Эффективность применения злектроприводов
с частотными регуляторами (ЧРП)
Частотно регулируемый электропривод – это электродвигатель (асинхронный или синхронный), оснащенный регулируемым преобразователем частоты (Рис..5).
В качестве первоочередных приоритетных и быстроокупаемых проектов программы "Топливо и энергия. Энергосбережение России на 1996–2000 годы" и "Федеральная целевая программа "Энергосбережение России" – основа энергосберегающей политики государства в регионах и отраслях экономики на 1998–2005" предусматривается широкое внедрение частотно регулируемого электропривода (ЧРП) на прогрессивной элементной базе, обеспечивающее экономию электроэнергии на 30% и более.
В силу психологической инерции и отсутствия финансовых средств в промышленности и коммунальном хозяйстве частотные регуляторы находят недостаточное применение, несмотря на то, что они являются эффективным средством, позволяющим адаптировать режимы работы вспомогательного энергетического и промышленного оборудования к колебаниям производственной загрузки промышленных предприятий и коммунальных систем.
Это особенно актуально для сложившихся условий работы промышленных предприятий, при значительном спаде загрузки, часто достигающей 12-15% от проектной мощности!
Область применения частотных регуляторов обширна:
– энергетика (питательные, сетевые и подпиточные насосы, дутьевые вентиляторы и дымососы);
– нефтяная и газовая промышленность (буровые установки, насосы нефтеперекачки, компрессоры газоперекачки);
– угольная и горнорудная промышленность (экскаваторы, электротрансмиссии мощных карьерных самосвалов, транспортеры и конвейеры, дробилки, насосы, вентиляторы, компрессоры и т.д.);
– цементная промышленность (печи, мельницы, конвейеры, транспортеры);
– химическая, нефтехимическая, лесная и целлюлозная промышленность (мешалки, центрифуги, насосы, компрессоры, вентиляторы и т.п.);
– коммунальное хозяйство (насосы систем холодного и горячего водоснабжения и отопления). Их применение позволяет на 30–40% сократить расход электроэнергии, на 20% – расход воды и тепла, избежать гидравлических ударов в системах).
По результатам внедрения ЧРП на 16 центральных тепловых пунктах (ЦТП) и одной районной тепловой станции (РТС) г. Москвы получены следующие результаты:
– нормализовано давление в системе водоснабжения, которое по результатам анализа на 15-35% превышало оптимальное, требуемое по условиям водоснабжения;
– повысилась надежность работы оборудования и сокращены затраты на ремонт и обслуживание за счет исключения динамических воздействий и гидравлических ударов;
– электропотребление насосными установками водоснабжения по всем ЦТП и РТС снизилось в среднем белее чем на 45%;
– на 14% снизилось недопотребление водопользователями;
– Суммарная ежегодная экономия прямых затрат в ценах января 1998 года составила 1.3 млрд руб. (или более 220 тыс. дол. США);
– Расчетный срок окупаемости затрат – около 8,5 месяцев (по различным ЦТП и РТС от 3,2 до 18,6 месяцев).
Рис. 5(6). Принципиальная электрическая схема частотно-регулируемого электропривода
Коммутационная
аппаратура
Преобразователь
частоты
Асинхронный
электродвигатель
Сеть питания
Регулятор (контроллер)
Датчик технологического
параметра
Насос технологический
Рис. 7. Экономия мощности при использовании ЧРП с нагрузкой вентиляторного типа.
Мощность
Рис. 8. Экономия мощности при использовании ЧРП с нагрузкой насосного типа с подпором. Характеристика сети
Рис. 9. Сравнение мощности привода насоса при регулировании дросселированием (1), направляющим аппаратом (2), частотным регулятором Danfos (3)
Рис. 10. Сравнение мощности привода вентилятора при регулировании подачи направляющим аппаратом (1), дросселированием (2), частотным регулятором Danfos (3).
