Анализ энергетических характеристик регулируемого электропривода переменного тока центробежных насосов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Чуриков, Андрей Михайлович

• Чуриков, Андрей Михайлович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чуриков, Андрей Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Анализ параметров рабочего режима

центробежных насосов

1.1. Параметры рабочего режима центробежных насосов

1.2. Способы регулирования производительности

центробежных насосов

1.3. Графоаналитический метод расчета энергетических показателей

турбомашин при регулировании производительности

1.4. Алгоритм расчета параметров рабочего режииа на ПЭВМ

1.5. Анализ типовых режимов работы центробежных насосов

Глава 2. Математическая модель электродвигателя

для расчета установившихся режимов

2.1. Выбор математического аппарата для анализа,

энергетических показателей электропривода

2.2. Расчет электрических параметров электродвигателя

по эквивалентной схеме замещения

2.3. Потери мощности в электродвигателе

2.4. Совместная работа электродвигателя и центробежной машины

2.5. Эффект вытеснения тока в проводниках обмотки ротора

2.6. Расчет механической характеристики электродвигателя

2.7. Особенности параметрического электропривода и применение электродвигателя специального исполнения

2.8. Сравнительный анализ эффективности параметрического

и частотного способов регулирования

; Глава 3. Анализ работы параметрического электропривода I ' .

с тиристорным регулятором напряжения

3.1. Математическая модель электродвигателя

3.2. Моделирование работы тиристорного электропривода

3.3. Расчет на ПЭВМ пусковых и установившихся режимов работы

3.4. Расчет энергетических показателей рабочего режима

3.5. Анализ энергетических показателей электропривода при несинусоидальном напряжении питания

Глава 4. Анализ работы частотно-регулируемого

электропривода

4.1. Системы частотно-регулируемого электропривода

| 4.2. Управление электродвигателем по принципу БТС

4.3. Расчет пусковых и установившихся режимов электропривода

с питанием от преобразователя частоты

4.4. Анализ энергетических показателей электропривода

с питанием от преобразователя частоты

\ Глава 5. Расчет годового экономического эффекта

от внедрения регулируемого электропривода

5.1. Режимы работы насосного агрегата

5.2. Расчет потребляемой мощности в случае

применения нерегулируемого электропривода

5.3. Расчет потребляемой мощности при работе

в режиме поддержания заданного напора

5.4. Расчет потребляемой мощности при работе

по системной характеристике

5.6. Расчет годовой экономии электроэнергии

при применении регулируемого электропривода

5.7. Метод расчета экономического эффекта

! от внедрения регулируемого электропривода

^Заключение

' Список литературы

Приложения

/

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ энергетических характеристик регулируемого электропривода переменного тока центробежных насосов»

ВВЕДЕНИЕ

Задача внедрения новых, ресурсо- и энергосберегающих технологий сегодня, в условиях энергетического кризиса, выходит на первый план. К крупным потребителям электроэнергии на промышленных предприятиях относятся турбомашины - механизмы с вентиляторной характеристикой. К этим механизмам в первую очередь относятся центробежные насосы, вентиляторы и турбокомпрессоры. Применительно к турбомашинам возможность снизить потребление электроэнергии заключается в эффективных способах регулирования их производительности. Необходимость регулирования производительности определяется изменением режимов подачи или потребления жидкости (газа). Эти режимы характеризуются суточными, недельными и т.п. графиками потребления жидкости(газа) [1].

Регулирование производительности турбомашин чаще всего осуществляется при помощи задвижек, причем электропривод работает с неизменной частотой вращения, равной номинальной. Такой способ регулирования, является малоэффективным прежде всего из-за непроизводительных затрат энергии, расходуемой в дросселирующем устройстве (задвижке). Применение регулируемого электропривода для турбомашин позволяет существенно снизить потребление электроэнергии и повысить эксплуатационную надежность механизма и электропривода [1,2,3,4].

