментальных работ проводимых ранее, а также рекон­структивных мероприятий, проводимых в последние годы, во многих случаях, по видимому удается достигнуть улучшения маневренных характеристик энергоблоков, расширитьих регулировочный диапазон.

Состояние оборудования многих ТЭС и ТЭЦ требует модернизации и реконструкции, при этом проявляется тенденция сохранения числа работающих старых энергоблоков, отработавших расчетный ресурс. Масштабы этого процесса становятся шире по мере прибли­жения к выработке ресурсов массой энергоблоков, функционирующих в республике.

Оборудование ТЭС, используемых для работы в режимах с глубокими разгрузками, должно обладать повышенными надежностью и экономичностью, эти требования относятся не только к основному оборудованию (котел, турбина, электро­генератор), но и к вспомогательному - механизмам СН – насосы, тягодутьевые механизмы (ТДМ), механизмы топливоподачи,пылеприготовления и т.п. а также их электроприводы.

Требования надежности оборудования в маневренных режимах определяются, прежде всего, необходимостью обеспечения нормаль­ного гидродинамического режима работы парогенерирующих поверхностей котла, устойчивостью топочного процесса, под­держанием нормальных параметров пара и необходимого охлаждения выхлопной части турбины, надежностью шлакоудаления.

Требования экономичности связаны с возникающими на пониженных нагрузках потерь энергии, из-за применения нерациональных способов регулирования дросселированием в пароводяном и газовоздушном трактах, дополнительными потерями тепловой энергии, неоптимальностью режимов горения топлива вследствие уве­личения избытка холодного воздуха, колебаний температуры уходящих газов, питательной воды и т.п., что в свою очередь ведет к поте­рям электроэнергии и дополнительным затратам топлива. Отсюда неизбежно и увеличение себестоимости электро­энергии.

Разгрузка энергоблоков, частые пуски-остановысущественно ухудшаютусловия эксплуатации и экономичность вспомогательного оборудования и электроприводов, спроек­тированных для работы, в основном, в базовых режимах, с небольшим диапазоном изменения производительности за счет дросселирования рабочей среды (питательная вода, воздух, горячие газы и т.п.). Дроссельный способ регулирования ме­ханизмовСН,при постоянной частотевращения (ЧВ) их при­водных электродвигателей,в качестве которых на ТЭС получилипреимущественное применение асинхронные двигатели (АД)скороткозамкнутым(КЗ)ротором, обусловливает не высокий КПД и потери электроэнергии на СН ТЭС, особенно ощутимыепри переменном графикенагрузки.

Потерииз-за дросселирования имеют место и в базовых режимах работы энергоблоков,посколь­ку в проектнойпрактике, исходя из требованиянадежности, а также вследствие дискретности параметров оборудования (насосы, вентиляторы и приводные АД),производительность механизмов на ТЭС всегдавыбирается с некоторымзапасом. Такрасчетная подачапитательного насоса принимается в среднем на 10 - 15 % большетребуемой для обеспечения большей надежности. Поэтому в мировой практикеобщепринято, что наряду с такимважным мероприятиемпо энергосбережению на ТЭС, как повышение экономичности инадежности основного обору­довании путем совершенствования характеристик и оптимиза­ции режимов,эффективным решением,не требующимзначительных капиталовложенийи большого времени для реализа­ции, является оснащение механизмовСН регулируемым электроприводом переменноготока [4].

Это означает, что необходим переход отнеэкономичного дросселирования,осуществляемого устройствами механическоготипа (клапаны, направляющие аппаратыи т.п.) при постоянной ЧВ приводныхэлектродвигателей, к такому регулированию производитель­ностимеханизмов СН, при котором появляетсявозможность подобрать при любой нагрузкеэнергоблока оптимальную ЧВ (производительность) и обеспечитьпротекание технологическо­го процесса с наименьшими потерями. Реализация такого ре­шения связана сзаменой нерегулируемого электропривода регулируемым.

