энергоэффективность при частотном регулировании

Все более широкое использование частотных преобразователей в системах управления электромоторами связано с целым рядом преимуществ, к главным из которых можно отнести:

• высокую управляемость работы системы, особенно в комплексах с обратной связью;
• плавный пуск и стоп мотора;
• защиту от перепадов напряжения на входе;
• широкие возможности автоматизации и мониторинга работы системы.

В тоже время можно назвать и несколько недостатков, которые сдерживают повсеместное внедрение таких систем, из которых самый существенный – это достаточно высокая стоимость частотных преобразователей, особенно высокой мощности.

Также у потребителей может возникнуть вопрос, связанный с дополнительным расходом электроэнергии, поскольку между двигателем и питающей сетью включается электронное устройство, на котором происходит некоторая потеря мощности.

КПД современных частотников составляет, как правило, 93-98%, что на значительных мощностях при управлении мощным оборудованием может оказаться довольно значительным. Однако на практике в системах, работающих на обеспечение нахождения заданного параметра в требуемом диапазоне значений, наблюдается существенная экономия электроэнергии при использовании частотных преобразователей, механизм возникновения которой рассмотрен ниже.

Особенности работы системы с заданным контролируемым параметром

Когда создается система с необходимостью поддержания точного рабочего параметра на выходе, обычно предусматривается обратная связь по этому критерию, сигнал которой управляет режимом работы частотного преобразователя. В зависимости от изменений контролируемого параметра в большую или меньшую сторону, соответственно меняется рабочая частота на выходе преобразователя и изменяется частота вращения вала двигателя.

Такие решения чаще всего можно встретить в управлении:

• насосами водоснабжения, где контроль осуществляется по давлению воды на выходе;
• вентиляционными системами, контролируемыми параметрами, в которых может быть как скорость потока воздуха, так и его давление;
• системами принудительного дымоудаления, где критерием может быть разность давлений (разрежение) или скорость воздушного потока;
• станками с числовым программным управлением;
• другими системами, где важно точное соблюдение контролируемого параметра состояния.

В большинстве приведенных примеров, если не используется частотник, регулирование выходного значения производится путем дросселирования потока жидкости, газа или использования управляемых заслонок. И в первом, и во втором случаях электромотор работает на полную мощность. Создается избыточное давление, что приводит к:

• перерасходу электроэнергии из-за нерационального ее использования в режиме, когда контролируемый параметр достигает верхнего значения;
• повышенной нагрузке на систему, где обязательно возникают колебания давления и превышение его над номинальным уровнем.

То есть, наблюдается не только перерасход электроэнергии, но и более быстрое изнашивание компонентов устройств, работающих при повышенных нагрузках.

Любая подобная система проектируется на поддержание рабочего параметра в режиме максимальной нагрузки на нее. На практике такая нагрузка непостоянна, в зависимости от типа системы среднее потребление может быть значительно ниже, чем максимальное. Например, насосы водоснабжения объектов работают на полную мощность всего лишь несколько часов в сутки, поэтому обычно в таких комплексах используются несколько электромоторов разной мощности, что также обходится значительно дороже, чем установка частотного преобразователя.

В вентиляционных и насосных системах, то есть в комплексах, где требуется контролировать давление или скорость потока газовой или жидкой среды потребляемая мощность имеет кубическую зависимость от частоты вращения электропривода.

Пример расчета энергоэффективности преобразователя частоты

В качестве примера можно рассмотреть два варианта построения системы водоснабжения: с насосом, включенным в электросеть напрямую, и через частотный преобразователь. В первом случае используется регулирование давления на выходе путем изменения условного диаметра выходной трубы с помощью заслонки или путем дросселирования. И в первом, и во втором случаях мотор продолжает работать на штатных оборотах, то есть давление сразу после насоса может быть значительно больше расчетного давления в системе.

Тем не менее наблюдается определенное снижение мощности потребления в электромоторе, однако оно практически линейно на участке регулирования, и коэффициент такого уменьшения незначительный.

Если рассматривать вариант, когда частота вращения электропривода регулируется через частотный преобразователь с обратной связью по давлению на выходе насоса, с учетом пропорциональности мощности потребления от частоты вращения ротора, при понижении частоты всего лишь на 20% мы получим уменьшение потребления в два раза.

То есть, если электромотор в номинальном режиме работает с мощностью 10 кВт, то при снижении потребления и автоматическом понижении оборотов на 20%, фактическая потребляемая мощность электромотора снижается в 2 раза и составляет всего 5 кВт.

Если снизить частоту вращения двигателя вдвое, мощность потребления электромотора составит примерно 1,3 кВт, то есть экономичность насоса в этом случае увеличивается практически в 8 раз.

Например, если насосная станции обеспечивает водоснабжение городского микрорайона, мощность насоса выбирается таким образом, чтобы обеспечить давление на уровне заданного, даже в том случае, когда все потребители пользуются водой. Однако потребление непостоянно и имеет всего лишь 2 пиковых значения в утренние и вечерние часы, причем длительность этих периодов относительно невелика. В остальное время уровень потребления снижается на 30-50%, а в ночное время может опускаться до 2-5% от пиковых значений.

Потребление электроэнергии насосным оборудованием при использовании частотного преобразователя снижается и позволяет сэкономить до 60% от мощности, расходуемой таким же двигателем, включенным в сеть напрямую.

Конечно, экономический эффект от частотного регулирования работы электромотора в таких и подобных комплексах зависит от режима работы и характера контролируемых параметров. Однако, какой бы функционал ни предполагался в работе такой системы, вы в любом случае сэкономите, ведь его значение обычно находится в пределах от 30 до 60% экономии электроэнергии по сравнению с электромоторами, в которых электронное регулирование частоты вращения не применяется.

