ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Системы теплоснабжения

Районные отопительные установки обеспечивают горячей во­дой и отоплением жилые дома, производственные и другие поме­щения. Циркуляция воды в системе отопления обеспечивается циркуляционными насосами. Отопительные установки обычно рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить потребителей теплом и горячей водой в самое холодное время года. Однако боль­шую часть времени отопительные установки работают с нагруз­кой, значительно меньшей максимальной, например летом они используются только для горячего водоснабжения, т. е. на мини­муме производительности. Вместе с тем известно, что объем воды, который должны подать в отопительную систему циркуляцион­ные насосы, уменьшается не пропорционально снижению потреб­ности в тепле, а быстрее. Так, при уменьшении потребности в тепле на 50 % объем перекачиваемой воды должен уменьшаться на 75 %. Очевидно, что дроссельное регулирование подачи горя­чей воды циркуляционными насосами в этом случае оказывается чрезвычайно невыгодным.

Для восполнения расхода горячей воды в систему должно по­ступать определенное количество холодной воды из внешних ис­точников. Это осуществляется подпиточными насосами, которые должны обеспечивать подачу такого же количества воды, которое было израсходовано потребителями. Так как потребление горячей воды в течение суток сильно меняется, то подачу подпиточных насосов регулируют заслонкой, что так же неэкономично, как и на рассмотренных выше примерах насосных станций холодного водоснабжения.

Большинство отопительных установок для подогрева воды до нужной температуры используют котлы, топливом для которых служит газ или мазут. Для подачи воздуха в зону горения обычно используют вентиляторы, а для удаления продуктов горения — дымососы. Так как производительность отопительной установки меняется в широких пределах, то и количество воздуха, подава­емого вентилятором, и количество отработанных газов будет ме­няться. Для регулирования подачи вентилятора и дымососа в соот­ветствии с потребностью обычно используют направляющие ап­параты или шиберы, что не является энергетически эффективным (см. подразд. 4.2.4). Рассмотрим в связи с этим несколько примеров.

Одним из объектов модернизации являются подпиточные насо­сы котельного цеха, обеспечивающего отопление и горячее водо­снабжение промышленных предприятий и жилых домов. В котель­ном цехе установлено три подпиточных насосных агрегата типа Д320-50, имеющих напор 50 м, расход 320 м3/ч, КПД 76 %, с асинхронными приводными двигателями типа 4АМН225М4УЗ (Дом = 75 кВт, пном = 1470 об/мин, /ном = 141 А, КПД = 92,5 %). Постоянно в работе находится один насос, второй, вспомогатель­ный, подключается в часы пик (2 — 3 раза в неделю на несколько часов), третий находится в резерве. Летом работает только один насос. Регулирование напора на выходном коллекторе осущест­вляется электрифицированными задвижками по сигналам ма­нометров.

Как показало проведенное обследование, существующая схема электрооборудования подпиточных насосов не позволяет с доста­точной точностью поддерживать напор на необходимом уровне без вмешательства обслуживающего персонала. Применяемое ре­гулирование напора дросселированием относится к энергетичес­ки неэффективным способам, прямой пуск двигателей насосов связан со значительными пусковыми токами и приводит к гид­равлическим ударам в водопроводной сети.

Во время обследования выполнены замеры напряжений, то­ков, активной и реактивной мощностей, коэффициента мощно­сти двигателей подпиточных насосов с использованием анализа-

тора электропотребления AR5, получены почасовые значения дав­ления на выходном коллекторе и подачи воды, а также данные по подаче воды за календарный год (табл. 5.5).

На рис. 5.7 показаны усредненные характеристики работы под­питочных насосов в рабочие дни, а на рис. 5.8 — в выходные дни.

Проведенные замеры показывают, что насосные агрегаты не­догружены по мощности, особенно в ночные часы. За период за­меров получены следующие средние значения: потребляемой активной мощности 51,9 кВт-ч, потребляемой реактивной мощ­ности 41,9 кВАр-ч, коэффициента мощности 0,768, расхода воды 136,5 т/ч. Удельный расход энергии составляет 0,38 кВт-ч на 1 т воды. Давление на выходном коллекторе в течение суток изменя­ется от 28 до 38 м, а подача воды изменяется более чем в 10 раз. Регулирование давления воды осуществляется электрической заслон­кой на выходном коллекторе, что позволяет предположить о непро­изводительном расходовании значительной части электроэнергии.

Действительно, если вычислить активную мощность, необхо­димую для транспортирования воды насосами при использова­нии преобразователя частоты, по формуле (4.11), приняв общий КПД двигателя, насоса и ППЧ равным 0,67, то получим кривые,

представленные на рис. 5.7 и 5.8. Вычитая значение активной мощ­ности, расходуемой для транспортирования воды при использо­вании ПЧ (кривая 3), из реально потребляемой двигателями ак­тивной мощности (кривая 2), можно найти непроизводительно расходуемую мощность, т. е. предполагаемую экономию мощно­сти при внедрении частотно-регулируемого электропривода на­соса (кривая 4). Расчеты выполнены для усредненных значений показателей в будние и выходные дни. Заметим, что удельный расход электроэнергии в частотно-регулируемом электроприводе составит 0,138 кВт-ч на 1 т воды.

