В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Михаил Козлов, Александр Чистяков Эффективность внедрения систем

с частотно регулируемыми приводами ВВЕДЕНИЕ ных преобразователей частоты, а отно можно применить и в других техноло Возможность управления частотой сительно ожидаемого экономического гических схемах, где в качестве транс вращения короткозамкнутых асинхрон эффекта от их внедрения многие экс портируемого вещества может быть ных электродвигателей была доказана плуатационщики выражают недоверие. жидкость или газ.

сразу после их изобретения. Реализовать Действительно, учитывая сравни Основными элементами схемы явля эту возможность удалось лишь с появле тельно высокую стоимость полупро ются запорные технологические за нием силовых полупроводниковых при водниковых преобразователей, приме движки З1 и З2, насосный агрегат Р, об боров Ч сначала тиристоров, а позднее няемых для регулирования частоты ратный клапан К1, фильтр воды Ф и транзисторов IGBT. В настоящее время вращения асинхронных приводов, на регулирующий клапан К2. В этой схе во всем мире широко реализуется час сегодняшний день наиболее важным ме можно выделить и основные техно тотный способ управления асинхронной является вопрос возврата средств, вло логические параметры, среди которых машиной, который сегодня рассматри женных в их внедрение. Поэтому осо H1 Ч напор, создаваемый источником вается не только с точки зрения эконо бое внимание в статье уделяется срав подачи воды, Hp Ч напор, получаемый мии потребляемой энергии, но и с точки нению энергетических потерь в приво после насосного агрегата, Hк Ч напор зрения совершенствования управления дах нагнетателях с разными видами уп перед регулирующим клапаном, Hс Ч технологическим процессом. равления. Материалы статьи не содер напор в сети потребителей и Q1 Q3 Ч жат экономических расчетов, но ори В промышленно развитых странах расходы воды потребителей сети. Кро ентируют в определении тех узлов при техника применения частотно регули ме того, можно выделить напор Hн, водных систем, где наиболее выгодно руемых приводов используется более 30 развиваемый насосным агрегатом, а применение частотного регулирования.

лет. В течение этого времени закладыва также потери напора на элементах сис лись научные и методические основы, темы, расположенных между насос ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ разрабатывались и совершенствовались ным агрегатом Р и сетью потребителей:

H1 Ч потери напора на задвижке З2 и технические средства управления элек И ВИД РЕГУЛИРОВАНИЯ водяном фильтре и H2 Ч потери на троприводом, совершенствовались тех Попробуем разобраться, за счет чего нологические процессы и оборудова и когда появляется возможность эко пора на регулирующем клапане.

ние, корректировались учебные курсы номии потребляемой энергии приво Рассматривая энергетические харак для подготовки специалистов. Накоп дами насосов и вентиляторов и что не теристики технологического процесса лен достаточно большой опыт в приня обходимо делать для того, чтобы эту объекта, можно написать, что требуемая тии технических решений при создании экономию получить, не нарушая об (полезная) энергия для подачи воды по систем, использующих этот тип приво щий ход технологического процесса. требителям может быть рассчитана как дов, ряд решений стандартизирован. Для примера возьмем обобщенную Wc = Hс (Q1+Q2+Q3). Для нормаль Однако, к сожалению, это относится к технологическую схему системы, обес ной работы сети чаще всего необходимо положению дел за рубежом. печивающей подачу воды в сеть потре создание постоянного значения напора В нашей стране сложилась несколько бителей с постоянным заданным дав Hс. Величины расходов Q1 Q3 опреде иная ситуация. Частотно регулируемые лением (рис. 1). Аналогичный подход ляются потребителями и с течением приводы, отвечающие требовани времени могут меняться. Гидравличес ям надежности и электромагнит кая энергия, развиваемая насосным аг ной совместимости с электричес регатом, может быть получена как кими сетями, появились на рос Wн = Hн (Q1+Q2+Q3), где сумма рас сийском рынке сравнительно по ходов представляет собой общий сете здно, да и цена их в условиях ры вой расход воды Qc. В идеальном вари ночной экономики достаточно анте желательно, чтобы сохранялось ра высока. Имеющийся не всегда венство Wc и Wн. На самом деле между положительный опыт примене насосным агрегатом и сетью установле ния тиристорных приводов пре ны элементы со своими гидравлически допределил осторожное отноше ми сопротивлениями, на которых теря Электропривод насосного агрегата 76 ние к использованию современ ется часть напора, развиваемого насос (C)2001 CTA Тел.: (095) 234 0635 Факс: (095) 232 1653 СТА 1/ В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА воде. При использовании дроссельных H Ф К HP HK элементов происходит распределение HC Р З1 К1 З2 напора на элементах системы. Это рас пределение напора показано на рис. 3, где Hд Ч падение напора на дроссель H1 H HH ном элементе.

