CC BY
238
УДК 621.313.333: 658.562 ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СФЕРЕ ЖКХ
М.М. Усуфов1
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
В статье особо выделяется важность энергосбережения для развития всего топливноэнергетического комплекса России. Характеризируется нынешнее состояние сбережения энергоресурсов, водо- и теплоснабжения в сфере ЖКХ. Обоснована неэкономичность «старых методов» регулирования водо- и теплоснабжения, показано преимущество применения современных частотных преобразователей. Проведен графический анализ изменений в лучшую сторону энергетических параметров при частотном регулировании.
Ключевые слова: энергосбережение, энергоресурсы, асинхронные электродвигатели, частотные преобразователи, насосные станции, инвертеры, дросселирование.
APPLICATION OF MODERN FREQUENCY CONVERTERS AS A WAY TO IMPROVE ENERGY SAVING IN THE HOUSING SECTOR
M. M. Usufov
St. Petersburg state University of Economics (SPbSEU), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21.
This article highlights the importance of energy saving for development of the fuel and energy complex of Russia. The current state of energy saving, water and heat supply in the housing sector is described. "Old ways" of regulation of water and heat supply systems are proved to be uneconomic, the benefits of using modern frequency converters are explained. The graphical analysis of changes for the better energy parameters in frequency regulation is presented.
Keywords: energy saving, energetic resources, asynchronous motors, frequency converters, pumping stations, inverters, choking.
Энергосбережение является одной из наиболее острых проблем для развития топливно-энергетического комплекса России. В последнее двадцатилетие за счет энергетики и производства энергоресурсов, а также улучшения их использования, энергосбережение давало 60-65% экономического роста. Применение системных мер по энергосбережению снизило энергоемкость национального дохода за этот период в мире на 18%, а в развитых странах -на 21-27%. Энергетическая стратегия России предусматривает проведение целенаправленной энергосберегающей политики. По оценке голландско-российской исследовательской компании, проводившей исследование рынка энергосбережения России по заказу Международной финансовой корпорации (ШС), Россия имеет огромный потенциал для инвестиций в энергосбережение. Экспертами было отмечено, что потребление энергии в российской промышленности превышает уровень аналогичных предприятий других стран на 40 ^ 220%. В результате потенциальная экономия от внедрения энергоэффективных технологий для российской промышленности была оценена в 24,2 млрд. долларов США ежегодно. Реализация освоенных в отечественной и мировой практике организационных и технологических мер по экономии энергоресурсов способна к 2020 году уменьшить их расход в стране на 40-48%[1-4].
Важнейшим направлением в политике энергосбережения в сфере ЖКХ является создание механизмов экономического стимулирования энергосбережения для потребителей и производителей энергоресурсов. Это должно способствовать как использованию внутренних резервов, так и притоку внешних инвестиций, привлечению на взаимовыгодных условиях заинтересованных источников финансирования. Эффективное использование энергетических ресурсов, энергоносителей, сокращение тепловых потерь, в жилом секторе - эти вопросы сегодня становятся все более актуальными и представляют собой глобальную проблему [1]. Экономия от внедрения энергоэффективных технологий может быть достигнута различными способами: через целевые инвестиции
(установка температурных датчиков, применение двигателей с переменной частотой) или как побочный эффект от замены старого оборудования на новое, более эффективное (новая котельная, новая тепловая изоляция труб и т. п.). В настоящее время в силу сложившихся традиций для поддержания заданных значений рабочих параметров на объектах ЖКХ регулирование производительности насосов и воздуходувок производится тремя методами[3,4,5]:
- дросселирование - ограничение потока жидкости путем перекрытия трубопровода
задвижками, заслонками или иными электромеханическими устройствами,
- старт-стопное каскадное регулирование подачи группы насосов - регулирование подачи за счет подключения или отключения дополнительных насосов, включенных параллельно в напорный трубопровод,
- старт-стопное регулирование одним насосом с введением накопительных емкостей и созданием необходимой подачи за их счет.
