CC BY
37
УДК 621.51
Д. В. УСТИМЕНКО, А. В. HIKITEHKO (ДИТ)
ЕФЕКТИВН1СТЬ ВПРОВАДЖЕННЯ СИСТЕМ 13 ЧАСТОТНО-КЕРОВАНИМИ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ HACOCIB
Основна увага в статп придшяеться пор1внянню енергетичних втрат у приводах насоав з р1зними видами керування. Наведений матер1ал opieHTye у визначенш тих вузл1в приводних систем, де найбшьш випдне застосуваиия частотного керування.
Ключовi слова: частотне керування електроприводом насоса, енергетичш втрати, ефектившсть впрова-дження
Основное внимание в статье уделяется сравнению энергетических потерь в приводах насосов с различными видами управления. Приведенный материал ориентирует в определении тех узлов приводных систем, где применение частотного управления наиболее выгодно.
Ключевые слова: частотное управление электроприводом насоса, энергетические потери, эффективность внедрения
In the article the basic attention is paid to comparison of power losses in drives of pumps with various kinds of control. The resulted material focuses in determination of those units of the drive systems where the application of a frequency control is the most advantageous.
Keywords: frequency control of pump electric drive, power losses, efficiency of introduction
Можливють регулювання частоти обертання короткозамкнених асинхронных електродвигу-шв була доведена зразу ж теля 1х винайдення [1]. Реал1зувати цю можливють вдалося лише з появою силових нашвпровщникових пристро1в. В сучасних електроириводах у всьому евт широко реал1зуеться частотний спос1б керування асинхронною машиною, який розглядаеться не тшьки з точки зору економп електроенергп, але й точки зору удосконалення керування техно-лопчним ироцесом [2].
В Укра1ш склалась дещо шша ситуащя. Час-тотно-кероваш електроприводи, що вщповща-ють вимогам надшност1 I електромагштно! су-мюносп з мережами, з'явились на украшсько-му ринку пор1вняно шзно. Досвщ застосування тиристорних привод1в сформував уиереджене ставлення до використання сучасних перетво-рювач1в частоти, а вщповщно очшуваного еко-ном1чного ефекту вщ !х впровадження частина спещалют1в виражае недов1ру.
Враховуючи пор1вняно велику вартють на-
и1виров1дникових иеретворювач1в, що застосо-вуються для регулювання частоти обертання асинхронних привод1в, на сьогодшшнш день найбшьш важливим е питания повернення ко-шт1в вкладених в !х впровадження. Тому особлива увага в статп придшяеться пор1внянню енергетичних втрат в приводах насос1в з р1зни-ми видами керування. Матер1ал статп не мае економ1чних розрахунюв але ор1ентуе у визначенш тих вузл1в приводних систем, де найбшьш випдне застосування частотного керування.
Узагальнена технолопчна схема системи, що забезпечуе подачу води в мережу спожива-ча з постшним заданим тиском (рис. 1) [3]. Ос-новними елементами схеми е зашрш технолоп-чш засувки 31 I 32, насосний агрегат Р, зворот-нш клапан К1, фшьтр води Ф I регулювальний клапан К2. В цш схем1 можна видшити I основ-ш технолопчш параметри, серед яких Н1 - натр, що створюеться джерелом подач1 води;
Рис. 1. Спрощена технолопчна схема з насосним агрегатом
© Устименко Д. В., Нттенко А. В., 2011
Н - натр теля насосного агрегату; Нк - натр перед регулювальннм клапаном; Нс - натр в мереж1 споживача, \ Q1 - Q3 - витрати води в мереж споживача. Кр1м того, можна впдшити натр Нн, що розвиваеться насосним агрегатом, а також втрати напору на елементах сис-теми м1ж насосним агрегатом Р \ мережею спо-живач1в: АН1 - втрати напору на елементах 32 1 Ф 1 ДН2 - втрати напору на регулювальному клапат.
Розглянувши енергетичш характеристики технолопчного процесу об'екту, можна записа-ти, що необхщна (корисна) енерпя для подач1 води споживачу може бути розрахована як Жс = Нс • (Q1 + Q2 + Qз) . Для нормально! роботи мереж1 часпше за все необхщно створення по-стшного значения напору Нс. Величини витрат Q1 - Q3 визначаються споживачем \ з часом можуть змшюватпсь. Пдравл1чна енерпя, що розвиваеться насосним агрегатом, може бути отримана як Жн = Нн • (Q1 + Q2 + Q3), де сума витрат представляе собою загальну витрату води Qc в мережа В ¿деальному випадку бажано, щоб зберпалась р1втсть м1ж Жс 1 Жн. В реаль-нш систем! м1ж насосним агрегатом 1 мережею встановлеш елементи ¿з своши пдравл1чннмп опорами, на яких втрачаеться частина напору АНд = АН1 + АН2. Таким чином, втрати енергп на технолопчне забезпечення параметр1в рщн-ни, що перекачуеться можна визначити як АЖв = ДНв + Qc. Вщповщно, для шдтрнмання заданих технолопчнпх параметр1в мереж1 насос повинен розвивати пдравл1чну потужтсть К = Нс •(Ql + Q2 + Qз) + АНв .(Ql + Q2 + Qз).
