CC BY
36
УДК 621.316
Г.В. Никонова
Омский государственный технический университет, г. Омск
ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА
Для частотного управления асинхронными двигателями их необходимо питать током с регулируемым значением частоты. Основным элементом частотного электропривода является преобразователь частоты. Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя, ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, преобразователь должен поддерживать определённое соотношение между входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования Костенко. Преобразователи частоты на базе автономного инвертора напряжения на IGBT-модулях, с широтно-импульсной модуляцией и векторным алгоритмом управления асинхронным электродвигателем характеризуется высоким значением коэффициентом мощности во всем диапазоне изменения выходной частоты и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами преобразователей [1]. IGBT-модуль (на полевых транзисторах с изолированным затвором) является высокоэффективным ключевым элементом для преобразования частоты, поскольку обладает малым падением напряжения, высокой скоростью и малой мощностью переключения.
При выборе электродвигателя для частотного электропривода должна учитываться не-синусоидальность кривых выходного напряжения и тока частотных преобразователей. Нали-
156
чие высших гармонических составляющих влечёт за собой увеличение потерь в электродвигателе. Особенностью применения регулируемого частотного электропривода является возможность использования одного частотного преобразователя для привода нескольких насосных агрегатов, а также возможность поочерёдного подключения насосных агрегатов соизмеримых по мощности. Применение регулируемого электропривода в системах автоматического управления (САУ) насосных установок, с одной стороны, уменьшает потребление энергии, с другой - требует дополнительных капитальных затрат. Поэтому необходимо провести технико-экономическую оценку эффективности установки регулируемого электропривода в САУ.
Оценка экономического эффекта при использовании частотно-регулируемого привода (ЧРП) в насосных станциях проведена по материалу из [2], отражающему данные работ по научно-технической программе «Создание и внедрение частотно-регулируемого электропривода в тепло-энергетическом комплексе и в коммунальном хозяйстве». Действие [2] распространяется на установки, находящиеся в эксплуатации, когда не изменяется технологическая схема. Для вновь проектируемых установок с ЧРП должны быть учтены аспекты, связанные с упрощением и удешевлением технологической схемы - отказ от применения обратных клапанов в насосах, исключение заслонок, и т. п.
Для оценки экономического эффекта проводится ряд измерений и используются входные данные: номинальные данные насоса (^ном, м3/ч; Нном, м в.ст; КПД Т]нас.ном). и двигате-ля(мощность Рдв.ном, кВт; ток 1ном., А; частота вращения Пном, об/мин; КПД Аденом; коэффициент мощности со$фнС1лм).
В часы максимального водопотребления (период 8-10 ч или 18-20 ч в коммунальной сфере, 13-15 ч в административных зданиях) измеряют напор Н, м в.ст., на входе Нех и выходе Неых насоса (по манометрам в системе).Выполняется несколько измерений и полученные результаты усредняются. При тех же условиях измеряют ток двигателя I: производится несколько измерений и результаты усредняются (при этом должно выполняться ограничение
1 ^1ном).
Также измеряется средний расход за сутки Qср, м3/ч, по разности показаний расходоме-
ра в начале Qi и в конце Q2 контрольных суток (например, 350 м3/ч и Нвх = 35 м в.ст.), по формуле Qcp = (Q2-Qi)/24.
Далее рассчитывают минимально необходимый общий напор по формуле:
Ннеобх = СМ + Б = 3-16 + 15 = 63[м в.ст.], (1)
где N - число этажей, для группы домов - число этажей самого высокого дома;
С = 3 для стандартных домов; С = 3,5 - для домов повышенной комфортности;
Б = 10 - для одиночных домов и 15 - для группы отдельно стоящих домов.
Затем оценивают требуемый напор, обеспечиваемый регулируемым насосом: Нтреб = Ннеобх—Нвх. = 63 - 35 = 28. Если напор в подводящей магистрали Нвх изменяется, необходимо в расчёте использовать Нвхтп.
Для определения КПД насосного агрегата в [2] приведён график зависимости нормативного коэффициента К от отношения расхода за сутки к номинальной производительности насоса Qном(рисунок 1). Величину КПД насосного агрегата цнас определяют по выражению:
цнас. К'цнас.ном-, (2)
157
где К - определяется по рисунку 1 для расхода Qср, измеренного ранее и отнесённого к номинальной производительности насоса Qном.