Q1 Q2 Q Для поддержания заданного давле Условные обозначения: ки пересечения характеристик. Как ния в сетевом трубопроводе при изме З1, З2 Ч запорные технологические задвижки;

видно из рисунка, с уменьшением рас нении расхода жидкости приходится Р Ч насосный агрегат;

хода увеличивается давление в сети. изменять гидравлическое сопротивле К1 Ч обратный клапан;

Кроме того, в процессе функциони ние регулирующего элемента. При Ф Ч фильтр;

рования в зависимости от режимов ра этом общая гидравлическая характери К2 Ч регулирующий клапан.

боты системы может меняться давле стика будет иметь более крутой вид.

Рис. 1. Пример упрощенной технологической Величина Hд с таким регулированием ние перед насосом, создаваемое источ схемы с насосным агрегатом ником водоснабжения. Изменения это неуклонно увеличивается. Таким обра ным агрегатом, Hп = = H1 + H2. Та го давления также отражаются на вели зом, чем глубже производится дроссе ким образом, потери энергии на техно чине давления в сети потребителей. лирование регулирующим элементом, логическое обеспечение параметров пе Такой характер взаимосвязи параме тем больше энергетических потерь рекачиваемой жидкости можно опреде тров требует установки в системе дрос имеет весь технологический процесс.

лить как Wп = = Hп Qc. Следова сельных регулирующих элементов Ч На величину потерь при дроссельном тельно, для поддержания заданных тех регулирующих клапанов (иногда их регулировании влияет не только регу нологических параметров сети насос роль выполняют напорные задвижки лирующий элемент: чаще всего на эта должен развивать гидравлическую агрегатов). Эти элементы создают до пе проектирования выбирается насос мощность, равную Wн = Hс (Q1+Q2+ полнительное гидравлическое сопро ный агрегат с определённым запасом +Q3) + Hп (Q1+Q2+Q3 ). тивление и позволяют обеспечить ста напора, а при замене насосных агрега Последнее выражение показывает, бильное давление в сетевом трубопро тов новое оборудование может иметь что потери энергии в технологическом H процессе зависят от расхода сети (тех 1 нологической нагрузки), определяемо го потребителем, и потерь напора на оборудовании насосной станции Hп, 86 м 80 м которые определяются гидравличес 75 м ким сопротивлением элементов схемы.

70 м Естественная В общем случае оценить эти потери на характеристика насоса пора можно, сравнив показания мано метров перед напорной задвижкой З2 и H манометра в сетевом трубопроводе. Характеристика сети с максимальным расходом Чем больше разница в их показаниях, тем больше потерь энергии имеет сис тема. Для организации технологичес кого процесса с минимальными энер гетическими потерями необходимо, в 2/3 Q ном Q ном Qс первую очередь, снизить потери напо ра между трубопроводом насосного аг Рис. 2. Характеристики насосного агрегата и сети без регулирования давления регата и сетью потребителей Ч Hп.

