Результаты испытаний реактивного индукторного привода насосного агрегата с регулируемой частотой вращения в системах тепло- и водоснабжения

Д. Б. Рожицкий, канд. техн. наук, заведующий лабораторией,

Е. В. Баталова, инженер,

М. С. Филаткин, инженер, ВНИИЖТ

В числе подсобно-вспомогательных работ, выполняемых этой сферой производства, особое значение, в том числе и социальное, имеет теплоснабжение и водообеспечение как подразделений железнодорожного транспорта, так и населения, проживающего в зоне его обслуживания, особенно там, где эти подразделения имеют градообразующий статус.

Согласно утвержденной «Энергетической стратегии ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» до окончания срока необходимо снизить удельный расход электроэнергии на эксплуатационные нужды на 20–25 %. Один из путей достижения данной цели – применение в системах тепло- и водоснабжения насосных агрегатов, укомплектованных электродвигателем с частотно-регулируемым преобразователем, общесетевая потребность в которых оценивается в 3 500 штук [1].

Опыт эксплуатации такого оборудования показал, что снижение потребления электроэнергии может достигать до 45 % [2]. Одновременно с этим применение частотно-регулируемого преобразователя позволяет получить ряд других преимуществ [3], а именно:

- устранение гидравлического удара при плавном пуске, что предотвращает аварийные ситуации в трубопроводах;

- возможность дистанционного управления одного или более агрегатов по заданной программе;

- снижение нагрузки на электросеть при пуске двигателя, что продлевает срок эксплуатации не только сети, но и привода;

- увеличенное количество функций защиты от перегрева двигателя, от «сухого хода», от пуска двигателя с заклиненным ротором, от пониженного или повышенного напряжения и т. д.

Широко известен опыт эксплуатации частотно-регулируемого преобразователя с асинхронным двигателем как у нас в стране [2–4], так и за рубежом [5]. Альтернативой асинхронному двигателю с преобразователем частоты может стать реактивный индукторный двигатель, который можно охарактеризовать следующим образом:

- статор и ротор набраны из листовой электротехнической стали. Полюсы-зубцы отштампованы заодно со «спинкой железа», что обеспечивает высокую механическую прочность;

- на полюсах статора установлены катушки, объединенные в несколько фаз, поочередно переключаемые электронными ключами;

- ротор не имеет обмоток и «беличьего» колеса, что создает облегченные температурные условия работы подшипников, обусловленные малыми потерями электроэнергии на нагрев ротора, и увеличивает КПД привода.

Рисунок 1. (подробнее) Среднесуточные колебания подачи воды и расхода электроэнергии

Принцип образования вращающего момента у реактивного индукторного двигателя схож с шаговым электродвигателем, однако электропитание, электромагнитные процессы и энергетические показатели существенно отличаются.

Для оценки возможности применения реактивного индукторного электропривода в составе насосного агрегата для систем тепло- и водоснабжения в стационарном хозяйстве железнодорожного транспорта на насосной станции подкачки (ст. Николаевка) Московско-Рязанского отделения Московской железной дороги были проведены испытания электропривода ЭПИ 7,5/3 (производства «НПО ”Спецэлектропривод”»). В его состав входит собственно реактивный индукторный электродвигатель и блок управления. Для определения максимальной нагрузки проводились предварительные исследования режима работы насосной станции и установленного на ней оборудования, которые показали, что наибольший водоразбор характерен для летних месяцев работы. Было выявлено, что пиковый расход воды (август 2004 года) составил 97 м³/ч при разнице выходного и входного давлений (Н_вых.ср.- Н_вх.ср.) 18 м вод. ст., а максимальная мощность, потребляемая на клеммах электродвигателя, составила 7,2 кВт. В течение испытаний наблюдались значительные колебания как по подаче воды, так и по энергопотреблению (рис. 1).

Данные параметры штатно реализовывались асинхронным двигателем марки 4 АМ мощностью 15 кВт с постоянной частотой вращения вала 2 940 об/мин. В связи с значительными колебаниями величин расхода воды, обусловленного технологическими условиями потребления, эксплуатация насосной станции требует многократного, в течение рабочей смены, регулирования параметра выходного давления, которое осуществляется обслуживающим персоналом посредством ручного управления выходной задвижкой, расположенной примерно в 500 м от рабочего места оператора.

Рисунок 2. (подробнее) Динамика изменения объема перекачиваемой воды

Рисунок 3. (подробнее) Динамика изменения расхода электроэнергии

С учетом полученных данных для испытаний был предложен индукторный электродвигатель ЭПИ 7,5/3 мощностью 7,5 кВт, позволяющий при увеличении числа оборотов вращения вала до 3 500 об/мин развивать мощность до 11 кВт.

Испытания проводились в два этапа: первый – исследование работы насоса К95/50 с регулируемым индукторным электроприводом, второй – исследование работы этого же насоса со штатным асинхронным электродвигателем.

Основные параметры, характеризующие режим работы насосной станции – значение величины подачи воды и перепад давлений между всасывающим и напорным коллекторами.