 

5.1 Оценка экономии электроэнергии при оснащении механизмов СН регулируемым электроприводом

Применениерегулируемых электроприводов для механиз­мовСНпозволяет не толькоповысить их эксплуатационный КПД, а значит, обеспечить экономию электроэнергии (топлива), но и создает новые возможности.Так, появляется возможность экономичной работы энергоблокапри разгрузках наскользящем давлении параи врежимепокрытиямощностиСН.Последний возникает обычно при ложных действиях защиты генератора энергоблока или отходящихЛЭПи соп­ровождается мгновенным сбросомнагрузки дозначения, соответствующегопотреблению энергии механизмамиСН. В этих случаях желательносохранение энергоблока в работе, готовогодля обратноговключения в сеть и принятия нагрузки.

В режимах пуска и самозапуска регулируемогоэлектропривода появляется возможность исключить четырех - семикратные пусковые токи, повыситьнадежность электрооборудования и электрическойсети СН. Плавноере­гулирование производительности позволяет уменьшить износ механизмов, трубопроводов, подшипников и т.п., следовательноснизить затраты наремонт, увеличить межремонтные периоды. Появляется также возможность перейти на качественно новый,более высокий уровень автоматизации ТЭС,эффективнее использовать ЭВМ для управлениярежимами энергоблока.

Вместе с тем, замена системы регулирования производи­тельности с направляющими аппаратами,регулирующими клапанами и АД при постоянной ЧВ регулируемым электроприводом требует капиталовложений. Поэтому решениевопроса о заме­не нерегулируемогоэлектропривода регулируемыми выборе его системы лежитв области технико-экономического анализа.

Анализ долженучитывать целесообразность затрат на регулируемый электропривод нетолько в зависимости от экономии элект­роэнергии,но и отряда дополнительных факторов, к кото­рым относятсявид сжигаемого топлива, его стоимость, годовой график нагрузки энергоблока, а также графикна­грузки механизма, диапазонего регулирования,возможность дополнительной выработки электроэнергииза счет отказа от дросселирования в режимах максимальнойнагруз­ки энергоблока при том же количество топлива,увеличение межремонтного периода и сокращение затратна ремонт теп­ло - и электротехнического оборудованияза счет повышения надежности и т.п. Учет перечисленных факторов,в общем,представляет значительные трудности, ивозможен лишь в применении для каждого конкретного случая регу­лируемого электропривода.

В то жевремя можнодать интегральную оценку эффективности регулирования механизмов по ук­рупненным показателям, учитывающим разницу вотносительных потерях электроэнергии при регулированииЧВ и использовании дрос­сельного регулирования, т.е.только за счет экономии электроэнергии.

 

 

5. 2 Номенклатура механизмов собственных нужд ТЭЦ и ТЭС, оснащение которых регулируемым электроприводом наиболее рационально с целью энергосбережения

Процесс производства электроэнергии на паротурбинных электростанциях обеспечивается комплексом вспомога­тельного оборудования, причем состав механизмов пылеугольных и газомазутных энергоблоков мощностью 63-1000 МВт из-за различия топлива несколько варьируется. Пылеугольные ТЭС имеют более широкую номенклатуру механизмов. Наиболее характерными из них являются:

а) Ленточные конвейеры топливоподачи - система транспортеров, обеспечивающих подачу топлива в бункера сырого угля. Мощность АД транспортеров не превышает 630кВт, на многих ТЭЦ используется регулирование подачи угля на ленту конвейера скребковыми устройствами. Основная проблема - тяжелые условия пуска, вследствие чего для снижения пускового тока и обеспечения равномерного натяжения ленты целесообразно применение полупроводниковых пуско - регулирующих устройств. Однако, ощутимой экономии электроэнергии не достигается вследствие цикличности режимов работы транспортеров.

б) Ленточные питатели сырого угля для подачи топлива в углеразмольную мельницу. Мощности АД не превышают 30 кВт, конкретно на ТЭЦ-2 используются электропривода постоянного тока от 0,4 до 12,5 кВт. Регулирование осуществляется механическими шиберами. Основная проблема - повреждаемость двигателей и ленты при пусках, неравномерность загрузки мельницы в режимах максимальной нагрузки котла, вследствие чего целесообразно применение пускорегулирующих систем. Экономия электроэнергии вследствие небольшой мощности механизмов и циклического режима работы незначитель­на.

