Молчанов Аркадий Анатольевич
"Использование преобразователей частоты на природоохранных сооружениях."
      В последнее время энергосберегающие технологии приобретают все большее значение. Действительность подводит нас к тому, что ни обращать внимание, как прежде, на экономию электроэнергии невозможно, тому примером последние "веерные" отключения потребителей по всей стране.
С другой стороны, не вникая в экономические подробности этих явлений, можно с большой долей ответственности утверждать, что в отключеньях предприятий от энергоснабжения, большая доля вины и самих предприятий. Так, допустим, не для кого ни секрет, что после прохождения типичным российским предприятием компетентного энергетического аудита, оказывается, что от 30 до 50 % энергии тратиться на "воздух". И причем заметьте, что такие цифры выплывают после "всестороннего" исследования проектной документации в отделениях "Энергонадзора". Так какую же цель преследует директор предприятия, отдавая документацию в "Энергонадзор"? Оставим ответ на этот вопрос за пределами статьи и вспомним знаменитое выражение Остапа Бендера о том, что "дело спасения утопающих, дело рук самих утопающих".
А теперь давайте разберем реальную возможность экономии электроэнергии на примере природоохранных сооружений.
Как известно, в очистных сооружениях производящих очистку жидкого стока главную роль в перекачке жидкости исполняют насосы различного исполнения. В их задачи входит перекачивание стока из одних ступеней очистных сооружений в другие или (и) создание давление для прохождения жидкости через некоторые ступени. Этим, в принципе, функционально, насосы очистных сооружений мало чем отличаются от, допустим, насосных станций 1-3 подъема, где также происходит движение жидкости между подъемами. Коренное отличие в параметре, который необходимо поддерживать. Если в насосных, это давление, то в очистных сооружениях, в силу их технологии, это, в основном, производительность (расход).
Если в насосных станциях, изменение давления в ту или другую сторону не вызывает опасных изменений, то в очистных сооружения изменение расходы жидкости проходящей, через допустим, фильтры может привести к изменению качества воды на выходе.
В настоящее время, в силу сложившихся традиций в данной области, регулирование расхода жидкости производиться тремя методами:

1. Дросселирование или другими словами ограничение потока жидкости путем перекрытия просвета трубопровода задвижками, заслонками или иными механическими (электромеханическими устройствами).
2. Старт-стопное каскадное регулирование подачи группы насосов или другими словами регулирование подачи за счет подключения или отключения дополнительных насосов включенных параллельно в напорный трубопровод.
3. Старт-стопное регулирование одним насосом с введением промежуточных емкостей и создания необходимой подачи за счет, по большей части, самотека жидкости.

