Решения по энергосбережению: насосы, вентиляторы и двигатели переменной скорости вращения

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)

63% электроэнергии, потребляемой электродвигателями, расходуется насосным и вентиляционным оборудованием. В большинстве случаев, электродвигатели насосов и вентиляторов работают на полной скорости, даже если нет необходимости создания настолько мощного протока. Чтобы в этих условиях обеспечить необходимый проток жидкости или газа, используются энергонеэффективные методы, такие как клапаны, заслонки, дроссели и т.д. Это все равно, что использовать для поддержания скорости автомобиля тормоза при постоянно нажатой до упора педали газа. Тем не менее, эти методы регулирования наиболее часто встречаются в промышленности. Так как электродвигатели насосного оборудования являются лидерами по энергопотреблению, а насосное оборудование – самая большая область применения электродвигателей в промышленности, энергосбережение в этой области наиболее актуально.

Применение преобразователя частоты Altivar является примером активного энергосбережения, позволяющего отрегулировать производительность насосного оборудования для текущих нужд и сократить потребление электроэнергии. При правильном подборе оборудования, срок окупаемости составит от 10 месяцев до трех лет. Преобразователи частоты могут найти применение и в других областях, таких как компрессорное оборудование, формовка пластика и т.д.


Рис K14.jpg


Рис. K14: Примеры центробежных насоса и вентилятора, эффективность которых может быть повышена за счет установки преобразователя частоты


Большая часть насосов используется либо для перемещения жидкости из одной точки в другую, например, заполнение резервуара, находящегося выше источника, либо для циркуляции жидкости, например, жидкостное охлаждение. Вентиляторы используются либо для перемещения воздуха или других газов, либо для создания разницы давления. Для того чтобы обеспечить движение жидкости или газа с заданной скоростью, необходимо создать разницу давлений. Большинство насосных или вентиляционных систем требуют, чтобы проток или давление зависели от различных факторов.

Для изменения протока или давления в системе существует несколько возможных вариантов. Необходимый метод выбирается исходя из конструкции насоса или вентилятора, например, поршневой или центробежный насос, осевой или центробежный вентилятор, из следующего списка:

  • Включение в систему нескольких насосов или вентиляторов. Это обеспечивает ступенчатое изменение производительности при соответствующем включении или отключении определенных насосов или вентиляторов. Обычно, при использовании данного метода, появляются потери энергии, т.к. необходимое значение давления или протока может быть между «ступенями».
  • Включение/отключение оборудования. Данный метод может быть использован только в случае, если допускается использование прерывистого протока.
  • Клапан-регулятор протока. В данном методе регулирования используется клапан, регулирующий гидродинамическое сопротивление системы на выходе насоса или вентилятора. Это приводит к излишнему потреблению электроэнергии, т.к. в этом случае насос или вентилятор создают проток, который потом искусственно уменьшается клапаном. К тому же, у каждого насоса есть оптимальный режим работы, и увеличение сопротивления выходному потоку может привести к снижению КПД насоса (увеличению потребления энергии) и снижению его надежности.
  • Задвижка. По принципу работы напоминает клапан-регулятор протока в насосных системах, т.к. снижает производительность вентиляционной системы за счет уменьшения сечения выходного канала вентилятора. Этот принцип приводит к излишним затратам электроэнергии, т.к. вентилятор создает избыточный поток воздуха или газа, который уменьшается заслонкой.
  • Байпасный метод (техника обхода). В данном случае насосная система также работает с максимальной мощностью, но излишний поток жидкости перенаправляется от выхода насоса обратно к забору. Это позволяет получить низкий уровень потока жидкости без риска увеличения выходного давления насоса, но приводит к излишнему потреблению электроэнергии, необходимой для прокачки избыточной жидкости через байпасную магистраль.
  • Выброс воздуха. Данный метод напоминает байпасный метод для насосных систем. В этом случае вентилятор работает с максимальной мощностью, а излишний воздух просто выбрасывается в атмосферу через специальный клапан. Эффективность процесса снижается за счет затрат энергии на прокачку излишков воздуха или другого газа.
  • Изменяемый угол атаки лопастей. Некоторые модели вентиляторов позволяют в процессе работы изменить угол атаки лопастей в зависимости от требований производительности.
  • Входной направляющий аппарат. В этой технике на входе вентилятора устанавливаются жалюзи, регулирующие поступление воздуха или другого газа в вентилятор, что напрямую сказывается на выходном потоке вентилятора.