Все эти способы регулирования уже «устарели»; энергия воды, давящей на механическую преграду в трубопроводе, расходуется «в никуда»; от циклов закрытия-открытия механические заслонки и задвижки быстро разрушаются. Из-за грубости механической системы и нелинейной зависимости подачи жидкости от сужения трубопровода, определенную подачу выставить практически невозможно. Каким же образом можно регулировать расход, не прибегая к этим способам? Серьезной альтернативой является частотный метод регулирования производительности агрегатов - применение так называемых частотных преобразователей (ЧП).
Практически вся механическая энергия для работы машин и механизмов получается за счет электрической энергии, используя для этого электроприводы. Именно они потребляют более 65% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Рост тарифов вынуждает искать пути сокращения расходов на электроэнергию. Стоимость электричества, потребляемого ежегодно одним средним электродвигателем, почти в 5 раз превосходит его собственную стоимость. Устранение нерационального расхода средств сегодня всё чаще решается с помощью высоких технологий. Одно из главных направлений здесь занимает внедрение в сфере ЖКХ регулируемых электроприводов на основе частотного преобразователя или инверте-ра[1,2,3,6].
Частотно-регулируемый электропривод состоит из трехфазного электродвигателя переменного тока и инвертера, который обеспечивает плавный пуск электродвигателя, его остановку, изменение скорости и направления вращения. Способность подобного регулирования улучшает динамику работы электродвигателя и повышает надежность и долговечность работы технологического оборудования. За счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки в насосных, вентиляторных, компрессорных и др. агрегатах потребление электроэнергии снижается на 40-50%, а пусковые токи, составляющие 600-700% от номинального тока и являющиеся «убийцами» для пуско-регулирующей аппаратуры, исчезают совсем. Следовательно, применение регулируемых электроприводов на основе ЧП позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой не только экономится электрическая энергия, но и увеличивается срок службы электродвигателей и технологического оборудования в целом. Частотный преобразователь - инвертер, представляющий собой электронное статическое устройство, предназначенное для
управления асинхронным или синхронным электродвигателем переменного тока. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменной амплитудой и частотой. Само название «частотный преобразователь» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя. Инвертер преобразует напряжение питающей сети 220В/380В частотой 50Гц в выходное импульсное напряжение, которое формирует в обмотках двигателя синусоидальный ток частотой от
0 до 400 Гц и выше. Управление преобразователем частоты осуществляется со встроенной или выносной панели управления либо с помощью внешних сигналов. Обычно мощность частотного преобразователя подбирается равной мощности электродвигателя. Это правило распространяется на электродвигатели с номинальным количеством оборотов 1500 и 3000 оборотов в минуту. При использовании других электродвигателей или в некоторых особых случаях применения инвертер должен соответствовать следующему условию: номинальный выходной ток частотного преобразователя должен быть не меньше, а лучше - чуть больше номинального тока электродвигателя. Частотные преобразователи обеспечивают[5,6]:
- плавный пуск без пусковых токов и ударов и остановку электродвигателя, а также изменение направления его вращения,
- полная электрозащита двигателя от перегрузок по току, перегрева, обрыва фаз и утечек на землю,
- плавное регулирование скорости вращения электродвигателя практически от нуля до номинального значения в ранее нерегулируемых технологических процессах,
- создание замкнутых систем с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров,
- синхронное управление несколькими электродвигателями от одного преобразователя частоты,
- уменьшение потребления электроэнергии за счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки,
- увеличение срока службы электропривода и оборудования,
- повышение надежности и долговечности работы оборудования, упрощение его технического обслуживания.
