CC BY
19УДК 621.313.333: 658.562 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ЖИДКИХ СРЕД В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
EFFECTIVENESS OF APPLIED PUMPING EQUIPMENT WITH FREQUENCY-REGULATED DRIVE TO CONTROL DELIVERY OF LIQUID MEDIA IN THE PROCESS SYSTEMS
А. Г. Шумихин, П. Ю. Павлуткин, И. А. Вялых
A. G. Shumikhin, P. Yu. Pavlutkin, I. A. Vyalykh
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
Ключевые слова: энергосбережение, асинхронные электродвигатели, частотные преобразователи,
насосные станции, дросселирование Key words: energy conservation, asynchronous electric engines, frequency converters, pumping station, throttling
В настоящее время в насосных агрегатах нефтеперерабатывающей промышленности применяется в подавляющем большинстве нерегулируемый асинхронный электропривод, а режим их работы не связан с фактическим потреблением (расходом) перекачиваемых жидкостей для тех или иных нужд. Как правило, расход жидких сред при этом регулируется дроссельной трубопроводной арматурой вручную или системами автоматического регулирования технологических параметров. Насосы по производительности и создаваемому напору обычно выбирают с большим запасом, что приводит к большим потерям давления при дросселировании регулирующими органами и, следовательно, к перерасходу электроэнергии на привод насосов.
В работе рассмотрен экономический эффект от внедрения частотно-регулируемого привода насосного оборудования на предприятиях нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышленности.
Применение частотного преобразователя позволяет осуществить [5]:
• ПИД-регулирование — встроенный ПИД-регулятор позволяет осуществлять регулирование любого внешнего параметра, поставленного в зависимость от скорости вращения двигателя: расход жидкости, давление, температура и др.;
• плавный пуск — пуск и торможение осуществляется плавно, чтобы уменьшить пусковой ток;
• меньшая частота вращения двигателя — увеличение срока работы подшипников;
• подключение на ходу — возможно подключение преобразователя к еще вращающемуся двигателю, например, при скачке питающего напряжения;
• генераторное торможение — двигатель работает в генераторном режиме, отдавая энергию в резистор звена постоянного тока преобразователя частоты;
• запрещенные частоты — для ряда частот возможен резонанс, поэтому их установка не допускается;
• конфигурируемые цифровые входы-выходы — многочисленные возможности управления.
Задача оценки эффективности применения насосного оборудования с частотно-регулируемым приводом предполагает определение экономии потребляемой из сети электроэнергии асинхронным двигателем и срока окупаемости самого частотного преобразователя. Выбор алгоритма расчета экономии определяется следующим:
1. Построение характеристик Q-h насоса, Q-h сети, Q-N насоса осуществляется по опытным данным (на действующей установке) или характеристики берутся из справочной литературы (на стадии проектирования).
1.1. Построение характеристики Q-h сети без дросселирующей арматуры (без РО).
1.2. Построение характеристики Q-h сети с РО.
1.3. Определение потребляемой мощности нерегулируемым асинхронным двигателем.
1.4. Расчет потребляемой мощности асинхронным двигателем с частотно-регулируемым преобразователем на основе законов кинематического подобия.
2. Расчет экономии по опытным данным, в свою очередь, зависит от схемы измерений (наличие в схеме манометра Рвс (рис. 1)).
Рис. 1. Схема подачи жидкости:
1 — приемная емкость, 2 — напорная емкость, 3 — насос, 4 — дроссельный РО
Рассмотрим подробнее порядок расчета.
1. Построение характеристик (-к насоса, ((-к сети, ((-М насоса.
Типовая схема включения центробежного насосного оборудования для перекачивания жидкости приведена на рис. 1, где в качестве напорной емкости могут служить любые аппараты технологических процессов и производств (теплообменные, колонные и др.); Рн — давление в нагнетательном трубопроводе на выходе жидкости из насоса Па; Рвс — давление во всасывающем трубопроводе на входе жидкости в насос, Па Р2 и Р1 — давления в пространстве нагнетания и в пространстве всасывания, Па кд, кз — вертикальное расстояние между точками измерения давлений Рн и Рвс, Рн и РЗ, соответственно; ( — расход жидкости, м3/с.
