Методическое пособие по расчету экономической эффективности применения ПЧ

Методическое пособие по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемых приводов асинхронных двигателей насосов, вентиляторов, дымососов и компрессоров в промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях

 

Настоящее методическое пособие ставит перед собой цель: проведение предварительных расчетов для определения экономической эффективности применения частотно-регулируемых приводов асинхронных двигателей, используемых в качестве приводов двигателей насосов, вентиляторов, дымососов, компрессоров, работающих в различных режимах в промышленности, коммунальном хозяйстве, других отраслях.

Методическое пособие предназначено для персонала, обслуживающего электроустановки и разрабатывающего мероприятия по энергосбережению в промышленности, энергетике, на предприятиях хозяйствующих субъектов, включая коммунальное хозяйство, что особенно актуально в связи с предстоящей реформой.

 

Общие сведения

 

Известно, что практически все основное и вспомогательное оборудование, связанное с работой по обслуживанию технологических процессов, объектов коммунальной сферы имеет неполную загрузку по часам суток, дням недели, месяцам года.

Практически все насосы, вентиляторы, дымососы, работающие в системах водоснабжения (тепловые электростанции, котельные, питьевое и техническое водоснабжение, горячее водоснабжение, отопительные системы), оборудованы нерегулируемым электроприводом. Ошибочным было бы считать, что центробежные насосы, работающие в системах водоснабжения, отопления имеют длительно-постоянную нагрузку.

Для приводов центрифуг, роликовых транспортеров, прокатных станов, некоторых металлорежущих станков и прессов, кранов, дымососов, вентиляторов, шаровых мельниц, смесителей и др. желательно применение регулируемого электропривода (изменение числа оборотов вала приводимого в движение механизма).

В случаях, рассматриваемых нами, нас будет интересовать привод механизмов, имеющих, так называемый, вентиляторный момент, т. е. потребляемая ими мощность на валу зависит от числа оборотов вала.

В частности, для определения мощности насоса можно записать

 

              Q * H * 9.8
Pнас =  --------------   (кВт),
                   КПД


где
Q - производительность, м3/с;
H - высота напора, равная сумме высот всасывания и нагнетания, м водяного столба; КПД - коэффициент полезного действия установки, принимается по каталогу.

 

Мощность выбираемого электродвигателя должна иметь запас по сравнению с расчетными величинами не менее 5-10%.

При выборе электродвигателя к центробежному насосу следует обращать внимание на частоту вращения его вала, т. к. у центробежного насоса мощность, напор, производительность и момент связаны с частотой вращения (число оборотов вала в минуту) следующими соотношениями:



Рнас1       n13    H1        n12
------- =  ----;   ----  =  ----- ;
Рнас2       n23    H2        n22


Q1          n1    M1       n12
----  =  -----; ----  =  ----- ,
Q2          n2    M2       n22


где
n - число оборотов вала рабочего колеса в мин.;
Р- мощность, потребляемая насосом, кВт;
Н - напор, создаваемый насосом, м вод. столба;
Q - производительность насоса, м3/с;
М - момент на валу насоса, М = Р / n;
индексы 1 и 2 при буквенных обозначениях относятся к первому и второму режимам работы оборудования соответственно.

 

Наибольший интерес представляет рассмотрение зависимостей Р=f(n), H=f(n) и  Q=f(n). При увеличении числа оборотов вала центробежного насоса растет его производительность, увеличивается давление в линии нагнетания и растет потребляемая мощность.

 

Так как скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от его конструкции (числа пар полюсов) и частоты электрического тока сети, к которой он присоединен, то при необходимости изменения подачи в линию нагнетания насоса количества перекачиваемой жидкости (чаще всего воды), необходима установка запорной арматуры, которой и производится количественное регулирование (такое регулирование называется дроссельным, при нем происходят значительные потери электроэнергии, что увеличивает удельные затраты на перекачку одного м3 жидкости в 1,2-1,5 раза по сравнению с оптимальным режимом работы всего механизма с приводом без дополнительных потерь).

 

Целесообразность применения частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) по сравнению с дросселированием оценивается по данным диаграмм требуемого расхода при известном суточном графике подачи (отпуска) воды (или другой жидкости) следующим образом.

 

1. Регистрируют потребляемую двигателем привода насоса мощность Ро (кВт) при полностью закрытой задвижке на линии нагнетания насоса, давление на линии нагнетания со стороны насоса, Но (м вод. столба).

