Применимость

Компрессоры, оснащенные приводом с переменной скоростью, могут применяться в различных отраслях, включая, например, металлургию, а также пищевую, текстильную и химическую промышленность, в тех случаях, когда имеют место значительные колебания уровня потребления сжатого воздуха. В ситуации, когда компрессоры непрерывно работают при полной или близкой к полной нагрузке, использование привода с переменной скоростью не приводит к значимому энергосбережению и не является оправданным (см. «Примеры» ниже).

Компрессоры с приводом переменной скорости могут быть установлены в существующей системе сжатого воздуха. Более того, регулятором частоты может быть оборудован уже имеющийся привод компрессора, рассчитанный на эксплуатацию с постоянной скоростью. Однако при совместной поставке двигателя и регулятора достигается больший эффект, поскольку эти устройства специально подбираются для максимально эффективной работы в определенном диапазоне скоростей. Целесообразно ограничить применение технологии приводов с переменной скоростью более современными компрессорами, поскольку при ее использовании со старыми компрессорами возможны проблемы. При наличии сомнений следует проконсультироваться с производителем или специалистом по системам сжатого воздуха.

Многие системы сжатого воздуха уже оборудованы приводами с переменной скоростью, так что потенциал для внедрения этой технологии в промышленности составляет около 25% существующих систем. Объем энергосбережения может достигать 30%, хотя средний эффект, достигаемый при добавлении к системе одного компрессора с приводом переменной скорости, составляет около 15%. Весьма вероятно, что установка компрессора с приводом переменной скорости оказалась бы полезным мероприятием для многих систем сжатого воздуха, в настоящее время не имеющих такого компрессора.

Экономические аспекты

Как правило, на энергию приходится 80% затрат за весь жизненный цикл компрессора, тогда как оставшиеся 20% приходятся на капитальные затраты и техническое обслуживание. Предприятие, где (согласно консервативной оценке) энергопотребление компрессора снижается на 15%, экономит 12% затрат за его жизненный цикл, в то время как дополнительные затраты на приобретение компрессора с приводом переменной скорости (вместо традиционного) увеличивает затраты за жизненный цикл всего на 2–5%.

Мотивы внедрения

Основными мотивами являются экономические и экологические соображения.

Примеры

На предприятии Norwegian Talc Ltd. в г. Хартлпул (Великобритания) были проведены испытания производительности установленного 18 месяцев назад винтового компрессора в соответствии со стандартом BS1571. При работе компрессора на уровне 50% номинальной производительности достигалось снижение энергопотребления на 9,4 кВт (или 9% потребляемой мощности при полной нагрузке). При меньшей нагрузке при определенных условиях экономия энергии была еще больше. Однако при работе в режиме полной нагрузки энергопотребление было на 4% выше вследствие потерь энергии в регуляторе частоты. Поэтому приводы с переменной скоростью не следует использовать с компрессорами, работающими в условиях нагрузки, близкой к полной, на протяжении длительных периодов.

Справочная информация

[168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007, 195, DETR]

3.7.3. Высокоэффективные электродвигатели

Общая характеристика

Хотя официального определения высокоэффективного электродвигателя не существует, под этим термином обычно понимаются двигатели, в которых потери сведены к минимально возможному уровню. Приоритетом при проектировании высокоэффективных двигателей является минимизация как электрических, так и механических потерь с целью снижения

239

энергопотребления устройства. В мире существует ряд классификаций электродвигателей с точки зрения энергоэффективности. В рамках этих классификаций высокоэффективные двигатели относятся к высшим категориям, например, EFF1, NEMA premium и т.п. (см. раздел 3.6.1).

Экологические преимущества

Энергосбережение.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

•меньший потребляемый ток;

•меньшее тепловыделение.

Производственная информация

Данных не предоставлено.

Применимость

Поскольку пониженный уровень потерь не накладывает ограничений на возможные применения двигателя, высокоэффективные двигатели могут применяться практически повсеместно. Такие двигатели уже применяются в большинстве крупных систем (75% всех систем); большую часть оставшихся 25% составляют более мелкие системы.

Экономические аспекты

Снижение энергопотребления даже на величину, которая кажется незначительной, – например, на 1–2% – способно привести к значительной общей экономии за весь срок службы двигателя.

Мотивы внедрения

Снижение затрат.

Примеры

Данных не предоставлено.

Справочная информация

[168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007, 195, DETR]

3.7.4. Централизованная система управления системой сжатого воздуха

Общая характеристика

На большинстве предприятий КПКЗ в состав системы сжатого воздуха входит несколько компрессоров. Общая энергоэффективность такой системы может быть существенно повышена за счет внедрения центрального управляющего устройства (системы управления), способного получать производственную информацию от компрессоров и полностью или частично управлять режимами их работы.

Эффективность такого управляющего устройства существенно зависит от возможностей коммуникационных каналов между ним и производственным оборудованием. Конкретная реализация этих каналов может варьировать от простых реле с плавающим контактом до сетей, использующих протоколы систем автоматизации производства. Усовершенствование каналов связи открывает дополнительные возможности для получения производственной информации от компрессоров, управления работой отдельных компрессоров, а также оптимизации общего энергопотребления системы сжатого воздуха.

