Spotřeba elektřiny v Rusku je více než 1000 miliard kilowatthodin ročně. Asi 70 % je vynaloženo na elektrický pohon. Z toho až 60 % připadá na ventilátory a čerpadla. Většina ventilátorů a čerpadel pracuje v neoptimálních režimech z hlediska spotřeby zdrojů. V průměru lze spotřebu energie v tomto případě snížit o třetinu. Potenciál úspor by tak mohl být více než 60 miliard kilowatthodin ročně. Vzhledem k tomu, že náklady na elektřinu se pohybují od 1 do 6 rublů v závislosti na cenové kategorii, úrovni napětí a maximálním výkonu, je možné odhadnout úsporu energie pouze na čerpadlech a ventilátorech na úrovni 100–200 miliard rublů ročně na ruském měřítko.
Obrázek 1. Výroba elektřiny v Ruské federaci
Neoptimální provozní režim spočívá v tom, že výkon ventilátorů a čerpadel překračuje požadovaný. Někdy se čerpadla nevypnou, i když v podstatě nejsou potřeba. Například tlak a kapacita čerpadla byly vypočítány s rezervou při návrhu. Marže se může pohybovat od 20 do 200 procent nebo více. Často při změně průtoku pracovní kapaliny motor pracuje na maximální výkon a k udržení normálního tlaku se používají tlumiče atd. U některých typů čerpadel, zejména těch s výkonem větším než megawatt, se spouštění a vypínání přímým startováním výrazně snižuje jejich životnost, takže se prostě nevypínají. Jiné situace neoptimálního provozu měniče jsou možné.
Jedním ze způsobů, jak optimalizovat provozní režim čerpadel a ventilátorů, je změna rychlosti otáčení oběžného kola. Existuje mnoho způsobů, jak změnit rychlost otáčení: pomocí převodovek s proměnným převodem, pomocí kapalinových spojek, změnou rychlosti pohonu. Při návrhu instalace s přihlédnutím ke všem jejím vlastnostem může být každá z těchto možností opodstatněná, nicméně při modernizaci stávajících instalací je nejdůležitější změna rychlosti pohonu. V tomto případě není ovlivněna mechanická část.
Nejběžnějším typem elektrických pohonů jsou střídavé motory. Ve většině případů se jedná o třífázový střídavý indukční motor s rotorem nakrátko.
Hlavní výhody AC motoru:
– snadnost výroby;
– levnost;
– vysoká spolehlivost;
— nízké provozní náklady;
— možnost přímého připojení k elektrické síti.
Platba za výhody – nevýhody:
— malý rozběhový moment;
— významný startovací proud;
— nízký účiník (pro motory s nízkým výkonem);
— pevná rychlost otáčení (ve jmenovitém režimu);
— silná (kvadratická) závislost točivého momentu na síťovém napětí.
K překonání nedostatků byly vyvinuty různé modifikace střídavých motorů:
— motory s vinutým rotorem;
— motory s proměnným počtem pólů;
a tak dále.
Všechna vylepšení však vedou ke složitější konstrukci motoru, nižší účinnosti a vyšším nákladům.
Otáčky rotoru střídavého motoru lze změnit pomocí:
— změny frekvence napájecího napětí;
— přepínací póly v motorech vhodné konstrukce;
– změny síly napájecího proudu (ve velmi úzkých mezích);
– používající specificky motory, například Stage-Richter.
Rychlost stejnosměrných motorů je široce nastavitelná, ale používají se zřídka, protože jsou drahé na výrobu a údržbu.
Dnešní vývoj elektronických měničů učinil z použití měničů kmitočtu napájecího napětí (FC) cenově nejefektivnější způsob regulace otáček rotoru motoru, zejména pokud jde o řízení otáček ve stávající instalaci.
Hlavní výhody invertoru:
– regulace rychlosti otáčení v širokém rozsahu – od nuly po mez mechanické odolnosti instalace;
— schopnost plynule nastartovat a zastavit motor;
— snížení zatížení rázovým proudem při startu a zastavení motoru;
— jednoduché začlenění do automatické regulační smyčky;
– vysoký účiník.
– vysoká cena;
— ztráta energie 2–10 %;
— přítomnost velkého počtu harmonických složek jak v proudu motoru, tak v proudu odebíraném ze sítě;
— vyzařování elektromagnetického rušení;
– nutnost udržovat teplotní podmínky.
Na základě přítomnosti nedostatků použití střídače samo o sobě nezaručuje pozitivní ekonomický efekt. Kromě toho může bezmyšlenkovité používání HPV způsobit ztráty.
