Технико-экономическое обоснование внедрения систем управления с частотно-регулируемым электроприводом

Автор: В.А. Ченчик (ООО «Русэлком М»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №3/2015

Определение экономической эффективности, которую можно получить от внедрения преобразователей частоты (ПЧ), является актуальной проблемой. Потребителю хотелось бы до приобретения ПЧ иметь гарантии, что средства будут израсходованы не зря: общие утверждения о том, что экономия электроэнергии составит 30–80%, требуют подтверждения.

К сожалению, универсальной методики на все случаи применения ПЧ нет и быть не может, так как экономический эффект зависит от многих факторов, характерных для конкретной установки. Однако существует большое количество типовых решений, применяемых в народном хозяйстве, например, для системы отопления и горячего и водоснабжения на центральных тепловых пунктах (ЦТП). Московским энергетическим институтом (МЭИ) разработана методика оценки экономической эффективности применения частотного электропривода в системах водоснабжения зданий, разработана «Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода», согласованная с Главгосэнергонадзором и утвержденная Минтопэнерго.

Теоретические вопросы экономии электроэнергии достаточно хорошо отражены в литературе [1–4].

Даже среди специалистов тепловодоснабжения существует распространенное, но ошибочное мнение, что применение частотного регулирования при правильно подобранных характеристиках насоса никакой экономии электроэнергии дать не может. Да, такое возможно: при неправильной выбранной величине уставки давления для преобразователей частоты суммарное потребление электроэнергии насосом с ПЧ может не дать экономию. Очень важно, чтобы величина уставки давления соответствовала минимальному напору при максимальном расходе.

Если поставить датчик давления непосредственно у потребителя, то при уменьшении расхода автоматически снижается необходимый напор, т.е. заданный параметр регулирования для ПЧ будет формироваться Q–H характеристикой сети.

Для оценки экономической эффективности от применения преобразователей частоты в любом случае необходимо организовать установку приборов учета электрической энергии и произвести замеры электропотребления до установки ПЧ и после его установки. Кроме установки ПЧ нужно провести все необходимые регулировки и настройки в работе системы.

Наибольший экономический эффект от внедрения частотно-регулируемого привода с точки зрения энергосберегающих мероприятий достигается на квадратичных нагрузках (центробежные насосы, вентиляторы) в случае замены дросселирования частотным регулированием.

Как известно, число оборотов двигателя пропорционально частоте его питания. При питании электродвигателя от сети (50 Гц) число его оборотов будет максимальным и неизменным. При питании электродвигателя от преобразователя частоты

(регулируемая выходная частота 0…50 Гц) число его оборотов будет изменяться от нуля до максимального значения.

Изменение частоты вращения рабочего колеса ведет к изменению всех его рабочих параметров: расхода (пропорционален числу оборотов); давления (пропорционально квадрату числа оборотов); потребляемой мощности (пропорциональна кубу числа оборотов).

Эти отношения выражаются с помощью так называемых формул приведения:

где Q, Q0 – расход соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; H, H0 – напор соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; N, N0 – мощность, потребляемая электродвигателем соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; n, n0 – соответственно максимальное и измененное число оборотов.

Типичная характеристика энергопотребления при разных способах регулирования приведена на рис. 1.

Кроме того, применение преобразователей частоты позволяет снизить потребление реактивной мощности, пусковые токи и гидроудары, что положительно сказывается на сроках службы технологического оборудования и энергетической инфраструктуры.

Приведем пример. Насосная станция по подачи воды состоит из трех насосов. Регулирование производительности насосов осуществляется путем закрывания задвижки на выходе насоса – методом дросселирования.

Контроль давления на выходе насоса осуществляется оператором визуально по манометру с определенным интервалом времени. В работе всегда находится один насос. Ротация насосов также осуществляется оператором вручную.

Параметры насосных агрегатов:

Предпосылками для модернизации могут служить следующие факторы:

• регулирование производительности методом дросселирования не эффективно с точки зрения энергосбережения;
• частые запуски напрямую от сети насосных агрегатов приводят к повышенному изнашиванию оборудования из-за 7–10-кратных пусковых токов;
• работа в прерывистом режиме обусловливает большие динамические потери в трубопроводах;
• неконтролируемое потребление энергоносителя.

Для устранения указанных проблем рекомендуется: установить преобразователь частоты на приводы насосов по следующему принципу: один преобразователь частоты в составе станции управления группой насосов СУЧЭ-3-250 с возможностью переключения его между насосами, а также датчик давления в магистрали.

Внедрение предложенного решения приведет к снижению энергопотребления за счет уменьшения частоты вращения электродвигателей насосных агрегатов, увеличению срока службы насосных агрегатов в результате исключения прерывистого режима работы насоса (исключение гидроударов и пусковых токов); повышению степени автоматизации технологического процесса и уменьшению потребления энергоносителя.

Суммарный экономический эффект от внедрения предложенных решений будет определяться снижением затрат на потребленную электроэнергию; уменьшением амортизационных отчислений на технологическое оборудование а также затрат на сервис технологического оборудования (увеличение межремонтного ресурса); снижением затрат на персонал за счет повышения уровня автоматизации.

Расчет снижения энергозатрат

В работе принимает участие один насос производительностью Qсеть = 1250 м3/ч. Проанализировав данные оператора по расходу за месяц, определяем, что средний расход составляет Qпотр = 625 м3/ч. Таким образом, фактически необходимый расход можно создавать не путем закрывания задвижки (дросселированием), а с помощью преобразователя частоты, снижая частоту вращения электродвигателя и тем самым снижая энергопотребление.

Определим энергопотребление электродвигателей при регулировании расхода методом дросселирования.

Мощность насоса 250 кВт, но учитывая, что при дросселировании также снижается энергопотребление (см. рис. 1), находим, что для точки кривой, соответствующей данной насосной системе, энергопотребление при дросселировании будет снижено на ~25 % и соответственно потребляемая мощность электродвигателя Nд = 0,75×250 = = 187,5 кВт.

Определим энергопотребление электродвигателя при регулировании расхода с помощью преобразователя частоты:

Разница в энергопотреблении между способом регулирования расхода путем закрывания задвижки и способом снижения частоты вращения электродвигателя с помощью преобразователя частоты: Δ N = Nд – N0 = 156,25 кВт.

Фактически Δ N – это напрасно потребляемая мощность, которую можно было бы сэкономить, используя преобразователь частоты.

Оценка технологического эффекта

При внедрении частотного регулирования в связи с уменьшением рабочей частоты вращения вала привода снижается износ насоса. В связи с плавными пусками и остановами уменьшаются гидравлические и механические нагрузки на технологическое оборудование (трубопроводы, запорную и регулирующую арматуру). Все перечисленное обусловливает увеличение сроков службы и межремонтного ресурса. То же можно сказать и про нагрузки на питающую сеть в связи с исключением пусковых токов при пусках электродвигателей насосов напрямую от сети.

Ориентировочно срок службы насосного агрегата с электродвигателем увеличивается на 10%, при этом затраты на обслуживание уменьшаются на 10%.

Таким образом, высокая инвестиционная привлекательность внедрения станций управления, оснащенных преобразователями частоты, устройствами плавного пуска, а также объединения станций управления в единую систему АСУ ТП основана на следующих факторах:

• прямой экономии от снижения потребления электроэнергии при регулировании производительности насосных агрегатов (для разных объектов от 25 до 50%);
• прямой экономии за счет снижения непроизводительных утечек воды при оптимизации давления в напорном трубопроводе (не менее 25–30 % общего объема утечек);
• экономии фонда заработной платы сокращаемого дежурного персонала;
• резком снижении аварийности на сетях (не менее чем в 5–10 раз);
• увеличении не менее чем в 3 раза ресурса и межремонтных сроков насосов, электродвигателей, коммутационного оборудования;
• снижении затрат на электрическое отопление на объектах, бытовое обеспечение дежурного персонала;
• значительном увеличении надежности системы в целом благодаря устранению «человеческого фактора» и автоматической диагностике системой всех ее элементов и своевременном устранении возможных аварийных ситуаций.

Для получения максимального эффекта экономии от применения ПЧ необходимо предварительно провести обследование и изучение сети. Сейчас это сделать достаточно просто – есть переносные ультразвуковые расходомеры, позволяющие быстро и точно определить фактические характеристики сети и насосного агрегата.

Все здесь сказанное относится к работе сетей с правильным подбором насосов. Как правило, насосы для сети подбираются с «запасом», запас при применении ПЧ не теряется, при нештатном увеличении расхода ПЧ с таким насосом обеспечит и нештатный режим.

Немаловажными факторами являются также следующие:

• социальный (повышение качества водоснабжения и экономия расходов на ремонт оборудования);
• экологический (снижение потребления электроэнергии обеспечивает снижение выброса СО2). Нормативно-технической базой для обоснования экономической эффективности являются следующие документы:
• Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. Министерство топлива и энергетики РФ; 1997.
• ВРД 39-1.10-052–2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. ОАО «Газпром» (Управление энергетики). 2001.
• ГОСТ 13109–97. Совместимость технических средств электромагнитная. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Общие принципы расчета экономической эффективности

Документ должен содержать следующие разделы: исходные данные для расчета; расчет экономической эффективности системы; результаты расчета.

В разделе «Исходные данные для расчета» должны быть приведены: ссылка на методику определения экономической эффективности; перечень факторов, обусловливающих повышение эффективности функционирования объекта управления при создании СУ (станция управления); исходные данные, необходимые для расчета согласно принятой методике; ссылка на источники получения исходных данных.

В разделе «Расчет экономической эффективности системы» должны содержаться следующие данные: расчет затрат на создание СУ; расчет затрат на содержание и эксплуатацию системы; расчет ожидаемой экономии по основным технико-экономическим показателям и ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения СУ в целом; расчет срока окупаемости затрат.

В разделе «Результаты расчета» должны быть приведены основные результаты следующих расчетов: затрат на создание системы; затрат на содержание и эксплуатацию; ожидаемого годового экономического эффекта от создания системы; срока окупаемости затрат.

При оценке экономического эффекта от внедрения автоматизированных систем частотно-регулируемого привода необходимо использовать следующие данные: стоимость электроэнергии; затраты на сервисное обслуживание оборудования составляют ~3% стоимости, не считая командировочных расходов; срок службы оборудования (10 лет).

Список литературы

1. Технический паспорт «Станция управления частотно-регулируемым электроприводом насосных агрегатов типа СУ-ЧЭ-ПП». НПФ «Электро-РПС». 2002.
2. Шакарян Ю.Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода, АО ВНИИЭ, МЭИ, М.1997 г.
3. ВРД 39-1.10-052–2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. М.: ОАО «Газпром», 1999.
4. ГОСТ 13109–97. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.