Перекачивающая насосная станция «Фортум»
Преобразователи частоты для управления насосной станцией
Отдаем тепло
С момента принятия Федерального закона «Об энергосбережении» в 2009 году на территории всей страны разворачиваются масштабные действия по реконструкции и реорганизации тепловых сетей.
Вновь построенные и уже эксплуатируемые здания оснащаются автоматическими индивидуальными тепловыми пунктами и управляемыми насосными узлами с погодозависимым регулированием. В итоге потребление тепла становится динамическим.
Соответственно, на источниках теплоты также необходимо изменять его подачу таким образом, чтобы в сети не циркулировал перегретый теплоноситель. В большинстве случаев вопрос решается дросселированием: в систему с перекачивающими насосами ставятся специальные задвижки, которые уменьшают расход воды. У названного способа есть ряд следующих недостатков:
- сложности в применении, обслуживании, эксплуатации (во-первых, асинхронные двигатели насосов подключаются к электрической сети напрямую, во-вторых, дополнительные дроссели и клапаны нуждаются в системе управления);
- давление в линии меняется не оперативно и ступенчато, что обуславливает низкий диапазон регулирования;
- «прямой» пуск асинхронных двигателей насосных агрегатов из-за высоких значений пусковых токов в сети губителен для двигателей и повышает вероятность возникновения гидроударов в трубопроводах.
Кроме всего вышеперечисленного, дросселирование неэкономично. Даже при отсутствии потребления насосы продолжают работать «на заслонку», попусту перегоняя теплоноситель. Бессмысленно тратятся и тепло, и электроэнергия.
Вот и получается, что потребители в лице управляющих компаний и ТСЖ устанавливают в домах автоматику и экономят на своих объектах, а теплосети, ставшие заложниками энергосбережения, платят генерирующим компаниям за неиспользуемые излишки. Ситуацию усугубляет и опережающее развитие городской инфраструктуры. Строится все больше зданий, а значит, увеличивается и потребление тепла.
Чтобы обеспечить нужды мегаполиса, приходится вводить новые генерирующие мощности. На подобные мероприятия не всегда хватает средств. Выход заключается в регулировании частоты вращения рабочих колес циркуляционных насосов в зависимости от динамически меняющегося расхода теплоносителя на объектах теплоснабжения.
В этом случае агрегаты будут давать именно такой напор, который необходим, а значит, сократятся потери, что позволит не переплачивать генерирующим компаниям. Кроме того, тепловые сети смогут более эффективно использовать имеющиеся резервы и уменьшить потребность в строительстве новых ЦТП и котельных.
Частотное регулирование
Об эффективности регулирования режимов работы циркуляционных насосов путем изменения частоты вращения их рабочих колес известно давно. Однако долгое время такой способ не был популярен ввиду отсутствия надежных и недорогих регулируемых электроприводов, а также сравнительно низких цен на электроэнергию (не было нужды экономить).
Ситуация существенно изменилась за последние 15–20 лет, с ростом цен на энергоресурсы. Кроме того, на рынке появился ряд доступных и совершенных технических средств для управления асинхронными двигателями, в частности, преобразователей частоты (ПЧ). По утверждениям специалистов теплотехнической отрасти, применение ПЧ с насосами дает возможность плавного пуска агрегатов. Это, в свою очередь, ведет к следующему:
- устранению гидроударов в системе, возникающих при прямом пуске от сети электродвигателей насосов;
- снижению износа циркуляционного агрегата, исполнительных механизмов, запорно-регулирующей арматуры и всей инженерной системы в целом;
- снижению износа коммутационной аппаратуры;
- снижению мощности источника питания и сечения кабеля электропитания.
«Вместе с тем, установка преобразователей частоты может иметь и отрицательные последствия, так как возникает выброс гармонических искажений в сеть. Сегодня на рынке представлены разнообразные решения для устранения данной проблемы: пассивные и активные фильтры, двенадцатипульсные приводы и так далее, — рассказывает Павел Федотов, менеджер по работе с ключевыми клиентами компании “Данфосс”. — Оптимальным вариантом является использование комплексных решений, например, преобразователей частоты VLT HVAC Basic FC101 со встроенным дросселем на звене постоянного тока. В этом случае нет необходимости приобретать внешний фильтр гармоник, что дает десятипроцентную экономию на стоимости преобразователя».
По данным специалистов компании Grundfos, оснащение циркуляционных агрегатов преобразователями частоты позволяет сэкономить не менее 30 % потребляемой электроэнергии.
«Помимо общего эффекта энергосбережения за счет снижения частоты вращения двигателя, использование некоторых преобразователей частоты дает дополнительную экономию, — добавляет Павел Федотов (“Данфосс”). — Так, частотные преобразователи Danfoss имеют встроенную функцию автоматической оптимизации энергопотребления (АОЕ). С ее помощью привод использует энергии ровно столько, сколько необходимо для нагрузки в данное время.
АОЕ позволяет обеспечивать минимальное потребление реактивной составляющей тока двигателя, поддерживая при этом требуемый момент, что увеличивает до максимума КПД мотора. В среднем использование АОЕ позволяет дополнительно экономить пять-десять процентов электроэнергии».
Теперь рассмотрим практический аспект применения частотного регулирования в квартальных системах теплоснабжения и оценим экономический эффект от использования преобразователей частоты.
Пример расчета
Допустим, имеются два агрегата (рабочий и резервный) мощностью по 10 кВт каждый. Они обеспечивают подачу воды для системы ГВС жилого дома. Насосы работают на номинальной мощности только в периоды с часа ночи до семи утра и днем с 10:00 до 16:00. В остальное время производительность оборудования составляет величину всего 50 % от номинала (25 Гц).
Учитывая, что потребляемая мощность электродвигателя прямо пропорциональна кубу производительности насоса, а КПД насосной установки приблизительно равен 0,6, получим следующие цифры.
Потребляемая мощность равна: 10 кВт × 0,53/0,6 = 2,1 кВт = 21 % (от номинального значения). Стоимость преобразователя частоты VLT HVAC Basic FC101 мощностью 11 кВт составляет ≈ 43,2 тыс. руб. Стоимость 1 кВт электроэнергии составляет ≈ 3 руб. Экономия за сутки: (10 кВт – 2,1 кВт) × 12 часов = 94,8 кВт или же 3 × 94,8 = 284,4 руб.
Экономия за год: 284,4 руб. × 365 дней ≈ 103,5 тыс. руб. Отдельно посчитаем экономию, которая достигается за счет энергосберегающих характеристик преобразователя частоты Danfoss.
Функция автоматической оптимизации энергопотребления дает 5 % экономии, автоматическая адаптация двигателя добавляет также 5 %. Кроме того, дополнительно сберегает 5 % энергии функция «Сон». Общая дополнительная экономия составит уже 15 %. Экономия за сутки: 3 руб. × 0,15 × 10 кВт × 12 часов = 54 руб.
Экономия за год: 36554 = 19710 руб. Общая экономия электроэнергии тогда составит: 103500 + 19710 ≈ 123210 руб. Экономия на дополнительном конвертере шлюзов достигает 6000 руб. Экономия за счет встроенного дросселя на звене постоянного тока ≈ 6000 руб. Экономия за счет встроенного логического контроллера — 4000 руб.
Опыт применения
Перекачивающая насосная станция компании «Фортум». В рамках реализации инвестиционного проекта по созданию кольцевой схемы теплоснабжения Челябинска Уральской теплосетевой компанией* (УТСК) была произведена реконструкция перекачивающей насосной станции (ПНС) №4.
Данное решение было принято в связи с тем, что используемое оборудование устарело и не соответствовало современным требованиям безопасности и энергосбережения.
В результате реконструкции станция была оснащена насосами производительностью 1500 м3/ч каждый, частотными преобразователями Danfoss серии VLT Aqua Drive мощностью 355 кВт каждый, а также современными трансформаторами.
Объект полностью автоматизирован и управляется с диспетчерского пункта Челябинских тепловых сетей. В итоге, по свидетельствам специалистов УТСК, электропотребление насосной станции сократилось на 30 %.
Кроме того, внедрение преобразователей частоты на ПНС №4 позволило: быстро реагировать на изменения давления в тепловой сети, в том числе при разрывах трубопроводов; предотвращать токовые перегрузки двигателей и коммутационного электротехнического оборудования при пусках-остановах насосных агрегатов и обеспечить все виды защит электродвигателей в эксплуатационных режимах; значительно снизить кавитационный износ рабочих органов насосов и предотвращать гидравлические удары в трубопроводной сети при пусках-остановах насосных агрегатов; снизить уровень аварийности, сокращать время простоев и затраты на ремонт гидромеханического и электротехнического оборудования; значительно снизить потребление электроэнергии, воды и теплоносителя.
Насосная станция была введена в строй в работу вместе с новой теплотрассой. «С пуском этих объектов мы переходим на новый уровень качества и надежности теплоснабжения города.
Завершение первого этапа кольцевой схемы — зримый результат прямых иностранных инвестиций на базе партнерства бизнеса и власти», — прокомментировал событие Александр Чуваев, генеральный директор ОАО «Фортум».
Дома Якутска
В рамках проекта реконструкции центрального теплового пункта (ЦТП) 43-го квартала Якутска был предусмотрен монтаж насосной станции, состоящей из трех агрегатов. Установку планировали оснастить частотно-регулируемым приводом с целью управления насосами в автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Службой эксплуатации ОАО «Нерюнгриэнрегоремонт»** предполагалось приобретение готовой насосной станции. Но специалисты обратили внимание, что в комплектных установках реализованы функции, которые не будут использоваться в процессе эксплуатации. Было принято решение рассмотреть вариант поставки насосной станции отечественного производства на основе импортных компонентов.
Сотрудники проектной группы ОАО «Нерюнгриэнергоремонт» обратились с запросом к специалистам компании «ТЭТ-РС» и предложили сотрудничество по вопросу поставки насосной станции на базе преобразователей частоты.
Общими силами специалисты двух компаний разработали проект насосной станции для управления тремя насосами на базе преобразователей частоты Danfoss VLT Micro Drive FC-51 мощностью 18,5 кВт.
Важно, что данная серия преобразователей частоты имеет по умолчанию встроенные фильтры электромагнитной совместимости (ЭМС), что значительно упростило решение проблемы ЭМС-оборудования. Как пояснили специалисты эксплуатирующей организации, помимо автоматизации работы насосной станции была достигнута значительная экономия электроэнергии, а также снижен износ двигателей и увеличен срок их службы.
Очевидно, что России необходима реформа отрасли теплоснабжения. При этом, чтобы привести отрасль в соответствие с современными стандартами энергоэффективности, необходимо пересмотреть подход к организации отпуска тепла абонентам.
Осуществить это позволяет использование современного оборудования, такого как преобразователи частоты.
