Практика энергоаудита

Основными потребителями электрической энергии являются, как правило, электродвигатели (в среднем, около 70 % вырабатываемой электроэнергии). Современный электропривод, являясь энергосиловой основой, обеспечивающий использование необходимой механической энергии, являясь в то же время средством управления технологическими процессами (в сочетании с системами технологической автоматики). В связи с ростом цен на электроэнергию и ограниченными возможностями увеличения мощности электрогенерирующих установок, проблема снижения электропотребления приобретает новую актуальность.

При проведении энергоаудита предприятия необходимо иметь полные данные по установленной мощности потребителей электроэнергии по направлениям использования, поскольку методы снижения потребления электроэнергии во многом определяются особенностями потребителя. Как правило, применительно к электроприводам выделяются следующие направления:

• Технологическое оборудование (металлорежущие станки, прокатное оборудование и т.п.);

• Турбомеханизмы (насосы, вентиляционное оборудование);

• Компрессоры;

• Подъемно-транспортное оборудование (краны, лифты и т.п.).

 

Кроме того, необходимо учитывать других потребителей электроэнергии, которые на некоторых предприятиях составляют большую мощность, а именно:

• Сварочное оборудование;

• Электротермическое оборудование;

• Холодильное оборудование;

• Освещение;

• Прочее, в том числе бытовая техника.

Рассмотрим основные пути энергосбережения, и в первую очередь, в электроприводе, который реализуется через асинхронный двигатель:

1. Снижение потерь в электроприводах, работающих в пуско-тормозных режимах (лифты, краны, металлургическое оборудование и т.д.), также в длительных режимах с меняющейся нагрузкой (турбомеханизмы, транспортеры и т.д.).

Как показывает опыт проведения энергоаудита, на ряде предприятий Уральского региона большинство установленных двигателей имеют завышенную мощность [2]. Коэффициент загрузки двигателя

 

К_з = Р_раб/Р_ном,

 

где коэффициент К_з не превышает 0,4-0,6; Р_раб – средняя мощность, развиваемая двигателем в соответствии с потребностями механизма; Р_ном – номинальная мощность двигателя.

 

На рис. П1 приведены универсальные зависимости η (КПД) и cos φ для асинхронных двигателей серии 4А от развиваемой ими мощности Р₂. Так как на практике коэффициент загрузки часто имеет значение 0,2-0,3, то КПД электропривода снижается на 2-6 % , а cos φ на 20-30 %, что подтверждается приведенными на рис. 1 зависимостями. Все сказанное относится и к нерегулируемым электроприводам, которых довольно много на насосных и вентиляционных установках. При относительно малом снижении КПД недогруженных двигателей общие потери электроэнергии по этой причине составляют 1-1,5 % всей вырабатываемой в стране энергии [1, 3].

При проведении энергоаудита необходимо получить данные о реальной загрузке электродвигателей Р_р. Для этого достаточно замерить рабочий ток двигателя I_р (эти данные в большинстве случаев представляет электрослужба предприятия), а мощность Р_р определяются по методике, изложенной в [2]. Как правило, около трети приводных двигателей турбомеханизмов требуют снижение мощности на 2-4 ступени. Нереально ставить задачу замены всех двигателей с избыточной установленной мощностью. Такая замена установленных двигателей на двигатели меньшей мощности может быть произведена за счет перестановки двигателей, т.е. не требует материальных затрат, а также после аварийных случаев и при модернизации производства. В промышленно развитых станах принято считать, что коэффициент загрузки двигателя должен превышать 0,6-0,7, см. главу 6.

В последние годы ведущие мировые производители электродвигателей выпускают более экономичные двигатели за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди). КПД и cos φ таких машин выше, чем у двигателей традиционных серий. Несмотря на высокую стоимость таких двигателей, при модернизации действующих установок целесообразно устанавливать именно такие двигатели, так как по данным западноевропейских экспертов, стоимость электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем, в пять раз превышает его стоимость [1].