Относительно 1-го способа регулирования, не возникает никаких иллюзий, что энергия воды давящей на механическую преграду в трубопроводе, расходуется "впустую". Причем, как дополнение, к данному способу регулирования, можно отметить, что на практике, это очень ненадежный и грубый метод регулирования. Задвижки, заслонки находятся в постоянном контакте с жидкостью, коррозируют, быстро разрушаются механически от циклов закрытия-открытия. Выставить определенную подачу дросселированием практически невозможно вследствие грубости механической системы и неадекватности ее реакции на управляющее воздействие, а также нелинейной зависимости подачи от сужения трубопровода.
2-й способ регулирования более предпочтителен, но также имеет больше отрицательных черт, чем положительных. Налицо дискретность (изменение подачи ступенями) регулирования, повышение стоимости группы насосных агрегатов перед одним насосным агрегатом, а также наличие такого неприятного явления как скачки напряжения в сети вследствие частого пуска насосов.
3-й способ, также приводит к скачкам напряжения в сети, хотя и значительно более редким (но и более сильным, т.к. одиночный насос мощнее одного насоса из группы). Введение же дополнительных емкостей ведет к удорожанию технологического оборудования, увеличению площади очистных сооружений и времени на строительство. Кроме того, выполняется пустая работа по перекачиванию жидкости в резервные емкости, расположенные так, чтобы обеспечить самотек (то есть тратиться дополнительная энергия на создание давления самотека).
Известно также, что при старт-стопном регулировании обмотки двигателя разрушаются значительно быстрее, чем при постоянной работе, из-за механических напряжений возникающих в обмотках двигателя при пуске.
Также хочется отметить, что сами очистные сооружения, вследствие многих факторов, таких как, большой разброс параметров загрузок в фильтрах, наклонов и отметок емкостей, параметров реагентов и т.д. и т.п. приводит к тому, что даже выбранный правильно по напору и производительности насос оказывается при эксплуатации либо недостаточным, либо чрезмерным.
Каким же образом можно регулировать расход, не прибегая к этим трем способам?
На сегодняшний день серьезной альтернативой является частотный метод регулирования скорости вращения (производительности, расхода) насосов.
Какой же принцип заложен в основу этого метода?
Как известно частота промышленной сети 50 Гц. При такой частоте двигатель насоса, к примеру, имеющий 2 полюса, вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту и дает на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (т.к. это его номинальные параметры). Если при помощи преобразователя частоты (далее для краткости ПЧ), понизить частоту подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, а значит измениться напор и производительность насосного агрегата.
Раньше подобное регулирование частоты можно было произвести только со сложными и дорогостоящими электромеханическими устройствами типа мотор-генератор. На сегодняшний день ПЧ это малогабаритное устройство (меньше чем аналогичный по мощности асинхронный двигатель), на современной полупроводниковой базе, управляемое встроенным микропроцессорным устройством. Он может не только изменять частоту вращения двигателя, но и отслеживает его исправность. ПЧ легко сопрягается с любой системой управления технологическим процессом, его программирование просто и интуитивно понятно (конечно, в большой мере, в зависимости от производителя), обслуживание не представляет особой сложности.
Соединив ПЧ с расходомером, мы можем получить в результате систему, которая будет поддерживать расход с точностью до долей процента. Причем в этом случае мы избавлены от нежелательных явлений связанных с прямым пуском двигателя насоса от сети, как при старт-стопном регулировании - отсутствуют броски напряжения, гидравлические удары, нет разрушения обмоток двигателя от рывков, пуск происходит плавно. Самое главное двигатель получает ровно столько энергии, сколько ему необходимо для обеспечения технологического процесса, а значит идет прямая экономия электроэнергии, по сравнению со старт-стопным (или любым другим рассмотренным выше) регулированием. Чтобы не быть голословным, давайте рассмотрим несколько примеров использования ПЧ на конкретных технологических единицах.

Пример 1. Проточные фильтры с несколькими слоями загрузки для очистки, обезжелезивания и обезфторивания воды на насосных станциях 1-2-го подъема.

Рис. 1

Рисунок 1. Схема трех секционных фильтров.

Вода, проходящая через проточные фильтры с реагентной загрузкой, должна иметь определенную (в зависимости от реагента) скорость прохождения через фильтры (рисунок 1). Насос Н1 обеспечивает эту скорость. Однако вследствие механического и химического разброса в параметрах загрузки фильтра и подключения или отключения дополнительных секций фильтров (фильтр 1-3) происходит сильное колебание скорости прохождения воды через фильтры. В результате качество воды на выходе сильно изменяется, что недопустимо. Регулирование задвижками не представляется возможным, по перечисленным выше причинам.
Введение в схему управления насосом Н1 преобразователя частоты ПЧ и расходомера Р. позволяет легко отрегулировать скорость протекания жидкости через фильтры. От скорости протекания воды, мы, путем простых расчетов, зная высоту и диаметр фильтров, можем легко перейти к производительности. Таким образом, у нас будет три производительности, в зависимости от количества подключенных фильтров. Эти величины заносятся, в пульт управления ПЧ и после пуска насоса он отслеживает и поддерживает необходимую скорость протекания жидкости через фильтры с большой точностью. При этом механические характеристики загрузки уже не влияют на скорость, а сама скорость может быть легко перепрограммирована при смене реагента.
Налицо также и экономия электроэнергии. Если раньше двигатель, выбираемый для работы с тремя фильтрами, с одним работал на 2/3 впустую, то теперь при работе с одним фильтром потребление энергии будет на 2/3 меньше.

Пример 2. Флотационая установка (в общем виде).

