Страница:
Одним из инструментов государственной политики планируется поддержка специализированного бизнеса в области энергосбережения, пока слабо развитого в России, что позволит сформировать экономических агентов (энергосервисные и энергосберегающие компании), предлагающих и реализующих оптимальные научные, проектно-технологические и производственные решения, направленные на снижение энергоемкости. Поддержка энергосберегающего бизнеса предполагает переход от прямой финансовой помощи со стороны государства к формированию системы реализации эффективных бизнес-проектов в соответствующей сфере, страхования коммерческих и некоммерческих рисков.
Мероприятия по энергосбережению и эффективному использованию энергии должны стать обязательной частью региональных программ социально-экономического развития регионов, в том числе региональных энергетических программ.
За последние годы в Российской Федерации прослеживалась четкая тенденция снижения потребления топлива на одного человека, которая при существующей недостаточной энергоэффективности использования топливных ресурсов отражает, с одной стороны, уровень энерговооруженности в стране, с другой – стремление к экономии энергоресурсов.
Так, например, снижение потребления топлива составило: для угля с 2,06 до 1,70 т/чел.; газа с 3,0 до 2,76 тыс. м3/чел.; нефти с 1,53 до 1,23 т/чел., т.е. в процентном выражении потребление в 1996 г. к потреблению в 1993 г. составило по углю 82,5%, по газу 92%, по нефти 80,5%.
При анализе этих показателей необходимо учитывать также различие в климатических условиях стран. В Российской Федерации на нужды теплоснабжения расходуется около 40% добываемого органического топлива, в США этот показатель составляет 34,2% валового потребления.
В сложившихся условиях экономия топливно-энергетических ресурсов и применение современных энергосберегающих технических решений – это те пути, которыми шли западно-европейские страны в период нефтяного кризиса 1970-х гг., не отягощенные, как Россия, ослабленной экономикой.
Экономия энергоресурсов должна осуществляться на всех этапах выработки, транспортировки и потребления энергии и энергоносителей. Начинается эта работа уже на стадии проектирования – разработки технико-экономических обоснований, рациональных энергосберегающих технологий и процессов, обоснования инвестиций и организационных форм предприятий; продолжается на стадиях строительства, монтажа и приемки оборудования и завершатся оптимизацией режимов эксплуатации оборудования и систем, путем периодических наладок и испытаний с записью результатов в энергетических паспортах объектов.
Вопросы и задания
Глава 3.
3.1. Анализ режимов работы трансформаторных подстанций и системы регулирования cos φ
3.2. Обследование электропотребляющето оборудования, проверка соответствия мощности электродвигателей и мощности потребителя
Вопросы и задания
3.3. Применение электроприводов с частотными регуляторами (HPH) для оптимизации режимов эксплуатации насосов, вентиляторов
Мероприятия по энергосбережению и эффективному использованию энергии должны стать обязательной частью региональных программ социально-экономического развития регионов, в том числе региональных энергетических программ.
За последние годы в Российской Федерации прослеживалась четкая тенденция снижения потребления топлива на одного человека, которая при существующей недостаточной энергоэффективности использования топливных ресурсов отражает, с одной стороны, уровень энерговооруженности в стране, с другой – стремление к экономии энергоресурсов.
Так, например, снижение потребления топлива составило: для угля с 2,06 до 1,70 т/чел.; газа с 3,0 до 2,76 тыс. м3/чел.; нефти с 1,53 до 1,23 т/чел., т.е. в процентном выражении потребление в 1996 г. к потреблению в 1993 г. составило по углю 82,5%, по газу 92%, по нефти 80,5%.
При анализе этих показателей необходимо учитывать также различие в климатических условиях стран. В Российской Федерации на нужды теплоснабжения расходуется около 40% добываемого органического топлива, в США этот показатель составляет 34,2% валового потребления.
В сложившихся условиях экономия топливно-энергетических ресурсов и применение современных энергосберегающих технических решений – это те пути, которыми шли западно-европейские страны в период нефтяного кризиса 1970-х гг., не отягощенные, как Россия, ослабленной экономикой.