Полный напор, развиваемый насосом 3 (см. рис. 1) определяется уравнением, полученным из уравнения Бернулли:
2 2 Р1 ®1 Р2 ®2 ,
* + = 2 2 + + П , (1)
РЯ 2g ря 2g
где 2 — геометрический (высотный напор); р/(р) — пьезометрический (скоростной) напор; &2/(2я) — скоростной (динамический) напор; кП — напор, потерянный на преодоление сопротивлений; а— коэффициент Кориолиса.
Потеря мощности на РО составляет [4]:
Мп = ряОкп = РЯО ■ рРр = (• (Рн - Р3) = ОАрра, (2)
РЯ
где МП — потеря полезной мощности; ( — подача насоса (расход жидкости); р — плотность жидкости; Я — ускорение свободного падения; ЛрРО — потеря давления на РО.
1.1. Построение характеристики сети без дросселирующей трубопроводной арматуры.
Характеристика насоса, представленная в паспорте (на насос) или в справочнике, обычно дана для воды. Между тем насос можно использовать для перекачивания и других жидкостей, физические свойства которых могут значительно отличаться от свойств воды. Характеристику Q-h насоса можно получить опытным путем или из справочной литературы.
Рассмотрим расчет полного напора, развиваемого насосом, на основе данных, полученных опытным путем. Эксперимент проводится по схеме, представленной на рис. 1. Во время опыта снимаются показания манометров и расхода при изменении степени открытия РО. Желательно снять значения при полностью открытом РО и в ряде промежуточных точек; строится характеристика Q-h (рис. 2).
Характеристика насоса по паспорту (при частоте оборотов п1 (п1>п2), перекачиваемая среда - вода)
Характеристика насоса при частоте двигателя п2 и данной вязкости жидкости
Характеристика сети без РО
Qi Q
Рис. 2. Определение характеристики сети без РО
h
Если отсутствует манометр Pвс, то характеристика Q-h берется из паспорта на насос, пересчитывается на вязкость жидкости и номинальную частоту вращения асинхронного двигателя по формуле [1]
п
Q = Q (2)
п
где пь п2 — частота вращения насоса (по паспорту) и двигателя соответственно; Q1 — подача насоса по паспорту.
Пересчет напора на частоту вращения двигателя производится по следующей формуле [1]:
И = И
Г Л2 У
П1 у
(3)
где пь п2 — частота вращения насоса (по паспорту) и двигателя соответственно; И1 — напор насоса по паспорту.
Вычитая из соответствующих значений напора полученной характеристики насоса потерю напора ИП на РО, определяемую по формуле (8) или (9), строим характеристику Q-И сети без РО (см. рис. 2).
1.2. Построение характеристики сети с дросселирующей трубопроводной арматурой.
Точка пересечения характеристики насоса с характеристикой сети называется рабочей точкой, она соответствует наибольшей производительности насоса при его работе на данную сеть [3]. Если требуется более высокая производительность, то необходимо либо увеличить число оборотов двигателя, либо заменить данный насос на насос большей производительности. Увеличение может быть достигнуто также путем уменьшения гидравлического сопротивления сети.
При использовании дросселирующей трубопроводной арматуры (РО) рабочая точка (рис. 3) переместится из точки А (пересечение характеристик насоса и сети без РО) в точку В (пересечение характеристик насоса и сети с РО). Потеря напора, обусловленная потерей на местное сопротивление, при подаче (производительности) насоса QРТ обозначена на рисунке как кП.
Характеристика сети с РО
B 1
Г-Характеристика сети без РО
hп
\-Характеристика насоса
->■
Qpt
Q
h
h
н
Рис. 3. Расчет потери напора на РО
По экспериментальным данным можно получить характеристику насоса Q-h и с ее помощью построить характеристику Q-h сети без РО.
