- 1
UKŁADY NAPĘDOWE POMP I WENTYLATORÓW - OSZCZĘDNOŚĆ ENERGII Mgr inż. Adam Tarłowski TAKOM Sp. z o.o.
Firma TAKOM założona w 1991r jest firmą inżynierską specjalizującą się w technice automatyki napędu elektrycznego Wybieramy urządzenia i producentów optymalizując wybór pod kątem aplikacji, jakości i niezawodności oraz oszczędności energii elektrycznej 3
TAKOM Zakres działalności Projektowanie, dostawa, montaż i rozruch kompletnych układów napędowych Sterowanie i wizualizacja komputerowa Kompensacja mocy biernej pasywna i aktywna. Sprzedaż przemienników częstotliwości SN i NN wraz z montażem i uruchomieniem Szkolenie w zakresie obsługi i programowania przemienników częstotliwości Serwis przemienników częstotliwości 4
POMPY - OSZCZĘDNOŚĆ ENERGII D - Ciężar właściwy cieczy [kg/dm3] - dla wody D = 1 Q n - Przepływ nominalny pompy - [l/s] H n - Nominalna wysokość podnoszenia pompy [m.] H max - Maksymalna wysokość podnoszenia pompy[m.] przy przepływie = 0 H st - Ciśnienie statyczne systemu [m.] η p - Sprawność nominalna pompy η m -Sprawność nominalna silnika η VSD -Sprawność nominalna przemiennika P1 - Moc znamionowa silnika [kw] T k - Czas pracy w roku [h] - Cena energii elektrycznej rok = 8760 h T i - Czas pracy w roku przy różnych przepływach [%]
Regulacja przez dławienie P 1 = 1x1 = 1 P 2 = 0,7x1,25=0,875
Regulacja prędkości obrotowej (przemiennik) P 3 = 0,7*0,6=0,42
Kalkulacja oszczędności energii Jeśli moc silnika pompy jest równa 400 kw, to P 1 = (1 x 1) x 400kW = 400kW Dla z dławienia wydajności do wartości 0,7 moc pobrana z sieci wyniesie (punkt pracy B) P 2 = (0,7 x 1,25) x 400kW = = 0,875 x 400kW = 350 kw Przy regulacji pompy przez zmianę prędkości moc pobrana z sieci wyniesie P 3 = (0,7 x 0,6) x 400kW = = 0,42 x 400kW = 168 kw
Kalkulacja oszczędności energii Oszczędność mocy wyniesie P = 359-168 = 182 kw Oszczędność energii elektrycznej E = 182 x 8760 = 1 594 320 kwh 1 kwh = 0,32 zł Oszczędności w opłatach za energię K = 1 594 320x 0,32 = 510 182 zł
Oszczędność energii elektrycznej przy regulacji prędkości obrotowej pomp Czynniki wpływające na wielkość oszczędności energii elektrycznej współczynnik zakresu regulacji prędkości obrotowej napędu, który można określić jako stosunek prędkości k r = n n n czas eksploatacji napędu w skali roku
Zależność między podstawowymi parametrami pompy a prędkością obrotową Wynikają z teorii podobieństwa pomp 2 3 Q 2 Q 1 n2 n1 H H 2 1 n n 2 1 P2 P1 n n 2 1 Regulacja wydajności pomp przez zmianę prędkości obrotowej przynosi wymierne oszczędności mocy i tym samym energii elektrycznej.