Анализ зависимости энергетических показателей насосов от подачи воды показал, что расход активной энергии при использова­нии ППЧ растет примерно пропорционально подаче воды, расход реактивной энергии при нерегулируемом электроприводе практиче­ски не зависит от подачи и удерживается на уровне 40... 45 кВ Ар • ч, расход активной энергии растет почти линейно от 38 кВт-ч при подаче воды 20 т/ч до 63 кВт-ч при подаче воды 200 т/ч. Предпола­гаемая часовая экономия электроэнергии практически не зависит от подачи и составляет в среднем 33 кВт-ч. Снижение экономии энергии при подаче воды более 200 т/ч объясняется тем, что при таком объеме подачи включается вспомогательный насос и на са­мом деле расход энергии увеличивается примерно на 30...40 кВт-ч, при этом на такое же число должна увеличиться экономия энер­гии. Так как включение вспомогательного насоса происходит до­статочно редко, можно за минимальное значение часовой эконо­мии электроэнергии принять 33 кВт-ч. Это значение явно заниже­но, так как при расчете энергетического эффекта не было учтено давление на входе насосов, не равное нулю, увеличение эконо­мии энергии летом из-за снижения подачи и при подключении вспомогательного насоса.

Используя полученное значение часовой экономии электро­энергии, несложно подсчитать экономию электроэнергии за год при внедрении частотно-регулируемого электропривода. Она со­ставит 33-24-365 = 289080 кВт-ч, т. е. примерно 800 кВт-ч в сутки.

Учитывая, что потребление реактивной энергии частотно-ре­гулируемым электроприводом как минимум на порядок ниже, чем в нерегулируемом электроприводе (коэффициент мощности ПЧ составляет 0,98), потребление реактивной энергии сократится как минимум на 40 • 24 • 365 = 350 400 кВАр • ч в год.

Целью модернизации подпиточных насосов является перевод их электрической части на современную элементную базу с плавным и энергетически эффективным регулированием частоты вращения двигателей насосов, напора и подачи воды насосной станцией в необходимых пределах и с высокой точностью в полностью авто­матическом режиме, создание развитой и гибкой системы автома­тизации, контроля, защиты, сигнализации и диагностики.

Для модернизации электрооборудования подпиточных насосов предлагаются следующие основные решения:

• установка преобразователя частоты для плавного пуска и ре­гулирования частоты вращения двигателей насосов;

• установка устройства мягкого пуска для безударного запуска нерегулируемых электроприводов насосов;

• установка программируемого контроллера для регулирования давления и подачи воды, управления электрооборудованием насо­сов, автоматизации работы и диагностики электрооборудования;

• модернизация пульта управления и сигнализации.

При этом сохраняется возможность работы насосов по суще­ствующей схеме, с питанием двигателей от электрической сети напрямую.

На рис. 5.9 приведена упрощенная однолинейная схема элект­рооборудования подпиточных насосов. В качестве приводных дви­гателей предлагается использовать существующие короткозамк­нутые асинхронные двигатели. Работа схемы аналогична приве­денной на рис. 5.5.

Экономический эффект от модернизации складывается из эко­номии электроэнергии, снижения потребления реактивной мощ­ности, снижения эксплуатационных расходов, снижения аварий­ности трубопроводов и их элементов за счет исключения гидрав­лических ударов при плавном пуске насосов и поддержания дав­ления на минимально необходимом уровне и др.

Если экономию эксплуатационных расходов и снижение ава­рийности на этапе проектирования рассчитать крайне сложно, то предполагаемый эффект от экономии электроэнергии может быть легко найден по результатам замеров и расчетов, приведенных выше. Принимая тариф за один кВт-ч электроэнергии в размере, допустим, 1,263 руб., найдем годовую экономию от сокращения расхода электроэнергии: 1,263-289080 = 365108 руб.

К числу объектов в системе теплоснабжения, для которых це­лесообразно применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода, относятся дутьевой вентилятор и дымосос ко­тельной установки. Регулирование соотношения топливо — воздух с помощью дутьевого вентилятора и разряжения в топке котла с помощью дымососа является одной из наиболее важных задач, так как это необходимо для поддержания качества теплоносителя в регламентированных пределах. Однако традиционный способ регулирования дросселированием обеспечивает удовлетворитель­ное решение этой задачи не во всех режимах работы агрегата, поэтому возникла необходимость перевода указанных турбомеха­низмов на регулируемый привод. С точки зрения энергосбережения наиболее эффективным для этого является применение асинхрон­ного привода с частотным управлением. При этом вполне есте­ственным представляется перевод системы управления на совре­менную элементную базу на основе программируемого контроллера.

