Оценка экономической эффективности внедрения ЧРП

В настоящее время предлагается множество методик оценки экономической эффективности использования ЧРП в различных сферах производственной деятельности.

Представленные методические рекомендации имеют цель выработать с высокой степенью достоверности решения о целесообразности применения ЧРП на конкретных объектах и обеспечить эффективное расходование средств направленных для решения задач энергосбережения.

Мощность, потребляемая электродвигателем насоса определяется по (3.1). Изменение основных параметров работы насосного агрегата при изменении скорости вращения рабочего колеса насоса ("формулы подобия") определяются по (3.2). В последнем соотношении индексы 1 и 2 относятся к сравниваемым режимам работы.

Для оценки необходимы исходные данные. Паспортные (номинальные) данные насоса и его приводного двигателя: мощность насоса, кВт; КПД насоса; напор насоса, м; подача насоса, м³/ч; мощность двигателя, кВт; ток двигателя, А КПД двигателя; сos j двигателя.

Основные данные для расчета получают экспериментально при различных режимах работы насосного агрегата с помощью соответствующих технических средств.

1. Результаты замеров при полностью закрытой напорной задвижке: мощность P _min, кВт или ток I _min, А.

Замеры следует проводить максимально оперативно для исключения возможности перегрева двигателя.

2. Результаты замеров при полностью открытой напорной задвижке: мощность P _max, кВт или ток I _max, А, Q _max, м³/ч.

Замеры следует проводить во время максимального разбора воды (например: в 8…10 ч и 18…20 ч для жилых потребителей, в 13…15 ч для административных зданий и т.п.).

По полученным данным строится график зависимости потребляемой мощности АД Р от относительного расхода воды Q/Q _max при различных способах регулирования.

Для потребляемой мощности при дросселировании

P _дрос = Р _min + (Р _max - Р _min)·(Q/Q _max).(3.3)

Для потребляемой мощности при частотном регулировании

P _чрп = Р _max · (Q / Q _max)³. (3.4)

Зависимость потребляемой мощности при дросселировании P _дрос от относительного расхода Q / Q _max является практически линейной и строится на графике соединением точек Р _max и Р _min прямой линией.

Зависимость потребляемой мощности при использовании ЧРП P _чрп от относительного расхода Q / Q _max определяется соотношением (3.2) и строится по (3.4) с шагом, например, 0,25 (0, 0,25, 0,5, 0,75, 1,0).

Пример построения указанных зависимостей представлен на рис. 3.1. Для дальнейшей оценки необходима информации о загрузке насоса. Для этого строится усредненный суточный график расхода воды за типовые (примерно с одинаковым расходом воды) сутки. Замеры производят по расходомеру в течении 3…5 типовых суток. Интервал замеров устанавливается 1…4 ч (чем меньше, тем точнее усредненный график будет соответствовать реальному графику расхода воды). По результатам замеров строится усредненный суточный график расхода воды (рис. 3.7).

Оценка экономической эффективности внедрения ЧРП основана на определении разницы потребления электроэнергии при регу-лировании напора насоса путем дросселирования напорной задвижкой и при регулировании с помощью ЧРП.

Расчеты выполняются с использованием экспериментальных данных из таблицы замеров (рис. 3.7).

Определяется годовая экономия электроэнергии

где Δ t_i – интервал времени между замерами, ч;

n – количество интервалов времени за сутки;

Т _с – число часов работы насоса в год.

Экономический эффект от замены дросселирования на ЧРП определяется с учетом тарифа Т _э, принятому на объекте в данной энергосистеме и с учетом поправочного коэффициента к _ср.

Снижение затрат на электроэнергию при замене дрос-селирования на ЧРП определяется

Δ С _э = к _ср ·Δ W _г· Т _э , руб./год.

Поправочный коэффициент к _ср, учитывает вид транспортируемой рабочей среды и установлен по результатам экспериментальных исследований для холодной воды 1,15; для горячей – 1,2; для воздуха – 1,1; для жидкого топлива 1,02.

Срок окупаемости средств, вкладываемых на замену дрос-селирования на ЧРП, определяется

где с _чрп – стоимость оборудования ЧРП и его установки, год.