Другой путь снижения потерь в асинхронных электроприводах в переходных и установившихся режимах – применение более совершенных систем электроприводов – системы ТПН-АД (тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель) и ППЧ-АД (полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный двигатель). ТПН включается между питающей сетью и статорными обмотками АД с его помощью можно менять (уменьшать) действующее значение 1-й гармоники питающего напряжения U₁ по отношению к номинальному напряжению U_1ном практически до нуля. ТПН существенно дешевле ППЧ и, как правило, используется в тех случаях, когда не требуется регулировать скорость.

Большинство мировых производителей силовой техники выпускают системы мягкого пуска АД – так называемые «системы soft-start», которые представляют собой ТПН для широкого диапазона мощностей АД, которые позволяют плавно менять напряжение питания двигателя в процессе его пуска от нуля до U_1ном. Эти системы позволяют осуществить плавный пуск АД в течение заданного времени, с ограничением пускового тока и момента.

 

Использование таких систем можно рекомендовать в следующих случаях:

• для ограничения пусковых моментов и обеспечение плавности пуска в механизмах кранов, лифтов, транспортеров, что позволяет при наличии люфтов и зазоров в механической части существенно увеличить срок службы элементов кинематических передач;

• для обеспечения плавного надежного пуска механизмов с большими моментами инерции (например, дымососов);

• для исключения гидравлических ударов при пусках насосов.

Использование ТПН, кроме решения технологических задач и снижения эксплуатационных расходов, позволяет на 3-5 % снизить потери в АД в пусковых режимах [1].

Электроприводы некоторых механизмов (прессы, металлургическое оборудование, насосы, транспортеры) в силу технологических причин часть времени работают с недогрузкой. В таких случаях для снижения потребления электроэнергии можно использовать ТПН.

При работе недогруженного АД в зоне номинальной скорости (рис. П2) можно обеспечить работу двигателя с помощью ТПН на регулировочной (характеристика 2, U₁ < U_1н), а не на естественной (характеристика 1, U₁ = U_1н) характеристике; М_ном – номинальный момент двигателя, М_с – момент сопротивления; S₁, S₂ – скольжение на естественной и регулировочной характеристиках при заданном М_с. Снижение потребления электроэнергии зависит от степени недогрузки двигателя [1, 4]. Так, работа двигателя на характеристике 2 нагрузки на валу М_с =0,5М_ном позволяет снизить потери на 5-7 %.

Переход на работу с пониженным напряжением (на характеристику 2) может осуществлять автоматически в зависимости от степени недогрузки двигателя.

Если двигатель работает с недогрузкой в длительном режиме, работа на характеристике 2 может быть задана на все время работы.

2. Снижение потребления электроэнергии за счет перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому, в качестве которого используется система ППЧ-АД. При этом появляется возможность включения в контур регулирования ряда технологических параметров (давления, расхода, температуры и т.п.). Это направление связано со снижением потребления энергии электроприводом за счет изменения технологического процесса и появления возможности регулировать в автоматическом режиме технологические параметры.

В первую очередь это применимо к электроприводам турбомеханизмов, которые потребляют около 25 % всей вырабатываемой электроэнергии, а мощность отдельных агрегатов лежит в пределах от нескольких кВт до десятков МВт. Большую часть потребителей этой группы составляют насосы.

Большинство насосов работает на сеть с противодавлением. В системах холодного и горячего водоснабжения расход воды Q меняется в течение суток. Уменьшение расхода в ночное время вызывает рост напора Н, увеличение утечек воды. Средняя загрузка составляет 50-55 % от максимальной.

Регулирование производительности насоса требуется и в ряде других случаев. Оно требуется:

а) При необходимости менять количество жидкости для охлаждения оборудования термоустановок в зависимости от рабочей температуры.

б) Подрегулировка при настройке параметров системы.