Примем относительный КПД насосац по [3] равным КПД насосного агрегата: ц = ц/ц =1 — [1 ^*]2,5(здесь Q - относительный расход: Q = Q/Qб; Qб - базисный расход: наибольший для насоса за расчётный период), то есть цнас = ц = 0,558. Тогда мощность преобразователя частоты определится:
Рпч
= (1,1 +1,2)
К
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
Hmpe6Qcp 367ЛнасЛдв .ном = 1,2 28•350
367 • 0,558• 0,75
0,2 0,6 1,0
Q/Q ном
Рис. 1.- Зависимость нормативного коэффициента K = f(Q/QHOM)
Оценим экономию электроэнергии за год. Из [2], для частотного регулирования эта величина не прогнозируется. Используем оценку из [3]:
w3K
= ( NбТц
*
)[и - (1 + Я-цпЧ
)1ф , (3)
где Мб - мощность, потребляемая насосом при наибольшей подаче (рgQбНб/1000цttас ; р-плотность жидкости; g- ускорение свободного падения);
Т- расчётный период;
и - относительная экономия электроэнергии (по графикам из [3]);
% = 0,03-0,05 - потери из-за негармоничности преобразованного тока;
цпч = 0 9-0,95 - КПД частотного преобразователя;
<р - снижающий коэффициент (единица при одном насосе, по [3]).
Для сопоставления с регулированием с образованием энергии скольжения, примем: Мб = 283 кВт; и = 0,5; цдв = 0,75 , что даёт экономию электроэнергии №эк = 1 086 720 кВт-ч-г.
Если среднее число часов работы регулируемого насоса в год8000 ч (часть времени уходит на профилактический ремонт), то без применения частотного регулирования расход электроэнергии S = МбТ составляет 2 264 000 кВт-ч-г. Экономия Эи на уменьшении потреблённого количества электроэнергии при цене Ц№ составляет:
Эк = ЦиЖэк = 2,32-1 086 720 = 2 521190 руб.
То есть, цена потреблённой электрической энергии уменьшена за счёт коэффициента Эw/S, показывающего экономию в году на каждом потреблённом кВт-ч энергии без примене-
158
ния частотного регулирования: Э-н/8 = 2 521 190//2 264 000 = 1,11руб/кВт-ч. Значение экономии в годовой стоимости электроэнергии для одного двигателя ЛСи определится:
ЛС„ = (2,32 - 1,11) 8000 * 9 681 руб.
Используя нормативный коэффициент окупаемости (например, 0,125) с учётом капитальных затрат при использовании привода с потерей энергии скольжения и без потери энергии скольжения, что с учётом разницы в затратах на единицу электрической энергии (1 кВт-ч)даёт выражение для определения разности капитальных затрат: ЛК =
ЛСп/0,225.Тогда возможно увеличить предел капитальных затрат на киловатт мощности оборудования в год на значение:ЛК = 9 681/0,225 = 43027руб/кВт .
Воспользовавшись данными из [3] (рисунок 2), можно сделать вывод, что применение индукторных муфт скольжения требует наименьших дополнительных капитальных затрат.
Но экономический выигрыш, полученный при применении частотного регулирования, как показывают расчёты, в семь раз больше, чем при применении индукторных муфт скольжения.
ДК,тыс.долл.
200
100
1
0
Р,кВт
1000
2000
3000
4000
Рис. 2. Дополнительные капитальные затраты при регулируемом электроприводе: 1- индукторные муфты скольжения; 2 - по схеме асинхронного вентильного каскада; 3- частотного; 4 - с вентильным электродвигателем
3
4
2
Библиографический список
1. Частотный преобразователь на ЮБТ-транзисторах в САУ насосной установкой / Б. С. Лезнов [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника. - 1998. - N° 3. - С. 10 - 12.
2. Инструкция по расчёту экономической эффективности применения частотнорегулируемого электропривода / сост. Ю. Г. Шакарян, Н. Ф. Ильинский. - М., 1997. - 8 с.
3. Лезнов, Б .С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках / Б. С. Лезнов. - М. : ИК «Ягорба» - «Биоинформсервис», 1998. - 179 с.
