ЭНЕРГОАУДИТ Снижение потерь при технологических преобразованиях средствами автоматизации

ЭНЕРГОАУДИТ Снижение потерь при технологических преобразованиях средствами автоматизации и электропривода Владимир Николаевич Ларионов, профессор кафедры «Систем автоматического управления электроприводами» АЛЕКСЕЙ ГЕРМАНОВИЧ КАЛИНИН инженер сектора автоматизации ООО «НПП «Инженерный центр»

Методика инструментального обследования. Разработка подробных энергетических балансов технологических объектов 1. Изучение электрической и технологической схемы процесса. 2. Расчет распределения энергии в технологическом процессе В основу расчетов должен быть заложен принцип энергетического баланса потребляемой электроэнергии и распределение её на потери и затраты при выполнении технологического процесса. Для первичного определения технологических параметров используются приборы учета, установленные на технологическом оборудовании. Для первичного определения показателей работы электродвигателей используются их паспортные данные и фактические показания тока по стационарным приборам (амперметрам, киловаттметрам и т. д. ).

Активная мощность, потребляемая асинхронным двигателем из электросети 1. Для расчета необходимы паспортные данные двигателя: Pн — номинальная мощность двигателя, Uн — номинальное напряжение (лин. ) подводимое к статору, Iн — номинальный ток статора, дв — КПД номинальный, cos н — номинальный коэффициент мощности, nс — синхронная скорость. 2. Показания тока статора: Iсф — фактический ток статора,

Мощность, потребляемая асинхронным двигателем из электросети. Для расчета активной Pa и реактивной Q мощности, потребляемой из сети, применяется «Г» образная схема замещения асинхронного двигателя, согласно которой реактивный ток двигателя определяется его параметрами, напряжением сети и не зависит от нагрузки (принятое допущение дает погрешность не более 2 3%). ~ const факт. ток

Мощность, потребляемая синхронным двигателем из электросети. Для расчета активной Pa и реактивной Q мощности, потребляемой из сети, применяются «V» образные характеристики синхронного двигателя, согласно которым токи статора и обмотки возбуждения двигателя

Рабочая машина. Характеристики нагрузки на валу ω [1/с] Машины вытесняющего типа ω [1/с] Двиг. M = пост. Машина вентиляторного типа или Двиг. M [Нм] степенная нагрузочная характеристика • используются гораздо чаще по сравнению с машинами вытесняющего типа M [Нм] различные нагрузочные характеристики „постоянный момент“ в диапазоне регулировки частоты вращения • редко используется в сочетании с крупными приводами

Доля потребления электроэнергии наиболее массовыми потребителями по данным экспертов Европейского Союза Крупные потребители электроэнергии, такие как насосные установки, по стране ежегодно расходуют около 300 млрд. к. Вт*ч электроэнергии, т. е. примерно 20% всей электроэнергии вырабатываемой энергосистемами страны. Из них на перекачку чистых и сточных вод в России расходуется 12 млрд. к. Вт·ч электроэнергии.

Типы установок 1. Преодоление высоты плоская характеристика установки: H [м] Пример: • водонапорная башня • напорный бак • подача грунтовых вод 2. Преодоление противодавления p Пример: • компрессор • химические процессы • питательные насосы Q [л/с] H [м] Q [л/с]

Типы установок 3. Преодоление сопротивления потока Пример: • теплообменник • отопительная установка крутая характеристика установки: H [м] H ~ Q 2 p потер. ~ v 2 p потер. ~ Q [л/с] Q 2 H [м] Зависимость от диаметра при одинаковом объеме подачи: d x 0, 5 p. Verlust x 16 H x 16 Q [л/с]

Семейство характеристик Примеры изменения характеристики установки, обусловленные спецификой эксплуатации 1. высота H [м] фильтр без нагрузки 2. Противодавление уровень 3. Сопротивление потока 4. ускорение жидкости фильтр под нагрузкой Q [л/с]