При построении характеристики Q-h сети с РО известны только (см. рис. 3) две точки ^ (работа на закрытую задвижку — напор совпадает с напором ^ характеристики сети без РО) и В (рабочая точка системы с РО). Для восстановления характеристики Q-h сети с РО во всем диапазоне работы насоса Q&[0;QРТ] можно использовать зависимость вида у = ах2, где а в уравнении зависит от геометрической формы местного сопротивления (РО) и не зависит от режима течения жидкости (см. рис. 4), проходящую через точку (0;0) и точку ^РТ^п^РТ)). Коэффициент а можно определить из уравнения:
а К Шр Т )
а = -0—' (4)
МРТ
Рис. 4. График потери напора на РО
1.3. Построение характеристики «подача насоса — потребляемая мощность асинхронным двигателем».
Для того чтобы построить характеристику Q-N (подача насоса — потребляемая мощность асинхронным двигателем), измеряют несколько значений расхода жидкости Q (см. рис. 3), одновременно замеряя потребляемую мощность N электродвигателем из сети. Для наиболее точного построения характеристики Q-N необходимо снять показания при полностью открытом, полностью закрытом РО и в нескольких промежуточных точках.
Тогда потребляемая из сети мощность [2] равна:
N = у[3 • I • и • оозф.
1.4. Определение экономии мощности и расчет экономического эффекта при применении насосов с частотно-регулируемым приводом.
h,N
hн
Характеристика Q-N
Характеристика сети Q-h с РО
Характеристика Q-h насоса Характеристика сети Q-h без РО
Q
Рис. 5. Характеристики насоса и сети
Совмещаем характеристики <2-Н насоса, сети с РО или без РО (в зависимости от того, будет ли полностью открыт РО в технологической схеме регулирования расхода жидкости с помощью ЧП), 12^ на одном графике (см. рис. 5).
Теория подобия лопастных насосов устанавливает следующие зависимости кинематического подобия (если рассматривают зависимости характеристик одного насоса от частоты вращения вала) [1]
а= ^ н 22
Н 2
л, V
V П2 ]
N
N2
л, г
V П2 ]
Р р2
Допустим, что необходимо определить экономию мощности при требуемом расходе жидкости 2ТР (рис. 6)
Qтp Qн Q
Рис. 6. Расчет экономии мощности
При использовании нерегулируемого асинхронного двигателя потребляемая мощность соответствует на графике точке Nдо. Для расчета экономии мощности необходимо найти на кривой <2-Н насоса такую точку Н, которая при изменении частоты вращения двигателя с п1 (номинальная частота вращения двигателя, которой соответствуют характеристики насоса 2-й, <2-Щ до п2 пересечет кривую <2-Н сети в точке ТР. Подача
насоса для точки Н будет составлять QН, а потребляемая из сети мощность — NН. Мощность МН необходимо пересчитать с учетом требуемого расхода QТР (или, что то же самое, на число оборотов двигателя п2). Получим мощность МТР, потребляемую асинхронным электродвигателем при использовании частотного преобразователя. С учетом КПД частотного преобразователя получим
N
N =--.
после КПД
гп част.преобразователя
Без использования ЧП потребляемая мощность была бы Nдо. Следовательно, экономия мощности при требуемом расходе жидкости QТР составит
N = N - N
1У ЭК 1У до 1У после ■
2. Методика расчета экономического эффекта от внедрения частотно-регулируемого привода.
Экономия электроэнергии за время Т при применении частотного преобразователя рассчитывается по формуле
Т
Экономия эл.энергии = |N^1.
0
Экономия электроэнергии в точке [заданного расхода жидкости] при применении частотного преобразователя будет:
(N - N ) Экономия эл.энергии = -• 100%,
N¿0
где Nдо — потребляемая электродвигателем мощность при нерегулируемом приводе, N,0,^ — потребляемая электродвигателем мощность при использовании частотного привода.