Рис K15.jpg



Рис. K15: Схема управления насосом или вентилятором


Если насос или вентилятор должен обеспечивать разный проток жидкости или газа, его производительность выбирается из расчета максимально возможных параметров, при этом с запасом по мощности. Таким образом в основном, двигатели насосного или вентиляционного оборудования работают в неэффективных режимах. При этом указанные выше принципы управления потоком газа или жидкости также достаточно неэффективны. Использование преобразователей частоты, снижающих мощность двигателей насосов или вентиляторов, если в ней нет необходимости, может позволить существенно снизить затраты на электроэнергию.

Если же не требуется изменение производительности насоса или вентилятора, и перечисленные варианты управления либо не установлены, либо не используются (например, заслонки или клапаны полностью открыты), существует вероятность, что правильно выбранный электродвигатель будет постоянно работать в максимально эффективном режиме. В этом случае установка преобразователя частоты не будет оправдана.

Для насосных или вентиляционных систем с изменяемой производительностью установка преобразователя частоты позволяет снизить скорость вращения электродвигателя и сократить его энергопотребление. Для вентиляционных систем КПД зависит от их конструкции. Управление скоростью вращения центробежного вентилятора с загнутыми вперед или назад лопатками может быть достаточно выгодно. Осевые вентиляторы обладают большим КПД, и обычно установка преобразователя частоты для управления ими экономически нецелесообразна.

Эффективность насосных систем зависит от гидростатических (перепада высот трубопровода) и гидродинамических (сопротивления протоку труб, клапанов и т.д.) потерь. Режимы работы устанавливаемого преобразователя частоты должны соответствовать диапазону безопасных режимов насоса. Обычно применение преобразователей частоты дает больший экономический эффект, если в системе преобладают гидродинамические потери. В некоторых случаях замена насоса или вентилятора на более подходящий по конструкции может дать лучший экономический эффект, чем установка преобразователя частоты. Применение преобразователей частоты с редко использующимся, пусть и неэффективным, вентиляционным или насосным оборудованием может быть экономически нецелесообразно, т.к. не принесет ощутимой экономии электроэнергии из-за малого времени работы системы. Тем не менее, изменение производительности насосов и вентиляторов за счет изменения скорости вращения гораздо более эффективно, чем применение клапанов-регуляторов или байпасных систем.

При работе вентиляторов и насосных систем наблюдаются следующие сходные зависимости:

  • Проток прямо пропорционален скорости вращения ротора двигателя

  -  Уменьшение скорости вращения ротора двигателя в два раза приведет к уменьшению протока в два раза.

  • Давление и напор пропорциональны квадрату скорости вращения ротора двигателя

  -  Уменьшение скорости вращения ротора двигателя в два раза приведет к уменьшению давления в 4 раза.

  • Потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения ротора двигателя

  -  Уменьшение скорости вращения ротора двигателя в два раза приведет к уменьшению потребляемой мощности в 8 раз.
  -  Следовательно, уменьшение протока в два раза сократит потребляемую мощность в 8 раз.


Рис K16.jpg


Рис. K16: Теоретическое значение экономии энергии при работе двигателя вентилятора со скоростью в два раза меньше номинальной


Если не требуется работа насоса или вентилятора с максимальной производительностью, появляется возможность достаточно сильно сократить потребление электроэнергии при незначительном уменьшении производительности. К сожалению, на практике энергетические потери в различных узлах делают указанные теоретические значения экономии недостижимыми.


Рис K17.jpg


Рис. K17: Зависимость потребляемой мощности от протока для различных методов управления: ограничивающей заслонки, входного клапана, ПЧ (сверху вниз)


Реальные возможности энергосбережения зависят от конструкции насоса или вентилятора, его КПД, мощности, времени работы в течение года и стоимости электроэнергии. Эти возможности могут быть оценены при помощи специального программного обеспечения, например ECO8, или более точно проанализированы с помощью временной установки измерительного модуля и анализа данных измерений, полученных при реальных режимах работы.