Баланс мощности на примере механизмов с вентиляторной характеристикой акт. мощность из эл. сети транспортировка потери на преобразование энергии в двигателе потери в насосе потери в регулирующей арматуре (задвижка)

Энергосберегающие мероприятия

Схемы способов регулирования подачи Изменение характеристик магистрали Асинхронно-вентильный каскад Реостатное регулирование Частотное регулирование

Регулировка подачи изменением частоты вращения рабочего колеса e [к. Дж/кг] H [м] цель: изменение расхода Q [л/с] типичный диапазон регулировки : 0, 5. . . 1, 2 Qn e [к. Дж/кг] H [м] меры: изменение характеристики насоса (= изменение частоты вращения) жидкость получает только необходимую для процесса энергию! > экономия энергии! Q [л/с]

Энергосберегающий потенциал ном

Регулировка подачи изменением частоты вращения рабочего колеса привод с e [к. Дж/кг] механический дроссель e [к. Дж/кг] Q [л/с] изменяемой частотой вращения Q [л/с] n Q n Существует единственная оптимальная рабочая точка! n n n В диапазоне регулировки 0, 5. . . 1, 2 · Q КПД насоса остается оптимальным

Регулировка подачи изменением частоты вращения рабочего колеса для различных характеристик трубопровода крутая характеристика e [к. Дж/кг] H [м] сд ро сс P [к. Вт] e [к. Дж/кг] H [м] ел 0, 5 ем 1 плоская характеристика Q [л/с] лем с дроссе сд ро ем 0, 5 P [к. Вт] 1 Q [л/с] лем с дроссе DVA A DV 0, 5 сс ел 1 Q [л/с] большие возможности для экономии энергии 0, 5 потенциал к экономии есть, но при определенных обстоятельствах невелик

Сравнение энергозатрат при регулировании подачи

Типовое техническое решение Потери в преобразователях частоты высоковольтных электродвигателей мощностью выше 1000 к. Вт 0. 8 -0. 87 I t I I t t

Энергетические характеристики способов регулирования 1. 2. 3. 4. Изменение характеристик магистрали (задвижка); Реостатное регулирование; Асинхронновентильный каскад Частотное регулирование

Цели и задачи мероприятий по внедрению регулируемого электропривода l. Повышение технической устойчивости работы установки. l. Повышение надежности работы электротехнического и технологического оборудования, внутризаводской системы электроснабжения. l. Локализация аварийных ситуаций, связанных с работой АВР, АПВ. l. Увеличение более, чем в 2 раза, срока службы электродвигателей и другого электротехнического оборудования. . l. Увеличение на 50 -60 % продолжительности эксплуатации технологического оборудования. l. Увеличение межремонтного срока эксплуатации электротехнического оборудования. l. Экономия энергоресурсов.

Реализация мероприятия позволит: l. Обеспечить плавное, программируемое управление запуском технологического оборудования в режиме частотного пуска. l. Плавное нарастание пускового тока в статоре и ограничение его в пределах от 1, 5 до 2, 5 Iн. l. Исключаются электромагнитные ударные нагрузки в электродвигателях и другом электротехническом оборудовании. l. Исключаются гидравлические удары в агрегатах и напорной арматуре. l. Появляется возможность получения практически неограниченного числа пусков и остановок агрегатов. l. Электродвигатели могут быть запущены от сети ограниченной мощности без больших просадок напряжения. l. Практически полностью исключаются затраты на регулирование механическими регуляторами.

Условия эффективности применения: Экономия энергии относительно механического регулятора давления при использовании ЧРП будет иметь место при соотношении: КПДпр + а – 1 > 0. При КПД преобразователя частоты 0, 9 условия равенства потерь в преобразователе и механическом регуляторе соответствуют а = 1 - КПДпр=1 -0, 9=0, 1 Применение ЧРП может быть целесообразным лишь при весьма большой глубине регулирования давления, что соответствует скорости ниже 0, 7 от номинала при КПДпр=0, 9. .