Теперь рассмотрим работу техноло H Характеристика сети Напор насоса гического процесса, с точки зрения из с дроссельным Hн регулированием менения параметров нагрузки сети Ч 100 м Qc. Для этого воспользуемся известны Потери Hд ми Q H характеристиками для насос Естественная напора характеристика сети ных агрегатов и сети (рис. 2). Кривая 70 м соответствует напорной характеристи ке насосного агрегата, а кривая 2 Ч ги Полезный напор дравлической характеристике сети, где H0 Ч требуемый статический напор се Hc ти. Точка пересечения этих характери стик является идеальной расчетной точкой совместной работы насосного агрегат и сети (Qном). При изменении расхода в сети меняется и её гидравли 1/2 Q ном Q ном Qс ческая характеристика Ч линии 3 5.

Соответственно будут сдвигаться точ Рис. 3. Характеристики насосного агрегата и сети с дроссельным регулированием (C)2001 CTA Тел.: (095) 234 0635 Факс: (095) 232 1653 СТА 1/ В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА несколько завышенные напорные ха Характеристика насоса при 1500 об./мин рактеристики. Кроме того, диапазон изменения входных давлений (перед H всасывающим патрубком насосного аг регата) оказывает влияние на величину 2 Характеристика давления за насосным агрегатом. Все сети с максимальным 3 расходом эти обстоятельства приводят к тому, что потери энергии в ходе технологическо 70 м го процесса становятся достаточно большими, достигающими 45 и более Характеристика насоса процентов от номинальной мощности при 1350 об./мин агрегата.

Hс Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в сети, необходимо исклю чить дополнительные гидравлические 1/2 Q ном Q ном Qс сопротивления на участке от насосного агрегата до сетевого трубопровода, то Рис. 4. Характеристики насосного агрегата и сети с частотным регулированием есть необходимо полностью открыть всю запорно регулирующую арматуру. изменении частоты вращения иллюст нял частоту вращения, то в итоге мож Это можно сделать, если процесс регу рирует рис. 4, на котором кривая 1 со но без существенных потерь энергии лирования давления передать насосно ответствует номинальной (при номи стабилизировать давление в сети по му агрегату. Теория работы нагнетате нальной частоте вращения привода) требителей. При таком способе регули лей (насосов и вентиляторов) доказы напорной характеристике, а кривые рования исключаются потери напора вает, что изменение частоты вращения 2 4 Ч напорным характеристикам при (нет дроссельных элементов), а значит, привода нагнетателя изменяет его на пониженной частоте вращения. и потери гидравлической энергии.

порные характеристики. Кроме того, Если организовать работу привода Способ регулирования давления в се напор, создаваемый нагнетателем, насосного агрегата таким образом, что ти путем изменения частоты вращения пропорционален квадрату частоты вра бы он при изменении параметров тех привода насосного агрегата снижает щения агрегата. Изменение напорных нологического процесса (расхода в се энергопотребление ещё и по другой характеристик насосного агрегата при ти и давления на входе агрегата) изме причине. Собственно насос как устрой (C)2001 CTA Тел.: (095) 234 0635 Факс: (095) 232 1653 СТА 1/ В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА ционально работать на пониженной ча КПД насоса при 1300 об./мин стоте вращения. В этом случае кпд на КПД насоса при 1400 об./мин КПД насоса при 1500 об./мин соса выше, чем при работе на номи 68% нальной частоте вращения. Таким обра 65% зом, снижение частоты вращения в со 60% ответствии с технологической нагруз A кой позволяет не только экономить по 47% требляемую энергию на исключении B гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счет повы Повышение кпд насоса при частотном регулировании шения коэффициента полезного дейст производительности 25% вия самого насоса Ч преобразования механической энергии в гидравличес кую.

