CC BY
101
УДК 697.8
Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, А. Р. Садртдинов
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ ГАЗО-ВОЗДУШНОГО ТРАКТА ПЕЧЕЙ И КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ РАБОТАЮЩИХ НА ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДАХ
Ключевые слова: энерго-ресурсосбережение, газо-воздушный тракт, дроссельное регулирование, преобразователь частоты, частотное регулирование, оптимизация технологического процесса, улучшение условий труда.
Определено влияние характеристик установленного оборудования и режимов их работы на экономию энергии и эффективную работу газовоздушного тракта печей и котельных агрегатов. Разработан способ регулирования параметров заключающийся во внедрении в систему управления преобразователя частоты, который позволяет сэкономить до 70% электроэнергии и увеличивает срок эксплуатации оборудования.
Keywords: saving resource and energy, gas-air tract, throttle regulation, converter of the frequency, frequency regulation, optimization of the technological process, the improvement of
the conditions of the labor.
The Certain influence of the features of the installed equipment and mode of their work on spare energy and efficient work gas-air tract of the stoves and boiler unit. The Designed way of the regulation parameter concluding in introduction in managerial system of the converter of the frequency, which allows to spare before 70% electric powers and enlarges the period to usages of the equipment.
При разработке и проектировании технологических процессов всегда стоял вопрос энерго и ресурсосбережения. Особенно это важно при разработке процессов термической утилизации различных видов отходов в печах и котельных агрегатах, которые в большинстве случаев энергозатратны и не имеют экономической выгоды.
Проведенный анализ существующих методов оптимизации термических процессов сжигания различных топлив показал, что в основном энергетические затраты связаны с работой системы газо-воздушного тракта печи или котлоагрегата, которые зависят от расхода сети и потери напора на установленном оборудовании [1,2]. Кроме того, существенное влияние на потери энергии оказывают режимы работы системы, которые могут создавать нестабильное давление перед дымососом [3].
В большинстве случаев такой характер взаимосвязи параметров обусловил установку в системе газо-воздушного тракта дроссельных элементов - регулирующих клапанов. Эти элементы создают дополнительное гидравлическое сопротивление и позволяют обеспечить стабильное давление в системе газоходов [2].
На величину потерь при дроссельном регулировании влияет не только регулирующий элемент но и дымосос имеющий определённый запас мощности. К примеру при замене дымососа новое оборудование может иметь несколько завышенные характеристики, что изменит диапазон изменения давлений в газо-воздушном тракте. Все эти обстоятельства приводят к тому, что потери энергии в ходе технологического процесса могут достигать 45 и более процентов от номинальной мощности агрегата [4].
Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в газо-воздушном тракте, необходимо исключить дополнительные гидравлические сопротивления, то есть необходимо полностью открыть всю запорно-регулирующую арматуру. Однако это возможно, если процесс регулирования давления будет осуществлять непосредственно дымосос. Теория работы нагнетателей (вентиляторов, дымососов и т.д.) доказывает, что изменение частоты вращения привода нагнетателя изменяет его напорные характеристики, кроме того, напор создаваемый нагнетателем, пропорционален квадрату частоты вращения агрегата [1].
Изменение напорных характеристик дымососа при изменении частоты вращения отражено на рис.1, где кривая 1 соответствует номинальной напорной характеристике, а кривые 2-3 - напорным характеристикам при пониженной частоте вращения.
i
4 д\ 1
Не ^^ \ 2 ^^ 3
1 i i i Q, м -
1/2Qhom Qhom
Рис. 1 - Изменение характеристик дымососа (1,2,3) при частотном регулировании: 1 -1000 об./мин; 2 - 900 об./мин; 3 - 750 об./мин; 4 - характеристика сети
Если организовать работу привода дымососа таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода сети и давления на входе) изменял частоту вращения, то можно без существенных потерь энергии отрегулировать и стабилизировать давление в сети. При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов).
На основании анализа данных был разработан способ регулирования давления в га-зо-воздушном тракте и подачи воздуха, заключающийся во внедрения в систему управления преобразователя частоты (ПЧ), схема которого представлена на рис.2.
Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство, которое на выходе формирует электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой. Регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.
Предложенный метод регулирования давления в газо-воздушном тракте путём изменения частоты вращения привода дымососа позволяет не только снизить энергопотребление но и оптимизировать технологический процесс, т.к. дымосос имеет свой коэффициент полезного действия (КПД), и при различных частотах вращения в зависимости от расхода Q он изменяется (рис.3).
Рис. 2 - Схема регулирования давления в газо-воздушном тракте и режимных параметров при помощи преобразователя частоты
Рис. 3 - Изменение КПД дымососа в зависимости от производительности при изменении частоты вращения: 1 - 750 об./мин; 2 - 900 об./мин; 3 - 1000 об./мин
Как видно на рис. 3, в соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты дымососа при изменении расхода показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Если рассмотреть работу дымососа для расхода меньше номинального (вертикальные линии А и В), то для этих режимов рационально работать на пониженной частоте вращения. В этом случае КПД дымососа выше, чем при работе на номинальной частоте вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счёт повышения коэффициента полезного действия самого дымососа.
Следует отметить, что экономический эффект зависит от многих факторов характерных для каждой конкретной установки. Для оценки экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода и расчета экономии, во многих случаях используется формула [5]:
Ni - N2 = r • g • Q • (Hi - H2), (1)
где Q - расход; H - напор; N - мощность потребляемая электродвигателем.
