Приведена методика расчета эффективности применения частотного регулирования с помощью установок «Триол» [1] для высоковольтных электроприводов центробежных насосов. Произведен расчет используемой мощности при различных способах регулирования скорости вращения насосов. Методика расчета эффективности позволяет оценить возможность применения частотного регулирования различных электроприводов, применяемых в сельском хозяйстве.
Введение
В настоящее время применение частотного регулирования для управления электроприводами в сельском хозяйстве не столь значительно из-за высокой стоимости применяемого оборудования. Однако, в мировой практике частотно-регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энергосберегающих и экологически чистых технологий, так как снижение потребления электроэнергии, в конечном итоге, уменьшает количество выбросов вредных веществ в атмосферу.
Объект иметодика
Предложенная методика расчета эффективности позволяет оценить возможность применения частотного регулирования для асинхронного высоковольтного двигателя. Применение регулируемого электропривода позволило оптимизировать работу насоса, снизить потребление электроэнергии и уменьшить водопотребление (до 20 %).
Расчеты произведены на основании методических указаний [2,3,4] и позволяют сделать вывод о целесообразности применения частотных регуляторов.
Рассмотрим основную зависимость, характеризующую «энергетику» насосов.
Мощность, потребляемая насосом:
P = (V h 9,81)/КПД, кВт, (1)
где Р — мощность, потребляемая насосом, кВт V — производительность насоса, м3/с; h — высота напора, равная сумме высот всасывания и нагнетания, м водяного столба; КПД — коэффициент полезного действия установки, принимается по каталогу или паспорту.
Изменение основного параметра работы насосного агрегата при изменении скорости вращения рабочего колеса насоса («формулы подобия»):
Р1 / Р2 = n13 / n23; (2)
Н1 / Н2 = n12 / n22; (3)
V1 / V2 = n1 / n2, (4)
где n — число оборотов вала рабочего колеса, мин-1; Н — напор, создаваемый насосом, м. вод. столба.
Индексы 1 и 2 относятся к режимам работы оборудования с помощью дроссельного регулирования и использования частотного регулятора соответственно.
Для определения мощности, потребляемой приводным двигателем (Pд, Вт), при известном его токе, применяется следующая формула: [5,6,7]
Pд = 1,73 Iд UCos Ф, (5)
где Iд — ток фазы двигателя, А; U — напряжение двигателя, В;
Сos Ф — коэффициент мощности двигателя.
Вспомогательными данными для расчета являются паспортные данные реального насоса и его приводного двигателя, принятого для анализа, например, приведенный ниже
|
Тип асинхронного двигателя |
ВАН118/23–8 У3 |
|
Напор насоса, м |
27 |
|
Подача насоса, м3/ч |
2700 |
|
Номинальное напряжение двигателя, В |
6000 |
|
Мощность двигателя, кВт |
400 |
|
Ток двигателя, А |
40,5 |
|
КПД двигателя, % |
92,4 |
|
СosФ двигателя |
0,86 |
Для потребляемой мощности при дроссельном регулировании можно записать выражение:
Pдрос = Рmin+ (Рmax — Рmin)(Q/Qmax), (6)
Для потребляемой мощности при частотном регулировании можно записать выражение:
Pчрп = Рmax* (Q/Qmax)3, (7)
Зависимость потребляемой мощности при дроссельном регулировании Pдрос от относительного расхода Q/Qmax (Q — текущий расход, Qmax — максимальный расход), получается на графике соединением точек Рmax и Рmin прямой линией, зависимость потребляемой мощности при использовании частотного регулирования Pчрп от относительного расхода Q/Qmax получается при вычислении выражения (7) с подстановкой в него величины Рmax и нескольких значений Q/Qmax (например, от 0 до 1 с шагом 0,25). Пример такого графика приведен на рисунке № 1
Рис. 1. Потребление мощности при различных способах регулирования скорости вращения насосов
Для получения информации о загрузке насоса определяется реальный график его работы по замерам суточного расхода (табл. 1).
Таблица 1
Суточный расход воды
|
t, ч |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Q, м3 /ч |
710 |
630 |
540 |
540 |
540 |
540 |
610 |
690 |
720 |
790 |
810 |
810 |
|
t, ч |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
|
Q, м3 /ч |
750 |
750 |
710 |
720 |
820 |
930 |
1000 |
1050 |
1050 |
1000 |
1000 |
850 |
При расчетах принимается, что оборудование работает в режиме, при котором обеспечиваются нормальные параметры подачи воды, с требуемым давлением и температурой.
Расчет эффективности основан на определении разницы между величинами потребления электроэнергии при регулировании напора насоса путем дросселирования напорной задвижкой и при регулировании с помощью ЧРП [3,8,9].
Для каждого ранее определенного периода работы i, в котором определена приблизительно постоянная загрузка насоса Qi, рассчитывается экономия мощности
ΔРi=Рдрос i–Рчрп i. Величины Рдрос i и Рчрп i выбираются по рис. 1 или рассчитываются по формулам (6) и (7). Величина расхода Qi берется из табл. 1.