Применение частотного регулирова ния приводов позволяет существенно уменьшить и эксплуатационные затра 1/3 Q ном 1/2 Q ном Q ном Qс ты, связанные с обслуживанием агре гатов и систем. Например, снижение Рис. 5. Изменение кпд насосного агрегата с частотным регулированием при изменении перепада давления между всасываю производительности ство преобразования энергии имеет щим и напорным патрубками насосно свой коэффициент полезного дейст го агрегата увеличивает срок службы вия Ч отношение механической энер сальниковых уплотнений, практически гии, приложенной к валу, к гидравличе исключает гидроудары и обеспечивает ской энергии, получаемой в напорном стабильность давлений в трубопрово трубопроводе насосного агрегата. Ха дах сетей, а также минимизирует затра рактер изменения коэффициента по ты на их обслуживание.

лезного действия насоса н в зависимо Представленные результаты теорети сти от расхода жидкости Q при различ ческих и практических исследований ных частотах вращения представлен на предопределили необходимость широ рис. 5. В соответствии с теорией подо кого внедрения частотно регулируемых бия максимум коэффициента полезно приводов в технологических системах в го действия с уменьшением частоты нашей стране. Однако следует отме вращения несколько снижается и сме тить, что установка только преобразо щается влево. Анализ требуемого изме вателя частоты позволяет получить нения частоты насосного агрегата при лишь малую часть возможного эффекта изменении расхода в сети показывает, от внедрения. Далее вниманию читате что с уменьшением расхода требуется лей предлагаются те результаты, кото Удобство и простота снижение частоты вращения. Если рас рые были получены после внедрения и обслуживания систем смотреть работу агрегата для расхода эксплуатации систем с частотным регу с частотным меньше номинального (вертикальные лированием в Санкт Петербурге на регулированием линии А и В), то для этих режимов ра объектах коммунального хозяйства.

Таблица 1. Сроки окупаемости систем с частотно регулиремыми приводами на примере ряда объектов г. Санкт Петербурга Количество Срок окупаемости Количество двигателей Расчетный срок Объект Насосные группы преобразователей по результатам и мощность окупаемости по ТЭО и мощность эксплуатации 1 год 1,4 года 2315 кВт 1250 кВт Сетевые насосы 1 я Красногвардейская котельная 1215 кВт 1,2 года 1,4 года 175 кВт 175 кВт Подпиточные насосы 1 я Красногвардейская котельная 255 кВт 2,2 года 2,1 года 175 кВт 175 кВт Подпиточные насосы 2 я Красногвардейская котельная 255 кВт 1,2 года 1,1 года 2315 кВт 1250 кВт Сетевые насосы 3 я Красногвардейская котельная 1215 кВт 1,6 года 1,4 года 130 кВт 155 кВт Подпиточные насосы 3 я Красногвардейская котельная 255 кВт 0,7 года 1 год 2160 кВт 1110 кВт Подпиточные насосы 4 я Красногвардейская котельная 175 кВт 0,6 года 0,8 года 1132 кВт 190 кВт Водопроводные насосы 4 я Красногвардейская котельная 1100 кВт Насосы горячего 2,1 года 2,0 года 155 кВт 230 кВт Центральный тепловой пункт водоснабжения 130 кВт 2 го квартала Насосы горячего 1,6 года 1,8 года 215 кВт 230 кВт Центральный тепловой пункт водоснабжения 330 кВт 5 го квартала 230 кВт Насосы горячего 1,4 года 1,5 года 230 кВт Центральный тепловой пункт водоснабжения 6 го квартала 140 кВт 340 кВт Насосы горячего 1,5 года 1,4 года 230 кВт Центральный тепловой пункт водоснабжения 7 го квартала (C)2001 CTA Тел.: (095) 234 0635 Факс: (095) 232 1653 СТА 1/ В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ системы с частотным регулированием производительности группы подпи ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛЬНЫХ точных насосных агрегатов на 2 й Пра ОБЪЕКТОВ вобережной котельной в Невском рай Говоря об экономической эффектив оне города. В состав этой системы вхо ности, можно представить таблицу 1, в дят преобразователь частоты фирмы которой приведены сроки окупаемости Siemens мощностью 160 кВт и про систем с частотно регулируемыми граммируемый логический контрол приводами, рассчитанные в процессе лер. Контроллер обеспечивает требуе технико экономического обоснования мый алгоритм управления тремя на проектов (ТЭО) и полученные в ре сосными агрегатами мощностью по зультате двухлетней эксплуатации го 100 кВт и в зависимости от режима ра товых систем.