Здесь требуется сказать о том, что расчет рентабельности модернизации системы путем установки частотного преобразователя должен учитывать эффект от экономии электроэнергии. Если подбирать частотник для такого типа управления, о котором мы говорили в примере, вполне можно рассмотреть специализированную серию частотников Данфосс, в которой преобразователь мощностью 11 кВт обойдется чуть дешевле чем 60 тыс. руб.

Однако, учитывая то, что что потребление будет снижено в среднем на 30-60%,такая модернизация окупит себя через 2-3 года только за счет экономии электроэнергии. Сюда же нужно добавить лучшее качество оказания услуги потребителям и минимизацию нагрузки на оборудование и компоненты, которые придется реже чинить и заменять. Поэтому на практике внедрение даже таких достаточно дорогостоящих систем, стоимость которых зависит от номинальной мощности подключаемого оборудования и ряда других факторов, достаточно быстро окупает себя, при том, что надежность и долговечность современной электроники исчисляется десятками лет.

В заключении следует напомнить еще и о том, что экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя возможна при использовании рекуперативного торможения, которое позволяет экономить путем возврата электроэнергии в сеть, и оправдана для внедрения в системах, работающих с частым использованием режима «пуск-стоп» или «пуск-стоп-реверс».

Если вы хотите точнее оценить экономический эффект от внедрения частотного преобразователя, вы всегда можете обратиться за помощью к нашим специалистам, предоставить им данные о режимах работы целевой системы, и мы поможем подобрать оптимальную модель частотника и рассчитать экономию, которую вы получите от его внедрения.

Возврат к списку

Опубликовано в журнале Химическая техника №3/2015

Определение экономической эффективности, которую можно получить от внедрения преобразователей частоты (ПЧ), является актуальной проблемой. Потребителю хотелось бы до приобретения ПЧ иметь гарантии, что средства будут израсходованы не зря: общие утверждения о том, что экономия электроэнергии составит 30–80%, требуют подтверждения.

К сожалению, универсальной методики на все случаи применения ПЧ нет и быть не может, так как экономический эффект зависит от многих факторов, характерных для конкретной установки. Однако существует большое количество типовых решений, применяемых в народном хозяйстве, например, для системы отопления и горячего и водоснабжения на центральных тепловых пунктах (ЦТП). Московским энергетическим институтом (МЭИ) разработана методика оценки экономической эффективности применения частотного электропривода в системах водоснабжения зданий, разработана «Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода», согласованная с Главгосэнергонадзором и утвержденная Минтопэнерго.

Даже среди специалистов тепловодоснабжения существует распространенное, но ошибочное мнение, что применение частотного регулирования при правильно подобранных характеристиках насоса никакой экономии электроэнергии дать не может. Да, такое возможно: при неправильной выбранной величине уставки давления для преобразователей частоты суммарное потребление электроэнергии насосом с ПЧ может не дать экономию. Очень важно, чтобы величина уставки давления соответствовала минимальному напору при максимальном расходе.

Если поставить датчик давления непосредственно у потребителя, то при уменьшении расхода автоматически снижается необходимый напор, т. заданный параметр регулирования для ПЧ будет формироваться Q–H характеристикой сети.

Для оценки экономической эффективности от применения преобразователей частоты в любом случае необходимо организовать установку приборов учета электрической энергии и произвести замеры электропотребления до установки ПЧ и после его установки. Кроме установки ПЧ нужно провести все необходимые регулировки и настройки в работе системы.

Наибольший экономический эффект от внедрения частотно-регулируемого привода с точки зрения энергосберегающих мероприятий достигается на квадратичных нагрузках (центробежные насосы, вентиляторы) в случае замены дросселирования частотным регулированием.

Как известно, число оборотов двигателя пропорционально частоте его питания. При питании электродвигателя от сети (50 Гц) число его оборотов будет максимальным и неизменным. При питании электродвигателя от преобразователя частоты

Изменение частоты вращения рабочего колеса ведет к изменению всех его рабочих параметров: расхода (пропорционален числу оборотов); давления (пропорционально квадрату числа оборотов); потребляемой мощности (пропорциональна кубу числа оборотов).

Эти отношения выражаются с помощью так называемых формул приведения:

где Q, Q0 – расход соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; H, H0 – напор соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; N, N0 – мощность, потребляемая электродвигателем соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; n, n0 – соответственно максимальное и измененное число оборотов.

Типичная характеристика энергопотребления при разных способах регулирования приведена на рис.

Рис. Потребление мощности при различных способах регулирования частоты вращения насосов

Кроме того, применение преобразователей частоты позволяет снизить потребление реактивной мощности, пусковые токи и гидроудары, что положительно сказывается на сроках службы технологического оборудования и энергетической инфраструктуры.

Приведем пример. Насосная станция по подачи воды состоит из трех насосов. Регулирование производительности насосов осуществляется путем закрывания задвижки на выходе насоса – методом дросселирования.

Контроль давления на выходе насоса осуществляется оператором визуально по манометру с определенным интервалом времени. В работе всегда находится один насос. Ротация насосов также осуществляется оператором вручную.

Параметры насосных агрегатов:

НасосН1Н2Н3
Производительность, м3/ч125012501250
ЭлектродвигательАЛП 104-4АЛП 104-4АЛП 104-4
Мощность, кВт250250250
Сила тока, А436436436
Частота вращения, об/мин148014801480

Предпосылками для модернизации могут служить следующие факторы:

• регулирование производительности методом дросселирования не эффективно с точки зрения энергосбережения;
• частые запуски напрямую от сети насосных агрегатов приводят к повышенному изнашиванию оборудования из-за 7–10-кратных пусковых токов;
• работа в прерывистом режиме обусловливает большие динамические потери в трубопроводах;
• неконтролируемое потребление энергоносителя.

Для устранения указанных проблем рекомендуется: установить преобразователь частоты на приводы насосов по следующему принципу: один преобразователь частоты в составе станции управления группой насосов СУЧЭ-3-250 с возможностью переключения его между насосами, а также датчик давления в магистрали.