2. При полностью открытой задвижке на линии нагнетания насоса измеряют мощность, потребляемую двигателем, Рм (кВт), максимальную производительность насоса (м3/с), давление на линии нагнетания Нм (м вод. столба).

 

По полученным результатам строят зависимость Р в функции от Q*=Q/Qм (позиция 1, рис.1) и Р в функции от Q*3, т. е. Р = Рм * Q*3 (позиция 2, рис.1).

 

Разница между кривыми 1 и 2 на рисунке 1 равна экономии мощности ΔР при частотном регулировании скорости в данный момент времени.

 

Расчет экономической эффективности установки ЧРП на примере насосного агрегата, вентилятора, дымососа, компрессора

 

За основу расчета экономической эффективности приняты приведенные выше данные рис. 1, выраженные в относительных единицах, запас мощности двигателя - 10% от номинальной. При Q = Qм и Р = Рм, принимается, что в промежуточных режимах работы оборудования обеспечиваются нормальные параметры подачи воды, воздуха, газа с требуемыми давлением и температурой, диапазон изменения нагрузки принимается от 20% до 100% от Рм. В расчет берется среднесуточный график рабочей недели, распространяемый на все характерные дни рассматриваемых периодов года, с заданными коэффициентами заполнения, примерная конфигурация такого графика приведена на рис. 2 одного периода.

 

Алгоритм решения поставленной задачи может быть выражен следующим образом.

Если требуется решение для действующего электропривода, то определяются параметры кривой рис.1 и она строится по данным, полученным в результате испытаний, на графике рис.1 в относительных единицах.

Далее определяются суточные графики нагрузки электродвигателя рассматриваемого рабочего механизма по неделям, месяцам, периодам, если возможно, то и суткам.
В каждом рассматриваемом периоде i определяется продолжительность работы двигателя с загрузкой Рi , для которой рассчитываются экономия мощности Рi, исходя из графиков рис.1 и подобных рис. 2, если последний рассматривать как суточный период. Затем определяется суммарная экономия электроэнергии за заданный временной интервал работы оборудования в году по формуле:

 

                   K
ΔЭэк =   ΔPi Σ ti ,
                  i=1


где
ΔЭэк - экономия электроэнергии при применении ЧРП вместо дроссельного регулирования, кВт*ч;
ΔPi - экономия мощности за i - й период,  кВт;
ti - время, в течение которого привод работает с постоянной нагрузкой двигателя Рi, час;
К - число периодов с постоянными значениями ΔPi * ti.

 

Далее производится оценка стоимости сэкономленной электроэнергии по тарифу, действующему для предприятия в данной энергосистеме, с учетом факторов экономии, например, воды, воздуха, топлива. По имеющемуся опыту для оценки стоимости снижения расхода холодной воды может вводиться коэффициент 1.15, для горячей воды - 1.2, для воздуха – 1.1, топлива – 1.02.

Таким образом, экономия электроэнергии и ресурсов составит для холодной и горячей воды


СТээ = (1.15; 1.2) * Тэ * ΔЭэк
,


где
СТээ - стоимость сэкономленной электроэнергии и ресурсов, руб.;
Тэ - тариф на электроэнергию в энергосистеме, руб./кВт*ч.;
ΔЭэк - количество сэкономленной электроэнергии за год, кВт*ч.

 

Стоимость ЧРП оценивается по его мощности, выбор которой осуществляется по формуле:

 

Рчрп = (1.0; 1.1) Рм.

 

Полученное значение Рчрп округляется до ближайшего значения, выбранного по каталогу. Стоимость ЧРП определяется по прайс-листам фирм производителей и договорам. Удельная стоимость ЧРП, поставляемых на рынок России, оценивается в 85 - 400 долларов США за 1 кВт мощности.

Наименьшая стоимость у отечественных производителей данного оборудования. В этом смысле, наибольший интерес представляют ЧРП ООО "Фундамент", выпускающей ЧРП серии АТ-01 мощностью 15, 22, 37, 55, 75, 90,110, 132, 160, 200, 250, 320 кВт, напряжением 400 В, удельной стоимостью не более 125 - 85 долларов США за 1 кВт (большая стоимость относится к АТ-01 меньшей мощности и с ростом мощности АТ-01 удельная стоимость снижается).

