Прежде чем приобретать преобразователи частоты (ПЧ), крайне важно оценить их экономическую выгоду, так как изделия могут снизить энергопотребление на 30-80%. Однако необходимо учитывать, что фактический экономический эффект зависит от специфики каждой установки.
Рис 1.
Ввиду отсутствия универсального подхода к использованию ПЧ в различных условиях, стандартные решения уже нашли применение, например, в системах водоснабжения и отопления. Методика оценки экономической эффективности ПЧ в водоснабжении, разработанная Московским энергетическим институтом, получила одобрение Главгосэнергонадзора и Минтопэнерго.
Существует распространенное заблуждение среди специалистов в сфере тепловодоснабжения о том, что насосы с ПЧ не приводят к экономии энергии. Однако, если ПЧ настроено неправильно, оно действительно может не снижать энергопотребление. Важно использовать датчики давления у потребителей для автоматической корректировки напора в соответствии с потребностями, что повышает эффективность работы ПЧ.
Для точной оценки эффективности ПЧ, необходимо установить счетчики электроэнергии до и после их внедрения и настроить систему для оптимальной работы. Максимальная экономия достигается при замене дросселирования на частотное регулирование, особенно на квадратичных нагрузках, как в центробежных насосах и вентиляторах.
Работа ПЧ заключается в изменении частоты тока, подаваемого на электродвигатель, что изменяет скорость вращения рабочего колеса, влияя на расход, давление и потребляемую мощность. Это позволяет оптимизировать энергопотребление в зависимости от требуемых условий. С помощью ПЧ можно регулировать выходную частоту от 0 до 50 Гц, изменяя скорость двигателя от минимальной до максимальной. Это влечет за собой изменения в расходе, давлении и потребляемой мощности.
Изменение скорости вращения электродвигателя и его влияние на рабочие параметры системы могут быть описаны с помощью формул приведения, демонстрирующих связь между максимальной и измененной скоростью вращения.
Рис 2.
Основные соотношения при использовании частотно-регулируемого электропривода следующие:
- Расход (Q) зависит от скорости вращения двигателя: чем меньше скорость, тем ниже расход жидкости. Эта зависимость линейная, то есть при уменьшении скорости вдвое, расход также уменьшится вдвое.
- Напор (H) связан с квадратом скорости вращения. Это означает, что сокращение скорости вращения приводит к более значительному, нелинейному уменьшению напора. Например, если скорость уменьшается вдвое, напор упадет в четыре раза.
- Потребляемая мощность (N) электродвигателя связана с кубом скорости вращения. Это самая значимая зависимость, так как небольшое уменьшение скорости может привести к существенному снижению потребляемой мощности. Например, уменьшение скорости вращения на 50% может привести к снижению потребляемой мощности до 12,5% от первоначального значения.
Рис 3.
Внедрение преобразователей частоты (ПЧ) в насосных системах привносит значительные преимущества. Эти устройства не только облегчают контроль скорости и производительности насосов, но и способствуют сокращению потребления реактивной мощности, уменьшению пусковых токов и предотвращению гидроударов. Благодаря этим преимуществам повышается долговечность технического оборудования и энергетической инфраструктуры.
Например, на одной из насосных станций используются три насоса для подачи воды. Управление их производительностью осуществляется традиционным методом дросселирования - изменением положения задвижки на выходе насоса, что не является энергоэффективным решением. Контроль давления на выходе насосов ведётся оператором вручную, с помощью манометра и через регулярные интервалы времени. В каждый конкретный момент времени активен только один насос, а переключение между насосами осуществляется вручную.
Интеграция ПЧ в эту систему позволила бы автоматизировать процесс контроля насосов, обеспечивая более точное и эффективное регулирование их работы. ПЧ автоматически настраивали бы производительность насосов в соответствии с текущей потребностью, уменьшая необходимость вручную контролировать каждый процесс. Это привело бы к оптимизации энергопотребления, сокращению износа оборудования и снижению операционных затрат.
Характеристики и особенности насосных установок
Параметры насосных агрегатов:| Насос | H1 | H2 | H3 |
| Производительность, м3/ч | 1250 | 1250 | 1250 |
| Электродвигатель | АЛП 104-4 | АЛП 104-4 | АЛП 104-4 |
| Мощность, кВт | 250 | 250 | 250 |
| Сила тока, А | 436 | 436 | 436 |
| Частота вращения, об/мин | 1480 | 1480 | 1480 |
Модернизация насосной станции обосновывается несколькими ключевыми аспектами:
- Низкая энергоэффективность дросселирования. Существующий метод регулирования производительности насосов через дросселирование приводит к ненужному потреблению энергии, поскольку насосы работают на полной мощности, даже когда это избыточно.
- Износ оборудования из-за пусковых токов. Частые запуски насосов вызывают высокие пусковые токи, в 7-10 раз превышающие нормальный рабочий ток, что ведет к ускоренному износу и повышает риск отказов.
- Прерывистый режим работы. Работа насосов в прерывистом режиме увеличивает динамические потери в трубопроводе, снижая общую эффективность системы и способствуя дополнительному износу оборудования.
- Неконтролируемое потребление энергии. Отсутствие эффективного управления энергопотреблением приводит к излишним расходам и снижает общую энергоэффективность системы.
Для решения этих проблем рекомендуется установка преобразователей частоты на приводы насосов. Это позволит адаптировать скорость работы насосов к текущим потребностям, снизить потребление электроэнергии и уменьшить износ оборудования. Также целесообразна установка датчиков давления в магистрали для более точного контроля над системой.Предложенные улучшения приведут к уменьшению энергопотребления, продлению срока службы оборудования, повышению уровня автоматизации процессов и сокращению затрат на персонал.