Наиболее широкое применение регулируемый электропривод получил в коммунальном хозяйстве больших городов. Определяющим фактором здесь оказался огромный парк центробежных машин и географическая близость к научным и проектным организациям. Большой потенциал энерго- и ресурсосбережения имеется на крупных промышленных предприятиях, таких как станции водо- и теплоснабжения, канализационные и очистные сооружения, компрессорные станции и станции оборотного водоснабжения. В работе [5] приводится обзор перспективных, с точки зрения применения регулируемого элек-

тропривода, объектов нефтяной и газовой промышленности. К таким объектам в первую очередь относятся погружные центробежные насосы для добычи нефти мощностью 20-180 кВт, кустовые насосные станции, повышающие давление воды и обеспечивающие ее закачку в нагнетательные скважины системы заводнения для поддержания пластового давления, нефтяные насосы и насосные станции (ННС), дожимные насосные станции (ДНС) - для транспортировки нефти от установок первичной очистки до промысловых резервуарных парков.

В условиях массового внедрения регулируемого привода на первый план выходят задачи предварительной оценки ожидаемого экономического эффекта, большое значение должно уделяться выбору рационального типа регулируемого электропривода. Для центробежных механизмов традиционным является электропривод переменного тока на основе асинхронных (приводы мощностью от 1 до 200 кВт) электродвигателей общепромышленного применения с напряжением питания 380/660 В. Этот выбор обусловлен прежде всего их высокой надежностью и простотой обслуживания. Приводы мощностью свыше 200 кВт строятся на основе высоковольтных синхронных или асинхронных электродвигателей с напряжением питания 6000 В и 10000 В.

Энергетические показатели центробежного насоса и электропривода зависят от режима работы. Параметрами, определяющими режим работы насоса являются напор и подача. Эти величины также полностью определяют частоту вращения и момент нагрузки на валу электродвигателя, т.е. режим работы электропривода. Зависимость между основными параметрами рабочего режима турбомашины и электропривода позволяет комплексно решить задачу определения эффективности работы насосного агрегата.

В случае работы на сеть без противодавления (отсутствие статического напора) зависимость подачи от расхода для центробежных насосов описывается параболой (квадратичная зависимость). При этом характеристика нагрузки

г

электропривода (то есть зависимость момента сопротивления от частоты вра-

щения) также является квадратичной параболой. Однако, как правило, регулирование производительности центробежных насосов при применении регулируемого электропривода осуществляется в замкнутых автоматических системах. При этом система регулирования выполняется с обратной связью по какому-либо параметру, например давлению в диктующей точке водопроводной системы [1]. Параметрами регулирования могут быть также подача насоса, температура и другие характеристики объекта регулирования. В случае работы насоса в замкнутой системе регулирования, а также при наличии в сети статического напора зависимость подачи от напора отличается от квадратичной и определяется законом регулирования или величиной статического напора. Зависимость момента сопротивления нагрузки от частоты вращения при этом также отличается от квадратичной и носит сложный нелинейный характер [6,7]. Вместе с тем вид характеристики нагрузки по-прежнему однозначно определяется режимами работы центробежного насоса. Существующие методы определения напорно-энергетических характеристик центробежных насосов [1,7] практически малопригодны для расчета характеристики нагрузки, поскольку решение проводится графоаналитическим способом.

Существенное влияние на энергетические показатели оказывает способ регулирования частоты вращения. В настоящее время наибольшее распространение применительно к турбомашинам получили два вида регулируемого асинхронного электропривода - параметрический электропривод (тиристорный электропривод с фазовым управлением) и частотный электропривод[8].

При параметрическом регулировании в состав электропривода входят асинхронный электродвигатель специальной конструкции и тиристорный регулятор напряжения (ТРН). Снижение частоты вращения осуществляется за счет уменьшения величины приложенного к обмотке статора напряжения и сопровождается потерей мощности в роторе электродвигателя (потери скольжения), а также резким возрастанием силы тока статора. По этой причине стандартный асинхронный двигатель не может продолжительное время работать на пони-

женных частотах вращения. Для параметрического электропривода применяется асинхронный двигатель специальной конструкции - электродвигатель с повышенным сопротивлением обмотки ротора, более эффективной системой вентиляции (как правило принудительной), более высоким температурным классом изоляции обмотки статора [3]. Параметры схемы замещения такого электродвигателя отличаются от параметров стандартного электродвигателя. Кроме того при работе с пониженной частотой вращения увеличивается частота тока в роторе электродвигателя и проявляется эффект вытеснения тока [9,10]. Влияние тиристорного регулятора напряжения на энергетические показатели электропривода проявляется в том, что на обмотку статора электродвигателя подается несинусоидальное напряжение питания, что приводит к дополнительным потерям мощности [11]. Оценить влияние формы напряжения питания на энергетические показатели электропривода можно только при анализе электромагнитных процессов в электродвигателе, так как момент запирания тиристоров зависит от характера изменения тока статора [12,13].

