В настоящее время все чаще применяется регулирование давления роторов магистральных насосов нефтеперекачивающих станций изменением частоты вращения ротора с помощью преобразователей частоты электропривода или регулируемых гидравлических муфт [1]. Эти два принципиально различных устройства регулирования зачастую рассматриваются как альтернатива друг другу [4]. В работах [1, 2, 3] говорится о том, что применение регулируемых гидравлических муфт позволяет экономить электроэнергию в среднем от 15 до 20 %. Однако в работе [5] говорится, что с точки зрения потребления электроэнергии регулирование с помощью преобразователя частоты электропривода эффективнее, чем с помощью гидравлической муфты.
В работе [6] предположение о неэффективности энергосбережения при регулировании давления с помощью гидравлической муфты подтверждается значительными потерями мощности в полном диапазоне частот. А именно, при уменьшении частоты вращения насоса до 50 % коэффициент полезного действия (КПД) гидромуфты уменьшается до 40,6 % (для различных гидромуфт значение может изменяться), при этом механический КПД составляет 81,2 %, а гидравлический – 50 %.
Изучив работы [4, 6, 7, 8], проведен сравнительный анализ наиболее значительных преимуществ и недостатков применения гидравлической муфты и
частотно-регулируемого привода (ЧРП) по следующим признакам.
Величина КПД регулирующего устройства
− КПД гидромуфты, при полном заполнении ее маслом, составляет 93–96 %, однако со снижением частоты вращения КПД гидромуфты падает, поэтому ее применение целесообразно при небольшом (10–15 %) диапазоне регулирования частоты вращения вниз от номинальной. При работе на пониженной частоте вращения гидромуфта малоэффективна из-за больших потерь. При снижении частоты вращения ниже 80 % КПД гидромуфты значительно уменьшается, падает ее энергоэффективность.
− КПД частотно-регулируемого привода в номинальном режиме составляет 96 % и в рабочем диапазоне практически не изменяется.
Величина пускового тока электродвигателя
− При пуске электродвигателя от гидромуфты пусковой ток в 6–7 раз превышает номинальное значение тока, необходимое для работы в нормально-устойчивом режиме. Существуют более сложные гидромуфты с облегченным пуском, которые позволяют снизить продолжительность пуска, но не уменьшают величину пускового тока.
− При пуске электродвигателя от преобразователя частоты пусковой ток, как правило, не превышает номинального значения.
Точность регулирования технологических параметров
− Механические средства регулирования, к которым относится и гидромуфта, имеют изначальный люфт, который во время работы возрастает из-за износа механических частей, засорения и т.д., что снижает точность регулирования технологических параметров.
− Частотно-регулируемый привод обеспечивает высокую точность управления основными технологическими параметрами насоса.
Автоматизация технологического процесса
− При использовании гидромуфты системная интеграция считается достаточно условной.
− Частотно-регулируемый привод позволяет в полной мере автоматизировать систему управления технологическим процессом на верхнем уровне SCADA (Supervisory Control And Data Acqusition – диспетчерское управление и сбор данных).
Работа двигателя
− При использовании гидромуфты электродвигатель всегда вращается с
полной скоростью и выделяет тепло в соответствии с текущим значением КПД.
− В частотно-регулируемом приводе электродвигатель вращается с переменной скоростью, при этом уровень напряжения и частоты меньше, чем у источника питания, что приводит к уменьшению выделения тепла, увеличению срока службы подшипников двигателя и обеспечивает больший срок службы двигателя.
Надежность технологического процесса
− В случае повреждения гидромуфты невозможно быстро подключить насос напрямую к электродвигателю, что влечет за собой остановку технологического процесса.
− В случае неисправности частотно-регулируемого привода возможность подключения двигателя напрямую к сети осуществляется при помощи «электрического байпаса», что не повлечет нарушение технологического процесса.
- Исключение дополнительных потерь при номинальной работе насоса.
− Если частотно-регулируемый привод по условиям технологического процесса должен длительное время работать с номинальной частотой вращения, то с помощью «синхронного байпаса» электродвигатель может быть переключен на сеть в режиме точной автоматической синхронизации (без бросков тока и провалов напряжения). При этом исключаются дополнительные потери в преобразователе частоты в этом режиме.
− С гидромуфтой этот режим принципиально нереализуем.
Защита электродвигателя
− При использовании гидромуфты требуется отдельная релейная защита электродвигателя.
− В частотно-регулируемом приводе имеется встроенная защита электродвигателя с функцией защиты от тепловой перегрузки, перегрузки по току и т.д., то есть не требуется отдельная релейная защита.
Воздействие на электрическую сеть
− Частотно-регулируемый привод вносит гармонические искажения в электрическую сеть. Однако для современных частотно-регулируемых приводов уровни этих искажений являются минимальными и соответствуют нормам электромагнитной совместимости.
− Электродвигатель гидромуфты не вносит гармонических искажений в электросеть.
Возможность использования одного устройства для регулирования нескольких электродвигателей насосов
− Гидромуфта обеспечивает регулирование только одного электродвигателя.
− Преобразователь частоты позволяет осуществить групповое управление несколькими электродвигателями насосов, что существенно снижает затраты на оборудование и его установку.
Загрязнение окружающей среды
− В муфтах используется большое количество рабочего масла, которому периодически необходима замена.
− При работе частотно-регулируемых приводов масло не применяется.
Экономическая эффективность применения частотно-регулируемых приводов (ЧРП) не ограничивается лишь уменьшением денежных затрат на покупку электроэнергии. Согласно работе [10], критерии оценки эффективности применения ЧРП также учитывают снижение затрат на ремонт электродвигателя за счет снижения числа его пусков; увеличение межремонтного интервала трубопровода за счет снижения величины перепадов давления в нем. Поэтому при оценке эффективности применения ЧРП целесообразно использовать не только энергетические критерии эффективности, но и критерии, связанные с повышением остаточного ресурса и снижением затрат на эксплуатацию и ремонт трубопровода и электродвигателей.
В данной работе проведен расчет экономической эффективности применения ЧРП. Методика расчета экономической эффективности применения ЧРП основана на примерах, изложенных в работах [9, 10]. Исходные данные для расчета экономической эффективности приведены в таблице 1.
Годовая экономия денежных средств после внедрения ЧРП, тыс. руб./год, определяется по формуле
Э = ∆Зээ + ∆Зэд + ∆Зту − Зобсл,где ∆Зээ – снижение затрат на оплату электроэнергии, тыс. руб.;
∆Зэд – снижение затрат на проведение ремонтов электродвигателей, тыс. руб.;
∆Зту – снижение затрат на ремонт трубопровода технологического участка, тыс. руб.;
Зобсл – годовые затраты на обслуживание ЧРП специализированной организацией, тыс. руб.
Годовые затраты на обслуживание ЧРП специализированной организацией определяются по формуле
Зобсл =