Затем определяется суммарная экономия электроэнергии за заданный временной интервал работы оборудования (к примеру, за сутки) по формуле:
(8)
где ΔЭк — экономия электроэнергии при применении частотного регулирования вместо дроссельного регулирования, кВт ч;
ΔPi — экономия мощности за i-й период, кВт; ti — время, в течение которого привод работает с постоянной нагрузкой Qi насоса (для данного предприятия 4 часа), час; к — число периодов времени с постоянными значениями ΔPiti.
При круглогодичной работе насоса c приблизительно постоянным суточным графиком расхода годовая экономия электроэнергии ΔЭг определяется умножением ΔЭк на число дней работы насоса в году, т. е. для нашего насоса ΔЭг = ΔЭк 365.
Далее производится оценка стоимости сэкономленной электроэнергии по тарифу, действующему для предприятия в данной энергосистеме, с учетом факторов экономии воды. По имеющемуся опыту эксплуатационной службы предприятия для оценки стоимости снижения расхода холодной воды вводиться коэффициент 1,15.
Таким образом, экономия электроэнергии и ресурсов составит для холодной воды:
СТээ = 1.15 Тэ ΔЭг, (9)
где СТээ — стоимость сэкономленной электроэнергии и ресурсов, руб.; Тэ — тариф на электроэнергию в энергосистеме, руб./кВт ч.;
Срок окупаемости определяется по выражению:
Ток = СТчрп / Стээ,
где Ток — срок окупаемости установки ЧРП, год.; СТээ — стоимость сэкономленной электроэнергии и ресурсов за один год, руб.; СТчрп — стоимость ЧРП, работы и материалы, руб.
Результаты иобсуждение
Расчеты для электродвигателя насоса представлены в таблице № 2.
Таблица 2
Расчет значений экономии энергии для электродвигателя насоса
|
t, час |
Q, м3/ч |
Qмакс, м3/ч |
Рдрос, кВт |
Рчрп, кВт |
ΔР, кВт |
ΔЭк, кВтч |
|
1 |
1090 |
2700 |
167,3 |
21,1 |
146,3 |
146,3 |
|
2 |
1100 |
2700 |
168,3 |
21,6 |
146,7 |
146,7 |
|
3 |
1100 |
2700 |
168,3 |
21,6 |
146,7 |
146,7 |
|
4 |
1180 |
2700 |
175,9 |
26,7 |
149,2 |
149,2 |
|
5 |
1180 |
2700 |
175,9 |
26,7 |
149,2 |
149,2 |
|
6 |
1400 |
2700 |
196,7 |
44,6 |
152,1 |
152,1 |
|
7 |
1500 |
2700 |
206,2 |
54,9 |
151,4 |
151,4 |
|
8 |
1800 |
2700 |
234,7 |
94,8 |
139,9 |
139,9 |
|
9 |
1800 |
2700 |
234,7 |
94,8 |
139,9 |
139,9 |
|
10 |
1900 |
2700 |
244,1 |
111,5 |
132,6 |
132,6 |
|
11 |
1900 |
2700 |
244,1 |
111,5 |
132,6 |
132,6 |
|
12 |
1800 |
2700 |
234,7 |
94,8 |
139,9 |
139,9 |
|
13 |
1900 |
2700 |
244,1 |
111,5 |
132,6 |
132,6 |
|
14 |
2000 |
2700 |
253,6 |
130,1 |
123,6 |
123,6 |
|
15 |
2100 |
2700 |
263,1 |
150,6 |
112,5 |
112,5 |
|
16 |
2200 |
2700 |
272,6 |
173,1 |
99,5 |
99,5 |
|
17 |
2300 |
2700 |
282,1 |
197,8 |
84,3 |
84,3 |
|
18 |
2300 |
2700 |
282,1 |
197,8 |
84,3 |
84,3 |
|
19 |
2400 |
2700 |
291,6 |
224,7 |
66,8 |
66,8 |
|
20 |
2400 |
2700 |
291,6 |
224,7 |
66,8 |
66,8 |
|
21 |
2300 |
2700 |
282,1 |
197,8 |
84,3 |
84,3 |
|
22 |
2200 |
2700 |
272,6 |
173,1 |
99,5 |
99,5 |
|
23 |
2000 |
2700 |
253,6 |
130,1 |
123,6 |
123,6 |
|
24 |
1500 |
2700 |
206,2 |
54,9 |
151,4 |
151,4 |
Экономия электроэнергии за сутки составила 2955,3 кВтч. Результаты расчетов из таблицы № 2 представлены в виде графиков на рисунке № 2.