Внедрение предложенного решения приведет к снижению энергопотребления за счет уменьшения частоты вращения электродвигателей насосных агрегатов, увеличению срока службы насосных агрегатов в результате исключения прерывистого режима работы насоса (исключение гидроударов и пусковых токов); повышению степени автоматизации технологического процесса и уменьшению потребления энергоносителя.

Суммарный экономический эффект от внедрения предложенных решений будет определяться снижением затрат на потребленную электроэнергию; уменьшением амортизационных отчислений на технологическое оборудование а также затрат на сервис технологического оборудования (увеличение межремонтного ресурса); снижением затрат на персонал за счет повышения уровня автоматизации.

Расчет снижения энергозатрат

В работе принимает участие один насос производительностью Qсеть = 1250 м3/ч. Проанализировав данные оператора по расходу за месяц, определяем, что средний расход составляет Qпотр = 625 м3/ч. Таким образом, фактически необходимый расход можно создавать не путем закрывания задвижки (дросселированием), а с помощью преобразователя частоты, снижая частоту вращения электродвигателя и тем самым снижая энергопотребление.

Определим энергопотребление электродвигателей при регулировании расхода методом дросселирования.

Мощность насоса 250 кВт, но учитывая, что при дросселировании также снижается энергопотребление (см. рис. 1), находим, что для точки кривой, соответствующей данной насосной системе, энергопотребление при дросселировании будет снижено на ~25 % и соответственно потребляемая мощность электродвигателя Nд = 0,75×250 = = 187,5 кВт.

Определим энергопотребление электродвигателя при регулировании расхода с помощью преобразователя частоты:

Разница в энергопотреблении между способом регулирования расхода путем закрывания задвижки и способом снижения частоты вращения электродвигателя с помощью преобразователя частоты: Δ N = Nд – N0 = 156,25 кВт.

Фактически Δ N – это напрасно потребляемая мощность, которую можно было бы сэкономить, используя преобразователь частоты.

Оценка технологического эффекта

При внедрении частотного регулирования в связи с уменьшением рабочей частоты вращения вала привода снижается износ насоса. В связи с плавными пусками и остановами уменьшаются гидравлические и механические нагрузки на технологическое оборудование (трубопроводы, запорную и регулирующую арматуру). Все перечисленное обусловливает увеличение сроков службы и межремонтного ресурса. То же можно сказать и про нагрузки на питающую сеть в связи с исключением пусковых токов при пусках электродвигателей насосов напрямую от сети.

Рис. Силовая схема подключения трехнасосной станции

Ориентировочно срок службы насосного агрегата с электродвигателем увеличивается на 10%, при этом затраты на обслуживание уменьшаются на 10%.

Таким образом, высокая инвестиционная привлекательность внедрения станций управления, оснащенных преобразователями частоты, устройствами плавного пуска, а также объединения станций управления в единую систему АСУ ТП основана на следующих факторах:

• прямой экономии от снижения потребления электроэнергии при регулировании производительности насосных агрегатов (для разных объектов от 25 до 50%);
• прямой экономии за счет снижения непроизводительных утечек воды при оптимизации давления в напорном трубопроводе (не менее 25–30 % общего объема утечек);
• экономии фонда заработной платы сокращаемого дежурного персонала;
• резком снижении аварийности на сетях (не менее чем в 5–10 раз);
• увеличении не менее чем в 3 раза ресурса и межремонтных сроков насосов, электродвигателей, коммутационного оборудования;
• снижении затрат на электрическое отопление на объектах, бытовое обеспечение дежурного персонала;
• значительном увеличении надежности системы в целом благодаря устранению «человеческого фактора» и автоматической диагностике системой всех ее элементов и своевременном устранении возможных аварийных ситуаций.

Для получения максимального эффекта экономии от применения ПЧ необходимо предварительно провести обследование и изучение сети. Сейчас это сделать достаточно просто – есть переносные ультразвуковые расходомеры, позволяющие быстро и точно определить фактические характеристики сети и насосного агрегата.

Все здесь сказанное относится к работе сетей с правильным подбором насосов. Как правило, насосы для сети подбираются с «запасом», запас при применении ПЧ не теряется, при нештатном увеличении расхода ПЧ с таким насосом обеспечит и нештатный режим.

Немаловажными факторами являются также следующие:

• социальный (повышение качества водоснабжения и экономия расходов на ремонт оборудования);
• экологический (снижение потребления электроэнергии обеспечивает снижение выброса СО2). Нормативно-технической базой для обоснования экономической эффективности являются следующие документы:
• ВРД 39-1.10-052–2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. ОАО «Газпром» (Управление энергетики). 2001.
• ГОСТ 13109–97. Совместимость технических средств электромагнитная. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Общие принципы расчета экономической эффективности

Документ должен содержать следующие разделы: исходные данные для расчета; расчет экономической эффективности системы; результаты расчета.

В разделе «Исходные данные для расчета» должны быть приведены: ссылка на методику определения экономической эффективности; перечень факторов, обусловливающих повышение эффективности функционирования объекта управления при создании СУ (станция управления); исходные данные, необходимые для расчета согласно принятой методике; ссылка на источники получения исходных данных.

В разделе «Расчет экономической эффективности системы» должны содержаться следующие данные: расчет затрат на создание СУ; расчет затрат на содержание и эксплуатацию системы; расчет ожидаемой экономии по основным технико-экономическим показателям и ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения СУ в целом; расчет срока окупаемости затрат.

В разделе «Результаты расчета» должны быть приведены основные результаты следующих расчетов: затрат на создание системы; затрат на содержание и эксплуатацию; ожидаемого годового экономического эффекта от создания системы; срока окупаемости затрат.

При оценке экономического эффекта от внедрения автоматизированных систем частотно-регулируемого привода необходимо использовать следующие данные: стоимость электроэнергии; затраты на сервисное обслуживание оборудования составляют ~3% стоимости, не считая командировочных расходов; срок службы оборудования (10 лет).

