ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ НАИБОЛЕЕ ШИРОКО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ АГРЕГАТОВ И УСТАНОВОК. РЕАЛИЗАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛА СРЕДСТВАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Известно, что удельный расход энергии, приходящейся на единицу валового продукта в Украине, в несколько раз выше, чем в ведущих европейских странах, таких как Германия или Франция. В связи с тенденцией существенного повышения стоимости энергоносителей, особенно явно проявившейся во время переговоров о поставках газа, в Украине наблюдается изменение отношения к вопросам оптимизации потребления энергоресурсов. Появилась надежда, что проблемы энергосбережения перестанут быть только предметом обсуждений на конференциях, симпозиумах, совещаниях различного уровня и перейдут к этапу практической реализации.
На промышленных предприятиях и в коммунальном хозяйстве основные механизмы и агрегаты оснащены электроприводом, главная функция которого состоит в преобразовании электрической энергии в энергию механическую. На долю электропривода приходится до 65 % электроэнергии, потребляемой промышленностью. Невольно напрашивается вопрос - разумно ли расходуется энергия в установках с электроприводом?
Даже без глубокого анализа можно ответить вполне определенно - далеко не всегда.
Наиболее высоким потенциалом энергосбережения, ввиду продолжительного режима работы и массового применения, обладают производственные механизмы и агрегаты, работающие в продолжительном режиме с изменяющейся производительностью. Они используются практически во всех отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунальных предприятиях. К ним относятся:
Подавляющее большинство перечисленных механизмов и агрегатов оснащено асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Простота их конструкции и сравнительно невысокая стоимость сочетаются с низкими эксплуатационными показателями, такими как невозможность регулирования скорости при питании двигателя непосредственно от сети и потребление из сети не только активной, но и реактивной мощности. К существенным недостаткам асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором относится также большой пусковой ток, превышающий в 6 -7 раз номинальное значение тока статора.
Такой электропривод, не обладая способностью изменять частоту вращения двигателя, питающегося непосредственно от сети, не может воздействовать на поток электрической энергии, которая преобразуется в энергию механическую и передается технологическому агрегату. Поэтому управление производительностью механизмов и агрегатов приходится выполнять при помощи различных приспособлений, создающих препятствия потоку механической энергии и вызывающих дополнительные потери на его пути - в виде задвижек, направляющих аппаратов, коробок передач, а также путем применения байпасных схем.
Недостатки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором устраняются при его использовании в составе регулируемого привода совместно с преобразователем частоты (ПЧ). Примерно 12-15 лет назад прогресс в силовой полупроводниковой технике позволил создать новый тип силовых транзисторов, способных коммутировать токи в сотни ампер при напряжениях до 3 киловольт. На их основе ведущие электротехнические фирмы освоили и непрерывно совершенствуют производство надежных ПЧ в широком диапазоне мощностей. Например, за указанный период фирма Schneider Electric практически каждых 3 года осваивала новое поколение ПЧ, выпустив в 2005 г. на рынок многофункциональный преобразователь частоты пятого поколения ATV71, а в 2006 г. – преобразователь этого же поколения ATV61, объектно-ориентированный на насосно-вентиляторную нагрузку. Преобразователи частоты позволяют изменять в широких пределах частоту вращения асинхронных двигателей (последние поколения ПЧ позволяют управлять и синхронными двигателями) и, благодаря этому, регулировать производительность приводимых ими механизмов и агрегатов. Так как в них регулируется поток электрической энергии, то достигается энергосбережение и одновременно продлевается рабочий ресурс оборудования; при этом устраняется полностью или частично необходимость в механических регулирующих устройствах. Такое решение универсально и позволяет существенно снизить расход энергии в различных отраслях промышленного производства: химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, пищевой, предприятиях транспорта - морских и речных портах, судах, а также коммунальных системах теплоснабжения, водоснабжения и канализации.
Наибольший эффект энергосбережения достигается в электроприводе центробежных механизмов. Для этого класса механизмов мощность и энергия, потребляемая электроприводом, пропорциональны частоте вращения в третьей степени. В качестве иллюстрации этого известного свойства центробежных механизмов на рис. показана экспериментально снятая зависимость изменения мощности, потребляемой из сети приводом насоса типа Д500-65, в функции частоты при питании двигателя от ПЧ.
