CC BY
46
УДК 621.31-83-52
Экономическая эффективность применения частотно-регулируемого привода для нагнетательных машин
А. А. Злобин,
НИУ МЭИ, заведующий НИЛ методологии энергетических обследований, кандидат технических наук, доцент
А. П. Мальцев,
НИУ МЭИ, ведущий инженер НТИЦ ЭТТ, кандидат технических наук, доцент И. Ю. Медведева,
НИУ МЭИ, научный сотрудник НТИЦ ЭТТ Г. А. Романов,
НИУ МЭИ, заведующий НИЛ теоретических проблем энергосбережения НТИЦ ЭТТ, кандидат технических наук
В статье анализируются основные способы регулирования применительно к нагнетательным машинам с экономической оценкой указанных способов. Представлены алгоритм расчёта и численные примеры для определения эффективности регулирования изменением числа оборотов двигателя.
Ключевые слова: частотно-регулируемый привод, нагнетательная машина, экономическая эффективность, простой срок окупаемости.
Основные задачи регулирования нагнетательных машин определяются режимами работы машин в составе технологических комплексов. При работе машин на такую сеть подача нагнетателей определяется рабочей точкой А (рис. 1 а-в), которая получается пересечением характеристик сети и машины.
В реальных условиях эти характеристики могут изменяться. Так, при снижении нагрузки парового котла необходимо уменьшать одновременно подачу питательных насосов, дутьевых вентиляторов и дымососов, а также снижать расход топлива. В таких
Н
А
B-----: -
условиях экономичность установки зависит от КПД машины не только при расчётном режиме, но и при сниженных нагрузках.
С этой точки зрения промышленные установки можно разделить на три группы.
К первой группе относятся установки, которые требуют постоянного давления для перемещаемой среды (пневмоинструмент, открытые градирни, молоты и т. д.). Задачей регулирования в данном случае является поддержание постоянного давления (H = const) при переменном расходе (V = var).
Рис. 1. Процесс регулирования нагнетательной машины:
а — при постоянном напоре и переменном расходе; б — при постоянном расходе и переменном напоре; в — при переменном напоре и расходе
D
Ко второй группе относятся установки, требующие постоянного количества среды при переменном давлении (системы отопления при качественном регулировании отпуска теплоты). Задачей регулирования в этом случае является поддержание постоянного расхода (V = const) при переменном давлении (H = var).
К третьей группе принадлежат установки, для которых возможно изменение давления и расхода среды (системы вентиляции, циркуляционные закрытые схемы движения среды и т. д.). Задачей регулирования в этом случае является изменение расхода среды (V = var) при переменном давлении (H = var).
Экономия энергии при изменении числа оборотов для трёх групп установок на рис. 1 пропорциональна заштрихованным площадям. Регулирование с помощью изменения числа оборотов наиболее эффективно для варианта, в котором характеристика сети близка к параболе и остаётся неизменной в процессе регулирования (рис. 1 в).
Экономия энергии при переходе из рабочей точки А нагнетателя с помощью частотно-регулируемого привода в точку А':
- составит максимальную величину в установках третьей группы (рис. 1 в), при этом экономия пропорциональна заштрихованной площади АВВ'А'С'СА;
- для первой группы будет значительно меньше, чем для установок третьей группы, так как при изменении расхода на одинаковую величину СС' при постоянном давлении экономия будет пропорциональна площади АА'С'С;
- для установок второй группы при сохранении расхода в точках А и С, но при изменении давления от точки А до точки А', будет пропорциональна площади АВВ'А'.
Основные способы регулирования
Можно выделить следующие способы регулирования нагнетательных машин [1].
1. Дросселирование - наиболее простой и в то же время наименее эффективный способ регулирования. Изменяется характеристика сети, часть напора теряется в дроссельных устройствах.
2. Изменение числа оборотов привода (ЧРП) - простой и сравнительно экономичный метод, при котором двигатель допускает изменение числа оборотов в широких пределах без значительного снижения КПД (рис. 1 в). Такой способ регулирования не обеспечивает достаточной экономичности для установок первой и второй групп, так как при значительном изменении параметров регулирования существенно изменяется (уменьшается) КПД электродвигателя (рис. 2) [1].
3. Регулирование направляющим аппаратом (в основном для компрессоров и вентиляторов) производится с помощью поворотных лопаток, устанавливаемых на всасывающей стороне. При таком способе регулирования одновременно изменяется характеристика машины и вносятся изменения в характеристику сети.
Эффективность применения указаных способов регулирования для тягодутьевых машин представлена на рис. 3 [2].