Список литературы

• Шакарян Ю.Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода, АО ВНИИЭ, МЭИ, М.1997 г.
• ВРД 39-1.10-052–2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. М.: ОАО «Газпром», 1999.
• ГОСТ 13109–97. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

В данной статье дана оценка эффективности частотных преобразователей на примере внедрения частотного регулирования насосов. Приведен расчет экономии электроэнергии. Перед принятием решения о внедрении той или иной системы автоматизации важно оценить достоинства и недостатки современных систем – они должны соответствовать концепции энергоэффективности конкретного объекта.

• Посредством внедрения частотного регулирования производительности насосов необходимо реализовать функцию поддержания заданного значения давления воды в трубопроводе при различных значениях объема ее потребления.
• Исключить возможность возникновения гидроударов в момент пуска насосов.
• Увеличить периодичность обслуживания и срок службы оборудования.

Мощность насосов – 7. 5 кВт, 11 кВт, 15 кВт, 45 кВт

Суммарная мощность насосов – 78. 5 кВт

Стоимость 1 кВт электроэнергии – 5 рублей

Необходимое давление – до 4 атм.

Время непрерывной работы каждого насоса – 24 часа в сутки

Оценка затрат

Каждый насос, подключенный напрямую к питающей сети, потребляет электроэнергии на сумму:

в час:              7. 5кВт * 5. 00 руб. = 37. 50 руб. в сутки:           37. 50 руб. * 24 часа = 900. 00 руб. в год:              900. 00 руб. * 365 дней = 328 500. 00 руб.

в час:              11. 0кВт * 5. 00 руб. = 55. 00 руб. в сутки:           55. 00 руб. * 24 часа = 1 320. 00 руб. в год:              1 320. 00 руб. * 365 дней = 481 800. 00 руб.

в час:              15. 0кВт * 5. 00 руб. = 75. 00 руб. в сутки:           75. 00 руб. * 24 часа = 1 800. 00 руб. в год:              1 800. 00 руб. * 365 дней = 657 000. 00 руб.

в час:              45. 0кВт * 5. 00 руб. = 225. 00 руб. в сутки:           225. 00 руб. * 24 часа = 5 400. 00 руб. в год:              5 400. 00 руб. * 365 дней = 1 971 100. 00 руб.

Итого, общая стоимость энергопотребления в год составит:                                          3 438 400. 00 руб.

На практике, насосы обычно выбирают с запасом по производительности, которая часто бывает излишней. Регулировку этой производительности обычно производят механическим способом с помощью вентилей, задвижек и т. , что не эффективно, так как при уменьшении размера канала для прохождения жидкости на насос и его двигатель накладывается дополнительная нагрузка. Это приводит к дополнительному увеличению энергопотребления. производительность уменьшилась, а энергопотребление увеличилось.

Если рассматривать вариант периодического включения / выключения насосов, например, подпиточные насосы, то здесь мы сталкиваемся с регулярными гидроударами системы и периодической повышенной нагрузкой на механические детали в момент пуска электродвигателя. Такой режим значительно снижает надежность системы и сроки службы ее отдельных элементов.

Стоимость преобразователя Р300-40Т-0075 (3ф, 380В, 7. 5кВт, 17. 0А)                         33 200. 00 руб.

Стоимость преобразователя Р300-40Т-0110 (3ф, 380В, 11. 0кВт, 25. 0А)                       42 800. 00 руб.

Стоимость преобразователя Р300-40Т-0150 (3ф, 380В, 15. 0кВт, 32. 0А)                       50 900. 00 руб.

Стоимость преобразователя Р300-41Т-0450 (3ф, 380В, 45. 0кВт, 91. 0А)                       144 700. 00 руб.

Итого,
затраты на приобретение частотных преобразователей:                                   271 600. 00 руб.

Оценка эффективности от внедрения частотного регулирования

КПД частотного преобразователя более 97%. То есть, практически вся энергия, получаемая от питающей сети, передается на электродвигатель.

Стандартный общепромышленный насос комплектуется стандартным общепромышленным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Такой двигатель прост по конструкции, обладает высоким КПД и надежностью, но и обладает несколькими недостатками: высокий пусковой ток, высокий пусковой момент, зависимость частоты вращения от количества пар полюсов и частоты питающего напряжения.

Частотный преобразователь с легкостью устраняет все эти недостатки. Он способен плавно разгонять и останавливать электродвигатель, с легкостью изменяет обороты и крутящий момент двигателя в процессе его работы.

Энергоэффективность как раз и заключается в изменении оборотов двигателя (производительности насоса) в зависимости от поставленной задачи.

Стандартный электродвигатель рассчитан на номинальную частоту питающего напряжения 50Гц. На этой частоте он выдает свои номинальные обороты, обычно: 1000об. /мин. , 1500об. /мин. , 3000об. /мин. Насос в комплекте с таким двигателем на частоте 50Гц также выдает свою номинальную производительность.

Производительность насоса можно изменить, изменив обороты двигателя, в свою очередь, изменив частоту питающего напряжения с помощью частотного преобразователя.

Из физики мы знаем, что работа A есть перемещение тела массой m из точки A в точку B, а мощность N есть скорость выполнения этой работы. В нашем случае мощностью можно считать обороты насоса, т. желание, с какой скоростью мы хотим перекачивать жидкость.

Следовательно, понижая обороты насоса и зная КПД преобразователя частоты, мы сможем экономить электричество за счет снижения потребляемой мощности (снижения оборотов, производительности):

Снижение частоты на 5Гц (10%)                                        снижение энергопотребления примерно на 9%

Снижение частоты на 10Гц (20%)                                      снижение энергопотребления примерно на 18%

Снижение частоты на 15Гц (30%)                                      снижение энергопотребления примерно на 27%

Стандартный насос становится неэффективным на частотах питающего напряжения ниже 30Гц, т. снижение энергопотребления ограничено величиной 30%.

