Анализ технических решений: устройства плавного пуска, частотно-регулируемый привод или параллельная схема управления центробежными насосами

Как достичь оптимального энергосбережения в гидравлических системах с центробежными насосами? Этот вопрос сегодня все чаще возникает у специалистов и руководителей предприятий. Так какие же приборы способны сократить период окупаемости и повысить энергоэффективность – устройства плавного пуска, частотно-регулируемые приводы или использование параллельной схемы управления насосами? Авторы статьи предлагают тщательно проведенный анализ различных технических решений, иллюстрированный примерами внедрения на производстве, схемами и таблицами.

Обеспечение энергоэффективности – одна из наиболее актуальных и в то же время сложных задач в настоящее время. Сокращение затрат на потребление электроэнергии – это один из методов повышения рентабельности производства и эффективной эксплуатации технологических линий. Общий анализ предприятий в самых различных областях применения показывает, что затраты, связанные с закупкой оборудования и простоем производства из-за обслуживания и ввода нового оборудования в эксплуатацию, могут быть частично компенсированы за счет экономии на потреблении электроэнергии.

Часто используемый механический способ управления подачей насоса, или метод дросселирования, является крайне неэффективным с точки зрения экономии электроэнергии. В связи с этим возникает вопрос: какое из двух технических решений является самым экономичным методом снижения потребления энергии – частотно-регулируемые приводы или циклическое управление (рис. 1)? По существу, характеристика гидравлической системы, в которой используется центробежный насос, является определяющим фактором при выборе одного или другого метода управления.

В сфере обработки сточных вод включение/выключение центробежных насосов, как правило, выполняется под контролем системы управления технологическим процессом. Остаточная вода (то есть вода, поступающая из жилых или коммерческих зданий) обычно собирается в отстойниках или резервуарах для сточных вод до момента ее перекачки с помощью насосов на муниципальные водоочистные станции [1]. С учетом некоторой периодичности, использование устройств плавного пуска значительно снижает риск засорения насосов отходами, содержащимися в воде.

Циклическое управление является интересной альтернативой частотно-регулируемому приводу, несмотря на утрату гибкости при регулировании расхода. Другими словами, устройство плавного пуска считается подходящей и конкурентоспособной технологией, защищающей асинхронный электродвигатель от электрических перегрузок, механических ударов и вибрации при пуске, а также от гидравлических ударов в трубопроводной системе, возникающих при останове насоса. Кроме того, электродвигатель эксплуатируется в оптимальной рабочей точке и выключается на остальное время.

В следующих разделах приводится анализ энергосбережения и окупаемости решений управления с частотным регулированием и циклического управления для двух центробежных насосов (90 кВт и 350 кВт).

Типовая насосная система

При разработке насосной системы основным условием является обеспечение требуемого расхода Qop [м3/ч]. В идеальной системе выбранный насос имеет характеристику Qbep [м3/ч], совпадающую с характеристикой Qop [м3/ч]. На практике обычно выбирается насос большего типоразмера (рис. 2). В результате чего насос работает со сниженным гидравлическим КПД в большей части диапазона производительности. Сказанное выше проиллюстрировано на рис. 3 для двух центробежных насосов Aurora с номинальной мощностью 90 кВт и 350 кВт.

Таблица 1. Сравнительная характеристика параметров двух насосов

Для анализа возможностей по экономии электроэнергии в этих насосах рассматривались три различные гидравлические системы: с преобладанием напора на преодоление трения, то есть отношение (?) статического напора Hst [м] к максимальной гидравлической высоте Hmax [м] составляет 5 %; с преобладанием статического напора (? составляет 50 %); с комбинированным напором (? составляет 25 %) (рис. 4).

Рабочие характеристики преобразователя частоты, устройства плавного пуска и электродвигателя

Преобразователи частоты имеют высокий КПД (ηconv), который естественным образом уменьшается, когда происходит снижение выходной мощности по отношению к номинальному значению. При работе УПП в установившемся режиме, то есть при активации байпаса, КПД устройств плавного пуска составляет практически 100 %. Следует отметить, что КПД устройств плавного пуска заметно снижается с увеличением количества пусков в час и сокращением интервалов рабочего времени, что обусловлено дополнительными потерями Джоуля при пуске и останове электро­двигателя, а также работой тиристоров (рис. 5).

