Расчет экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет экономической эффективности

Инструкции по расчету экономической эффективности

Москва 1997



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.



1. 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 газомазутных 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 частотно-регулируемому 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 водо- и 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.

2. 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., ?вент.ном и двигателя Рдв.ном.,кВт, nном, об/мин, ?дв.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 расхода - график 1 на рис. 3.

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 пропорциональной зависимости: - нижняя 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 ?Р между кривыми 1 и 2 - экономия мощности при частотном регулировании скорости;

5. По величине с помощью кривой 2 оценивают допустимый расход Q*доп при номинальном режиме двигателя и проверяют условие

1 < Q*доп:

слишком большой запас по расходу свидетельствует о неудачном выборе оборудования;

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 ?P(t) (рис. 5), определяя?Р, на каждом интервале по соответствующему значению Q* или N*из рис. 4.;

8. Определяют энергию, сэкономленную за цикл (год) ?Эц:

где m - число участков цикла с разными ?Pi;

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. = ?Эц? 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

?N = (0,01 ? 0,02)K ? Nном,

где - коэффициент, равный отношению мощности электроприводов, оснащенных ЧРП к общей мощности электроприводов энергоблока (или ТЭС);

10.2. Определяют стоимость нового строительства электростанции (энергоблока) мощностью ?N:

Цэл.ст. = ?N ? 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 ?Ц = Цпч - Цэл.ст.;

10.4. Определяют срок окупаемости ЧРП по соотношению

Если значение ?Ц ? 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

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.

3. 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.; ?нас.ном и двигателя мощность Рдв.ном, кВт; ток Iном, А; частота вращения nном, об/мин; КПД ?дв.ном; коэффициент мощности cos?ном;

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;

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:

Величину КПД насосного агрегата ?нас определяют как



?нас = К ??нас.ном,

где К - определяется по кривой на рис. 6 для расхода Qсризмеренного в п.4 и отнесенного к Qном из п.1.

8. Определяют цену годовой экономии электроэнергии, руб/год, по формуле: электропривод тепловой водоснабжение напор

где ?Эгод - 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:

где ?Вгод - 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.

?? = С??t ??Вгод.гор ?106,

где : С = 1,0 - коэффициент теплоемкости воды, кал/г ?°С;

?t - расчетный перепад температуры перегрева горячей воды, °С;

?Вгод.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.

Ц?? = ??? ЦГкал,

где: ЦГкал - цена 1 Гкал тепла, руб или USD.

11. Оценивают ориентировочно срок окупаемости дополнительного оборудования Ток, год

где Цпч - стоимость дополнительного оборудования ЧРП, включая установку.



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, ?P и ?Э приведены в таблице:

1* Получено из оперативного журнала электростанции.

2* 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.

?Эгод = 944 + 4536 = 5.48 млн. кВт?ч /год.

Стоимость сэкономленной электроэнергии в год

?Сэл.эн. = 219000 USD при тарифе = 0,04 USD/кВт?ч,

?Сэл.эн. = 329000 USD при тарифе = 0,06 USD/кВт?ч.

Увеличение номинальной мощности энергоблока



?N = 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, ?дв.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 двигателя кВт составит Q*дoп = 1,12, т.е. Q*дoп > 1.

По диаграмме Q*(t) на рис. А и кривым на рис. В определяют?P1, ?Р2, ?Р3.

Энергия, сэкономленная за цикл (сутки):

?Эц = ?P1t1 + ?P2t2 + ?Р3t3 = 3,3 ? 3 + 5,8 ? 3 + 6,2 ? 4 = 52,1 кВт?ч.

Энергия, сэкономленная за год :

?Эгод = ?Эц? 240 = 52,1 ? 240 = 12500 кВт?ч/год.

Срок окупаемости по электроэнергии:

года.

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

года.

ПРИМЕР 3.

Реализованные энергосберегающие насосные станции ЦТП

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	Показания приборов	Часовой расход
	Э, кВт?ч	В, м3	Э, кВт	В, м3/ч
Базовая система
13.01.97, 13.00	06476,2	040511,7	(6796 - 6476,2)/2 = 9,9	(40562,0 - 40511,7)/2 = 25,15
13.01.97, 15.00	06496,0	040562,0
Новая система
14.01.97, 13.00	06518,2	040827,3	(6522,5-6518,2)/1,5=2,87	(40857,1-40827,2)/1,5=19,87
14.01.97, 14.30	06522,5	040857,1

Оперативный анализ

Даты	Расход электроэнергии, кВт?ч	Расход воды, м3
	Базовая система	Новая система	Базовая система	Новая система
10.05.95-24.05.95 25.05.95-08.06.95	2158 --	-- 997	5212 --	-- 3830

Сопоставительный анализ сделан на основании сопоставления месячных расходов электроэнергии и воды за текущий и предшествующий годы.

Размещено на Allbest.ru

...