боты насосов (зимнего или летнего) Срок окупаемости систем на котель производит выбор агрегата (по отрабо ных и центральных тепловых пунктах танным часам или установленным (ЦТП) определялся с учетом продол ключам управления), подключение жительности отопительного сезона вспомогательного агрегата к шинам 7 месяцев. В расчетах использовался преобразователя (два агрегата от одно тариф для промышленных предприя го преобразователя) или непосредст тий в 0,35 руб. за кВтч электроэнергии.

венно в сеть. Кроме того, контроллер В расчет не бралось снижение эксплуа формирует аварийные и предупреди тационных расходов на обслуживание Система с частотным тельные сообщения при отклонении насосных агрегатов и коммутационной регулированием, выполненная на базе технологических параметров и параме аппаратуры, снижение потерь тепло преобразователя Siemens 160 кВт тров приводов от установленных норм.

носителя в сетях, снижение потребле Система находится в работе более 5 лет, ния реактивной энергии из электриче оборудованием, при производстве ра бот максимально использовались име не имеет отказов, и для профилактики ской сети и т. д.

ющиеся шкафы и кабельные сети. требуется только раз в два года проду Для достижения такого эффекта при вать радиаторы преобразователя. Сис проектировании систем с частотным Одним из первых подобных проек регулированием применялись самые тов, внедренных в Теплоэнергетичес тема окупилась почти через год эксплу современные схемные решения и энер ком комплексе Санкт Петербурга атации, а отзывы оперативного персо нала о её работе положительные.

гоэффективные алгоритмы управления (ТЭК СПб), можно считать создание (C)2001 CTA Тел.: (095) 234 0635 Факс: (095) 232 1653 СТА 1/ В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Промышленная сеть Текстовая Преобразователь панель интерфейсов оператора RS 232/RS Дополнительные Дополнительные Порт RS 485 Порт RS 232 Порт RS входы выходы дискретные аналоговые входы Контроллер Датчики давления и разрeжения Аналоговые Аналоговые Дискретные Дискретные выходы входы выходы входы Преобразователь частоты Интерфейс Аналоговые RS выходы Сигнализация Аналоговые входы Посты управления агрегатами Дискретные входы Ключи Дискретные управления выходы преобразова телями Преобразователь частоты Интерфейс Аналоговые RS выходы Воздушные заслонки Внешняя Комплектная система с частотным Аналоговые система защиты входы и регулирования регулированием в одном шкафу котлоагрегата Дискретные входы СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД Ч Блок ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ Катушки контакты Дискретные ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ выходы Магнитные пускатели Практика применения частотных преобразователей для управления на Рис. 6. Структурная схема системы управления тяго дутьевыми агрегатами котельной сосами и вентиляторами доказывает установки дования системы входят два преобразо целесообразность не просто включе лее полное сгорание топлива в топке ния преобразователя для управления котла, а значит, и значительную эконо вателя частоты, управляющие частотой агрегатом, а создания специализиро мию потребления энергоресурсов всей вращения вентилятора и дымососа, про граммируемый логический контроллер ванных систем управления технологи котельной установкой. В состав обору ческим процессом. Именно такой под ход позволяет получить экономичес кий эффект не только от снижения по требляемой из сети электрической мощности, но и добиться существен ного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшения условий труда и увеличения срока службы оборудова ния. Современные преобразователи частоты позволяют получать более параметров состояния электроприво да. Соответствующая обработка этих параметров позволяет проводить глу бокое диагностирование как оборудо вания системы, так и протекающих процессов. Появляется возможность не только реагировать на возникшую аварию, но и предупреждать её, что для энергетических объектов значительно важнее.