Faktory ovlivňující ekonomický efekt
Nejviditelnějšího ekonomického efektu při použití HPV lze dosáhnout úsporami energie. Ale nezapomeňte na další faktory úspory:
— Hladký start umožňuje snížit mechanické zatížení při rozběhu. Toto je přímý způsob, jak snížit opotřebení a zvýšit životnost zařízení.
— Hladký start a zastavení čerpadel eliminuje vodní rázy v systému.
— Nižší otáčky motoru vedou ke zvýšení životnosti zařízení. Sníží se hluk.
— Absence 4–8násobného proudového přetížení při startu umožňuje snížit instalovaný (maximální) výkon, zjednodušit systém ochrany proti přetížení a zkratu.
— Zařazení čerpadla do automatické regulační smyčky vám umožní udržovat stanovené parametry průtokového tlaku atd. bez účasti obsluhy nebo na dálku.
— Přesné udržování tlaku v systému sníží maximální tlak v potrubí, a tím sníží pravděpodobnost jejich prasknutí. Snížení tlaku poskytuje další úspory energie a snížené ztráty netěsností.
Všechny tyto faktory jsou velmi závislé na konkrétní instalaci čerpadla nebo ventilátoru. Ekonomický efekt je nutné vypočítat individuálně pro každou instalaci.
Pozitivní ekonomický efekt může přinést výměna elektromotorů za nové s vyšší účinností. I při 1–2procentní změně účinnosti se výměna může vyplatit za pár let. Při instalaci nových motorů je zvláště důležité provést výpočty úspory energie.
Orientační výpočet úspory energie lze provést při znalosti parametrů elektromotoru, čerpadla a požadovaných výstupních parametrů: tlak, průtok. Výpočet ekonomického efektu dalších faktorů je obtížný, protože závisí na konkrétní instalaci čerpání nebo ventilátoru. Vliv jiných faktorů však může v některých případech převyšovat vliv úspor energie.
Někdy, v případě konstrukčních chyb nebo změn provedených v systému po návrhu, může být provozní bod čerpadla tak daleko od optimální, že úplná výměna čerpací jednotky může být ekonomicky proveditelná.
Metody výpočtu
Nejpřesnější výpočty výkonu čerpadla a výstupního tlaku a spotřeby energie lze získat pomocí charakteristických křivek čerpadla. Ne vždy se však uvádějí pro různé rychlosti rotoru. Data jsou obvykle k dispozici pro jednu nebo dvě rychlosti otáčení, ale i když máte grafy pro jednu rychlost rotoru, můžete je přepočítat pro jiné rychlosti otáčení.
Nejprve na základě požadovaného výkonu čerpadla a výstupního tlaku musíte z grafů určit, jak daleko je pracovní bod od bodu maximální účinnosti. Pokud se vstupní parametry v průběhu času mění, je třeba provést několik odhadů.
Pokud je pracovní bod vždy blízko bodu s maximální účinností (snížení účinnosti méně než 10 %), regulace frekvence neušetří energii. Pokud se ostatní úsporné faktory ukáží jako nevýznamné, bude mít použití měniče za následek ztrátu z nákladů na pořízení a provoz.
Nejčastěji se však výkonnostní parametry počítají s rezervou od maximálního průtoku v systému a maximálního průtoku je dosaženo během jedné až dvou hodin denně. Pokud se podíváte na charakteristické křivky, účinnost čerpadla může klesnout na 20–30 % maxima.
Rýže. 2. Závislost spotřeby energie na spotřebě kapalin
Tlak na výstupu odstředivého čerpadla se buď nereguluje vůbec, nebo je udržován pomocí recirkulace (část kapaliny je odváděna zpět), nebo škrcení (průtok je regulován nastavitelnou klapkou). V závislosti na způsobu řízení se pracovní bod čerpadla posouvá různě podél řady charakteristických křivek. Nejhoršími možnostmi jsou chybějící regulace a recirkulace, které vedou k maximální spotřebě energie a zvýšenému tlaku v systému. Při throttlingu je možné v případě poklesu výkonu mírně snížit spotřebu. Grafy spotřeby elektrické energie v závislosti na průtoku kapaliny pro různé způsoby regulace při konstantním výstupním tlaku jsou na Obr. 2.
Graf spotřeby energie při frekvenční regulaci má dvě vlastnosti: za prvé, při nízkých průtocích se „vychyluje nahoru“ v důsledku nestability provozního režimu čerpadla při nízkých průtocích; za druhé, při maximálním průtoku kapaliny je ovlivněna účinnost frekvenčního měniče a spotřeba energie je vyšší než u jiných způsobů řízení.