Стратегия управления, реализуемая при помощи управляющего устройства, должна учитывать характеристики отдельных компрессоров и, в частности, допускаемые ими режимы управления. Ниже приводится обсуждение типичных режимов управления компрессорами и их влияния на общие подходы к управлению системой. Наиболее распространенными режимами управления отдельными компрессорами являются:

•переключение между режимами нагрузки (рабочего хода), холостого хода и остановки;

240

•плавное регулирование частоты вращения.

Развитая современная система управления системой сжатого воздуха в сочетании с управляющими устройствами отдельных компрессоров может обладать следующими характеристиками:

•развитые коммуникационные возможности (например, на основе сетевых протоколов автоматизации);

•полный доступ центрального управляющего устройства к информации о функционировании отдельных компрессоров;

•возможность всестороннего управления режимом работы всех компрессоров со стороны центрального управляющего устройства;

•возможность оптимизации общей стратегии управления на основе самообучения, включая распознавание характерных особенностей конкретной системы сжатого воздуха;

•определение состояний системы (сочетаний нагрузки, холостого хода и остановки отдельных компрессоров), характеризующихся высокой энергоэффективностью, использование этих состояний и переход между ними с целью удовлетворения общей потребности в сжатом воздухе;

•эффективное управление компрессорами с приводами переменной скорости, позволяющее компенсировать краткосрочные колебания потребности в сжатом воздухе и избегать длительной работы компрессоров в неэффективных режимах, в частности, с постоянной низкой скоростью;

•минимизация частоты останова/запуска и продолжительности периодов холостого хода компрессоров с постоянной скоростью;

•использование сложных моделей и методов прогнозирования общего потребления сжатого воздуха, включая, в частности, выявление регулярностей и периодических циклов потребления (например, суточных и недельных циклов, распределения потребностей по конкретным потребителям и т.п.);

•дополнительные функции, например, удаленный мониторинг, сбор информации о производстве, планирование технического обслуживания, возможность дистанционного технического обслуживания и/или передача предварительно обработанной производственной информации через веб-серверы;

•мониторинг состояния и управление другими компонентами системы сжатого воздуха, помимо компрессоров.

Экологические преимущества

•повышение энергоэффективности;

•снижение силы потребляемого тока и тепловыделения.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Отсутствует.

Производственная информация

•в системах с единственным компрессором: оптимальным является режим функционирования системы, при котором компрессор непрерывно работает при постоянной скорости и оптимальном КПД. Однако в условиях, когда потребление сжатого воздуха не является постоянным, остановка компрессора или его перевод на холостой ход во время длительного перерыва в потреблении может оказаться более эффективным решением;

•компрессоры без возможности регулирования скорости работают с постоянной скоростью и могут переключаться между режимами нагрузки (работы с полной производительностью), холостого хода или остановки (в двух последних режимах

241

производительность компрессора является нулевой). В некоторых случаях может быть необходима работа компрессора на холостом ходу вместо остановки. Это имеет место в том случае, когда для обеспечения необходимой производительности и давления системы необходимы более частые переключения между полной и нулевой нагрузкой, чем допустимая частота останова/запуска электропривода.

Мощность, потребляемая компрессором на холостом ходу, как правило, составляет, 20–25% мощности, потребляемой при полной нагрузке. Дополнительные потери связаны с продувкой компрессора при остановке, а также высоким пусковым током электродвигателя. В системах с единственным компрессором частота переключения между режимами непосредственно зависит от динамики нагрузки (потребности в сжатом воздухе), объема резервуара для временного хранения сжатого воздуха, допустимого диапазона давлений в системе, а также номинальной производительности компрессора.

Вслучае неадекватного выбора параметров управления системой средняя эффективность (КПД) компрессора, работающего в прерывистом режиме, может быть значительно ниже, чем в условиях постоянной работы при полной нагрузке. В таких условиях интеллектуальное управляющее устройство, оптимизирующее параметры работы компрессора в прерывистом режиме может быть действенным средством повышения энергоэффективности системы сжатого воздуха. Управляющие устройства разрабатываются и программируются таким образом, чтобы свести к минимуму продолжительность работы на холостом ходу и частоту переключения за счет использования ряда стратегий. В частности, такое устройство может непосредственно останавливать компрессор в ситуации, когда температура двигателя (оцениваемая или измеряемая) допускает немедленный запуск в случае необходимости. Компрессоры с постоянной скоростью могут быть очень энергоэффективными при условии минимизации периодов холостого хода.

•в компрессорах с регулируемой скоростью рабочая скорость может плавно меняться в диапазоне между минимальной и максимальной допустимой скоростью. Как правило, соотношение максимальной и минимальной скоростей составляет 4:1–5:1; при этом производительность объемных компрессоров (например, винтовых) примерно пропорциональна их рабочей скорости. В силу неизбежных потерь в преобразователе частоты и потерь в асинхронном двигателе, связанных с изменением частоты, собственный КПД привода с переменной скоростью всегда оказывается ниже, чем КПД привода с постоянной скоростью (на 3–4% ниже при полной нагрузке и даже на большую величину при частичной нагрузке). Кроме того, КПД объемных компрессоров (например, сухих компрессоров со впрыскиванием масла или сухих винтовых компрессоров) при низких рабочих скоростях значительно ниже, чем при номинальной производительности.

Всистемах с одним компрессором эти негативные эффекты могут быть скомпенсированы за счет оптимального режима регулирования скорости и устранения потерь, связанных с работой на холостом ходу, остановкой и запуском, которые имели бы место при работе в той же системе компрессора с постоянной скоростью. Вследствие ограниченного диапазона рабочих скоростей (см. выше), даже при работе компрессоров с регулируемой скоростью могут иметь место некоторые потери, связанные с работой на холостом ходу, остановкой и запуском.

•системы с несколькими компрессорами. Применительно к системе с несколькими компрессорами приведенные выше рассуждения были бы чрезмерным упрощением, поскольку в таких системах центральное управляющее устройство обеспечивает удовлетворение меняющихся потребностей посредством сложного сочетания режимов работы различных компрессоров и переключения между этими режимами. Стратегии управления такой системой включают также регулирование скорости компрессоров с переменной скоростью, если таковые имеются в системе, с целью минимизации периода работы на холостом ходу и частоты переключения компрессоров с постоянной скоростью.

Добавление компрессора с регулируемой скоростью к системе с несколькими компрессорами может быть крайне полезным в условиях, когда система сжатого воздуха характеризуется относительно небольшой вместимостью резервуаров для хранения воздуха, сильно и/или быстро меняющимся потреблением, малым количеством компрессоров и/или недостаточным разнообразием мощности компрессоров. С другой стороны, система с достаточным

242

разнообразием мощности компрессоров позволяет обеспечить точное соответствие объемов производства и потребления сжатого воздуха при минимальной работе на холостом ходу и частоте переключения посредством выбора оптимальной конфигурации работающих компрессоров.

Как правило, различные компрессоры в системе с центральным управляющим устройством работают в общем диапазоне давлений; при этом критерием управления является поддержание требуемого минимума давления в определенной точке измерения. Эта схема является значительно более эффективной, чем каскадные схемы. При этом современные системы управления способны обеспечить сужение диапазона давлений без увеличения времени холостого хода или частоты переключения компрессоров. Сужение диапазона давлений позволяет снизить величину противодавления и, как следствие, удельное энергопотребление работающих компрессоров, а также избыточный расход воздуха на уровне потребителей.

Применимость

По данным исследования в рамках проекта SAVE, оснащение существующих систем сжатого воздуха современными системами управления является реализуемым и экономически эффективным мероприятием для 20 % существующих систем. В условиях предприятий КПКЗ, где системы сжатого воздуха, как правило, характеризуются значительной мощностью, использование сложных систем управления должно рассматриваться как отвечающее современному уровню развития технологий.

Наибольшие объемы энергосбережения могут быть достигнуты в том случае, когда установка современной системы управления планируется на этапе проектирования системы сжатого воздуха наряду с выбором компрессоров или в процессе модернизации системы, предусматривающей замену основного оборудования (в т.ч. компрессоров). В этом случае следует уделить внимание выбору центрального управляющего устройства и контроллеров отдельных компрессоров, обладающих современными, развитыми и взаимно совместимыми коммуникационными функциями.

Вследствие длительного срока службы систем сжатого воздуха этот оптимальный сценарий не всегда является реалистичным, но оснащение существующей системы центральным управляющим устройством, и даже – в отсутствие более прогрессивной альтернативы – подключение к нему старых компрессоров с использованием реле с плавающим контактом может обеспечить значительное энергосбережение.

Экономические аспекты

Экономическая эффективность оснащения вновь проектируемой системы сжатого воздуха централизованной системой управления зависит от ряда факторов, включая временной график потребления, тип компрессоров, протяженность кабелей и т.д. Согласно оценкам, средний объем энергосбережения в результате использования такой системы составляет 12 %. В случае добавления централизованной системы управления к действующей системе существуют дополнительные факторы неопределенности, например, проблемы, связанные с интеграцией устаревшего оборудования. Однако и в этом случае период окупаемости инвестиций часто оказывается меньше года.

Мотивы внедрения

Основным мотивом является снижение затрат, связанных с энергопотреблением, однако заслуживает упоминания и ряд других положительных эффектов. Внедрение как на уровне отдельных компрессоров, так и на уровне системы в целом современных интеллектуальных устройств управления, обладающих развитыми коммуникационными функциями, позволяет эффективно организовывать плановое ТО и ТО по техническому состоянию, дистанционное ТО, удаленный мониторинг оборудования, систематический сбор данных о характеристиках производственного процесса, оперативное отслеживание затрат на производство сжатого воздуха и другие подобные виды деятельности. Все это может способствовать снижению затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание системы, повышению коэффициента эксплуатационной готовности, а также лучшей осведомленности о затратах на производство сжатого воздуха.

243