Технико-экономические расчеты. 
Разработка электропривода центробежного насоса

Технико-экономическое сравнение вариантов проектных решений

В дипломном проекте разработана система автоматизации насосной установки станции подкачки воды жилищного комплекса на основе электропривода с частотным преобразователем и асинхронным электродвигателем.

В настоящее время распределение всей произведенной в индустриально развитых странах электроэнергии осуществляется примерно в следующей пропорции:

• — 69% - электропривод
• — 6% - освещение
• — 25% - прочее.

В свою очередь, из доли электроэнергии, направленной на работу электроприводов, на долю насосов и вентиляторов приходится около 60%. Таким образом, более 40% (а, по некоторым оценкам, и более 50%) всей вырабатываемой в мире электроэнергии направляется на нужды электроприводов.

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. 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 в трубопроводе или в диктующей точке сети, уровня в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение поставленных технологических задач (поддержание заданного давления) и практически не учитывают энергетических аспектов транспортировки воды.

Вместе с тем, 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 многих лет, либо не выходят вообще. Поэтому существующие станции, как правило, работают в режимах, существенно 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 далеко от рабочих зон их характеристик (как правило, в меньшую сторону).

Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспортировки воды 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.

С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода энергии по сравнению с дросселированием достигается значительный потенциал сбережения энергии.

Проведённые целым рядом различных организаций исследования по применению регулируемого электропривода турбо-механизмов, а также имеющиеся в нашем распоряжении документы, использованные при написании настоящей работы, позволяют сформулировать следующие основные выводы:

• 1. Наиболее эффективным способом регулирования асинхронных короткозамкнутых двигателей является частотный способ, позволяющий 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.
• 3. Частотное управление является основным способом достижения максимальной производительности асинхронного электропривода в статических режимах.
• 4. Технологические особенности электроприводов турбо-механизмов позволяют считать их как объектно-ориентированные электроприводы, работающие в основном в статических режимах.

Весомым аргументом в выборе частотно-регулируемого привода (ЧРП) стали преимущества асинхронного двигателя: высокая надежность, простота в эксплуатации, высокая степень защиты от внешнего среды, сравнительно низкая стоимость и малые эксплуатационные затраты.

При применении частотных преобразователей можно выделить прямые и косвенные источники экономии.

К прямому источнику экономии относится:

— экономия электроэнергии за счет работы электропривода в зависимости от реального водопотребления и снижения по этой причине потребляемой электроэнергии в случае снижения реального водопотребления в системе конечными потребителями;

К косвенным источникам экономии относятся следующие:

• — снижение расхода воды в водоснабжающей системе за счет снижения потерь, связанных с избыточным давлением (увеличение давления в трубопроводе на 1 атмосферу обеспечивает увеличение утечек на 2−7%);
• — снижение расходов, направленных на профилактический и капитальный ремонт сооружений и оборудования (как электроприводов и насосов, так и трубопроводов)

Наряду с изложенными составляющими энергосбережения, которые в конечном чете 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);
• — возможность комплексной автоматизации систем водоснабжения.

По данным специалистов института EPRI (США) эффективность ресурсосбережения при использовании ЧРП соизмерима с экономическим эффектом от энергосбережения. В отечественной практике рекомендуется использовать коэффициент увеличения экономического эффекта К=1,3.

Для насосной установки был выбран преобразователь 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON. В приводе насосной установки применяется асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором 5АМ280S4 У3.

В данном случае преобразователь частоты подключается непосредственно к одному электроприводу и руководит его работой в зависимости от заданных параметров и получаемой от датчика информации.

В таком случае эффект от работы электропривода определяется лишь понижением расхода электроэнергии, а также всеми косвенными источниками экономии, в разрезе одного управляемого электропривода по сравнению с его работой без частотного управления.

Подключение частотного преобразователя к одному электроприводу целесообразно на тех объектах, где электропривод имеется в единственном экземпляре и его работа не имеет комплексной взаимосвязи с иными преобразователями.

При таком варианте использования преобразователя частоты получается максимальная удельная стоимость преобразователя на 1 кВт мощности двигателя, поскольку при необходимости переоснащения каждого нового электропривода преобразователем, стоимость нового преобразователя будет учитываться в полном объеме.

Учитывая тенденцию снижения стоимости электронных преобразователей частоты и повышения стоимости активных материалов, из которых изготовляются электродвигатели, данные системы интенсивно будут развиваться.

Показателем наилучшего варианта, который определяется на основе сравнительной экономической эффективности, есть минимум приведенных затрат. Приведенные затраты по каждому варианту представляют из себя сумму ежегодных затрат производства и капитальных вложений, приведенных к одинаковой размерности в соответствии с нормативом эффективности по каждому варианту.

Приведенные затраты определяются по следующей формуле:

,

где З_і — приведенные затраты по варианту технического решения, которое рассматривается, грн./год; - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, 1/год; - капитальные затраты по каждому варианту, грн.; - ежегодные эксплуатационные затраты спустя же варианте, грн./год.

В составе стоимости затрат и должны быть учтены затраты лишь за отличными элементами.