Опыт внедрения частотно-регулируемого электропривода в системе теплоснабжения

Об эффективности регулирования производительности циркуляционных насосов путем изменения частоты вращения их рабочих колес известно давно. Применение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) на новых технологических установках в последнее время стало нормой. Однако и в существующих системах теплоснабжения реализация такого энергосберегающего мероприятия представляется интересным. Предлагаем познакомиться с опытом внедрения ЧРП и оценкой его эффективности.

Особенности теплоснабжения компрессорной станции

Компрессорная станция (КС) магистрального газопровода предназначена для подержания в нем рабочего давления, обеспечивающего транспортировку природного газа в заданном объеме. Основным элементом КС является газоперекачивающий агрегат, на котором в качестве привода используется газотурбинная установка (ГТУ). В выхлопных трактах ГТУ установлены утилизационные теплообменники, которые и являются основными источниками тепловой энергии для потребителей – промплощадки КС. Параллельно утилизационным теплообменникам подключена резервная блочная котельная, запускающаяся при остановках КС или недостатке тепловой энергии, получаемой от теплообменников.

Теплофикационная насосная станция (ТНС), установленная в блочной котельной, создает давление в напорном коллекторе, обеспечивая циркуляцию теплоносителя по системе: рабочая группа насосов – напорный коллектор – утилизационные теплообменники (резервная котельная) – прямой коллектор – сеть потребителей тепловой энергии – обратный коллектор. Расход и давление в системе не являются постоянными величинами, т.к. зависят от количества работающих утилизационных теплообменников, а также от режима сети потребителей тепловой энергии (количества находящихся в работе модулей вентиляции).

Группа сетевых насосных агрегатов (НА) ТНС состоит из 4 центробежных насосов единичной производительностью 310 м³/ч и напором 60 м вод. ст. c асинхронными электродвигателями мощностью по 75 кВт каждый в качестве привода (рис. 1). Схема подключения НА представлена на рис. 2.

Рис. 1. Сетевые насосные агрегаты ТНС.

Рис. 2. Схема технологической обвязки сетевых насосных агрегатов:
ВР – аналоговые датчики давления, SP – датчики наличия перепада давления.

Во время отопительного сезона в работе находятся 2 насоса, заданных оператором, а остальные 2 остаются в резерве; в редких случаях, при температуре наружного воздуха ниже расчетной (≤45 оС), одновременно работают 3 насоса. В межсезонье, на ГВС (расход около 50 м³/ч) – в работе был 1 насос (в настоящее время, с применением электрических водонагревателей, режим ГВС не используется). Запас производительности насосов заложен с учетом перспективного увеличения тепловой нагрузки.

Станция автоматического управления ЧРП сетевых насосных агрегатов

Для управления сетевыми насосами была разработана и внедрена станция автоматического управления (САУ) с ЧРП (рис. 3). Станция предназначена для повышения надежности работы системы теплоснабжения, улучшения технологического режима работы сетевых насосов и снижения общего расхода электроэнергии на циркуляцию теплоносителя по системе. Достижение поставленной цели осуществляется плавным изменением частоты вращения регулируемого насосного агрегата и поддержанием неработающих насосных агрегатов в автоматическом резерве.
САУ состоит из вводного распределительного шкафа (ВРШ), четырех шкафов силового оборудования насосов (ШС1-ШС4) и шкафа управления (рис. 4). ВРШ обеспечивает электроснабжение станции по двум вводам, с возможностью ручного секционирования при регламентных работах на одной из секций КТП. Каждый ШС оборудован преобразователем частоты импортного производства с фильтром высших гармоник, предназначенным для обеспечения норм качества электрической энергии в сети, и байпасной цепью питания электродвигателя насосного агрегата.

Рис. 3. Станция автоматического управления с ЧРП.

Рис. 4. Электрическая однолинейная схема САУ сетевыми насосными агрегатами.

В качестве управляющего элемента применяется программируемый логический контроллер (ПЛК). Кроме ПЛК в шкафу управления размещены преобразователи сигналов с датчиков давления, пускорегулирующая аппаратура электроприводов задвижек НА, промежуточные реле, а также организовано АВР питания цепей управления и электроприводов задвижек. На передней двери шкафа размещена панель управления и сигнализации.

