4. Эффективность применения частотно-регулируемых электроприводов

В подавляющем большинстве случаев электроприводы технологических установок транспорта углеводородного сы­рья являются нерегулируемыми, что не обеспечивает режим рационального электропотребления. Выбранные по максиму­му производительности эти рабочие машины могут значи­тельную часть времени работать с меньшей производитель­ностью и со значительным удельным расходом энергии на транспорт перекачиваемой жидкости или газа.

Существующие в настоящее время системы нерегулируе­мого электропривода турбомашин с регулированием расхода дросселированием (задвижкой) не обеспечивают заметного снижения потребляемой мощности при уменьшении расхода.

Мощность Р (в кВт), потребляемая турбомашиной, опреде­ляется по формуле

(7.13)

где Q — расход, м³/с; Н — напор, м; g = 9,8 — ускорение свободного падения, м/с²; ρ — плотность перекачиваемой жидкости или газа; кг/дм³; η — КПД установки, η= η_д·η_т·η_п; η_д,η_т,η_п — КПД соответственно электродвигателя, турбомашины и преобразователя частоты.

Определим потребляемую мощность при регулировании расхода (подачи) задвижками для случая, когда привод турбомашины нерегулируемый. Регулирование расхода турбомашины в этом случае можно осуществлять дросселированием с помощью задвижки 1 (рис. 3, а) и перепуском с нагне­тания на всас при помощи задвижки 2.

Рис. 3 Схема регулирования расхода турбомашины задвижками (а) и характеристики О-Н(б) турбомашины, оснащенной частотно-регулируемым электроприводом 1, 2, и гидравлической сети 3, 4, 5.

При работе в номинальном режиме (рис. 3, б, точка А), т.е. при номинальных значениях расхода Q_ном и напора H_ном, мощность, потребляемая из сети, будет пропорциональна площади прямоугольника АВ0С. Точка А номинального режи­ма получается в результате пересечения характеристики тур­бомашины (кривая 1) с характеристикой гидравлической сети (кривая 3). Если требуется уменьшить расход до значения 0,6 Q_ном, то с помощью задвижки 1 (см. рис. 3, а) нужно увеличить гидравлическое сопротивление сети, которой те­перь будет соответствовать характеристика 4 (см. рис. 3, б). Мощность, потребляемая из электрической сети, будет те­перь пропорциональная площади прямоугольника EF0D.

Расход можно уменьшить, не используя задвижку, а уменьшив скорость приводного двигателя турбомашины. При этом получим регулировочную характеристику турбомашины (кривая 2) и установившийся режим работы в точке К, полу­ченной в результате пересечения характеристик 2 и 3 (см. рис. 3, б).

Мощность, потребляемая из сети, в этом случае будет пропорциональна площади прямоугольника KF0G.

При применении регулируемого электропривода и отказе от регулирования задвижкой получили снижение потребляв­ши мощности, пропорциональной площади прямоугольника EKGD.

Регулирование задвижкой 1 (дросселирование) является весьма неэкономичным способом регулирования расхода. Кроме того, при таком способе регулирования происходит увеличение напора (точка D), что приводит к дополнительным утечкам и неблагоприятно сказывается на работе запорно-регулирующей арматуры.

Еще больше непроизводительные потери будут при регу­лировании перепуском с нагнетания на всас. В этом случае не полностью открывают задвижку 2 (см. рис. 3, а), умень­шая общее гидравлическое сопротивление (характеристика 5). Общий расход турбомашины при этом возрастает до Q_М, складываясь из требуемого расхода в сети Q_F и расхода на циркуляцию Q_M — Q_F. В этом случае возникают непроизво­дительные затраты энергии, пропорциональные площади прямоугольника LMFK.

Преобразование частоты связано с потерями энергии в выпрямителе и инверторе ПЧ. Возникает вопрос об опреде­лении границы регулирования дросселированием и примене­нии частотно-регулируемого электропривода.

Принимаем допущение, что доля потерь энергии при регулировании задвижкой пропорциональна глубине регулирова­ния давления

, доля потерь энергии при регу*-000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000(14)

где Н₃ — потеря напора на задвижке; Н_Т — напор, разви­ваемый турбомашиной.

Непроизводительные потери мощности при регулиро­вании задвижкой с учетом потерь в двигателе определяются по формуле

, (15)

где Р_д — мощность, потребляемая двигателем из сети.

При использовании частотно-регулируемого электропри­вода и отказе от регулирования задвижкой мощность, по­требляемая электродвигателем от ПЧ,

, (16)

где , - КПД соответственно турбомашины и двигателя, соответствующие естественным характеристикам; , - КПД соответственно турбомашины и двигателя на регулиро­вочных характеристиках.

При этом имеется в виду, что относительная глубина регу­лирования давления в обоих случаях является одинаковой.

Мощность, потребляемая частотно-регулируемым электро­приводом из сети,

, (17)

где — КПД преобразователя частоты.

Потери мощности в ПЧ определяются по формуле

. (18)

Подставив значение Р_д.р из (16) в (18), получим

, (19)

С точки зрения снижения потерь энергии при заданной глубине регулирования давления а частотно-регулируемый электропривод будет экономичнее регулирования задвижкой,

. (20)

Воспользовавшись формулами (15) и (19) и приняв обозначение

, (21)

получим

. (22)

Неравенство (22) справедливо, если

или

. (23)

формулы (21) и (23) позволяют определить значение КПД ПЧ, при котором для заданной глубины регулирования давления а частотно-регулируемый электропривод с точки зрения потерь энергии будет экономичнее регулирования за­движкой. Поскольку КПД современных ПЧ достаточно вы­сокий (0,96 — 0,98), то частотно-регулируемый электропривод экономичнее регулирования задвижкой при глубине регули­рования давления > (0,03÷0,05).

При применении частотно-регулируемого электропривода может быть достигнута экономия электроэнергии до 20 — 30 % по сравнению с регулированием расхода дросселированием потока. При этом энергосберегающий эффект будет достиг­нут тем выше, чем больше неравномерность графика потреб­ления жидкости (газа).

Помимо энергосбережения применение частотно-регули­руемого электропривода обеспечивает ресурсосберегающий эффект за счет уменьшения утечек перекачиваемого вещест­ва через уплотнения и увеличения в 2 — 3 раза межремонтных периодов перекачивающих агрегатов и запорной арматуры, функционирующих в щадящих режимах.