Создание систем с частотно регули руемыми приводами, в которых управ ление частотой осуществляется наряду с контролем целого комплекса различных технологических параметров, позволяет снизить не только потребление электри ческой энергии. На рис. 6 приведена структурная схема системы управления тяго дутьевыми агрегатами котельной установки. Совместное регулирование двух агрегатов позволяет обеспечить бо (C)2001 CTA Тел.: (095) 234 0635 Факс: (095) 232 1653 СТА 1/ В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА ройств к этой сети. Связь контроллера с лирования технологического параметра преобразователями осуществляется по передан преобразователю частоты (как общепринятым протоколам (например, правило, со встроенным ПИД регуля PROFIBUS DP, ModBus и др.). О своем тором), а управление агрегатами Ч ми состоянии преобразователь информиру кроконтроллеру. Подобные решения ет контроллер через встроенные дис достаточно дешевы, однако обеспечи кретные и аналоговые выходы. Исполь вают необходимые алгоритмы переклю зование сетевых возможностей преобра чения коммутационной аппаратуры, зователя в данном случае обусловлено реализуют автоматический ввод резерва требованиями повышенной надежности агрегатов и необходимую сигнализацию к управлению тяго дутьевыми агрегата для нормальной эксплуатации системы.

ми котла. Выбор частоты вращения аг ЗАКЛЮЧЕНИЕ регатов производится контроллером по данным, получаемым от датчиков тех Подводя итог, можно сделать ряд вы нологических параметров оборудова водов.

ния, а также от внешней системы управ Применение частотно регулируемых ления режимами работы котельной ус приводов для насосов и вентиляторов в тановки, обеспечивающей подачу газа и технологических процессах позволяет поддержание температуры теплоносите снизить энергопотребление технологи ля. Вся информация, обрабатываемая ческим оборудованием. Перед началом Рис. 7. Станция управления 2 насосными контроллером, может передаваться по внедрения рекомендуется провести тех агрегатами, использующая модуль LOGO!

промышленной сети или модему для уп нико экономическое обоснование, и вспомогательное оборудование. Уп равления с более высокого уровня. позволяющее определить не только равление преобразователями частоты При создании простых систем, управ сроки окупаемости от внедрения, но и осуществляется по их дискретным и ляющих несложным технологическим правильно организовать технологичес аналоговым входам, а чтение основных процессом, можно рекомендовать и кий процесс с учетом возможностей параметров приводов Ч по промышлен простые технические решения на осно приводов с частотным регулированием.

ной сети с интерфейсом RS 485. Про ве использования микроконтроллеров, Целесообразно использование преоб граммное обеспечение преобразовате например, модулей серии LOGO! разователей частоты не в качестве эле лей позволяет подключать до 32 уст (рис. 7). В таких системах процесс регу ментов системы управления конкрет ного агрегата, а как составляющих ком плексных системных решений с под ключением широкого набора средств автоматизации технологического про цесса. Такие решения позволят полу чить дополнительный эффект, который заведомо больше простой экономии электрической энергии.

В заключение следует добавить, что уже сегодня в нашей стране существует опыт внедрения и эксплуатации систем с частотным регулированием. Прора ботаны идеологические, организаци онные и схемотехнические аспекты их применения. Разработаны и апробиро ваны различные методики по определе нию экономического эффекта от внед рения частотно регулируемых приво дов, по расчету требуемой мощности преобразователя. Кроме того, на рынке России представлено огромное количе ство преобразователей частоты в самом широком диапазоне мощностей, орга низовано их обслуживание и техничес кое обучение. Как показывает статис тика, с каждым годом количество внед ряемых систем растет, и не только в центральных городах России. q Авторы Ч сотрудники ООО Сименс 82 Телефон: (812) 324 (C)2001 CTA Тел.: (095) 234 0635 Факс: (095) 232 1653 СТА 1/    Книги, научные публикации