Принятые недавно более строгие стандарты (классы IE) гарантируют повышенный КПД электродвигателя – при его работе под нагрузкой [3, 4] (рис. 6 и 7). На КПД электродвигателя (в строгой зависимости от класса) влияет использование либо преобразователя частоты, либо устройства плавного пуска: КПД снижается при питании от быстродействующего выходного инвертора ПЧ вследствие наличия гармонических искажений по току и напряжению, но не изменяется при питании от УПП после окончания переходного процесса разгона благодаря синусоидальной форме напряжения на выходе устройства.

Влияние изменения характеристик компонентов системы, класса энергоэффективности электродвигателя и гармонических потерь в реальной системе приведено в табл. 2.

Таблица 2. Влияние большего типоразмера системы, класса электродвигателя и потерь от гармоник
на потребление электроэнергии (Pn =90 кВт – частота коммутации 4 кГц)

Экономия электроэнергии

Энергосбережение, достигнутое при использовании частотного и циклического управления в насосных системах 90 кВт и 350 кВт, показано на рис. 8 и 9. В системах с преобладанием напора на преодоление трения (? = 5 %) частотное управление обеспечивает более высокую экономию энергии практически во всем рабочем диапазоне (от 7 до 98 %) для обеих насосных систем. В случае насоса 90 кВт и в системе с преобладанием статического напора (? = 50 %) циклическое управление является лучшим техническим решением по сравнению с использованием частотного преобразователя для всех рабочих точек. Преобразователь частоты обеспечивает чуть более высокую экономию энергии для насоса мощностью 350 кВт, но только в диапазоне от 75 до 92 % производительности насоса. При рассмотрении комбинированной гидравлической системы (? = 25 %), управление посредством частотно-регулируемого привода позволяет получить более высокую экономию электроэнергии только для насосов с производительностью выше 28 % (для системы 90 кВт) и 24 % (для системы 350 кВт). В действительности, самая высокая экономия энергии при использовании частотного управления наблюдается в диапазоне производительности насоса от 15 до 20 %.

В отличие от преобразователей частоты, в которых присутствуют потери на полупроводниковых компонентах при номинальном режиме работы, устройства плавного пуска, в этом случае, работают через байпасный контактор, таким образом тиристоры не задействованы (рис. 10). И следовательно, нет дополнительных тепловых потерь. Эксплуатационные и системные характеристики, при которых предпочтителен выбор того или иного способа управления для регулирования производительности насоса, приведены на рис. 11**.

Окупаемость инвестиций

Одним из важнейших факторов для заказчиков является расчет окупаемости инвестиций, в которые входят дополнительные расходы в связи с простоем оборудования во время монтажа и ввода в эксплуатацию устройства плавного пуска.

Стоимость преобразователя частоты в три раза выше стоимости устройства плавного пуска для насосов с номинальной мощностью до 25 кВт, а для насосов 350 кВт – в пять раз [6]. Общие начальные инвестиции при частотном регулировании или циклическом управлении рассчитываются как сумма стоимости частотного преобразователя или устройства плавного пуска и плюс процентная доля расходов, связанных с простоем оборудования, по отношению к расходам, затраченным на протяжении всего жизненного цикла работы технологической линии [7].

Для частотных преобразователей и устройств плавного пуска эта доля составляет 7,5 %.

Стоимость индивидуальных компонентов может различаться по нескольким причинам. Прежде всего, следует отметить, что низковольтные частотные преобразователи чаще применяются при продолжительном режиме включения электродвигателя, а не в режиме пуска/останова, и обеспечивают более точное управление. Однако биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), применяемые в частотных преобразователях, требуют поддержания определенного температурного режима и охлаждения, что делает их достаточно дорогостоящими элементами и соответственно повышает стоимость частотных преобразователей по сравнению с устройствами плавного пуска такой же номинальной мощности. В устройствах плавного пуска полупроводниковые силовые элементы – тиристоры – отрабатывают только режимы пуска и останова со средним временем каждого режима около 15 секунд. Стоит отметить, что недорогие и надежные тиристоры не требуют постоянного принудительного охлаждения.

