РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД - ЭФФЕКТИВНОЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД -

ЭФФЕКТИВНОЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ

САХАРНОВ Ю.В., заместитель председателя ФЭК России, д.э.н.

В мировой практике регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энергосберегающих и ресурсосберегающих экологически чистых технологий.

Высокая эффективность применения автоматизированного регулируемого электропривода для регулирования параметров и оптимизации работы различных технологических систем с механизмами, особенно с насосными и вентиляционными установками, работающими в переменных режимах, подтверждена многолетним мировым опытом.

Как правило, в большинстве технологических систем энергетики, промышленности, сферы коммунального хозяйства и других отраслей установлены электродвигатели в расчёте на максимальную производительность оборудования, в то время как часы пиковой нагрузки, т.е. время работы оборудования с максимальной производительностью, составляют всего 10-15 процентов общего времени работы оборудования.

При этом в общей структуре потребления электроэнергии в народном хозяйстве России на долю таких электродвигателей приходится около 40 % электроэнергии.

В результате электродвигатели, работающие с постоянной скоростью вращения, потребляют значительно, до 50 %, больше электроэнергии, чем это требуется для обеспечения оптимального технологического процесса.

При этом ежегодно теряются миллиарды килло-ватт-часов электроэнергии, миллионы кубических метров воды. До недавнего времени эти потери либо не замечали, либо мирились с ними. Сегодня стало необходимым и возможным свести их к минимуму.

Применение регулируемого электропривода позволяет оптимизировать работу электродвигателей, исключить непроизводительное потребление электроэнергии, а в системах теплоснабжения и водоснаб-

жения, помимо этого, обеспечить значительную экономию тепла (до 10 %) и снижение водопотребления (до 20 %).

По оценке специалистов, в целом по стране внедрение регулируемого электропривода в энергетике, промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве и других отраслях может обеспечить ежегодную экономию 35-40 млрд. кВт.час электроэнергии, что эквивалентно годовой выработке - 30 энергоблоков мощностью по 300 Мвт каждый.

Особенно актуальной проблема энергосбережения в целом и массового внедрения регулируемого электропривода, в частности, как одного из средств решения этой проблемы, становится сегодня, когда:

• современное состояние энергетического оборудования в России требует ежегодного списания мощностей в количестве 5-6 млн. кВт из-за его физического старения,

• потребности промышленности и быта требуют всё большего количества киловатт-часов от энергосистемы,

• во многих регионах страны всё более осложняется прохождение осенне-зимнего максимума по тепловой и электрической нагрузке,

• получить дополнительное количество киловатт-часов путем строительства и ввода в эксплуатацию новых энергетических мощностей на современном этапе весьма проблематично,

• внедрять энергосберегающее оборудование, в первую очередь, регулируемый электропривод значительно выгоднее (как будет показано ниже, быстрее и в 3 - 4 раза дешевле), нежели вводить новые мощности для получения такого же количества киловатт-часов, экономию которых он обеспечивает.

Непродолжительный (менее 10 лет) отечественный опыт внедрения регулируемого электропривода подтвердил его высокую энергосберегающую и ресурсосберегающую эффективность.

11Д

114

На сегодня эти вопросы достаточно исследованы на практике, обобщены и изложены в многочисленных публикациях.

Результаты этого опыта и проведенных за это время исследований, натурных испытаний и эксплуатационных наблюдений послужили основой для разработки «Инструкций по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемо-го электропривода», утвержденной Минтопэнерго РФ в апреле 1997 года и согласованной Главгосэнер-гонадзором РФ.

Тезис, принятый в основу заголовка настоящей статьи, казалось бы, не вызывает каких-либо сомнений в необходимости и целесообразности широкого внедрения регулируемого электропривода в энергетике, промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях народного хозяйства России, принимая во внимание, что потребность в них для механизмов, работающих в переменных режимах, исчисляется сотнями тысяч штук.

Тем не менее, массового применения в Российской Федерации регулируемый электропривод до настоящего времени не нашел.

Объемы внедрения высоковольтного (3,3 и 6,0 кВ) регулируемого электропривода, в основном, на объектах энергетики и теплоэнергетики исчисляется десятками единиц. На тепловых станциях и в тепловых сетях, например, АО Мосэнерго за 1995-2001 гг. внедрено менее трех десятков таких приводов общей мощностью около 28 тысяч кВт (при единичной мощности от 500 до 4000 кВт), а на объектах энергетики других регионов - считанные единицы.

Менее десятка регулируемых электроприводов единичной мощностью 630 кВт для дымососов, дутьевых вентиляторов и сетевых насосов РТС внедрено и находятся в монтаже на объектах коммунального хозяйства Москвы.

(По опубликованным в печати данным, производители высоковольтных регулируемых приводов только Канады и США в 1996 году продали 400 приводов, а в 1999 году объём продаж превысил 1000).

Объемы внедрения низковольтного (0,4 кВ) регулируемого привода в целом по России за тот же период составил немногим более тысячи единиц при оценочной потребности в таких приводах, составляющей сотни тысяч.

Такие объемы и темпы внедрения нельзя рассматривать даже как начальный этап, скорее, это эпизод, который, тем не менее, объективно подтвердил высокую эффективность применения регулируемого электропривода.

Среди причин, сдерживающих массовое внедрение регулируемого электропривода, следует от-

метить недостаточную пропаганду и информацию о технико-экономических преимуществах и эксплуатационных качествах этого вида энергосберегающего и ресурсосберегающего оборудования.

Иначе чем можно объяснить то, что отдельные предприятия, безвозмездно получавшие регулируемые электроприводы за счёт региональных и муниципальных бюджетов, годами их не внедряют. Федеральной энергетической комиссии известны случаи бездумного хранения на складах высокоэффективного оборудования регулируемого электропривода на основе импортных преобразователей частоты без попытки их внедрения с 1997 года.

