Кейс №6 

«Мероприятие по
установке частотно-регулируемого привода»

В общем балансе электропотребления страны на долю электропривода приходится по разным оценкам 30–40%. Соответственно, здесь сосредоточен наибольший потенциал экономии электроэнергии. Нерациональные потери в электроприводе вызваны, главным образом, несоответствием его параметров требуемым. Например, развиваемый насосом напор создаёт в гидравлической системе давление 60 м в. ст., а достаточным является давление 40 м. При этом эксплуатационный персонал либо не предпринимает никаких действий, что приводит к перерасходу не только электроэнергии, но и воды, а также к ухудшению условий работы для оборудования в системе, либо ограничивает давление выходной задвижкой насоса. В последнем случае кроме потерь энергии в задвижке имеет место нарушение правил эксплуатации запорной арматуры.

Регулируемый привод также позволяет:

– регулировать выходные параметры;

– осуществлять плавный пуск электродвигателя.

Современные преобразователи частоты (ПЧ) содержат регулятор технологического процесса, которого часто достаточно для стабилизации выходного показателя системы (давления, температуры и др.). Если же ЧРП включён в систему управления более высокого уровня, то обеспечивается и более сложное управление необходимым параметром.

Область применения

Промышленные предприятия, ЦТП, котельные, ТЭС.

Определить:

1. Мощность по току и напряжению электродвигателя с допущением постоянных и равных номинальным величинах КПД и cosf

2. Требуемый напор насоса

3. Напор насоса при нулевом расходе

4. Относительное изменение мощности

5. Уменьшение средней потребляемой мощности

6. Годовое снижение электропотребления при непрерывной работе насосов

7. Годовую экономию в денежном выражении

8. Срок окупаемости мероприятия:

Методика расчёта эффективности мероприятия
для одного насоса (вентилятора)

Шаг 1. Величина потребляемой из сети мощности насоса [кВт] равна

, (1)

где G [кг/ч] – массовый расход жидкости; Н [м] – напор. Напор механизма представляет собой разность давлений на его выходе и входе: ; ρ [кг/м³] – плотность рабочей среды. Её величина зависит от температуры и давления, но можно для воды приближённо считать ρ = 1000 кг/м³; ή_мех, ή_{эл.прив} – КПД механический и электрического привода соответственно.

При работе от ПЧ уменьшаются магнитные потери в двигателе и изменяются электрические потери. Но поскольку оценить изменение электрических потерь сложно (зависят от законов регулирования технологического параметра и преобразователя), целесообразно считать и при работе с ПЧ кпд электродвигателя постоянным и равным номинальному, а при отсутствии данных по конкретному типу ПЧ принимать ή_преоб = 0,98.

Для газодувных машин:

, (2)

где V [м³/ч] – объемный расход газа.

Здесь расходы жидкости (газа) G(V) определяются технологическим процессом и от установки ЧРП не меняются.

До установки ЧРП давление на выходе механизма либо снижается до необходимого уровня в дросселирующем устройстве (задвижка, клапан, направляющий аппарат), либо при отсутствии регулирования определяется характеристикой механизма и изменяется в зависимости от расхода рабочей среды.

В последнем случае следует определить необходимое (требуемое – Н_треб) давление на выходе механизма, исходя из свойств технологического процесса.

При установке ЧРП КПД электропривода изменяется в известное число раз (ή_преоб = 0,98) и остаются две составляющие изменения потребляемой мощности: изменение напора и КПД механизма.

Шаг 2. Влияние ЧРП на КПД насоса качественно иллюстрирует рис. 1.

В первом режиме работы с подачей G₁, напором H₁ и КПД ή₁, соотношения между которыми определяются заводскими (каталожными) характеристиками H₀(G₀), ή(G₀), давление после нерегулируемого насоса снижается в дросселирующем устройстве до Н_треб1. После установки преобразователя частоты рабочая точка G₁, Н_треб1 по теории подобия перемещается на характеристику H_f(G_f) по параболе, проходящей через начало координат. КПД при этом определяется величиной G₀₁ и равен ή_пч1, который больше ή₁. Аналогично для режима 2 с подачей, превышающей номинальную, на рис. 4.6.1 показано, что после установки ПЧ КПД уменьшается с ή₂ до ή_пч2. Поскольку, как правило, приводимые механизмы работают без превышения номинальных расходов, установка ЧРП приводит к повышению КПД.

Рис. 1. Графические построения для определения КПД
регулируемого насоса по его характеристикам

Определить количественные изменения КПД при переходе на работу с регулируемым приводом можно графически, как показано на рис. 4.6.1. Но такие достаточно громоздкие построения уместны в проекте установки конкретного ПЧ. Для энергоаудита целесообразно пользоваться приведённой ниже упрощенной методикой.

