Расчет экономической эффективности частотно-регулируемого электропривода

• Введение
• Общие сведения
• Оценка экономического эффекта при использовании ЧРП в насосных станциях ЦТП коммунальной сферы

Введение

Настоящая инструкция разработана Научно-исследовательским институтом электроэнергетики (АО ВНИИЭ) и Московским энергетическим институтом (МЭИ) в соответствии с программой работ по комплексной научно-технической программе «Создание и внедрение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) в ТЭК и в коммунальном хозяйстве», утвержденной Минтопэнерго России.

Инструкция учитывает основные аспекты энергосбережения и позволяет определить предварительные оценки ресурсосбережения в насосных и вентиляционных установках общего назначения.

В инструкции не отражены другие преимущества, связанные с применением ЧРП — улучшение характера протекания переходных процессов, снижение затрат па обслуживание, уменьшение шума и пр.

Действие настоящей инструкции распространяется на установки, находящиеся в эксплуатации, т.е. когда не изменяется запроектированная технологическая схема. Для вновь проектируемых установок с ЧРП должны быть учтены аспекты, связанные с упрощением, удешевлением технологической схемы — отказ от применения обратных клапанов в насосах, исключение заслонок, задвижек, уменьшение числа насосов и вентиляторов и т.п.

Способы и примеры предварительной оценки эффективности применения ЧРП, изложенные в инструкции, предназначены для персонала, разрабатывающего мероприятия по энергосбережению и ответственного за эксплуатацию действующих насосных и вентиляционных агрегатов в электроэнергетике, промышленности и коммунальном хозяйстве.

Общие сведения

В последние годы почти все тепловые электростанции (ТЭС) с энергоблоками единичной мощности 100-310 МВт вовлекаются в регулирование суточных и сезонных графиков нагрузки. Разгрузка газомазутных энергоблоков достигает 70-75%, а угольных – 50%. В этих условиях, для обеспечения эффективной работы и высокого КПД энергоблоков, важнейшей задачей является снижение энергопотребления на собственные нужды ТЭС.

Дутьевые вентиляторы и дымососы, питательные, бустерные, конденсационные насосы являются основными потребителями электроэнергии на собственные нужды. Для энергоблоков мощностью 100-300 МВт, работающих на газе, на долю упомянутых механизмов приходится в среднем 6,1-4,2%, для работающих на угле эта величина составляет 7,8-5,6%.

Существуют различные способы управления производительностью вентиляторов и насоса: дросселирование нагрузки, снижение единичной мощности агрегатов, увеличение их количества и т.д. Наиболее эффективным способом является регулирование скорости вращения.

Для получения, например, половины полного расхода при регулировании скорости будет затрачено около 13% полной мощности, тогда как при дросселировании – около 75%, экономия составит примерно 60%.

Применение ЧРП на насосах и вентиляторах обеспечивает интегральное снижение потребляемой мощности на 25-40% и позволяет увеличить мощность энергоблока в среднем на 1-2% за счет исключения в водяных и воздушных трактах дросселей и заслонок, а также для улучшения технологических процессов выработки электроэнергии, например, сжигания топлива.

Не менее эффективно применение ЧРП в коммунальном хозяйстве. Переход от нерегулируемого асинхронного электропривода насосов и вентиляторов в системах водо- и воздухоснабжения городских РТС, котельных и центральных тепловых пунктах (ЦТП) к частотно-регулируемому позволяет экономить до 60% электроэнергии, а в системах водоснабжения – до 25% потребления холодной воды и до 15% горячей воды.

Указанная экономия достигается за счет исключения ненужных для комфортного водо- и воздухоснабжения избытков напора (давления), закладываемых при проектировании системы, а также возникающих в процессе работы – при изменениях расхода, при росте напора в водоснабжающих магистралях и т.п.

Для существующих систем водоснабжения в коммунальной сфере каждая лишняя атмосфера (10 м в.ст.) вызывает за счет больших утечек дополнительные 7-9% потерь воды. Так, для Москвы при массовом применении в системах водоснабжения ЧРП экономия воды составит около 250 млн. м³ в год.

Наряду с изложенными составляющими энергосбережения, которые легко учитываются и оцениваются, применение ЧРП дает ряд дополнительных преимуществ:

• экономию тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь воды, несущей тепло;
• возможность создавать при необходимости напор выше основного;
• уменьшение износа основного оборудования за счет плавных пусков, устранения гидравлических ударов, снижения напора; по имеющемуся опыту в коммунальной сфере количество мелких ремонтов основного оборудования снижается в два раза;
• снижение шума, что особенно важно при расположении насосов или вентиляторов вблизи жилых или служебных помещении;
• возможность комплексной автоматизации систем водо- и воздухоснабжения.