Экономия энергоресурсов должна осуществляться на всех этапах выработки, транспортировки и потребления энергии и энергоносителей. Начинается эта работа уже на стадии проектирования – разработки технико-экономических обоснований, рациональных энергосберегающих технологий и процессов, обоснования инвестиций и организационных форм предприятий; продолжается на стадиях строительства, монтажа и приемки оборудования и завершатся оптимизацией режимов эксплуатации оборудования и систем, путем периодических наладок и испытаний с записью результатов в энергетических паспортах объектов.
Вопросы и задания
1. Перечислите основные направления государственной политики энергосбережения.
2. Требуется ли развитие специализированного бизнеса в области энергосбережения?
3. Как отражаются требования энергосбережения в законодательстве регионов Российской Федерации?
4. Назовите документы по энергосбережению, принятые в вашем регионе.
5. Какие задачи поставила «Энергетическая программа России до 2020 года» в области энергосбережения?
2. Требуется ли развитие специализированного бизнеса в области энергосбережения?
3. Как отражаются требования энергосбережения в законодательстве регионов Российской Федерации?
4. Назовите документы по энергосбережению, принятые в вашем регионе.
5. Какие задачи поставила «Энергетическая программа России до 2020 года» в области энергосбережения?
Глава 3.
Энергосбережение в системах электроснабжения и электропотребления
Как правило, на коммунальных и промышленных предприятиях ведется постоянный учет расхода электроэнергии, оборудован ее коммерческий входной учет, на распределительных устройствах для крупных внутренних потребителей установлены электросчетчики. Система электроснабжения проектируется в соответствии с требованиями и нормами ПТЭ и ПТБ, при этом закладываются условия энергетической экономичности и безопасности.
Имеющее место сокращение объемов выпуска продукции на многих промышленных предприятиях России привело к тому, что системы электроснабжения зачастую эксплуатируются не в номинальных режимах, электрооборудование недогружено, увеличивая доли потерь в трансформаторах, электродвигателях, что ведет к снижению значения cos φ в системе электроснабжения. Изменились цены на энергоносители, что отразилось на переоценке экономичности функционирующих схем энергоснабжения.
Задача энергоаудиторов – проанализировать режимы эксплуатации энергооборудования в новых условиях и дать соответствующие рекомендации по его эксплуатации в сложившейся ситуации.
Имеющее место сокращение объемов выпуска продукции на многих промышленных предприятиях России привело к тому, что системы электроснабжения зачастую эксплуатируются не в номинальных режимах, электрооборудование недогружено, увеличивая доли потерь в трансформаторах, электродвигателях, что ведет к снижению значения cos φ в системе электроснабжения. Изменились цены на энергоносители, что отразилось на переоценке экономичности функционирующих схем энергоснабжения.
Задача энергоаудиторов – проанализировать режимы эксплуатации энергооборудования в новых условиях и дать соответствующие рекомендации по его эксплуатации в сложившейся ситуации.
3.1. Анализ режимов работы трансформаторных подстанций и системы регулирования cos φ
В связи со значительным снижением объемов производства на российских предприятиях сложилась ситуация, при которой, как отмечалось выше, системы электроснабжения эксплуатируются не в номинальном режиме; увеличилась доля потерь, связанная с недогрузкой трансформаторов. Потери в трансформаторах состоят из постоянной (потери в стали) и нагрузочной (в обмотках, коммутаторах и соединительных шинах) составляющих.
Двухобмоточные трансформаторы представляются упрощенной Г-образной схемой замещения [47] с активным и реактивным сопротивлениями и активными и реактивными потерями холостого хода (потери в стали). Для упрощенной схемы замещения потери реактивной мощности при холостом ходе (XX) трансформатора определяются как
где IXX – ток холостого хода (XX), % от Iном;
Sном – номинальная мощность трансформатора, кВА.
Активное RT и реактивное ХT сопротивления двухобмоточного трансформатора рассчитываются соответственно по формулам
где Uном – номинальное напряжение основного вывода обмотки трансформатора, кВ;
ΔРКЗ – потери короткого замыкания (потери в меди), кВт;
UK – напряжение короткого замыкания (КЗ), %.