При принятии решения о целесообразности внедрения ЧРП следует учитывать, что кроме экономического эффекта применение ЧРП реализует также следующие технические возможности:

- большую часть времени насосы работают при пониженных давле­ниях, что снижает утечки в сис­теме водоснабжения;

- снижается износ коммутационной аппаратуры, т.к. ее переключе­ния происходят при отсутст­вии нагрузки;

- снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыль­чатки за счет плавного изменения числа оборотов, отсут­ствия больших пусковых токов;

- уменьшается опасность аварий за счет исключения гидравличе­ских ударов;

- обеспечивается одновременная защита двигателя от токов корот­кого замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, неполнофазного режима, недопустимых перенапряжений;

- снижается уровень шума, что особенно важно при расположе­нии насосов вблизи жилых или слу­жебных помещений;

- снижается износ запорной арматуры, т.к. большую часть вре­мени задвижки полностью от­крыты;

- упрощается дальнейшая комплексная автоматизация систем объ­ектов.

Экономия электроэнергии за счет замены

малозагруженных электродвигателей

Если средняя загрузка двигателя составляет менее 45% номинальной мощности, то замена его менее мощным двигателем всегда экономически целесообразна и проверка расчетами не требуется. При нагрузке двигателя более 75% номинальной мощности его замена нецелесообразна. При нагрузке электродвигателя в пределах 45…70% номинальной мощности целесообразность его замены двигателем меньшей мощности должна быть обоснована. С этой целью определяют суммарные потери активной мощности в системе электроснабжения и в электродвигателе до замены и после замены двигателя. Если окажется, что < , то такая замена целесообразна:

,

где - реактивная мощность, потребляемая электродвигателем из сети при холостом ходе, квар;

^,

здесь I _х.х- ток холостого хода двигателя, А; U _дв.ном – но-
минальное напряжение двигателя, В;

k _з - коэффициент загрузки двигателя,

k _з = Р/Р _дв.ном,

здесь Р - средняя нагрузка двигателя, кВт; Р _дв.ном – номи-
нальная мощность двигателя, кВт;

- реактивная мощность двигателя при номинальной
нагрузке, квар,

здесь h _дв. - КПД двигателя при полной нагрузке, о.е;
tg φ _ном - номинальный коэффициент реактивной мощно-
сти двигателя;

k _ип - коэффициент изменения потерь (табл. 3.1), кВт/квар;

- потери активной мощности при холостом ходе двигате-
ля, кВт,

- прирост активной мощности в двигателе при нагрузке 100 %, кВт,

здесь γ - расчетный коэффициент, зависящий от конструк-
ции двигателя и определяемый из выражения

Δ Р _{х.х отн.} - потери холостого хода в долях активной мощ-
ности, потребляемой двигателем при нагрузке 100 %, о.е.

3.5. Экономия электроэнергии при компенсации
реактивной мощности

Вопрос компенсации реактивной мощности является комплексным и содержит как техническую, так и экономическую составляющую. С технической точки зрения применение емкостных источников реактивной мощности оказывает существенное влияние на уровень напряжения у потребителей и является мощным средством для его регулирования. С экономической точки зрения применение компенсации реактивной мощности обеспечивает снижение потерь активной мощности в элементах электрической сети и, как следствие, повышение экономической эффективности ее эксплуатации.

Реактивная мощность потребляется как электроприемниками, так и элементами сети. Реактивная мощность, потребляемая объектами, распределяется между отдельными видами приемников электроэнергии следующим образом: 65 % приходится на асинхронные двигатели (АД), 20…25 % - на силовые трансформаторы и около 10 % - на воздушные электрические сети и другие электроприемники (люминесцентные лампы, реакторы и т. п.).

При передаче потребителям активной Р и реактивной Q мощностей в системе электроснабжения имеют место потери активной мощности

где Δ Р _р и Δ Р _а – потери активной мощности при передаче реактивной
и активной мощности соответственно.

Снижение реактивной мощности, циркулирующей между источником тока и приемником, а следовательно, снижение реактивного тока в генераторах и сетях, называют компенсацией реактивной мощности (КРМ).

Снизить потребление реактивной мощности, а следовательно, и потери активной мощности можно двумя способами: без применения и с применением компенсирующих устройств (КУ).

Первый способ – выполняются следующие мероприятия:

- упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима работы оборудования, к повышению коэффициента мощности соs φ;

- переключение статорных обмоток АД напряжением до 1 кВ с треугольника на звезду, если их загрузка составляет менее 40 %;

- установка ограничителей холостого хода АД;

- замена или отключение силовых трансформаторов, загруженных менее чем на 30 % их номинальной мощности;

- замена мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности;

- замена асинхронных двигателей (АД) на синхронные двигатели (СД) той же мощности и применение СД для всех новых установок и при реконструкции существующих, где это возможно по технико-экономическим соображениям;

- регулирование напряжения, подводимого к двигателю при тиристорном управлении;

- повышение качества ремонта двигателей с сохранением их номинальных данных;

- правильный выбор электродвигателей по мощности и типу.