При использовании ЧРП для регулирования режимов работы вентиляторов вместо метода дросселирования (вентиляторы, дымососы) потребляемая мощность ЧРП (при подаче, равной 0,5 от номинального значения) равна 13% от номинальной мощности, при дросселировании – 75%, т.е. экономия составит 60% номинальной мощности. В режиме регулирования суточных и сезонных графиков ТЭС, снижение мощности газомазутных энергоблоков достигает 70–75% (аналогичные режимы имеют место и на котлоагрегатах промышленных котельных), на угольных – 50%. Применение ЧРП даже на ТЭС, где уделяется много внимания экономичности генерирования энергии и каждое мероприятие в этом направлении весомо в абсолютном значении, позволяет повысить экономичность блоков в среднем на 1-2%. Особенно такие решения эффективны для промышленных котельных в условиях спада производства, где максимальная нагрузка котлоагрегатов иногда достигает 25-35%
На рисунках 7 и 8 показано, как формируется экономия мощности при использовании ЧРП, работающего на вентиляторную и насосную нагрузку. КПД частотного преобразователя около 98%.
Оценка экономического эффекта при использовании ЧРП, работающих на насосную нагрузку.
Методика оценки эффективности применения ЧРЭП приведена в "Инструкции по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода", разработанной АО ВНИИЭ и МЭИ и утвержденной Заместителем Министра топлива и энергетики РФ В. В. Бушуевым, Москва 1997 год.
Экономический эффект применения ЧРП в насосных и вентиляционных системах без подпора, устанавливается на основе следующих расчетов (см. Рис. 7):
Этот режим характерен для вентиляторов, дымососов и циркуляционных насосов.
Целесообразность применения ЧРП взамен дросселирования оценивается по заданным режимам расхода воды, воздуха для обслуживаемых установок.
I. Регистрируют номинальные данные вентилятора (насоса) – QHOM м3/ч, Нном м.вод.ст., ηНОМ, и двигателя – мощность Рдв.ном. кВт, ток IНОМ А, частота вращения nНОМ, КПД ηДВ.НОМ , коэффициент мощности cosφ.
2. На действующей установке измеряют или устанавливают расчетным путем мощность Р, кВт, потребляемую двигателем, и производительность Q, м3/ч, при полностью открытой задвижке или заслонке (Pмакс, Qмакс) и в ряде промежуточных точек. Строится зависимость Р кВт от относительного расхода Q*=Q/Qмакс – график 1 на рис 7.
При расчете экономии от внедрения ЧРП на механизмах, участвующих в производстве энергии (пара) – дымососы, вентиляторы, питательные насосы и т.п., график P(Q) перестраивается в аналогичную зависимость от относительной мощности котла, с которой он находится в пропорциональной зависимости
N* = N /Nном = Q / Qном = Q*
3. Определяется требуемая мощность преобразователя частоты Рпч, кВт:
Рпч = (1,1 ¸ 1,2) Рмакс
4. Строится зависимость потребляемой мощности Р, кВт, от относительного расхода Q* или производительности котлоагрегата D* при частотном регулировании по формуле
Р = Рмакс (Q*)3
и получается кривая 2 на Рис. 7 .
Разница ΔР между значениями кривых для каждого значения Q* представляет экономию мощности при использовании частотного регулятора.
5. По величине Рном = Pдв.ном / ηном с помощью кривой 2 оценивается допустимый расход Q*доп при номинальном режиме двигателя и проверяется условие 1 < Q*доп (обычно двигатель устанавливается с 10–20% запасом по мощности). Слишком большой запас свидетельствует о неудачном выборе оборудования.
6. Строится диаграмма зависимости относительного расхода Q* вентилятора (насоса) или производительности котла D* (подача вентилятора, дымососа пропорциональна D) от времени t. За цикл удобно принять число часов работы насоса или котла в году.
/Рисунки/
7. Перестраивается с помощью рис.: диаграмма, расхода Q*(t*) в диаграмму сэкономленной мощности ΔР(t), определяя ΔРi на каждом интервале по соответствующему значению Q* или D* из Рис. п.6.
8. Определяется энергия, сэкономленная за цикл (год) ΔЭЦ
ΔЭЦ = 
где m – число участков времени с разными значениями ΔРi.
9. Определяется при заданном тарифе Цэл.эн (руб. /кВт ч или дол. США / кВт ч) стоимость сэкономленной энергии за год (руб. / год или дол. США / год):
ΔСэл.эн = ΔЭЦ Цэл.эн
10. Определяется срок окупаемости выбранное оборудования Ток, год:
Ток = Цпч / (ΔСэл.эн k),
где Цпч – стоимость выбранного оборудования, руб. или D;
k > 1 – коэффициент, учитывающий дополнительно ресурсосбережение, для сетевых и подпиточных насосов, значение коэффициента может быть принято равным 1,25 – 1,335.