4000 3000
2000
Pv Pv Па 6000
4000 3000
П 0,67 0,690,72 0,75 N кВт Nv
1000 800
600
О
2000
1000 800
о
о
JI600
10 Отыс м3/ч 20
t=20°C 100 200 300 500 1000 2000 Pdv, Па Рис. 2. Типовая характеристика нагнетательной машины
Рис. 3. Сравнительные характеристики различных способов регулирования нагнетательных машин: 1 — дроссельное регулирование;
2 — направляющие лопатки; 3 — дроссельное регулирование (двухскоростной электродвигатель); 4 — регулирование изменением числа оборотов электродвигателя посредством реостата; 5 — регулирование гидромуфтой;
6 — регулирование изменением числа оборотов трёхфазного коллекторного электродвигателя;
7 — идеальное регулирование изменением числа
оборотов
Алгоритм расчёта экономической эффективности внедрения ЧРП
Рассмотрим последовательность выполнения необходимых расчётов и инструментальных измере-
ний на установках, которые относятся к третьей группе (рис. 1 в).
Экономический эффект оценивается по максимальной экономии электроэнергии. Для установок первой и второй групп (рис. 1 а, б) экономию энергии можно оценить лишь приблизительно, так как задачей регулирования в первом случае является поддержание давления в системе, а во втором - расхода. В данных вариантах не выполняются соотношения подобия:
где V', Я', п
у = —. V ■ н' = I —
' ' ном' 11 1
•А',,
V = — -V ■ н' = I —
' ' ном' 11 1
П_ П
V Я N
ном ном ном
измененные значения расхода среды, напора агрегата, мощности агрегата, числа оборотов; п - число оборотов для номинального режима;
номинальные расход, напор и мощность.
п_
п V п.
Для этих групп потребителей экономия будет значительно меньшей, чем для третьей группы, и может быть определена как криволинейная площадь фигуры на характеристиках нагнетателей ABD (рис. 1 а, б).
1. Получение исходных данных для расчёта.
Регистрируют номинальные данные для нагнетательной установки: ^м(м3/ч); ЯНоМ (Па); ^оМ (кВт).
На действующей установке измеряют или определяют по характеристикам производительность и потребляемую мощность при полностью открытой и закрытой задвижке, а также для ряда промежуточ-
V,
ных точек. В таблицы вносятся значения V =-,
В реальных установках потребление мощности пропорционально изменению числа оборотов в степени, находящейся в промежутке между второй и третьей:
Результаты расчетов вносятся в таблицу. По полученным данным строится зависимость (2), рис. 4.
где V* - относительный расход.
2. Построение графиков зависимостей.
По полученным данным необходимо построить зависимость (1) изменения потребляемой мощности от расхода среды при дросселировании. Если по каким-то причинам экспериментальные значения нужных параметров получить невозможно, то эти данные можно заменить характеристиками, предоставленными в каталоге, или вычислить по формуле
где N - потребляемая мощность, кВт;
кз - коэффициент запаса;
V - производительность нагнетателя, м3/с;
Я - давление на выходе нагнетателя, Па;
Пн - КПД нагнетателя;
Пп - КПД передачи.
Далее строится график зависимости изменения потребляемой мощности от расхода среды с использованием ЧРП.
При идеальном методе регулирования (рис. 1 в) производительность машины прямопропорци-ональна первой степени ее числа оборотов, напор -квадрату, а мощность - третьей степени числа оборотов:
\2 / гчЗ
•А',,
1,2
Рис. 4. График зависимости изменения потребляемой мощности от изменения расхода при различных способах регулирования: 1 — дроссельное регулирование;
2 — регулирование с помощью ЧРП
3. Определение режима работы нагнетательного оборудования.
Для определения целесообразности внедрения ЧРП необходимо знать характер изменения нагрузки во времени. За оценочный период обычно принимается год. Для расчета годовой экономии необходимо понять, как изменяется нагрузка на нагнетательный аппарат в течение года. Для этого следует определить количество рабочих дней в году и характер изменения нагрузки в течение суток. Если в году встречаются периоды, имеющие явные отличия в характере изменения нагрузки, то для каждого из таких периодов экономический эффект рассчитывается отдельно и полученные данные суммируются. Если нагрузка в течение суток (недели, месяца и т. д.) постоянна, то вероятнее всего, приобретение и установка дорогостоящего аппарата ЧРП нецелесообразны, так как положительного экономического эффекта не будет наблюдаться. Единственным эффектом окажется плавный пуск оборудования, что, со своей стороны, положительно отразится на состоянии оборудования и увеличит срок его службы.
Характер изменения нагрузки в течение суток можно получить экспериментально или воспользоваться архивными данными за прошедший период.
Для определения режима работы нагнетательного оборудования может быть выбран суточный график, разбитый на периоды. В реальных условиях график определяется режимом работы технологической установки, в составе которой находится исследуемый агрегат.