В состав частотного электропривода входят стандартный асинхронный электродвигатель и статический преобразователь частоты. Наибольшее распространение в промышленности получили преобразователи частоты со звеном постоянного тока, состоящие из неуправляемого выпрямителя и инвертора. В качестве силовых элементов инвертора (ключей) используют запираемые тиристоры или ЮВТ - транзисторы. Управление "ключами" инвертора осуществляется при помощи микропроцессорных систем. Энергетические показатели частотно-регулируемых электроприводов во многом определяются законом управления "ключами" инвертора. Современные системы управления частотным преобразователем формируют управляющее воздействие с учетом электромагнитных процессов в электродвигателе^ 4,15,16]. Для этого в структуру системы управления вводится математическая модель электродвигателя [17,18]. При определении энергетических характеристик частотно - регулируемых электроприводов необходимо моделировать работу системы управления.

Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы на основе анализа энергетических показателей электропривода центробежных насосов разработать метод расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода и обосновать выбор наиболее рационального типа электропривода. Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач: - анализ основных законов регулирования производительности центробежных насосов и графиков работы насосов;

- разработка алгоритма расчета напорно-энергетических характеристик центробежных насосов при регулировании частоты вращения;

- разработка математической модели для расчета установившихся режимов работы асинхронного электродвигателя как с параметрическим, так и с частотным регулированием;

- анализ влияния эффекта вытеснения тока в роторе на энергетические показатели электродвигателя;

- разработка математической модели для расчета динамических режимов работы электродвигателя;

- анализ энергетических показателей параметрического электропривода с тиристорным регулятором напряжения;

- анализ энергетических характеристик частотного электропривода;

- разработка метода расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода.

Учет всех экономических факторов, сопутствующих внедрению регулируемого электропривода во многом зависит от конкретного применения и по этой причине в данной работе не рассматривается.

Проведение исследований в настоящей диссертационной работе осуществлялось на ПЭВМ. Для моделирования и анализа режимов работы центробежных насосов использовались методы матричной алгебры и аппроксимация реальных характеристик центробежных насосов полиномами Лагранжа 2-го порядка. При моделировании статических режимов работы электродвигателя

применялись численные методы интегрирования, в частности модифицированный метод Эйлера, а при учете эффекта вытеснения тока для нахождения параметров двухконтурной схемы замещения ротора применялся метод решения систем линейных уравнений с ограничениями, а именно метод сопряженных градиентов (метод скорейшего спуска)[19]. При моделировании динамических режимов работы электропривода, а также при моделировании системы управления частотным преобразователем использовался математический аппарат представления переменных трехфазной системы в прямоугольной неподвижной системе координат, что позволило сократить на 1/3 количество дифференциальных уравнений. При переходе от трехфазной системы к двухфазной и записи основных расчетных уравнений использовались положения теории обобщенного электромеханического преобразователя. Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось при помощи алгоритма последовательного типа, разработанного A.B. Башариным [20]. При разработке модели системы управления частотным преобразователем использовались положения теории векторного управления и разработанный фирмой ABB метод прямого управления моментом (DTC) [17,18].

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм расчета параметров рабочего режима центробеж-• ных насосов, учитывающий сложные зависимости кпд от подачи насоса;

- проанализированы энергетические характеристики параметрического и частотного электроприводов с учетом особенностей алгоритмов управления;

- разработан метод расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода, позволяющий проводить расчет при любом способе регулирования производительности центробежных насосов;

- экономически обоснована область применения параметрического и частотного электропривода для регулирования производительности центробежных насосов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработан метод расчета экономической эффективности применения регулируемого электропривода для центробежных насосов;

- обоснована область применения параметрического и частотного электроприводов (при существующем в настоящее время соотношении цен на параметрический и частотный электропривод);

- создана компьютерная программа PumpDrive для расчета напорно-энергетических характеристик насоса, независимо от способа регулирования производительности.

