Вентиляторные установки

Суммарная установленная мощность приводных двигателей вентиляторов, компрессоров, насосов составляет около 20% от мощности всех электростанций СНГ; при этом только вентиляторы потребляют около 10% от всей энергии, вырабатываемой в содружестве.

Установки c вентиляторным характером нагрузки подразделяются на лопастные и объемные в зависимости от их конструкции. Особенностью лопастных машин является наличие вращающегося колеса с лопастями. Лопастные установки подразделяются на центробежные, осевые и вихревые.

В качестве привода турбомеханизмов небольшой мощности используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, при средней - большой мощности – синхронные.

Особенностью объемных машин является изменение объема рабочей полости. К таким установкам относятся поршневые и роторные.

Наиболее широкое распространение получили центробежные вентиляторы с подачей до 6000м³/мин и осевые вентиляторы с подачей 50 - 100м³/мин.

Большинство мощных вентиляторных установок (горные предприятия) имеют КПД значительно ниже нормы (0,6, а в некоторых 0,3…0,4). Фактически удельный расход мощности в 1,5…2 раза превышает допустимую величину, а общая стоимость перерасхода электроэнергии приводами главных вентиляторов составляет четвертую часть расхода электроэнергии всеми установками за год.

Вентиляторы эксплуатируется вне зоны экономичной работы, т.е. режим работы установок не соответствует параметрам вентиляционных сетей (несоответствие фактических значений эквивалентных отверстий их проектным значениям; наличие больших подсосов воздуха; оборудование вентиляторов нерегулируемым приводом и т.д.).

Причиной низких энергетических показателей вентиляторов являются:

· переменное аэродинамическое сопротивление сети . Вентилятор выбирается на максимальные значения производительности и давления, которые достигаются только через несколько лет работы;

· отличие реальных величин параметров вентиляции (протяженность и сечение выработок, утечки воздуха и др.) от расчетных приводит к тому, что фактический режим работы вентилятора значительно отличается от расчетного;

· изменение величины естественной тяги по времени года, а иногда и в течение суток в зависимости от температуры воздуха.

Пути повышения эффективности работы в вентиляторных установках: согласование режима работы вентилятора с характеристикой вентиляционной сети, повышение КПД вентиляционной сети, повышение эксплуатационного КПД вентиляторных установок; регулирование производительности вентиляторных установок.

Рабочая точка вентилятора определяется как рабочая точка пересечения напорной характеристики вентилятора с характеристикой вентиляционной сети. Она должна лежать на устойчивой части характеристики вентилятора и быть по возможности ближе к точке, соответствующей максимальному КПД вентилятора. Если имеет место неэффективная работа вентилятора, то рабочую точку можно переместить в зону экономической работы как с помощью изменения рабочих параметров вентилятора, так и изменением характеристики вентиляционной сети.

Повышение КПД вентиляционной сети обеспечивается за счёт снижения подсосов (утечек) воздуха через каналы вентилятора и снижением сопротивления (депрессии) вентиляционной сети.

Мощность, потребляемая из сети двигателем вентиляторной установки

, кВт.

Так, если подается Q = 200м³/с воздуха при η_в=0,65, η_д=0,85 и за счет реконструкции вентиляционной сети снизить депрессию на 400Па, то получим годовую экономию (за Т_в=8760ч работы вентилятора)

ΔW=400∙200∙8760∙ /(0,65∙0,85)≈1270,

тыс.кВт×ч/год.

Повышение эксплуатационного КПД вентиляторных установок достигается:

· устранением работы осевого вентилятора с перевернутым колесом;

· обеспечением нормативных зазоров рабочего колеса;

· наличием обтекателя перед входом рабочего колеса осевого вентилятора;

· обеспечением нормативных параметров диффузора на выходе осевого вентилятора;

· точной установкой лопаток направляющего аппарата.

Регулирование производительности турбомеханизмов может осуществляться :

· аэродинамическим путем, заключающимся в воздействии на характеристики проточной части (дросселированием или установкой угла атаки лопастей направляющего аппарата). Способ связан с существенным снижением КПД;

· включением и отключением нескольких агрегатов в случае, если работает группа электроприводов;

· изменением скорости вращения с помощью регулируемого электропривода. Это обеспечивает практически неизменный высокий КПД при существенном увеличении капитальных затрат.

