В " Инструкции по расчету экономической эффективности Экономический эффект применения ЧРП в насосных и вентиляционных системах без подпора устанавливается на основе следующих расчетов (см. рис. 4.125). дополнительный напор, создаваемый регулируемым насосом.
Например, заявлено, что привод отрабатывает 100%-й скачок задания на момент за время, Варианты использования частотно - регулируемого электропривода АД В этой связи расширяется область применения регулируемого « Инструкция по расчету экономической эффективности применения.
ИНСТРУКЦИЯ по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода Москва 1997 I Введение Настоящая временная инструкция разработана Научно-исследовательским институтом электроэнергетики (АО ВНИИЭ) и Московским энергетическим институтом (МЭИ) в соответствии с программой работ по комплексной научно-технической программе "Создание и внедрение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) в ТЭК и в коммунальном хозяйстве ", утвержденной Минтопэнерго России 19.12.1995 г. Инструкция учитывает основные аспекты энергосбережения и позволяет определить предварительные оценки ресурсосбережения в насосных и вентиляционных установках общего назначения. В инструкции не отражены другие преимущества, связанные с применением ЧРП - улучшение характера протекания переходных процессов, снижение затрат на обслуживание, уменьшение шума и пр. Действие настоящей инструкции распространяется на установки, находящиеся в эксплуатации, т.е. когда не изменяется запроектированная технологическая схема. Для вновь проектируемых установок с ЧРП должны быть учтены аспекты, связанные с упрощением и удешевлением технологической схемы - отказ от применения обратных клапанов в насосах, исключение заслонок, задвижек, уменьшение числа насосов и вентиляторов и др. Способы и примеры предварительной оценки эффективности применения ЧРП изложенные в инструкции предназначены для персонала, разрабатывающего мероприятия по энергосбережению и ответственного за эксплуатацию действующих насосных и вентиляционных агрегатов в электроэнергетике, промышленности и коммунальном хозяйстве. II Общие сведения В последние годы почти все тепловые электростанции (ТЭС) с энергоблоками единичной мощности 100-310 МВт вовлекаются в регулирование суточных и сезонных графиков нагрузки. Разгрузка газо-мазутных энергоблоков достигает 70-75%, а угольных - 50%. В этих условиях, для обеспечения эффективной работы и высокого КПД энергоблоков, важнейшей задачей является снижение энергопотребления на собственные нужды ТЭС. Дутьевые вентиляторы и дымососы, питательные, бустерные, конденсационные, насосы - основные потребители электроэнергии на собственные нужды. Для энергоблоков мощностью 100-300 МВт, работающих на газе, на долю упомянутых механизмов приходится в среднем 6,1-4,2%, для работающих на угле эта величина составляет 7,8-5,6%. Существуют различные способы управления производительностью вентиляторов и насосов дросселирование нагрузки, снижение единичной мощности агрегатов и увеличение их количества и т.