Исходя из этого, следует коротко остановиться на основных принципах и эффективности энергосбережения и ресурсосбережения при применении регулируемого электропривода в основных отраслях народного хозяйства Российской Федерации.

Энергосберегающий эффект от применения регулируемого электропривода можно пояснить на примере работы насосной установки, требующей регулирования её производительности и необходимости поддержания постоянного давления у потребителя. Такие режимы работы характерны, в частности, для большинства технологических систем водоснабжения. Принцип формирования экономии электроэнергии и расхода воды показан на рис. 1, на котором представлены характеристики совместной работы насоса и гидравлической сети.

При номинальной расчетной производительности Оном насос работает при номинальной частоте вращения ^ в точке «а» пересечения характеристики насоса (кривая 1) с гидравлической характеристикой сети (кривая 2) При этом в сети устанавливается номинальное давление, определяемое напором насоса Рном, расход воды у потребителя - Оном, мощность, потребляемая насосом и определяемая по мощностной характеристике насоса (кривая 5) -N

^НОМ-

При снижении водопотребления гидравлическое сопротивление сети повышается, гидравлическая характеристика сети смещается (кривая 3), рабочая точка нерегулируемого насоса переходит в точку «Ь», соответствующую расходу О,, с напором Р,.

Насос работает с напором, избыточным на величину АР = Р, - Рном. Мощность, потребляемая насосом, составляет Ы,.

Ликвидация избыточного напора АР при работе насоса с регулируемым электроприводом достигается соответствующим снижением частоты вращения до величины 11. При этом характеристика насоса смещается до положения (кривая 4), при котором восстанавливается номинальный напор насоса и требуемое давление в сети при изменённой гидрав-

'Г к Р] "ег п N1 7о ^ т

V V Рном а к. у* N2 К

лической характеристике сети (кривая 3).

Насос работает в точке «с» с номинальным напором Рном, с производительностью (32, обеспечивая экономию расхода воды АО, и потребляет мощность 1Ч2.

При изменении частоты вращения насоса зависимости напора, расхода и мощности на валу насоса изменяются в соответствии со следующими соотношениями:

О'

02

где Ь частота вращения насоса,

к, п, т - показатели степени, которые для характеристики лопастного насоса (вентилятора) при совпадении начала координат характеристик насоса и сети составляют к = 1, п = 2, т =3.

Изменение (снижение) расхода воды и потребляемой мощности (электроэнергии) при работе с регулируемым электроприводом по сравнению с работой без регулирования частоты определяется вышеприведенными соотношениями. То есть, потребляемая мощность снижается пропорционально изменению частоты вращения в третьей степени. Например, при работе с частотой вращения 0,8 от номинальной потребляемая мощность уменьшается вдвое.

Показатели степени, в принципе, могут отличаться в зависимости от конкретных условий работы. В частности, исследования показали, что в водопроводных сетях с противодавлением зависимость потребляемой мощности насоса от частоты вращения еще выше и определяется не 3-й, а большей степенью, достигающей в отдельных случаях значения равного пяти.

Показатели степени можно уточнять в каждом конкретном случае при проведении наладочных работ по методике, отработанной при внедрении регулируемых электроприводов на ЦТП г. Москвы в 1995 году.

На рис. 2 представлены мощностные характеристики нерегулируемого и регулируемого приводов механизма с вентиляторной нагрузкой (насоса, вентилятора), полученные на основании вышеприведенных зависимостей.

В таблице 1 приведены результаты расчётов экономии электроэнергии насосной установкой при загрузке двигателя регулируемого электропривода по гистограмме на рис. 3, характерной для систем водоснабжения.

Ресурсосберегающий эффект регулируемого электропривода определяется его регулирующей способностью и возможностью плавных пусков и остано-

Таблица 1.

Наименование Частотс вращения п, (усредненная 2

параметров за период времени ДТ)

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95

п ном п ном п ном п ном п ном п НОМ п ном п ном п ном

\-зо {=32,5 {=35 {=37,5 {=40 Ы2,5 {=45 {=47,5 {=50

ДТ 0,01 0,032 0,111 0,18 0,25 0,191 0,11 0,07 0,046 1

п 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 -

пЗ 0,216 0,275 0,343 0.42 0,512 0.61 0,729 0,857 1 -

Рнас.Ь50 0,8 0,825 0,85 0,875 0,9 0,925 0,95 0,975 1 -

Рнас.^аг 0,173 0,227 0,292 0,3675 0,46 0,564 0,692 0,835 1 -

Э{=50 0,008 0,0264 0,0944 0,1575 0,225 0,1767 0,1045 0,068 0,046 0,91

Э рп 0,0017 0,0072 0,0324 0,066 0,115 0,1077 0,076 0,0585 0,046 0,51

ДЭ рп, % 43,9

116

вок насосов, вентиляторов и других механизмов.

За счёт этого обеспечивается:

• работа механизмов большую часть времени на пониженных частотах вращения с уменьшением циклических динамических и вибрационных нагрузок на подшипники, уплотнения, крепления, фундаменты механизмов и электродвигателей и соответствующим увеличением их ресурса и межремонтного пробега,

• снижение механических, гидравлических и электродинамических нагрузок при пусках и в переходных режимах до уровня безвредных,

» исключение бросков тока в обмотках электродвигателей при пусках и снижение величины пусковых токов до номинальных значений,

поддержание оптимального гидравлического режима и исключение возможности возникновения гидравлических ударов в трубопроводных системах и разрывов трубопроводов при пусках и остановках насосов и в других переходных режимах,

• исключение износа трубопроводной арматуры в связи со снятием с них регулирующих функций,

• исключение из работы, а при демонтаже и из конструкции вентиляционных установок, регулирующих заслонок и направляющих аппаратов.