Потери электроэнергии в стали трансформаторов (потери холостого хода) определяются по паспортным данным трансформаторов:
где ΔРXXi – потери мощности холостого хода в i-м трансформаторе, кВт, находящемся на балансе предприятия (табл. 2). Потери мощности холостого хода в расчетах следует принимать равными потерям в стали (ΔPXXi = 2,1 – 2,45 кВт – из каталога трансформатора ТМ-1000/10);
Ti – число часов работы i-го трансформатора в расчетном месяце;
nT – число работающих трансформаторов, шт;
UIГ – взвешенный по нагрузке уровень напряжения на головном участке (ГУ) распределительной линии, кВ;
Uном – номинальный уровень напряжения питания i-го трансформатора, кВ.
Таблица 2
Каталожные и расчетные данные двухобмоточных трансформаторов на входное напряжение 10 кВ
Нагрузочные потери электроэнергии в трансформаторах рассчитываются аналогично нагрузочным потерям в линиях электроснабжения:
где Кфсут – коэффициент формы суточной составляющей графика нагрузки головного участка (ГУ) сети;
КФмес – коэффициент формы месячной составляющей графика нагрузки ГУ сети;
WPT – активная энергия, пропущенная по головному участку (ГУ) сети за расчетный год, тыс. кВт • ч;
tg(φr) —тангенс угла нагрузки сети.
Сетевые и трансформаторные нагрузочные потери пропорциональны квадрату тока, протекающему через них, при постоянном напряжении – квадрату отпуска электроэнергии. Сетевые нагрузочные потери рассчитываются аналогично трансформаторным нагрузочным потерям. Увеличение тангенса угла нагрузки сети приводит к увеличению сетевых потерь, которые пропорциональны (1 + tgφr).
Влияние материала трансформатора на его потери приведено в табл. 2а.
Таблица 2а
Влияние материала трансформатора на его потери
При обследовании необходимо оценивать степень загрузки трансформаторных подстанций, выключать незагруженные трансформаторы, увеличивая степень их загрузки. Попытка сделать линию разграничения с энергосбытом по обслуживанию на низкой стороне, с уходом от управления загрузкой отключением ненагруженных трансформаторов не снимает проблемы.
Необходимо также оценить эффективность работы компенсационных устройств, проанализировать влияние (табл. 3) изменения cosφ на потери в сетях в течение суток, подобрать режимы эксплуатации косинусных батарей (рис. 2, табл. 4) и при наличии синхронных двигателей, работающих в режиме компенсации реактивной мощности, применять автоматическое управление током возбуждения.
Таблица 3
Влияние увеличения cos φ на снижение реактивных потерь
Таблица 4
Рекомендуемая емкость статических конденсаторов для корректировки единичных асинхронных двигателей
Рис. 2. Схема применения правильной компенсации реактивной мощности электродвигателя: 1 – трансформатор; 2 – элеюродвигатель; 3 – конденсату
В первом примере (без использования конденсатора) нагрузка на трансформатор и электрическую сеть увеличивается из-за реактивной мощности (пунктирная стрелка слева). Этого можно избежать, как в примере справа, когда только активная мощность (жирная стрелка) влияет на нагрузку сети.
Реактивная мощность при синусоидальном напряжении однофазной сети мощностью P определяется как
Q = U · I · sin φ = P · tgφ,
в трехфазной сети – как алгебраическая сумма фазных реактивных мощностей. Уровень компенсируемой мощности Qk определяется как разность реактивных мощностей нагрузки предприятия до (Qп1) и после (Qп2) принятых мер по компенсацию реактивной нагрузки:
Qk = Qп1 – Qп2 = P (tgφ1 – tgφ2).
Основными потребителями реактивной мощности на коммунальных промышленных предприятиях являются:
• асинхронные двигатели (45—65%);
• электропечные установки (8%);
• вентильные преобразователи (10%);
• трансформаторы всех ступеней трансформации (20—25%).
Перечень мероприятий, позволяющих повысить cosφ:
• Увеличение загрузки асинхронных двигателей. При снижении до 40% мощности, потребляемой асинхронным двигателем, переключать обмотки с треугольника на звезду. Мощность двигателя при этом снижается в 3 раза.
• Применение ограничителей времени работы асинхронных двигателей и сварочных трансформаторов в режиме холостого хода (XX).
• Замена асинхронных двигателей синхронными.
• Нагрузка трансформаторов должна составлять более 30% номинальной мощности.
Для компенсации реактивной мощности используются следующие технические средства:
• Синхронные электродвигатели в режиме перевозбуждения.
• Комплектные конденсаторные батареи.