Оценка снижения энергетических затрат
Пример ниже иллюстрирует усовершенствование работы насоса путем использования частотного преобразователя для контроля потока воды, вместо традиционного метода дросселирования. Согласно информации от оператора, реальный расход воды (Qпотр) составляет лишь 625 м³/ч, что в два раза меньше максимальной возможности насоса (Qсеть) в 1250 м³/ч. Дросселирование в этих условиях вызывает избыточное использование энергии, так как насос функционирует на полной мощности, когда это не требуется.
Внедрение частотного преобразователя дает возможность точно подстраивать скорость вращения двигателя в соответствии с актуальными потребностями, что приводит к уменьшению потребления электроэнергии. Этот подход оказывается более эффективным, так как потребляемая мощность двигателя будет изменяться в зависимости от куба изменения скорости вращения.
Используя метод дросселирования, изначальная мощность насоса в 250 кВт уменьшается на 25%, достигая уровня мощности электродвигателя Nд равного 187,5 кВт. Однако этот способ менее продуктивен по сравнению с применением частотного преобразователя, так как при дросселировании насос продолжает функционировать с ненужной высокой производительностью, в то время как преобразователь частоты обеспечивает более экономичную и точную настройку работы насоса.
Рассмотрим теперь расход электроэнергии двигателя при регулировании расхода через частотный преобразователь:
Экономия электроэнергии, достигаемая при переходе от метода регулирования потока с помощью закрытия задвижки к уменьшению оборотов двигателя с использованием частотного преобразователя, выражается в величине Δ N = Nд – N0 = 156,25 кВт. Эта цифра, Δ N, отражает количество энергии, которое может быть сэкономлено благодаря внедрению частотного преобразователя в систему.
Оценка производительности и эффективности технологических процедур
Интеграция преобразователей частоты (ПЧ) в системы контроля насосных установок предлагает множество как технических, так и экономических выгод, делая их привлекательными с инвестиционной точки зрения.
Ключевые преимущества включения частотного регулирования в систему:
- Экономия электроэнергии. Точное регулирование работы насосных установок с помощью ПЧ может сократить энергопотребление на 25-50%, в зависимости от конкретного случая.
- Уменьшение потерь воды. Оптимизация давления в системе благодаря ПЧ позволяет снизить утечки воды на 25-30%.
- Сокращение расходов на зарплаты.Автоматизация системы уменьшает потребность в обслуживающем персонале.
- Снижение риска аварий. Плавная работа оборудования уменьшает вероятность аварий в 5-10 раз.
- Продление срока службы оборудования. Использование ПЧ может увеличить ресурс и сроки между ремонтами насосов и двигателей в 3 раза и более.
- Уменьшение обслуживающих затрат. Снижаются расходы на электрическое отопление и поддержку персонала.
- Повышение надежности системы. Автоматизация исключает «человеческий фактор» и обеспечивает автоматическую диагностику всех элементов, повышая общую надежность.
- Социальные и экологические выгоды.Улучшение качества водоснабжения и сокращение выбросов СО2 благодаря уменьшению потребления энергии.
Для максимальной эффективности ПЧ, рекомендуется провести детальный анализ сети, используя современные ультразвуковые расходомеры для точного определения характеристик сети и насосного агрегата.
Важным критерием при выборе насосов является поддержание необходимого расхода с запасом мощности для аварийных ситуаций. При использовании ПЧ этот запас мощности сохраняется, обеспечивая эффективную работу насосов даже при увеличенном расходе.
Рис 5.
Помимо перечисленных преимуществ, важно также учитывать существующие нормативно-технические документы. Это включает Инструкцию по расчету экономической эффективности использования частотно-регулируемого электропривода, разработанную Министерством топлива и энергетики РФ, а также другие методические рекомендации и стандарты, которые гарантируют соответствие требованиям качества электроэнергии и совместимости технических устройств.
Таким образом, интеграция ПЧ в системы управления насосными установками не только ведет к значительной экономии ресурсов и средств, но и способствует повышению общей эффективности, надежности и безопасности эксплуатации этих систем.
Основные принципы расчета экономической эффективности
При анализе экономической выгоды от внедрения автоматизированных систем управления с частотно-регулируемыми приводами документ должен охватывать три основных раздела:
- Исходные данные для анализа. Этот раздел должен включать методику оценки экономической эффективности, например, рекомендуемую Министерством топлива и энергетики. Здесь также необходимо описать факторы, влияющие на повышение эффективности системы управления, и предоставить начальные данные для расчетов, соответствующие выбранной методике, включая источники этих данных.
- Расчет экономической эффективности. В этой части следует учитывать затраты на создание и обслуживание системы управления, а также предполагаемые расходы на ее эксплуатацию. Важно рассчитать ожидаемую экономию, учитывая различные технико-экономические показатели, оценить общий годовой экономический эффект от внедрения системы и определить срок окупаемости инвестиций.
- Итоговые расчеты. Здесь необходимо представить общие затраты на создание и эксплуатацию системы, ожидаемый годовой экономический эффект и срок окупаемости инвестиций.
При оценке экономического эффекта важно учитывать стоимость электроэнергии, расходы на сервисное обслуживание оборудования (примерно 3% от стоимости оборудования, исключая командировочные расходы), а также срок службы оборудования, который обычно составляет 10 лет.
«Авиэлси» — компания, профиль которой — профессиональные решения в автоматизации и электротехнике. Мы готовы выполнить любую схему грамотно. По всем вопросам по ремонту и обслуживанию обращайтесь к консультантам нашего сайта. Можно сделать заявку прямо сейчас, используя любую удобную форму обратной связи. Наши специалисты оперативно свяжутся с вами, чтобы уточнить все нюансы.