CC BY
304
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
Y.G. ARTEMIEV
SUBSTANTIATION FOR THE OPTIMIZATION ALGORITHM OF FARM MACHINE-AND-TRACTOR FLEET COMPOSITION
Economical and mathematical optimization models of a machine-and-tractor fleet are considered. Disadvantages of optimization on the basis of linear programming methods are revealed. The possibility of solving the optimization problem with the use of modern database management systems is shown.
УДК 631.95
А.Ф. ЭРК, канд. техн. наук; С.В. МАКСИМОВ
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ В СОСТАВЕ ОБОРУДОВАНИЯ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ
Приведена методика расчета эффективности применения частотного регулирования с помощью установок «Триол» для высоковольтного двигателя насоса.
В настоящее время уровень применения частотного регулирования для управления электроприводами в сельском хозяйстве крайне низок. Основная причина в том, что стоимость такого типа регулирования высока. Однако в мировой практике частотно-регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энергосберегающих и ресурсосберегающих экологически чистых технологий, так как снижения потребления электроэнергии обеспечивает снижение выброса СО2, что является требованием Статьи 2 Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Экономия только 12 кВт-ч даст возможность не сжигать 1 кг нефти, и соответственно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу Земли.
Предложенная методика расчета эффективности позволяет оценить возможность применения частотного регулирования на конкретном примере, внедренном в производство для асинхронного высоко-
87
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
вольтного двигателя насоса на городской насосной станции МП г. Псков «Горводоканал» [1]. Применение регулируемого электропривода позволило оптимизировать работу электродвигателя, исключить непроизводительное потребление электроэнергии, а в системе водоснабжения, помимо этого, обеспечило снижение водопотребления (до 20%).
Расчеты произведены на основании рекомендаций [2] и позволяют сделать, с высокой степенью достоверности, вывод о целесообразности применения частотных регуляторов на конкретном объекте и обеспечить эффективное расходование средств, выделяемых предприятием для решения задач энергосбережения.
Рассмотрим основную зависимость, характеризующую «энергетику» насосов.
Мощность, потребляемая насосом:
P = (V h 9,81)/КПД, кВт, (1)
где Р - мощность, потребляемая насосом, кВт V - производительность насоса, м3/с; h - высота напора, равная сумме высот всасывания и нагнетания, м водяного столба; КПД - коэффициент полезного действия установки, принимается по каталогу или паспорту.
Изменение основного параметра работы насосного агрегата при изменении скорости вращения рабочего колеса насоса («формулы подобия»):
Р1 / Р2 = П13 / П23; (2)
Н1 / Н2 = П12 / П22; (3)
Vi / V2 = ni / П2 , (4)
где n - число оборотов вала рабочего колеса, мин-1 ; Н - на-
пор, создаваемый насосом, м вод. столба.
Индексы 1 и 2 относятся к режимам работы оборудования с помощью дроссельного регулирования и использования частотного регулятора соответственно.
Для определения мощности, потребляемой приводным двигателем (Рд, Вт), при известном его токе, применяется следующая формула:
88
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
Рд = 1,73 1д U Cos Ф, (5)
где 1д - ток фазы двигателя, А; U - напряжение двигателя, В; Cos Ф - коэффициент мощности двигателя.
Вспомогательными данными для расчета являются паспортные данные реального насоса и его приводного двигателя, принятого для анализа, например, приведенный ниже
Тип асинхронного двигателя ВАН118/23-8 У3
Напор насоса, м 27
Подача насоса, м3/ч 2700
Номинальное напряжение дви-
гателя, В 6000
Мощность двигателя, кВт 400
Ток двигателя, А 40,5
КПД двигателя, % 92,4
Cos Ф двигателя 0,86
Для потребляемой мощности при дроссельном регулировании можно записать выражение:
Рдрос Pmin + (Ртах - Ршт) (Q/Qmax), (6)
Для потребляемой мощности при частотном регулировании можно записать выражение:
Рчрп = Ртах * (Q/Qmax) , (7)
Зависимость потребляемой мощности при дроссельном регулировании Pдрос от относительного расхода Q/Qmax (Q - текущий расход, Qmax - максимальный расход), получается на графике соединением точек Рmax и Рmin прямой линией, зависимость потребляемой мощности при использовании частотного регулирования Pчрп от относительного расхода Q/Qmax получается при вычислении выражения (7) с подстановкой в него величины Рmax и нескольких значений Q/Qmax (например, от 0 до 1 с шагом 0,25). Пример такого графика приведен на рис. 1
89
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Рис. 1. Потребление мощности при различных способах регулирования скорости вращения насосов
Для получения информации о загрузке насоса определяется реальный график его работы по замерам суточного расхода (табл. 1).
