Tag Archives: энергосбережение

ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ

Функцией насосной станции является поддержание заданного давления, причем расход перекачиваемой жидкости, как правило, может существенно изменяться в зависимости от конкретных условий. Все насосные станции рассчитываются по максимальному расходу, который может возникнуть в экстремальной ситуации (например: наводнение, пожар и т. д.). Следовательно, в нормальных условиях необходимо предусматривать средства регулирования, обеспечивающие нормальную работу системы при разных расходах.

ОТСУТСТВИЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Отсутствие регулирования при пониженных расходах приводит к росту давления в системе, а это вызывает:

  • потери энергии на создание избыточного давления
  • потери перекачиваемой жидкости за счет утечек на негерметичных стыках
  • износ оборудования и повышение эксплуатационных расходов

ДРОССЕЛИРОВАНИЕ

При дросселировании регулирование расхода осуществляется за счет изменения эффективного сечения трубопровода с помощью заслонки. В этом случае насос, так же как и при отсутствии регулирования, тратит энергию на преодоление противодавления заслонки, а повышенное давление вызывает утечки жидкости и износ оборудования.

ПРЕРЫВИСТОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

При прерывистом регулировании изменение расхода обеспечивается коммутацией в гидросистему различного числа насосов. Например, если один насос не обеспечивает необходимый расход, в параллель ему включается второй, третий и т. д.
Недостатком такого регулирования является именно его прерывистость. Качество такого регулирования нельзя назвать удовлетворительным за счет его слишком грубой дискретности, приводящей к потерям энергии. Кроме того, включение и выключение насосов приводит к постоянным гидроударам в системе, что исключительно вредно влияет на ресурс оборудования, а пусковые токи двигателей насосов вызывают 5 — 7 кратные, относительно номинала, броски тока в электроцепях.

Наиболее совершенным способом регулирования насосов является регулирование с помощью преобразователей частоты.
В случае применения преобразователя частоты, осуществляется поддержание давления в гидросистеме независимо от расхода с помощью регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. Таким образом, при малых расходах насос вращается на малой скорости необходимой только для поддержания номинального давления и не расходует лишней энергии. Экономится электроэнергия, а также вода, тепло и ресурс оборудования.

Одним из основных положительных качеств частотных преобразователей является их высокая надежность, основанная на последних достижениях в области микроэлектроники и силовой электронной техники.
Кроме того, функции преобразователя максимально продуманы, что позволяет учесть практически любые потребности конкретного потребителя и особенности любой конкретной технологической ситуации.  Ниже приведен пример использования преобразователя частоты MITSUBISHI для управления центробежным насосом станции подкачки.

Системы с переменной нагрузкой в частотном управлении

К системам с переменным крутящим моментом относятся многие насосы и вентиляторы. В случае работы с насосами, однако, следует четко установить ограничения. Большинство самых популярных типов центробежных насосов имеют квадратичную рабочую характеристику, однако эксцентриковые, вакуумные и поршневые насосы имеют постоянную рабочую характеристику.

Количество сфер применения насосов и вентиляторов огромно. Приблизительно 70% всей электроэнергии, потребляемой промышленными предприятиями в странах ЕС, относится к сфере применения электродвигателей. Существенная доля этих затрат (37%) относится к насосам и системам вентиляции. Однако в промышленных, коммерческих и торговых областях по всем странам ЕС эта цифра примерно равна 40%.

Управление скоростью — простой, но весьма эффективный способ снижения энергозатрат при работе с насосами, вентиляторами и компрессорами с переменным крутящим моментом. Экономия энергии равна кубу величины снижения скорости. Такой существенный потенциал делает все системы с переменным моментом идеальными для внедрения энергосберегающих решений.

При контроле скорости работы насосов и вентиляторов, инженерам следует принимать во внимание тот факт, что смена скорости приводит к изменению эксплуатационного режима и, соответственно, изменяет эффективность работы вентиляторов, насосов и компрессоров.

Использование вентиляторов, насосов и компрессоров вместе с частотным преобразователем порождает определенный спектр скоростей, в котором система сохраняет электроэнергию. Именно в этом режиме машина должна проводить большую часть времени работы. В случае, если разница между максимальным входным током и средней работой под частичной нагрузкой слишком велика, следует строить систему каскадно. Инвестиции во внедрение подобных модулей в уже существующие системы быстро окупаются. В случае построения каскада насосов один насос с управляемой скоростью подстраивается под базовую нагрузку. Если потребление возрастает, преобразователь последовательно, один за другим, включает другие насосы каскада. Соответственно, система работает максимально эффективно в любой момент времени. Управление насосами позволяет пользователю быть уверенным в том, что система в любой момент энергетически эффективна. Возможно использование схожих по принципу работы устройств для систем вентиляции.