В автоматическом режиме система обеспечивает:

• возможность задания оператором работающей группы из любых одного, двух и трех насосных агрегатов, при этом
• неработающие НА будут находиться в автоматическом резерве;
• задание уставки и индикацию текущего значения давления в напорном коллекторе;
• автоматическое поддерживание заданного давления в напорном коллекторе путем плавного изменения частоты вращения работающих насосных агрегатов;
• плавный переход с одного насосного агрегата на другой;
• автоматическое управление задвижками напорных патрубков НА и непрерывный контроль их положений и состояний;
• непрерывный контроль работающих НА: наличия перепада давления, нагрузки по току электродвигателя, соответствия питающего напряжения, исправности ПЧ и др.;
• автоматический переход на резервный НА при выходе работающего из строя;
  контроль и индикацию часов наработки по каждому НА;
• звуковую и световую сигнализацию при всех аварийных ситуациях с расшифровкой на панели визуализации;
• ведение архива аварий с присвоением метки времени каждому событию;
• возможность организации информационно-управляющего взаимодействия с АСУ верхнего уровня по протоколу Modbus RTU.

При электроснабжении ЧРП от локального источника мощности, такого, как аварийная дизельная электростанция, необходимо учитывать следующую особенность. В соответствии с ВРД 39-1.10-052-2001 для компенсации эквивалентного противофазного тока преобразователя частоты трехфазному генератору переменного тока, мощность генератора должна быть в 5-6 раз больше мощности двигательной нагрузки, т.к. нагрузка генератора в виде преобразователя частоты создает высшие гармонические составляющие тока. Высшие гармонические составляющие тока наводят в обмотке возбуждения генератора магнитное поле противоположного направления основному, увеличивая потери в обмотках генератора, приводя их к нагреву и даже выгоранию. Поэтому САУ исключает работу преобразователей частоты при питании от ДЭС. Электродвигатели насосов в этом случае запускаются напрямую от сети. При восстановлении электроснабжения от сети система автоматически возвращается в режим частотного регулирования.

Следует также отметить, что расход теплоносителя вычисляется расходомером с определенным периодом усреднения, и при регулировании по расходу возникает проблема устойчивости системы. Поэтому регулирование частоты вращения насосных агрегатов осуществляется по давлению в напорном коллекторе. Для предотвращения снижения циркуляции при росте давления за счет интенсивного нагрева теплоносителя, например, при закипании теплоносителя в утилизационном теплообменнике, в САУ предусмотрен контроль минимального расхода. При поступлении сигнала из внешней системы «низкий расход» работа ПИД-регулятора блокируется, и система выводит ПЧ на максимальную частоту 50 Гц (максимальная циркуляция). При снятии сигнала «низкий расход» система возвращается в штатный режим регулирования.

При ручном режиме работы НА пуск и останов, а также управление его задвижкой производится оператором с помощью соответствующих кнопок на панели управления.

Определение эффективности ЧРП сетевых насосных агрегатов

Перед внедрением ЧРП был произведен предварительный расчет экономического эффекта и определение целесообразности применения частотного регулирования в данной системе теплоснабжения.
Основной составляющей экономического эффекта от внедрения ЧРП является экономия электрической энергии, т.н. прямой экономический эффект. Метод оценки экономии электроэнергии основан на сравнении потребляемых мощностей центробежными механизмами (в данном случае сетевыми насосами) при частотном регулировании и регулировании путем дросселирования.

Привод центробежных насосов имеет, т.н. вентиляторную характеристику момента. Это означает, что потребляемая мощность центробежного насоса зависит от числа оборотов рабочего колеса насоса. При увеличении числа оборотов вала центробежного насоса растет его производительность, увеличивается давление в линии нагнетания, и растет потребляемая мощность. При этом потребляемая мощность находится в кубической зависимости от скорости вращения вала насоса, т.е. Р=f(n)³. Из этого следует, что изменение скорости вращения вала насоса в 2 раза ведет к изменению потребления мощности насосом в 8 раз.