Больше на непрерывно работающем насосе сэкономить невозможно.

Если же в процессе работы насоса имеются временные интервалы с нулевым потреблением жидкости, частотный преобразователь с легкостью реализует режимы сна и пробуждения. В этом случае экономия по энергопотреблению возрастет еще больше. Экономия будет возрастать со временем неработающего состояния насоса.

Общая стоимость энергопотребления непрерывно работающих насосов в год составит:        3 438 400. 00 руб.

Затраты на приобретение частотных преобразователей составят:                                                  271 600. 00 руб.

Уменьшение производительности насосов на 5%                           примерная экономия в год:   309 456. 00 руб.

Уменьшение производительности насосов на 10%                         примерная экономия в год:   618 912. 00 руб.

Уменьшение производительности насосов на 15%                         примерная экономия в год:   928 368. 00 руб.

Срок окупаемости оборудования при 5%                                                  примерно:      10. 6 месяцев

Срок окупаемости оборудования при 10%                                                 примерно:      5. 3 месяца

Срок окупаемости оборудования при 15%                                                 примерно:      3. 6 месяца

К экономии следует прибавить снижение износа оборудования, уход от гидроударов и пусковых токов, удобство управления оборудованием, автоматическое поддержание технологических параметров.

Расчет приводится для частотных преобразователей компании «ПолюсПлюс» серии Р300. По аналогии расчет можно переложить на любой тип и производителя ЧРП.

Об эффективности частотного регулирования говорит популярность этого решения. Так, при строительстве башни «Эволюция» в «Москва-Сити» было установлено в общей сложности более 240 частотных приводов в системах вентиляции, тепло- и холодоснабжения, пожаротушения и дымоудаления. Более 250 преобразователей частоты той же марки было установлено в новом московском бизнес-центре «Кунцево Плаза». Здесь оборудование применяется для управления системами вентиляции и кондиционирования, а также в приводах крышных вентиляторов. В промышленности, где расходы на электроэнергию могут составлять до 70% всех энергозатрат, оптимизация ее потребления является одним из основных факторов снижения себестоимости производства. Например, предприятиям с неравномерным распределением потребления электрической мощности в течение суток и высокими пиковыми нагрузками порой приходится переплачивать немалые деньги за превышение договорной мощности.

В этом случае решением может стать использование накопителей электроэнергии. Использование энергосберегающих технологий позволит предприятиям значительно облегчить бремя повышения тарифов естественными энергомонополиями.

При этом окупаемость таких решений зачастую достаточно высока. Например, для частотных приводов она не превышает 1-2 лет эксплуатации, а иногда — нескольких месяцев, что особенно важно в условиях кризиса.

Информационная служба Центра Лабораторных Исследований и Проектирования «УМЭко» (ООО ЦЛИП «УМЭко», лабораторные исследования и экологическое проектирование)

Руководитель бизнеса «Электропривод» компании ABB в России Руслан Хисматуллин — о том, какую роль могут играть электродвигатели для устойчивого развития и энергоэффективности отечественных промышленных предприятий.

По прогнозам экспертов, в ближайшие десятилетия воздействие на окружающую среду будет только усиливаться: ожидается, что к 2050 году население планеты увеличится до 9,7 млрд человек. Из них около 80% будут жить в городах. Это создаст дополнительную нагрузку на системы водоснабжения, энергоснабжения, транспорта, обеспечения продовольствием.

Чтобы защитить окружающую среду, не сдерживая при этом экономический рост, необходимо удвоить наши усилия по сокращению потребления энергии и природных ресурсов. Концепция устойчивого развития, основанная на бережном отношении к окружающей среде, должна стать ответом на нарастающую угрозу экологического кризиса.

Идея этой концепции объединяет три равноценных направления деятельности: экономическое, социальное и экологическое. Компании, которые следуют принципам устойчивого развития, более конкурентные, стабильные и успешные на рынке.

Мы в своей компании проанализировали ситуацию на глобальном энергорынке и пришли к выводу, что повышение энергоэффективности производства — наиболее перспективный метод устранения климатического кризиса. По сути, это очевидный и самый действенный способ решения проблем, связанных с изменением климата. Только электродвигатели на промышленных предприятиях и в системах обеспечения жизнедеятельности потребляют около 45% производимого в мире электричества.

Производители электродвигателей и преобразователей частоты могут и делают многое: за последнее десятилетие технологии развивались быстрыми темпами. Как результат, современное инновационное оборудование обеспечивает существенную экономию энергопотребления. По нашим подсчетам, применение в 2020 году энергоэффективных электродвигателей и преобразователей частоты ABB, установленных на предприятиях, позволило сэкономить 198 тераватт-часов, что в три раза превышает годовое потребление электроэнергии в Швейцарии.

По нашим оценкам, значительное количество установленных в мире электродвигателей — около 300 млн единиц — работает неэффективно или потребляет гораздо больше энергии, чем требуется, что приводит к огромным потерям.

Отраслевые эксперты считают: если заменить оборудование на более энергоэффективное, глобальное энергопотребление можно сократить на 10%. Это позволит снизить объем выбросов парниковых газов более чем на 40%, что соответствует целям Парижского соглашения до 2040 года.

С нашей точки зрения как производителя электрооборудования, сегодня наиболее простой способ уменьшить потери и увеличить эффективность для потребителя — установить электродвигатели более высокого класса энергоэффективности. Увеличение этого показателя на одну ступень увеличивает стоимость электродвигателя. Однако эта разница в стоимости окупается в срок от одного года до трех в зависимости от режима работы электродвигателя и стоимости электроэнергии. Для каждого конкретного случая мы можем предложить больше методов и технологий для увеличения энергоэффективности и показать потенциальный эффект от их внедрения более глубокими и обоснованными расчетами.