• Статические компенсаторы (управляемые тиристорами реакторы или конденсаторы).
Компенсаторы должны быть приближены к источникам реактивной мощности.
Двухобмоточные трансформаторы представляются упрощенной Г-образной схемой замещения [47] с активным и реактивным сопротивлениями и активными и реактивными потерями холостого хода (потери в стали). Для упрощенной схемы замещения потери реактивной мощности при холостом ходе (XX) трансформатора определяются как
где IXX – ток холостого хода (XX), % от Iном;
Sном – номинальная мощность трансформатора, кВА.
Активное RT и реактивное ХT сопротивления двухобмоточного трансформатора рассчитываются соответственно по формулам
где Uном – номинальное напряжение основного вывода обмотки трансформатора, кВ;
ΔРКЗ – потери короткого замыкания (потери в меди), кВт;
UK – напряжение короткого замыкания (КЗ), %.
Потери электроэнергии в стали трансформаторов (потери холостого хода) определяются по паспортным данным трансформаторов:
где ΔРXXi – потери мощности холостого хода в i-м трансформаторе, кВт, находящемся на балансе предприятия (табл. 2). Потери мощности холостого хода в расчетах следует принимать равными потерям в стали (ΔPXXi = 2,1 – 2,45 кВт – из каталога трансформатора ТМ-1000/10);
Ti – число часов работы i-го трансформатора в расчетном месяце;
nT – число работающих трансформаторов, шт;
UIГ – взвешенный по нагрузке уровень напряжения на головном участке (ГУ) распределительной линии, кВ;
Uном – номинальный уровень напряжения питания i-го трансформатора, кВ.
Таблица 2
Каталожные и расчетные данные двухобмоточных трансформаторов на входное напряжение 10 кВ
где Кфсут – коэффициент формы суточной составляющей графика нагрузки головного участка (ГУ) сети;
КФмес – коэффициент формы месячной составляющей графика нагрузки ГУ сети;
WPT – активная энергия, пропущенная по головному участку (ГУ) сети за расчетный год, тыс. кВт • ч;
tg(φr) —тангенс угла нагрузки сети.
Сетевые и трансформаторные нагрузочные потери пропорциональны квадрату тока, протекающему через них, при постоянном напряжении – квадрату отпуска электроэнергии. Сетевые нагрузочные потери рассчитываются аналогично трансформаторным нагрузочным потерям. Увеличение тангенса угла нагрузки сети приводит к увеличению сетевых потерь, которые пропорциональны (1 + tgφr).
Влияние материала трансформатора на его потери приведено в табл. 2а.
Таблица 2а
Влияние материала трансформатора на его потери
Необходимо также оценить эффективность работы компенсационных устройств, проанализировать влияние (табл. 3) изменения cosφ на потери в сетях в течение суток, подобрать режимы эксплуатации косинусных батарей (рис. 2, табл. 4) и при наличии синхронных двигателей, работающих в режиме компенсации реактивной мощности, применять автоматическое управление током возбуждения.
Таблица 3
Влияние увеличения cos φ на снижение реактивных потерь
Таблица 4
Рекомендуемая емкость статических конденсаторов для корректировки единичных асинхронных двигателей
Рис. 2. Схема применения правильной компенсации реактивной мощности электродвигателя: 1 – трансформатор; 2 – элеюродвигатель; 3 – конденсату
В первом примере (без использования конденсатора) нагрузка на трансформатор и электрическую сеть увеличивается из-за реактивной мощности (пунктирная стрелка слева). Этого можно избежать, как в примере справа, когда только активная мощность (жирная стрелка) влияет на нагрузку сети.
Реактивная мощность при синусоидальном напряжении однофазной сети мощностью P определяется как
Q = U · I · sin φ = P · tgφ,
в трехфазной сети – как алгебраическая сумма фазных реактивных мощностей. Уровень компенсируемой мощности Qk определяется как разность реактивных мощностей нагрузки предприятия до (Qп1) и после (Qп2) принятых мер по компенсацию реактивной нагрузки:
Qk = Qп1 – Qп2 = P (tgφ1 – tgφ2).
Основными потребителями реактивной мощности на коммунальных промышленных предприятиях являются:
• асинхронные двигатели (45—65%);
• электропечные установки (8%);
• вентильные преобразователи (10%);
• трансформаторы всех ступеней трансформации (20—25%).