Рис. 2. Суточный график потребления электроэнергии
Результаты технико-экономического обоснования внедрения частотно-регулируемого электропривода АТ производства ООО «Триол-Санкт-Петербург» представлены ниже.
|
Стоимость всех затрат (работы и материалы), руб. |
2199000 |
|
Экономия электроэнергии за сутки, кВтч |
2955,3 |
|
Экономия электроэнергии за год, кВтч |
1078689,6 |
|
Коэффициент дополнительного эффекта |
1,1 |
|
Срок окупаемости электропривода, лет (при круглогодичной эксплуатации) |
1,5 |
|
Допущения: 1. Рмах=320кВт (максимально открытая задвижка), Рmin=64кВт (закрытая задвижка) 2. График подач является характерным для объекта, оборудование работает в режиме, с нормальными параметрами подачи воды с требуемым давлением 3. Кроме этого присутствует дополнительный эффект от внедрения частотного электропривода, включающий в себя эффекты от снижения износа технологического (насосы, трубопроводы, задвижки, клапаны) и коммутационного (контакторы, пускатели) оборудования, эффект от предотвращения аварийных режимов работы оборудования |
|
Выводы
- Срок окупаемости применения частотного регулирования для асинхронного высоковольтного двигателя насоса составляет 1,5 года, что убедительно доказывает экономическую эффективность применения частотного регулятора.
- Кроме экономического эффекта от экономии электроэнергии применение ЧРП дополнительно обеспечивает следующее:
‒ снижается износ запорной арматуры, т. к. большую часть времени задвижки полностью открыты;
‒ большую часть времени насосы работают при пониженных давлениях, что снижает утечки в системе водоснабжения;
‒ снижается износ коммутационной аппаратуры, т. к. ее переключения происходят при отсутствии тока;
‒ снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыльчатки за счет плавного изменения числа оборотов, отсутствия больших пусковых токов;
‒ уменьшается опасность аварий за счет исключения гидравлических ударов;
‒ обеспечивается одновременная защита двигателя от токов короткого замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, недопустимых перенапряжений;
‒ снижается уровень шума, что особенно важно при расположении насосов вблизи жилых или служебных помещений;
‒ упрощается дальнейшая комплексная автоматизация объектов системы водоснабжения.
Внедрение частотных регуляторов делает производство более «экологичным» — экономит природные ресурсы, снижает эксплуатационные затраты и является эффективным шагом на пути модернизации производства.
Литература:
- http://www.highvoltage.ru/ официальный сайт, посвященный высоковольтному оборудованию 3, 6, 10 кВ мощностью от 160 до 8000 кВт производства Корпорации Триол, для синхронных и асинхронных двигателей. Преобразователи частоты (электроприводы), устройства мягкого пуска, и другое оборудование силовой электроники.
- Методические указания пользователю компьютерной программы «Эффект ЧРП». — СПб: ООО «Триол — Санкт-Петербург», 1998.
- Шакарян. Ю. Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода, / Ю. Г. Шакарян. — М.: АО ВНИИЭ, МЭИ, 1997.
- Эрк А. Ф., Максимов С. В. Методика оценки эффективности применения частотных регуляторов в составе оборудования гидросооружений. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. — С-Пб, 2010. — № 82. — С.87–96
- Эрк А. Ф., Размук В. А. Автоматизированная система стабилизации температуры воздуха в помещении для откорма телят с применением частотных регуляторов. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства/ ИАЭП. — С-Пб, 2015. — № 86. — С.163–169
- Бровцин В. Н., Эрк А. Ф., Бычкова О. В. Прогноз энергопотребления сельскохозяйственными предприятиями молочного направления. / В. Н. Бровцин, А. Ф. Эрк, О. В. Бычкова // Теоретический и научно-практический журнал «Механизации и электрификации сельского хозяйства» — 2014.- № 4.- С. 24–26
- Эрк А. Ф., Судаченко В. Н., Бычкова О. В. Структура энергопотребления сельскохозяйственных предприятий/А. Ф. Эрк, В. Н. Судаченко, О. В. Бычкова// Межд. агропромышленная выставка-ярмарка «Агрорусь» — СПб, 2014. — С. 220–221
- Бровцин В. Н., Эрк А. Ф., Бычкова О. В. Сравнительный анализ энергоэффективностисельскохозяйственных предприятий молочного направления / В. Н. Бровцин, А. Ф. Эрк, О. В. Бычкова // Теоретический и научно-практический журнал «Механизации и электрификации сельского хозяйства» — 2014.- № 5.- С. 22–24
- Эрк А. Ф., Судаченко В. Н., Размук В. А., Бычкова О. В. Результаты энергетического обследования сельхозпредприятий // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. — С-Пб, 2014. — № 85. — С.100–105.
- Тимофеев Е. В. Контроль работы сельскохозяйственных агрегатов на основе спутниковых навигационных систем / Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. // 2016. № 88. С. 122–131.
- Эрк А. Ф., Судаченко В.Н, Тимофеев Е. В., Размук В. А. Методы повышения эффективности использования электрической энергии в животноводстве // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. — С-Пб, 2016. — № 89. — С.23–32.