АВВ как одна из крупнейших компаний — производителей оборудования довольно продолжительный период времени предпринимает усилия по сокращению выбросов и внедрению экологически безопасных методов производства. Еще в 2013 году компания приняла решение сократить выбросы парниковых газов на 40% к 2020 году. В 2020 году уровень выбросов парниковых газов компании составил 561 килотонну. Это на 58% меньше, чем в 2013 году. Мы, как электротехническая компания, можем предложить рынку для сокращения выбросов передовые технологии, которые обеспечивают энергосбережение в промышленности, строительстве и транспортной отрасли.

Наша компания уже предприняла значительные шаги для внедрения электромобилей и возобновляемых источников энергии. Мы считаем, что пришло время поддержать распространение промышленных технологий, которые принесут еще большую пользу окружающей среде и мировой экономике. Например, в Швеции мы уже начали переоборудовать около 700 служебных автомобилей, а в Великобритании компания к 2025 году полностью перейдет на электрические автомобили.

Если говорить о России, то здесь потенциал энергосбережения очень высок. Дело в том, что сегодня в стране отсутствует регулирование в области энергоэффективности электродвигателей. Предприятия любой отрасли (например, ЖКХ, энергетика, перерабатывающая промышленность, нефтегаз, металлургическая промышленность) могут добиться существенной экономии электроэнергии при модернизации с применением электродвигателей высокого класса энергоэффективности.

Модернизация дает значительный прирост экономии энергии, однако еще большее повышение КПД достигается при использовании энергоэффективного электродвигателя в сочетании с преобразователем частоты. На данный момент, несмотря на широкое использование преобразователей частоты, лишь 25% центробежных нагрузок (насосы, компрессоры, вентиляторы и т. ) управляются с их помощью. Установка частотного преобразователя на такие нагрузки позволяет экономить до нескольких десятков процентов электроэнергии по сравнению с традиционным способом управления параметрами с помощью задвижки или заслонки.

Мы считаем, что наибольшего результата в достижении целей по снижению экологической нагрузки можно добиться, если распространение и внедрение промышленных технологий будет поддержано со всех сторон. Лица, ответственные за принятие важных для общества решений на государственном уровне, представители регуляторных органов должны поощрять переход на эти технологии. Компании, города и страны — расширять понимание возможной экономии и преимущества для окружающей среды, быть готовыми делать инвестиции. И наконец, инвесторы должны увидеть необходимость перераспределения капитала в пользу компаний, лучше других подготовленных к противодействию изменению климата.

2021 год стал для нашей компании знаковым: мы объявили «Движение за энергоэффективность». ABB призывает к внедрению энергоэффективных двигателей и преобразователей частоты для сокращения энергопотребления на 10% и снижения влияния на климат.

Чем известна ABB

Asea Brown Boveri (АВВ)  — шведско-швейцарская транснациональная компания, специализирующаяся в области электротехники и энергетического машиностроения; создана в результате слияния в 1988 году шведской компании ASEA и швейцарской компании Brown, Boveri & Cie. ABB в России насчитывает более 700 сотрудников, три производственные и семь сервисных площадок (Москва, Мурманск, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Южно-Сахалинск) и более 20 региональных офисов.

Библиографическое описание

В статье рассматривается вопрос применения одного регулируемого электропривода при различных режимах параллельной работы однотипных питательных насосов на блоке. Предложены алгоритмы регулирования подачи и напора параллельно работающих питательных насосов.

Ключевые слова:

питательные насосы, частота вращения, регулирование параметров насоса, тепловые электрические станции.

Keywords:

feed pumps, speed, pump control, thermal power plants.

Возрастающие технологические требования к качеству производственных процессов, необходимость внедрения высоких технологий обуславливают устойчивую тенденцию внедрения в различные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства регулируемых электроприводов.

На основании анализа технической литературы, исследования технологического процесса питания водой котлоагрегатов были выявлены негативные факторы, оказывающие существенное влияние на эффективность работы системы питания:

– регулирование производительности установки ПЭН осуществляется путем реостатного регулирования, что является неэффективным с точки зрения энергосбережения;

– частые запуски напрямую от сети ПЭН приводит к повышенному износу оборудования, из-за 5–7-кратных пусковых токов;

– неконтролируемое потребление электроэнергии.

Ослабление отмеченных факторов можно осуществить при внедрении в систему управления питательными насосами частотно-регулируемого электропривода.

Анализ режимов работы системы подачи питательной воды показал, что наиболее целесообразным техническим решением модернизации ее будет использование индивидуального частотно-регулируемого электропривода насоса. Однако такое требует дополнительного технико-экономического обоснования, так как стоимость преобразователя частоты на повышенное напряжение питания, которое диктуется параметрами используемого двигателя 4АЗМ-4000/6000 УХЛ4, имеет довольно высокое значение. Параметры двигателя приведены в таблице. Кроме того, необходимо оценить надежность такого технического решения.

Параметры электродвигателей ПЭН 6 кВ

Тип двигателя

Кол-во

Мощность

кВт

Напряжение

кВ

Обороты

об/мин

4АЗМ-4000/6000 УХЛ4

8

3700

6

3000

Для схемы регулирования производительностью электродвигателей ПЭН Хабаровской ТЭЦ-3 предназначается система частотного электропривода на двигателях 6 кВ.

Для частотных приводов значительной мощности 4000 кВт будем применять продукцию фирмы SIEMENS. Для использования частотного привода в технологической схеме Хабаровской ТЭЦ-3 для ПЭН выбраны электродвигатели 4АЗМ-4000/6000 УХЛ4.

Для электродвигателей типа 4АЗМ-4000/6000 УХЛ4 выбираем частотный преобразователь Siemens Sinamics SM150 c номинальной мощностью 4500 кВт, технические характеристики частотного преобразователя приведены в таблице.