Индексы 1 и 2 относятся к первому и второму режимам работы оборудования соответственно.
Потребляемая мощность определятся следующим образом: при дросселировании из выражения
^рос = Nmin + (Nmax - Nmin) ' (Q/Qmax); (2)
при частотном регулировании из выражения
N4pn = N max (Q/Q max ). (3)
Зависимость потребляемой мощности при дросселировании (^р0с) и при использовании ЧРП (N4pn) от относительного расхода Q/Qmax (Q - текущий расход, Qmax - максимальный расход) изображена на рис.4.
О 0,25 0,5 0,75 1,0 Q/Qmax
Рис. 4 - Зависимость потребляемой мощности дымососа от расхода при частотном и дроссельном регулировании
Согласно представленным данным, потребление мощности при использовании ЧРП, в отличии от дроссельного регулирования, имеет криволинейный характер и обеспечивает экономию электроэнергии (Рэконом).
Однако формула (1) не учитывает то, что при изменении напора дымососа частотным регулированием меняются характеристики и самого дымососа. В результате для вычисления величины снижения потребляемой мощности и получения достоверных расчетов, было предложено использовать законы подобия [1]:
Н1 / Н2 = П12 / П22; (4)
N1 / N2 = П13 / П23; (5)
01 / 02 = П1 / П2, (6)
где П - частота вращения.
То есть снижение потребляемой мощности пропорционально снижению оборотов двигателя в кубе. Данные показывают, что даже в системах с постоянным расходом можно получить эффект от применения ПЧ, а суммарное снижение потребления электроэнергии
при использовании преобразователя частоты может достигать 50%, даже при идеально подобранном оборудовании, работающих в сетях с переменным расходом.
Для определения срока окупаемости, а следовательно, оценки экономической эффективности применения ЧРП используется формула:
Ток = СТчрп / СТээ, (7)
где Ток - срок окупаемости установки ЧРП, год.; СТээ - стоимость сэкономленной электроэнергии и ресурсов за один год, руб.; СТчрп - стоимость ЧРП, руб.
Кроме экономического эффекта в виде экономии электроэнергии, при внедрении ЧРП обеспечивается:
- снижение износа арматуры;
- плавное включение и выход на рабочий режим дымососа;
- полная защита электродвигателя;
- увеличение ресурса электродвигателя;
- снижение уровня шума, что особенно важно при расположении дымососа вблизи жилых или служебных помещений;
- упрощается дальнейшая комплексная автоматизация объектов системы дымоудо-
ления.
Также, использование частотно регулируемых электроприводов в котельных позволяет:
- решать задачу согласования режимных параметров и энергопотребления тяго-дутьевых механизмов с изменяющимся характером нагрузки котлов;
- эффективно автоматизировать технологический процесс;
- сэкономить до 70% электроэнергии, идущей на приведение в действие дымососа и вентилятора;
- обеспечивает экономию топлива за счет оптимальной совместной работы вентилятора и дымососа;
Практика применения частотных преобразователей для управления дымососами, вентиляторами и насосами доказывает целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания специализированных систем управления технологическим процессом [6]. Именно такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой электрической энергии, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов и улучшения условий труда. Современные преобразователи частоты позволяют контролировать более 20 параметров состояния электропривода. Соответствующая обработка этих параметров позволяет проводить глубокое диагностирование, как оборудования системы, так и протекающих процессов. Появляется возможность не только реагировать на возникшую аварию, но и предупреждать её, что для энергетических объектов значительно важнее [7].
Создание системы с частотно-регулируемыми приводами, в которых управление частотой осуществляется в комплексе с различными технологическими параметрами, позволяет снизить не только потребление электрической энергии, но и обеспечивает экономию потребления энергоресурсов всей системы.
Целесообразно использование преобразователей частоты не в качестве элементов системы управления конкретного агрегата, а как составляющих комплексных системных решений с подключением широкого набора средств автоматизации технологического процесса. Такие решения позволяют получить дополнительный эффект, который заведомо больше простой экономии электрической энергии.
Литература
1. Бутаков, С.Е. Воздухопроводы и вентиляторы / С.Е. Бутаков. - Машгиз, 1958. - 352 с.
2. Ковалев, А.П. Атлас котельных агрегатов / общ. ред. А.П. Ковалев. - М.: Госэнергоиздат, 1958. - 120 л. - Б.ц.
3. Щекин Р.В. Справочник по теплоснабжению и вентиляции / Р.В. Щекин, С.М. Кореневский, Г.Е. Беем [и др.]. Изд. 4-е, перераб. - К.: Буд1вельник, 1976. - 416 с.
4. Сидельковский Л.Н. Котельные установки промышленных предприятий / Л.Н. Сидельковский, В.Н. Юренев. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 256 с.
5. Смирнов А.Д. Справочная книжка энергетика / А.Д. Смирнов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М: Энергия, 1972. - 424 с.
6. Клюев А. С. Проектирование систем автоматизации технологическими процессами: Справочное пособие / А.С. Клюев. - М.: Энергоатомиздат. 1990
7. Невский, А.В. Термодинамический подход к проектированию энергосберегающих химико-технологических систем водопотребления / А.В. невский, В.С.Ватагин, В.А. Шарнин, О.А. Уса-нова, М.В. Бушуев // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2010. - №2. -С. 145-148.
© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, tnail@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, safin_rg@kstu.ru; А. Р. Садртдинов - асп. той же кафедры, dog_home@mail.ru.