в) Углеразмольные мельницы (шаровые, молотковые, валковые среднеходовые), обеспечивающие размол топлива в угольную пыль для сжигания. Мощность двигателей, вкачестве которых применяют,как правило, низкооборотные синхронные двигатели (СД), достигает 800 - 2500 кВт, в основном на ТЭЦ установлены двигатели мощностью 800кВт. Основная проб­лема–тяжелыйпуск,ударные нагрузки.Имеются сведения о применении на ряде ТЭС безредукторного частотно-регулируемого тихоходногоэлектропривода на основеАД и тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью(циклоконвертера). Ощутимой экономии электроэнергии не достигается вследствие цикличности режимов работы.

г) Мельницы-вентиляторы, обеспечивающие размол,просушку топлива и вдувание угольной пыли с горячим воз­духом в топкукотла. Мощность приводных АД достигает 2 000кВт.Основныепроблемы - тяжелый пуск, необходимостьравномерной подачи угольной пылинезависимо от загрузки мельницы.

Применениетиристорной системы для пуска и регулирования этих меха­низмов позволяетобеспечить решениеэтих проблем, но, как показывают предварительные исследования, экономия электроэнергии незначительна. Целесообразностьприменения ре­гулируемого электропривода необходимообосновывать для каждогоконкретного случая.

д) Дутьевые вентиляторы и воздуходувки котлов,обеспечивающие транспор­тировку воздуха, необходимого для подсушкитоплива и его горения, а такжеработу котлаподнаддувом, что исклю­чаетнеобходимость применения дымососов (ДС)для мощных энергоблоков. Мощностиприводных АД 360- 6 000 кВт. Оснащениерегулируемым электроприводом, начинаяот мощностипримерно630 кВт, оказывается экономическивыгодным.

ж) Дымососы (дымососы рециркуляциидымовых газов), создающие тягу вкотле и осуществляющие выброс продук­тов сгорания, а такжеотбор части дымовыхгазов. МощностьприводныхАД 200-4 000 кВт. Применение регулируемого электроприводанаходится на границе окупаемости при мощности400-500 кВт,выше этой мощности создаетсяэкономический эффект темзначительнее, чем выше мощность механизма.

з) Питательные насосы, входящие в состав водопитательной установки ТЭЦ и обеспечивающиеподачу в котел предварительно деаэрированнойводы из питательныхбаков деаэраторов повышенного давления.Требуемая мощностьпри­вода 800-21500 кВт. В отечественной и реже в зарубежной практике наряду сэлектроприводом применяюттурбопривод от вспомогательнойвысокооборотной турбины, которыйв рядеслучаев оказывается конкурентоспособным.Регулирование производительностипитательных насосов изменением ЧВ оказывается эффективным, обеспечиваяэкономию электроэнергии и весьма быструю окупаемость затрат.

и) Конденсатные насосы водопитательной установки, подающиеконденсаттурбин изконденсаторови добавочную воду в деаэратор.Мощность электропривода160 - 2 000 кВт.Оснащение регулируемым электроприводомможет оказаться экономически целесообразным, начиная от мощностей 600 кВт.

к) Циркуляционныенасосы, входящие в систему техническоговодоснабжения и предназначенные для охлаждения отработавшего пара за счет подачиохлаждающей воды (из пруда-охладителя,водохранилища, реки) в конденсаторы турбин.Мощность приводных АД - от 400 до 11300 кВт. Спецификаработы циркуляционных насосов обуславливает необходимость выполнения расчетов, обосновывающихприменениерегулируемого электропривода длякаждого конкретного случая.

Целесообразность и эффективностьэкономичного регулированияподачи циркуляционных насосовизменениемЧВ увязываются с улучшением режима турбоагрегатапри разгрузках.

л) Сетевыенасосы, входящие в состав теплофикационных установок наТЭЦ и предназначенные для снабженияпотребите­лей горячей водойнаотопление и горячее водоснабжение. Диапазон мощностей приводных АД 120- 3000 кВт. Применение регулируемогоэлектропривода для плавногоизменения напора целесообразно.