Преобразователь частоты может быть использован с разными вариантами обратной связи:

  • По давлению. В данном случае к ПЧ подключается датчик давления, при этом автоматически изменяется производительность работы насоса или вентилятора. Этот метод регулирования встречается достаточно часто, например, в водопроводных системах, где требуется постоянное давление воды, а ее проток зависит от потребления. Также подобная схема управления используется в системах централизованного охлаждения, распределения воды и ирригации, где используется заранее неизвестное количество разбрызгивателей.
  • По температуре. В системах отопления и охлаждения необходимо изменять проток жидкости или газа в зависимости от температуры. В этом случае к преобразователю частоты подключается температурный датчик, и изменение производительности насоса или вентилятора будет происходить в зависимости от реальной температуры, требуемой для того или иного процесса. Эта схема похожа на стабилизацию давления, где также изменяется проток жидкости или газа, только требование к стабилизации температуры привело к необходимости замены датчика давления датчиком температуры.
  • По протоку. В водоснабжении или ирригации иногда требуется обеспечить постоянство протока. Например, может меняться перепад высот между насосной станцией и приемником жидкости, в этом случае давление на выходе насоса будет переменным. Такой вид обратной связи также необходим в некоторых системах охлаждения, разбрызгивателях и системах мойки, где необходимо подать определенный объем жидкости, несмотря на возможные изменения параметров гидросистемы. В основном они меняются по нескольким причинам: изменение уровня жидкости в заборном баке, приводящее к снижению входного давления, увеличение гидродинамического сопротивления трубопроводной системы из-за загрязненности фильтров или образования «пробок» и т.д. Для обеспечения стабилизации используется датчик протока, обычно устанавливаемый на отходящую от насоса линию.

Установка подобной системы контроля дает следующие преимущества:

  • Снижение потребления электроэнергии, а, следовательно, ее стоимости за счет ухода от неэффективных методов регулирования и других устаревших устройств, например, двухскоростных двигателей.
  • Лучшее управление и точность результатов стабилизации давления или протока.
  • Уменьшение шумов и вибраций, т.к. инвертор позволяет обеспечить плавное изменение скорости вращения двигателя и предотвращает работу насосов и вентиляторов в резонансе с трубопроводной арматурой.
  • Увеличение срока эксплуатации и надежности оборудования. Для насосов работа в прерывистом режиме сильно сокращает срок службы.
  • Упрощение трубопроводной системы (удаление заслонок, клапанов-регуляторов и байпасных линий).
  • Мягкий старт/останов электродвигателей снижает негативный эффект от переходных процессов в электрической сети и механических частях насосов или вентиляторов. Это также значительно снижает уровень гидроударов в насосах, т.к. преобразователь частоты обеспечивает плавное, а не скачкообразное изменение производительности.
  • Уменьшенный объем сервисных работ.


Без преобразователя частоты С преобразователем частоты Экономия Экономия,  %
Среднаяя потребляемая мощность
(2 двигателя
на насос)
104 кВт на двигатель 40 кВт на двигатель 64 кВт на двигатель 62%
Стоимость электроэнергии на насос 3 420 руб.
на тонну протока
1 315 руб.
на тонну протока
2 105 руб.
на тонну протока
Выбросы CO2 459 т/год 175,5 т/год 283,5 т/год
Стоимость работы в год 1 737,2 тыс. руб. 664,4 тыс. руб. 1 072,8 тыс. руб.
Срок окупаемости 10 месяцев при использовании собственных средств
14 месяцев при использовании заемных средств


Рис. K18: Примеры экономии при применении преобразователей частоты с насосным оборудованием


Дополнительно, значительного сбережения электроэнергии можно достичь простой сменой передаточного числа в насосе или вентиляторе для того, чтобы электродвигатель работал в более подходящем режиме. Это решение не даст гибкости, как с системой изменения скорости вращения двигателя, но материальные затраты на него значительно ниже, и часто оно может быть реализовано за счет бюджета на сервисное обслуживание, что не требует одобрения руководства компании на капитальные вложения.