Перечень мероприятий, позволяющих повысить cosφ:
• Увеличение загрузки асинхронных двигателей. При снижении до 40% мощности, потребляемой асинхронным двигателем, переключать обмотки с треугольника на звезду. Мощность двигателя при этом снижается в 3 раза.
• Применение ограничителей времени работы асинхронных двигателей и сварочных трансформаторов в режиме холостого хода (XX).
• Замена асинхронных двигателей синхронными.
• Нагрузка трансформаторов должна составлять более 30% номинальной мощности.
Для компенсации реактивной мощности используются следующие технические средства:
• Синхронные электродвигатели в режиме перевозбуждения.
• Комплектные конденсаторные батареи.
• Статические компенсаторы (управляемые тиристорами реакторы или конденсаторы).
Компенсаторы должны быть приближены к источникам реактивной мощности.
3.2. Обследование электропотребляющето оборудования, проверка соответствия мощности электродвигателей и мощности потребителя
Электродвигатели являются наиболее распространенными электропотребителями на промышленных предприятиях. Они потребляют около 80% электроэнергии. Большая доля установленной мощности приходится на асинхронные электродвигатели.
При проведении энергоаудита необходимо проверять соответствие мощности привода (электродвигателя) мощности нагрузки, так как завышение мощности электродвигателя приводит к снижению КПД и cos j. С уменьшением загрузки двигателя возрастает доля потребляемой реактивной мощности на создание магнитного поля системы по сравнению с активной мощностью и снижается величина cos j. Капитальные затраты на замену одного двигателя другим (соответствующей номинальной мощности) целесообразны при его загрузке менее 45%, при загрузке 45—75% для замены требуется проводить экономическую оценку мероприятия, при загрузке более 70% замена нецелесообразна.
Эффективность работы двигателя зависит от типа, скорости вращения, времени нагрузки двигателя, а также от его мощности:
• для двигателей мощностью 5 кВт при 100%-ной нагрузке КПД равен 80%, для двигателей мощностью 150 кВт КПД – 90%;
• для двигателей мощностью 5 кВт при 50%-ной нагрузке КПД равен 55%, для двигателей мощностью 150 кВт КПД – 65%. При снижении нагрузки двигателя до 50% и менее его эффективность начинает быстро падать вследствие того, что потери энергии в железе начинают преобладать.
Суммарные потери в электродвигателе имеют четыре основные составляющие (рис. 3):
• потери в стали (потери намагничивания), связанные с напряжением питания, постоянны для каждого двигателя и не зависят от нагрузки;
• активные потери в меди I2R, пропорциональные квадрату тока нагрузки (как в трансформаторе);
Рис. 3. Сложение составляющих потерь мощности в электродвигателях. Суммарные потери энергии в % от номинальной мощности: 1 – потери на трение и сопротивление вращению; 2 – с учетом потерь в стали; 3 – с учетом потерь на рассеивание; 4 – суммарные потери с учетом активных потерь в меди
• потери на трение – постоянны для данной частоты вращения и не зависят от нагрузки;
• добавочные потери от рассеивания – зависят от нагрузки. Снижение напряжения регулятором питания электродвигателя позволяет уменьшить магнитное поле в стали, которое избыточно для рассматриваемого режима нагрузки, снизить потери в стали и уменьшить их долю в общей потребляемой мощности, т.е. повысить КПД двигателя. Сам регулятор напряжения (обычно в тиристорном исполнении) потребляет мало энергии. Его собственное потребление становится заметным, когда двигатель работает на полной нагрузке.
Часто в режиме холостого хода потребляется почти столько же энергии, сколько необходимо для работы. Переключение обмоток двигателя мощностью 7,5 кВт, работающего в номинальном режиме (линейное напряжение равно 380 В) по схеме «треугольник», при работе на пониженной нагрузке 1кВт (режим холостого хода) на схему «звезда» позволяет уменьшить потери мощности с 0,5 кВт до 0,25 кВт (рис. 4). Необходимо избегать работы двигателя в режиме холостого хода.
Автоматическое переключение обмоток по схеме «треугольник» на соединение по схеме «звезда» в зависимости от нагрузки является простейшим способом регулирования двигателя, длительное время работающего на малой нагрузке.
