Энергетические обследования.
Способ снизить потребление энергии

Рис. 1. Двигатели промышленного назначения от АББ

Внедрение энергоэффективного оборудования на промышленных предприятиях повышает эффективность и конкурентоспособность российского производства, а также снижает негативное воздействие на окружающую среду. Высокотехнологичные разработки АББ, такие как двигатели с высоким классом энергоэффективности, устройства плавного пуска и преобразователи частоты, сокращают потребление энергии и повышают срок службы оборудования (рис. 1). Около 70% всей электрической мощности в промышленности используется миллионами электрических двигателей, 75% из которых управляют центробежными механизмами. Для компании АББ это означает огромный потенциал по снижению энергопотребления при замене оборудования на энергоэффективное и оптимизации способа управления электродвигателями.

Выбросы углекислого газа — важный показатель, на который в РФ на данный момент мало кто обращает внимание. Однако следует отметить, что именно этот показатель определяет экологичное производство, или, другими словами, его влияние на окружающую среду. Чем ниже выбросы CO₂, тем меньше углеводородов потребуется для производства электроэнергии.

Снижение выбросов СО₂ и более эффективное использование энергии

На данный момент 63% энергии генерируется тепловыми и газовыми электростанциями. Это означает постоянное сжигание угля или газа. В результате такого процесса в атмосферу выбрасывается значительное количество углекислого газа и метана. Первый шаг от «угольной» и «газовой» энергии к увеличению доли «зеленой» энергии — начать использовать и производить энергию более эффективно.

Потенциал экономии электроэнергии существенен в таких отраслях, как водоснабжение и водоотведение, теплоэнергетика, в различных областях пищевой промышленности, на нефтеперерабатывающих заводах и при добыче нефти. Повсюду огромную роль играют центробежные механизмы — насосы, вентиляторы, компрессоры, воздуходувки. Принцип работы таких механизмов позволяет получить существенную экономию энергии при изменении скорости двигателя в некотором диапазоне. Наибольшего эффекта можно добиться при оптимизации работы мощных центробежных механизмов, функционирующих в течение большей части года. Применение частотного регулирования позволяет сократить потребление энергии на 30–50%. Для центробежных механизмов применимы так называемые законы подобия. В соответствии с данными законами, между скоростью и потребляемой мощностью существует кубическая зависимость, то есть при снижении номинальной скорости на 50% энергии требуется только 12,5%.

Оценить эффект от применения частотного регулирования можно на примере одного двигателя мощностью 55 кВт. При номинальной мощности 55 кВт и непрерывной работе на протяжении одного года двигатель потребляет 403 200 кВт·ч. Частотное регулирование позволяет снизить этот показатель в среднем на 40%, что составляет 161 280 кВт·ч. Таким образом, при средней стоимости электроэнергии 3 руб/кВт·ч расходы на электроэнергию в год сократятся на 483 840 рублей, а выбросы СО₂ снизятся на 80 640 кг.

Кроме того, следует не забывать о таком понятии, как жизненный цикл изделия, и именно по стоимости этого цикла оценивать целесообразность приобретения оборудования. Около 90% стоимости жизненного цикла двигателя составляют затраты на электроэнергию и только 10% — его приобретение, установка и обслуживание. Другими словами, если предприятие задумывается о замене двигателя, который будет работать непрерывно в течение 20–25 лет как минимум, следует предварительно оценить выгоду в экономии электроэнергии от двигателя с высоким классом энергоэффективности, или высоким КПД, по сравнению с более дешевым, но менее энергоэффективным двигателем.

Промышленные предприятия могут самостоятельно оценить потенциал энергосбережения, воспользовавшись программами компании АББ — Motor Optimizer и «Калькулятором экономии энергии».

Снижение потребления энергии и оптимизация системы управления двигателем

Энергетическое обследование является бесплатной услугой и позволяет оценить потенциал экономии энергии на предприятии при замене устаревших двигателей и модернизации системы управления.

Цели энергетического обследования:

• возможность минимизации энерго­потребления предприятия;
• выявление оборудования, нуждающегося в модернизации;
• оптимизация способов управления механизмами с электрическими двигателями;
• оптимизация работы установленных частотных преобразователей.

Основные объекты энергетического обследования:

• насосные системы, системы промышленной вентиляции и охлаждения, тягодутьевые механизмы, системы сжатого воздуха и воздуходувные установки, системы ОВиК;
• электрические двигатели, работающие с мощностью менее 50% от номинальной и/или имеющие более 20% времени эксплуатации в год.

После проведенного обследования предоставляется отчет с рекомендациями по необходимой замене оборудования, сроками окупаемости, требуемыми начальными инвестициями и потенциалом энергосбережения при оптимизации системы управления как каждого технологического процесса, так и всего предприятия. Важным показателем при расчете срока окупаемости оборудования является такой показатель, как чистая приведенная стоимость. Чистая приведенная стоимость рассчитывается за период более 10 лет с учетом ежегодного уровня инфляции. В расчетах компании АББ принимается, что счета за электроэнергию оплачиваются в конце каждого года.

Следует отметить, что энергетические обследования проводятся при непосредственном участии инженерных и энергетических служб предприятия.

Для примера рассмотрим замену двухскоростного двигателя на вентиляторе в цехе производства аммиака нефтехимического предприятия России.

Тип установленного электродвигателя — двухскоростной двигатель 5АМ250 М8/4 У3:

• мощность — 37/55 кВт;
• напряжение двигателя — 0,4 кВ;
• ток статора электродвигателя — 82,1/102 А;
• частота вращения двигателя — 1500 об/мин;
• КПД — 91%.