м) Пылеприготовительные установки. Производительность современных молотковых мельниц достигает 100 т/ч на буром угле и 50 – 60 т/ч на каменном. Тонкость помола пыли в мельницах может изменяться от 100 до 60 % остатка на сите 90 мкм. Применяются молотковые мельницы с мощностью двигателей до 800 кВт. Паспортная производительность мельницы обычно принимается за оптимальную.

Регулирование частоты вращения молотковых мельниц может повысить производительность этих механизмов. Какпоказывают расчеты, проведенные учеными России для энергоблоков 210 МВт, оснащение регулируемым электроприводом ТДМи питательныхнасосов позволяет уменьшить расход электроэнергиинаСНэнергоблока болеечем на 10%, что составляетв среднем 8-10 млн. кВт-ч, и оказывается экономически оправданным.

Отмечается, что оснащение регулируемым электроприводом ДВ котла мощностью 2200 кВт, взамен системы механического поворо­та лопаток, позволило поднять мощность энергоблока с 265 до 276 МВт и снизить расход электроэнергии на 25 % [1].

Известно, что оснащение регулируемым электроприводом питательных насосов мощностью 1500 кВт энергоблоков 110 МВт при капитальных затратах в 359 тыс. долл., позволило бы получить экономию в 1 млн. 42 тыс. долл. Здесь же отмечается, что оснащение двух ДВ мощностью по 3 000 кВт на газовом энергоблоке 530 МВтрегулируемым электро­приводом оказалось выгодным, экономия топлива позволила окупить затраты на установку регулируемых электроприводов за 2,6 года [1].

Таким образом, очевидно, что на целесообразность и возможность оснащения механизмов СН регулируемымэлект­роприводом оказывает влияниеряд факторов, обуславливающихв каждом конкретном случае номенклатуру механизмов ТЭЦ, для которых применение такогоэлектропривода наиболее рационально, основные из них;

- глубинаразгрузки энергоблокаи длительность работы в режимахразгрузки;

-вид топлива (мазут, газ, уголь) и его стоимость;

- мощность механизма СН, оснащаемого регулируемым электроприводом;

- наличие соответствующего комплектного объектно-ориентированного электропривода.

Наиболее энергоемкими объектами ТЭЦ являютсяТДМ и питательные насосы, которые непосредственно влияютна надежностьи экономичность работы станции.

Поэтому в первую очередь с точки зрения повышения экономичности работы целесообразно рассмотреть вопросы уменьшения потерь энергии именно на этих объектах.

В таблице 1 приведены сведения о двигателях, наиболее часто используемых на вышеперечисленных механизмах ТЭЦ и ТЭС нашей республики.

Таблица 1

  Тип, марка двигателя. Мощность Рн КВт Напр. Uн, В Част.вр. в Об/мин Кол шт. Мех-зм  
SzJr –148/10 700/400 740/590 ДВ-3Б
SzJr –148/105/03 700/400 740/590 ДВ-1А
ДА302-17-44 8/10У1 630/320 744/595 ДВ
А4-450-6У3 ДВ
ДА302-17-44 8/10У1 630/320 741/594 ДВ
ДА302-17-69-8/10У1 1000/500 742/594 ДС
2АЗМ-4000/6000У4 8 ПН
А4-450-6 1 БН
ДАЗО4 450У6У1 2 БН
А114-4 1 НГ
ДАЗО4-400ХК-АТ2 4 НГ
А355L-4 7 НОВ
А4-400Х-8У3 2 НОВ
ДАЗО4-400ХК-АТ2 4 НОВ
А13-62-8У4 6 ЦН
А4-450У-8У3 4 ЦН
4АЗМ-1600/6000У-4 4 СН
А4-400У-4У3 2 СН
А4-450-4 1 СН
ДАЗО12-55-4МУ1 1 СН
ДАЗО4-400У-4У1 1 СН
А-114-4 11 НПТ
А355Х-4 3 НПТ
ДАЗО4-400ХК-АТ2 4 НПТ

Примечание. ДВ – дутьевые вентиляторы, ДС – дымососы, ПН – питательные насосы, БН – багерные насосы, НГ – насосы гидрозолоудаления, НОВ – насосы осветленной воды, ЦН – циркуляционные насосы, СН – сетевые насосы, НПТ – насосы подпитки теплосетей.