В основном режиме в нашем случае работают два НА подключенных параллельно. Так как все НА имеют одинаковые характеристики, суммарная мощность, потребляемая группой НА, составит: P=2Рi, кВт, где Рi – мощность, потребляемая одним насосом, кВт.

Построение зависимости потребления электроэнергии от расхода теплоносителя при дросселировании производилось опытным путем. Измерения проводились на одном НА при работе группы из двух НА на закрытые задвижки (нулевой расход) и на полностью открытые (максимальный расход) (таблица).

Таблица. Результаты измерений мощности насоса в зависимости от расхода теплоносителя

Потребляемая мощность одним НА при дросселировании определялась по выражению:

Рдрос i=Pmin i+(Pmax i– Pmin i)⋅(Qi/Qmax i), (1)

Потребляемая мощность одним НА при частотном регулировании определялась по выражению:

Рчрп i=(Pmax i/КПД пч)⋅(Qi/Qmax i)3⋅100, (2)
КПДпч для преобразователя частоты составляет 97%

Построенные зависимости по формулам 1, 2 приведены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимости потребляемой электрической мощности от расхода теплоносителя.

Согласно гидравлическому и тепловому расчету системы теплоснабжения промплощадки КС расчетные расходы теплоносителя составили:
Qp_I=443,3 м³/ч – для режима I (при работе модулей вентиляции),
Qp_II=363,1 м³/ч – для режима II (при отключенных модулях вентиляции).

При симметричной параллельной работе двух насосных агрегатов единичные расходы для одного НА соответственно составят:
Qp_Ii=221,65 м³/ч – для режима I (при работе модулей вентиляции),
Qp_IIi=181,5 м³/ч – для режима II (при отключенных модулях вентиляции).

Минимальный напор на насосном агрегате Н, согласно гидравлическому расчету при этом должен быть не менее 45 м. вод. ст.

Определение потребляемой мощности одним НА при обоих режимах и различных способах регулирования расхода производилось графическим способом и показано на рис. 5. Недопотребляемая при частотном регулировании электрическая мощность в сравнении с дросселированием дает экономию электроэнергии. На одном НА эта разность составит:
ΔP_Ii=15,7 кВт - для режима I;
ΔP_IIi=34,2 кВт - для режима II;
Для группы из двух НА соответственно:
ΔP_I=31,4 кВт - для режима I;
ΔP_II=68,4 кВт - для режима II.

Следует отметить что минимальная мощность на НА для обеспечения перепада давления Н=45 м в. ст., при расходе Qp_IIi=181,5 м³/ч составит Рmin i=23,1 кВт. На рис. 6 ограничивающая зону регулирования для данного расхода по минимальной мощности точка А находится ниже графика PЧРПi=f(Q). Поэтому регулирование расхода с помощью ЧРП обеспечивает заданный минимальный перепад давления в обоих режимах работы системы теплоснабжения.

Рис. 6. Определение разности потребляемой электрической мощности при различных
способах регулирования.

Потребление электроэнергии за отопительный сезон группой сетевых НА с частотным регулированием, согласно графику на рис. 6, составит:
Wнов=2⋅PIi⋅tI+2⋅PIIi⋅tII=103,6⋅3912+55,6⋅2520=
=545,4 тыс. кВт⋅ч,
где PIi и PIIi – потребляемая электрическая мощность одним НА, tI и tII (ориентировочно, по данным за прошедшие отопительные сезоны) – время работы в часах для I и II режимов соответственно.

Экономия электроэнергии за счет внедрения ЧРП за отопительный сезон составит:
ΔW=ΔP_I⋅t_I +ΔP_II⋅t_II=31,4⋅3912+64,8⋅2520=286,1 тыс. кВт⋅ч,
где t_I и t_II – время работы в часах для I и II режимов соответственно. В процентном отношении это составит: ΔW(%)=ΔW/(ΔW+ Wнов)⋅100%=34,4%

Стоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии, потребляемой на данной комрессорной станции, с учетом тарифа и стоимости передачи составляет: Тэл=4,68 руб./кВт⋅ч. Таким образом, сэкономленные затраты на оплату электроэнергии ΔСэл за отопительный сезон составят:

ΔСэл=ΔW⋅Тэл=286,1⋅4,68=1 млн 339 тыс. руб.

