Технические науки/5. Энергетика

Кунтуш Е.В., Сиверская Т.И.

Карагандинский государственный индустриальный университет, Казахстан

Энергосбережение средствами частотно-регулируемого привода в энергосистемах коммунального хозяйства

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода, выполненного на основе асинхронного электродвигателя c короткозамкнутым ротором. Частотный преобразователь в комплекте c асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты. Применение первых четырёх устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время [1].

Некоторые виды нагрузки имеют переменную механическую характеристику, для которой момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения. В коммунальном хозяйстве широко используются центробежные насосы и вентиляторы, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, а значит, потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения. Из этого следует, что даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в мощности - вот почему экономия электроэнергии является главным преимуществом использования управляемого электропривода для насосов и вентиляторов. Теоретически снижение скорости на 10% даёт тридцати процентную экономию мощности.

Потери энергии в технологическом процессе зависят от расхода сети (технологической нагрузки), определяемого потребителем, и потерь напора на оборудовании насосной станции которые определяются гидравлическим сопротивлением элементов схемы. Для организации технологического процесса с минимальными энергетическими потерями необходимо, в первую очередь, снизить потери напора между трубопроводом насосного агрегата и сетью потребителей.

Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в сети, необходимо исключить дополнительные гидравлические сопротивления на участке от насосного агрегата до сетевого трубопровода, то есть необходимо полностью открыть всю запорно-регулирующую арматуру.

Это можно сделать, если процесс регулирования давления передать насосному агрегату.

Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1.

Рисунок 1. Сравнение характеристик пpи дpoccелиpoвaнии и частотном управлении

Таким образом, пpи дpoccелиpoвaнии поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение преобразователя частоты, регулирующий электропривод насоса, позволяет задать необходимое давление, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества [2].

Одним из главных способов повышения энергоэффективности является оснащение вновь построенные или уже эксплуатируемых зданий автоматическими индивидуальными тепловыми пунктами и управляемыми насосными узлами с погодозависимым регулированием. В итоге потребление тепла становится динамическим. Соответственно, наисточниках теплоты также необходимо изменять его подачу таким образом, чтобы в сети не циркулировал перегретый теплоноситель. В большинстве случаев вопрос решается дросселированием: в систему с перекачивающими насосами ставятся специальные задвижки, которые уменьшают расход воды.

У названного способа есть ряд недостатков: Сложности в применении, обслуживании, эксплуатации. Во-первых, асинхронные двигатели насосов подключаются к электрической сети напрямую. Во-вторых, дополнительные дроссели и клапаны нуждаются в систему правления. Давление в линии меняется неоперативно и ступенчато, что обуславливает низкий диапазон регулирования. «Прямой» пуск асинхронных двигателей насосных агрегатов из-за высоких значений пусковых токов в сети губителен для двигателей и повышает вероятность возникновения гидроударов в трубопроводах. Кроме всего вышеперечисленного, дросселирование неэкономично. Даже при отсутствии потребления насосы продолжают работать «на заслонку», попусту перегоняя теплоноситель. Бессмысленно тратятся и тепло, и электроэнергия.

Если организовать работу привода насосного агрегата таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода в сети и давления на входе агрегата) изменял частоту вращения, то в итоге можно без существенных потерь энергии стабилизировать давление в сетипотребителей. При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов), а значит, и потери гидравлической энергии.

Способ регулирования давления в сети путём изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление ещё и по другой причине [3]. Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата.

В соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счёт повышения коэффициента полезного действия самого насоса – преобразования механической энергии в гидравлическую.

Применение частотного регулирования приводов позволяет существенно уменьшить и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием агрегатов и систем [4]. Например, снижение перепада давления между всасывающим и напорным патрубками насосного агрегата увеличивает срок службы сальниковых уплотнений, практически исключая гидроудары и обеспечивает стабильность давлений в трубопроводах сетей, а также минимизирует затраты на обслуживание.

Практика применения частотных преобразователей для управления насосами и вентиляторами доказывает целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания специализированных систем управления технологическим процессом. Именно такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшение условийтруда и увеличение срока службы оборудования. Современные преобразователи частоты позволяют получать более 20 параметров состояния электропривода. Соответствующая обработка этих параметров позволяет проводить глубокое диагностирование как оборудования системы, так и протекающих процессов. Появляется возможность не только реагировать на возникшую аварию, но и предупреждать её, что для энергетических объектов значительно важнее [5].

Создание системы с частотно-регулируемыми приводами, в которых управление частотой осуществляется наряду с контролем целого комплекса различных технологических параметров, позволяет снизить не только потребление электрической энергии, но и обеспечивает экономию потребления энергоресурсов всей системы [6].

Литература

1 Sunenergys [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sunenergys.ru/informatsiya/chto-takoe-dalnee-infrakrasnoe-izluchenie.html свободный. – Загл. с экрана.

2 Климат Индустрия [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.vologda-vent.ru/content свободный. – Загл. с экрана.

3 Дружинин В.М., Кунтуш Е.В., Черный А.П.Использование асинхронных двигателей в металлургическом производстве//Вестник КГИУ – Темиртау, 2014 – № 3(6) – с. 5 – 9.

4 Кунтуш Е.В., Сиверская Т.И. Применение энергосберегающих технологий в конверторном производстве//Научно-технический прогресс в металлургии: труды VIII Международной научно-практической конференции – Темиртау, 2015 – с. 146 – 149.

5 Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.gu-sta.ru/ свободный. – Загл. с экрана.

6 Комков В.А., Тимахова Н.С. Энергосбережение в жилищно-коммунальном хозяйстве.– М.: ИНФРА-М, 2010 - 320 с.