На большинстве насосов и вентиляторов для регулировки давления или объемного потока используются вентили, дроссели и трехходовые клапаны. В случае, если центробежный насос управляется при помощи дроссельной заслонки, регулирование ее положения приводит к смещению рабочей точки устройства вдоль характеристики насоса. Снижение затрат энергии по сравнению с стандартной рабочей точкой незначительно.

Если скорость работы насоса изменяется, рабочая точка смещается вдоль системной характеристики. Энергозатраты снижаются кубически по сравнению с управлением при помощи дроссельной заслонки. Таким образом, например, на половинной скорости насос потребляет только одну восьмую часть энергии. Эта закономерность действительна для всех вентиляторов и насосов с изменяемым крутящим моментом.

Помимо характеристик насоса и системы, на графике, представленном ниже, указаны также общие пределы эффективности. Можно заметить, что как в случае дроссельного управления, так и в случае работы контроллера скорости рабочая точка перемещается из области оптимальной эффективности. Что касается систем с управлением скоростью, подобное изменение эффективности, очевидно, при взгляде на кривую специфического поглощения энергии (действительна только для выбранного насоса).

При достижении частоты около 32 Гц возникающие дополнительные потери на насосе превышают выгоду от энергосбережения. Соответственно, оптимальная частота эффективной работы системы считается равной 38 Гц. При использовании других методов управления насосом энергетический баланс еще менее выгоден. Опыт показывает, что насосы, вентиляторы и, в особенности, компрессоры зачастую не работают в оптимальном эксплуатационном режиме. Так, например, системы кондиционирования воздуха летом работают при большей нагрузке, чем зимой; но так как система проектируется исходя из максимальной требуемой мощности, существенную часть времени она работает в режиме частичной загрузки. Эти данные уже принимаются во внимание некоторыми производителями вентиляторов, насосов и компрессоров. Устройства создаются таким образом, чтобы оптимальный КПД достигался при коэффициенте подачи около 70%.

 

Двигатели: потенциал экономии и дальнейшего развития

Энергосберегающие трехфазные индукционные двигатели доступны в Европе с 1998 года. Они распределены по классам эффективности от eff 1 до eff 3. Это добровольное соглашение заменяется международным стандартом IEC 60034-30.

Моторы с редуктором

В последние годы использование энергосберегающих моторов с редуктором является стандартом. В зависимости от производителя, пользователь может выбирать между продуктами различных классов эффективности.

Однако класс эффективности двигателя основывается только на рабочих характеристиках самого двигателя, а не на характеристиках мотор-редуктора. Выбирая редуктор, можно столкнуться с множеством вариантов. Винтовые и конические зубчатые передачи обладают, как правило, существенно большим КПД, чем червячные, однако инженеры, выбирающие конические передачи как альтернативу червячным передачам, изначально сталкиваются с более высокими затратами.

Однако благодаря повышенной эффективности и износостойкости конических зубчатых передач по сравнению с червячными, данные затраты быстро окупаюся. Моторы с редуктором идеально подходят для работы с частотными преобразователями. Помимо оптимизации работы электромотора, преобразователь предоставляет операторам возможность отказаться от механических переключателей скоростей.

Двигатели с постоянными магнитами

Синхронные двигатели, оснащенные постоянными магнитами, являются синхронными и высокоэффективными. По сравнению с асинхронными моторами сходной эффективности (например IE 3), ПМ-моторы обладают существенно меньшими габаритами.

Падение цен на постоянные магниты существенно повышает привлекательность оснащаемых ими моторов даже для приложений с низкой динамикой.

Как правило, несколько факторов определяют, целесообразна ли с экономической точки зрения замена трехфазного индукционного двигателя двигателем с постоянными магнитами (ПМ-мотором или синхронным двигателем).

Безусловно, при проведении соответствующих исследований следует учитывать не только стоимость закупки, переоборудования и энергии, но и стоимость обслуживания и замены.

Применение управления скоростью на машинах, работающих под нагрузкой, часто непосредственным образом отражается на счетах за электроэнергию. Среди основных преимуществ использования управления скоростью можно перечислить следующие:

  • Экономия электроэнергии

Потенциал экономии электроэнергии конкретной системы в основном зависит от рабочей характеристики нагрузки. В случае, если момент постоянен, максимальная экономия пропорциональна снижению момента и скорости вращения главной оси; в случае квадратичной рабочей характеристики экономия возрастает как третья степень снижения скорости.

  • Оптимизация работы под частичной нагрузкой

Как правило, КПД трехфазных двигателей указывается только для стандартной точки. В случае, если двигатель подключен непосредственно к главной сети и находится при этом под частичой нагрузкой, общая эффективность работы будет существенно снижаться из-за механических и электромагнитных потерь.