 

5.3 Регулирование производительности ТДМ ТЭС с целью снижения уровня потребления электроэнергии

 

Основными величинами, характеризующими работу ДВ, ДС, являются производительность, полный напор, потребляемая электродвигателем мощность, частота вращения и КПД по полному напору.

Под полным напором механизма понимают разность полных напоров в выхлопном и всасывающих патрубках.

Производительность и полный напор ДС, ДВ связаны между собой зависимостью, называемой напорной характеристикой, приведенной на рисунке 19. Каждый механизм в зависимости от его аэродинамической схемы при постоянной скорости вращения имеет свою напорную характеристику. Напорные характеристики механизмов приводятся в каталогах заводов-изготовителей. Зависимость сопротивления газового или воздушного тракта котельной установки от расхода продуктов сгорания или воздуха определяется характеристикой сети. Каждый ДС, ДВ создает полный напор, соответствующий сопротивлению газового или воздушного тракта, на который он работает. Поэтому рабочему режиму ДС, ДВ отвечает точка пересечения напорной характеристики механизма с характеристикой сети. Дымосос, вентилятор в рабочей точке имеет наибольшую производительность при работе на данную сеть. Всякое изменение сопротивления сети приводит к изменению производительности механизма.

 

Точка 1 – номинальный режим ДВ, участок а-б потеря напора при дроселировании, характеристики А,Б,В,Г - при различной степени открытия заслонки.

Рисунок 19 - Напорная характеристика сети

 

Пapoвыe и вoдoгpeйныe котлы paбoтaют c пepeмeнными нaгpyзкaми, чтo пpивoдит к нeoбxoдимocти peгyлиpoвaть пpoизвoдитeльнocть ТДМ.

Peгyлиpoвaниe пpoизвoдитeльнocти ТДМ вoзмoжнo ocyщecтвить двумя пpинципиaльнo paзличными cпocoбами: измeнeниeм xapaктepиcтики ceти или вoздeйcтвиeм на нaпopнyю xapaктepиcтикy механизма.

Измeнeниe xapaктepиcтики ceти дocтигaeтcя пyтeм ввoдa в ceть дoпoлнитeльнoгo coпpoтивлeния в виде шибepa, измeняющeгo плoщaдь пoпepeчнoгo ceчeния raзoвoздyxoпpoвoдa на вxoдe в механизм. Увeличeниe coпpoтивлeния ceти при зaкpывaнии шибepa бyдeт пpивoдить к cнижeнию пpoизвoдитeльнocти механизма.

Boздeйcтвoвaть на нaпopнyю xapaктepиcтикy механизма мoжнo пyтeм измeнeния ee чacтoты вpaщeния. Пpoизвoдитeльнocть механизма измeняeтcя пpимepнo пpoпopциoнaльнo чacтотe вpaщeния, полный нaпop - пропорционально второй степени величины ЧВ, a мoщнocть, пoтpeбляeмaя элeктpoдвигaтeлeм - пpoпopциoнaльнo третьей степени величины ЧВ.

Pегyлиpoвaние пpoизвoдитeльнocти механизма пocpeдcтвoм шибepa нaибoлee пpocтo, но вecьмa нeэкoнoмичнo.

Рeгyлиpoвaниe измeнeниeм чacтoты вpaшeния обecпечивает выcoкyю экoнoмичнocть paбoты механизма при пepeмeнных рeжимax.

Ha pиcунке 19 представлена нaпopнaя xapaктepиcтикa ДВ, хapaктepиcтикa ceти и paccмoтpeны oбa yкaзaнныx cпocoбa peгулирования пpoизвoдитeльнocти. Пусть точка 1xapaктepизyeт рабочий peжим ДВ и cooтвeтcтвeннo его нoминaльнyю пpoизвовoдитeльнocть Qн и полный нaпop Hs,. При cнижeнии пapoпpoизводительностии котла пoтpeбyeтcя yмeньшить pacxoд воздyxa, пoдaвaeмoгo в тoпкy, c Qн до Qi.. Toгдa coпpoтивлeниe сети тaкжe cнизитcя и при pacxoдe Qi бyдeт xapaктepизoвaтьcя точкой а.