Для определения срока окупаемости, а, следовательно, оценки экономической эффективности применения ЧРП используется формула:

 

             dу * Кd * Рпр
Ток = ------------------- ,
                   СТээ


где
Ток - срок окупаемости установки ЧРП, год.;
СТээ - стоимость сэкономленной электроэнергии и ресурсов за один год, руб.;
- удельная стоимость 1 кВт ЧРП, доллар США / кВт;
Рпр - паспортная мощность ЧРП, кВт;
Кd - курс доллара США, руб./ долл. США.

 

При решении вопросов о применении ЧРП ни в коем случае нельзя его сопоставлять с заменой двигателя привода насоса большей мощности на двигатель меньшей мощности (равно как и агрегата большей мощности на агрегат меньшей мощности),  так как в этом случае задачи по цели несопоставимы, хотя и достигается экономия электроэнергии за счет снижения потерь в двигателе и питающих электросетях. Решение о замене двигателя не подменяет решения о применении ЧРП. В то же время решение о применении ЧРП можно рассматривать и при замене двигателя на меньшую мощность.

Рассмотрим применение приведенной методики к расчету экономической эффективности установки ЧРП типа АТ-01-160 ООО "Фундамент" к насосному агрегату с двигателем Рн = 160 кВт, работающему по суточному графику, показанному на рис. 2. Тэ = 0.26 руб./кВт*ч, dу = 120 долларов США за 1 кВт, Кd =   6.0 руб за 1 доллар США.

Решение по общему выражению

 


                     dу * Кd * Рпр
Ток =  ----------------------------- ,
                             K
               1.2 * Тэ * Σ ΔPi * ti 
                            i=1

при подстановке в него полученных данных дает значение Ток = 7 месяцев. Годовая экономия электроэнергии достигается в размере 66.5%, а суммарная экономия за счет снижения платы за электроэнергию равна 200.9 тыс. руб. в год.

Такой экономии электроэнергии в производстве невозможно достигнуть другим способом. Это еще раз подтверждает высокую экономическую эффективность внедрения частотно-регулируемых приводов асинхронных двигателей.

Методическое пособие позволяет учитывать дополнительный эффект от снижения платы за нагрузку, участвующую в максимуме энергосистемы по заданному времени суток.

Для обобщения результатов применения ЧРП для насосных агрегатов, работающих в различных режимах, выполнены расчеты экономии электроэнергии за цикл 1 сутки при разных значениях коэффициента заполнения суточного графика Кз от 0.5 до 0.75 при условии трехступенчатой конфигурации суточного графика водопотребления. При этом получено значение экономии электроэнергии от 38 до 46% в сутки при применении ЧРП вместо дроссельного регулирования.

Значительный интерес в части экономии электроэнергии представляет установка ЧРП на асинхронных двигателях, приводящих в движение вентиляторы, дымососы, компрессоры и другое оборудование, используемое в различных производственных процессах в промышленности, коммунально-бытовой сфере, в сельском хозяйстве и других процессах.

Особый интерес представляет их использование для приводов приведенных выше дымососов и вентиляторов, объединяемых очень часто в едином технологическом процессе производства теплоэнергии  (пара и горячей воды) на котельных, а также компрессорных установок для получения сжатого воздуха, используемого в технологических процессах различных производств, наряду с паром и горячей водой.

 

Для определения мощности, потребляемой вентилятором, Pв, дымососом, Pд, используется выражение:

 


                Q * H * 10-3
Pв,д =  -------------------   (кВт) ,
                      КПД


где
Q - производительность, м3/с;
H (для вентилятора, дымососа) – давление газа (воздуха), Н/м2;
КПД - коэффициент полезного действия вентилятора, дымососа.


Учитывая, что Q обычно задается в м3/час, давление газа в мм вод. ст., а КПД электродвигателя и передачи оценивается значением 0.9 - 0.92 при среднем значении КПД вентиляторов, дымососов, равном 0.6, выражение для определения мощности, потребляемой из сети, можно записать:

 


            Q[м3/час]*H[мм вод. столб]*9.81*10-3
Pв,д = ---------------------------------------------- = 5 * Q * H * 10-6 (кВт).
                         3600 * 0.9 * 0.6


Значение в,д (потребляемая из сети мощность при полностью закрытых направляющих аппаратах, шиберах) определяется по данным испытаний или данным завода изготовителя. Если необходимо оценить это значение приближенно, то


Pов = 0.65 * Pнв,
Pод = 0.8 * Pнд,


где
Pнв и Pнд максимальные мощности электродвигателей вентиляторов и дымососов, потребляемые из сети при номинальной для данной установки производительности и давлении.