Тип

Длительно допустимый ток, А

Максим. ток, А

Номинальная мощность, кВт

Расход воздуха на охлаждение, м

3

/ ч

Номинальное напряжение, В

Siemens Sinamics SM150

600

750

4500

—

6000,0

Перепад давления в регулирующих питательных клапанах котлов (РПК) электростанции при их режиме с номинальным давлением пара в барабане должен поддерживаться равным не менее 0,08 номинального давления в барабане, т. 0,08·15,7 = 1,25 МПа (12,8 кгс/см2).

Из опыта эксплуатации подобных систем и учете потерь давления на гидравлическом сопротивлении арматуры, трубопроводах, в трубных пучках подогревателей высокого давления (ПВД) можно сделать вывод, что давление в питательном коллекторе после насосов в 18,24 МПа (185 кгс/см2) будет достаточным для корректной работы регулирующих питательных клапанов котлов (РПК) и обеспечения в полной мере котлоагрегатов питательной водой. Из рисунка 1 видно значительное превышение давления, создаваемого питательными насосами до РПК, что приводит к сокращению срока службы клапанов, потере энергии на дросселирование и рециркуляцию. Так же работа насосов на частичной нагрузке далекой от номинального режима снижает КПД установки.

Рис. Характеристики однотипных, параллельно работающих питательных насосов с нерегулируемыми электроприводами

Режим работы оборудования с применением одного регулируемого электропривода является одним из способов снятия избыточного давления, развиваемого насосом, и уменьшения излишнего перепада давлений на РПК. В связи с тем, что все ступени данного насоса идентичны, расчет новых характеристик производится по формулам подобия, используя рабочие характеристики для ПЭ 580–185–5 (рисунок 2).

Рис. Характеристики насоса ПЭ 580–185–5: Н — рабочая характеристика насоса ПЭ 580–185–5; N — мощностная характеристика насоса ПЭ 580–185–5; η — характеристика КПД насоса ПЭ 580–185–5; NPSHr — требуемый квитанционный запас

На рисунке 3 показаны характеристики насоса ПЭ 580–185–5 с нерегулируемым и регулируемым электроприводом.

Рис. характеристики работы одного насоса ПЭ 580–185–5: 4–5 — характеристика ПЭ 580–185–5 с нерегулируемым электроприводом; 1–2–3–5 — характеристика ПЭ 580–185–5 с регулируемым электроприводом

Рис. Характеристики работы двух насосов с одним регулируемым электроприводом: 5–7 — характеристика двух ПЭ 580–185–5 с нерегулируемыми электроприводами; 1–6–7 — характеристика двух ПЭ 580–185–5 с одним регулируемым электроприводом

На рисунках 3 и 4 заштрихована экономия мощности при использовании регулируемого электропривода взамен дросселирования и рециркуляции.

Рис. Удельный расход электроэнергии на питательные насосы: 1 — нормативный удельный расход электроэнергии; 2 — расчетный удельный расход электроэнергии с нерегулируемыми электроприводами; 3 — расчетный удельный расход электроэнергии с одним регулируемым электроприводом

Из полученных графиков видно, что при использовании одного регулируемого электропривода в системе параллельно работающих однотипных питательных насосов наблюдается снижение удельных показателей расхода электроэнергии за счет уменьшения потерь на дросселировании и рециркуляции. Так же применение регулируемого электропривода положительно сказывается на увеличение КПД установки и продления срока службы РПК.

• Осипов, О. И. Частотно-регулируемый электропривод: учебное пособие по курсу «Типовые решения и техника современного электропривода» / О. И. Осипов. — М.: Издательство МЭИ, 2004. — 80 с.
• Лезнев, Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках./Б. С. Лезнев. — М.: Энергоатомиздат,2006. — 360с.

Основные термины (генерируются автоматически): регулируемый электропривод, насос, характеристика насоса ПЭ, частотный преобразователь, SIEMENS, номинальная мощность, питательная вода, питательный клапан котлов, расчетный удельный расход, характеристика работы.

Расчет эффекта от внедрения ЧРП для насосного агрегата химически-очищенной воды НХОВ. Пример расчета энергоэффективности ЧРП для модернизированного насоса марки D125-480 (насос горизонтальный двустороннего входа с торцевыми уплотнениями DeLium 90 кВт на фундаментной плите с частотным преобразователем типа Веспер EI 7011-125Н -93 кВт). Данные установленных насосов:
1. Номинальный расход 324 м3/час
2. Номинальный напор 80 м. вод. Номинальное число оборотов 1450 об/мин
4. Номинальная мощность электродвигателя 85 кВт. При этом, согласно утвержденной режимной карте напор за насосами составляет 40 м. вод. Фактическая мощность электродвигателя при этом составляет 85 кВт. Число часов работы насосов составляет 4260 ч. Необходимая скорость вращения ротора насоса (n2) для достижения требуемого давления на стороне нагнетания, об/мин:где: n1 =1450 об/мин – номинальное число оборотов;
P2 =40 м. вод. – необходимый напор воды за насосом;
P1= 80 м. вод. – номинальный напор. Мощность электропривода насоса (N2) при частотном регулировании скорости вращения, кВт:N2=N1× (n2/n1)^3;
N2=85×(1029,5/1450)^3=30,6 кВт:где: N1=85 кВт – фактическая мощность. Снижение мощности электропривода при частотном регулировании, кВт:Годовая экономия условного топлива за счет использования ЧРП тут:где: bэ — планируемый удельный расход условного топлива на отпущенную электроэнергию на 2017 г. = 314,48 г/кВт*ч; электроэнергию на 2017 г. = 314,48 г/кВт*ч;
tгод– число часов работы электрооборудования в год. ΔB = 2×54,4×314,48×10−6×4260 =143,7 тут (для одного насоса). Экономический эффект
Так как насосов 2,
Э Т=2*ΔB 2017 *Ц/1000Стоимость 1 тут на 2017 г. Ц=4288,78 руб. /тут
ЭТ=2*143,7*4288,78/1000=1232,37 тыс. руб. Полный срок окупаемости:
Срок окупаемости определяется по выражению:Т=З/Э, лет
Т=6562,827/1232,37=5,33 года. где: З= 6562,827 тыс. руб. – сметная стоимость проекта внедрения насоса с ЧРП. Затраты на техническое обслуживание ЧРП не требуются. Внедрение мероприятия снижает риск возникновения аварийных ситуаций и повышает надежность работы оборудования в целом. 2021-04-02T11:59:11+03:00Icecream PDF Split&Merge2021-04-04T21:02:05+03:00application/pdfNeft_01-21_web. inddIcecream PDF Split&MergeIcecream PDF Split&Mergeuuid:ac58d7b9-7666-44df-893f-b70c9ea8bc45uuid:d007ffcd-0721-4e45-aa32-6ffbc8e4c815