Обозначим исходные величины (до установки ПЧ) индексом «0» (Р₀, Н₀ и т.д.), а после установки ПЧ – «пч» (Р_пч и т.д.). С учётом принятого выше соотношения ή_{эл прив пч}=0,98·ή_{эл прив 0} по формулам (4.6.1) или (4.6.2) относительное изменение мощности:

. (3)

Следовательно, величина относительного изменения мощности равна увеличенному в 1,02 раза частному от деления относительного изменения напора Н_пч/Н₀ на относительное изменение КПД ή_пч/ή₀ минус единица. Если при расчёте учитывать не обобщённый КПД преобразователя частоты 0,98, а фактический для известного типа, то в формуле (3) следует заменить коэффициент 1,02 на действительную величину 1/ή_преобр.

Фактический напор Н₀ измеряется при обследованиях, а после установки ПЧ принимается равным требуемому технологическим процессом с учётом давления на входе механизма, т.е. Н_пч = Н_треб.

КПД механизма с нерегулируемым приводом можно вычислить по формулам (4.6.1), (4.6.2). При сложностях с измерением расхода можно воспользоваться заводскими характеристиками, определяя по ним и измеренной мощности Р₀ расход G₀ и КПД ή₀ (по характеристике насоса графически определять расход по напору не следует, так как получается очень большая погрешность).

При отсутствии характеристик приближённый расчёт расхода и КПД можно выполнить при аппроксимации характеристик напора и КПД квадратичными зависимостями. Для насоса, имеющего, как правило, наибольший напор при нулевом расходе:

, (4)

, (5)

где Н_G=0 – напор при нулевом расходе.

Значение Н_G=0 можно вычислить по известным значениям напора и расхода в каком-либо режиме, например, во время обследования Н_обсл, G_обсл

. (6)

Из выражений (4), (5) следует:

, (7)

. (8)

При регулировании частоты вращения механизма КПД определяется расчетным расходом G_расч (на рис. 1 G₀₁, G₀₂), находящимся на пересечении заводской характеристики H(G) и параболы, проходящей через начало координат и точку G_пч, Н_пч

(9)

Приравниваем правые части выражений (4) и (9) получаем

(10)

или

. (11)

При известном G_пч = G₀ вычисляются G_расч/G_ном по (11), ή_пч/ή_ном – по (4.6.8) и конечный результат ΔР/Р₀ – по (4.6.3).

Для газодувных машин (ГДМ) в отличие от насосов максимум напора приходится не на нулевой расход газа, а примерно на расход V_Hmax =
= (0,3–0,5)V_ном. При этом аналитическая зависимость напора от расхода оказывается несколько более громоздкой:

, (12)

где Н_max, V_Hmax, Н_ном, V_ном берутся из характеристик ГДМ, причём точкой номинального режима следует считать приходящуюся на максимум КПД.

Соответственно, вместо формул для насосов (10), (11) для ГДМ V_расч вычисляется по формуле 13:

, (13)

где а = (Н_ном –Н_max) / (V_Hmax – V_ном)²; b = Н_пч/ V_пч².

Шаг 3. Если механизм имеет несколько характерных режимов, например, для сетевого насоса зимний и летний, то, соответственно, вычисляются относительные, затем и абсолютные изменения мощностей для каждого режима.

Снижение электропотребления за год от регулирования электропривода

, (14)

где Т_i – продолжительность периода в часах и ∑Т_i = 8760 час.

Стоимость сэкономленной электроэнергии рассчитывается по установленным для потребителя тарифам.

Шаг 4. Тогда годовая экономия в денежном выражении составит:

Э = DЭ×Т, руб. (15)

где Э [руб.] – экономия в денежном выражении; ΔЭ [кВт·ч] – снижение электропотребления за год от регулирования электропривода; – тариф на электрическую энергию.

Пример расчёта

Необходимо произвести оценку годовой экономии от внедрения мероприятия в натуральном и денежном выражении для ЦТП, на котором в системе ХВС установлены повысительные насосы типа К 100-65-200 с электродвигателями мощностью 30 кВт.

Характеристики насоса:

Мощность электродвигателя P_ном = 30 кВт.

Подача насоса G_нас = 100 м³/ч.

Напор Н_нас = 50 м.

КПД насоса ή_нас = 0,69.

Ток электродвигателя I_ном = 55,7 А, cosf = 0,91, КПД ή_дв=0,90.

Самый высокий дом в микрорайоне – 16-ти этажный, схема ГВС – циркуляционная.

Одноставочный тариф на момент обследования Т = 4,177 руб./кВт·ч.

Обследованиями получены следующие средние показатели:

Расход воды G₀ = G_пч = 50 м³/ч.

Давление на входе насоса Н_вх = 20 м:

– на выходе – 75 м.

– после подогревателя ГВС – 73 м.

Ток электродвигателя I = 29А.

Напряжение на двигателе U = 380 В.

В работе 1 насос.