Срок окупаемости частотного привода при 24-х часовой работе весь год при заданном расходе вычисляется по формуле:
где стоимость ЧП- стоимость частотного преобразователя, у. е.; стоим. ед. эл.
энергии — стоимость кВт-ч электроэнергии, у. е.
Следует подчеркнуть некорректность оценок по мощности в точке (в одном режиме) для процессов, изменяющихся во времени (например, расход жидкости может изменяться в разное время суток в несколько раз). Полную оценку фактической энергетической эффективности любой системы можно сделать только путем сравнения потребления энергии за некоторый период. В качестве времени для оценки при циклических процессах удобно брать время цикла (например, сутки).
Недостатком частотного привода насосов является нестабильная работа на малых расходах, что делает возможным использование частотного привода при значениях расхода от середины напорной характеристики. При меньших значениях расходов целесообразно использовать регулирование за счет управляющего клапана.
Применение методики. Пример 1. В результате обследования по настоящей методике насоса насосной станции (тип насоса Д 500-65 [6], диаметр рабочего колеса — 465 мм, подача — 500 м3/ч, напор — 65м, частота вращения — 1450 об/мин, КПД максимальный — 75 %, мощность насоса — 135 кВт; используемый электродвигатель — асинхронный, тип Б2808-4У2-5, 3ф~50 Гц, 110 кВт, сс«ф = 0,88; 1485 об/мин, статор А/380 В, 'л = 92,5; 1ном= 200 А. Установлено, что экономия электроэнергии при применении ЧРП достигает « 60 %, срок окупаемости ЧРП составит менее года.
Пример 2. Насос марки НКВ-360/220; р = 315 м3/ч; Н = 25,8 кг/см2, частота вращения 2 950 об/мин установки вакуумной перегонки мазута, перекачиваемая среда —
мазут при температуре 180-210 0С (плотность 950 кг/м3) [7]. Эксперимент проводился одновременным открытием регулирующих клапанов. Асинхронный двигатель — тип ВА 02-450 (высоковольтный) 3 000 об/мин, N = 315 кВт, и = 6000 В. Измерение потребляемого тока проводилось по показаниям амперметра Э8030, 150х5, Кл.2.5, установленным на щите питания двигателя (рис. 7).
Рис. 7. Результаты расчета для насоса НКВ-360/220
В результате обследования по настоящей методике выяснилось, что при применении ЧРП будет достигнута экономия электроэнергии « 23 %, однако срок окупаемости ЧРП составит десять лет (связано с высокой стоимостью высоковольтного частотного преобразователя).
Список литературы
1. Абдурашидов С. А. и др. Насосы и компрессоры. - М.: Недра, 1974. - 296 с.
2. Касаткин А. С. и др. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1999. - 542 с.
3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 784 с.
4. Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987 -576 с.
5. Руководства пользователя частотными преобразователями фирмы Siemens: MICRO/MIDIMASTER (Basic, Vector, Eco, Integrated), COMBIMASTER.
6. Паспорт на насос Д500-65.
7. Паспорт на нефтяной насос НКВ 360/320.
Сведения об авторах
Шумихин Александр Георгиевич, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, тел. 8(342)2391506, e-mail: atp@pstu.ru
Павлуткин Павел Юрьевич, ведущий инженер кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, тел. 8(342)2391506, e-mail: atp@pstu.ru
Вялых Илья Анатольевич, к. т. н., доцент кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, тел. 8(342)2391506, e-mail: via@smtp.ru
Shumikhin A. G., Doctor of Engineering, professor, head of the chair «Automation of technological processes and production», Perm National Research Polytechnic University, phone: 8(342)2391506, e-mail: atp@pstu. ru
Pavlutkin P. Yu., leading engineer of the chair «Automation of technological processes and production», Perm National Research Polytechnic University, phone: 8(342)2391506, e-mail: atp@pstu.ru
Vyalykh I. A., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Automation of technological processes and production», Perm National Research Polytechnic University, phone: 8(342)2391506, e-mail: via@smtp.ru