Таблица 1
Суточный расход воды
t, ч 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q, м3 /ч 710 630 540 540 540 540 610 690 720 790 810 810
t, ч 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Q, м3 /ч 750 750 710 720 820 930 1000 1050 1050 1000 1000 850
При расчетах принимается, что оборудование работает в режиме, при котором обеспечиваются нормальные параметры подачи воды, с требуемым давлением и температурой.
Расчет эффективности основан на определении разницы между величинами потребления электроэнергии при регулировании напора насоса путем дросселирования напорной задвижкой и при регулировании с помощью ЧРП [3].
90
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
Для каждого ранее определенного периода работы i, в котором определена приблизительно постоянная загрузка насоса Qi, рассчитывается экономия мощности
ЛРi=Рдрос i-Рчрп i. Величины Рдрос i и Рчрп i выбираются по рис. 1 или рассчитываются по формулам (6) и (7). Величина расхода Qi берется из табл. 1.
Затем определяется суммарная экономия электроэнергии за заданный временной интервал работы оборудования (к примеру, за сутки) по формуле:
к
ЛЭк = 1 APi ti , (8)
i=1
где ЛЭк - экономия электроэнергии при применении частотного регулирования вместо дроссельного регулирования, кВт ч; APi - экономия мощности за i-й период, кВт; ti - время, в течение которого привод работает с постоянной нагрузкой Qi насоса (для данного предприятия 4 часа), час; к - число периодов времени с постоянными значениями APi ti.
При круглогодичной работе насоса c приблизительно постоянным суточным графиком расхода годовая экономия электроэнергии ЛЭг определяется умножением ЛЭк на число дней работы насоса в году, т.е. для нашего насоса ЛЭг = ЛЭк 365.
Далее производится оценка стоимости сэкономленной электроэнергии по тарифу, действующему для предприятия в данной энергосистеме, с учетом факторов экономии воды. По имеющемуся опыту эксплуатационной службы предприятия для оценки стоимости снижения расхода холодной воды вводиться коэффициент 1,15.
Таким образом, экономия электроэнергии и ресурсов составит для холодной воды:
СТээ = 1.15 Тэ ЛЭг, (9)
где СТээ - стоимость сэкономленной электроэнергии и ресурсов, руб.; Тэ - тариф на электроэнергию в энергосистеме, руб./кВт ч.;
Срок окупаемости определяется по выражению:
Ток = СТчрп / Стээ,
91
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
где Ток - срок окупаемости установки ЧРП, год.; СТээ - стоимость сэкономленной электроэнергии и ресурсов за один год, руб.; СТчрп - стоимость ЧРП, работы и материалы, руб.
Расчеты для электродвигателя насоса представлены в табл. 2.
Таблица 2.
Расчет значений экономии энергии для электродвигателя насоса
t, час Q, м3/ч Qмакс, м3/ч Рдрос, кВт Рчрп, кВт АР, кВт ДЭк, кВт-ч
1 1090 2700 167,3 21,1 146,3 146,3
2 1100 2700 168,3 21,6 146,7 146,7
3 1100 2700 168,3 21,6 146,7 146,7
4 1180 2700 175,9 26,7 149,2 149,2
5 1180 2700 175,9 26,7 149,2 149,2
6 1400 2700 196,7 44,6 152,1 152,1
7 1500 2700 206,2 54,9 151,4 151,4
8 1800 2700 234,7 94,8 139,9 139,9
9 1800 2700 234,7 94,8 139,9 139,9
10 1900 2700 244,1 111,5 132,6 132,6
11 1900 2700 244,1 111,5 132,6 132,6
12 1800 2700 234,7 94,8 139,9 139,9
13 1900 2700 244,1 111,5 132,6 132,6
14 2000 2700 253,6 130,1 123,6 123,6
15 2100 2700 263,1 150,6 112,5 112,5
16 2200 2700 272,6 173,1 99,5 99,5
17 2300 2700 282,1 197,8 84,3 84,3
18 2300 2700 282,1 197,8 84,3 84,3
19 2400 2700 291,6 224,7 66,8 66,8
20 2400 2700 291,6 224,7 66,8 66,8
21 2300 2700 282,1 197,8 84,3 84,3
22 2200 2700 272,6 173,1 99,5 99,5
23 2000 2700 253,6 130,1 123,6 123,6
24 1500 2700 206,2 54,9 151,4 151,4
92
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
_________ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.________
Экономия электроэнергии за сутки составила 2955,3 кВт-ч. Результаты расчетов из таблицы 2 оформленые в графики приведены на рис. 2.