 

При выполнении расчетов экономии электроэнергии необходимо определить параметры зависимости Pв,д от Qв,д для условий дроссельного регулирования и изменения числа оборотов (т. е. применения ЧРП). При дроссельном регулировании производится пересчет значений Pо в,д , Pв,д в относительные единицы, используя выражение:

 


P*1t в,д = P*о в,д *( 1 – Q*t в,д ) + Q*t в,д
,


где
P*t в,д – нагрузка вентилятора или дымососа в период времени t ,
P*о = Pо в,д / Pм в,д , Q*t в,д – производительность вентилятора или дымососа в период t (P*  = P / Pм, Q*  = Q / Qм).

 

При регулировании с помощью ЧРП

 

P*2 t в,д = 1.02 * (Q*t в,д)3.

 

Экономия мощности за время t, которому соответствует производительность Q* к t в,д периода k в относительных единицах составляет

 

ΔP*к t в,д = P*1 t в,д - P*2 t в,д.

 

Если задан суточный график работы оборудования (вентилятора, дымососа), то в качестве периода t выступают часы суточного графика заданного периода k.

Экономия электроэнергии за сутки периода k равна


                  t=24
ΔЭк  =    ΣΔ P*к t в,д .
                  t=1


Опуская индексы "в" и "д" для снижения нагрузки от индексации в формулах, имея в виду, что приводимые ниже выражения в равной степени пригодны для оценки экономичности внедрения ЧРП на приводах вентиляторов и дымососов, можно записать общее выражение для годовой экономии электроэнергии при применении ЧРП вместо дроссельного регулирования

 


                        k=n  t=24
ΔЭΣ  =  Pм (ΣП к * Σ  ΔPк t ), кВт * ч,
                       k=1  t=1


где
ΔЭΣ - годовая экономия электроэнергии, кВт*ч;
– максимальная нагрузка потребляемая из сети электродвигателем механизма (вентилятором или дымососом), определенная по максимальной производительности , кВт,
k – число периодов в году, в течение которых суточные графики нагрузки можно считать одинаковыми, k = 1,2,3,…, n;
П к  - продолжительность периода k в днях, причем,


k=n
ΣП к  = 365
k=1 


(или равна продолжительности заданного временного интервала T);


t
– часы суток, t = 1,…,24;
ΔPк t – экономия мощности за час t суточного графика нагрузки периода k, кВт.

 

Стоимость сэкономленной электроэнергии определяется из выражения


СТээ = Тэ * ΔЭΣ, руб.
,


где
Тэ – тариф на электроэнергию, руб/кВт*ч;
ΔЭΣ - экономия электроэнергии, кВт*ч.


При учете экономии от платы за максимальную потребляемую мощность


СТээ = Тэ * ΔЭΣ+ Тм*(Pм - Рt)*12
,


где
– плата за 1 кВт мощности, потребляемой в час t суточного графика нагрузки, руб/кВт,
Pt – максимум нагрузки в час t.

 

При k = 1 расчет, как и для случая с центробежным насосом, выполняется по упрощенной программе по заданным значениям Pн, Kз, Qм, H.

Для заданного значения Kз методикой производится подбор трехступенчатого суточного графика работы вентилятора, дымососа, как и в случае центробежного насоса.

Полученное значение ΔЭэкономии электроэнергии за сутки умножается на 365 дней в году для получения значения ΔЭΣ  или на число дней заданного временного интервала.

 

Значение мощности подбираемого ЧРП определяется по формуле

 

Pчрп >= (1; 1.1) * Pм.

 

Все остальные формулы те же, что и при расчете экономической эффективности применения ЧРП для центробежных насосов, кроме Tок, в выражении для определения которого в знаменателе коэффициент 1.2 опускается.

 

Расчет для компрессорных установок

 

Работа компрессора (за основу принята работа поршневого компрессора с горизонтальным расположением вала) существенно отличается от работы механизмов с вентиляторным моментом, так как момент сопротивления на его валу практически можно считать постоянным. В этом случае, т. к. M = P / n , где M - момент на валу, P - потребляемая компрессором мощность, n - число оборотов вала (n = const), потребляемая из сети мощность электродвигателя компрессора будет постоянной (при частоте f = const и напряжении сети U = const).

