I Введение

Настоящая временная 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 19.12.1995 г.

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 на 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 и удешевлением технологической схемы - отказ от применения обратных клапанов в насосах, исключение заслонок, задвижек, уменьшение числа насосов и вентиляторов и др.

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.

II 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 - основные потребители 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 на­сосов дросселирование нагрузки, снижение единичной мощности агрегатов и увеличение их количества и т.д. Наиболее эффективным способом является регулирование скорости вращения.

На рис.1 заштрихована экономия мощности при использовании ЧРП взамен дросселирования. 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 улучшения технологических процессов выработки электроэнергии, например, сжигания топлива. Поэтому для механизмов собственных нужд ТЭС непосредственно участвующих в процессе производства электроэнергии (прежде всего дымососы и дутьевые вентиляторы, питательные насосы и т.п.), должны учитываться совокупно как фактор увеличения мощности энергоблока, так и фактор энepгo- и ресурсосбережения.

В состав ЧРП входят стандартный или специальный асинхронный или синхронный электродвигатель, транзисторный или тиристорный преобразователь частоты, согласующий трансформатор либо реактор, пускорегулирующая и коммутационная аппаратура. Иногда для решения проблемы электромагнитной совместимости с сетью в состав комплексной поставки ЧРП могут входить фильтро-компенсирующие устройства.

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.

Если при некоторой характеристике магистрали (рис.2) нерегулируемый насос с характеристикой 1 создает напор Н₁, которому соответствует мощность, пропорциональная H₁Q₁, а для комфортного водоснабжения достаточно напора Н₂ при мощности H₂Q₂, то переход за счет ЧРП на характеристику насоса 2 позволит сэкономить мощность H₁Q₁ - H₂Q₂ (заштрихована на рис. 2).

Экономия воды в системах водоснабжения связана с устранением при регулируемом электроприводе ненужных избытков давления (напора). 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 помещений;

- возможность комплексной автоматизации систем водо- и воздухоснабжения. В настоящей инструкции эти факторы учитываются приближенно, введением коэффициента k > 1.

По данным специалистов института EPR1 (США) эффективность ресурсосбережения при использовании ЧРП соизмерима с экономическим эффектом от энергосбережения.

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

III. Определение экономического эффекта при установке ЧРП на ТЭС или в промышленности

Целесообразность применения ЧРП взамен дросселирования оценивается по заданным диаграммам требуемого расхода при расчетном цикле работы механизмов следующим образом:

1. Регистрируют номинальные данные вентилятора (насоса) Q_ном, м³/час, Н_ном, м в.cт., h_{вент.ном} и двигателя Р_дв.ном.,кВт, n_ном, об/мин, h_дв.ном;

2. На действующей установке измеряют или устанавливают расчетным путем мощность Р, кВт, потребляемую двигателем, и производительность Q, м³/час, при полностью открытой задвижке или заслонке (Р_макс и Q_макс) и в ряде промежу­точных точек и строят зависимость Р, кВт от относительного расхода - график 1 на рис. 3.

При расчете экономии от внедрения ЧРП на механизмах, непосредственно участвующих в процессе производства электроэнергии - дымососы и дутьевые вентиляторы, питательные насосы и т.п., график P(Q^*) перестраивается в аналогичную зависимость от относительной мощности энергоблока, с которой производительность переоборудованного механизма находится в пропорциональной зависимости: - нижняя шкала на рис. 3.;

3. Определяют требуемую мощность преобразователя частоты Р_пч, кВт:

P_пч = (1,1-1,2)P_макс;

4. Строят зависимость потребляемой мощности Р, кВт, от относительного расхода Q^* или относительной мощности блока N^* , при частотном регулировании скорости по форму­ле P = P_макс(Q^*)³ и получают кривую 2 на рис. 3. Разница DР между кривыми 1 и 2 - экономия мощности при частотном регулировании скорости;

5. По величине с помощью кривой 2 оценивают допустимый расход Q^*_доп при номинальном режиме двигателя и проверяют условие

1 < Q^*_доп:

слишком большой запас по расходу свидетельствует о неудачном выборе оборудования;

Перестраивают с помощью рис. 3 диаграмму расхода Q^*(t) или N^*(t) в диаграмму сэкономленной мощности DP(t) (рис. 5), определяя DР, на каждом интервале по соответствующему значению Q^* или N^* из рис. 4.;

8. Определяют энергию, сэкономленную за цикл (год) DЭ_ц:

где m - число участков цикла с разными DP_i;

9. Определяют при заданном тарифе Ц_эл.эн. (руб/кВт×ч или USD/ кВт×ч) стоимость сэкономленной электроэнергии за год (руб/год или USD/год):

С_эл.эн. = DЭ_ц× Ц_эл.эн.;

10. Определяют срок окупаемости новой техники.