Надежность систем электроснабжения при пуске Асинхронные и синхронные электроприводы: 1. 2. 3. 4. Прямой пуск от сети; Колебания электромагнитного момента при прямом пуске от +5 Мн до -3 Мн; Амплитуда пускового тока (8 -9)Iн; Все отказы связаны с выходом из строя статорной обмотки из-за механических вибраций в катушках статора.

скольжение на шинах Напряжение ток скольжение момент скорость Прямой пуск от сети момент ток

ПОСЛЕДСТВИЯ ПРЯМЫХ ПУСКОВ Знакопеременные электродинамические удары это: -> смещение проводников статорных и роторных обмоток друг относительно друга и, как следствие, разрушение и пробой изоляции обмоток э/д, ослабление и выпадание клиньев; -> перегорание межкатушечных соединений и разрыв стержней ротора; -> обгоранию выводных концов; -> поломки валов, подшипников скольжения, соединительных муфт, редукторов, разрушение узлов приводимого во вращение механизма турбин турбокомпрессоров и т. д. ; -> недопустимые провалы напряжения в сети. Недостатки прямых пусков можно избежать благодаря применению «Soft start-плавный пуск» .

1. Как следствие - ограничение числа пусков и уменьшение межремонтного периода Разрушенная пусковая полюсная перемычка на роторе СД

2. Просадка напряжения на шинах при прямом пуске двигателей Допустимая

Плавный пуск При прямом пуске При плавном пуске момент ток

Ограничение тока при пуске Зона прекращения разгона Iн Ток Момент скольжение ток в зоне Разгон невозможен

Реализация мероприятий позволит: l l Обеспечить плавное, программируемое управление запуском технологического оборудования; Обеспечить плавное нарастание пускового тока в статоре и ограничение его в пределах от 2, 5 до 3 Iн; l l l Исключить электромагнитные ударные нагрузки в электродвигателях и другом электротехническом оборудовании; Исключить гидравлические удары в агрегатах и напорной арматуре; Появляется возможность получения практически неограниченного числа пусков и остановок агрегатов; Электродвигатели могут быть запущены от сети ограниченной мощности без больших просадок напряжения; Иметь возможность использования одного устройства для запуска нескольких агрегатов, работающих параллельно.

Ситуация на сегодня Кривые прямого пуска привода с вентиляторной нагрузкой Механические характеристики привода и нагрузки

Эффект применении УПП при пуске привода линейным подъемом (2 сек) статорного напряжения. механические характеристики Временные зависимости

Электропривод насосов (вопросы теории расчета): учеб. пособие /А. К. Аракелян, В. Н. Ларионов. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2008. – 200 с. l. Рассматриваются основные физические процессы, происходящие в насосных агрегатах и в распределительной сети при транспортировке жидкости. l. Приводятся основные характеристики насосных агрегатов, внутренних сетей и энергетические аспекты их совместной работы.

Системы плавного пуска высоковольтных электродвигателей на базе пусковых устройств типа ШПТУ производства ООО НПП «ЭКРА» г. Чебоксары, 2011

НПП «ЭКРА» - ПРЕДПРИЯТИЕ ПОЛНОГО ЦИКЛА ООО НПП «ЭКРА» предлагает Вам новое экономически выгодное решение вопроса эксплуатации высоковольтных электродвигателей – Системы безударного плавного пуска на базе ШПТУ и ШПТУ-ВИ. Плавный пуск снижает броски пускового тока в 3 -5 раз.

