EFEKTY ZASTOSOWANIA INTELIGENTNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO Z PRZEMIENNIKIEM CZĘSTOTLIWOŚCI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA W POMPOWNI SIECI CIEPLNEJ

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 1/2013 (98) 205 Zbigniew Szulc Politechnia Warszawsa, Warszawa EFEKTY ZASTOSOWANIA INTELIGENTNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO Z PRZEMIENNIKIEM CZĘSTOTLIWOŚCI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA W POMPOWNI SIECI CIEPLNEJ EFFECTS OF USING A SMART DRIVE SYSTEM WITH A MEDIUM VOLTAGE FREQUENCY CONVERTER IN HEAT DISTRIBUTION NETWORK OF THE PUMPING STATION Streszczenie: W artyule zostały przedstawione wynii badań i pomiarów efetywności energetycznej uładu napędowego pompy obiegowej w pompowni sieci ciepłowniczej. Badany obiet stanowi inteligentny uład napędowy z przemienniiem częstotliwości średniego napięcia. Wynii badań zostały porównane z badaniami podobnymi przeprowadzonymi na uładzie napędowym stosowanym poprzednio do chwili modernizacji. Efety tych badań porównano stosując ilościowy pis efetywności energetycznej uładu napędowego. Abstract: The article presents results of research about circulating pump drive system in pumping station of Warsaw heat distribution networ. This pumping station provides correct wor of the heat distribution networ to 30% of the city. Energy efficiency was an aim of drive system researches. Mathematical description of the energy efficiency was made by basing on energy coefficients. Value of these coefficients was computed using research results during pumping station exploitation. The drive system has been modernized two years ago but the pumping station was completely technically prepared in 2012/2013. The energy efficiency of modernized drive system was checed against energy efficiency of drive system applied until now. Results of both clearly showed that modernization was necessary. Słowa luczowe: uład napędowy średniego napięcia, napęd pompy obiegowej, efetywność energetyczna Keywords: medium voltage drive system, circulating pump drive, energy efficiency 1. Wstęp Ułady napędowe pomp obiegowych (sieciowych) w pompowniach sieci cieplnych, oprócz efetywności energetycznej muszą wyazać się właściwościami, tóre zapewniają poprawną pracę w trudnych warunach esploatacyjnych. W artyule został przedstawiony uład napędowy dużej mocy (moc silnia wynosi 630 W znamionowa) i średniego napięcia (6 V napięcia sieci zasilającej) napędzający pompę obiegową. Trzy taie zespoły pracują w jednej ze stołecznych pompowni obsługującej o 1/3 całej cieplnej sieci miejsiej. Najczęściej pracują dwa zespoły, a trzeci stanowi rezerwę. Do 2011 rou jao ułady napędowe pomp obiegowych były stosowane napędyasadowe zmodyfiowane. Cała pompownia słada się z dwu grup zespołów uład napędowy-pompa obiegowa. Jedna grupa (przedstawiona powyżej) zespołów stanowi zasilanie sieci cieplnej (dwa zespoły, a trzeci rezerwowy) tłoczy gorącą wodę z eletrociepłowni (podnosząc ciśnienie), a druga grupa (dwa zespoły, a trzeci rezerwowy) ściąga ciepłą wodę z sieci (gdzie oddała ciepło) z powrotem do eletrociepłowni. W chwili obecnej zmodernizowana jest grupa trzech zespołów na tłoczeniu, a na powrocie będzie modernizowana w tym rou. W artyule została przedstawiona metoda badania efetywności energetycznej, tóra ilościowo pozwala ocenić esploatowane ułady napędowe. Na podstawie wyrywowych badań i pomiarów (w ciągu jednego miesiąca esploatacji) oceniono dwa różne typy uładów: jeden po modernizacji, a drugi przed modernizacją. Wynii tej oceny przedstawiają wyraźnie orzyści, jaie dała modernizacja. 2. Badane ułady napędowe Ta ja było przedstawione powyżej, ułady napędowe przed modernizacją stanowiły tzw. ułady asadowe zmodyfiowane. Na rys. 1 został przedstawiony tai uład [1]. Do esploatacji zostało wprowadzone w 1993r. 6 taich uładów (trzy na tłoczeniu i trzy na powrocie). Silnii napędowe (asynchroniczne pierścieniowe M1 i silnii obcowzbudne prądu stałego