До последнего времени все регулировочные действия осуществлялись с помощью задвижек, что не обеспечивало требуемую точность и практически не приводило к существенному снижению потребления электроэнергии.

Мощность, потребляемая насосом

 

Р = Q∙H∙g∙p/η,

 

где Q – производительность насоса; H – напор; P – плотность жидкости; η – КПД насоса.

 

На рис. П3 представлены характеристики насоса и магистрали.

Работе в номинальном режиме при полностью открытой заслонке соответствует точка f пересечения характеристики насоса 3 и характеристики магистрали 1 (расход Q = Q_н, напор Н = Н_н). Уменьшение расхода до величины Q_р с помощью заслонки приводит к изменению характеристики магистрали (кривая 2), тогда как характеристика насоса не изменится, и новой рабочей точке в (рис. П3) будет соответствовать возросший напор Н_р. Потребляемой мощности при работе в точке f соответствует площадь g f h o, а в точке в – с в е о. Как видно, потребляемая мощность снизилась незначительно, а напор возрос.

Эту же задачу снижения производительность до величины Q_р можно решить, уменьшив скорость АД. При этом характеристика магистрали не изменится (характеристика 1), а при снижении скорости насоса перейдет на характеристику 4 (рабочая точка а). При этом напор снижается, а потребляемой мощности соответствует площади d a e o. Как видно из рис. П3, по сравнению с дроссельным регулированием мощности снижается более в 2 раза.

Системы горячего и холодного водоснабжения, выполненные с использованием системы ППЧ-АД, снабжены системой автоматики, которая обеспечивает поддержание постоянного заданного напора в системе независимо от колебаний потребления воды в течения суток. Как показывает опыт внедрения таких систем [1], несмотря на высокую стоимость оборудования (ППЧ, система автоматического управления) только за счет снижения потребления электроэнергии расхода окупается в течение 12-16 месяцев.

Замена устаревших, энергетически неэффективных приводов механизмов циклического действия (краны, лифты, металлургическое оборудование) на системы ППЧ-АД позволяет не только снизить электропотребление, но и в полной мере обеспечить реализацию возрастающих технологических требований (точность, быстродействие, глубина регулирования, высококачественное поддержание параметров процесса и т.п.), существенно увеличить продолжительность безаварийной работы оборудования, снизить расходы на ремонт и т.д.

3. Снижение потребления электроэнергии с помощью электропривода относительно небольшой мощности, управляющим потоком энергии в сотни раз превышающем мощность самого двигателя. Установки такого рода – дуговые сталеплавильные печи, вакуумные дуговые печи и т.п.

Пути экономии электроэнергии связаны здесь с разработкой и внедрением систем электроприводов с высоким быстродействием и точностью максимальной степенью автоматизации процесса.

Рассмотрим возможные пути экономии электроэнергии по другим направлениям электропотребления.

 

а) Термоустановка. Если говорить о мощных потребителях, то это электротермические печи, мощность которых составляет сотни и тысячи кВт. Конструкции и параметры печей определяются при проектировании согласно техническим заданиям, их мощность соответствует максимальным тепловым потокам, которые требуются по технологическим требованиям. Практически режимы работы печей могут меняться в зависимости от характера технологического процесса. Как правило, изменения режима работы печи с помощью релейно-контакторной аппаратуры (включение части нагревательных элементов или всей системы) может вызвать резкий прогрев, а также возникновение механических ударов. Довольно часто температурный режим меняется (от максимальных температур до некоторых меньших значений согласно технологическим требованиям). На предприятиях с 2-х сменной работой очень часто мощные нагревательные установки в ночное время продолжают работать с полной мощностью. Для обеспечения требуемых технологических режимов и снижения потребления электроэнергии целесообразно питание печей осуществлять с помощью ТПН, который позволяет регулировать напряжение питания (а, следовательно, и мощность) печи от нуля до U_ном. При этом:

• обеспечивается плавный прогрев и исключаются механические удары за счет постепенного роста напряжения при пуске печи;

• плавный переход на новый режим;

• снижение мощности печи до допустимого уровня в ночное время с автоматическим приводом на номинальный режим, чтобы к началу работы печь обеспечивала все необходимые технологические параметры.