Рис. 4. Влияние на потери переключения из «треугольника» в «звезду» стандартного двигателя мощностью 7,5 кВт: 1 – соединение «звездой»; 2 – соединение «треугольником»
В установках с регулируемым числом оборотов (насосы, вентиляторы и др.) широко применяются регулируемые электроприводы.
Оценочные значения возможной экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода нагнетательного оборудования в пневмо– и гидросистемах равны:
в компрессорах – 50%;
в воздуходувках и вентиляторах – 40—50%;
в насосах – 30%.
Тиристорные регуляторы напряжения дешевле, их диапазон регулирования скорости вращения на 10—15% ниже номинальных оборотов; частотные регуляторы (наиболее часто – в транзисторном исполнении) дороже, и диапазон регулирования у них шире. Электродвигатели, управляемые частотными регуляторами, для сохранения ресурса нуждаются в замене подшипников на специальные, электрически изолированные.
Стоимость электронного регулятора оборотов примерно равна стоимости электродвигателя.
Ориентировочная удельная стоимость электронного регулятора оборотов для обычного электродвигателя мощностью 75—200 кВт составляет около 60 долл. за кВт, с уменьшением мощности привода она увеличивается, и для 15-киловаттного двигателя стоимость электронной системы управления равна около 200—250 долл.
Применение регуляторов мягкого пуска (регуляторов напряжения) и торможения позволяет достичь экономии 1,6—3,7% электроэнергии для двигателей мощностью 22—30 кВт при 20% времени загрузки двигателя. Удельная стоимость регулятора в 1994 г. составила 50 долл./кВт для двигателей мощностью менее 20 кВт и 33 долл./кВт для двигателей мощностью более 20 кВт.
Все шире находят применение более дорогие, энергетически эффективные (ЭЭ) двигатели, использующие более качественные электротехнические стали и медные обмотки большего сечения, позволяющие на 2—5% уменьшить активные потери.
Разработчики отмечают четыре направления повышения энергоэкономичности таких устройств:
• Большая длина сердечника из стальных пластин с низкими потерями. Этим уменьшаются магнитная индукция и, следовательно, потери в стали.
• Потери в меди уменьшаются максимальным использованием пазов и обеспечением подходящих размеров проводников.
• Потери от рассеивания минимизируются тщательным подбором количества пазов и их геометрией.
• Уменьшение потерь мощности в электродвигателе приводит к снижению мощности вентилятора обдува, затрачиваемой на его охлаждение.
Такие электродвигатели имеют более высокий КПД, допускают термические перегрузки, менее требовательны к обслуживанию, менее чувствительны к колебаниям напряжения сети и меньше шумят. Некоторые ЭЭ-двигатели имеют цену двигателей обычного исполнения. Их применение экономически целесообразно при большом времени загрузки.
Сводка общих мероприятий по энергосбережению в установках, использующих электродвигатели:
• Мощность двигателя должна соответствовать нагрузке.
• При часто повторяющемся режиме работы на холостом ходу двигатель должен легко выключаться.
• Необходимо эффективно защищать крыльчатку системы обдува двигателя для устранения его возможного перегрева и увеличения доли потерь.
• Проверять качество эксплуатации трансмиссии – на эффективность работы системы влияет смазка подшипников и узлов трения; применять правильно тип трансмиссии.
• Рассмотреть возможность применения электронных регуляторов скорости вращения в двигателях, часть времени работающих не на полной нагрузке.
• Экономически оценить возможность применения энергоэффективных (ЭЭ) двигателей
• Качественно проводить ремонт двигателей, отказаться от применения неисправных или плохо отремонтированных двигателей.
При проведении энергоаудита необходимо проверять соответствие мощности привода (электродвигателя) мощности нагрузки, так как завышение мощности электродвигателя приводит к снижению КПД и cos j. С уменьшением загрузки двигателя возрастает доля потребляемой реактивной мощности на создание магнитного поля системы по сравнению с активной мощностью и снижается величина cos j. Капитальные затраты на замену одного двигателя другим (соответствующей номинальной мощности) целесообразны при его загрузке менее 45%, при загрузке 45—75% для замены требуется проводить экономическую оценку мероприятия, при загрузке более 70% замена нецелесообразна.