При pacxoдe Qi ДВ бyдeт paзвивaть нaпop, хаpaктepизyeмый тoчкoй б. Слeдoвaтeльнo, при дpocceльнoм регyлиpoвaнии бyдeт тepятьcя нaпop, paвный oтpeзкy aб.

Пpи peгyлиpoвaнии измeнeниeм ЧВ нaпopная xapaктepиcтикa ДВ измeнитcя и пpoйдeт чepeз тoчкy a, т. e, бyдeт дocтигнyтo cooтвeтcтвиe мeждy нaпopoм, paзвивaeмым ДВ, и coпpoтивлeниeм ceти.

Очeвиднo, чтo при peгулиpoвaнии измeнeниeм ЧВ ДВ пoтepи нaпopa, вcлeдcтвиe дpocceлиpoвaния пoтoкa, oтcyтcтвyют.

Pacсмотрение двух cпocoбoв peгyлиpoвaния пoзвoляeт заключить, что нaибoлee эффективным бyдeт cпocoб, вoздeйcтвyющий на измeнeниe нaпopнoй xapaктepиcтики ДВпутем изменения частоты вращения.

 

5.4 Технико-экономическая эффективность применения регулируемого электропривода ТДМ

Обычно проектная производительность к напор ДВ и ДС выбираются с запасом: по производительности – 10 %, по давлению –20 % для обеспечения требуемых параметров перед останов­кой на ремонт, когда увеличиваются присосы воздуха, сопро­тивление тракта и температура уходящих газов.

На базовых ТЭС производительность котлов часто ниже номинальной и дополнительно снижается в воскресные, праздничные дни и ночные часы.. На ТЭЦпроизводительность котлов меняется также в зависимости от температуры наружного воздуха и барометрического давления. На ТЭЦ в ночные часы нагрузка может снижается на 10 %. По этим причинам дымососы и ДВ значительную часть ра­бочего времени работают обычно с производительностью 80-90 %, а временами и до 60-70 % от максимальной. Это обусловле­но необходимостью обеспечения нормативных требований (коэффициентов запаса по производительности и напору ме­ханизмов, по производительности парогенераторов и турбин), а также дискретностью шкалы типоразмеров ТДМ.

Таким образом, благодаря регулированию частоты вращения ротора механизма с оптимальным открытием направляющего аппара­та, появляется возможность подгонки характеристик ТДМ к характеристикам газовоздушного тракта и повышения эконо­мичности их работы даже в номинальном режиме котлоагрегата. При этом за счет исключения потерь на дросселирование эффективность регулирования производительности ТДМ возрас­тает с увеличением глубины разгрузки энергоблока.

Резкие изменения нагрузки энергобло­ков могут также вызывать необходи­мость пусков и переключений механизмов СН, что при существующем нерегулируемом электроприводе приводит дополнительным потерям электроэнергии.

Обычно в условиях эксплуатации пуски и переключения двигателей ТДМ не фиксируются, однако имеются данные, что количество переключений двухскоростных электродвига­телей энергоблоков 165 и 200 МВт достигает 1100 раз в год, число пусков доходит до 4-6 раз в сутки [21].

Столь частые пуски и переключения вызывают повышен­ный износ и выход из строя электротехнического оборудо­вания.

Технико-экономическая целесообразность применения регу­лируемого электропривода ТДМ зависит от схемы сети, графика нагрузок агрегата, характеристик тепломеханического и электротехнического оборудования и его стоимости, цен и изменения издержек на топливо и других факторов.

Оценим энергетический выигрыш от применения для ТДМ регулируемого электропривода. Параметрами аэроди­намических характеристик ТДМ являются: производитель­ность, полное давление Н, потребляемая мощность или мощность на валу N и КПД механизма.