Останнш вираз показуе, що втрати енергп в технолопчному процес1 залежать вщ витрат мереж1 (технолопчне навантаження), яю визначаються споживачем, 1 втратами напору на об-ладнаш насосно! станцй АНв, яю в свою чергу визначаються пдравл1чними опорами елеменпв схемн. В загальному випадку оцшити щ втрати напору можна пор1внявши показания маномет-р1в перед нашрною засувкою 32 I манометра в трубопровод! мережт Для оргашзаци технолопчного процесу з мшмальнпмн енергетнчнимп втратами необхщно, в першу чергу, знизити втрати напору м1ж трубопроводом насосного агрегату 1 мережею споживач1в - АНв.
Розглянемо роботу технолопчного процесу, з точки зору змшн параметр1в навантаження
мереж1 - Qc. Для цього скористаемось вщомн-ми Q - Н характеристиками для насосних аг-регапв 1 мереж1 (рис. 2) [4]. Крива 1 вщповщае нашрнш характеристик насосного агрегату, а крива 2 - пдравл1чнш характеристищ мереж1, де Н0 - необхщний статпчнпй натр мережа Точка перетину цих характеристик е ¿деальною розрахунковою точкою спшьно! роботи насосного агрегату \ мереж1 (Qнoм). При змш1 витрати в мереж1 змшюеться \ И пдравл1чна характеристика - лшп 3-5. Вщповщно будуть здвпга-тись точки перетину характеристик. Як видно з рис. 2 ¿з зменшенням витрати збшьшуеться тиск в мережа Кр1м того, в процес1 функцюну-вання в залежносп вщ режимв роботи системи може змшюватпсь тиск перед насосом. Змшн цього тиску також вщображаються на величин! тиску в мереж1 спожпвач1в.
Такнй характер взаемозв'язку параметр1в потребуе встановлення в систем! дросельних регулюючпх елеменпв, яю створюють додат-ковнй пдравл1чнпй ошр \ дозволяють забезпе-чптн стабшьний тиск в натрнш мапстрат.
Рис. 2. Характеристики насосного агрегату \ мереж! без регулювання тиску
При використанш дросельних елеменпв пе-рерозподшяеться натр на елементах системи, як показано на рис. 3, де АНд - спад напору на дросельному елеменп.
Для шдтрнмання заданого тиску в натрнш мапстрат при змш1 витрати рщннн змшюють пдравл1чний ошр регулювального елемента. При цьому загальна пдравл1чна характеристика буде мати бшьш крутий вид. Величина АНд з таким регулюванням збшьшуеться. Таким чи-
ном, чим глибше виконуеться дроселювання регулюючим елементом, тим бшьше енергети-чних втрат зазнае весь технолопчний процес.
раметр1в технолопчного процесу зм1нював частоту обертання, то в результат! можливо без ¿стотних втрат енергп стабшзувати тиск в мереж!. При такому cnoco6i регулювання виклю-чаються втрати напору, а вщповщно, i втрати пдравл1чно! енерги.
Рис. 3. Характеристики насосного агрегату i мереж! з дросельним регулюванням
На величину втрат при дросельному регу-люванш впливае не тшьки регулюючий еле-мент: часпше за все на еташ проектування ви-бирають насосний агрегат з запасом напору, а при замш насосних агрегапв нове обладнання може мати дещо завищеш HanipHi характеристики. KpiM того, д1апазон змши вхщного тиску (перед насосом) впливае на величину тиску за насосом. Bei щ обставини призводять до того, що втрати eHeprii' на ход1 технолопчного процесу е досить суттевими i можуть досягати 45 i бшьше вщеотюв вщ номшально! потужносн агрегату.
Для виршення задач! мш1м1зацп втрат, пов'язаних з регулюванням тиску в мереж1, не-обхщно виключити додатков1 пдравл1чш опори на д1лянщ вщ насосного агрегату до нашрно! мапстрат, тобто необхщно повнютю вщкрити всю зап1рну арматуру. Це можна зробити, якщо процес регулювання тиску передати насосному агрегату. Теор1я роботи Hacociß доводить, що змша частоти обертання приводу насоса змшюе його HanipHi характеристики. KpiM того, напор, що створюеться насосом, пропорцшний квадрату частоти обертання агрегату.