WENTYLATORY P[kW] = Moment M [Nm] x ω[2πn/60] Moment jest proporcjonalny do kwadratu prędkości [n2] Moc kw jest proporcjonalna do sześcianu prędkości [n3]
Korzyści w aplikacjach pompowo - wentylatorowych Praca wentylatora z tłumieniem przepływu - silnik zasilany z sieci, prędkość nominalna Aby uzyskać przepływ 60% operujemy mocą 85%
Korzyści w aplikacjach wentylatorowych Praca wentylatora z łopatami o zmiennym kącie - silnik zasilany z sieci, prędkość nominalna Aby uzyskać przepływ 60% operujemy mocą 60% Aby uzyskać przepływ 60% operujemy mocą 60%
Korzyści w aplikacjach wentylatorowych Praca wentylatora z regulacją prędkości przemiennik - silnik zasilany z przemiennika - zmienna prędkość i oszczędności energii Aby uzyskać Aby przepływ uzyskać przepływ 60% operujemy 60% mocą 20% operujemy mocą 20% Aby uzyskać przepływ 60% operujemy mocą 20%
Ogólne zasady aplikacyjne Wobec zasilania silnika napięciem i prądem sinusoidalnym o zawartości harmonicznych < 5% w całym zakresie obciążenia i prędkości tak ja ma to miejsce przy zastosowaniu przemiennika prądowego PF7000, nie jest wymagane : przewymiarowanie silnika dodatkowe zabezpieczenia przeciwprzepięciowe - możliwość stosowania silnika o standardowej klasie izolacji. izolowanie łożysk, stosowanie kabli ekranowych łączących silnik z przemiennikiem. Wobec tego, że zawartość wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym jest niższa od 5%, tym samym przemienniki te spełniają wymagania wynikające z Szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego wg. Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4.05.2007 r. ustalającego parametry jakościowe energii elektrycznej dla odbiorców zaliczanych do III grupy, które to określają dopuszczalną zawartość wyższych harmonicznych.
Współczynnik mocy i straty Wobec tego, że przemiennik PF7000 wyposażony jest w prostownik wejściowy typu PWM, jego współczynnik mocy dla pierwszej harmonicznej w całym zakresie regulacji widziany od strony zasilania jest powyżej cos φ = 0,94 i tym samym wyższy od normatywnego współczynnika mocy (cosφ=0,93) wynikającego z tgφ=0,4. Tym samym nie jest wymagana kompensacja mocy biernej wynikająca z taryfowego współczynnika. Należy jednak zaznaczyć, że istniejące baterie kondensatorów statycznych do kompensacji mocy mogą w tym układzie pracować, bowiem ilość wprowadzanych wyższych harmonicznych nie będzie powodowała zakłóceń w ich pracy. Sprawność przemienników częstotliwości > 97,5% tym samym straty mocy są stosunkowo niewielkie..
Napęd pompy wody zasilającej EC Żerań Parametry układu pompowego Moc nominalna Przepływ nominalny Wysokość podnoszenia Prędkość nominalna 2000kW 270[m 3 /h] 1572[m] 2987[obr/min] 18
CHARAKTERYSTYKI REGULACYJNE POMPY 2 MW DLA MINIMALNEJ WYSOKOŚCI PODNOSZENIA 1100m dla 180m3/h 2007 Wysokość podnoszenia [m] 1807 1607 1407 1207 1007 807 607 407 207 7 0 50 100 150 200 250 300 Przepływ Q [m3/h] 2 987,00 2 838,00 2 688,00 2 539,00 2 390,00 2 091,00 1 792,00 Obciążenie 19
Moc na wale silnika Moc [kw] 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0 50 100 150 200 250 300 Q [m 3 /h] Stałe obroty Regulowane obroty 20
Moc pobrana z sieci [kw] 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0 50 100 150 200 250 300 Q [m 3 /h] Regulowane obroty Stałe obroty Oszczędność 21
Prędkość obrotowa pompy w funkcji wydajności 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 N [obr/min] Oszczędność [kw] 10.00 5.00 0.00 Oszczędność [ kw ] 0 50 100 150 200 250 300 Q [m 3 /h] 22
Na podstawie uzyskanych informacji z EC Żerań średni przepływ (wykorzystanie przepływu pomp) wynosi ok. 75%, tzn. 180 m3/h Przyjmując koszt energii oraz czas pracy w ciągu roku 7 miesięcy (5000h), czas zwrotu nakładów wynosi : 3,928 lat 23
POMPY WODY ZASILAJĄCEJ Porównanie rozwiązań układów napędowych ze sprzęgłami hydrokinetycznymi i przemiennikiem 24
Sprawność energetyczna układu napędowego ze sprzęgłem hydrokinetycznym i przekładnią do pompy wody zasilającej. 90 88 86 ηus [%] 84 82 80 78 76 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 n/n P 25
Sprawność układu napędowego z przemiennikiem częstotliwości w funkcji prędkości obrotowej pompy 95 94,5 ηus [%] 94 93,5 93 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 n/n P 26
PS ηs ηm M 3~ 4MW 6kV 3000obr/min SH PW Schemat układu napędowego pompy wody zasilającej ze sprzęgłem hydrokinetycznym 27
Straty mocy w układzie napędowym ze sprzęgłem hydrokinetycznym 700 600 500 Psp [kw] 400 300 200 100 0 200 250 300 350 400 Q M [t/h] 28
PS ~ ηf PCZ ~ ηm M 3~ 4MW 6kV 3000obr/min PW PW 6kV Układ napędowy pompy wody zasilającej z przemiennikiem częstotliwości 29
Straty mocy w układzie napędowym z przemiennikiem częstotliwości SN. 250 200 Psc [kw] 150 100 50 0 200 250 300 350 400 Q M [t/h] 30
Efekty zaoszczędzonej mocy po zastosowaniu przemiennika częstotliwości SN. 600 500 Psp - Psc [kw] 400 300 200 100 0 200 250 300 350 400 Q M [t/h] 31
Zaoszczędzona energia elektryczna w ciągu roku E=2350MWh 32
Sprawność silnika (ηm), sprzęgła hydrokinetycznego (ηh) i sprzęgła typu VORECON (ηv) w funkcji mocy wyjściowej V H M 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 η M η V η Η 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P/P N [%] 33
Sprawność silnika (ηm), przemiennika częstotliwości (ηf) sprzęgła hydrokinetycznego (ηh) i sprzęgła typu VORECON (ηv) w funkcji prędkości obrotowej V Η F Μ 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 η M η F η V η Η 58 67 74 79 82 84 85 89 93 96 100 n/n N [%] 34
Sprawność całkowita układów napędowych z przemiennikiem częstotliwości (η CF ), z sprzęgłem hydrokinetycznym (η CH ) i sprzęgłem typu VORECONE (η CV ) 100 90 CV, CH, CF 80 70 60 50 40 η CF η CV η CH 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 n/n N [%] 35
Moc pobrana z sieci zasilającej przez układ napędowy ze sprzęgłem typu VORECON P [ kw] 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 200 250 300 350 400 Q M [t/h] 36
Zaoszczędzona moc po zastosowaniu przemiennika częstotliwości w porównaniu do Vorecona 250 200 PSV - PSC [kw] 150 100 50 0 200 250 300 350 400 Q M [t/h] 37
Zaoszczędzona energia elektryczna w ciągu roku : przemiennik - vorecon E V = 1067 MWh 38
Wnioski Dla pompy zasilającej PZ1 o mocy 4MW roczny efekt oszczędności energii przy zastosowaniu przemiennika wynosi 2350MWh. Roczny efekt oszczędności energii przy zastosowaniu przemiennika w stosunku do vorecona osiąga wartość 1067 MWh Zastosowanie przemiennika częstotliwości likwiduje wpływ prądu rozruchowego na trwałość silnika. Nowoczesny przemiennik częstotliwości średniego napięcia minimalnie oddziałuje na źródło zasilania (THD<5%) i znacznie ogranicza pobór mocy biernej. Zastosowanie przemiennika częstotliwości umożliwia stosowanie rezerwowego źródła zasilania o wielokrotnie mniejszej mocy pozornej niż przy rozruchu bezpośrednim stosowanym przy użyciu sprzęgieł. / 4MVA 20MVA / 39
SPRAWNOŚĆ UKŁADÓW REGULACJI POMP
Sprawność silników asynchronicznych w zależności od obciążenia o mocach 800 kw (stary) i 850 kw (nowe konstrukcje) 41
Przykładowa charakterystyka sprawności pompy w funkcji wydajności 42
Sprawność (η M ) oraz współczynnik mocy (cosφ M ) silnika w funkcji obciążenia 43
Sprawność (η F ) oraz współczynnik mocy falownika (cosφ F - wejściowy) w funkcji obciążenia 44
Moc pobrana z rozdzielni 10 kv przy regulacji wydatku wentylatora za pomocą ustawienia łopat (PZRW) oraz za pomocą zmiany prędkości obrotowej (PZRF) 45
Napędy niskiego i średniego napięcia porównanie kosztów 46
Podsumowanie Zastosowanie regulowanych układów napędów z przemiennikami częstotliwości pozwala na: Obniżenie zużycia energii elektrycznej Zmniejszenie zużycia energii biernej Zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery Poprawę sprawności układów napędowych 47
Chcesz automatyzować pracę układów napędowych i regulować prędkość silników 6kV a nie wiesz jak to zrobić? Zwróć się do nas TAKOM Sp. z o.o. Laski ul. 3-go Maja 36 c 05-080 Izabelin tel. 22 752 20 61 www.takom.pl takom@takom.pl 48