В зарубежной практике экономический эффект от повышения надежности, срока службы и межремонтного ресурса оборудования (насосных и вентиляционных агрегатов, арматуры и коммутационной электротехнической аппаратуры) за счет «щадящих» режимов его работы оценивается выше экономического эффекта от экономии электроэнергии.

По результатам обследования института энергетики США (EPRI) 83,7 % пользователей главной причиной применения регулируемого привода назвали «надежность» работы технологической системы, оборудования в целом и «эффективность процесса». Только 7,5 % привлеклись чистой «энергетической эффективностью».

Оборудование регулируемого электропривода для высоковольтных асинхронных электродвигателей (6,0 и 3,3 кВ) до недавнего времени базировалось, как правило, на преобразователях частоты зарубежного производства (ввиду отсутствия отечественного производства), в основном, фирмы Allen Bradley (Канада), удельная стоимость которых на 1 кВт мощности составляла 400 - 800 дол.США.

В последнее время были разработаны мероприятия по снижению их стоимости, в результате чего разработан регулируемый электропривод на основе нового поколения импортного высоковольтного устройства управления двигателями типа Power Flex 7000 мощностью до 5000 кВт. Стоимость затрат на внедрение регулируемого электропривода снижена

практически вдвое.

Помимо этого РАО «ЕЭС России» и головной институт АО ВНИИЭ рекомендуют следующее оборудования, освоенное отечественной промышленностью:

- регулируемый электропривод на основе бесконтактного электродвигателя двойного питания мощ-ностью 400-1600 кВт при удельной стоимости 1В0— 120 дол. США/кВт, соответственно,

- для механизмов мощностью до 1250 кВт регулируемый электропривод по схеме понижающий трансформатор - низковольтный преобразователь частоты - повышающий трансформатор при удельной стоимости до 160 дол. США/кВт.

Номенклатура регулируемых электроприводов для низковольтных электродвигателей (на напряжение 0,4 кВ) до недавнего времени основывалась на импортных преобразователях частоты производства фирм Allen Bradley, ABB, Danfoss, Emotron, Hitachi,Siemens,Schneider Group,Mitsubishi Electric при удельной стоимости от 110 до 250 дол. США/ кВт.

Сегодня появилась возможность ориентироваться на преобразователи частоты, освоенные отечественными производителями. При меньшей удельной стоимости 90-100 дол.США/кВт они не уступают импортным по своим техническим параметрам, эксплуатационным качествам и показателям надёжности.

К такому оборудованию, в частности, можно отнести преобразователи частоты опытного завода института биологического приборостроения РАН (г. Пущино)и фирмы Trioi.

Подавляющее большинство современных преобразователей частоты и регулируемых электроприводов на их основе имеют заведомо избыточный для конкретного применения набор пользовательских функций и ориентированы на применение в самых разных областях техники и различных отраслей народного хозяйства. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

В области электроэнергетики применение регулируемого электропривода необходимо, в первую очередь, на тепловых электростанциях для питательных насосов, дымососов, дутьевых вентиляторов, сетевых и подпиточных насосов.

Исследования специализированных организаций и опыт эксплуатации регулируемого электропривода показывают, что усреднённое значение коэффициента удельной экономии электроэнергии Кэ, учитывающий вклад 1 кВт установленной мощности регулируемого электропривода, для энергоблоков мощностью 150-300 Мвт составляет порядка Кэ = 1100-1200 кВт.час/год/кВт, что свидетельствует о

117

высокой эффективности регулирования производительности указанных механизмов.

(В мировой практике при коэффициенте Кэ более 800 кВт.час/год/кВт применение регулируемого электропривода всегда считается целесообразным).

Расчёты показывают, что оснащение регулируемым электроприводом всех тепловых энергоблоков единичной мощностью от 150 до 300 МВт, установленная мощность которых в России составляет около 55.000 МВТ, обеспечит, за счёт снижения расхода электроэнергии на собственные нужды, дополнительный отпуск электроэнергии потребителям от 3,9 до 4,8 млрд. кВт.час ежегодно.

Эффективность применения регулируемого электропривода в электроэнергетике не исчерпывается экономией электроэнергии.

Помимо экономии электроэнергии механизмами собственных нужд и, соответственно, дополнительного отпуска электроэнергии потребителям необходимо учитывать следующие основные факторы:

• снижение мощности, потребляемой в часы максимума нагрузок энергосистемы регулируемым электроприводом механизма собственных нужд по сравнению с мощностью, потребляемой нерегулируемой установкой (?Рмакс),

• экономию топлива, расходуемого в энергосистеме (?Вгод),

• повышение ресурса и снижение затрат на ремонты основного и вспомогательного оборудования в результате внедрения регулируемого электропривода.

Головным институтом по регулируемому электроприводу - АО ВНИИЭ разработана методика определения народнохозяйственного эффекта от внедрения регулируемого электропривода на основе расчёта годового дохода.

Расчётный годовой доход от применения регулируемого электропривода по этой методике учитывает три составляющие:

• стоимость топлива, сэкономленного в энергосистеме в результате уменьшения электроэнергии на собственные нужды за счёт ввода регулируемого электропривода,

• повышение надёжности работы и ресурса электродвигателей, выключателей, дросселирующей и регулирующей арматуры самих механизмом собственных нужд и соответствующее сокращение затрат на их ремонты и обслуживание,

• экономию средств в энергосистеме за счёт уменьшения амортизационных платежей за вновь вводимое основное оборудование, ввод которого отложен после применения регулируемого электропривода за пределы расчётного периода.