Далее определяется срок окупаемости внедрения частотного преобразователя по формуле
Цчрп
Т =-
Ц
Огод
где Ток - простой срок окупаемости (год); ЦЭгод - стоимость сэкономленной
(руб./год); Цчрп - затраты на оборудования (руб.).
энергии
4. Определение экономии электроэнергии при использовании ЧРП вместо дросселирования в течение суток.
Расчёт экономической эффективности основан на определении разницы между величинами потребления электроэнергии при регулировании работы нагнетательного оборудования путём дросселирования и с ЧРП. В таблицу вносятся значения нагрузки для каждого периода. Мощность для этих величин определяется из построенного графика зависимости потребляемой мощности от относительного расхода среды при различных способах регулирования.
5. Определение экономического эффекта.
За рабочие сутки суммарная экономия электроэнергии определяется по формуле
Эс=
где Эс - сэкономленная электроэнергия, кВт-ч; Ni - сэкономленная мощность, кВт; ^ - количество часов в выбранном периоде, ч; ш - число временных периодов.
Суммарная экономия электроэнергии за год определяется по формуле
Эгод Эс'т,
где Эгод - сэкономленная электроэнергия за год, кВт-ч;
Эс - сэкономленная электроэнергия за сутки, кВт-ч;
т - количество рабочих суток в году.
Необходимо помнить, что при наличии в году нескольких периодов с характерным суточным графиком расхода сэкономленная электроэнергия определяется для каждого периода отдельно, а годовая экономия энергии определяется как сумма сэкономленной электроэнергии по всем периодам.
Далее производится оценка стоимости сэкономленной электроэнергии с учётом тарифа, действующего для предприятия, по формуле
ЦЭгод = Эгод цэл,
где ЦЭгод - стоимость сэкономленной электроэнергии, руб.;
Эгод - сэкономленная электроэнергия, кВт-ч; цэл - тариф на электроэнергию, руб./кВт-ч.
Пример 1. Расчёт экономической эффективности при внедрении ЧРП насоса ГВС марки ТР 80-250/2.
1. Паспортные (номинальные) данные насоса и его приводного двигателя (табл. 1).
Таблица 1
Паспортные (номинальные) данные насоса
Параметр Значение
Напор насоса, Па 205 882 (21 м)
Подача насоса, м3/ч 90,0
Мощность двигателя, кВт 7,5
2. Результаты замеров при полностью закрытой напорной задвижке (табл. 2).
Таблица 2
Результаты замеров при полностью закрытой напорной задвижке
Мощность И, кВт 3,73
Средство измерения Ваттметр
Производительность V, м3/ч 0
Средство измерения Расходометр
3. Результаты замеров при полностью открытой напорной задвижке (табл. 3).
Таблица 3
Результаты замеров при полностью открытой напорной задвижке
Мощность И, кВт 7,50
Средство измерения Ваттметр
Производительность V, м3/ч 90
Средство измерения Расходомер
4. Ряд промежуточных замеров при разных положениях напорной задвижки (табл. 4).
Таблица 4
Результаты замеров в промежуточных точках при разных положениях напорной задвижки
Относительный расход воды V* Мощность Идрос (кВт)
0,2 4,50
0,4 5,25
0,6 6,00
0,8 6,75
5. Зависимость изменения потребляемой мощности от расхода среды при ЧРП (табл. 5).
Таблица 5
Зависимость изменения потребляемой мощности от расхода среды с ЧРП
Срок окупаемости:
Относительный расход воды V* Мощность Nцpп (кВт)
0 0
0,2 0,06
0,4 0,48
0,6 1,62
0,8 3,84
1 7,5
6. Суточный расход воды (табл. 6).
Суточный расход воды
Таблица 6
Период времени t{ (ч) 0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24
Суточный относительный расход V* 0,25 0,84 0,75 0,63 1,00 0,69
Пример 2. Расчёт экономической эффективности при внедрении ЧРП при ограничении регулирования H = const, V = var.
Алгоритм расчёта остаётся таким же, как в примере 1. Меняется только режим регулирования, а именно с помощью ЧРП необходимо поддерживать постоянное давление при переменном расходе (рис. 1 а).
Пункты 1-4 и 6-8, как в примере 1. При постоянном напоре H = 205 882 Па рассчитывается мощность, потребляемая приводом при переменном расходе, по формуле
7. Определение экономии электроэнергии при использовании ЧРП вместо дросселирования в течение суток (табл. 7).
где п - КПД нагнетателя, для простоты расчётов принято значение 0,7. Результаты расчётов вносятся в таблицу; по этим данным строят зависимость N от V* (рис. 5).