- метод расчета экономической эффективности внедрен в практику проектных работ АО "Электропривод".

На защиту выносятся следующие положения:

- алгоритм расчета параметров рабочего режима центробежных насосов, учитывающий сложные зависимости кпд насоса от подачи и позволяющий проводить расчеты для любых режимов независимо от способа регулирования производительности;

- математическая модель асинхронного электродвигателя для расчета установившихся режимов, учитывающая эффект вытеснения тока в роторе электродвигателя и позволяющая проводить расчеты энергетических показателей параметрического и частотного электроприводов;

- результаты моделирования параметрического электропривода, учитывающие алгоритм работы тиристорного регулятора напряжения и несинусоидальность приложенного к обмотке статора напряжения, которые позволяют уточнить энергетические показатели параметрического электропривода, полученные из расчета по уравнениям статики;

- результаты моделирования частотного электропривода с управлением по принципу Direct Torque Control (DTC), позволяющие уточнить энергетические показатели частотного электропривода, полученные из расчета по уравнениям статики;

- метод расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода, основанный на проведенных в диссертационной работе исследованиях, позволяющий проводить расчет при любом способе регулирования производительности центробежных насосов;

- экономически целесообразная область применения параметрического и частотного электропривода для регулирования производительности центробежных насосов.

Материал диссертационной работы изложен следующим образом:

- в первой главе проведен анализ работы турбомашин при регулировании производительности; разработан алгоритм определения основных параметров рабочего режима для центробежных насосов;

- во второй главе разработана математическая модель электродвигателя, позволяющая совместно анализировать работу электродвигателя и турбомаши-ны; рассмотрена задача моделирования эффекта вытеснения тока в роторе и задача учета конструктивных особенностей электродвигателя с повышенным скольжением;

- в третьей главе исследованы энергетические характеристики электропривода с фазовым управлением с учетом электромагнитных процессов в электродвигателе и алгоритма работы тиристорного регулятора напряжения;

- в четвертой главе рассмотрены основные законы и системы управления частотно-регулируемыми электроприводами; с целью изучения влияния способа управления на энергетические характеристики электропривода проанализирована работа электродвигателя с современной системой управления -ЭТС (прямое управление моментом);

- в пятой главе приведены примеры расчета экономии электроэнергии и срока окупаемости новой техники в случае применения рассматриваемых в диссертационной работе систем регулируемого электропривода; проведен сравнительный анализ для случая с нерегулируемым электроприводом;

Результаты диссертации рекомендуются к изучению и использованию организациям, имеющим большой парк турбомашин, оснащенных нерегулируемым электроприводом, проектным организациям, а также организациям, занимающимся разработкой, поставкой и наладкой регулируемых электроприводов для турбомашин.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на заседании секции Ученого Совета АО "Электропривод", научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина.

По основным положениям и результатам диссертации опубликованы четыре печатные работы, из них три статьи и тезисы доклада на II Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва 1997 г.).

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Чуриков, Андрей Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе исследованы энергетические характеристики регулируемого электропривода центробежных насосов. Главной задачей анализа было определить эффективность применения частотного и параметрического электропривода при регулировании производительности центробежных насосов.

Показано, что регулирование производительности насосов изменением частоты вращения имеет существенные преимущества перед дросселировани-ём. Срок окупаемости регулируемого электропривода (только по электроэнергии), в зависимости от режима работы насосного агрегата, составляет от 0,5 до 2 лет.

Установлено, что применение частотного электропривода наиболее эффективно при мощности электропривода более 7,5 кВт. При меньших значениях мощности целесообразно применение параметрического электропривода.

Применение параметрического способа регулирования сопровождается повышенными потерями мощности в электродвигателе. Поэтому для параметрического электропривода используют электродвигатель специального исполнения, с повышенным сопротивлением цепи ротора, высоким температурным /классом изоляции обмотки статора, принудительной вентиляцией и т.д.