Эффективность работы двигателя зависит от типа, скорости вращения, времени нагрузки двигателя, а также от его мощности:
• для двигателей мощностью 5 кВт при 100%-ной нагрузке КПД равен 80%, для двигателей мощностью 150 кВт КПД – 90%;
• для двигателей мощностью 5 кВт при 50%-ной нагрузке КПД равен 55%, для двигателей мощностью 150 кВт КПД – 65%. При снижении нагрузки двигателя до 50% и менее его эффективность начинает быстро падать вследствие того, что потери энергии в железе начинают преобладать.
Суммарные потери в электродвигателе имеют четыре основные составляющие (рис. 3):
• потери в стали (потери намагничивания), связанные с напряжением питания, постоянны для каждого двигателя и не зависят от нагрузки;
• активные потери в меди I2R, пропорциональные квадрату тока нагрузки (как в трансформаторе);
Рис. 3. Сложение составляющих потерь мощности в электродвигателях. Суммарные потери энергии в % от номинальной мощности: 1 – потери на трение и сопротивление вращению; 2 – с учетом потерь в стали; 3 – с учетом потерь на рассеивание; 4 – суммарные потери с учетом активных потерь в меди
• потери на трение – постоянны для данной частоты вращения и не зависят от нагрузки;
• добавочные потери от рассеивания – зависят от нагрузки. Снижение напряжения регулятором питания электродвигателя позволяет уменьшить магнитное поле в стали, которое избыточно для рассматриваемого режима нагрузки, снизить потери в стали и уменьшить их долю в общей потребляемой мощности, т.е. повысить КПД двигателя. Сам регулятор напряжения (обычно в тиристорном исполнении) потребляет мало энергии. Его собственное потребление становится заметным, когда двигатель работает на полной нагрузке.
Часто в режиме холостого хода потребляется почти столько же энергии, сколько необходимо для работы. Переключение обмоток двигателя мощностью 7,5 кВт, работающего в номинальном режиме (линейное напряжение равно 380 В) по схеме «треугольник», при работе на пониженной нагрузке 1кВт (режим холостого хода) на схему «звезда» позволяет уменьшить потери мощности с 0,5 кВт до 0,25 кВт (рис. 4). Необходимо избегать работы двигателя в режиме холостого хода.
Автоматическое переключение обмоток по схеме «треугольник» на соединение по схеме «звезда» в зависимости от нагрузки является простейшим способом регулирования двигателя, длительное время работающего на малой нагрузке.
В установках с регулируемым числом оборотов (насосы, вентиляторы и др.) широко применяются регулируемые электроприводы.
Оценочные значения возможной экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода нагнетательного оборудования в пневмо– и гидросистемах равны:
в компрессорах – 50%;
в воздуходувках и вентиляторах – 40—50%;
в насосах – 30%.
Тиристорные регуляторы напряжения дешевле, их диапазон регулирования скорости вращения на 10—15% ниже номинальных оборотов; частотные регуляторы (наиболее часто – в транзисторном исполнении) дороже, и диапазон регулирования у них шире. Электродвигатели, управляемые частотными регуляторами, для сохранения ресурса нуждаются в замене подшипников на специальные, электрически изолированные.
Стоимость электронного регулятора оборотов примерно равна стоимости электродвигателя.
Ориентировочная удельная стоимость электронного регулятора оборотов для обычного электродвигателя мощностью 75—200 кВт составляет около 60 долл. за кВт, с уменьшением мощности привода она увеличивается, и для 15-киловаттного двигателя стоимость электронной системы управления равна около 200—250 долл.
Применение регуляторов мягкого пуска (регуляторов напряжения) и торможения позволяет достичь экономии 1,6—3,7% электроэнергии для двигателей мощностью 22—30 кВт при 20% времени загрузки двигателя. Удельная стоимость регулятора в 1994 г. составила 50 долл./кВт для двигателей мощностью менее 20 кВт и 33 долл./кВт для двигателей мощностью более 20 кВт.
Все шире находят применение более дорогие, энергетически эффективные (ЭЭ) двигатели, использующие более качественные электротехнические стали и медные обмотки большего сечения, позволяющие на 2—5% уменьшить активные потери.
Разработчики отмечают четыре направления повышения энергоэкономичности таких устройств:
• Большая длина сердечника из стальных пластин с низкими потерями. Этим уменьшаются магнитная индукция и, следовательно, потери в стали.