Při výpočtu odstředivých čerpadel lze akceptovat následující závislosti [1]:
— produktivita (průtok) je přímo úměrná rychlosti rotoru;
— tlak je přímo úměrný druhé mocnině rychlosti rotoru;
— spotřeba energie je úměrná třetí mocnině rychlosti rotoru.
Při škrcení se průtok snižuje, ale zvyšuje se tlak na výstupu z čerpadla, takže spotřeba energie mírně klesá s poklesem průtoku. Změnu spotřeby energie lze odhadnout z charakteristických křivek nebo pomocí empirického vzorce.
Pdr a Pnom — spotřeba energie při škrcení a v optimálním provozním bodě,
Qdr a Qnom — průtok při škrcení a v optimálním provozním bodě.
Kromě přímých úspor energie je třeba počítat se zvýšenými náklady:
— Předpokládá se, že účinnost střídače je při zohlednění nákladů na chlazení 90 %.
— Zavedení střídače si vyžádá kapitálové výdaje, které se hned tak nevrátí. Pro posouzení ekonomického efektu je proto nutné vzít v úvahu diskontní sazbu podle metodiky přijaté v podniku, obvykle hovoříme o 10–30 % ročně.
Přístup k výpočtu energetické účinnosti ventilátorů je do značné míry konzistentní s výpočtem odstředivého čerpadla.
4. Příklad výpočtu úspor energie
Jako příklad uvažujme skutečnou čerpací stanici sestávající ze 4 čerpadel. Svého času byla stanice navržena s perspektivou růstu, ale stále pracuje v režimu s jedním provozním čerpadlem. Pro vyrovnání provozní doby jednotek dochází jednou za měsíc k přepnutí na další čerpadlo. Regulace tlaku na výstupu ze stanice je zajištěna klapkou, tedy škrcení.
— Značka čerpadla 300D90A;
— výkon čerpadla QOpt= 1250, m3/hod;
– hlava NOpt= 54, m (vodní sloupec);
— značka elektromotoru AIR355 C4U3;
— mechanický výkon P = 250, kW;
— rychlost otáčení n = 1490/min;
— napájecí napětí U = 380, V;
— proud motoru I = 437, A;
— tlak na výstupu z čerpací stanice pout = 2,3 kgf/cm2;
— vstupní tlak čerpadla pin = 0,3 kgf/cm2;
– spotřeba vody za měsíc VMěsíc = 330 000 m3;
— typ regulace — škrcení.
Rýže. 3. Skupina charakteristických křivek pro čerpadlo 300D70
Na Obr. Obrázek 3 ukazuje charakteristické křivky a polohu optimálního pracovního bodu při různých otáčkách rotoru pro čerpadlo 300D70 s podobnými parametry [2].
Při řízení recirkulací čerpadlo pracuje v režimu blízkém optimálnímu, při maximálním (optimálním) výkonu, bez ohledu na průtok vody. Spotřeba mechanické energie se rovná jmenovitému výkonu motoru, spotřeba elektrické energie bude stejná, ale s přihlédnutím k účinnosti motoru a cos (ϕ). Spotřebu energie lze vypočítat z údajů z pasu.
Při ovládání škrcení se pracovní bod čerpadla posouvá do oblasti vyššího tlaku a nižšího průtoku, spotřeba energie klesá, ale účinnost čerpadla prudce klesá. Snížení spotřeby energie lze posoudit pomocí grafů charakteristických křivek čerpadla nebo pomocí přibližného vzorce:
Vypočítejme otáčky rotoru čerpadla na základě podmínek snížené produktivity a tlaku.
Pracovní bod, který poskytuje požadovaný výkon, bude dosažen při otáčkách čerpadla mezi nH и nQ. Předpokládejme, že frekvence otáčení rotoru bude vyšší.
Otáčky motoru jsou řízeny pomocí frekvenčního měniče (VFC). Účinnost střídače s výkonem nad 100 kW nebývá horší než 95 %. Když to vezmeme v úvahu, spotřeba energie bude
Spočítejme si náklady na elektřinu pro tři možnosti regulace. Předpokládejme, že cena elektřiny je 5 rublů/kWh. Předpokládejme, že počet hodin za měsíc bude 730. Vzhledem k tomu, že pro výkonné elektromotory cos (ϕ) > 0,9 vezměme činný výkon rovný jalovému výkonu.