Энергоэффективность и энергосбережение — одни из основных трендов развития мировой «зеленой» экономики. Эксперты отмечают, что по этим показателям Петербург стабильно входит в число лидеров среди российских регионов. За последние годы он не раз возглавлял федеральный рейтинг энергоэффективности. Сейчас власти города разрабатывают проект новой региональной программы в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности.

Сегодня свои программы энергосбережения реализуют городские госучреждения. По данным СПбГБУ «Центр энергосбережения», объем финансирования из бюджета в 2021 году составил 1,6 млрд рублей. Основная доля пришлась на мероприятия в системах теплоснабжения, водоснабжения, вентиляции и освещения — 48% (749,9 млн рублей); мероприятия по утеплению стен, дверей, чердаков, подвалов и замене оконных блоков — 32% (502 млн рублей); по установке энергоэффективного оборудования — 12% (190,2 млн рублей); иные мероприятия в области энергосбережения — 6% (94,71 млн рублей); установку приборов учета энергетических ресурсов — 1% (14,3 млн рублей).

Для этих же целей привлекаются и внебюджетные средства, в том числе за счет энергосервисных контрактов (ЭСК). Так, с 2018 по 2022 годы в Петербурге было заключено 444 ЭСК на общую сумму более 1,6 млрд рублей. В 2021-м лидерами по количеству заключенных ЭСК в Санкт-Петербурге стали Калининский, Красносельский, Невский, и Курортный районы. В результате реализации энергосберегающих мероприятий в государственных учреждениях по сравнению с 2016 годом снижено потребление электрической энергии на 39,7%, а тепловой — на 6,3%.

Экономия в жилищной сфере

Главный потребитель энергоресурсов — население города. Его доля в общегородском объеме потребления сегодня составляет 30,8%. Большая часть отпускаемой тепловой энергии (77,8%) также приходится на население. Поэтому общий вклад жителей в энергосбережение очень важен для города.

Любые ресурсосберегающие мероприятия начинаются с установки счетчиков. По подсчетам «Центра энергосбережения», на конец 2021 года уровень оснащения многоквартирных домов (МКД) общедомовыми приборами учета тепла в Северной столице достиг 96,1%, холодной воды — 92,9%.

Также идет работа по присвоению МКД классов энергетической эффективности — по шкале от А до G. По словам Антона Алексахина, руководителя отдела СЗФО Департамента экологической экспертизы и мониторинга EcoStandardgroup, проживание в домах класса А, B или С позволяет более экономно расходовать ресурсы (прежде всего, тепло и электроэнергию), класс D — нормальная энергоэффективность, но об экономии ресурсов речи здесь уже нет. Дома класса E, F, G — пониженного и очень низкого класса, которые, как правило, нуждаются в реконструкции.

По данным «Центра энергосбережения», сейчас классы энергетической эффективности присвоены 4148 петербургским МКД (17,4% от общего количества), 68% из них имеет «нормальный» класс энергоэффективности D и выше.

Уличное освещение

В Петербурге действует несколько программ, предусматривающих внедрение светодиодных светильников в городскую систему уличного освещения. Их устанавливают не только в садах и парках, но и во дворах, на улицах, магистралях с повышенными требованиями к освещенности проезжей части и объектах художественной подсветки. Сейчас на светодиодное переведено уже более 30% уличного освещения. До 2025 года новое, преимущественно светодиодное освещение планируется установить еще на 153 объектах.

Совместная экономия

В энергосберегающих мероприятиях участвуют и городские предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Среди ключевых шагов в этой области — перевод котельных на эффективные виды топлива. Планируется, что к 2026 году практически все городские котельные будут работать на природном газе, а доля потребления неэкономичного топлива составит менее 0,02%.

Энергоэффективное оборудование и энергосберегающие технологии также используют при замене тепловых сетей, реконструкции существующих объектов и строительстве новых. По данным «Центра энергосбережения», общий объем финансирования программ энергосбережения крупнейших организаций ТЭК в Петербурге за 2021 год составил 6,5 млрд рублей, а суммарная экономия топливно-энергетических ресурсов — 216,6 тыс. тонн условного топлива (или 2,4% от объема потребления).

Капитальный ремонт

В минувшем году перечень услуг и работ по капитальному ремонту жилых домов, финансируемых за счет средств фонда капитального ремонта, пополнился новыми энергосберегающими работами, среди которых установка узлов управления и регулирования потребления тепловой энергии, горячей и холодной воды, электрической энергии, газа и утепление фасадов.

Объем средств на указанные мероприятия в 2021 году составил 452,44 млн рублей, или 2,9% общего годового объема финансирования таких мероприятий. В 114 МКД появились автоматизированные индивидуальные тепловые пункты, которые автоматически регулируют интенсивность отопления дома в зависимости от погоды. Всего за последние пять лет их установили в 303 домах.

Также, по словам экспертов «Центра энергосбережения», в ходе капитального ремонта многоквартирных домов в Петербурге меняют светильники на светодиодные лампы и устанавливают датчики для автоматического регулирования освещения в местах общего пользования, производят теплоизоляцию внутридомовых инженерных сетей теплоснабжения и горячего водоснабжения в подвалах и так далее.