На базе частотных преобразователей могут быть реализованы системы регулирования скорости следующих ЖКХ объектов: насосы горячей и холодной воды в системах водо- и теплоснабжения, вспомогательного оборудования котелен, ТЭС, ТЭЦ и котлоагрегатов, вентиляторы, воздуховоды, компрессоры, кондиционирования, лифтовое оборудование. Сбережение энергии происходит путем устранения непроизводительных затрат в заслонах, дросселях и других регулирующих устройствах. Регулирование в системе водоснабжения в соответствии с графиком потребления воды позволяет получить значительную экономию как электро-
энергии (до 50-75%), так и воды, уменьшить количество аварий из-за разрывов трубопроводов.
В большинстве регулируемых приводов применяются двигатели постоянного тока с питанием от тиристорного преобразователя частоты. Замыкание обратной связью позволяет обеспечить точное поддержание скорости при переменной нагрузке, что необходимо для получения требуемого качества технологических процессов. Однако для ЖКХ двигатели постоянного тока сложны в эксплуатации и обслуживании, из-за наличия коллектора их затруднительно применять в запыленных помещениях и взрывоопасной среде. Поэтому применение регулируемых приводов с асинхронными двигателями позволяет снизить эксплуатационные затраты, повысить перегрузочную способность, надежность и снизить требования к среде эксплуатации. Особенностью систем водо- и теплоснабжения является неравномерность потребления воды в зависимости от времени суток, дня недели и времени года. Стабильный объем подачи приводит к заметному ослаблению напора в часы повышенного разбора воды и к значительному повышению давления в магистрали, когда расход воды снижается. Повышение давления в магистрали ведет к потерям воды на пути к потребителю и увеличивает вероятность разрывов трубопровода. При применении частотного преобразователя имеется два способа регулировки подачи воды; в соответствии с заранее составленным графиком (без обратной связи) и в соответствии с реальным расходом (с датчиком давления или расхода воды у потребителя). Применение второго способа позволяет получить систему, поддерживающую заданный параметр с точностью до
долей процента. Самое главное - двигатель получает ровно столько энергии, сколько необходимо для обеспечения технологического процесса, а значит, идет прямая экономия электроэнергии по сравнению с любым рассмотренным выше способом регулирования. Регулирование частоты вращения исполнительных механизмов осуществляется при помощи механических вариаторов, гидравлических
муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты. Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. В настоящее время статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным двигателем[8,9].
Принцип работы метода частотного регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения , при неизменном числе пар полюсов р, можно изменять угловую скорость ®0 магнитного поля статора:
ю0 = 2 %
f
Р
(1)
Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя - коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности - необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс . При постоянном моменте нагрузки Мс =const,
напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте[10,11]:
(2)
Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:
= const.
(3)
При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:
Л
= cons.
(4)
Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя. Наиболее простой вариант использования преобразователя частоты — когда одним преобразователем управляется один электродвигатель в зависимости от заданных параметров (например, давления воды в водоводе) и получаемой от датчика информации. Расчеты показывает, что один насос, работающий от сети в номинале (т. е. дающий номинальный расход при номинальном давлении), употребляет в два раза больше, чем два насоса, работающие по принципу ПЧ регулирования, которые в суммарных усилиях дают тот же номинальный расход при том же давлении.
Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рис.1[12,13 ]:
Таким образом, подводя итоги, можно констатировать, что применение частотных преобразователей для электродвигателей на насосных станциях обеспечивает следующие преимуществами] :
- Экономия электроэнергии. За счет регулировки мощности электропривода, в зависимости от водопотребления, экономия составляет 20-50 %;
- Уменьшение расхода воды. При превышении уровня давления в магистрали и малом водопотреблении можно снизить расход
воды примерно на 5 % за счет сокращения утечек;
- Снижение затрат на аварийный ремонт оборудования. Основной экономический эффект состоит в уменьшении расходов на ремонт инфраструктуры подачи воды за счет уменьшения числа аварийных случаев. При этом ресурс службы оборудования для водоснабжения повышается не менее чем в 1,5 раза;
- Экономия тепла. За счет уменьшения потерь несущей тепло воды можно достичь снижения расхода тепла в системах горячего водоснабжения;
- Увеличение напора. Благодаря использованию такого энергосберегающего оборудования при необходимости можно обеспечить напор воды выше обычного;
- Автоматизация системы водоснабжения. Комплексная автоматизация системы водоснабжения позволяет уменьшить фонд заработной платы дежурного и обслуживающего персонала, а также исключить влияние «человеческого фактора» на работу системы.