| Způsob regulace výkonu čerpací stanice | Spotřeba energie, kW | Spotřeba energie za měsíc, kWh | Cena elektřiny za měsíc, tisíc rublů. |
| Recirkulace | 288 | 210 240 | 1051 |
| Škrcení | 196 | 143 080 | 715 |
| HPV | 66 | 48 180 | 241 |
Cena elektroinstalace s měničem 250 kW se pohybuje od 1200 3200 tisíc rublů. (minimální konfigurace) až 3 tisíc rublů. (konfigurace s redundancí a „měkkým“ spínáním několika čerpadel). Doba návratnosti implementace střídače tak bude 7 až 5 měsíců. S přihlédnutím k načasování uvedení do provozu a zlevnění se doba návratnosti prodlouží, ale nepřesáhne 9–5,5 měsíců. Následně můžete počítat s úsporou XNUMX milionu rublů. v roce. Dalších úspor lze dosáhnout snížením opotřebení a zvýšením spolehlivosti čerpací stanice a potrubního systému. Zařazení střídače do automatizovaného řídicího systému vám umožní rychle sledovat a ovládat čerpací stanici z dispečinku, což zase uvolní část personálu.
Obrázek 4. Diagram celkových nákladů na vlastnictví čerpací stanice
Obrázek 4 ukazuje diagram znázorňující celkové náklady na vlastnictví příkladu čerpací jednotky na základě 10letého životního cyklu. Elektřina i při použití střídače zůstává hlavním zdrojem nákladů. Pro snížení celkových nákladů na vlastnictví je proto nutné věnovat maximální pozornost snižování nákladů na energie.
Zavedení měničů do techniky pohonů může přinést znatelný ekonomický efekt nejen z úspor energie, ale také z automatizace řízení a zvýšení životnosti systému jako celku. Hlavní věcí je správně vypočítat očekávaný výsledek ve fázi vývoje řešení a zvolit optimální technické řešení. Bezmyšlenkovitá implementace frekvenčního měniče může naopak vést buď k prodloužení doby návratnosti, nebo dokonce k nerentabilnosti řešení.
1. Čerkasskij V.M. Čerpadla, ventilátory, kompresory: učebnice pro tepelné a energetické obory vysokých škol / V.M. Čerkasskij – 2. vyd., přepracované. a doplňkové – M.: Energoatomizdat, 1984. – 416 s.
Naznačují to provedené studie oběhová čerpadla pro topné systémy mají obecně příliš velký výkon a pracují s velmi nízkým provozním koeficientem účinnosti (účinnosti). Hlavní důvody tohoto jevu jsou: nesprávný pomocný náhon a špatné hydraulické ovládání. Důsledky: příliš mnoho elektrické energie, nerovnoměrné rozložení tepelné energie a nadměrný hluk. Pokud byly parametry určeny přesně a oběhová čerpadla, na trhu, byly použity správně, bylo možné ušetřit až 60 % elektrické energie.
Již se značně rozšířilo, že v topných systémech, stejně jako při použití velkých elektrických a osvětlovacích spotřebičů, jsou velké možnosti energetických úspor. sbohem oběhová čerpadla pracovat bez přerušení, uživatelé věnují těmto důležitým funkčním součástem systémů malou pozornost. Pokud čerpadlo selže, lze jej rychle vyměnit. Stačí věnovat pozornost seznamu čerpadel nabízených výrobci a jmenovitým hodnotám potřebným pro připojení. To je v podstatě to, co dělají, zapomínají na potřebné výpočty. Málokdy někoho napadne, jak optimálně začlenit oběhové čerpadlo do stávajícího systému.
Oběhová čerpadla mají přebytečný výkon
Příliš málo pozornosti se věnuje tomu, kolik energie oběhová čerpadla spotřebují. Vzhledem k jejich elektrickému výkonu se zdají být úsporné, ale jsou neustále používány, a proto výrazně zvyšují spotřebu elektrické energie. Často se stává, že podíl tepelných čerpadel na celkovém objemu spotřebované elektřiny v rodinných domech nebo dvou rodinných domech je více než 10% a ve vícebytových domech – 5-10%.
Analýza provedená v rámci švýcarského programu „impuls“ ukázala, že provoz oběhových čerpadel představuje cca 3.5 % celkové spotřeby elektrické energie. Tento výsledek se shoduje s výsledky studií, které byly provedeny v Německu, kde je daný podíl cca 15 miliard kW/h ročně. Bylo také stanoveno, že oběhová čerpadla mají v zásadě přebytek výkonu, a proto pracují s mnohem horší provozní účinností, než jaká je možná při správném určení parametrů. Množství spotřebované energie se zbytečně obvykle prudce zvyšuje v důsledku přetlaku a objemu přepravovaného proudu. To může vést zejména k hluku v termostatických ventilech topných těles.