2 206 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 1/2013 (98) M2) były wyproduowane znacznie wcześniej (w latach siedemdziesiątych) i stosowane były w uładach napędowych tej pompowni w tzw. asadach stałej mocy. Moce znamionowe tych silniów wynosiły: M1 800 W (6 V), M2 320 W (440 V). W 2011 r przeprowadzono modernizację uładów napędowych na tłoczeniu pompowni (trzy sztui). Ponieważ założeniem modernizacji była taże wymiana pomp na nowe o więszej sprawności i bardziej dostosowane do wymagań obecnej sieci cieplnej, oazało się, że moc napędów może być mniejsza. Na rys. 2 został przedstawiony schemat ideowo bloowy nowego uładu napędowego. Nowy silni inducyjny latowy posiada następujące dane znamionowe: Typ: Sh 450 H62 P W = 630 W, U N = 6 V, I N = 74,8 A n N = 994 obr/min, cosϕ N = 4 Silni ten zasilany jest z przemiennia częstotliwości typu POWERFLEX 7000 o następujących danych: U 1 = 6 V (napięcie wejściowe) U 2 = 0-6 V (napięcie wyjściowe regulowane) f 2 = 0-75 Hz (częstotliwość wyjściowa regulowana) I 2N = 75 A, η N = 97,5% Przemienni ten, jego topologia i zasada działania zostały przedstawione w [2]. Ogólnie można powiedzieć, że jest to nowoczesny przemienni częstotliwości średniego napięcia o ształtowanym sinusoidalnie prądem wejściowym i wyjściowym. Istnieje też możliwość ształtowania wartości cosϕ wejściowego. Wartość współczynnia THD prądu i napięcia wyjściowego nie przeracza ilu procent. Przemiennii te od ilu lat są produowane w Polsce i posiadają już iladziesiąt apliacji głównie w energetyce eletrycznej i cieplnej. W sezonie cieplnym 2011/2012 pompownia pracowała dorywczo, a w obecnym sezonie 2012/2013 pracuje zgodnie z harmonogramem centralnej dyspozycji mocy cieplnej ze stolicy. Waruni pracy pompowni, a więc i poszczególnych napędów zależą od wymaganych parametrów wyjściowych, przy czym najważniejszym parametrem jest ciśnienie na wyjściu pompowni (na tłoczeniu). M1 PD PS PO PS SN ~ ~ Ld M2 PT NN Rys. 1. Uład napędowy pompy obiegowej przed modernizacją Rys. 2. Uład napędowy pompy obiegowej po modernizacji 3. Metodya badań efetywności energetycznej uładu napędowego Doładnie efetywność energetyczną pompowni, a więc i uładów napędowych można ocenić dopiero po zaończeniu obecnego sezonu ciepłowniczego (maj 2013). Wtedy też można ją porównać z poprzednimi sezonami ciepłowniczymi, iedy pracowały ułady napędowe asad zmodyfiowanych. Jedna, aby wstępnie ocenić efety modernizacji pompowni zdecydowano zrobić pomiary i badania nowego uładu napędowego w przedziale czasowym ilunastu godzin normalnej pracy esploatacyjnej. Równocześnie wybrano podobny ores czasu i waruni technologiczne (ciśnienie i temperatura) pracy pompowni z uładami napędowymi asad zmodyfiowanych w sezonach cieplnych sprzed 2011r. Jest to możliwe, gdyż praca pompowni od ilunastu lat jest zautomatyzowana pod względem technologii i pomiarów. Komputerowy system rejestruje i ar- PT

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 1/2013 (98) 207 chiwizuje dla jednego zespołu następujące dane: - ciśnienie na ssaniu i tłoczeniu pompy, - prędość obrotową zespołu, - prąd w jednej fazie zasilający silni napędowy pompy. Na rys. 3 zostały przedstawione te przebiegi zarejestrowane w ciągu jednej doby (od godz dn do godz dn r.). Wejście do pracy zespołu nastąpiło po godz dn i sończyło się przed godz dn Stabilizowaną wielością było ciśnienie (p t ) na tłoczeniu (najbardziej zewnętrzna pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego). Na rys. 4 zostały przedstawione zarejestrowane przebiegi mocy czynnej (P C ) i biernej (P b ) oraz prąd w trzech fazach zasilających (I L1, I L2, I L3 ) w trójfazowej sieci 6 V zasilającej pompownię na tłoczeniu. Jao parametr wyjściowy zespołu wybrano natężenie przepływu (Q), tóre zmieniało się od 0,6 Q N do 1,0 Q N. W zaresie tych wartości przepływu wyznaczono współczynnii efetywności energetycznej [3] [4] uładu napędowego przed modernizacją i po modernizacji. Współczynnii te są następujące: eη sprawność energetyczna zespołu napędowego, eh współczynni zawartości wyższych harmonicznych w prądzie zasilającym, eϕ współczynni przesunięcia pomiędzy pierwszą harmoniczną prądu zasilającego, a napięciem (pierwszą harmoniczną) zasilającym, ei współczynni niesmyterii prądu zasilającego, eω współczynni pulsacji przebiegu prędości obrotowej zespołu napędowego. Wszystie te współczynnii charateryzują straty energii różnego rodzaju (eletryczne i mechaniczne) całego zespołu napędowego. Do ich wyznaczania zastosowania metody opisane w [3], [4]. Na tej podstawie wyznaczono przebiegi efetywności energetycznej zespołu napędowego przed modernizacji (asada zmodyfiowana) i po modernizacji. Na rys. 5 do rys. 9 zostały przedstawione przebiegi powyższych współczynniów w funcji natężenia przepływu. Współczynnii te można przedstawić zależnościami: Rys. 3. Przebiegi zarejestrowane w pompowni. P S - ciśnienie na wejściu pompowni; p t ciśnienie na wyjściu pompowni (tłoczenie), n prędość obrotowa zespołu napędowego; I M prąd w jednej fazie silnia napędowego