Стоимость сэкономленного топлива определяет-

ся по расчётной величине снижения расхода условного топлива в энергосистеме, умноженной на удельную стоимость условного топлива, которая в ценах, сложившихся в 2000 году, составляла 40 дол. США /тут.

Снижение расхода условного топлива в энергосистеме после внедрения регулируемого электропривода определяется по соотношению ДВгод - 2 ЬСРЕД • ДР • М, где ЬСРЕД - средний прирост расхода условного топлива в энергосистеме на 1 кВт. час за рассматриваемый промежуток времени At,

АР - снижение мощности, потребляемой механизмами собственных нужд с регулируемым электроприводом. Стоимость сокращения затрат на ремонты и обслуживание определяется экспертным путем. До получения и обобщения достаточно полных статистических данных и разработки на их основе методических инструкций АО ВНИИЭ рекомендует принимать величину снижения этих затрат равной 50% стоимости сэкономленной электроэнергии, что в 1,5-2 раза ниже зарубежных данных, в частности, данных института энергетики США.

Экономия средств за счёт уменьшения амортизационных платежей при отложенном вводе основного оборудования определяется умножением значения ?Рмакс на расчётную стоимость 1 кВт и на амортизационный коэффициент (0,125).

Стоимость вытесняемой из пиковой зоны графика электрической нагрузки мощности основного оборудования, ввод которого откладывается за пределы расчётного периода ввода регулируемого электропривода, может быть принята равной 1400 дол. США/кВт.

Остальные составляющие годового дохода такие, например, как:

• уменьшение аварийности и связанного с этим ущерба,

• повышение уровня автоматизации,

• уменьшение затрат на мероприятия, связанные с подавлением вредных выбросов (углекислого газа, азотных и серных окислов и т.п.), которые после ввода регулируемого электропривода на тягоду-тьевых механизмах могут быть уменьшены, по данным АО ВНИИЭ, на 20-25 %,

• сокращение расхода топлива за счёт эффекта оптимизации его горения после автоматизации этого процесса после ввода регулируемого электропривода на тягодутьевых механизмах.

На сегодня при расчёте по вышеприведенной методике срок окупаемости затрат на внедрение регулируемого электропривода для механизмов соб-

118

ственных нужд энергоблоков тепловых электростанций составляет в зависимости от режимов работы ТЭС от 1,5 до 3 лет. ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ

Первый опыт внедрения регулируемого электропривода в тепловых сетях состоялся на Выхинской насосной станции теплоснабжения (НТС), где в 1995 году на двух насосных агрегатах с асинхронными электродвигателями мощностью по 500 кВт каждый были установлены регулируемые электроприводы на основе частотных преобразователей фирмы «Allen Bradley» (Канада).

Производительность насосной станции выросла с 12.500 мЗ/ч до 15.000 мЗ/ч, потребляемая электрическая мощность уменьшилась с 6,3 МВт до 3 МВт (более чем на 50 %), достигнута годовая экономия электроэнергии около 3 млн. кВт. час.

Реализация программы автоматического регулирования частоты вращения насосных агрегатов, по оценке эксплуатации, даёт снижение расхода электроэнергии около 600 тысяч кВт.час.

В дальнейшем регулируемые электроприводы мощностью по 800 кВт были установлены ещё на пяти НПС предприятия «Тепловые сети» Мосэнерго.

Применение регулируемого электропривода на этих насосных станциях, помимо снижения потребляемой мощности и экономии электроэнергии, позволил решить ряд технических проблем:

• обеспечить поддержание заданного давления в обратной магистрали при любых изменениях режима,

• обеспечить безударный пуск и остановку насосных агрегатов,

• осуществить автоматический пуск насосной станции после кратковременного исчезновения напряжения,

• обеспечить поддержание оптимального гидравлического режима в переходные периоды весна-осень,

• повысить надёжность работы насосных агрегатов и арматуры, в результате чего в отопительный период практически прекратился выход оборудования из строя, а межремонтный период работы насосных агрегатов и арматуры увеличился в несколько раз,

• обеспечить возможность включения на переходный период системы защиты от повышения давления в обратной магистрали.

В целом расчёт эффективности и сроков окупаемости регулируемого электропривода в тепловых сетях можно выполнять по методике народнохозяйственного эффекта, рекомендуемого АО ВНИИЭ.

Следует отметить отсутствие в настоящее время

методики стоимостной оценки снижения, после ввода регулируемого электропривода, вероятности аварийных ситуаций, связанных с разрывами трубопроводов теплотрасс от гидравлических ударов при нарушениях нормальных режимов работы и недопустимого повышения давления при изменениях режимов.

Практика эксплуатации тепловых сетей показывают, что такие разрывы при работе насосных станций без регулируемого электропривода происходят относительно часто и приводят к большим материальным ущербам, а иногда и к человеческим жертвам.

Например, в январе 1997 года во Владивостоке произошла крупная авария в теплосети. Причина -самопроизвольное закрытие задвижки и резкое повышение давления в обратном трубопроводе горячей воды.

В результате - разрыв трубопровода теплотрассы, размораживание системы отопления жилого района и большой материальный ущерб, многократно превышающий стоимость регулируемых электроприводов, которые гарантированно предотвратили бы эту аварию. Причем договор на поставку регулируемых электроприводов был подписан в 1995 году, но оплачен не был и до сих пор не реализован.

Реализация программы автоматического регулирования производительности НСТ регулируемым электроприводом в составе общей системы автоматического управления, безусловно, оптимизирует режимы теплоснабжения потребителей и приводит к экономии тепла, однако достоверных исследований этого вопроса и специальных натурных испытаний не проводилось и, соответственно, методика оценки экономии тепла не отработана.

ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОЕ хозяйство

Особенно эффективно применение регулируемого электропривода в системах холодного (ХВС) и горячего (ГВС) водоснабжения и теплоснабжения коммунальных хозяйств, в частности, на центральных тепловых пунктах (ЦТП), поскольку в этом случае регулируемый электропривод, помимо экономии электроэнергии в размерах до 50 %, обеспечивает также экономию воды до 20 % и тепла до 6-10 %.

Указанные показатели экономии подтверждены натурными исследованиями и эксплуатационными наблюдениями, выполненными в период с 1996 по 2000 годы специализированными организациями,

На основе этих исследований специалистами АО НПП «Энергостройпром» разработаны методические рекомендации и программы расчета эффективности регулируемого электропривода на ЦТП.

На рис. 4, например, приведены результаты электронного расчета экономии электроэнергии и воды

119

на ЦТП-3/2 (Москва, Жулебино), выполненные на основании гистограммы загрузки двигателя насосной установки холодного водоснабжения за период работы около шести месяцев. (Гистограмма снята из процессора частотного преобразователя регулируемого электропривода, который фиксировал выходную частоту преобразователя за этот период с пятиминутным интервалом).

Результаты расчётов практически полностью совпали с результатами натурных замеров, в связи с чем эта методика может быть рекомендована для коммерческого учета экономического эффекта от применения регулируемого электропривода.

Каждая установка холодного и горячего водоснабжения включает в себя, как правило, группу от 2 до 4 насосов. В связи с этим, в целях сокращения затрат на внедрение регулируемого электропривода, в 1997 году была разработана и освоена в производстве станция группового управления (СГУ), конструкция которой защищена Патентом Российской Федерации (Патент № 2073122 от 12.07.96 г.).

Станция группового управления выполняет:

* управление группы электродвигателей от одного преобразователя частоты,

• автоматическое регулирование или поддержание на заданном уровне технологического параметра (давления, температуры, расхода и т.д.) посред-

ством изменения частоты вращения одного из электродвигателей, а также путем автоматического изменения числа работающих нерегулируемых электродвигателей. При этом осуществляется плавный частотный пуск каждого из двигателей и плавное снижение частоты вращения перед остановкой,

• плавные «мягкие» безударные включения, отключения и переключения электродвигателей по заданному алгоритму, обеспечивая «щадящие» переходные режимы без гидравлических ударов и вредных электродинамических и механических нагрузок,

• автоматическую замену режимов работы насосных или вентиляционных установок по времени с целью обеспечения равномерной амортизации технологического и электротехнического оборудования,

• регистрацию и отображение информации о работе оборудования с возможностью подключения к системе компьютерного надзора.

В связи с использованием на группу насосов одного преобразователя частоты, наиболее дорогостоящего элемента регулируемого электропривода, удельная стоимость станции группового управления на 1 кВт установленного насосного оборудования снижена от 1,5 (для двух насосов) до 2,5 (для четых насосов) раз по сравнению с установкой преобра-

Ниже, для примера приводятся результаты расчёта экономической эффективности внедрения регулируемого электропривода на основе станций группового управления в системах холодного и горячего водоснабжения городских коммунальных хозяйств Московской области. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

- среднегодовое водопотребление - около 700 млн мЗ;

- стоимость 1 мЗ воды питьевого качества с учетом водоотведения -3,5 руб; (средняг по районам)

- среднегодовое потребление тепла - около 6 млн.Гкал;

- стоимость 1 Гкал тепла - 162 руб;

- установленная мощность электродвигателей - около 180.ООО кВт;

- среднегодовое потребление электроэнергии - около 0,52 млрд.кВт.час;

- стоимость 1 кВт. час электроэнергии - 0,5 руб; РАСЧЕТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (приняты по результатам исследований, натурных испытаний и опыта внедрения и эксплуатации регулируемого электропривода на ЦТП г. Москвы в процентах к среднегодовым показателям):

- сокращение среднегодового потребления электроэнергии

- 40;

- 15;

- 7,5;

- снижение водопотребления

- сокращение потребления тепла ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ВОДЫ И ТЕПЛА:

- экономия электроэнергии

- сокращение водопотребления и водоотведения

- сокращение потребления тепла

- Экономия средств:

- на электроснабжение

- на водоснабжение и водоотведение

- на теплоснабжение

- всего

ЗАТРАТЫ НА РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД РАСЧЕТНАЯ ОКУПАЕМОСТЬ ЗАТРАТ - ОКОЛО 9 МЕСЯЦЕВ.

Расчеты выполнены с учетом тарифных ставок, действующих по состоянию на май 2001 года.

- 208 млн. кВт. час;

- 105 млн. мЗ;

- 0,45 млн.Гкал;

- 104 млн.руб (3,6 млн. иБР);

- 367,5 млн.руб. (12,75 млн. и5Р);

- 72,9 млн.руб (2,5 млн. иБО);

- 545 млн.руб. (19 млн. 1150) в год.

- 414 млн.руб (14,4 млн. №0).

120

зователей частоты на каждом насосном агрегате.

В расчетах не учтены рекомендации по экономическому эффекту от дополнительного ресурсосбережения, получаемому за счет значительного увеличения ресурса работы оборудования и сокращения затрат на его ремонты и эксплуатацию, а также от сокращения затрат на ликвидацию аварий, связанных с разрывами трубопроводов при гидравлических ударах.

Введение коэффициента, учитывающего дополнительное ресурсосбережение, повышает эффективность и снижает сроки окупаемости затрат на внедрение регулируемого электропривода в 1,5-2 раза. НЕФТЕДОБЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

В последнее время особую актуальность в нефтедобывающей промышленности приобретает проблема совершенствования технологических процессов и повышения надежности и долговечности оборудования нефтедобывающих промыслов с целью снижения на этой основе себестоимости добычи нефти и газа и понижения отпускных цен на органическое топливо, как средства снижения энергоемкости валового национального продукта.