Применение электродвигателя специальной конструкции позволяет в несколько раз уменьшить потери мощности в обмотке статора и примерно в два раза снизить суммарные потери в электродвигателе.

Исследование электромагнитных процессов в электродвигателе с питанием от тиристорного регулятора напряжения показало, что специфические особенности работы параметрического электропривода не оказывают существенного влияния на потребление активной мощности и кпд электропривода. В связи с этим при расчетах экономического эффекта от применения параметрического электропривода особенности работы электропривода с ТРН (при мощности электропривода до 100 кВт) допустимо не учитывать.

Анализ электромагнитных процессов в электродвигателе с питанием от преобразователя частоты показал, что частотный электропривод имеет очень высокие технические и энергетические характеристики. Применительно к электроприводу центробежных насосов кпд частотного электропривода можно считать равным номинальному кпд электродвигателя. Только в режиме малых нагрузок кпд частотного электропривода снижается, главным образом за счет снижения кпд электродвигателя.

На основе проведенного анализа разработана методика расчета эффективности применения регулируемого электропривода для центробежных насосов. От ранее разработанных методов расчета данную методику отличают большая точность, возможность расчета экономического эффекта от применения параметрического электропривода, возможность анализа для любых режимов работы насосного агрегата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чуриков, Андрей Михайлович, 1998 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиздат, 1991. 144с.

2. Роговой В.И., Дацковский Л.Х., Абрамов Б.И., Моцохейн Б.И. Регулируемый электропривод переменного тока - основа высокоэффективных энергосберегающих технологийЮлектротехника. 1995. №4. С.52-62.

3. Абрамов Б.И., Давыдов Е.В., Кутлер Н.П. Опыт внедрения электронасосных агрегатов с регулируемой производительностью на ЦТП г. Москвы // Энергосбережение. 1996. №6. С.6-7.

4. Ильинский Н.Ф. Регулируемый электропривод: энерго- и ресурсосбережение // Приводная техника. 1997. №3. С.21-23.

5. Абрамов Б.И., Моцохейн Б.И. Регулируемый электропривод: перспективы применения в нефтяной и газовой промышленности в России // Нефтегазовые технологии. 1996. №5. С. 9-17.

6. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977. 424с.

7. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М.:Энергия, 1972. 239с.

8. Ильинский Н.Ф. Сопоставление энергопотребления асинхронного электропривода центробежных машин при частотном и параметрическом регулировании // Вестник МЭИ. 1995. №6. С. 129-131.

9. Токарев Б.Ф. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1990.

624с.

10. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 240с.

11. Шубенко В.А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. М.: Энергия, 1972. 200с.

12. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа, 1994. 318с.

13. Петров Л.П., Ладензон В.А., Подзолов Р.Г., Яковлев A.B. Моделирование асинхронных электроприводов с тиристорным управлением. М.: Энергия, 1977. 200с.

14. Дацковский Л.Х., Роговой В.И., Абрамов Б.И., Моцохейн Б.И., Жи-жин С.П. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор) // Электротехника. 1996. №10. С. 18-28.

15. Кочетков В.Д., Дацковский Л.Х., Бирюков A.B., Гусяцкий Ю.М., Роговой В.И. Системы регулирования электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением. Электротехническая промышленность. Сер.08. Электропривод: Обзорн. информ. 1989. Вып. 26. С. 1-80.

16. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage fur die TRANSVEKTOR-Regelung von Asynchronmaschienen//Siemens-Zeitschrift, 1971, 45,757.

17. Pohjalainen P., Tiitinen P., Lalu J. The next-generation motor control method. Direct Torque Control (DTC). EPE Chapter Symposium, Lausanne, Switzerland, 1994, p. 1-7.

18. Aaltonen M., Tiitinen P., Lalu J., Heikkila S. Direct Torque Control of AC motor drives. ABB Review, 1995, №3, p. 19-24.

19. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0. СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1997. 384с.

20. Башарин A.B., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 512с.

21. АО "ЭНА". Электронасосы типа КМ. Каталог. 1995.

22. Чуриков A.M. Новый метод оценки энергосбережения// Приводная техника. 1997. №3. С.23-24.