В зависимости от качества выбранного метода управления, работа частотного преобразователя всегда позволяет намагничивать двигатель оптимальным образом. Соответственно, потери при работе под частичной нагрузкой снижаются. Улучшения заметны на двигателях со стандартной мощностью от 11 кВт.

  • Автоматическая оптимизация расхода энергии

В приложениях, в которых нет быстрых смен нагрузки, возможно использование режима автоматической оптимизации расхода энергии. Преобразователь снижает намагничивание двигателя, сохраняя таким образом энергию.

  • Упрощение запуска

Во многих задачах управление скоростью может снижать число запусков устройства. Каждый запуск электрического двигателя в неконтролируемых условиях требует дополнительной энергии на разгон мотора и вывод его в нормальный режим работы. На запуск, как правило, уходит 5-10% от общей энергии (при работе с насосами), однако известны примеры роста затрат вплоть до 40%. Более того, снижаются скачки напряжения и механические нагрузки, вызванные прерывистым запуском устройств.

Управление скоростью с использованием преобразователей частоты обеспечивает и другие преимущества, например, уменьшает механическую нагрузку на систему и ее составные части. Так же не стоит забывать, что преобразователи частоты позволяют легко интегрировать и подстроить управление отдельным двигателем в общий технологический процесс.

 

Энергосбережение на базе использования частотных преобразователей

На протяжении многих лет цены на электроэнергию неуклонно растут, вызывая у многих промышленных, коммерческих и торговых предприятий желание снизить потребление энергии. Если этого удастся добиться, потребитель сможет поддерживать производственные затраты на постоянном уровне или даже снизить их, несмотря на повышение цен на электроэнергию. Инженеры-механики и инженеры-технологи могут снижать затраты путем снижения энергопотребления своих предприятий, достигая, таким образом, конкурентного преимущества.

Помимо чисто коммерческих соображений, имеется ряд социальных причин — например, глобальное потепление – для максимально эффективного использования ресурсов и снижения выброса диоксида углерода в воздух.

Предпринимаются также и политические инициативы для продвижения энергосберегающих технологий. Так, например, директива ЕС  «Об энергопотребляющих продуктах» (EuP, 2005/32/EC и 2008/28/EC) устанавливает требования по экологически безопасному проектированию энергопотребляющих устройств. Данная директива внедряет использование политики интегрированных продуктов, принимающей во внимание полный жизненный цикл электрооборудования от производства до утилизации.

Электропривод как ключевая технология

Технология электрического привода является ключевой технологией для повышения эффективности использования энергии. На данный момент она является самым быстрым и эффективным способом существенного снижения энергопотребления. Так, например, потребление энергии моторами холодильников, системами кондиционирования воздуха и многими другими промышленными системами приводов может быть оптимизировано путем регулирования их скорости. В одном только промышленном секторе, по подсчетам ЕС, возможно снижение потребления энергии электроприводными системами как минимум на 15%. Однако необходимо действовать осторожно, поскольку вне зависимости от мер, принимаемых пользователями, всегда следует предварительно оценивать их эффективность.

Основной целью внедрения частных преобразователей является существенная экономия электроэнергии как уже существующими, так и новыми системами и машинами. Как правило, операторы, инженеры- механики и системные инженеры склоняются прежде всего к легким в применении и, главное, недорогим мерам.

Практически во всех сферах имеется возможность снижения энергопотребления. Вне зависимости от сферы деятельности — будь это автоматизация зданий, системы конвейеров или химические процессы — основная сложность состоит в обнаружении этого потенциала и нахождении наиболее эффективного способа его использования. Операторы и пользователи, предпринимая попытки использования возможностей сбережения электроэнергии, должны обращать особое внимание на то, какие преимущества дает использование этого способа. В частности, огромным потенциалом для экономии электроэнергии обладают насосы и вентиляционные системы.

Несмотря на то, что энергопотребление этих систем в промышленных условиях является одним из самых высоких, в случае использования центробежных насосов и вентиляторов энергопотребление падает пропорционально кубу скорости. Простым и быстрым решением проблемы в данном случае является оснащение всех насосов и вентиляторов частотными преобразователями для управления скоростью. Данный способ становится все более выгоден также в связи с тенденцией снижения цен на частотные преобразователи.

Необходимо, однако, соблюдать осторожность, так как далеко не у всех насосов и вентиляторов можно регулировать скорость. Кроме того, применение самого дешевого частотного преобразователя не всегда является наиболее экономичным решением.

Несмотря на то, что во многих случаях использование частотных преобразователей приводит к существенной экономии электроэнергии, в ряде случаев это не так, а иногда наблюдается и обратный эффект. По нашим оценкам, контроль скорости целесообразен приблизительно для 50% электроприводов.