Аэродинамическое регулирование осуществляется следующими методами: дросселированием; поворотом лопаток направляющего аппарата; поворотом лопаток рабочего колеса (для осевых вентиляторов) или поворотом закрылок (для центробежных вентиляторов).

Первый способ редко применяется из-за низкой экономичности. Наиболее распространено регулирование направляющим аппаратом. Но у такого метода малая глубина экономичного регулирования. Также появляются пульсации потока и чрезмерные вибрации. Более экономичным способом является третий, но из-за сложности и ненадежности конструкции применяется мало.

Второй вариант регулирования имеет ограничения - по числу пусков нерегулируемых электроприводов из-за опасности выхода из строя электрических машин, с одной стороны, и по числу пусков для технологического механизма ввиду экстремальных технологических нагрузок в пускаемом агрегате при прямом неуправляемом пуске, с другой. Анализ показывает, что при плавном управляемом пуске практически выполняются два приведенных условия. Применительно к приводам переменного тока как вариант схемы управляемого пуска может служить схема с тиристорным регулятором напряжения (ТРН) в цепи статора. Стоимость таких устройств ниже стоимости систем частотно-регулируемого электропривода. Применение пусковых систем повышает время наработки на отказ двигателей в несколько раз, рабочих колес на 15 - 75 % и др.

Наиболее перспективным является регулирование изменением скорости вращения рабочего колеса. Законы эксплуатации турбомашин формулируются: с изменением частоты вращения рабочего колеса турбомашины при постоянной характеристике внешней сети подача (производительность) изменяется пропорционально первой степени, напор - пропорционально квадрату, а потребляемая мощность - пропорционально кубу частоты вращения

Q₁=Q(n₁/n); H₁=H(n₁/n)²; P₁=P(n₁/n)³.

Области экономичной работы центробежных и осевых вентиляторов в зависимости от способа регулирования представлены на рисунке ( 1 – ВЦД-3,5 и 2 – ВЦД-32 – регулирование направляющим аппаратом; 3 – ВОД-30 - регулирование направляющим аппаратом и поворотом лопаток колеса; 4 – ВЦД-32 – регулирование скорости вращения с помощью регулируемого электропривода). Из рисунка видно, что наибольшая зона экономичной работы у центробежного вентилятора с регулированием скорости.

Анализ кривых Р(Q) показывает, что наиболее экономичным способом регулирования производительности вентиляторов главного проветривания является регулирование посредством изменения скорости вращения, наименее экономичное – дроссельное регулирование. Расчеты показывают, что регулируемый привод позволяет сократить расход потребляемой электроэнергии (до 40%). Более половины этого экономится за счет сокращения потребления в нерабочие дни, когда производительность вентилятора может быть значительно уменьшена.

К достоинствам способа регулирования частоты вращения относятся: высокая экономичность работы; постоянный КПД вентилятора при регулировании с постоянным эквивалентным отверстием; простота конструкции вентилятора за счет исключения направляющего и поворотного устройств; увеличение области экономичной работы и снижение энергопотребления.

Применение регулируемого электропривода дополнительно дает:

· уменьшение числа типоразмеров вентиляторов, повышение серийности и снижение стоимости вентилятора;

· увеличение срока службы вентилятора за счет работы в облегченных режимах при пониженной скорости вращения;

· снижение затрат на производство, передачу и распределение электроэнергии, которое обусловлено сокращением ее потребления почти в два раза.

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.

Насосные установки

Насосные агрегаты можно условно разделить на три большие группы: мощные (более 500кВт) агрегаты энергетических объектов; промышленные агрегаты и насосные станции централизованного водоснабжения (50-300кВт); массовые установки (2-50кВт), к которым относятся насосы с подачей 12-100м³/ч и напором 20-80м.в.ст.

В первой группе в силу ее специфики применяются прогрессивные виды электропривода. Во второй и особенно в третей, наиболее массовой, до настоящего времени преобладает нерегулируемый электропривод с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, а управление производительностью осуществляется крайне неэффективным способом - дросселированием. Это не позволяет обеспечить режим рационального энергопотребления и расхода воды, пара, воздуха и т.д. при изменении технологических потребностей в широких пределах.

