Введение

В структуре себестоимости продукции современных промышленных предприятий затраты на электрическую энергию составляют от 10 до 40 %, что делает энергосбережение одним из ключевых стратегических инструментов повышения конкурентоспособности бизнеса. Водогрейные котельные, являясь неотъемлемой частью инфраструктуры крупных промышленных объектов и систем ЖКХ, потребляют значительную долю электроэнергии. При этом характерной особенностью их работы в условиях переменных тепловых нагрузок (суточных и сезонных) является практически неизменный уровень потребления электроэнергии на собственные технологические нужды.

В настоящее время на котельных малой и средней мощностях получили распространение котельные агрегаты с надувными горелками. Это объясняется их высоким КПД, простотой монтажа, автоматизации и настройки их работы. Общепринятый методы регулирования мощности работы надувной горелки дросселирование потока подаваемого воздуха характеризуются существенными аэродинамическими потерями и, как следствие, перерасходом энергии [3, с. 112]. В данной статье рассматривается применение частотного регулирования электроприводов дутьевых вентиляторов газовых горелок как высокоэффективного технологического решения, позволяющего оптимизировать процесс горения и добиться значительной экономии электрической энергии.

Актуальность

Актуальность проблемы обусловлена несоответствием между проектными режимами работы котельного оборудования и реальными условиями эксплуатации. Мощность горелочных устройств выбирается согласно нормативным документам, в частности СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» [2], из расчёта температуры самой холодной пятидневки с учётом обязательного резерва. Это приводит к тому, что вентилятор горелки в течение большей части отопительного периода работает с избыточной производительностью, регулируемой преимущественно воздушной заслонкой на всасывающем патрубке, что создаёт дополнительное сопротивление и ведёт к ненужному перерасходу электроэнергии.

Рассматривается не только в применении частотного регулирования как эффективного способа регулирования нагрузки котельного агрегата, но и сравниваются фактические климатические параметры с нормативными показателями. Приведен пример нивелирования их разницы путем внедрения автоматизации и указаны организационные барьеры, препятствующие широкому внедрению этой энергоэффективной технологии. В работе подчеркивается необходимость пересмотра устоявшихся подходов к проектированию котельных в условиях изменения климата и развития элементной базы автоматизации.

Основной текст

Электродвигатели наддувных горелок являются одними из основных потребителей электрической энергии в котельных, уступая по мощности лишь сетевым насосам перекачивающих воду от источника до потребителей тепла, и функционируют непрерывно в течение всего отопительного периода. Как отмечается в специализированной литературе, в структуре электропотребления котельной на долю тягодутьевых механизмов может приходиться до 30 % всей расходуемой энергии [4, с. 23].

Анализ фактических климатических данных последних лет демонстрирует значительное превышение реальных температур наружного воздуха над расчётными значениями, заложенными в строительных нормах [2]. В качестве примера рассмотрены данные многолетних наблюдений по Ульяновской области [5].

Представленные на рисунке 1 «Графики анализа климатологических и технических данных в г. Ульяновск» [5] наглядно иллюстрируют устойчивую тенденцию к превышению фактических средних и максимальных температур над нормативами, что подтверждает работу горелочного оборудования в диапазонах ниже расчетных.

Рис. 1. Графики анализа климатологических и технических данных в г. Ульяновске

Одним из наиболее эффективных способов решения проблемы несоответствия производительности вентилятора фактической нагрузке является регулирование частоты вращения его электродвигателя с помощью частотного преобразователя. Согласно исследованиям, применение частотно-регулируемого привода (ЧРП) для центробежных вентиляторов является наиболее совершенным методом, так как позволяет плавно изменять их производительность в широком диапазоне с высоким КПД [3, с. 208]. Предлагаемая система автоматического регулирования может функционировать на основе комплексного сигнала от следующих датчиков:

1. расходомера потребляемого газа (задающий параметр, пропорциональный тепловой нагрузке котла);

2. датчика частоты вращения вала электродвигателя вентилятора (обратная связь по положению);

3. дифференциального датчика давления в камере сгорания и дымоотводящем тракте (контроль аэродинамического режима и обеспечение безопасности).

Поддержание оптимального соотношения «топливо-воздух» путём изменения скорости вращения вентилятора вместо дросселирования заслонкой позволяет значительно снизить потребление электроэнергии, так как мощность, потребляемая центробежным вентилятором, пропорциональна кубу частоты вращения (закон подобия) [3, с. 129]. Следовательно, даже небольшое снижение оборотов ведет к существенной экономии. Практика модернизации показывает, что экономия электроэнергии при внедрении частотного регулирования может достигать 60 % и более [4, с. 24]. Это особенно актуально для котлов, оснащённых горелками с электродвигателями мощностью свыше 55 кВт (рис. 2).

Рис. 2. Преимущества частотного регулирования

Кроме прямого энергосберегающего эффекта, снижение частоты вращения вентилятора ведёт к пропорциональному уменьшению уровня шума в помещении котельной, что способствует улучшению условий труда обслуживающего персонала и снижению вредного производственного фактора. Как отмечают специалисты, снижение аэродинамического шума является важным дополнительным преимуществом ЧРП, особенно в котельных, расположенных вблизи жилой застройки или встроенных в производственные помещения [4, с. 25].

Несмотря на очевидную технологическую и экономическую эффективность, широкое внедрение частотного регулирования сдерживается рядом факторов. Одним из которых является устаревшие и чрезмерно жесткие нормы действующего законодательства в области промышленной безопасности. Из-за того, что котельные мощностью более 100 кВт подпадают под действие Федерального закона № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1] любая модернизация технических устройств, к которым относятся горелки и системы автоматики, требует проведения экспертизы промышленной безопасности как проекта модернизации, так и самого оборудования, а также внесения соответствующих изменений в реестр опасных производственных объектов. Эти административные и финансовые издержки зачастую останавливают потенциальных заказчиков, несмотря на очевидную экономическую выгоду от энергосбережения в долгосрочной перспективе.

Выводы

1. Водогрейные котельные обладают значительным нереализованным потенциалом энергосбережения за счет оптимизации работы дутьевых вентиляторов наддувных горелок, которые эксплуатируются с избыточной производительностью большую часть отопительного периода. Доля электроприводов тягодутьевых механизмов в общем балансе котельной требует пристального внимания при проведении энергоаудита [4, с. 23].

2. Применение частотно-регулируемых приводов для управления электродвигателями вентиляторов является наиболее эффективным методом регулирования, позволяющим снизить потребление электроэнергии до 60 %, уменьшить уровень шума и повысить культуру производства. Теоретической базой высокой эффективности служит кубическая зависимость мощности от частоты вращения рабочего колеса [3, с. 129].

3. Экономическая целесообразность внедрения частотного регулирования подтверждается как законами гидравлики и электротехники, так и анализом фактических климатических данных [5], указывающих на систематическое превышение расчетных температур наружного воздуха над нормативными показателями [2].

4. Основным сдерживающим фактором для повсеместного внедрения данной ресурсосберегающей технологии являются требования Федерального закона № 116-ФЗ [1] в части сложности процедур согласования изменений в проектной документации и проведения экспертизы промышленной безопасности. Преодоление этих административных барьеров является важной задачей для повышения энергоэффективности российской экономики.

Литература:

1. Федеральный закон от 21.07.1997 № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».

2. СП 131.13330.2020 «Строительная климатология». Актуализированная редакция СНиП 23–01–99*.

3. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. — М.: Энергоатомиздат, 2006. — 360 с.

4. Кытанов В. О., Лебедев В. М. Частотно-регулируемый привод систем вентиляции и дымососов котельных // Промышленная энергетика. — 2019. — № 5. — С. 22–26.

5. Данные метеорологических наблюдений по г. Ульяновск [Электронный ресурс] // Meteoblue. — URL: https://www.meteoblue.com/ru (дата обращения: 20.05.2024).