Однако производительность компрессора Q, м3/мин, зависит от числа оборотов его вала. Эта зависимость вытекает из формулы

V = S * h * n,

где
V - минутный рабочий объем, м3/мин;
S - рабочая площадь поршня, м3;
h - ход поршня, м;
n - число оборотов вала, об./мин.

Таким образом, при регулировании производительности компрессора изменением числа оборотов его вала изменяется и мощность, потребляемая из сети электродвигателем, приводящим компрессор в движение, но по линейному закону.

В общем случае мощность компрессора может быть определена из выражения

           Q * (Аu + Аа)
Pк =  ------------------,  кВт,
                   К * 2

где

Q - производительность компрессора, м3/с;
(Аu + Аa) / 2  -  среднее значение удельной работы изотермического и адиабатического сжатия, Н*м / м3, до абсолютного давления Н + 1, Н / м2, где Н - давление, поддерживаемое компрессором в ресивере, Н / м2;
К - суммарный коэффициент полезного действия насоса, передачи, электродвигателя…

Значение (Аu + Аa) / 2 - может быть определено из приведенной ниже таблицы для заданных значений Н:

Н, Н/м2         (Аu + Аa)
                    ------------ , тыс. Н*м/м3,
                          2

-------------------------
15000(1.5 ат) 41.75
20000(2.0 ат) 73.0
30000(3.0 ат) 119.5
40000(4.0 ат) 155.0
50000(5.0 ат) 183.0
60000(6.0 ат) 207.0
70000(7.0 ат) 227.0
80000(8.0 ат) 247.0
90000(9.0 ат) 263.5
100000(10 ат) 278.5

При подстановке в приведенную выше формулу значений К = от 0.6 до 0.65 и Q в м3/час она примет вид

                               Аu + Аa
Pк =  0.46 * Q * (-------------) * 10-6, кВт.
                                    2

Значение (Аu + Аa) / 2 может быть с достаточной точностью определено по формуле:

(Аu + Аa) / 2 = 450 / (0.75 + (8.6 / Н)), тыс. Н*м / м3,

где
Н - давление, выраженное в Н / м2 * 10-4 или ат.

Учитывая изложенное, при выражении Q в м3/час и Н в тыс. Н/м2  * 10-4, получим:

                                    Аu + Аa
1.  Pк =  0.46 * Q * (-------------) * 10-3,  кВт ;
                                         2

                                       450
2.  Pк =  0.46*Q*(------------------)*10-3,  кВт.
                              0.75 + (8.6/Н)

Второй формулой можно пользоваться при значениях Н от 2*104 до 15*104 Н/м2.

Таким образом, при расчете экономического эффекта от применения ЧРП на асинхронных двигателях, приводящих в действие компрессоры необходимо задать потребление воздуха Qмах в м3/час или суточные графики потребления воздуха Q(t), м3/час, а также давление Н в тыс. Н/м2 или график поддержания давления в ресивере компрессора Н (t).

Далее методика расчета практически не отличается от приведенной выше для насоса, вентилятора, дымососа.

Кроме получения главной преимущественной экономической выгоды применение ЧРП дополнительно обеспечивает следующее:

  • снижается износ запорной арматуры, т. к. большую часть времени задвижки полностью открыты;
  • большую часть времени насосы работают при пониженных давлениях, что снижает утечки;
  • снижается износ коммутационной аппаратуры;
  • снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыльчатки за счет плавного изменения числа оборотов, отсутствия больших пусковых токов;
  • уменьшается опасность аварий за счет исключения гидравлических ударов;
  • обеспечивается одновременная защита двигателя от токов короткого замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, неполнофазного режима, недопустимых перенапряжений.

При наличии определенного опыта эксплуатации ЧРП в дальнейшем может быть рассчитан экономический эффект в денежном выражении от дополнительных преимуществ.

 

Литература:


Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода, АО ВНИИЭ, МЭИ, М. - 1997 г.; 
Б. В. Кузнецов, М. Ф. Сацукевич. Справочное пособие заводского электрика, "Беларусь", Минск - 1978 г.
Ю. В. Копытов, Б. А. Гуланов. Экономия электроэнергии в промышленности. Справочник, М., "Энергоатомиздат", 1982 г.