На нефтедобывающих промыслах используются нерегулируемые электродвигатели с постоянной частотой вращения, которые не исключают вредных динамических воздействий на оборудование в процессе работы и в переходных режимах, что приводит к необходимости частой замены наиболее нагруженных узлов и выходу оборудования из строя.

Оснащение оборудования специальными механическими и электрическими устройствами по снижению динамических воздействий увеличивает количество оборудования, усложняет его эксплуатацию, в полной мере не исключает вредных динамических воздействий и не решает проблем совершенствования технологических процессов..

Оснащение оборудования регулируемым электроприводом обеспечивает оптимизацию режимов работы оборудования и исключает вредные динамические воздействия на его узлы и элементы.

Применение регулируемого электропривода обеспечивает:

- регулирование осевого давления на долото в режимах бурения в заданных параметрах;

- требуемые скоростные характеристики привода буровых лебедок во всех четырех квадрантах механической характеристики;

- минимизацию нагрузок на механические элементы станков-качалок устройств откачки нефти из скважин;

- исключение вредных динамических механических, гидравлических и электрических воздействий на

скважинные насосы и трубопроводы.

Зарубежный опыт показывает: применение регулируемого электропривода в 3-4 раза повышает долговечность оборудования, в 2-3 раза сокращает операции по замене наиболее нагруженных элементов и узлов оборудования, что сокращает эксплуатационные затраты по нефтедобыче.

Снижение потребления электроэнергии особенно существенно для нефтедобывающих промыслов с энергообеспечением от дизельгенератор-ных установок.

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Одной из проблем на магистральных газопроводах является проблема стабилизация температурного режима изоляции трубопровода с целью исключения возникновения в ней переменных и, особенно, знакопеременных напряжений и усталостных деформаций, способных привести к нарушению герметичности изоляции и последующей коррозии металла стенок газопровода, которая может вызвать местное разрушение, утечку газа или разрыв трубопровода.

Охлаждение газа после компрессоров на выходе из газоперекачивающей станции и по трассе газопровода предусматривается вентиляционными установками системы воздушного охлаждения газа. Типовая система включает в себя до 32 вентиляционных установок с электродвигателями мощностью от 30 до 55 кВт и вентиляторами с регулированием их производительности посредством дросселирующих направляющих лопаток.

По данным эксплуатации, ресурс и надёжность работы вентиляторов с регулированием их производительности поворотом дросселирующих лопаток, как и надежность системы автоматической стабилизации температуры газа, оставляет желать лучшего.

Проработки, выполненные специализированными организациями в 1997 году, показали, что применение для вентиляционных установок систем воздушного охлаждения газа регулируемого электропривода позволит:

• исключить из работы и конструкции вентиляторов дросселирующие лопатки, как элемент, снижающий надёжность и экономичность работы системы воздушного отопления,

• обеспечить автоматическое регулирование и поддержание заданных параметров температуры газа на входе в магистральный газопровод, стабилизацию температурного режима работы и увеличение срока службы изоляции газопроводов,

• обеспечить оптимизацию термодинамических характеристик транспортируемого газа, минимизация затрат на его транспорт и увеличение пропускной способности газопроводов,

• обеспечить оптимальные экономичные «щадящие» режимы работы оборудования вентиляционного установок.

Общее количество вентиляционных установок систем воздушного охлаждения на магистральных газопроводах исчисляется тысячами единиц.

Практического внедрения регулируемого электропривода для решения вышеизложенных задач до сих пор не наблюдается. ТРАНСПОРТ НЕФТИ

В 1996 году АО «Гипротрубопровод» (Москва) и институтом «ИПТЭР» (Уфа) были выполнены комплекс работ по исследованию эффективности применения регулируемого электропривода для насосо-перекачивающих станций (НПС) магистральных нефтепроводов и проектные разработки по реализации регулируемого электропривода на конкретных НПС АО «Приволжские МН», АО «Черноморские МН» и АО «Северо-Кавказские МН».

Работы показали, что оптимизация работы насосного оборудования и магистральных нефтепроводов с помощью регулируемого электропривода обеспечивает:

• автоматическую синхронизацию и оптимизацию режимов последовательно работающих НПС на магистральном нефтепроводе,

• увеличение за счёт этого пропускной способности магистральных нефтепроводов,

• исключение условий возникновения гидравлических ударов и предотвращение за счет этого аварийных разрывов магистральных трубопроводов,

• «щадящие» режимы и увеличение ресурса работы насосного оборудования,

• экономию до 30-40% электроэнергии, потребляемой насосными агрегатами.

На основании положительных результатов этих работ заказчику - АО «Транснефть» были представлены технико-коммерческие предложения на поставку регулируемых электроприводов для насосных станций, в частности, на нефтепроводе Самара-Тихорецкая. Предложения реализованы не были, а в 1997 году именно на этом нефтепроводе в районе г. Волгограда в феврале 1997 года произошла крупная авария с разрывом трубопровода, вызванным гидравлическим ударом. Авария привела к большому материальному ущербу и экологическому загрязне-

Таблица 2.

NsNa п-п. Наименование объектов Мощность эл. двигателей Руст, кВт Регулируемый параметр За счёт чего достигается экономия ДЭ тод, млн. кВт. ч

1 2 3 4 5 6

1 Насосная ламинарного охлаждения полосы 800 х 3 = 2.400 Уровень в гидробакс Исключение слива в периоды перевалок и малого потреблен. 5,46

2 Насосная охлаждения валков 800 х 4 - 3,200 Расход воды на охлаждение Снижение подачи воды на время перевалок 2,34

3 Насосная возврата воды из под стана 1600 x 3 = 4.800 Уровень воды в прием, камерах Снижение подочи воды на время перевалок 4,8

4 Насосная гидросбива окалины 2000 х 3 = 6.000 Давление Снижение давления на время перевалок 5,7

5 Насосная условно чистой воды на стан 500 x 3 = 1.500 Давление Снижение подачи воды на время перевалок 1,6

6 Вентиляторы воздуха горения нагрев, печей 1250 х 3 = 3.750 Давление Исключение дросселирования зодвижками 12,8

7 Насосная подачи свежей воды 1600 Расход Исключение дросселирования задвижками 3,0

Итого 23,250 35,7

122

нию, последствия которого будут сказываться многие годы.

И до сих пор регулируемые электроприводы на насосных станциях магистральных нефтепроводов применения не находят.

Следует отметить, что около половины потребителей регулируемого электропривода высокого напряжения в развитых странах мира (США, Канада) приходится на предприятия трубопроводного транспорта нефти и нефтехимической промышленности.

НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Эффективность применения регулируемого электропривода для насосных установок головных и промежуточных насосных станций предприятий «Водоканалов» определяется крайне неравномерными режимами их водоподачи.

Экономия электроэнергии на этих станциях после ввода регулируемого электропривода составит 35-45 %.

Не менее важны оптимизация и стабилизация давления в трубопроводах и снижение вероятности аварийных ситуаций, связанных с исключением условий возникновения гидравлических ударов.

На отдельных муниципальных предприятиях «Водоканалов» наблюдается применение единичных образцов регулируемого электропривода на основе импортных гидромуфт, обеспечивающих регулирование производительности насосных установок и «щадящие» режимы работы оборудования. Однако ввиду низкого к.п.д. и сложной в эксплуатации конструкции гидромуфт их энергосберегающая эффективность и эксплуатационная надёжность вызывают сомнение.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Эффективность применения регулируемого электропривода на предприятиях металлургической промышленности можно продемонстрировать на примере оснащения регулируемым электроприводом насосных станций и вентиляторов горения нагревательных печей стана 2000 АО «Северсталь».

Результаты расчетов годовой экономии электроэнергии, выполненные в 1996 году, приведены в таблице 2.

Снижение мощности, потребляемой в часы максимума нагрузок, АРмакс оценивается величиной около 1.800 кВт.

Расчётный коэффициент удельной экономии электроэнергии составляет

Кэ=ДЭгод : Руст = 35,7 млн.кВт.час/год: 23.250кВт

= 1.535 кВт.час/год/кВт.

Расчётные величины Кэ и АРмакс свидетельствуют о весьма высокой эффективности применения регулируемого электропривода на насосных и вен-

тиляционных установках стана 2000, равно как и прокатных станов других предприятий металлургической промышленности.

Тем не менее регулируемый электропривод на указанных выше технологических системах стана 2000 АО «Северсталь» до сих пор не реализован.

Также не реализованы технико-коммерческие предложения на поставку и внедрение регулируемых электроприводов для технологических систем Магнитогорского и Нижне-Тагильского металлургических комбинатов, переданные на эти предприятия в 2000 году.

Рассмотренные выше примеры показывают огромные потенциальные возможности энергосбережения за счёт массового внедрения регулируемого электропривода во всех отраслях народного хозяйства.

За семь последних лет АО «НПП Энергостройп-ром» совместно с организациями и предприятиями различных отраслей и ведомств определили множество мест и объектов, первоочередное внедрения регулируемого электропривода на которых обеспечит наибольший эффект энерго- и ресурсосбережения.

Среди этих объектов:

- питательные насосы, тяго-дутьевые механизмы, сетевые и подпиточные насосы более двухсот энергоблоков тепловых станций,

- насосные станции тепловых сетей муниципальных предприятий практически всех регионов России,

- головные и насосные станции промежуточных подъёмов городских муниципальных предприятий «Водоканалов»,

- городские котельные и РТС,

- насосные установки систем холодного и горячего водоснабжения городских коммунальных хозяйств,

- насосно-перекачивающие агрегаты магистральных нефтепроводов,

- системы воздушного охлаждения газа магистральных газопроводов,

- буровые установки нефтяных промыслов,

- компрессорные станции горно-обогатительных комбинатов,

- технологические системы целлюлозно-бумажных комбинатов.

Представляется, что для начала процесса внедрения регулируемого электропривода в массовом порядке и существенной экономии на этом энергоресурсов, в объёмах, ощутимых в народном хозяйстве в целом, недостаёт начального инвестиционного финансово-организационного воздействия.

Федеральная энергетическая комиссия полагает,

123

что одним из возможных рычагов такого побудительного механизма могло бы послужить предоставление предприятиям и организациям, внедряющим регулируемый электропривод, возможности компенсации затрат на внедрение за счёт энергосберегающей составляющей в тарифе на электроэнергию.

Дополнительная составляющая тарифной ставки Сэ рп на компенсацию затрат по изготовлению и поставке регулируемого электропривода для механизмов собственных нужд энергоблока может быть определена как:

МРП

Сэ рп =-----------------------, где

N тэс х Т

Црп - стоимость работ по изготовлению и поставке оборудования регулируемого электропривода N тэс - мощность ТЭС установленная;

Т - число часов использования установленной мощности.

В качестве примера расчёта дополнительной тарифной составляющей для компенсации затрат на внедрение регулируемых электроприводов на типовом энергоблоке мощностью 300 МВт четырёх блочной ТЭС общей мощностью 1,2 МВт (по Программе ежегодного оснащения регулируемым электроприводом одного энергоблока и полного оснащения ТЭС за 4 года) приняты следующие исходные данные:

- регулируемым электроприводом оснащается оборудование энергоблока в составе дутьевых вентиляторов, дымососов, сетевых и подпиточных насосов общей мощностью 7.500 кВт.,

- стоимость работ по изготовлению и поставке регулируемого для механизмов собственных нужд, указанных в п. 1. - около 70 млн.рублей,

- срок действия дополнительной составляющей тарифной ставки на отпуск электроэнергии, в течение которого полностью компенсируются затраты по изготовлению и поставке оборудования регулируемого электропривода для одного энергоблока, принят равным 12 месяцам.

При этих условиях величина дополнительной составляющей для компенсации затрат на внедрение регулируемого электропривода на одном энергоблоке мощностью 300 МВт ТЭС общей мощностью 1.200 МВт при числе часов использования установленной мощности ТЭС около 6000 час составит:

ФЭК определила, что электростанциям, работающим в системе ФОРЭМ, после внедрения регулируемого электропривода будет устанавливаться тариф на отпускаемую электроэнергию, увеличенный на размер компенсации затрат по внедрению регулируемого электропривода на расчётный период окупаемости затрат.

Размер и сроки действия увеличенного тарифа будут утверждаться Федеральной энергетической комиссией на основании представляемых электростанциями технико-экономических расчётов и Договоров на поставку оборудования регулируемого электропривода.

ФЭК рекомендовала Региональным энергетическим комиссиям принимать аналогичные решения по повышению тарифов для подведомственных им электростанций и по понижению тарифов в соответствии с аналогичными принципами для предприятий - потребителей электроэнергии.

Выполнение функций головной организации по координации работ, разработке методик расчётов компенсирующих составляющих ставок тарифов, программ и мероприятий по внедрению регулируемого электропривода и по поставкам оборудования регулируемого электропривода предоставлено АО «НПП Энергостройпром».

Литература.

1. «Инструкция по расчёту экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода». Минэнерго РФ, 1997.

2. Г.В.Дегтев «Модернизация электроприводов насосных станций в московском районе «Лефортово» с целью энерго- и ресурсосбережения», Приводная техника, Л*Ь 3, май-июнь 1997.

3. С.И.Садовский «О некоторых аспектах энергосбережения». Промышленная энергетика, Л/о 12, 1999.

4. «Решение международного научно-технического семинара по проблемам регулируемого электропривода для электроэнергетики», РАО «ЕЭС России», 1999.

5. И.Марков «Об эффективности реконструкции насосно-перекачивающих станций тепловых сетей Мосэнерго», ЦЭНЭФ, октябрь-декабрь 1999.

6. «Самый эффективный способ обеспечения энергией - энергосбережение», «Московская правда», 23.05.2000.

70.000.000 руб.

Сэ рп =.........................................= 0,0097 руб/кВт.час (около 1 коп/кВт.час)

1.200.000 кВт х 6000 час

Рис.!. Характеристики совместней работы насоса и гидравлической сети

Рис 2. Мощностные характеристики приВоЭа механизма с Вентиляторной нагрузкой а - нерегулируемого, В - регулируемого.

Ч*»?от»

(Г«>

Н-1-1-

0.1 0.15 0.2

0;*»о1Т«ямм« 8р«я»лх*тел1я»«п

Рис. 3. Загрузка двигателя регулируемого электропривода насосной установки системы водоснабжения

125

Расчет экономических показателей применения

Показатель степени = 3,00 - для мощности! 1,00| - для расхода

Диапазон Усредн. Относительные: Число Время работы Эл-энергия Расход воды

частоты диапзон. Расход Мощность 5 мин (мин) (час) относит. Эотн=№тнЧотн

(Гц) (Гц) вотн Ыотн интерв. Зотн=6отнЧотн

12.5-15.0 13,75 0,275000 0,020797 0 0 0.0 0 0 0

15.0-17.5 16,25 0,325000 0,034328 0 0 0 '. ......0,0 1 0,0 0 0 0

17.5-20.0 18,75 0,375000 0,052734 0 0 0 0

20.0-22.5 21,25 0,425000 0,076766 0 0 1 0,0 0 0 0

22.5-25.0 23,75 0,475000 0,107172 0 0 1 0,0 0 0 0

25.0-27.5 26,25 0,525000 0,144703 0 0 1 0,0 0 0 0

27.5-30.0 28,75 0,575000 0,190109 0 0 . 0,0 0 0 0

30,0-32.5 31,25 0.6250001 0,244141 0,0753 0,018383789 0,0470625

35.0-32.5 33,75 0,675000 0,307547 0,205 0,063047109 0,138375

35.0-37.5 36,25 0,725000 0,381078 0,195 0,074310234 0,141375

37.5-40.0 38,75 0,775000 0,465484 0,185 0,086114609 0,143375

40.0-42.5 41,25 0,825000 0,561516 0,18 0,101072813 0,1485

42.5-45.0 43,75 0,875000 0,669922 0,135 0,090439453 0,118125

45.-47.5 46,25 0,925000 0,791453 0,0125 0,009893164 0,0115625

47,5-50.0 48,75 0,975000 0,926859 0,0122 0,011307684 0,011895

50.0-52.5 51,25 1,025000 1,076891 0 0 0

------- Итого: ____. _ 1 0,454568856 0,76027

Экономия электроэнергии: 54,54%

--------... Экономия воды 23,97%

Частота (ГЦ) 50.0-52.5 Т

Загрузка двигателя регулируемого привода системы водоснабжения ЦТП-3/2 (Жулебино)

45.-47.5 Я 40.0-42.5 35.0-37.5 30,0-32.5 25.0-27.5 20.0-22.5

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Относительная продолжительность работы

Рис. 4, Результаты электронного расчёта экономии электроэнергии и воды

юл

1ЛО