Для насосов и вентиляторов, непосредственно участвующих в процессе производства электроэнергии на ТЭС

10.1. Определяют возможное увеличение номинальной мощности энергоблока

DN = (0,01 ¸ 0,02)K × N_ном,

где  - коэффициент, равный отношению мощности электроприводов, оснащенных ЧРП к общей мощности электроприводов энергоблока (или ТЭС);

10.2. Определяют стоимость нового строительства электростанции (энергоблока) мощ­ностью DN:

Ц_эл.ст. = DN × С_N,

где С_N - стоимость одного кВт вновь сооружаемой ТЭС или энергоблока, руб/кВт или USD/кВт, для средней полосы С_N = 1250 USD/кВт;

10.3. Сравнивают затраты на приобретение оборудования ЧРП (Ц_пч) со значением Ц_эл.ст., определяют величину DЦ = Ц_пч - Ц_эл.ст.;

10.4. Определяют срок окупаемости ЧРП по соотношению

Если значение DЦ £ 0, то это означает, что затраты на новое строительство превышают затраты на установку ЧPП, т.е. установка ЧРП безусловно выгодна.

Для прочих насосов и вентиляторов

10.5. Определяют срок окупаемости выбранного оборудования Т_ок, год

,

где Ц_пч - стоимость выбранного оборудования, руб или USD;

Ц_эл.эн. - тариф (цена) 1 кВт×ч электроэнергии, руб или USD;

k > 1 - коэффициент, учитывающий эффект дополнительного ресурсосбережения, для сетевых и подпиточных насосов ТЭС значение коэффициента k может быть принято равным k = 1,25 - 1,35.

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

Особенность режимов работы насосов холодного и горячего водоснабжения на ЦТП состоит 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/ч; Н_ном, м в.ст.; h_{нас.ном} и двигателя мощность Р_дв.ном, кВт; ток I_ном, А; частота вращения n_ном, об/мин; КПД h_дв.ном; коэффициент мощности cosj_ном;

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

3. В тех же условиях измеряют ток двигателя I, А - с помощью измерительных клещей или по амперметру, если он установлен; делается несколько измерений, результаты усредня­ются.

Проверяют соотношение

I £ I_ном;

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

;

5. Рассчитывают минимально необходимый общий напор по формуле

H_необх. = С × N – D, м в. ст.,

где N - число этажей (включая подвал - для индивидуальных тепловых пунктов), для группы домов - число этажей самого высокого дома;

С = 3 - для стандартных домов;

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:

H_треб. = H_необх. - H_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 h_нас определяют как

h_нас = К ×h_{нас.ном},

где К - определяется по кривой на рис. 6 для расхода Q_ср измеренного в п.4 и отнесенного к Q_ном из п.1.

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

,

где DЭ_год - электроэнергия, сэкономленная за год, кВт×ч;

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 DВ_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.

DQ = С×Dt ×DВ_{год.гор} ×10⁶,

где : С = 1,0 - коэффициент теплоемкости воды, кал/г ×°С;

Dt - расчетный перепад температуры перегрева горячей воды, °С;

DВ_{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 экономим тепла, руб/год.

Ц_DQ = DQ× Ц_Гкал,

где: Ц_Гкал - цена 1 Гкал тепла, руб или USD.

11. Оценивают ориентировочно срок окупаемости дополнительного оборудования Ток, год

где Ц_пч - стоимость дополнительного оборудования ЧРП, включая установку.

V Приложение

ПРИМЕР 1

Расчет экономической эффективности от применения ЧРП на питательном насосе (ПЭН) энергоблока 210 МВт ГРЭС-5 АО Мосэнерго. Номинальная мощность двигателя насоса 5000 кВт.

Значения N, t, P, Q, DP и DЭ приведены в таблице:

________________________________________

^1* Получено из оперативного журнала электростанции.

^2* Расход пара и тепла на турбину определяется в функции мощности энергоблока

Установленная мощность преобразователя частоты:

Р_пч = 1,1 × 5000 кВт = 5500 кВт.

Стоимость преобразовательного оборудования при С_р = 300 USD/кВт:

Ц_пч = 300 × 5500 = 1,65 млн. USD.

Годовое снижение расхода (экономия) электроэнергии на собственные нужды.

DЭ_год = 944 + 4536 = 5.48 млн. кВт×ч /год.

Стоимость сэкономленной электроэнергии в год

DС_эл.эн. = 219000 USD при тарифе = 0,04 USD/кВт×ч,

DС_эл.эн. = 329000 USD при тарифе = 0,06 USD/кВт×ч.

Увеличение номинальной мощности энергоблока

DN = 0,01 × 5000/11600 × 210000 » 900 кВт.

Принято минимальное увеличение мощности энергоблока, общая установленная мощность электроприводов насосов и тягодутьевых механизмов составляет 11600 кВт.

Стоимость нового строительства

Ц_эл.ст. = 900 × 1250 = 1,125 млн. USD.

Период окупаемости

при тарифе 0,04 USD/кВт×ч значение Т_ок = 2,4 года

при тарифе 0,06 USD/кВт×ч значение Т_ок = 1,6 года