23. Копылов И.П., Мамедов Ф.А., Беспалов В.Я. Математическое моделирование асинхронных машин. М.: Энергия, 1969. 96с.

24. Копылов И.П., Щедрин О.П. Расчет на ЦВМ характеристик асинхронных машин. М.: Энергия, 1973. 120с.

25. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.

560с.

26. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в центробежных машинах средствами электропривода // Вестник МЭИ. 1995. №1. С.53-62.

27. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М.: Энергоиздат, 1982. 192с.

28. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. М.: Энергоиздат, 1982. 504с.

29. Автоматизированный электропривод/ Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г.Юнькова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 448с.

30. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода/ Сост. Ю.Г.Шакарян, Н.Ф.Ильинский. М., 1997.

-МИ

Приложение 1 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Таблица П. 1.1

Паспортные параметры

Данные двигателей Единица измерения Двигатели

4 А16084 4АР16084 4АС16084

Р2 кВт 15 15 15

И! В 380 380 380

1ш А 29,3 30,0 35,6

Ином об/мин 1465,5 1470,0 1408,5

Л ном % 88,5 87,5 84,5

СОБфном о.е. 0,88 0,87 0,86

Таблица П. 1.2

Параметры механической характеристики

Данные двигателей Единица измерения Двигатели

4А16084 4 АР16084 4 АС 16084

о.е. 0,16 0,17 0,45

мкр о.е. 2,3 2,2 2,2

Мп о.е. 1,4 2 2

Справочные параметры схемы замещения

Данные двигателей Единица измерения Двигатели

4А16084 4АР16084 4АС16084

о.е. 0,047 0,047 0,045

X! о.е. 0,086 0,088 0,082

о.е. 0,025 0,027 0,064

х2' о.е. 0,13 0,14 0,13

Х12 о.е. 4 3,3 3,7

Таблица П. 1.4

Параметры Т-образной схемы замещения

Данные двигателей Единица измерения Двигатели

4А16084 4АР16084 4АС16084

Ом 0,352 0,344 0,278

X! Ом 0,645 0,645 0,506

&2н Ом 0,173 0,139 0,388

Х2'н Ом 0,859 2,23 1,495

Ом 0,381 0,475 0,612

Ом 0,749 0,367 0,789

Х0 Ом 21,58 24,18 22,84

Таблица П. 1.5

Параметры Ы/б,Х-цепочек двухконтурной схемы замещения обмотки ротора

Данные двигателей Единица измерения Двигатели

4А16084 4 АР16084 4 АС 16084

К21 Ом 0,184 0,188 0,651

Х21 Ом 0,977 4,445 4,053

Я22 Ом 2,716 0,456 0,906

Х22 Ом 0,552 0,494 0,869

Таблица П. 1.6 Параметры динамической модели электродвигателя

Данные двигателей Единица измерения Двигатели

4А16084 4 АР 16084 4АС16084

Яз Ом 0,352 0,344 0,278

я; Ом 0,173 0,139 0,388

Гн 0,0021 0,0021 0,0016

Гн 0,0027 0,0071 0,0048

Ц Гн 0,0687 0,0770 0,0727

и Гн 0,0708 0,0791 0,0743

ьг Гн 0,0714 0,0841 0,0775

РАСЧЕТ

экономического эффекта от применения частотно-регулируемого электропривода насосного агрегата блочно-кустовой насосной станции (КНС-1) поддержания пластового давления Верхне-Коликеганского месторождения нефти

Расчет экономического эффекта от внедрения частотно-регулируемого электропривода насосного агрегата блочно-кустовой насосной станции поддержания пластового давления (КНС-1) Верхне-Коликеганского месторождения нефти

Исходные данные

Количество установленных насосных агрегатов - 4 шт; Количество насосов, находящихся в работе одновременно - 3 шт; Насосы включены по параллельной схеме; Минимальная подача С^мн = 400 м7ч; Максимальная подача С)маКс = 520 м7ч;

Минимальное давление в магистрали НМ1Ш = 1570м (соответствует максимальному значению подачи);

Максимальное давление в магистрали Нмакс = 1850м (соответствует минимальному значению подачи); Напор на входе насоса Них = 20м;

Годовое потребление электроэнергии на станции в среднем составляет 26.000.000 кВт*ч;

Стоимость 1кВт*ч электроэнергии на предприятии С = 0,28 руб.

