Вопросы энергосбережения, улучшения показателей качества технологических процессов в последние годы весьма актуальны и требуют грамотных научно-технических решений. Наибольшее количество вырабатываемой электроэнергии (60%) потребляется электроприводами, приводящими в движение различные механизмы, участвующие в различных технологических процессах.
Турбомеханизмы - центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода, так как их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего. Около 25% всей вырабатываемой электроэнергии расходуется на электропривод турбомеханизмов. Большая часть электроприводов указанных механизмов является нерегулируемыми.
Традиционные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровня в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение технологических задач и практически не учитывают энергетических аспектов транспорта воды или газа. Гидравлическое и электротехническое оборудование насосных станций обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.) системы водоснабжения и водоотведения. Однако в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию насосные установки выходят на проектные режимы в течение нескольких лет. Поэтому существующие станции нередко работают в режимах, отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются вне рабочих зон их характеристик. Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспорта воды или газа с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки без непроизводительных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек насосной установки становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики насосов как в случае регулирования подачи насосных агрегатов с постоянной частотой вращения.
Со времени энергетического кризиса, вызвавшего повышение в 70-80-е годы цен на энергоресурсы, исследовались возможности энергосбережения, в том числе у рабочих машин с квадратически изменяющимся моментом вращения по отношению к частоте вращения. С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода по сравнению с дросселированием достигается значительный потенциал сбережения энергии.
Режим работы механизмов центробежного типа определяется тремя величинами: производительностью – Q, давлением – H, и угловой скоростью –ω. Эти величины определяют также момент сопротивления и мощность- Р на валу механизма.
Основы теории механизмов центробежного типа были разработаны Л. Эйлером. Были получены так называемые законы пропорциональности:
Q1 / Q2 = ω1 / ω2;
Н1 / Н2 = (ω1 / ω2)2
Н1 / Н2 = (Q1 / Q2)2
Р1 / Р2 = (ω1 / ω2)3
Из формул видно, что незначительное уменьшение или увеличение скорости сильно влияет на потребляемую мощность, поскольку мощность пропорциональна кубу скорости.
Эксплуатационные свойства механизмов центробежного типа определяются Q – H – характеристикой и зависимостью КПДот производительности при ω = const. Теоретический расчет указанных характеристик представляет значительную трудность, поэтому на практике пользуются экспериментальными зависимостями H =f (Q) и ή = f (Q), которые приводятся в каталогах турбо-механизмов. Чтобы получить Q – H – характеристики для скорости отличной от номинальной, при расчете новой характеристики для заданной частоты, вращения пользуются законами пропорциональности. На рисунке 7.1 приведен пример Q - H – характеристики и характеристики магистрали при регулировании скорости вращения механизма.
Установившийся режим работы турбо-механизма при постоянной скорости определяется графическим способом - точкой пересечения Q – H – характеристики и характеристики магистрали подключенной к насосу:
Н хар. механизма для заданной скорости
 |
хар.магистрали
 |
n1 = const
n2 = const
n3= const
Q
Q3 Q2 Q1
Рисунок 7.1
Из рисунка видно, что при уменьшении скорости вращения рабочая точка механизма перемещается вниз по характеристике магистрали, производительность снижается, давление падает.
В настоящее время это широко используется в насосах, вентиляторах и турбокомпрессорах с асинхронными двигателями, которые питаются от статических преобразователей частоты. В мировой практике для этой цели начинает широко использоваться частотно-управляемый асинхронный электропривод со стандартными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями общего применения. Это обусловлено появлением на рынке большого количества совершенных и относительно недорогих преобразователей частоты, построенных на современной элементной базе.
Однако большинство турбо-механизмов механизмов все еще используют наиболее простой способ регулирования производительности (дросселирование). Этот механический способ основан на изменении результирующего сопротивления магистрали. При постоянной скорости вращения рабочая точка механизма перемещается по Q – H – характеристике в сторону снижения подачи до точки пересечения А с новой характеристикой магистрали (рисунок 7.2). При этом часть напора ΔHр теряется на регулирующем устройстве. В магистрали устанавливается давление Нмаг точка (А).
Н
Нр (давление турбо-механизма)
ΔНр Нн
Нмаг А
Нст
Q
Qp Qном
Рисунок 7.2
Эффект внедрения регулируемого электропривода для турбо-механизмов можно легко представить из сопоставления потребляемой мощности при различных способах регулирования производительности
Регулируемый электропривод позволяет экономить не только электрическую энергию, но и тепловую, снижать электрическую нагрузку в часы максимума, а также экономить воду. Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет около 60% всей вырабатываемой электроэнергии. Среди промышленных электроприводов преобладают асинхронные короткозамкнутые электроприводы.
По прогнозам к 2012 году на Европейском рынке из общего числа продаваемых регулируемых приводов, электроприводы переменного тока составят 70%, а электроприводы постоянного тока составят только 15%, остальная доля приходится на механические и гидравлические привода.
Таким образом, применение регулируемого электропривода турбо-механизмов позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счёт утечек её при превышениях давления в магистрали, когда расход мал.
Дополнительно новая технология энергосбережения в вентиляторных установках с большой суммарной мощностью позволяет регулировать мощность в часы максимума нагрузки и тем самым сократить затраты на электроэнергию при двухставочном тарифе.
При частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийных ситуаций за счёт предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе. Проведённые исследования по применению регулируемого электропривода турбо- механизмов позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации:
1. Единственным способом регулирования асинхронных короткозамкнутых двигателей является частотный способ, способный в наибольшей степени осуществлять экономически целесообразные режимы работы во всём диапазоне регулирования производительности турбо- механизмов.
2. Модернизация действующих нерегулируемых электроприводов с целью энергосбережения позволяет получать максимально возможный экономический эффект за счёт минимальных капитальных затрат.