В настоящей инструкции эти факторы учитываются приближенно, введением коэффициента k > 1.

По данным специалистов института EPRI (США) эффективность ресурсосбережении при использовании ЧРП соизмерима с экономическим эффектом от ресурсосбережения.

Объективная и количественная оценка указанных факторов может быть получена по мере накопления опыта эксплуатации ЧРП.

Оценка экономического эффекта при использовании ЧРП в насосных станциях ЦТП коммунальной сферы

Особенность режимов работы насосов холодного и горячего водоснабжения на ЦТП стоит в том, что расход воды определяется потребителями, а не задается принудительно. Регулируя скорость двигателя, изменяют напор, развиваемый насосом. Экономический эффект устанавливается на основе следующих простейших измерений и расчетов.

1. Регистрируют номинальные данные насоса Q_НОМ, м³/час, H_НОМ, м в.ст., η_{НАС.НОМ} и двигателя Р_ДВ.НОМ, кВт; n_НОМ, об/мин; ток I_НОМ, А; частота вращения n_НОМ об/мин; КПД η_{ДВИГ.НОМ}; коэффициент мощности cos φ_НОМ.

2. В часы максимального водопотребления (8-10 ч или 18-20 ч в коммунальной сфере, 13-15 ч в административных зданиях и т.п.) измеряют напор Н м в.ст. на входе Н_ВХ и выходе Н_ВЫХ насоса — по манометрам, установленным в системе, в течение часа-двух делается несколько измерений, результаты усредняются.

3. В тех же условиях измеряют ток двигателя I, А, делается несколько измерений, результаты усредняются.

   Проверяют соотношение: I < I_HOM

4. Измеряют средний расход за сутки Q_CP, м³/ч, по разности показаний расходомера в начале Q₁ и в конце Q₂ контрольных суток

   Q_CP = (Q₁ – Q₂) / 24.

5. Рассчитывают минимально необходимый общий напор по формуле

   Н_НЕОБХ = С · N – D, м в.ст.

   • С = 3 — для стандартных ломов:
   • С = 3,5 — для домов повышенной комфортности;
   • D = 10 — для одиночных домов и 15 — для группы отдельно стоящих домов, обслуживаемых ЦТП.

6. Оценивают требуемый напор, обеспечиваемый регулируемым насосом:

   Н_ТРЕБ = Н_НЕОБХ – Н_ВХ,

   если Н_ВХ (напор в подводящей магистрали) существенно изменяется, следует использовать Н_ВХ.МИН

7. Определяют требуемую мощность преобразователя частоты:

   

   Величину КПД насосного агрегата η_НАС определяют как

   η_НАС = К · η_{НАС.НОМ}

   где K — определяется по кривой на рис. 1 для расхода измеренного в п.4 и отнесенного к Q_НОМ из п.1.

   

8. Определяют цену годовой экономии электроэнергии, руб./год, по формуле:

   , где

   • ΔЭ_ГОД — электроэнергия, сэкономленная за год, кВтч;
   • t_ГОД — число часов работы оборудования в году;
   • Ц_ЭЛ.ЭН — цена 1 кВт·ч электроэнергии, руб. или USD.

9. Определяют цену годовой экономии воды, руб./год:

   , где

   • ΔВ_ГОД — вода, сэкономленная за год, м³;
   • Ц_ВОДЫ — цена 1 м³ воды, руб. или USD;
   • Н_ВЫХ, Н_НЕОБХ — напор, обеспечиваемый хозяйственными насосами ЦТП.

10. Определяют годовую экономию тепла за счет сокращения-потребления горячей воды Гкал/год:

    ΔΘ = C · Δt · ΔВ_{ГОД.ГОР} · 10⁶, где

    • С = 1,0 — коэффициент теплоемкости воды, кал/г, °С;
    • Δt — расчетный перепад температуры перегрева горячей воды, °С;
    • ΔВ_{ГОД.ГОР} — горячая вода, сэкономленная за год, т.

    Для типовых ЦТП расчетный расход горячей воды принимается 0,4 от общего расхода воды, подаваемой хозяйственными насосами.

    Определяют цену годовой экономии тепла, руб./год.

    Ц_ΔΘ = ΔΘ · Ц_Гкал,

    где Ц_Гкал — цепа 1 Гкал тепла, руб. или USD.

11. Оценивают ориентировочно срок окупаемости дополнительного оборудования Т_ОК, год:

    ,

    где Ц_ПЧ — стоимость дополнительного оборудования ЧРП, включая установку.

Составители

• Зам. директора по научной работе АО ВНИИЭ, руководитель программы Минэнерго РФ по частотно-регулируемым электроприводам Ю.Г. Шакарян,
• Профессор кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института Н.Ф. Ильинский