Паспортные данные насоса

Тип насоса ЦНС180-1900

Подача 180 мЗ/ч

Напор 1900 м

к.п.д. 73 %

частота вращения 3000 об/мин

Паспортные данные электродвигателя

Тип электродвигателя СТ Д-1600-2УХЛ4

Мощность 1600 кВт

Напряжение питания 6000 В

к.п.д. 96,9 %

частота вращения 3000 об/мин

Расчет потребляемой мощности

Поскольку график работы насосной станции не задан, проведем расчет для среднего значения подачи 0ср

, Ом а к с — С)мин

(Уср— С/мин 4"

2

520-400 V ОсР= 400 +--= 460 М /Ч.

В расчете на один насос (Х-р'^ = 153 м7ч.

В случае нерегулируемого электропривода насос работает с номинальной частотой вращения (3000 об/мин). При подаче 153 м7ч развиваемый насосом напор Нн составляет 2100 м (определяется по паспортной С)-Н-характеристике).

Давление в магистрали, соответствующее среднему значению подачи определим по формуле

Н макс Нмин 1850+ 1750 #,Р=-=----= 1800 м.

2 2

Для поддержания давления на уровне 1800м используется дросселирующее устройство(вентиль,задвижка).

4}0

Мощность, потребляемую одним насосом определим следующим образом

Нн-Осу 2100-153

Агнр=-=— =-= 1286,8 кВт,

367,2 • г}и 367,2-0,68

где 367,2 - размерный коэффициент, г|н - к.п.д. насоса (соответствует подаче 153 м7ч).

Мощность, потребляемая из сети определим по формуле

Рнр= Ынр¡Г)з ,

где Рнр - мощность потребляемая из сети нерегулируемым электроприводом, т|д - к.п.д. электродвигателя (принимается равным номинальному значению).

Рн р= 1286,8/0,969 = 1327,9 кВт. Суммарная мощность, потребляемая из сети тремя насосными агрегатами

равна

Рз;, = 3*1327,9 = 3983,7 кВт. Время работы насоса за год (Т) составит

Г = 26.000.000 / 3983,7 = 6.520 ч.

В случае применения регулируемого электропривода потери в задвижке полностью исключаются. Два из трех насосов работают с номинальной частотой вращения. Третий насос, оснащенный регулируемым электроприводом, работает с пониженной частотой вращения. За счет снижения частоты вращения обеспечивается необходимый напор в подающей магистрали насосной станции.

Определим режимы работы нерегулируемых и регулируемого насосных агрегатов. Развиваемый напор для всех насосов одинаков и составляет

Нн = Нс?-Нех = 1800-20 = 1780 M.

В этом случае подача каждого из насосов с нерегулируемым приводом

л 3

равна 190 м7ч, что в сумме составляет 380 м7ч.

Подача насоса с регулируемым электроприводом (С)рег) равна разности между средним значением подачи станции (<Зср=460м7ч) и суммарной подачей насосов с нерегулируемым приводом

Орег = 460- 380 = 80м7ч.

Режим работы насоса при котором Нн = 1780м, С)н = 80м7ч достигается за счет снижения скорости электродвигателя.

Потребляемая мощность составляет:

- для насосов с нерегулируемым электроприводом

1780-380

м =-= 2631,5 кВт

367,2-0,7

- для насоса, оснащенного регулируемым электроприводом

1780-80

N =--= 570,3 кВт,

367,2-0,68

где 0,7 и 0,68 - к.п.д насоса в соответствующих режимах работы (определяются по паспортным напорно-энергетическим характеристикам насоса).

Определим мощность, потребляемую из сети

- для насосов с нерегулируемым приводом

Рг /р= 2631,5 / 0,969 = 2715,7 кВт,

где 0,969 - номинальный к.п.д. электродвигателя.

- для насосного агрегата с частотно-регулируемым электроприводом применяется схема с трансформацией напряжения на входе и выходе преобразователя частоты

к.п.д. частотного электропривода примем равным 0,969;

к.п.д. трансформаторов равен 0,95.