Отсюда следует, что если в процессе управления производительностью центробежного насоса или вентилятора при питании приводного двигателя от ПЧ удается снизить частоту напряжения на двигателе от 50 Гц хотя бы до 40 Гц, то в этом случае потребление энергии уменьшается почти в 2 раза, так как потребление пропорционально кубу отношения частот. В данном случае это - (40/50)3 = 0,512.
Основной характеристикой центробежных насосов, вентиляторов и компрессоров является зависимость развиваемого напора H от производительности Q. Эти зависимости представляются, как правило, в виде графиков Q-H (напорные характеристики) для различных частот вращения механизма, которые для конкретного применения следует рассматривать совместно с характеристиками гидравлической линии.
На рис. представлены гидравлические характеристики линии при полностью и частично открытом дросселе, полученные экспериментальным путем.
На этом же графике приведены напорные характеристики насоса Д320-50 производительностью Q =320 м3/ч при напоре Н = 50 м вод. ст., соответствующие относительным частотам вращения 1,0 (50 Гц), 0,9 (45 Гц) и 0,8 (40 Гц). При построении этих характеристик учтено, что производительность насоса Q пропорциональна частоте вращения, а напор Н пропорционален квадрату частоты вращения. Точки пересечения напорной характеристики с характеристиками линии определяют режим работы насоса совместно с магистралью. Переход на частотное управление, изменяющее напорную характеристику насоса, позволяет уйти от неэкономичного дроссельного регулирования производительности агрегата, при котором воздействие оказывается на форму характеристики линии за счет искусственного повышения ее гидродинамического сопротивления, обуславливающего нерациональные затраты мощности на его преодоление. При частотном управлении пересечения напорных характеристик при различных частотах вращения с характеристикой собственно линии (при полностью открытом дросселе) определяют требуемые величины напора и производительности насосного агрегата.
Главное преимущество перехода на частотное регулирование скорости электродвигателей заключается в том, что появляется возможность оптимизировать режим работы технологического оборудования. Частотное управление дает максимальный эффект энергосбережения и обеспечивает щадящий, ресурсосберегающий режим эксплуатации как технологического, так и электрического оборудования при значительно сниженных нагрузках и динамических воздействиях, которые, в свою очередь, способствуют продлению в несколько раз ресурса работы оборудования и снижению эксплуатационных затрат на ремонт.
Срок возврата (окупаемости) затрат на внедрение частотного управления зависит от ряда факторов:
• годовой продолжительности работы,
• глубины дроссельного регулирования и связанного с ним потенциала энергосбережения,
• тарифа на электроэнергию, который может значительно отличаться в зависимости от категории потребителя; наиболее низкий тариф на предприятиях, имеющих собственные генерирующие мощности, а наиболее высокий – на коммунальных предприятиях.
При одинаковом относительном снижении потребляемой энергии срок окупаемости будет меньше у агрегатов с большей единичной мощностью, т.к. удельная стоимость ПЧ падает с ростом мощности. Тем не менее, возможна ситуация с коротким сроком окупаемости и при сравнительно невысокой мощности агрегата, если установка (насосный агрегат и гидравлическая сеть) обладает высоким потенциалом энергосбережения. Например, в августе 2005 г. введен в автоматическом режиме насосный агрегат подачи технологической воды на заводе ячеистых бетонов в г. Белгород–Днестровском. Двигатель насоса мощностью 15 кВт переведен на частотное управление от ПЧ типа ATV31 с целью стабилизации заданного уровня напора в магистрали по сигналу датчика давления при помощи ПИ регулятора, предусмотренного программным обеспечением ПЧ. По результатам фактического снижения потребляемой мощности, которое достигнуто при переходе на частотное управление, определен срок окупаемости уровне 0,7 – 0,8 года.
Дымососы котельных агрегатов относятся к одним из наиболее эффективных объектов применения частотного управления.
Следует обратить внимание на разброс мощностей приводных двигателей дымососов, установленных на однотипных котлах котельных промышленных и коммунальных предприятий. В табл. 1 содержится информация о мощности и номинальном напряжении двигателей дымососов, установленных на котлах типа ПТВМ-30м.