Структура энергопотребления

Помимо области применения, степень экономии определяется скрытыми расходами, зависящими от типа используемого преобразователя. Например, во многих случаях переплата за более эффективное устройство окупается в короткий срок.

Таким образом, принимая инвестиционное решение, следует учитывать не только технические, но и множество коммерческих и логистических аспектов, чтобы предотвратить неэкономные и неэффективные меры. Пользователям следует выбирать преобразователь не исходя из стоимости, а принимая в расчет функциональные возможности позволяющие достичь максимальной экономии энергии в течение всего жизненного цикла оборудования. В таком случае возможно достичь идеального баланса между стоимостью и эффективностью.

Внедрение контроля скорости в системы с электромоторами позволяет сберегать существенное количество электроэнергии. Для того, чтобы этот подход был наиболее успешен и давал требуемые результаты, и пользователям, и системным инженерам следует учитывать несколько важных моментов.

Вне зависимости от того, является система новой или уже существующей, работа специалистов и инженеров должна начинаться с оценки текущего состояния оборудования. В это понятие включаются вычисление энергопотребления, определение процессов, подходящих для регулировки скорости и оценка возможной экономии. Также этот подход позволяет подчеркнуть совместное действие нескольких факторов. По результатам такого анализа специалисты могут определять возможные решения по модернизации, а также, впоследствии, оценивать эффективность принятых мер и их соответствие изначальным планам.

Основными отправными точками эффективного анализа текущего состояния системы являются:

  • Эффективность

Самый простой способ сохранить электроэнергию — использовать более эффективные компоненты системы.

  • Управление параметрами процесса

Наиболее эффективный путь оптимизации процессов — управление давлением, потоком, скоростью и т.п. Если ранее применялся только простое двухступенчатое управление скоростью, энергетическая эффективность должна сравниваться с эффективностью, обеспечиваемой контролем скорости. Во многих случаях управление параметрами процесса является экономически целесообразным.

  • Системная схема

Многие системы не всегда проектируются с точки зрения наиболее эффективной эксплуатации или даже оптимального решения энергетической проблемы. К примеру, потенциалом для оптимизации обладают все виды трубопроводов. Маршрут прокладки труб, тип распределителя и используемые вентили должны выбираться таким образом, чтобы минимизировать встречное давление.

  • Сжатый воздух

Сжатый воздух — простое по сути, но дорогостоящее средство передачи энергии. Во многих случаях более эффективно с энергетической точки зрения использовать вместо него прямой электропривод. Как правило, операторам следует поддерживать давление воздуха на как можно более низком уровне. Снижение давления всего на 1 бар помогает сэкономить до 7-8% электроэнергии. Утечки также обходятся дорого: в зависимости от давления в системе, отверстие диаметром 1 мм может привести к дополнительному расходу энергии (от 1500 до 5000 кВч в год).

Время, в течение которого может быть вычислено преимущественное потребление электроэнергии, определяется областью применения. В случае строго определенных технологических процессов данные о потреблении энергии обычно становятся доступными после прохода некоторого количества полных циклов технологических операций.

Оценка динамики потребления в областях, зависящих от климатических условий, гораздо более затруднительна. Так, к примеру, требуемый коэффициент подачи насоса для сточных вод напрямую зависит от существующего уровня осадков.

При работе с системами с изменяемым крутящим моментом, включая насосы и вентиляторы, пользователи должны четко определить, для чего будет использоваться управление. Следует также определить максимальную эффективность вентиляторов, насосов и компрессоров и использовать эту информацию для установления оптимального диапазона управления. Кроме того, следует тщательно проверить влияние принятых мер на работу всей системы.

Максимальная экономия электроэнергии достигается пользователями только в случае детального анализа всего приводного механизма. Необходимо оценить эффективность используемых моторов, проверить используемые типы зубчатых передач, оптимизировать длину кабелей. Необходимо проверить, были ли приняты меры по электромагнитной совместимости, а также убедиться, что питающая сеть не перегружена. Кроме того, необходимо оценить коэффициент потерь и нагрузку на систему кондиционирования воздуха, предназначенную для борьбы с подобными потерями в шкафах для электрооборудования или на специальных производственных площадях.

Пользователю следует проверить и уже существующие преобразователи. Общие условия, изначально удовлетворяющие всем требованиям, могли измениться. Также такой анализ позволяет определить целесообразность таких инвестиций.

Для разумного сбережения электроэнергии необходимо, чтобы пользователи внимательно относились к оценке преимуществ и недостатков каждого технологического решения. В процессе анализа нужно помнить, что в большинстве случаев качество технологического решения возрастает в соответствии с его стартовой стоимостью. Поскольку подавляющее большинство пользователей не знакомо с техническими особенностями всех выпускаемых устройств, разумным и естественным решением является привлечение к работе экспертов и обсуждение с ними технических преимуществ и недостатков.