Мощность, потребляемая из сети равна

Ррег = 570,3 / (0,969- 0,95:) = 652,1 кВт.

Суммарная мощность, потребляемая из сети тремя насосными агрегатами равна

Р22 = 2715,7 + 652,1 = 3367,8 кВт.

Расчет годовой экономии электроэнергии

и срока окупаемости новой техники

Экономия электроэнергии за год составит

ЭГ = (РП ~ РЕ2} * Т = С3983'7 " 3367,8)*6520 =

= 615,9*6520 = 4016 тыс. кВт*ч

В денежном выражении экономия электроэнергии от применения регулируемого электропривода равна 1140400 руб.

Расчет срока окупаемости проведем исходя из общей стоимости преобразователя частоты типа ПЧ1600 и двух трансформаторов мощностью 2500 кВА.

- стоимость ПЧ1600 - 540000 руб;

- стоимость двух трансформаторов - 2*250000 = 500000 руб.

Общая стоимость КТПЧ-1600 составляет 1040000 руб.

Таким образом, срок окупаемости комплектного регулируемого электропривода только за счет экономии электроэнергии не превысит 1 год.

СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Ректору ГАНГ им. И.М.Губкина профессор}1 Владимирову А.И.

СПРАВКА

АО "Гипротюменьиефтсгазг.Тюмень и АО "Электропривод", г.Москва подтверждают результаты научной работы, шпояпешой аспирантом кафедры '!Тсо|5 отичес&о? ¿ а оддороходшош п олоктр í t ф шшхи m предприятий гтвфт«шой. и

•> азе?ой промышленности* Чуйковым A.M.

Лопнрптггоч Чуршсовьш A.M. разработана методика оценки экономического эффекта от применения регулируемого электропривода для центробежных насосов. Применение методики позволяет» на стадии технико-экономического обоснования, определить режимы работы центробежных насосов и электропривода при регулировании частоты вращения, осуществив зыбор рациональной системы эЛекчрририьида, рассчитать голику к> укшшмиадо электроэнерпш и срок окупаемости нового оборудования. Дополнительно к методике разработано программа расчета наггорш энергетически*.-характеристик центробежных' насосов.

Разработншт методика использовалась при расчете экономического эффекта от инедрения частсшо'регулируемого электропривода для насосного агрегата с насосом поддержания пластового давления типа ЦНС) §(М900> «ходящего в оборудование бдочно-куетовой насосной станции IGiC-I.

Применение регулируемого электропривода на рассмотренном насосе по:фолит экономить 1.140,4 тыс. рублей ежегодно только за счет экономии электроэнергии. Расчетный ерик окупаемости ншюги иборудилшшя uourábtfJf ] ¡"ОД

15.04,98

АО '' Электрonpiпюд", г

Первый заместитель ди]

Зам. главного инженера

I

АО "Гиярогюменьнефт»

■1

ЗАВОДСКИЕ И РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ТИПОВ СЭ2500-180-10, Д630-90, КМ100-65-200

Зависимости напора (Н) и мощности (К) от подачи при номинальной частоте вращения

насос СЭ2500-180-10, В2 = 415мм, п = ЗОООоб/мин

К, кВт

ф

Зависимости напора (Н) и мощности (К) от подачи при пониженной частоте вращения

насос СЭ2500-180-10, Б2 - 415мм, п - 1500об/мин

N. кВт

Зависимости напора (Н) и мощности (IV) от подачи при номинальной частоте вращения

насос Д630-90, В2 = 525мм, п = 1450об/мин

О 100 200 300 400 500 600 700

К, кВт

Зависимости напора (Н) и мощности (IV) от подачи при пониженной частоте вращения

насос Д630-90, Б2 = 525мм, п = 960об/мин

Н, м

1Ф

Зависимости напора (Н) и мощности (N) от подачи при номинальной частоте вращения

насос КМ100-65-200, D2 = 200мм, п = 2900об/мин

Зависимости напора (Н) и мощности (14) от подачи при пониженной частоте вращения

насос КМ100-65-200, Т>2 = 200мм, п = 1450об/мин

Н кВт