Výzkumníci naznačují, že relativní potenciál úspory energie je více než 60 %, ale toho lze dosáhnout pouze tehdy, pokud jsou oběhová čerpadla správně dimenzována, napájena a správně provozována. Nemluvíme přitom o žádných „revolučních“ technických novinkách. Realizace příležitostí k úsporám energie je dána pouze použitím přesných metod pro stanovení parametrů, výběrem nejhospodárnějších čerpadel a jejich racionálním využitím.
Bylo například zjištěno, že čerpadla jsou velmi často v provozu i po skončení topné sezóny. V mnoha instalacích běží oběhová čerpadla vždy na vysoký výkon, a to nejen ve dne, ale i v noci, což vůbec nedává smysl. Zdá se, že provozní čerpadla zřídka kontrolují otáčky nebo provádějí vhodnější úpravy.
Špatná hydraulická regulace
Různé studie dospěly k obecnému závěru, že důležitým důvodem špatného dimenzování čerpadla je chybějící hydraulické ovládání příslušných topných zařízení. Špatný hydraulický výkon je pozorován nejen v mnoha malých instalacích, které kvantitativně převažují, ale také ve velkých. Spolu se spotřebiteli, kteří přijímají málo tepelné energie, existuje mnoho spotřebitelů, kteří jí přijímají příliš mnoho. Pro vyrovnání polohy jednotky pracují se zvýšeným tlakem a větším objemem dopravovaného průtoku.
Studie problémů, se kterými se setkáváme v teplárenství, ukázala, že výrobci a projektanti topných systémů jsou velmi rychle v pokušení řešit hydraulické problémy a napravovat nedostatky v tepelných okruzích zvýšením výkonu čerpadla. Pokud jsou systémy dobře nastaveny, pak každá provozní jednotka obdrží maximální objem přepravované vody nezbytný pro svůj provoz. Po seřízení instalace a správném zvolení režimu vytápění se ukáže, jak nízký může být požadovaný objem dopravovaného průtoku. Ale dodnes řada výrobců topných systémů své systémy nereguluje.
Nejmenší čerpadlo s výkonem 5-20 W je realitou
Více než 80 % všech topných zařízení se nachází v soukromých a vícebytových domech. Při typické potřebě topné energie 20 kW (pro rodinné domy postavené v minulosti) a při obvyklé regulaci systému na 70/50 °C pro jmenovité zatížení je požadovaný objem dopravované vody menší než 1000 l/ h. V nových domech je potřeba jen polovina, tedy 10 kW a 500 l/h. Je však nepravděpodobné, že na trhu najdete oběhová čerpadla, jejichž nejlepší provozní režim je nižší než 1500 litrů za hodinu.
Švýcarští inženýři zároveň výrobcům čerpadel ukázali, co se dá dělat. Vyvinuli oběhové čerpadlo, jehož přizpůsobivost (5-20 W) a účinnost (až 40 %) vysoce převyšují všechna aktuálně dostupná čerpadla. Je téměř zbytečné hledat na trhu oběhová čerpadla s příkonem menším než 20 W. Nejvyšší účinnost malých čerpadel s výkonem do 100 W je 3-20%. V instalacích s výkonem topného okruhu do 25 kW (rodinné domy, rozvody mezi byty v bytových domech apod.) se účinnost provozu pohybuje mezi 1 % a 10 %, což je spojeno s neuspokojivým přizpůsobením.
Ale i když čerpadla v tomto případě pracují na nejvyšší účinnost, často chybí kvalitní hydraulická regulace (velký průtok vody) nebo jsou instalovány komponenty s příliš velkou tlakovou ztrátou a tlakové ventily (ty často přijdou na pomoc, pokud jsou zjištěny hydraulické nedostatky).
Výkonná čerpadla znamenají spokojené zákazníky
Přístup, který zahrnuje optimalizaci hydraulických poměrů a provozních parametrů otopných soustav při plánování investic, se z ekonomického hlediska ukazuje jako výhodnější než nahodilé řešení problému. Můžete tak dosáhnout výrazného snížení spotřeby energie, což je dobré jak pro vaši peněženku, tak pro životní prostředí. Uživatelé topných systémů mají další výhodu: mají možnost zbavit se nadměrného hluku a zvyšuje se kvalita dodávky tepla. A spokojení zákazníci jsou cenným přínosem pro každou společnost, která navrhuje a provádí související práce.
Nové záznamy na inbud.ru