• Потери в меди уменьшаются максимальным использованием пазов и обеспечением подходящих размеров проводников.
• Потери от рассеивания минимизируются тщательным подбором количества пазов и их геометрией.
• Уменьшение потерь мощности в электродвигателе приводит к снижению мощности вентилятора обдува, затрачиваемой на его охлаждение.
Такие электродвигатели имеют более высокий КПД, допускают термические перегрузки, менее требовательны к обслуживанию, менее чувствительны к колебаниям напряжения сети и меньше шумят. Некоторые ЭЭ-двигатели имеют цену двигателей обычного исполнения. Их применение экономически целесообразно при большом времени загрузки.
Сводка общих мероприятий по энергосбережению в установках, использующих электродвигатели:
• Мощность двигателя должна соответствовать нагрузке.
• При часто повторяющемся режиме работы на холостом ходу двигатель должен легко выключаться.
• Необходимо эффективно защищать крыльчатку системы обдува двигателя для устранения его возможного перегрева и увеличения доли потерь.
• Проверять качество эксплуатации трансмиссии – на эффективность работы системы влияет смазка подшипников и узлов трения; применять правильно тип трансмиссии.
• Рассмотреть возможность применения электронных регуляторов скорости вращения в двигателях, часть времени работающих не на полной нагрузке.
• Экономически оценить возможность применения энергоэффективных (ЭЭ) двигателей
• Качественно проводить ремонт двигателей, отказаться от применения неисправных или плохо отремонтированных двигателей.
Вопросы и задания
1. Перечислите основные организационно-технические мероприятия по электросбережению.
2. Какими приборами обеспечивается коммерческий учет расхода электроэнергии?
3. Дайте определения двухобмоточных электрических трансформаторов.
4. Как определяется влияние соотношения активной и реактивной мощности на потери энергии в системах энергоснабжения?
5. Объясните принцип компенсации реактивной мощности электродвигателей и типы применяемых для этого устройств.
6. Каковы технические средства компенсации реактивной мощности?
7. Из каких составляющих складываются суммарные потери электродвигателей?
8. Как сказывается загрузка электропривода на его КПД и в каких случаях целесообразно производить замену электродвигателей?
9. Назовите общие мероприятия по энергосбережению при эксплуатации электродвигателей.
2. Какими приборами обеспечивается коммерческий учет расхода электроэнергии?
3. Дайте определения двухобмоточных электрических трансформаторов.
4. Как определяется влияние соотношения активной и реактивной мощности на потери энергии в системах энергоснабжения?
5. Объясните принцип компенсации реактивной мощности электродвигателей и типы применяемых для этого устройств.
6. Каковы технические средства компенсации реактивной мощности?
7. Из каких составляющих складываются суммарные потери электродвигателей?
8. Как сказывается загрузка электропривода на его КПД и в каких случаях целесообразно производить замену электродвигателей?
9. Назовите общие мероприятия по энергосбережению при эксплуатации электродвигателей.
3.3. Применение электроприводов с частотными регуляторами (HPH) для оптимизации режимов эксплуатации насосов, вентиляторов
Обороты двигателя можно регулировать частотой электропитания, преобразуемой с помощью частотного преобразователя.
Частотно регулируемый электропривод (ЧРП) – это электродвигатель (асинхронный или синхронный), оснащенный регулируемым преобразователем частоты.
Он эффективен и быстро окупается в насосных и вентиляционных системах, большую часть времени работающих при пониженных подачах, в которых регулирование осуществляется с помощью регулирующих задвижек (регулирование дросселированием) или байпасом.
Произведение теряемого на задвижках перепада давления на расход жидкости – это потери энергии в системе с дроссельным методом регулирования.
Частотно регулируемый электропривод (ЧРП) – это электродвигатель (асинхронный или синхронный), оснащенный регулируемым преобразователем частоты.
Он эффективен и быстро окупается в насосных и вентиляционных системах, большую часть времени работающих при пониженных подачах, в которых регулирование осуществляется с помощью регулирующих задвижек (регулирование дросселированием) или байпасом.
Произведение теряемого на задвижках перепада давления на расход жидкости – это потери энергии в системе с дроссельным методом регулирования.
Конец бесплатного ознакомительного фрагмента