Стоимость ТПН и достаточно несложной системы автоматики относительно невелика.

В результате существенно снижается потребление электроэнергии и в 3-4 раза увеличивается срок службы нагревательных элементов.

 

б) Система освещения. Основные направления снижения электропотребления в осветительных установках:

• отказ от использования ламп накаливания в пользу энергосберегающих;

• использование для освещения больших площадей в помещениях – люминесцентные лампы;

• использование для целей наружного освещения ламп типа ДРЛ, ДНаТ;

• автоматизация процесса управления осветительными установками (режимы ночного и дневного освещения) с использованием программируемых контроллеров, режимов дежурного и рабочего освещения.

Наиболее перспективным следует считать внедрение светодиодных источников света для наружного и внутреннего освещения. Промышленность предлагает различные типы светильников этого класса. Срок службы таких источников света – 20-25 лет. Если сравнить лампу для наружного освещения ДРЛ-250 (250 Вт, срок службы – около 3-х лет, стоимость на начало 2009г. – 120 руб.) и соответствующий ей по световому потоку светодиодный светильник УСС-70 (72 Вт, срок службы – 23 года, стоимость на начало 2009 г. – 15000 руб.), то срок окупаемости составляет около 8 лет. С учетом того, что в ближайшие несколько лет прогнозируется существенное снижение стоимости светодиодных ламп, перевод освещения на этот тип ламп станет реальным и позволит существенно снизить потребление электроэнергии на цели освещения.

Отдельно рассмотрим вопросы, связанные с повышением cos φ предприятия. Как известно, низкий cos φ (ниже нормативного, который устанавливается электроснабжающей организацией) существенно увеличивает расходы на электроэнергию при расчетах с поставщиком. Причиной снижения cos φ предприятия чаще всего является наличие большого числа потребителей реактивной мощности, основными из которых являются асинхронные двигатели. При низком коэффициенте загрузки АД, как отмечалось выше, его cos φ существенно падает. Снижается cos φ при использовании ТПН для питания АД [1].

На предприятиях, где установленная мощность АД относительно мала, снижение cos φ может происходить из-за использования дроссельной пускорегулирующей аппаратуры в системах освещения.

Для повышения cos φ до нормативного можно рекомендовать комплекс мероприятий, основными из которых являются:

• замена недогруженных двигателей (с К_з < 0,4) на двигатели меньшей мощности для обеспечения К_з > (0,7-0,8);

• замена дроссельной ПРА в системах освещения на системы электронного зажигания;

• максимальное использование собственных источников реактивной мощности (в первую очередь, синхронных двигателей);

• установка на предприятии батарей статических конденсаторов.

Данное приложение подготовлено В.В. Куциным.

 

 

1,0

0,75

0,5

0,25

 

 

Рис. П1. Зависимости КПД и cos φ от развиваемой асинхронными двигателями мощности

 

 

 

 

Рис. П2. Показатели работы недогруженного асинхронного двигателя

Hном

Рис. П3. Характерные зависимости параметров при работе насоса

 

Литература к приложению 1

 

1. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков // М.: Издательский центр «Академия», 2004.

2. Браславский И.Я. Обоснование энергосберегающих технологий по результатам обследования электроприводов промышленных предприятий / И.Я. Браславский В.В. Куцин, Е.Г. Казаков // Тр. III межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии» – Новоуральск, 2002.

3. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: Учебное пособие для ВУЗов. – М.: МЭИ, 2000.

4. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: в 5 книгах / под ред. В.А. Веникова. – Книга 2. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в электроприводе / Н.Ф. Ильинский, Ю.В. Рожанковский, А.О. Горнов // М.: Высшая школа, 1989.

Приложение 2