Графики потребления электроэнергии
4 7 10 13 16 19
Суточный график потребления, ч
22
■Рдрос Рчрп
АР
Рис. 2. Суточный график потребления электроэнергии
Результаты технико-экономического обоснования внедрения частотно-регулируемого электропривода АТ производства ООО «Три-
ол-Санкт-Петербург» представлены ниже.
Тариф на электроэнергию, руб./кВт-ч 1,27
Стоимость всех затрат (работы и материалы), руб. 2199000
Стоимость электропривода, руб. 899000
Экономия электроэнергии за сутки, кВт-ч 2955,3
Экономия электроэнергии за год, кВт-ч 1078689,6
Экономия электроэнергии за сутки, руб. 3753,2
Экономия электроэнергии за год, руб. 1369935,7
Коэффициент дополнительного эффекта 1,1
Срок окупаемости электропривода, лет
(при круглогодичной эксплуатации) 1,5
Срок окупаемости электропривода, лет
(при эксплуатации 8 месяцев) 2,2
93
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Допущения:
1. Рмах=320кВт (максимально открытая задвижка), Ршт=64кВт (закрытая задвижка)
2. График подач является характерным для объекта, оборудование работает в режиме, с нормальными параметрами подачи воды с требуемым давлением
3. Кроме этого присутствует дополнительный эффект от внедрения частотного электропривода, включающий в себя эффекты от снижения износа технологического (насосы, трубопроводы, задвижки, клапаны) и коммутационного (контакторы, пускатели) оборудования, эффект от предотвращения аварийных режимов работы оборудования
ВЫВОДЫ
1. Срок окупаемости применения частотного регулирования для асинхронного высоковольтного двигателя насоса на городской насосной станции МП г. Псков «Горводоканал» составляет 1,5 года, что убедительно доказывает экономическую эффективность применения частотного регулятора на данном объекте.
2. Кроме экономического эффекта от экономии электроэнергии применение ЧРП дополнительно обеспечивает следующее:
- снижается износ запорной арматуры, т.к. большую часть времени задвижки полностью открыты;
- большую часть времени насосы работают при пониженных давлениях, что снижает утечки в системе водоснабжения;
- снижается износ коммутационной аппаратуры, т.к. ее переключения происходят при отсутствии тока;
- снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыльчатки за счет плавного изменения числа оборотов, отсутствия больших пусковых токов;
- уменьшается опасность аварий за счет исключения гидравлических ударов; обеспечивается одновременная защита двигателя от токов короткого замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, неполнофазного режима, недопустимых перенапряжений;
- снижается уровень шума, что особенно важно при расположении насосов вблизи жилых или служебных помещений;
- упрощается дальнейшая комплексная автоматизация объектов системы водоснабжения.
94
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
Внедрение частотных регуляторов делает производство более «экологичным» - экономит природные ресурсы, снижает эксплуатационные затраты и является эффективным шагом на пути модернизации производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www.highvoltage.ru/ официальный сайт, посвященный высоковольтному оборудованию 3, 6, 10 кВ мощностью от 160 до 8000 кВт производства Корпорации Триол, для синхронных и асинхронных двигателей. Преобразователи частоты (электроприводы), устройства мягкого пуска, и другое оборудование силовой электроники.
2. Методические указания пользователю компьютерной программы «Эффект ЧРП». - СПб: ООО «Триол - Санкт-Петербург», 1998.
3. Шакарян. Ю.Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода, / Ю Г. Шакарян. - М.: АО ВНИИЭ, МЭИ, 1997.
Получено 10.06.2010.
A.F. ERK, Cand. Sc (Engineering); S.V. MAXIMOV
COST-BENEFIT ANALYSIS PROCEDURE OF A FREQUENCY REGULATOR APPLICATION AS A COMPONENT OF HYDRAULIC WORKS EQUIPMENT
The paper describes the procedure of cost-and-savings calculation of a frequency regulator application with the help of “Triol” installation for a high-voltage pump motor.
95