Режим работы установки:

• число часов работы в году — 8 760 ч;
• типовой цикл работы — ПИД-регулирование.

Компанией АББ предлагается замена двухскоростного управления на частотное,  при этом обмотки двигателя для регулирования скорости не используются.

Необходимо обратить внимание, что при расчете потенциала экономии энергии компания АББ использует эмпирические поправочные коэффициенты, полученные при тестировании различных режимов работы воздуходувного механизма. Эти коэффициенты являются интеллектуальной собственностью АББ и с целью сохранения авторских прав в расчете ниже приведены частично.

Номинальный расход вентилятора рассчитывается на основе коэффициента сжимаемости и мощности двигателя. Плотность газа зависит от температуры в помещении и влияет на требуемую мощность двигателя.

Коэффициент сжимаемости:

k_p = 1 — (0,0035 × p_tF × n_k/pta) = 1 — (0,0035 × 1500 × 90/101300) = 0,995~1,

где абсолютное статическое давление во всасывающей секции pta = 101 300 Па при 0 °C.

Мощность двигателя:

P_f = k_p × D/1,2 × Q_Vn × p_tF × 10/(n_k × n_t) = 1 × 1,2/1,2 × 83,33 × 1500 × 10/(90 × 95) = 146,19 кВт.

Таким образом, получаем номинальный расход вентилятора:

Q_Vn = P_f / (k_p × D/1,2 × p_tF × 10/(n_k × n_t)) = 40/(1500 × 10/(90 × 95)) = 22,8 м³/с.

Следующий шаг — расчет мощности при заданном типовом цикле работе, в данном случае замене двухскоростного управления на ПИД-регулирование. Оборудование функционирует непрерывно на протяжении всего года. При ПИД-регулировании требуется учитывать изменение мощности при снижении загрузки ниже 100%.

Мощность при использовании частотного регулирования, номинальный расход 100%:

P_VSD = k_p × D/1,2 × Q_Vn × p_tF × 100 000/(n_k × n_t × n_m × n_d) = 1 × 1,2/1,2 × 22,8 × 1500 × 100 000 / (90 × 95 × 91 × 97) = 45 кВт.

Мощность при использовании двухскоростного двигателя, номинальный расход 100%:

P_NOVSD = k_p × D/1,2 × Q_Vn × p_tF × 1000/(n_k × n_t × n_m) = 1 × 1,2 / 1,2 × 22,8 × 1500 × 1000/ (90×95×93) = 44 кВт.

Мощность при использовании двухскоростного двигателя, 50% от номинального расхода, пониженная скорость:

P_NOVSD50% = 1 × 0,8 × 37 = 29,6 кВт.

Рассчитаем энергию, потребляемую центробежным механизмом за год.

При частотном регулировании:

E_VSD = P_VSD20-90% × time [%]/100 × T_k = 8 193 кВт·ч.

При двухскоростном двигателе:

E_NOVSD = P_NOVSD50-100% × time[%]/100 × T_k = 132 552 кВт·ч.

Экономия энергии:

DE = E_NOVSD — E_VSD = 132 552 — 8 193 = 124 359 кВт·ч.

Теперь рассчитаем экономию энергии и срок окупаемости оборудования.

Стоимость электроэнергии за год при использовании частотного регулирования:

EC_VSD = E_VSD × EP = 8193 × 3 = 24 579 руб.,

где EP — стоимость электроэнергии (руб.).

Стоимость электроэнергии за год при использовании управления двухскоростным двигателем:

EC_NOVSD = E_NOVSD × EP = 132552 × 3 = 397 655 руб.,

Экономия на стоимости электроэнергии:

DEC = EC_NOVSD — EC_VSD = 397 655 — 24 579 = 373 076 руб. (табл. 1).

Рис. 2. Расчетная нагрузочная диаграмма

Инвестиции на установку частотного преобразователя составят 195 000 руб., таким образом срок окупаемости:

Payback time = 195 000/DEC = 6 месяцев.

Замена двигателя в данном случае нецелесообразна с точки зрения снижения потребления электроэнергии, поскольку КПД установленного электродвигателя составляет 91%.

Кроме того, предполагается изменение рабочей скорости двигателя в некотором диапазоне при неполной нагрузке на валу. Следовательно, реальный КПД двигателя будет значительно ниже.

Расчетная нагрузочная диаграмма приведена на рис. 2, описание технологического процесса и экономические данные — в таблицах 2 и 3.

Предлагаемый вариант оптимизации: частотный преобразователь промышленной серии ACS880-01-105A-3+E200+P940 мощностью 55 кВт и степенью защиты IP20 взамен старого способа управления (рис. 3).

Рис. 3. Промышленный частотный привод переменного тока

Преобразователь частоты ACS880 со степенью защиты IP20 для установки в шкафу. Для защиты преобразователя в шкафу необходимо предусмотреть установку быстродействующих предохранителей типа aR или автоматов с расцепителем.

Для соответствия стандартам по ЭМС в частотном преобразователе установлен электромагнитный фильтр класса С3.

При использовании частотного управления следует оценивать именно суммарный КПД системы «частотный преобразователь — двигатель». Частотный преобразователь — это само по себе двойное преобразование электроэнергии, поэтому КПД системы будет ниже, чем КПД асинхронного двигателя при прямом подключении к сети. С другой стороны, такой показатель, как коэффициент мощности системы, характеризующий потребление реактивной мощности и нелинейности сети, становится равным коэффициенту мощности частотного преобразователя. Соотношение изменения КПД системы и коэффициента мощности следует принимать во внимание при оценке эффекта энергосбережения и прогнозировании окупаемости оборудования.