Период окупаемости для преобразователей частоты и циклического управления расходом показан на рис. 12 и 13 для электродвигателей 90 кВт и 350 кВт для трех гидравлических систем: ? = 5 %, 25 % и 50 %.

Решения для параллельной схемы управления насосами

Во многих гидравлических системах оптимальную экономию электроэнергии с хорошей окупаемостью капиталовложений можно получить путем применения параллельной схемы управления насосами***, в которой используются как преобразователи частоты, так и устройства плавного пуска.

Таблица 3. Схема управления в системе с четырьмя параллельными насосами

В гидравлических системах с преобладанием напора на преодоление трения (? = 5 %) и с четырьмя параллельными насосами – каждый насос с номинальной мощностью 350 кВт (2500 м куб./ч) – оптимально использовать два преобразователя частоты и два устройства плавного пуска (рис. 14). В схеме, обеспечивающей наилучшее решение по окупаемости и гибкости управления, два насоса, 1 и 2, управляются устройствами плавного пуска, а насосы 3 и 4 – преобразователями частоты (см. табл. 3). Насосы с устройством плавного пуска работают с максимальной производительностью. Увеличив частоту вращения насосов, управляемых преобразователями частоты, до номинальной можно обеспечить максимальную производительность системы. В смешанной гидравлической системе (гидравлическая система со статическим напором/с преобладанием напора для преодоления трения) (? = 25 %), схема, позволяющая получить оптимальное решение с точки зрения окупаемости инвестиций и гибкости управления, представляет собой три насоса, первые два из которых управляются устройствами плавного пуска, а третий насос – преобразователем частоты (см. рис. 15 и табл. 5).

Таблица 4. Схема управления расходом в системе с тремя параллельными насосами (комбинированная гидравлическая система)

Для обеих систем начальные инвестиции по закупке устройств плавного пуска и преобразователей частоты трансформируются в экономическую прибыль менее чем за 1,5 года при условии, что регулируемый расход составляет менее 80 % от общей производительности (рис. 16).

Таблица 5. Параметры

Лучшее решение?

Анализ эффективности систем частотного и циклического регулирования расхода был проведен для двух центробежных насосов (90 кВт и 350 кВт) с двигателями до 1000 В. Полученные результаты свидетельствуют о том, что управление посредством частотного регулирования является наилучшим решением в гидравлических системах с преобладанием напора на преодоление потерь на трение (транспортировка жидкости без разности высот в случае использования циркуляционных насосов). В системах с преобладанием статического напора рекомендуется использовать циклическое управление. Следует избегать применения преобразователей частоты в системах с пологими характеристиками насоса и нагрузки из-за риска нестабильности и поломки [9].

Устройства плавного пуска являются наиболее перспективным техническим решением для установок водоочистки и водоотведения, в которых необходимо осуществлять включение/выключение насоса для откачки жидкости из коллекторов и последующее перемещение сточных вод на очистные сооружения. Устройства плавного пуска отличаются высокой надежностью и имеют встроенные функции для устранения гидроударов как при пуске, так и при останове системы. Однако максимального энергосбережения и минимального периода окупаемости для широкого ряда гидравлических систем можно достичь путем применения параллельных схем управлением насосами, в которых используется комбинация пре­образователей частоты и устройств плавного пуска. Опираясь на ноу-хау в области автоматизации и широкий ассортимент низковольтного оборудования для автоматизации, компания АББ предлагает и другие решения для эффективного использования энергии в самых различных областях применения.
______________________________________
* Устройства плавного пуска регулируют уровень напряжения, подаваемого на электродвигатель, за счет чего обеспечивается плавный запуск и останов привода.

** При переводе экономии энергии в процентах (в отношении фиксированной скорости и дросселирования) в показатель экономической эффективности предполагается, что насос работает 8760 часов в год (330 x 24) при цене 0,065 долл. США за 1 кВт-ч электричества [5].

*** Для оптимального регулирования расхода в параллельных схемах работает один насос до тех пор, пока не будет достигнута максимальная производительность, после чего гидравлическая нагрузка разделяется на два одновременно работающих насоса [8]. При достижении второй контрольной точки активируются три насоса и т.д.

Источник: https://chastotnik.pro/articles/3736/

🔗 Анализ технических решений: устройства плавного пуска, частотно-регулируемый привод или параллельная схема управления центробежными насосами