Кроме прямого экономического эффекта от экономии электроэнергии применение ЧРП дополнительно обеспечивает следующее:

• благодаря отсутствию пусковых токов увеличивается ресурс электродвигателей;
• обеспечивается одновременная защита двигателей от токов короткого замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, неполнофазного режима, недопустимых перенапряжений;
• снижается износ коммутационной аппаратуры, т.к. ее переключения происходят при отсутствии тока;
• снижается уровень шума в помещении котельной;
• упрощается дальнейшая комплексная автоматизация объектов системы;
• снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыльчатки за счет плавного изменения числа оборотов;
• уменьшается опасность аварий за счет исключения гидравлических ударов.

Результаты внедрения станции управления с ЧРП

На станции ведется фиксация наработки часов по каждому НА, – это дает возможность контролировать и обеспечивать равномерность выработки ресурса НА. Опыт эксплуатации в течение нескольких отопительных сезонов показал, что САУ с ЧРП получилась достаточно функциональной. Запуск НА происходит плавно без гидравлических ударов. Оптимальная интенсивность разгона НА и настройки ПИД-регулятора подбирались в процессе наладки. Так же в процессе наладки были неоднократно проверены все функциональные возможности, заложенные в алгоритмах САУ.

Для поддержания заданного расхода уставка давления в напорном коллекторе выставлена на 8,0 кг/см³. САУ стабильно поддерживает давление в указанном пределе (7,8-8 кг/см³). Выходная частота ЧРП в установившемся режиме на каждом НА составляет 44±3 Гц. Загрузка каждого работающего электродвигателя НА составляет 48-53 кВт (64-70% от номинала). Изменение расхода, как указано выше, зависит от количества работающих модулей вентиляции, и по факту близко к расчетному (от 363 до 443 м³/ч). Изменение нагрузки отрабатывает ЧРП (41-47 Гц). Автоматическое изменение количества работающих насосов алгоритмом не предусмотрено. При необходимости это устанавливает оператор.

Экономия электроэнергии получилась близкой к расчетной. Что касается иных эксплуатационных расходов, например, изменения расхода теплоносителя, то в данном случае система теплоснабжения компактна, замкнута, и утечек как не было раньше, так и нет.

В условиях Севера особое внимание при разработке было уделено живучести ТНС. При аварии насоса станция запускает следующий по номеру резервный насосный агрегат. В случае выхода из строя даже всех 4 преобразователей частоты, САУ запускает необходимое количество НА от сети на закрытую задвижку, с последующим ее открытием.

При провалах питающего напряжения преобразователи частоты и, соответственно, НА останавливаются. Но, благодаря правильно подобранной интенсивности разгона, и тому, что задвижки на напорных патрубках НА остаются открытыми, при восстановлении напряжения питающей сети возобновление циркуляции теплоносителя происходит за несколько секунд.

В случае полного погашения питающей сети происходит автоматический запуск аварийной дизельной электростанции (АДЭС). При питании от АДЭС САУ, согласно заданному алгоритму, запускает НА от сети на закрытую задвижку с последующим ее открытием. Для уменьшения времени восстановления циркуляции теплоносителя, САУ в этом случае запускает НА, находившиеся ранее в резерве, т.к. их напорные задвижки находятся в закрытом состоянии. При восстановлении электроснабжения от сети запускаются от ЧРП основные НА которые были заданы оператором.

В заключение хочется отметить, что внедрению ЧРП должен предшествовать технологический анализ, разработка энергоэффективных алгоритмов автоматического управления и выбор качественного и надежного оборудования по разумной цене. В этом случае ЧРП позволяет обеспечить максимальную экономию и повысить надежность работы системы теплоснабжения.

Литература
1. Б.С. Лезнов. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006.
2. ВРД 39-1.10-052-2001 ОАО «Газпром». Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого электропривода мощностью до 500 кВт. 2001.