4 208 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 1/2013 (98) η NA 5 Rys. 4. Przebiegi zarejestrowane w rozdzielni zasilającej zespoły napędowe; P C moc czynna pobierana przez zespoły napędowe, P b moc bierna, I L1, I L2, I L3 fazowe prądy zasilające zespoły napędowe eϕ 1 5 Rys. 5. Sprawność całowita zespołu napędowego η NA = eη w funcji natężenia przepływu. uład napędowy z przemienniiem częstotliwości, uład asady zmodyfiowanej eh 85 0,7 Rys. 7. Zależność współczynnia eϕ od natężenia przepływu. uład napędowy z przemiennia częstotliwości; uład asady zmodyfiowanej ei Rys. 6. Zależność współczynnia eh od natężenia przepływu. uład napędowy z przemiennia częstotliwości; uład asady zmodyfiowanej Rys. 8. Zależność współczynnia eω od natężenia przepływu. uład napędowy z przemiennia częstotliwości; uład asady zmodyfiowanej

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 1/2013 (98) 209 eω 1 Rys. 9. Zależność współczynnia eω od natężenia przepływu. uład napędowy z przemiennia częstotliwości; uład asady zmodyfiowanej ee 0,7 0,6 0,5 0,4 Rys. 10. Zależność efetywności uładów napędowych ( ee ) od natężenia przepływu. uład napędowy z przemiennia częstotliwości; uład asady zmodyfiowane = η η = eη F M η NA (1) 1 eh = (2) 2 1( THDI) = cosϕ eϕ 1 (3) el I S = (4) I + I S Ω eω = (5) Ω + Ω Współczynni efetywności energetycznej całego zespołu napędowego oreślono według [3] następująco: = ee eη eh eϕ ei eω (6) Przebieg współczynnia ee został przedstawiony na rys. 10. Do obliczenia sładowych współczynniów wyznaczono następujące wielości: η F, η M na podstawie parametrów podanych przez producenta przemiennia częstotliwości (SN) i silnia (M) oraz wyznaczania sprawności metodą strat poszczególnych THDI współczynni zawartości harmonicznych w prądzie zasilającym (rejestracja bezpośrednia) cosϕ 1 cosinus ąta pomiędzy pierwszą harmoniczną prądu zasilającego i pierwszą harmoniczną napięcia zasilającego, rejestracja przyrządem typu HIOKI I S, I średnia wartość sutecznej wartości prądu zasilającego w jednej z faz i najwięsza różnica pomiędzy chwilową wartością suteczną najwięszą, a średnią ( I) Ω, Ω średnia wartość prędości wyjściowej i najwięsza wartość pulsacji (różnica pomiędzy najwięszą, a średnią Ω). 4. Wniosi Zaproponowana metoda badania efetywności energetycznej uładów napędowych wyraźnie wyazała pozytywny charater modernizacji. Na rys. 10 współczynni efetywności energetycznej ee uładu napędowego z przemienniiem częstotliwości znacznie przewyższa ten współczynni uładu napędowego asady zmodyfiowanej. Analizując przebiegi współczynniów eη, eh, eϕ należy stwierdzić, że właśnie te mają najwięszy wpływ na przebiegi ee uładów badanych. Mniejszy wpływ mają przebiegi współczynniów BLBLA, gdyż ich wartości w badanym przedziale Q (0,6 Q N Q Q N ) są więsze niż 5. Zastosowana metoda dość dobrze ocenia efetywność energetyczną uładu napędowego oraz może służyć do oceny różnych uładów napędowych przy założeniu, że pracują w tych samych warunach technologicznych. Jeżeli te waruni są różne i czas pracy jest różny to należy wprowadzić drugą zmienną i wówczas współczynni efetywności energetycznej jest

6 210 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 1/2013 (98) funcją dwu zmiennych (Q i t). W przypadu rozpatrywania zależności ee od natężenia przepływu dla różnych uładów, ten jest najlepszy, tórego pole jest pod rzywą ee najwięsze. 5. Literatura [1]. Koczara W., Szulc Z.: Energy Saving Wariable Speed Drives in Polish Industry and in Electrical Power Systems, International Scientific Conference Energy Savings in Electricasl Engineering, Warszawa [2]. Koczara W., Szulc Z.: Nowe topologie i sterowanie obwodów wejściowych przemienniów częstotliwości średniego napięcia, umożliwiające ich szeroie zastosowanie, Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 79, ro 2008, Katowice, [3]. Szulc Z.: Ocena ilościowa efetywności energetycznej uładów napędowych wtórnych maszyn przepływowych dużych mocy. Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 91 3/2011, Katowice, [4]. Projet badawczy Nr 3139/B/T02/2011: Efetywność energetyczna przeształtniowego uładu napędowego z silniiem inducyjnym średniego napięcia do pomp obiegowych w inteligentnej sieci cieplnej.