Характерным примером таких механизмов являются насосные станции холодного и горячего водоснабжения и систем отопления жилых и промышленных зданий. Выбранные, исходя из максимальной производительности, эти механизмы значительную часть времени работают с меньшей производительностью. По некоторым данным среднесуточная загрузка насосов холодного водоснабжения составляет всего 50-55% максимальной. Существующие системы водоснабжения не обеспечивают заметного снижения потребляемой мощности при уменьшении расхода, а также обусловливают существенный рост давления (напора) в системе, что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабжения.

Пути повышения эффективности работы насосных установок: повышение КПД насосов и трубопроводов; регулирование производительности установки; упорядочение графика нагрузок установки; организационные мероприятия.

Повышение КПД насосов обеспечивается за счёт тщательной балансировки рабочих колес, регулярной заменой уплотнителей, обеспечения рабочей точки насоса в зоне максимальных значений КПД.

Повышение КПД трубопровода может быть за счёт:

· увеличения сечения труб;

· включение на параллельную работу резервного нагнетательного става;

· сокращение длины трубопровода;

· регулярная очистка трубопровода;

· ликвидация в трубопроводе излишней арматуры и ненужных поворотов или снижение их сопротивления сглаживанием острых углов;

· использование арматуры с меньшими значениями коэффициента местного сопротивления (например, замена в приемных устройствах на всасывающих трубопроводах тарельчатых клапанов на шаровые).

Расход электроэнергии насосной установкой в год

, кВт∙ч/год,

где T – число часов работы насоса в год, ч/год; η_р – КПД трубопровода.

Традиционные способы регулирования подачи насосных установок состоят в дросселировании напорных линий насосов и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровню в приемном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение технологических задач и практически не учитывают энергетических аспектов транспорта воды. При таком регулировании от 5 до 15%, а в отдельных случаях до 25-30% потребляемой электроэнергии затрачивается нерационально из-за:

· потерь энергии в дросселирующем органе;

· создания избыточных напоров в трубопроводной сети;

· утечек и непроизводительных расходов воды в сети и у потребителя;

· увеличения геометрического подъема при откачке воды из резервуаров канализационных насосных станций и т.д.

Поэтому с появлением надежного регулируемого электропривода создались предпосылки для создания принципиально новой технологии транспорта воды с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки без непроизводительных затрат электроэнергии с широкими возможностями повышения эффективности работы систем водоподачи. 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

Рисунок а иллюстрирует возможности снижения мощности, потребляемой двигателем насоса, при регулировании скорости электропривода по сравнению с регулированием дроссельной заслонкой.

При номинальном расходе и напоре насос работает в точке А, которой соответствует характеристика магистрали 3 и характеристика Q - H насоса (кривая 1) при номинальной скорости двигателя. С уменьшением расхода при нерегулируемом электроприводе (на рисунке показан расход, составляющий 0,6Q_н) за счет дроссельного регулирования происходит изменение сопротивления магистрали (кривая 4). Насос работает в точке В кривой 1, что приводит к возрастанию напора, который становится больше номинального. Мощность, потребляемая насосом, пропорциональна площади прямоугольника ODBF.

При использовании регулируемого электропривода за счет снижения скорости насос работает при снижении расхода в точке С, что соответствует другой характеристике Q - H (кривая 2) при неизменной характеристике магистрали (кривая 3). Мощность, потребляемая электроприводом в этом случае, пропорциональна OECF, что наглядно иллюстрирует возможности существенного снижения энергопотребления при внедрении регулируемых электроприводов насосов. Наилучшие технико-экономические показатели при регулировании скорости насосов обеспечивает система ПЧ-АД.

На рисунке б показана в относительных единицах n* = n_i/n_н и Н_ст/Н_ф область значений КПД регулируемого насоса h_i, ограниченная величинами h_i = 0,5h_н и h_i = 0,1h_н.

Здесь n_i, n_н - текущая и номинальная частота вращения насоса; Н_ст и Н_ф - геометрический подъем или противодавление и фиктивный напор насоса при нулевой подаче.