Отметим существенно меньшую величину тока, потребляемого ПЧ из сети, относительно величины тока при той же частоте, протекающего от ПЧ к двигателю. Данное различие обусловлено тем, что из сети потребляется только активная составляющая тока, а от ПЧ к двигателю поступает полный ток, содержащий как намагничивающую, так и активную составляющие.
Рассмотрим варианты решения различной сезонной загрузки вентиляторов градирни.
При питании двигателей градирни непосредственно от сети возможно только ступенчатое управление производительностью градирни путем изменения количества одновременно работающих вентиляторов. Если блок градирни состоит из 4 вентиляторов, то это изменение может происходить в пределах от 1 до 4.
Например, анализ зимней загрузки двигателей градирни цеха по производству карбамида позволил установить следующее: потребляемая из сети мощность одним двигателем составляет 70-75 кВт (номинальная мощность двигателя 75 кВт), токи находятся в пределах 187-191 А (при номинальном значении 191 А). Два вентилятора, работающие с номинальной частотой вращения, дают избыточное охлаждение воды, а один вентилятор – недостаточное охлаждение.
При проведении эксперимента в январе 2001 г. с преобразователем частоты на одном из двух работающих двигателей градирни требуемый охлаждающий эффект был получен при работе двигателя с частотой 40 Гц, при которой привод потреблял из сети 38 кВт вместо 72 кВт, т.е. снижение потребляемой мощности в зимнем режиме составила 34 кВт.
В летний период при высоких температурах воздуха должны работать все 4 вентилятора. Так как наибольший эффект от перехода на частотное управление достигается в зимний период, а в весенний и осенний периоды лишь частичный эффект, срок окупаемости затрат на приобретение ПЧ для вентиляторов градирни находится на уровне полутора лет.
Существует еще одна проблема, связанная с эксплуатацией двигателей градирни, которые работают в условиях 100 % влажности. Установлено, что в зимний период нарушается изоляция отключенных от сети двигателей. Применение ПЧ заниженной мощности позволяет снять эту проблему. Для указанных выше двигателей достаточно установить ПЧ со сравнительно небольшой номинальной мощностью (15 кВт), определяемой фактической величиной тока двигателя при частоте 10 Гц, для работы двигателя в зимний период на пониженной скорости при протекании по его обмоткам тока, величина которого достаточна для предотвращения проникновения влаги в них. В летний период двигатель питается непосредственно от сети. При таком подходе срок окупаемости инвестиций на приобретение ПЧ для сезонной работы - один зимний период. Использование ПЧ позволит также осуществлять реверс привода вентилятора, периодически необходимый для устранения обледенения лопастей вентилятора в зимний период.
Существенная экономия энергии достигается и на других механизмах, работающих в продолжительном режиме. Например, на приводе поршневого компрессора с двигателем мощностью 160 кВт (г. Бровары, Киевский завод алюминиевых конструкций) установка преобразователя частоты ATV68 и введение системы автоматического регулирования давления сжатого воздуха при помощи ПИ регулятора преобразователя позволили достичь 33 % экономии энергии. Аналогичная компрессорная установка модернизирована с ПЧ ATV68 160 кВт в августе 2005 г. (порт "Южный"); за полгода эксплуатации определено снижение энергопотребления на 28 %. После модернизации устранены пусковые токи двигателя, вызывавшие провалы напряжения в сети и неблагоприятно сказывавшиеся на других потребителях, в частности, на работе компьютерного оборудования.
Перечисленные объекты промышленных и коммунальных предприятий надежно работают с преобразователями частоты фирмы Schneider Electric, такими как ATV-38, ATV-58 и ATV-68. Сегодня, когда фирма Schneider Electric предлагает новейшие преобразователи частоты ATV-61 и ATV-71, с гораздо более высокими функциональными и эксплуатационными характеристиками, появляются новые возможности эффективного их применения для решения как технологических задач, так и столь необходимого для Украины энергосбережения.
Перечисленные направления работ по внедрению частотно-регулируемых приводов не охватывают и не могут охватить всю гамму вопросов и проблем, с которыми приходится сталкиваться, но, можно надеяться, что они послужат ориентиром в большинстве конкретных задач, связанных с применением ПЧ.