Змша нашрних характеристик при 3MiHi частоти обертання показана на рис. 4, на якому крива 1 вщповщае номшальнш нашрнш характеристик, а крив1 2-4 - нашрним характеристикам при зниженш частот! обертання.
Якщо оргашзувати роботу привода насосного агрегату таким чином, щоб вш при змш па-
Рис. 4. Характеристики насосного агрегату I мереж! з частотним регулюванням
Спос1б регулювання тиску в мереж1 шляхом змши частоти обертання привода насосного агрегату знижуе енергоспоживання також 1 по шшш причин!. Насос як пристрш перетворення мае свш коефщент корисно! дй. Характер зм> ни ККД насоса в залежносн вщ витрати рщини при р1зних частотах обертання наведено на рис. 5.
У вщповщносн з теор1ею под1бносн максимум ККД ¿з зменшенням частоти обертання дещо знижуеться 1 змщуеться вл1во. Якщо роз-глянути роботу агрегату для витрати менше вщ номшально! (вертикальш лшп А 1 В), то для цих режимв рацюнально працювати на зниженш частот! обертання. В цьому випадку ККД насоса вище шж при робот1 на номшальнш частот! обертання. Таким чином, зниження частоти обертання у вщповщносн з технолопчним навантаженням дозволяе не ильки заощаджу-вати електричну енерпю на виключення гщра-вл1чних втрат, а також отримати економ1чний ефект за рахунок пщвищення ККД самого насоса.
Використання частотного керування приводами дозволяе суттево зменшити 1 експлуата-цшш витрати, що пов'язаш з обслуговуванням агрегапв 1 систем.
1/2
Рис. 5. Змша ККД насосного агрегату з частотним регулюванням при змш продуктивное™
Практика використання частотних перетво-рювач1в для керування насосами 1 вентиляторами доводить доцшьшсть не просто включения перетворювача для керування агрегатом, а створення спещал1зованих систем керування технолопчним ироцесом. Саме такий тдхщ дозволяе отримати економ1чний ефект не тшь-ки вщ зниження споживано! потужност1 з елек-трично! мереж1, а й досягти суттевого змен-шення експлуатацшних витрат, полшшення умов пращ 1 збшьшення терм1ну експлуатацп обладнання. Сучасш перетворювач1 дозволяють отримувати бшьше 20 параметр1в стану елект-ропривода. Вщповщне опрацювання цих пара-метр1в дозволяе проводити глибоке д1агносту-вання як обладнання системи, так 1 процес1в, що протшають. З'являеться можливють не тшьки реагувати на авар1ю, а й попереджувати И виникнення, що для енергетичних об'екпв значно важливше.
Пщбиваючи шдсумки, можна зробити наступи! висновки.
Використання частотно-регульованих при-вод1в для насос1в { вентилятор1в в технолопч-них процесах дозволяе знизити енергоспожи-вання технолопчним обладнанням. Перед початком впровадження рекомендуеться провести техшко-економ1чне обгрунтування, що дозволить визначити не тшьки термш окупносп вщ впровадження але й правильно оргашзувати технолопчний процес з урахуванням можливо-стей привод1в з частотним регулюванням. До-цшьно використовувати перетворювач1 частоти не в якосп елеменпв системи керування конкретного агрегату, а як складових комплексних системних ршень з пщключенням широкого набору засоб1в автоматизацп технолопчного процесу. Таю ршення дозволяють отримати додатковий ефект, який заздалегщь бшьше вщ просто! економп електрично! енергп.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Москаленко, В. В. Электрический привод [Текст] / В. В. Москаленко. - М.: Академия, 2007. - 362 с.
2. НокепЬе^ег, К. Изложение о центробежных насосах [Текст] : техн. доклад К8В (1999) / К. НокепЬе^ег. - 4-е изд., перераб. и расш. -Франкенталь (Пфальц): К8В-СКЯ, 2001. -110 с.
3. Якубчик, П. П. Насосы и насосные станции [Текст] : учеб. пособие / П. П. Якубчик. - СПб.: ПГУПС, 1997. - 108 с.
4. Малюшенко, В. А. Энергетические насосы [Текст] : справ. пособие / В. А. Малюшенко, А. К. Михайлов. - М.: Энергоиздат, 1981. -200 с.
Надшшла до редколегп 25.01.2011.
Прийнята до друку 28.01.2011.