Таблица 7
Экономия электроэнергии при использовании ЧРП
Время Относительный расход среды V* Мощность ^дрос при дросселировании (кВт) Мощность ^ЧРП при частотном регулировании (кВт) Экономия мощности (кВт) Экономия электроэнергии (кВт-ч)
0-4 0,25 4,69 0,12 4,57 18,28
4-8 0,84 7,27 6,18 1,09 4,36
8-12 0,75 6,56 3,16 3,40 13,6
12-16 0,63 6,09 1,83 4,26 17,04
16-20 1,00 7,50 7,50 0,00 0,00
20-24 0,69 6,33 2,44 3,89 15,56
8. Сэкономленная электроэнергия за рабочие сутки и год соответственно:
Эс= ^(Д^-у,
Эс = (4,57-4) + (1,09-4) + (3,40-4) + (4,26-4) + + (0 -4) + (3,89-4) = 68,84 кВт-ч.
Число рабочих дней в году примем равным 343.
Эгод = Эс' т,
Эгод = 68,84-343 = 23 612,12 кВт-ч.
Максимальная экономия при использовании ЧРП составляет примерно 44 %.
Далее производится оценка стоимости сэкономленной электроэнергии по тарифу, действующему для предприятия:
ЦЭгод = Эгод цэл,
ЦЭгод = 23 612,12-4,2 = 99 170,9 руб.
?
о
3t
0,2
0,4 0,6 0,8 Относительный расход, V* (1 - дросселирование, 2 - ЧПР при Р - const)
1,2
Рис. 5. График зависимости изменения потребляемой мощности при регулировании расхода и постоянном напоре
шнЕРШшРЕтурсшсБЕШШЕтишшэнЕРШяэФФЕшаштиТа 33
Таблица 8
Экономия электроэнергии при использовании ЧРП
Время Относительный расход среды V* Мощность ^дрос при дросселировании (кВт) Мощность N4pn при частотном регулировании (кВт) Экономия мощности (кВт) Экономия энергии (кВт-ч)
0-4 0,25 4,69 1,9 2,79 11,16
4-8 0,84 7,27 6,39 0,88 3,52
8-12 0,75 6,56 5,72 0,84 3,36
12-16 0,63 6,09 4,79 1,3 5,2
16-20 1,00 7,50 7,5 0 0,00
20-24 0,69 6,33 5,251 1,079 4,316
Определение экономии электроэнергии при использовании ЧРП взамен дросселирования в течение суток (табл. 8).
Сэкономленная электроэнергия за рабочие сутки и год соответственно:
Эс= ^(Д^-у, Эс = (2,79-4) + (0,88-4) + (0,84-4) + (1,3-4) + +(0-4) + (1,079-4) = 27,56 кВт-ч.
Допустим число рабочих дней в году 343.
Эгод = Эс' т,
Эгод = 27,56-343 = 9 453,1 кВт-ч.
Максимальная экономия при использовании ЧРП составляет примерно 17,9 %.
Далее производится оценка стоимости сэкономленной электроэнергии по тарифу, действующему для предприятия:
ЦЭгод = Эгод цэл,
Цэгод = 9 453,1-4,2 = 39 703,02 руб. Срок окупаемости:
Примеры предварительной оценки эффективности применения частотного регулирования, изложенные в статье, не охватывают всего многообразия вариантов регулирования работы нагнетательных машин. В то же время предложенная методика позволяет произвести технико-экономические расчёты целесообразности внедрения ЧРП, основанные на фактических режимах эксплуатации. Изменение числа оборотов привода является наиболее экономичным способом регулирования по сравнению с дросселированием. Экономия может достигать 15-40 % от потребления энергии при дросселировании.
Литература
1. Шерстюк А. Н. Насосы, вентиляторы и компрессоры. - М.: Высш. шк., 1972. - С. 344.
2. Семененко Н. А. и др. Котельные установки промышленных предприятий. - М.: Госэнергоиздат, 1960. -С. 392.
Economic efficiency of variable frequency drive applying to pump machines
A. P. Maltsev,
Moscow Power Engineering Institute, senior engineer, PhD, associate professor
A. A. Zlobin,
Moscow Power Engineering Institute, laboratory head, PhD, associate professor
I. Yu. Medvedeva,
Moscow Power Engineering Institute, research assistant
G. A. Romanov,
Moscow Power Engineering Institute, laboratory head, PhD
In the present paper, the authors analyze main operation control methods applying to pump machines, and economic efficiency of mentioned methods. They present the calculation algorithm and numerical examples to estimate efficiency of drive frequency variation control estimation.
Keywords: variable frequency drive, pump machines, economic efficiency, simple payback period.