Управление тягодутьевыми механизмами котельной установки (вентилятором и дымососом) осуществляется с помощью двух независимых систем, основным назначением которых является управление скоростью приводных электродвигателей так, чтобы в топке котла поддерживался оптимальный режим горения, созда­ющий благоприятные условия для полного сгорания топлива во всем диапазоне производительности котельной установки. Для этого необходимо подать нужное количество воздуха в топку котла в зависимости от количества поступающего топлива, а также с за­данной интенсивностью удалять из нее продукты горения.

Дополнительно эти системы должны выполнять ряд вспомога­тельных функций, а именно: обеспечение режима вентиляции кот­ла, поддержание заданного режима в момент розжига, управле­ние работой аппаратуры, предотвращающей влияние дестабили­зирующих факторов на режимы горения и розжига.

Поддержание оптимального режима горения в топке обеспе­чивается выбором необходимой скорости электродвигателей тя­годутьевых механизмов при полностью открытых направляющих аппаратах практически во всем диапазоне рабочей производитель­ности котельной установки. Однако иногда возникает неустойчи­вый режим горения при розжиге котла и в нижнем диапазоне его производительности: «отрыв» пламени от запальника или от го­релки. Такой режим характеризуется значительными динамиче­

скими возмущениями давления (разряжения) в топке котла, вызы­ваемыми работой расположенных рядом других котельных уста­новок, которые связаны газоходами с общей дымовой трубой. Причиной «отрыва» пламени может быть также естественная тяга дымовой трубы. Дестабилизирующее влияние этих факторов необ­ходимо уменьшить или вообще исключить. Для этого на время розжига котла и при его невысокой производительности направ­ляющие аппараты необходимо прикрыть. Контур управления поло­жением направляющих аппаратов вводится как в систему управ­ления вентилятором, так и в систему управления дымососом. При желании эти контуры могут быть отключены.

Основным режимом работы системы управления тягодутьевы­ми механизмами является автоматический. Он характеризуется изменением режима работы котла в зависимости от поступающих в систему управления сигналов. Так, поступающий из системы защиты разрешающий сигнал переводит тягодутьевые механизмы котельной установки из первоначального режима вентиляции топ­ки в режим розжига, а затем плавно с увеличением количества поступающего топлива — в рабочий режим, в котором во всем диапазоне производительности котла поддерживается требуемое соотношение топливо — воздух. В случае возникновения аварий­ных ситуаций, при которых автоматика безопасности выдает ко­манду на отсечку котла, система управления тягодутьевыми меха­низмами заставляет агрегат перейти в режим вентиляции. Для на­стройки различных систем управления агрегата предусматривает­ся ручной режим работы тягодутьевых механизмов с непосред­ственным управлением скоростью двигателей. Перевод каждой си­стемы управления из ручного режима работы в автоматический и обратно может быть произведен в любой момент времени незави­симо от режима работы другой системы управления.

Для оценки экономии электроэнергии при переходе к частотному регулированию были проведены замеры потребляемой мощности двигателями дутьевого вентилятора и дымососа. Параметры двигате­ля вентилятора АИРМ132М4: Рном =11 кВт, иНом= 1450 об/мин, Лном = 0,89, coscpHOM = 0,85, /ном = 22 А, Мном = 72 Н м; параметры двигателя дымососа АИР180М4: Рном = 30 кВт, пном = 1460 об/мин, Лном = 0,915, cos(pHOM = 0,89, /ном = 57 А, М„ом = 196 Нм. Результаты замеров мощности, потребляемой двигателями вентилятора и дымо­соса, выполненные для систем с регулированием направляющим аппаратом и частотным регулированием, представлены на рис. 5.10 и 5.11. По кривым на рис. 5.10 и 5.11 может быть оценена экономия потребляемой мощности при разных значениях расхода.

В целом экономический эффект в системе теплоснабжения скла­дывается из следующих составляющих:

• улучшения энергетических показателей котельной установки в целом;

• обеспечения системой управления на основе программируе­мого контроллера оптимальных режимов работы котельной уста­новки во всем диапазоне ее производительности;

• уменьшения потребления электроэнергии двигателями цент­робежных механизмов;

• увеличения срока службы механизмов, так как их ввод в работу осуществляется плавно, практически с нулевой скорости, кото­рая с заданным темпом увеличивается до необходимой;

• увеличения срока службы контактно-коммутационной аппа­ратуры. При пуске электропривода отсутствуют броски тока, свя­занные с прямым включением двигателя в сеть. Значение пуско­вого тока электропривода не превышает номинального;

• улучшения характеристик питающей сети. Во всем диапазоне рабочих скоростей и нагрузок коэффициент мощности электро­привода близок к единице. Питающая сеть не нагружается реак­тивным током, и, как следствие, отсутствуют дополнительные потери в проводящих элементах.