Мощность электродвигателей необходимо выбирать в соответствии с режимом производственного оборудования, без излишних запасов.

Второй способ – выполняются следующие мероприятия:

- применение в качестве КУ батарей конденсаторов;

- применение в качестве КУ синхронных двигателей.

Основные достоинства батарей конденсаторов следующие:

- малые потери активной мощности (0,3…0,45 кВт на 100 квар);

- отсутствие вращающихся частей и их малая масса (нет необходимости в фундаменте);

- простая и дешевая эксплуатация по сравнению с другими КУ;

- возможность изменения их мощности при необходимости;

- возможность установки в любой точке сети.

В установках напряжением до 1 кВ конденсаторы включаются в сеть и отключаются от сети с помощью автоматических выключателей, рубильников или тиристорных ключей. В установках напряжением выше 1 кВ для включения и отключения конденсаторов служат выключатели высокого напряжения или выключатели нагрузки.

Для безопасности обслуживания отключенных конденсаторов необходимо снятие электрического заряда с батарей, для чего используются разрядные резисторы. В системах промышленного электроснабжения применяются, как правило, комплектные конденсаторные установки.

К недостаткам конденсаторных батарей можно отнести:

- зависимость генерируемой реактивной мощности Q _КБ от напряжения и частоты:

Q_КБ = Q_КБ.ном

где k_U, k_f - отношение напряжения при отклонении напряжения и
частоты сети от номинального значения к напряжению в
номинальном режиме.

- опасность возникновения пробоя конденсаторных батарей при наличии высших гармоник тока и напряжения в сети.

Зависимость мощности конденсаторной батареи от квадрата напряжения снижает устойчивость нагрузки, что может привести к лавине напряжения.

СД широко применяются для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и т.д. Такие СД выпускаются с номинальным опережающим cos φ = 0,9 и могут длительно работать в режиме перевозбуждения, т.е. генерации реактивной мощности.

Техническая возможность использования СД в качестве источника реактивной мощности ограничивается максимальной мощностью, которую он может генерировать без нарушения условий допустимого нагрева обмоток и железных частей ротора и статора. Эта мощность называется располагаемой реактивной мощностью СД и определяется по выражению

где α _доп – коэффициент допустимой нагрузки СД, зависящей от его
загрузки по активной мощности, и определяемый по
табл. 3.2.

Таблица 3.2

Значение коэффициента α _доп в зависимости от типа СД,

его номинального напряжения U _ном и коэффициента загрузки k _з

Тип СД, U ном (все частоты вращения)	U c /U ном	Значения α доп при
k з =0,9	k з =0,8	k з =0,7
СДН, 6-10 кВ	0,95	1,31	1,39	1,45
1,00	1,21	1,27	1,33
1,05	1,06	1,12	1,17
СД, СДЗ, 0,38 кВ	0,95	1,16	1,26	1,36
1,00	1,15	1,24	1,32
1,05	1,10	1,18	1,25
1,10	0,90	1,06	1,15

Целесообразная загрузка СД реактивной мощностью определяется дополнительными потерями активной мощности на генерацию реактивной мощности и оказывается значительно ниже располагаемой реактивной мощности.

Максимальная реактивная мощность, генерируемая СД напряжением 6…10 кВ, которая может быть передана в сеть напряжением до 1 кВ без увеличения числа трансформаторов n, выбранных по нагрузке:

где S _тр.ном - номинальная мощность трансформатора;

k _з - коэффициент загрузки трансформатора;

Р - нагрузка сети 0,38 кВ;

n - число трансформаторов.

Чем ниже значение номинальной мощности и частоты вращения СД, тем больше потери в СД на генерацию реактивной мощности.

Достоинством СД как источника реактивной мощности является возможность плавного регулирования выдаваемой им реактивной мощности. В сетях напряжением 0,38…0,66 и 6…10 кВ для компенсации реактивной мощности следует, в первую очередь, использовать работающие СД, а затем дополнительно, если необходимо, батареи конденсаторов.

Компенсация реактивной мощности у потребителей позволяет:

- снизить ток в передающих элементах сети, что приводит к уменьшению сечения кабельных и воздушных линий:

где S _{p ,} I _р - расчетные полная мощность и ток после компенсации
реактивной мощности соответственно;

Q - реактивная мощность до компенсации;

Q _КУ - мощность компенсирующих устройств;

Р _р - расчетная активная мощность;

- уменьшить полную мощность, что снижает мощность трансформаторов и их число:

,

где S^' _p - расчетная полная мощность до компенсации,

- уменьшить потери активной мощности, а следовательно, и мощности генераторов на электростанциях:

где - потери активной мощности до и после компенса- ции реактивной мощности.