ПРЯМОЙ ПУСК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКРОДВИГАТЕЛЯ Прямой пуск: -6. . 8 кратный бросок пускового тока: большие просадки напряжения в «слабых» сетях(30%) - ударный электромагнитный момент ударный момент передается через вал э/д на приводимый механизм и в течение 15… 20 % времени пуска содержит: свободную и вынужденную составляющую-это знакопеременный момент амплитудой до 4 х. Мном э/д -> вибрации и удары э/д и приводимого механизма и, как следствие уменьшает его срок службы. Число прямых пусков высоковольтных двигателей ограничивают в зависимости от модификации двигателя.

ПОСЛЕДСТВИЯ ПРЯМЫХ ПУСКОВ Броски пускового тока – это: провалы напряжения -> нарушение нормальной работы остальных потребителей; срыв пусков двигателей при питании их от источников ограниченной мощности (ГТУ, ГПУ, ДГУ). Наиболее неблагоприятный пусковой режим, если продолжительность более 8… 10 сек. -> нагрев обмоток электродвигателей пусковыми токами. При этом выделяющееся тепло не успевая рассеяться в металле статора или ротора, вызывает резкое повышение температуры обмотки -> снижение уровня изоляции.

Достоинства пусковых устройств на базе ШПТУ • повышается надежность работы агрегатов и системы электроснабжения, так как исключаются механические и электромагнитные ударные нагрузки, возникающие при пусках. • пусковой ток нарастает плавно и не превышает 1, 05 -2, 5 I ном. . • появляется возможность осуществлять практически неограниченное число пусков и остановок агрегатов. • позволяет осуществлять пуск электродвигателей от источников ограниченной мощности при питании от длинных линий и загруженных трансформаторов без больших просадок напряжения. • увеличиваются межремонтные сроки и срок службы агрегатов.

Пусковые устройства серии ШПТУ исполнение ШПТУ с фазовым управлением и силовой схемой с встречнопараллельным соединением тиристоров, для каждой из фаз двигателя. исполнение ШПТУ-ВИ с силовой схемой, выполненной по схеме с зависимым инвертором тока.

Пуск одного электродвигателя устройством плавного пуска на базе ШПТУ- В, И Основное применение – когда нагрузочный момент электродвигателя не зависит от скорости вращения (шаровые мельницы, дробилки и т. п. ) Iпуск =1, 0÷ 1, 5 Iном Реализуется с помощью сложных и дорогостоящих преобразователей частоты.

Пуск одного электродвигателя устройством плавного пуска на базе ШПТУ- В, И

Пуск одного электродвигателя устройством плавного пуска на базе ШПТУ Основное применение – когда нагрузочный момент электродвигателя имеет вентиляторную характеристику (насосы, компрессора и т. п. ) Iпуск не более 2, 5 Iном

Система плавного пуска на базе устройств ШПТУ

Размещение СПП в блок-боксе и интеграция СПП в АСУ ТП

Устройства: ШПТУ, ШПКА и ШПКУ

КОНСТРУКТИВНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ШПТУ

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШПТУ Номинальное напряжение, к. В - 3, 6, 10; Номинальный ток главных цепей, А - 120, 250, 450, 600, 930, 1100; Напряжение питающей сети: - терминала управления – 220 В± 20 % постоянного или переменного однофазного тока; - вентиляторов - 220 В (+10, -15 %) переменного однофазного тока; - вспомогательных цепей - в соответствии с техническими требованиями заказчика; - частота – 50 Гц ± 2 %; Мощность запускаемых двигателей, к. Вт - до 17 000; Степень защиты по ГОСТ 14254 -96 - IР 20 (IР 51 и др. - по заказу); Механическое исполнение по ГОСТ 17516. 1 -90 - М 39; Масса, кг, не более для типоисполнений на токи 120 и 250 А - 700; для типоисполнений на токи от 450 А до 1100 А - 1400; Охлаждение - воздушное принудительное.

ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ ШПТУ Габаритные размеры, масса, не более: А 1 – 1070 мм при В – 1200 мм для ШПТУ на токи 120, 250 А А 1 – 1670 мм при В – 1800 мм для ШПТУ на токи 450, 600, 930, 1100 А

ШКАФ ПУСКОВОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ ШПКА • Номинальный ток главных цепей, А - 400, 630, 1000; • Номинальное напряжение: - главных цепей, к. В - 10; - перем. /пост. /выпрям. тока (по заказу), В - 220; • Номинальная частота переменного тока, Гц - 50± 2%; • Ток потребления при постоянном или переменном - напряжении питания 220 В, не более, А - питания привода при срабатывании - 5; - питания привода при удержании во вкл. состоянии - 1; • Степень защиты по ГОСТ 14254 -96 - IР 20 и др. - по заказу ; • Механическое исполнение по ГОСТ 17516. 1 -90 - М 39; • Масса, не более, кг - 650 Тип коммутационного аппарата – по заказу: • Выключатели типов ВВ/ТЕЛ, ВБП и др. • Контакторы типов КВТ и др.

ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ ШПКА Габаритные размеры, мм высота H=2200, длина B=700* (800)**, глубина L= (1000)1200 * - с контакторами ** - с выключателями

ШКАФ ПУСКОВОЙ КОНТРОЛЛЕРА УПРАВЛЕНИЯ ШПКУ • Номинальное напряжение: - питания переменного тока, В - 220± 20%; - перем. /выпрямл. оперативного тока (по заказу), В - 110 (220); - синхронизации, В - 100 (+10, -15) %; • Номинальная частота переменного тока, Гц - 50± 2%; • Время автономной работы от аккумуляторов источника бесперебойного питания: - при нагрузке 140 Вт, мин - 19, 4; - при нагрузке 280 Вт, мин - 5, 9; • Степень защиты по ГОСТ 14254 -96 - IР 40 и др. – по заказу; • Механическое исполнение по ГОСТ 17516. 1 -90 - М 39; • Масса, кг, не более - 150; • Габаритные размеры (высота*длина*глубина), мм - 2200*600*400.

СОСТАВ ШПКУ программируемый контроллер; релейная аппаратура для связи с высоковольтными ячейками и АСУ ТП; развязывающий трансформатор для питания программируемого контроллера; источник бесперебойного питания. Приоритетные требования в выборе контроллера СПП: совместимость аппаратных и программных протоколов с промышленными контроллерами ABB, Advantech, ICPDAS, Siemens, Idec, Facon, LG, Mitsubishi, Modicon, OMRON с целью интеграции СПП в АСУ ТП; показатели цена-качество; производительность управляющего процессора; удобство и минимальное время перенастройки; гибкость в реализации алгоритмов СПП. Тип управляющего контроллера - по требованию заказчика.

ПРИОРИТЕТНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПУСКОВЫМ УСТРОЙСТВАМ • безопасность оперативного персонала; • надежность и безотказность работы устройства; • максимальный набор функциональных возможностей.

БЕЗОПАСНОСТЬ ОПЕРАТИВНОГО ПЕРСОНАЛА И УДОБСТВО РАБОТЫ С УСТРОЙСТВОМ q ШПТУ соответствуют общепринятым стандартам высоковольтных ячеек КРУ на среднее напряжение 6 -35 к. В. q Выполнены все технические регламенты по безопасной эксплуатации: § механическая блокировка дверей высоковольтных отсеков; § контроль рабочего и контрольного положений выкатной тележки (электрическая блокировка); § шторочный механизм; § наличие сигнальной арматуры. q Двери секций оснащены встроенным замком для запирания.

БЕЗОПАСНОСТЬ ОПЕРАТИВНОГО ПЕРСОНАЛА И УДОВСТВО РАБОТЫ С УСТРОЙСТВОМ q Максимальная оперативность: тиристорные блоки обеспечиваютсяся выкатной конструкцией силовых блоков с розеточными контактами типа “тюльпан”.

БЕЗОПАСНОСТЬ ОПЕРАТИВНОГО ПЕРСОНАЛА И УДОВСТВО РАБОТЫ С УСТРОЙСТВОМ Система управления СУ выполнена в виде терминала управления и визуализации и имеет магистрально-модульную архитектуру построения, т. е. идеология построения аналогична построению терминалов релейных защит и противоаварийной автоматики (РЗА). Модули СУ имеют блочноунифицированную конструкцию с передним присоединением внешних проводов.

НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОТКАЗНОСТЬ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА Сборка силовых тиристорных модулей осуществляется с применением специализированного пресса и контролем нормированного усилия прижатия с помощью цифрового тензодатчика.

НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОТКАЗНОСТЬ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА Запатентованная конструкция высоковольтного столба обеспечивает: • нормированное прижатие таблеточных тиристоров в течение всего срока эксплуатации; • выполнение ремонтных работ без применения специализированного оборудования и инструмента.

НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОТКАЗНОСТЬ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА Правильность функционирования и надежность работы обеспечивается за счёт схемы управления включением тиристоров: • длительность высокочастотных импульсов - 20 мкс в изменяющемся по длительности пакете импульсов; • форсировка первого в пакете импульса. Формирование передачи управляющих импульсов по оптоволоконным каналам обеспечивает высокую помехозащищенность и гальваническую развязку с высоковольтными цепями.

НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОТКАЗНОСТЬ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА Контроль работы системы управления каждого из высоковольтных тиристоров, в том числе, до и после пуска. Дифференциальной защиты при пуске высоковольтных двигателей мощностью выше 5 МВт. Максимальный набор защит: • максимально-токовая защита 2 -х видов (аппаратная и программная); • перегрузка по току (время-токовая); • затянувшийся пуск (превышение заданного времени пуска); • асимметрия по токам (дисбаланс токов); • неполнофазный режим (потеря фазы); • неправильная последовательность фаз; • повышенное/пониженное силовое напряжение; • защита от работы в недопустимых температурных режимах; • дуговая защита; • защита от превышения допустимого уровня влажности; • внешние неисправности (отдельные входы); • защита от открывания дверей высоковольтных секций шкафа.

НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОТКАЗНОСТЬ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА Самодиагностика Испытания в термокамере в режиме термоциклирования Испытания на электромагнитную совместимость: - устойчивость к колебательным затухающим помехам; - устойчивость к микросекундным импульсным помехам; - устойчивость к наносекундным импульсным помехам; - устойчивость к магнитному полю промышленной частоты; - устойчивость к электростатическим разрядам.

МАКСИМАЛЬНЫЙ НАБОР ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ Функция регистратора исторических событий • дату и время начало пуска; • продолжительность процесса пуска; • значения параметров пуска; • состояния элементов устройства; • состояния защит при возникновении аварийной ситуации; • хронологию процесса пуска; • графики действующих и мгновенных значений токов и линейных напряжений в процессе пуска; • тренды действующих значений линейных напряжений, что позволяет оценить состояние энергосистемы.

Пусковые устройства серии ШПТУ * защищены патентом; * сертифицированы; * аккредитованы в «АК «Транснефть»

НПП «ЭКРА» - ПРЕДПРИЯТИЕ ПОЛНОГО ЦИКЛА ООО НПП «ЭКРА» - крупнейший в России разработчик и изготовитель систем плавного пуска высоковольтных электродвигателей. Наши заказчики по СПП: АК «Транснефть» Газпромнефть ОАО «Сургутнефтегаз» ОАО «Юганскнефтегаз» ЗАО «Ванкорнефть» ОАО «Сибур. Тюмень. Газ» ТНК-ВР ОАО «Лукойл» ООО «Иркутская нефтяная компания» ОАО «Вольскцемент» ОАО «Сегежский ЦБК» ОАО «Косогорский металлургический завод»

НПП «ЭКРА» - ПРЕДПРИЯТИЕ ПОЛНОГО ЦИКЛА СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