В условиях квадратичного тракта (Нп = КQв) теоре­тически наилучшим способом изменения производитель­ности ТДМ является плавное регулирование частоты вращения. При этом производительность, давление и мощность механизма изменяются пропорционально первой, второй и третьей степе­ням отношения к частоте вращения.

Следует отметить, что лишь для котлоагрегатов, работаю­щих под наддувом при применении современного регулиро­вания дутья, изменение нагрузки агрегата Nв и расхода дутьевого воздуха Qв в первом приближении происходит пропорционально и однозначно. На характер зависимости Qв= f/(Nв) влияют погодные факторы, заносы по трак­ту, изменения влажности и сортности топлива и т.д., которые превращают зависимость Qв = f/(Nв) в область возмож­ных значений, т.е. делают ее неоднозначной. Срав­нение экономичности ТДМ при разных способах регулиро­вания производится на основе анализа зависимостей эксплуа­тационного КПД от производительности

 

(94)

или с помощью зависимостей

 

, (95)

 

построенных для квадратичных трактов.

Экономичность выбранного варианта привода ТДМ харак­теризуется значением КПД установки hуст, определяемым по формуле:

, (96)

где hНАэ - эксплуатационный КПД механизма;

hЭЛ- КПД электропривода.

При этом эксплуатационный КПД при регулировании произ­водительности ТДМ с помощью направляющего аппарата может быть найден из соотношения

, (97)

 

где hРЕГ - КПД регулирования, зависящий от глубины регу­лирования и типа ТДМ, а также положения ис­ходного режима на дроссельной характеристике механизма;

hИСХ - КПД механизма на исходном режиме (в точке пересечения характеристик механизма и соп­ряженного тракта при выключенном регулирова­нии). При этом для квадратичного тракта

 

, (98)

 

где: QB - производительность механизма- м3 /ч

QВ*ИСХ. – производительность механизма в точке пересечения характеристики механизма и характеристики сети

NB, NВ *ИСХ - соответственно, мощность - кВт

Электрическая мощность, потребляемая из сети при идеаль­ном регулировании, в кВт, определяется по формуле:

 

, (99)

 

где QB - производительность механизма, м /ч.

HB – давление (напор) вентилятора, кгс/м2.

Мощность, потребляемая из сети штатным электроприво­дом ТДМ с учетом наличия направляющего аппарата, в кВт, определяется по формуле:

 

; (100)

 

где hэл- КПД электродвигателя типа ДАЗО, ДА302.

Мощность, потребляемая из сети регулируемым электро­приводом ТДМ (в кВт):

. (101)

 

где hпр - КПД регулируемого электропривода;

hв - КПД механизма при оптимальном открытии направ­ляющего аппарата.

Экономия мощности при работе регулируемого электропри­вода определяется по формуле:

 

. (102)

 

Этой формулой можно пользоваться для точного опреде­ления DN. Таким образом, сравнительная оценка эксплуа­тационной экономичности ТДМ при разных способах регулиро­вания производится на основе анализа кривых сброса мощ­ности, построенных для квадратичных трактов.

Поскольку продолжительность работы на том или ином режиме задается диспетчерским графиком нагрузки, то в за­висимости от режима и требований системы в течение суток она может непрерывно меняться.

Как правило на ТЭЦ-ах республики эксплуатируются ДВ и ДС, производительность которых регулируется направляющими аппаратами и ступенчатым изменением скорости с помощью двухскоростного электродвигателя.

В таблице 2,3 указаны типы, основные параметры и количество электродвигателей, применяемых на стандартных ТЭЦ для привода дымососов и дутьевых вентиляторов.

Таблица 2 - Характеристика электродвигателей ДС и ДВ

Наименование Механизма Тип, маркадвиг. Мощ. Рн КВт Напр. Uн, В Оборот. Об/мин Кол.шт.
ДВ-3Б SzJr –148/10 700/400 740/590
ДВ-1А SzJr –148/105/03 700/400 740/590
ДВ ДА302-17-44 8/10У1 630/320 744/595
ДВ А4-450-6У3
ДВ ДА302-17-44 8/10У1 630/320 741/594
ДС ДА302-17-69-8/10У1 1000/500 742/594

 

Таблица 3 - Электродвигатели ТДМ