Рисунок 1. Изменение параметров с применением частотного регулирования
Расчеты показывают, что только экономия электроэнергии зачастую позволяет окупить затраты на установку ПЧ менее чем за 1 год и далее приносить прибыль. Так, на многих предприятиях водо- и теплоснабжения городов Ленинградской области установка ПЧ позволила снизить потребление электроэнергии на 35 ^ 40% в совокупности с другими аспектами ресурсосбережения. Здесь также нашли применение ПЧ на насосных стациях 1-го и 2-го подъема, подкачивающих и канализационных насосных станциях, воздуходувках, дозаторах, тягодутьевых механизмах котлов, сетевых насосах. На объектах, где внедрены ПЧ, сокращено число обслуживающего персонала, ремонтники забыли о перемотке сгоревших двигателей и замене подшипников, авариях на тру-
бопроводах. Суммарная окупаемость ПЧ при учете всех составляющих энерго- и ресурсосбережения не превышает 8 месяцев. Опыт использования ПЧ показывает, что на объектах, где расположены несколько электроприводов, работающих во взаимосвязанном режиме, целесообразно рассмотреть установку ПЧ в комплекте со станцией управления электроприво-дами[1,2,3,13,14].
Это уже следующий этап развития автоматизации на объектах ЖКХ, который в идеале должен вырасти в единую связанную автоматизированную систему управления технологическими процессами на предприятиях ЖКХ.
Литература
1. Черняк В.З. Жилищно-коммунальное хозяйство: развитие, управление, экономика. Москва. 2008г.392стр.
2. Андриади Ю.Г., Арцыбашев В.М.и др. Справочник современного инженера ЖКХ. «Феникс» 2009г. 380стр.
3. О. А. Кулагин, Д. А. Хайро, С. А. Перерайнов. Энергобезопасность и энергосбережения // - электронный научный журнал. №1, 2013 Возможность повышения энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок. [Электронный ресурс] http://www.endf.ru/49.php
4. Шомов П.А. Методологические подходы к определению первоочередных инвестиций в энергосбережение в системах теплоснабжения. Портал-энерго, эффективное энергосбережение. Шр://ройа1-energo.ru/artic1es/detai1s/id/ (дата обращения: 18.01.2014).
5. Михайлов В. Е. Современная электросеть. Наука и техника. 2013г.256 стр.
6. Фуфаева Л.И. Электротехника. Академия. 2009г. 385стр.
7. Сенова О. Н. Энергосбережение в доме шаг за шагом. СПб. Друзья Балтики.2008г. 44стр.
8. Кисаримов Р.А. Электропривод. ИП РадиоСофт: 2008. 353 стр.
9. Преобразователи частоты - просто о сложном. "Данфосс". 2006г. 166 стр.
10. Прянишников В. А.Теоретические основы электротехники. 2004г. 362 стр.
11. Коломиец А.П., Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р. Энергосберегающий асинхронный электропривод. Академия. 2004г. 256 стр.
12. А.С.Касаткин М.В.Немцов. Электротехника. Москва "Высшая школа". 2000г. 544стр.
13. Ус А.Г., Евминов Л.И. Электроснабжение промышленных предприятий и гражданских зданий. Пион Минск. 2002г. 457 стр.
14. А.И. Вольдек, В.В. Попов. Электрические машины. Асинхронные машины переменного тока. Пи-тер:2008г. 350 стр.
1 Усуфов Муса Махмуд оглы - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Экономика природопользования и сервиса экосистем», СПбГЭУ, тел.: (812) 706-12-35, e-mail: [email protected];