д. Наиболее эффективным способом является регулирование скорости вращения. На рис.1 заштрихована экономия мощности при использовании ЧРП взамен дросселирования. Для получения, например, половины полного расхода при регулировании скорости будет затрачено около 13% полной мощности, тогда как при дросселировании - около 75%. экономия составит примерно 60% Применение ЧРП на насосах и вентиляторах обеспечивает интегральное снижение потребляемой мощности на 25-40% и позволяет увеличить мощность энергоблока в среднем на 1-2% за счет исключения в водяных и воздушных трактах дросселей и заслонок, а также улучшения технологических процессов выработки электроэнергии, например, сжигания топлива. Поэтому для механизмов собственных нужд ТЭС непосредственно участвующих в процессе производства электроэнергии (прежде всего дымососы и дутьевые вентиляторы, питательные насосы и т.п.), должны учитываться совокупно как фактор увеличения мощности энергоблока, так и фактор энepгo- и ресурсосбережения. В состав ЧРП входят стандартный или специальный асинхронный или синхронный электродвигатель, транзисторный или тиристорный преобразователь частоты, согласующий трансформатор либо реактор, пускорегулирующая и коммутационная аппаратура. Иногда для решения проблемы электромагнитной совместимости с сетью в состав комплексной поставки ЧРП могут входить фильтро-компенсирующие устройства. Не менее эффективно применение ЧРП в коммунальном хозяйстве. Переход от нерегулируемого асинхронного электропривода насосов и вентиляторов в системах водо- и воздухоснабжения городских РТС, котельных и центральных тепловых пунктах (ЦТП) к частотнорегулируемому позволяет экономить до 60% электроэнергии, а в системах водоснабжения до 25% потребления холодной воды и до 15% горячей воды. Указанная экономия достигается за счет исключения ненужных для комфортного водои воздухоснабжения избытков напора (давления), закладываемых при проектировании системы, а также возникающих в процессе работы - при изменениях расхода, при росте напора в водоснабжающих магистралях и т.п. Если при некоторой характеристике магистрали (рис.2) нерегулируемый насос с характеристикой 1 создает напор Н1, которому соответствует мощность, пропорциональная H1Q1, а для комфортного водоснабжения достаточно напора Н2 при мощности H2Q2, то переход за счет ЧРП на характеристику насоса 2 позволит сэкономить мощность H1Q1 - H2Q2 (заштрихована на рис. 2). Экономия воды в системах водоснабжения связана с устранением при регулируемом электроприводе ненужных избытков давления (напора). Для существующих систем водоснабжения в коммунальной сфере каждая лишняя атмосфера (10 м в.ст.) вызывает за счет больших утечек дополнительные 7-9% потерь воды. Так, для Москвы при массовом применении в системах водоснабжения ЧРП экономия воды составит около 250 млн. м3 в год. Наряду с изложенными составляющими энергосбережения, которые легко учитываются и оцениваются, применение ЧРП дает ряд дополнительных преимуществ : - экономию тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь воды, несущей тепло; - возможность создавать при необходимости напор выше основного; - уменьшение износа основного оборудования за счет плавных пусков, устранения гидравлических ударов, снижения напора: по имеющемуся опыту в коммунальной сфере количество мелких ремонтов основного оборудования снижается в два раза; - снижение шума, что особенно важно при расположении насосов или вентиляторов вблизи жилых или служебных помещений; - возможность комплексной автоматизации систем водо- и воздухоснабжения. В настоящей инструкции эти факторы учитываются приближенно, введением коэффициента k > 1. По данным специалистов института EPR1 (США) эффективность ресурсосбережения при использовании ЧРП соизмерима с экономическим эффектом от энергосбережения. Объективная и количественная оценка указанных факторов может быть получена по мере накопления опыта эксплуатации ЧРП. III. Определение экономического эффекта при установке ЧРП на ТЭС или в промышленности Целесообразность применения ЧРП взамен дросселирования оценивается по заданным диаграммам требуемого расхода при расчетном цикле работы механизмов следующим образом: 1. Регистрируют номинальные данные вентилятора (насоса) Qном, м3/час, Нном, м в.cт., ηвент.ном и двигателя Рдв.ном.,кВт, nном, об/мин, ηдв.ном; 2. На действующей установке измеряют или устанавливают расчетным путем мощность Р, кВт, потребляемую двигателем, и производительность Q, м3/час, при полностью открытой задвижке или заслонке (Рмакс и Qмакс) и в ряде промежуточных точек и строят зависимость Р, кВт от относительного расQ - график 1 на рис. 3. хода Q* = Q макс При расчете экономии от внедрения ЧРП на механизмах, непосредственно участвующих в процессе производства электроэнергии - дымососы и дутьевые вентиляторы, питательные насосы и т.п., график P(Q*) перестраивается в аналогичную зависимость от относительной мощности энергоблока, с которой производительность переоборудованного механизма находится в проN Q порциональной зависимости: N * = = = Q* - нижняя N ном Q макс шкала на рис. 3.; 3. Определяют требуемую мощность преобразователя частоты Рпч, кВт: Pпч = (1,1-1,2)Pмакс; 4. Строят зависимость потребляемой мощности Р, кВт, от относительного расхода Q* или относительной мощности блока N* , при частотном регулировании скорости по формуле P = Pмакс(Q*)3 и получают кривую 2 на рис. 3. Разница ΔР между кривыми 1 и 2 - экономия мощности при частотном регулировании скорости; Pдв.ном с помощью кривой 2 оценивают допустимый расход Q*доп ηдв.ном при номинальном режиме двигателя и проверяют условие 1 < Q*доп: слишком большой запас по расходу свидетельствует о неудачном выборе оборудования; 5. По величине Pном = 6. Строят диаграмму зависимости относительного расхода Q* или относительной мощности блока N* от времени t - рис. 4. За цикл удобно принять число часов работы насоса или энергоблока в году Перестраивают с помощью рис. 3 диаграмму расхода Q*(t) или N*(t) в диаграмму сэкономленной мощности ΔP(t) (рис. 5), определяя ΔР, на каждом интервале по соответствующему значению Q* или N* из рис. 4.; 8. Определяют энергию, сэкономленную за цикл (год) ΔЭц: ΔЭц = ∑ ΔPi t i , i m где m - число участков цикла с разными ΔPi; 9. Определяют при заданном тарифе Цэл.эн. (руб/кВт⋅ч или USD/ кВт⋅ч) стоимость сэкономленной электроэнергии за год (руб/год или USD/год): Сэл.эн. = ΔЭц ⋅ Цэл.эн.; 10. Определяют срок окупаемости новой техники. Для насосов и вентиляторов, непосредственно участвующих в процессе производства электроэнергии на ТЭС 10.1. Определяют возможное увеличение номинальной мощности энергоблока ΔN = (0,01 ÷ 0,02)K ⋅ Nном, P где K = пч - коэффициент, равный отношению мощности электроприводов, оснащенPΣ ных ЧРП к общей мощности электроприводов энергоблока (или ТЭС); 10.2. Определяют стоимость нового строительства электростанции (энергоблока) мощностью ΔN: Цэл.ст. = ΔN ⋅ СN, где СN - стоимость одного кВт вновь сооружаемой ТЭС или энергоблока, руб/кВт или USD/кВт, для средней полосы СN = 1250 USD/кВт; 10.3. Сравнивают затраты на приобретение оборудования ЧРП (Цпч) со значением Цэл.ст., определяют величину ΔЦ = Цпч - Цэл.ст.; 10.4. Определяют срок окупаемости ЧРП по соотношению ΔЦ Ц − Ц эл.ст . = T = пч ΔС эл. эн. ΔС эл. эн. Если значение ΔЦ ≤ 0, то это означает, что затраты на новое строительство превышают затраты на установку ЧPП, т.е. установка ЧРП безусловно выгодна. Для прочих насосов и вентиляторов 10.5. Определяют срок окупаемости выбранного оборудования Ток, год Ц пч Tок = , ΔЭ ⋅ С эл. эн. ⋅ k где Цпч - стоимость выбранного оборудования, руб или USD; Цэл.эн. - тариф (цена) 1 кВт⋅ч электроэнергии, руб или USD; k > 1 - коэффициент, учитывающий эффект дополнительного ресурсосбережения, для сетевых и подпиточных насосов ТЭС значение коэффициента k может быть принято равным k = 1,25 - 1,35. IV Оценка экономического эффекта при использовании ЧРП в насосных станциях ЦТП коммунальной сферы Особенность режимов работы насосов холодного и горячего водоснабжения на ЦТП состоит в том, что расход воды определяется потребителями, а не задается принудительно. Регулируя скорость двигателя, изменяют напор, развиваемый насосом. Экономический эффект устанавливается на основе следующих простейших измерений и расчетов: 1. Регистрируют номинальные данные насоса Qном, м3/ч; Нном, м в.ст.; ηнас.ном и двигателя мощность Рдв.ном, кВт; ток Iном, А; частота вращения nном, об/мин; КПД ηдв.ном; коэффициент мощности cosϕном; 2. В часы максимального водопотребления (8-10ч или 18-20ч в коммунальной сфере, 13-15 ч в административных зданиях и т.п.) измеряют напор Н, м в ст., на входе Hвх и выходе Hвых насоса - по манометрам, установленным в системе, в течение часа - двух делается несколько измерении, результаты усредняются; 3. В тех же условиях измеряют ток двигателя I, А - с помощью измерительных клещей или по амперметру, если он установлен; делается несколько измерений, результаты усредняются. Проверяют соотношение I ≤ Iном; 4. Измеряют средний расход за сутки Qсp, м3/ч, по разности показании расходомера в начале Q1 и в конце Q2 контрольных суток Q − Q1 ; Qcp = 2 24 5. Рассчитывают минимально необходимый общий напор по формуле Hнеобх. = С ⋅ N – D, м в. ст., где N - число этажей (включая подвал - для индивидуальных тепловых пунктов), для группы домов - число этажей самого высокого дома; С = 3 - для стандартных домов; С = 3,5 - для домов повышенной комфортности; D = 10 - для одиночных домов и 15 - для группы отдельно стоящих домов, обслуживаемых ЦТП. 6. Оценивают требуемый напор, обеспечиваемый регулируемым насосом: Hтреб. = Hнеобх. - Hвх, если Нвх (напор в подводящей магистрали) существенно изменяется, следует использовать Нвх.мин; 7. Определяют требуемую мощность преобразователя частоты: Р пч = (1,1 − 1,2) H треб ⋅ Q cp 367 ⋅ ηнас ⋅ ηдв.ном . Величину КПД насосного агрегата ηнас определяют как ηнас = К ⋅ ηнас.ном, где К - определяется по кривой на рис. 6 для расхода Qср измеренного в п.4 и отнесенного к Qном из п.1. 8. Определяют цену годовой экономии электроэнергии, руб/год, по формуле: ( H вых − H необх ) ⋅ Q cp Ц ΔЭгод = ΔЭ год ⋅ Ц эл . эн . = ⋅ t год ⋅ Ц эл . эн . , 367 ⋅ ηнас ⋅ ηдв . ном где ΔЭгод - электроэнергия, сэкономленная за год, кВт⋅ч; tгод - число часов работы оборудования в году; Цэл.эн. - цена 1 кВт⋅ч электроэнергии, руб или USD; 9. Определяют цену годовой экономии воды; руб/год: H − H необх Ц ΔВгод = ΔВгод ⋅ Ц воды = 0,07 вых ⋅ Q cp ⋅ t год ⋅ Ц воды , 10 где ΔВгод - вода, сэкономленная за год, м3; Цводы - цена 1 м3 воды, руб или USD; Нвых, Ннеобх - напор, обеспечиваемый хозяйственными насосами ЦТП; 10. Определяют годовую экономию тепла за счет сокращения потребления горячей воды, Гкал/ год. ΔΘ = С⋅Δt ⋅ΔВгод.гор ⋅106, где : С = 1,0 - коэффициент теплоемкости воды, кал/г ⋅°С; Δt - расчетный перепад температуры перегрева горячей воды, °С; ΔВгод.гор - горячая вода, сэкономленная за год , т. Для типовых ЦТП расчетный расход горячей воды принимается 0,4 от общего расхода воды, подаваемой хозяйственными насосами. Определяют цену годовой экономим тепла, руб/год. ЦΔΘ = ΔΘ ⋅ ЦГкал, где: ЦГкал - цена 1 Гкал тепла, руб или USD. 11. Оценивают ориентировочно срок окупаемости дополнительного оборудования Ток, год Tок = Ц ΔЭгод Ц пч , + Ц ΔΘгод + Ц ΔВгод где Цпч - стоимость дополнительного оборудования ЧРП, включая установку. Составители: Зам. директора по научной работе АО ВНИИЭ, руководитель программы Минэнерго РФ по частотно-регулируемым электроприводам Профессор кафедры автоматизированного электропривода МЭИ V Приложение ПРИМЕР 1 Расчет экономической эффективности от применения ЧРП на питательном насосе (ПЭН) энергоблока 210 МВт ГРЭС-5 АО Мосэнерго. Номинальная мощность двигателя насоса 5000 кВт. Значения N, t, P, Q, ΔP и ΔЭ приведены в таблице: Мощность, потребляемая ПЭН при Число часов работы при Расход пи- нерегулируе- частотнорегуМощность энерго- данной мощ- тательной мом ЭП с дрос- лироемом блока, ности, воды селированием электроприводе N, МВт 1* t, ч 1* Q, т/ч 2* P1, кВт P2, кВт 210 2800 640 4960 4960 140 800 435 4080 2900 80 2700 250 3200 1520 Снижение расхода мощности Экономия при регулируе- электроэнергии мом электроприводе ΔЭ, тыс. кВт⋅ч P1-P2=ΔP , кВт 0 0 1180 944 1680 4536 ________________________________________ 1* 2* Получено из оперативного журнала электростанции. Расход пара и тепла на турбину определяется в функции мощности энергоблока Установленная мощность преобразователя частоты: Рпч = 1,1 ⋅ 5000 кВт = 5500 кВт. Стоимость преобразовательного оборудования при Ср = 300 USD/кВт: Цпч = 300 ⋅ 5500 = 1,65 млн. USD. Годовое снижение расхода (экономия) электроэнергии на собственные нужды. ΔЭгод = 944 + 4536 = 5.48 млн. кВт⋅ч /год. Стоимость сэкономленной электроэнергии в год ΔСэл.эн. = 219000 USD при тарифе = 0,04 USD/кВт⋅ч, ΔСэл.эн. = 329000 USD при тарифе = 0,06 USD/кВт⋅ч. Увеличение номинальной мощности энергоблока ΔN = 0,01 ⋅ 5000/11600 ⋅ 210000 ≈ 900 кВт. Принято минимальное увеличение мощности энергоблока, общая установленная мощность электроприводов насосов и тягодутьевых механизмов составляет 11600 кВт. Стоимость нового строительства Цэл.ст. = 900 ⋅ 1250 = 1,125 млн. USD. Период окупаемости при тарифе 0,04 USD/кВт⋅ч значение Ток = 2,4 года при тарифе 0,06 USD/кВт⋅ч значение Ток = 1,6 года ПРИМЕР 2 Для двигателя 15 кВт, установленного в системе воздушного отопления школы и работающего с 7 до 17 час с диаграммой относительного расхода на рис. А. требовалось определить экономию электроэнергии и срок окупаемости при замене системы дросселирования на частотное регулирование скорости двигателя, при работе в году в течение 240 дней. Ср = 220 USD/кВт (простейшая конфигурация), Цэл.эн.= 0,07 USD/кВт⋅ч. Удалось зарегистрировать лишь номинальные данные двигателя: Рдв.ном = 15 кВт, nном = 1430 об/мин, ηдв.ном = 92%. Измеренная потребляемая мощность при Q* = 1 (полностью открытая заслонка) Рмакс = 11 кВт, а при полностью закрытой заслонке 6 кВт - график 1 на рис. В. Требуемая мощность ЧРП : Рпч=1,1 ⋅ Рмакс = 1,1 ⋅ 11 = 12,1 кВт. Выбирают Pпч = 12 кВт, его цена в минимальной конфигурации Цпч = Ср ⋅ Pпч = 220 ⋅ 12 = 2640 USD. Зависимость P(Q*) - график 2 на рис. В - построена по формуле Р = Рмакс (Q*)3 = 11 ⋅ (Q*)3. Допустимая производительность при полном использовании Р 15 = дв.ном = = 16,3 кВт составит Q*дoп = 1,12, т.е. Q*дoп > 1. ηдв.ном 0,92 По диаграмме Q*(t) на рис. А и кривым на рис. В определяют ΔP1, ΔР2, ΔР3. Энергия, сэкономленная за цикл (сутки): ΔЭц = ΔP1t1 + ΔP2t2 + ΔР3t3 = 3,3 ⋅ 3 + 5,8 ⋅ 3 + 6,2 ⋅ 4 = 52,1 кВт⋅ч. Энергия, сэкономленная за год : ΔЭгод = ΔЭц ⋅ 240 = 52,1 ⋅ 240 = 12500 кВт⋅ч/год. Срок окупаемости по электроэнергии: Ц пч 2640 = = 3,7 года. Tок ( эл. эн.) = ΔЭ год ⋅ Ц эл. эн. 12500 ⋅ 0,07 С учетом факторов, не учтенных в расчетах - унос дополнительного тепла при нерегулируемом приводе, расходы на ремонт и т.п. можно принять k = 1.2. Тогда Т ок ( эл. эн.) Т ок = = 3,1 года. 1,2 двигателя Р ном ПРИМЕР 3. Реализованные энергосберегающие насосные станции ЦТП № п/п Адрес Характеристика объекта Измеренные Рассчитанные величины Фактические величины величины Hвх, м Hвых, м Qcp, Hнеобх, Pпч, ΔЭгод, ΔВгод, ΔЭгод, ΔВгод, в . с. в.с. м3/час м в.с. кВт кВт⋅ч м3 м3 кВт⋅ч 20 69 30 40 9,5 22000 23000 32352 30144 1 2 3 ул. Красно- 6-этажный администраказарментивный корпус ИТП, ная, д. 14 работа насоса с 6.30 до 23.00 ул. Красно- 9-этажный жилой дом, казармен435 жильца, магазин, ная, д. 19 детсад-ясли и прачечная ИТП ул. АвиамоГруппа из пяти 6торная, д. этажных домов, 1420 49/1 жильцов, кафе, магазин. Насосная во дворе. 18 70 13 55 7,5 16000 12000 23568 14148 17 64 38,3 50 14 25000 28000 29352 27408 ПРИМЕР 4 Для насосной станции с насосом КМ 80-50-200, двигатель 4А160S2ЖУ2, 15 кВт, 2900 об/мин, установленной и работающей с 6.00 до 23.00, по адресу Москва, Красноказарменная, 14, 6-этажный административный корпус, проведены экспресс-анализ, оперативный анализ и сопоставительный анализ двух систем – базовой и новой, оборудованной ЧРП. Экспресс-анализ Дата, часы 13.01.97, 13.00 13.01.97, 15.00 14.01.97, 13.00 14.01.97, 14.30 Показания приборов В, м3 Э, кВт⋅ч 06476,2 06496,0 06518,2 06522,5 Э, кВт В, м3/ч Базовая система 040511,7 (6796 – 6476,2)/2 = 9,9 (40562,0 - 40511,7)/2 = 25,15 040562,0 Новая система 040827,3 (6522,5-6518,2)/1,5=2,87 (40857,1-40827,2)/1,5=19,87 040857,1 ΔЭ % = 9,9 − 2,87 ⋅ 100% = 71,0%, 9,9 25,15 − 19,87 ΔВ% = ⋅ 100% = 21,0%, 25,15 Часовой расход Оперативный анализ Расход электроэнергии, кВт⋅ч Базовая система Новая система 10.05.95-24.05.95 2158 — 25.05.95-08.06.95 — 997 Даты Расход воды, м3 Базовая система Новая система 5212 — — 3830 ΔЭ % = 2158 − 997 ⋅ 100% = 53,8%, 2158 5212 − 3830 ΔВ% = ⋅100% = 26,5%, 5212 Сопоставительный анализ сделан на основании сопоставления месячных расходов электроэнергии и воды за текущий и предшествующий годы.
ИНСТРУКЦИЯ
I Введение Настоящая временная инструкция разработана Научно-исследовательским институтом электроэнергетики (АО ВНИИЭ) и Московским энергетическим институтом (МЭИ) в соответствии с программой работ по комплексной научно-технической программе "Создание и внедрение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) в ТЭК и в коммунальном хозяйстве...