Экономический эффект применения ЧРП в насосных станциях ЦТП коммунальной сферы может быть оценен по следующей методике (Рис. 8):
1. Регистрируются номинальные данные насоса QHOM, Нном,. м вод. ст., ηНАС.НОМ, и двигателя мощность Рдв.ном, ток Iном А, частота вращения nНОМ, КПД ηдв.ном, коэффициент мощности cosφ.
2. В часы максимального потребления (для коммунальной сферы это будет 8–10 ч или 18–20 ч, для административных зданий – 13–15 ч) измеряют напор Н м вод. ст. на входе Нвх и выходе Нвых„ насоса по манометрам, установленным в системе, 1–3 измерения в течении часа усредняются.
3. В тех же режимах с помощью токоизмертельных клещей измеряют ток двигателя I (А). Результаты усредняются. Проверяется соотношение I ≤ Iном.
4. Измеряется средний расход за сутки Qср м3 / ч, по разности показаний расходомера в начале Q1 и в конце О2 контрольных суток.
Qср = (Q2 – Q1) / 24
5. Рассчитывается минимально необходимый общий напор при наибольшей подаче по формуле (статический + динамический напоры):
Ннеобх = CN + D, м вод. ст.
где: N – число этажей (включая подвал – для индивидуальных тепловых пунктов), для группы домов – число этажей самого высокого дома. CN – дополнительный статический напор создаваемый сетевым насосом.
С = 3 – для стандартных домов, С = 2,5 – для домов повышенной комфортности.
D = 10 – для одиночных домов и 15 – для группы домов, обслуживаемых ЦТП.
6. Оценивается требуемый дополнительный напор, создаваемый регулируемым насосом.
Нтреб = Ннеобх – Нвх.
7. Определяется требуемая мощность преобразователя частоты:
Рпч = (1,1 ¸ 1,2) Нтреб Qср / (367 ηНС ηДВ.НОМ)
Величину КПД насосного агрегата ηНС определяют как ηНС = К ηДВ.НОМ ,где К – определяют по графику Рис. 11 для расхода Qcp, измеренного в п.4 и отнесенного к Qном из п.1.
8. Определяется стоимость годовой экономии электроэнергии, руб. / год по формуле:
ЦΔЭгод = ΔЭгод Цэл.эн = (Нвых – Ннеобх) Q tГОД Цэл.эн / (367 ηНАС ηДВ.НОМ)
где: ΔЭгод – электроэнергия, сэкономленная за год, кВт ч;
tГОД – число часов работы оборудования в течении года;
Цэл.эн – цена 1 кВт ч электроэнергии, руб. или дол. США.
9. Определяют стоимость годовой экономии воды вследствие уменьшения разбора:
ЦΔВгод = ΔВгод Цводы = 0,07 (Нвых – Ннеобх) Qср tГОД Цводы / 10
ΔВгод – количество воды, сэкономленной за год, м3;
Цводы – цена воды, с учетом очистки, руб. или дол. США;
Нвых, Ннеобх – напор, обеспечиваемый хозяйственными насосами ЦТП.
10. Определяется годовая экономия тепла за счет сокращения потребления горячей воды (дополнительно для системы горячего водоснабжения), Гкал/год.
Δθ = С Δt ΔВгор.вод 10–3
где: С = 1 – коэффициент теплоемкости воды, ккал/кг ОС;
Δt – расчетный перегрев горячей воды на ЦТП
ΔВгор.вод – экономия горячей воды за год, т.
Для типовых ЦТП расчетный расход горячей воды принимается 0,4 от общего расхода воды, подаваемой хозяйственными насосами.
Цена годовой экономии тепла равна:
ЦΔθ = Δθ ЦГкал руб./год
где: ЦΔθ – цена 1 Гкал тепла, руб. или дол. США.
11. Оценивается ориентировочный срок окупаемости дополнительного оборудования Ток год.
Ток = Цпч / (ЦΔθ.ГОД + ЦΔВ.ГОД + ЦΔθ)
где: Цпч – стоимость дополнительного оборудования ЧРП, включая установку.