Проведенные испытания показали, что замена ручного регулирования расхода воды задвижками системой управления на основе реактивного индукторного двигателя дает значительную экономию (примерно 50 %) как по количеству потребляемой станцией подкачки электроэнергии, так и по объему перекачиваемой насосным агрегатом воды (рис. 2, 3). Следует дополнительно учитывать такие факторы, как уменьшение нагрузки на гидравлическую систему, а также снижение эксплуатационных расходов, которые обусловлены тем, что в системах водоснабжения потребление воды в течение суток значительно изменяется, достигая максимума в утренние и дневные часы и минимума в ночное время. На эти колебания накладывается непостоянство давления в городской сети. Все это приводит к значительному изменению требуемого напора и подачи насоса. При применении в системе насосного агрегата с постоянной частотой вращения избыточный напор насоса, возникающий при минимальном потреблении воды и максимальном давлении в городской сети, приводит к перерасходу электроэнергии и повышенному давлению в трубопроводах, приводящему к увеличению утечек воды, а в некоторых случаях и к прорыву трубопровода.

В качестве основных показателей эффективности работы насосного агрегата приняты удельные затраты электроэнергии при подаче воды (e_средн) и коэффициент полезного действия (КПД). Эти показатели зависят от режима работы насосного агрегата, т. е. от величины подачи насоса и перепада давлений на входе и выходе насоса.

Таблица 1 (подробнее) Сравнительные данные показателей эффективности работы насосного агрегата

В табл. 1 приведены сравнительные данные по затратам электроэнергии и коэффициента полезного действия насосного агрегата при его работе с регулируемым индукторным и штатным асинхронным приводом.

Также можно отметить, что удельные энергозатраты дросселируемого насосного агрегата с асинхронным приводом выше более чем в 2 раза по сравнению с работой насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом. При одинаковом перепаде входного и выходного давления среднесуточная подача воды насосного агрегата со штатным асинхронным приводом значительно превышает подачу воды насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом. Это объясняется тем, что для поддержания необходимого давления требуется практически 50 % перепуска воды. За период проведения испытаний величина суточного расхода воды, фиксируемая обслуживающим персоналом по штатному расходомеру, была практически одинакова (900 м³). Очевидно, что при близком по величине расходе воды удельные энергозатраты штатного асинхронного привода будут еще выше.

Ранее проводились аналогичные испытания на предприятиях Мосводоканала [6]. Сравнение результатов, полученных на объектах Мосводоканала и насосной станции Николаевка, показало, что они практически одинаковы. Например, для насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом удельные энергозатраты составили 0,0956 кВт•ч/м³ и 0,09 кВт•ч/м³, а для насосного агрегата с дросселируемым асинхронным приводом – 0,185 кВт•ч/м³ и 0,19 кВт•ч/м³. Удельные энергозатраты насосного агрегата с регулируемым асинхронным приводом равны 0,112 кВт•ч/м³, что на 20 % больше, чем энергозатраты насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом.

Технико-экономические показатели при применении в составе насосного агрегата частотно-регулируемого асинхронного привода и регулируемого индукторного привода по сравнению с работой дросселируемого насосного агрегата с нерегулируемым асинхронным приводом приведены в табл. 2. Принято, что среднесуточный расход воды, перекачиваемый насосным агрегатом, V_сут = 55 м³/ч и тариф на электроэнергию – 1,08 руб/кВт•ч.

Таблица 2 (подробнее) Технико-экономические показатели

Выводы

1. Результаты испытаний показали, что при замене штатного асинхронного электродвигателя в составе насосного агрегата на регулируемый индукторный электропривод удельные затраты электроэнергии снижаются в 2,1 раза. При этом исключаются потери энергии холостого хода на 30%, которые характерны для асинхронных электродвигателей, и непродуктивный перепуск воды.

2. Выходное давление воды поддерживается автоматически в заданных пределах, что значительно облегчает работу обслуживающего персонала и уменьшает риск повреждения сетей.

3. Расчет экономической эффективности рассматриваемых результатов показывает, что затраты при оборудовании систем водоснабжения регулируемым электроприводом окупаются во всех рассматриваемых случаях в течение 1–2 лет. При этом срок окупаемости при установке отдельно частотного преобразователя для асинхронного двигателя и регулируемого индукторного двигателя практически одинаков (1,16 и 1,2 года). Однако с учетом изношенности оборудования в стационарном хозяйстве железнодорожного транспорта при полной замене электропривода предпочтительней является применение регулируемого индукторного привода (с учетом более высокой надежности индукторного двигателя).

Литература

1. Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года. Утв. 01.10.2004 года // ОАО «Российские железные дороги». М., 2004.

2. Марков В. Ю. Практическая оценка эффективности применения частотно-регулируемого электропривода // Промышленная энергетика. 2003. № 3. С. 20–22.

3. Хусаинов Р. М. Мягкие пускатели: что будем экономить // Энергосбережение. 2002. № 4. С. 54–56.

4. Вербук М. И. Энергосбережение в научном центре РАН в Черноголовке // Энергосбережение. 2004. № 4. С. 56–59.

5. Семенов В. Г. Теплоснабжение городов: Пекин – Дрезден – Таллин // Новости теплоснабжения. 2004. № 9. С. 47–54.

6. Поршнев В. Н., Новикова Л. В. Мероприятия по энергосбережению и снижению потерь воды в системах городского водоснабжения // Энергосбережение. 2004. № 5. С. 12–16.