Авторы: , ,

Рубрика: Сельское хозяйство

Опубликовано в Молодой учёный №11 (145) март 2017 г.

Дата публикации: 16.03.2017

Статья просмотрена: 80 раз

Библиографическое описание:

Тимофеев Е. В., Эрк А. Ф., Размук В. А. Применение частотных регуляторов в составе оборудования для водоснабжения объектов АПК // Молодой ученый. — 2017. — №11. — С. 178-183. — URL https://moluch.ru/archive/145/40571/ (дата обращения: 20.04.2018).



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

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

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

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

Qмакс, м3

Рдрос, кВт

Рчрп, кВт

ΔР, кВт

ΔЭк, кВтч

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 кВтч. 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, кВтч

2955,3

Экономия электроэнергии за год, кВтч

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

  1. Срок окупаемости применения частотного регулирования для асинхронного высоковольтного двигателя насоса составляет 1,5 года, что убедительно доказывает экономическую эффективность применения частотного регулятора.
  2. 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:

  1. 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.
  2. Методические указания пользователю компьютерной программы «Эффект ЧРП». — СПб: ООО «Триол — Санкт-Петербург», 1998.
  3. Шакарян. Ю. Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода, / Ю. Г. Шакарян. — М.: АО ВНИИЭ, МЭИ, 1997.
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
Основные термины (генерируются автоматически): частотного регулирования, средства механизированного производства, технические средства механизированного, механизированного производства продукции, частотных регуляторов, производства продукции растениеводства, применения частотного регулирования, экономия электроэнергии, регулирования скорости вращения, способах регулирования скорости, применения частотных регуляторов, сэкономленной электроэнергии, различных способах регулирования, методика расчета эффективности, скорости вращения насосов, электродвигателя насоса, стоимость сэкономленной электроэнергии, возможность применения частотного, эффективности применения, экономия мощности.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос