Применение частотного регулирования в квартальных системах теплоснабжения

Повышение энергоэффективности является ключевой задачей развития российской экономики. В полной мере относится это и к сфере ЖКХ, в особенности к отрасли теплоснабжения. Ведь только в Москве на коммунальные нужды уходит около 60% всей производимой тепловой энергии и более 25% — электрической. Регионы не отстают, а подчас даже опережают столицу по затратам. Кардинально изменить ситуацию позволяет использование регулируемых схем энергоснабжения.

Отдаем тепло

С момента принятия Федерального закона «Об энергосбережении» в 2009 г. на территории всей страны разворачиваются масштабные действия по реконструкции и реорганизации тепловых сетей. Вновь построенные и уже эксплуатируемые здания оснащаются автоматическими индивидуальными тепловыми пунктами и управляемыми насосными узлами с погодозависимым регулированием. В итоге потребление тепла становится динамическим. Соответственно, на источниках теплоты также необходимо изменять его подачу таким образом, чтобы в сети не циркулировал перегретый теплоноситель. В большинстве случаев вопрос решается дросселированием: в систему с перекачивающими насосами ставятся специальные задвижки, которые уменьшают расход воды.

У названного способа есть ряд недостатков:

• Сложности в применении, обслуживании, эксплуатации. Во-первых, асинхронные двигатели насосов подключаются к электрической сети напрямую. Во-вторых, дополнительные дроссели и клапаны нуждаются в системе управления;
• Давление в линии меняется не оперативно и ступенчато, что обуславливает низкий диапазон регулирования;
• «Прямой» пуск асинхронных двигателей насосных агрегатов из-за высоких значений пусковых токов в сети губителен для двигателей и повышает вероятность возникновения гидроударов в трубопроводах.

Кроме всего вышеперечисленного, дросселирование неэкономично. Даже при отсутствии потребления насосы продолжают работать «на заслонку», попусту перегоняя теплоноситель. Бессмысленно тратятся и тепло, и электроэнергия.

Вот и получается, что потребители в лице управляющих компаний и ТСЖ устанавливают в домах автоматику и экономят на своих объектах, а теплосети, ставшие заложниками энергосбережения, платят генерирующим компаниям за неиспользуемые излишки.

Ситуацию усугубляет и опережающее развитие городской инфраструктуры. Строится все больше зданий, а значит, увеличивается и потребление тепла. Чтобы обеспечить нужды мегаполиса, приходится вводить новые генерирующие мощности. На подобные мероприятия не всегда хватает средств.

Выход заключается в регулировании частоты вращения рабочих колес циркуляционных насосов в зависимости от динамически меняющегося расхода теплоносителя на объектах теплоснабжения. В этом случае агрегаты будут давать именно такой напор, который необходим, а значит, сократятся потери, что позволит не переплачивать генерирующим компаниям. Кроме того, тепловые сети смогут более эффективно использовать имеющиеся резервы и уменьшить потребность в строительстве новых ЦТП и котельных.

Частотное регулирование

Об эффективности регулирования режимов работы циркуляционных насосов путем изменения частоты вращения их рабочих колес известно давно. Однако долгое время такой способ не был популярен ввиду отсутствия надежных и недорогих регулируемых электроприводов, а также сравнительно низких цен на электроэнергию (не было нужды экономить). Ситуация существенно изменилась за последние 15–20 лет в связи с ростом цен на энергоресурсы. Кроме того, на рынке появился ряд доступных и совершенных технических средств для управления асинхронными двигателями, в частности, преобразователей частоты (ПЧ).

По утверждениям специалистов теплотехнической отрасти, применение преобразователей частоты с насосами дает возможность плавного пуска агрегатов.

Это, в свою очередь, ведет к:

• устранению гидроударов в системе, возникающих при прямом пуске от сети электродвигателей насосов;
• снижению износа циркуляционного агрегата, исполнительных механизмов, запорно-регулирующей арматуры, инженерной системы в целом;
• снижению износа коммутационной аппаратуры;
• снижению мощности источника питания и сечения кабеля электропитания.

Вместе с тем, установка преобразователя частоты может иметь и отрицательные последствия, так как возникает выброс гармонических искажений в сеть. Сегодня на рынке представлены разнообразные решения для устранения данной проблемы: пассивные и активные фильтры, 12-пульсные приводы и т. д. Оптимальным вариантом является использование комплексных решений, например, преобразователей частоты (ПЧ) VLT HVAC Basic (рис. 1) со встроенным дросселем на звене постоянного тока. В этом случае нет необходимости приобретать внешний фильтр гармоник, что дает 10% экономию на стоимости преобразователя.

Принципиальная схема подключения преобразователей частоты при использовании с циркуляционным насосом приведена на рис. 2. Она предусматривает ручной перевод преобразователя частоты на байпас, а также попеременное включение рабочего и резервного насосов для обеспечения равномерной наработки. Переход между режимами осуществляется с помощью реверсивного рубильника QS2-QS4 («работа от ПЧ» — работа напрямую от сети). При этом алгоритм действий следующий: перевести переключатель SА1 в положение «Выкл.», дождаться остановки насоса и индикации «Стоп» (при работе от преобразователя частоты). Затем отключить рубильник QS1 и пере- ключить QS2-QS4. Поставить ручку SA1 в нужное положение.

Переключение между насосами М1 и М2 осуществляется реверсивным рубильником QS3-QS5 только при отключенном вводном рубильнике QS1 в шкафу управления и остановленных насосных агрегатах.

Блок варисторов, присутствующий на схеме, является необязательным элементом, но он настоятельно рекомендуется к установке для защиты питающей сети от импульсных перенапряжений.

Как показывает практика, оснащение циркуляционных агрегатов преобразователями частоты позволяет сэкономить не менее 30% потребляемой электроэнергии. Помимо общего эффекта энергосбережения за счет снижения частоты вращения двигателя, использование некоторых преобразователей частоты дает дополнительную экономию. Например, частотные преобразователи Danfoss имеют встроенную функцию автоматической оптимизации энергопотребления (АОЕ). С ее помощью привод использует энергии ровно столько, сколько необходимо для нагрузки в данное время. АОЕ позволяет обеспечивать минимальное потребление реактивной составляющей тока двигателя, поддерживая при этом требуемый момент, что уве- личивает до максимума КПД мотора. В среднем использование АОЕ позволяет дополнительно экономить 5–10% электроэнергии.

Рис.2 Схема автоматизации циркуляционных насосов (рабочего и резервного)

Экономический эффект от использования преобразователей частоты: ПРИМЕР РАСЧЕТА

Допустим, что имеются два агрегата (рабочий и резервный) мощностью по 10 кВт каждый. Они обеспечивают подачу воды для системы водоснабжения жилого дома. Насосы работают на номинальной мощности только в периоды с 1ч ночи до 7ч утра и днем с 10 до 16ч. В остальное время производительность оборудования составляет 50% от номинала (25 Гц).

Учитывая, что потребляемая мощность электродвигателя прямо пропорциональна кубу производительности насоса, а КПД насосной установки приблизительно равен 0,6, получим:
Потребляемая мощность = 10 кВт (0,53)/ КПД установки (0,6) = 2,1 кВт = 21% (от номинального значения).
Стоимость ПЧ VLT HVAC Basic FC101 мощностью 11 кВт ≈ 43 200 руб. Стоимость 1 кВт электроэнергии ≈ 3 руб.
Экономия за сутки = (10 кВт–2,1 кВт) × × 12 часов = 94,8 кВт.
Экономия за сутки = 3 × 94,8 = 284,4 руб.
Экономия за год = 284,4 руб. × 365 дней ≈103 500 руб.

Отдельно посчитаем экономию, которая достигается за счет энергосберегающих характеристик преобразователей частоты Danfoss.

Функция автоматической оптимизации энергопотребления дает 5% экономии, автоматическая адаптация двигателя добавляет 5%, а функция «Сон» дополнительно сберегает 5% энергии.
Общая дополнительная экономия составит 15%.
Экономия за сутки = 3 руб. × 0,15 × 10 кВт × 12 ч = 54 руб.
Экономия за год = 36 554 = 19 710 руб.
Общая экономия электроэнергии = = 103 500+ 9 710 ≈ 123 210 руб.
Экономия на дополнительном конвертере шлюзов достигает 6000 руб.
Экономия за счет встроенного дросселя на звене постоянного тока — около 6000 руб.
Экономия за счет встроенного логического контроллера — 4000 руб.

Опыт применения

Перекачивающая насосная станция компании «Фортум»

В рамках реализации инвестиционного проекта по созданию кольцевой схемы теплоснабжения Челябинска Уральской теплосетевой компанией (УТСК) была произведена реконструкция перекачивающей насосной станции (ПНС) № 4 (рис. 3). Данное решение было принято в связи с тем, что используемое оборудование устарело и не соответствовало современным требованиям безопасности и энергосбережения.

В результате реконструкции станция была оснащена насосами производительностью 1500 м 3 /ч каждый, преобразователи частоты Danfoss серии VLT Aqua Drive мощностью 355 кВт каждый, а также современными трансформаторами. Объект полностью автоматизирован и управляется с диспетчерского пункта Челябинских тепловых сетей. В итоге, по свидетельствам специалистов УТСК, электропотребление насосной станции сократилось на 30%.

Кроме того, внедрение преобразователей частоты на ПНС № 4 позволило:

• быстро реагировать на изменения давления в тепловой сети, в том числе при разрывах трубопроводов;
• предотвратить токовые перегрузки двигателей и коммутационного электротехнического оборудования при пусках–остановах насосных агрегатов и обеспечить все виды защит электродвигателей в эксплуатационных режимах;
• значительно снизить кавитационный износ рабочих органов насосов и предотвратить гидравлические удары в трубопроводной сети при пусках–остановах насосных агрегатов;
• снизить уровень аварийности, сократить время простоев и затраты на ремонт гидромеханического и электротехнического оборудования;
• значительно снизить потребление электроэнергии, воды и теплоносителя.

Дома Якутска

В рамках проекта реконструкции центрального теплового пункта (ЦТП) 43-го квартала Якутска был предусмотрен монтаж насосной станции, состоящей из трех агрегатов. Установку планировали оснастить частотно-регулируемым приводом с целью управления насосами в автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Службой эксплуатации ОАО «Нерюнгриэнрегоремонт» предполагалось приобретение готовой насосной станции. Но специалисты обратили внимание, что в комплектных установках реализованы функции, которые не будут использоваться в процессе эксплуатации. Было принято решение рассмотреть вариант поставки насосной станции отечественного производства на основе импортных компонентов. Сотрудники проектной группы ОАО «Нерюнгриэнрегоремонт» обратились с запросом к специалистам компании «ТЭТ-РС» и предложили сотрудничество по вопросу поставки насосной станции на базе преобразователей частоты. Общими силами специалисты двух компаний разработали проект насосной станции для управления тремя насосами на базе преобразователей частоты Danfoss VLT® Micro Drive FC-51 (рис. 4) мощностью 18,5 кВт. Стоит отметить, что данная серия преобразователей частоты имеет по умолчанию встроенные фильтры электромагнитной совместимости (ЭМС), что значительно упростило решение проблемы ЭМС-оборудования.

Как пояснили специалисты эксплуатирующей организации, помимо автоматизации работы насосной станции была достигнута значительная экономия электроэнергии, а также снижен износ двигателей и увеличен срок их службы.

Очевидно, что России необходима реформа отрасли теплоснабжения. При этом, чтобы привести отрасль в соответствие с современными стандартами энергоэффективности, необходимо пересмотреть подход к организации отпуска тепла абонентам. Осуществить это позволяет использование современного оборудования, в частности, преобразователей частоты.

Опыт внедрения частотно-регулируемого электропривода в системе теплоснабжения

Л.А. Закусов, заместитель начальника отдела по электротехническому оборудованию, ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта», г. Ухта

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 м 3 /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 м 3 /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