Рис. 2

Рисунок 2. Схема установки напорной флотации.
1 - подача исходной воды; 2 - подача реагентов; 3 - смеситель; 4 - флокуляторы; 5 - электроприводы; 6 - желоба для сбора пены; 7 - водослив; 8 - отвод осветленной воды; 9 - камера флотации; 10 - насадки распределения водовоздушной эмульсии; 11 - редуктор; 12 - напорный бак; 13 - компрессор

Для очистки вод от легких грубодисперсных частиц - планктона и прочих примесей в основном органического происхождения - используется флотация. Метод заключается в адсорбировании приме-сей мелкими пузырьками воздуха и в поднятии их на поверхность бассейна, где образуется слой пены. Флотационные установки (флотаторы) используют вместо отстойников или осветлителей с взвешенным осадком, они могут также заменить микрофильтры. Применение флотации позволяет увеличить удельную производительность с площади зеркала воды по сравнению с отстойниками и осветлителями в 2...5 раз, повысить эффект осветления воды.
Эффективность процесса зависит от свойств воды и примесей, крупности пузырьков воздуха и равномерности их распределения по площади флотационной камеры. Оптимальный размер пузырьков 20 ... 80 мкм.
По способу образования пузырьков воздуха различают механиче-скую и пневматическую флотацию. В первом случае диспергирование пузырьков в воду производится специальными турбинами. При очистке поверхностных вод более распространена пневматическая флотация, которая основывается на уменьшении растворимости газа в воде при снижении его парциального давления.
При резком снижении давления происходит выделение из воды излишнего количества воздуха в виде пузырьков. Если вода из-под нормального давления направляется в камеру под вакуумом, такая флотация называется вакуумной; если из-под напора в открытую камеру - напорной. Напорная флотация (рисунок 2) наиболее широко используется в водоподготовке.
На данной схеме видно, что процесс получения пузырьков воздуха зависит от многих параметров - от давления воды в исходном трубопроводе, от состояния задвижки между трубопроводом 1 и напорным баком 12, от давления создаваемого самим компрессором и т.д..
На практике настройка флотатора превращается в довольно сложный, неустойчивый процесс. Например, сбить процесс получения пузырьков может изменение температуры воздуха в помещение или температуры воды поступающей на флотатор. Особенно чутки флотаторы, где процесс насыщения воздухом воды происходит за счет инжекции. Каждое новое включение флотатора приводит к долгой настройке с помощью вентилей и задвижек. Не говоря уже о том, что двигатель насоса или компрессора выбирается исходя из самых неблагоприятных условий, а значит, мощность его завышена.
Подключив двигатель насоса или компрессора через ПЧ, и проконтролировав давление в напорном баке датчиком давления (Д), можно добиться того, что вне зависимости от внешних условий процесс флотации будет идти стабильно без перерасхода электроэнергии. Тем более что флотатор обычно работает 24 часа в сутки.

Пример 3. Канализационная насосная станция.

Рис. 3

Канализационная насосная станция (КНС) используется для приема стока и подачи его на очистные сооружения (рисунок 3). Обычно в КНС 2-а погружных насоса. Использование двух насосов обусловлено необходимостью наличия резервного комплекта. По нормам каждый из насосов должен выбираться из расчета пикового сброса стока в КНС. Однако, чаще всего, работать ему приходиться на 1/4 своей производительности, т.к. очистные проектируются из расчета номинального сброса. Насосы КНС работают в старт-стопном режиме, а на очистных сооружениях предусматривается резервная емкость. По причинам, изложенным выше, это нежелательно. При введении в состав КНС ПЧ и расходомера (Р), настроенных на номинальный расход очистных сооружений, двигатель насоса будет работать в энергосберегающем и щадящем режиме. А из состава очистных сооружений можно исключить резервные емкости.
Таким образом, на этих трех примерах довольно хорошо видны преимущества использования частотного регулирования. Причем хочется отметить, что это далеко не исчерпывающий список и можно найти еще много способов повысить энергосбережение, качество регулирования, а, в конечном счете, и качество работы природоохранных объектов.
Безусловно, добавить стоимость ПЧ к своим очистным сооружениям пожелает не каждый заказчик. Но давайте проведем простой экономический расчет на примере флотационой установки:
Допустим, во флотационной установке используется двигатель с мощностью 10 кВт. Тогда при экономии в 30 % (самая актуальная экономия при использовании ПЧ) экономия электроэнергии в год будет составлять (при условии ежесуточной работы очистных сооружений).

3 кВт * 24 часа * 361 день * 0,42 рубля за 1 кВт/ч = 10917 рублей или ~ 390 $
совсем неплохо, если учитывать, что еще можно сэкономить на операторе, обслуживающем флотационную установку и существенно повысить качество процесса очистки.
Код: 3-7 :::  Заказ информации