Из рисунка видно, что значения КПД зависят как от частоты вращения, так и текущих координат насоса, водовода и противодавления в сети.

На рисунке показано семейство кривых, отражающих зависимости относительных удельных затрат электроэнергии W* на перекачку единицы объема воды от относительной частоты вращения (n_i/n_н) насоса при различных значениях противодавления в сети.

Вначале при снижении частоты вращения от номинальных оборотов удельные затраты электроэнергии снижаются, а затем, когда экономия электроэнергии от снижения напора становится соизмерима с потерями от снижения КПД насоса, проявляется экстремум функции. В дальнейшем уменьшение частоты вращения приводит к резкому увеличению удельных затрат электроэнергии, и левый участок кривых уходит в бесконечность при стремлении КПД насоса к нулевому значению.

Так как системы водоподачи представляют собой динамические объекты с постоянно изменяющимися во времени рабочими параметрами, насосная установка может попасть в режим работы, при котором значения КПД окажутся слишком низкими (до 0,1). При некоторых условиях этот режим может быть длительным (до 3 - 5 ч. в сутки). Чтобы избежать такие режимы применяются технические решения, позволяющие удерживать регулируемые агрегаты от вхождения в зону низких начений КПД насоса.

На рисунке сопоставлены кривые требуемой мощности насосных приводов трех принципов управления. Как видно из рисунка при расходе в объеме 50% расчетного максимума требуемая мощность при дросселировании (кривая 1) составляет 73%, при использовании запорно-регулирующей арматуры (кривая 2)- только 50% номинальной, при регулировании частоты вращения электродвигателя (кривая 3) - всего 14% номинальной мощности.

Экономичность определяется не только энергетическими расходами, учитываются также шумы при регулировании. Рисунок показывает изменение уровня звукового давления (шумов) при

регулировке потока с тремя различными системами. Здесь: 1 - регулирование дросселем; 2 - использование запорно-регулирующей арматуры; 3 - регулирование частоты вращения электродвигателя.

Исходя из номинальной точки, показано увеличение давления звука для обеих механических систем, особенно в диапазоне частот нужного рабочего режима - от 40 до 80% проектного максимума. В этом случае при электрической регулировке частоты вращения электродвигателя уровень давления звука падает на 20 дБ(А). По сравнению с механической системой выигрыш составляет 20-30 дБ(А), благодаря чему для количественной оценки экономии электроэнергии и воды при внедрении регулируемого электропривода на одной из подкачивающих насосных станций холодного водоснабжения жилых зданий был установлен частотно-регулируемый электропривод, обеспечивающий постоянство напора на выходе насоса независимо от расхода, и произведены запись давления на входе и выходе насосной станции и замеры расхода электроэнергии и воды при работе в нерегулируемом и регулируемом режимах. Насос с номинальной подачей 100 м³/ч и расходы на шумоснижающие меры значительно уменьшаются

Для количественной оценки экономии электроэнергии и воды при внедрении регулируемого электропривода на одной из подкачивающих насосных станций холодного водоснабжения жилых зданий был установлен частотно-регулируемый электропривод, обеспечивающий постоянство напора на выходе насоса независимо от расхода, и произведены запись давления на входе и выходе насосной станции и замеры расхода электроэнергии и воды при работе в нерегулируемом и регулируемомрежимах. Насос с номинальной подачей 100 м³/ч и напором 32 м приводился во вращение асинхронным двигателем мощностью 15 кВт. Проведенные замеры показали, что за год экономия электроэнергии составляет 45457 кВт∙ч (40,5%), а экономия воды – 114135 м³ (25%).

При экономическом эффекте только за счет экономии электроэнергии стоимость электрического оборудования для регулирования частоты вращения электродвигателя окупается за год эксплуатации.

Предварительные расчеты показывают, что при широком внедрении частотно-регулируемых приводов можно сэкономить 7-10% вырабатываемой электроэнергии.

Появление регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения позволяет создать принципиально новую энергосберегающую технологию транспорта воды, в которой экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счет утечек ее при

превышениях давления в магистрали, когда расход мал. При частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийные ситуации за счет предотвращения гидравлических

ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе.