А.Б. Секербаева

Семипалатинский государственный университет имени Шакарима (г.Семей)

Комплексный подход к вопросам энергосбережения

Доля энергозатрат в себестоимости продукции Казахстана колеблется от 5% до 25% в зависимости от вида производства, что значительно выше, чем в странах с развитой рыночной экономикой.

Большинство производственных установок практически всех отраслей промышленности и коммунального хозяйства по условиям технологии применяют электродвигатели, которыми используется до 60% всей потребляемой электроэнергии.

Наиболее простое и эффективное применение – управление насосными агрегатами станций подкачки водопроводных сетей и силовых распределительных пунктов. Основано это на стабилизации давления холодной или горячей воды на выходе насосной станции. Возможно применение в качестве сигнала обратной связи датчика давления или расхода воды. При неравномерном суточном, недельном, месячном графике потребления воды поддержание оптимального давления в сетях возможно с помощью перекрытия задвижек на выходе насосной станции (метод дросселирования) или за счёт изменения скорости вращения насосного агрегата (изменение его производительности). Мощность, потребляемая насосом, находится в кубической зависимости от скорости вращения рабочего колеса. Р=f(Q3). Производительность насоса Q прямо пропорциональна скорости вращения рабочего колеса. Т.е. уменьшение скорости вращения рабочего колеса насоса в 2 раза приводят к уменьшению потребляемой мощности в 8 раз насоса.

Зная суточный график расхода или потребления воды можно определить суточную экономию электроэнергии при применении частотно-регулируемого привода. Таким образом, видно, что частотно-регулируемый привод значительно эффективнее, чем регулирование дросселированием.

Перечислим и рассмотрим подробно основные принципы экономии энергии в электроприводе и средствами частотно регулируемого электропривода.

Разделим возможные ситуации на две большие группы:

1. регулирование скорости не используется;

2. нерегулируемый электропривод заменяется регулируемым.

В первой группе основная возможность влиять на энергетические процессы это правильный выбор основного оборудования, в первую очередь, электродвигателя и редуктора, если он используется, а также применение некоторых мероприятий, снижающих потери энергии.

Выбор электрооборудования. Важным и еще очень мало использованным резервом энергосбережения служит правильный выбор основного электрооборудования в простейшем, самом массовом и энергоемком нерегулируемом электроприводе (системах электропривода).

Европейские эксперты считают, что средний коэффициент использования двигателей (отношение средней мощности за цикл к номинальной) составляет 0,6.

Как показывает опыт, в отечественных условиях этот коэффициент иногда существенно ниже. Нередко доля энергетических затрат на производимую продукцию непомерно возрастает, что делает производство нерентабельным.

Существенный эффект в подобных случаях может дать простая замена оборудования (двигателей) или внедрении систем автоматизации, однако корректное решение подобной задачи предполагает достаточно высокую квалификацию персонала.

Уменьшение потерь в двигателях. В мировой практике с середины 1970-х годов активно пропагандируется использование энергосберегающих двигателей .

Идея очень проста: в асинхронный двигатель проектируют так что закладывают  в них на 25...30 % больше активных материалов (алюминия, железа, меди ),при этом на 30 % снижаются энерго-потери и возрастает КПД - до 5 %  в небольших двигателях (единицы кВт) и до 1 % в двигателях мощностями около 70... 100 кВт.  

Во-первых, речь идет о нерегулируемом электроприводе, т.е. сэкономив несколько процентов на потерях в двигателе, в самых массовых и энергоемких применениях (насосы, вентиляторы и т.д.) можно продолжать терять в десятки раз больше в агрегатах, обслуживаемых электроприводом.

Во-вторых, расчетная экономия будет достигаться лишь при мало меняющейся и близкой к номинальной нагрузке. При резко переменной нагрузке, например при значительной доле холостого хода в цикле, экономия будет существенно меньше расчетной.

В-третьих, экономия может быть заметной (рекламируемые 4...5%), если все элементы силового канала правильно выбраны и настроены. Так, потери в ременной передаче, часто используемой, например, в электроприводе вентиляторов, могут варьироваться от 5 до 10... 12 % только за счет нерационального выбора параметров передачи и могут резко возрастать при неверно выбранном натяжении ремней. Таким образом, существует ряд причин, которые могут практически обесценить этот популярный в США и Европе способ энергосбережения в электроприводе.

Уменьшение потерь в питающих сетях. Проблема потерь мощности возникает за счет низкого коэфициента мощности. Проблема компенсации реактивной мощности традиционно пользуется большим (иногда избыточно большим) вниманием в отечественной практике. Найдены и применяются различные технические решения (переключаемые конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы, фильтрокомпенсирующие устройства и т.д.). Как мы видим  большинство этих приемов ориентированы на нерегулируемый электропривод, а иногда и сильно недогруженный электропривод с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. 

К другим способам энергосбережения в нерегулируемом электроприводе можно отнести:

1. снижение времени холостого хода;

2. переключение обмоток по схемам  на время холостого хода или малых нагрузок;

3. изменение типа торможения в электроприводах с частыми пусками и торможениями.

Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Этот переход является генеральным направлением энергосбережения, принятым во всем мире и дающим наибольший эффект как в части экономии электроэнергии, так и в других показателях технологического процесса. Для этого в силовой канал  включается дополнительный элемент — преобразователь электрической энергии, подающий к асинхронному двигателю напряжение с регулируемыми амплитудой и частотой (использование частотных преобразователей). В результате обеспечивается подача конечному потребителю  необходимой (или оптимальной) мощности  и исключаются большие потери в задвижке. Одна из величин - расход воды - изменяется неуправляемо, поскольку она определяется открытыми в данный момент кранами, а вторая задается насосом и, следовательно, может управляться.

Применение ЧРП в насосных установках холодной и горячей воды позволяет снизить непроизводительный расход воды на 10-15% и на 8-10% тепла.

Преимущества применения частотно-регулируемого электропривода

· Экономия электроэнергии от 30 до 60%.

· Исключение гидроударов, что позволяет резко увеличить срок службы трубопроводов и запорной арматуры.

· Отсутствие больших пусковых токов, полная защита электродвигателей насосных агрегатов, работа электродвигателей и пусковой аппаратуры с пониженной нагрузкой, что значительно увеличивает срок службы электродвигателей

· Значительная экономия воды за счёт оптимизации давления в сетях и уменьшения разрывов трубопроводов.

· Возможность полностью автоматизировать насосные станции

Как показывают расчеты, подтвержденные реальными условиями промышленной эксплуатации, срок окупаемости систем частотно-регулируемого электропривода составляет от 0,5 года до 2-х лет и постоянно снижается в связи с ростом цен на электроэнергию и энергоносители.

Список литературы:

1. Кривицкий С.О., Эпштейн И.И., Частотно-регулируемый электропривод. Авт.свид. СССР. кл. 7/42, № 409347, заявлено 20.04.71, и 1648243/24-7, опубликовано 05.11.74. Бюллетень №48.

2. Альтшуллер И.А. и др. Способ управления частотно-регулируемым электроприводом. Авт.свид.СССР, кл. Н02р 5/34, № 434552, заявлено 02.12.72, №1852470/24-7, опубликовано 13.11.74. Бюллетень № 24.

3. Системы управления энергосберегающих электроприводов общепромышленных механизмов. Богаченко Д. Д., Кудрявцев А. В., Ладыгин А. Н. И др. Электротехника. 2002. - №5. - С. 2 - 7.