Partner serwisu
15 maja 2018

Napęd dla dużej mocy

Kategoria: Artykuły z czasopisma

W jaki sposób dobrać parametry regulowanego elektrycznego układu napędowego średniego napięcia, stosowanego do pomp wirowych dużej mocy? Jak zastosować elementy składowe do przykładowej aplikacji? Za przykład posłuży regulowany napęd pompy wody zasilającej.

Napęd dla dużej mocy

Zalety regulowanych elektrycznych układów napędowych pomp są znane od dawna i chętnie stosowane. Jednak dla dużych mocy pomp, ze względu głównie na efektywność ekonomiczną, należy starannie przeprowadzić analizę takiego przedsięwzięcia. Rozwój energoelektroniki informatyki przemysłowej i teorii sterowania praktycznie umożliwił aplikację dla dowolnie dużych mocy pomp (kilkanaście MW).

Dla tak dużych mocy najlepszym rozwiązaniem technicznym są główne elementy układu napędowego (silnik napędowy, przemiennik częstotliwości, sieć zasilająca) na napięcia średnie. Typowymi napięciami średnimi są wartości znamionowe powyżej 6 kV. Pod koniec ubiegłego wieku (XX w.) tylko kilka firm konstruowało przemienniki częstotliwości na takie napięcia znamionowe. Dlatego cena tych urządzeń była wysoka i była to przyczyna małej liczby aplikacji. Silniki elektryczne na średnie napięcia nie stanowiły problemu. Jedynie duże prędkości znamionowe (powyżej 3000 obr/min) powodowały trudność techniczną. Jednak obecnie nie ma przeszkód w konstrukcji regulowanego układu napędowego  na napięcia średnie powyżej 6 kV, prędkościach znamionowych silników elektrycznych powyżej 3000 obr/min i przemienników częstotliwości  na częstotliwości wyjściowe powyżej 50 Hz. Praktycznie każda aplikacja takiego układu napędowego wymaga projektu koncepcyjnego indywidualnego. Wówczas łatwiej jest dobierać elementy układu napędowego spełniającego dwie podstawowe właściwości:

•    zapewnienie wymagań technologicznych procesu, w którym zastosowana jest pompa,

•    uzyskanie oszczędności energii elektrycznej.

Konsekwencją tych dwóch właściwości będą dodatkowe efekty, takie jak: ułatwienie automatyzacji procesu, polepszenie eksploatacji, ograniczenie wpływu na środowisko itp.

W niniejszym artykule zostanie przedstawiony prosty sposób doboru takiego układu napędowego realizującego wymienione niektóre właściwości. Jako typowy przykład wzięto układ napędowy pompy wody zasilającej w elektrociepłowni przemysłowej.

Przykład doboru elementów układu napędowego

Na rys. 1 został przedstawiony schemat blokowy układu napędowego pompy.

rys. 1 Schemat regulowanego układu napędowego pompy
 

Pompa scharakteryzowana dwiema wielkościami (Δp – ciśnienie, Q – natężenie przepływu) napędzana jest z silnika indukcyjnego trójfazowego (M). Silnik dostarcza moc mechaniczną do pompy (PW – moc na wale). Układ regulacji silnika oznaczony ogólnie (UZ) dostarcza do niego moc elektryczną (PM). Sam układ regulacji silnika pobiera ze źródła energii elektrycznej moc czynną (PC) i bierną (Pq). Oddziaływanie układu regulacji na źródło energii elektrycznej (najczęściej sieć elektroenergetyczną) określa znane współczynniki (THD).

Na rys. 2 został przedstawiony schemat układu napędowego pompy wody zasilającej ze sprzęgłem hydrokinetycznym. Taki układ pracuje w elektrociepłowni w dużym obiekcie przemysłowym w Polsce. Moc czynna (PS) pobierana z trójfazowej sieci elektroenergetycznej średniego napięcia zasila silnik indukcyjny trójfazowy o danych znamionowych:

PN = 4 MW, UN = 6 kV,

nS – prędkości synchroniczna nS=3000 obr/min.

ηM – sprawność silnika.

rys. 2 Schemat układu napędowego pompy wody zasilającej ze sprzęgłem hydrokinetycznym
 

Wał wyjściowy silnika napędza wał wejściowy sprzęgła hydrokinetycznego (SH). Sprawność sprzęgła oznaczono (ηS), a moc na wale wyjściowym (PW) na indywidualnego pędzającym pompę wody zasilającej. Sprzęgło hydrokinetyczne zapewnia łagodny rozruch i regulację prędkości obrotowej pompy. Podstawową wadą tego układu napędowego jest liniowa zależność sprawności (ηS) od regulowanej prędkości pompy oraz bezpośredni rozruch silnika. Im mniejsza prędkość obrotowa pompy (wału wyjściowego sprzęgła), tym mniejsza sprawność (ηS). Podczas bezpośredniego załączenia silnika napędowego do sieci zasilającej prąd rozruchowy jest w większości aplikacji co najmniej pięciokrotnie większy od znamionowego (niektóre silniki nawet ośmiokrotnie). Na rys. 3
i rys. 4 zostały przedstawione parametry pompy wody zasilającej pracującej w ciągu 30 dni. Wydajność pompy (natężenie przepływu) w jednostkach masy na godzinę (t/h) zmieniają się w szerokim zakresie (od 230 t/h do 350 t/h) (rys. 3). Ciśnienie na tłoczeniu zmienia się od 16,3 MPa do 17,5 MPa (rys. 4). Pompa pracowała przy regulacji prędkości obrotowej za pomocą sprzęgła hydrokinetycznego. Straty mocy w sprzęgle hydrokinetycznym zostały zmierzone. Na rys. 5 przedstawiona jest zależność tych strat mocy (PSP) w funkcji masowego natężenia przepływu (QM).

rys. 3 Zależność natężenia przepływu pompy wody zasilającej od czasu (w ciągu 30 dni)

rys. 4 Zależność ciśnienia na tłoczeniu pompy wody zasilającej od czasu (w ciągu 30 dni)
 

W celu osiągnięcia obniżenia strat mocy oraz uzyskania dobrych właściwości eksploatacyjnych zaproponowano do silnika o mocy 4 MW, 6 kV, prędkości synchronicznej nS = 4500 obr/min zastosować przemiennik częstotliwości (PCZ) o parametrach zapewniających pracę silnika napędzającego bezpośrednio pompę (PW) wody zasilającej. Na rys. 6 został przedstawiony układ napędowy pompy wody zasilającej z przemiennikiem częstotliwości średniego napięcia (PCSN). Przemiennik częstotliwości zastosowany w tej aplikacji powinien posiadać regulowaną częstotliwość wyjściową do 75 Hz (praktycznie od pojedynczych Hz). Zastosowano PCSN z tzw. regulacją wektora prądu. Obwód wejściowy PCSN też jest regulowany i umożliwia uzyskanie kształtu zbliżonego do sinusoidy (THDI = 5% ÷10%). Współczynnik mocy cosφ również jest regulowany i utrzymywany na poziomie wartości 0,94. Daje to dodatkowe obniżenie strat mocy w sieci zasilającej. Współczynnik odkształcenia przebiegów napięcia i prądu wyjściowych przemiennika częstotliwości mieści się w granicach 5% ÷ 10%.

rys. 5 Straty mocy w sprzęgle hydrokinetycznym

rys. 6 Układ napędowy pompy wody zasilającej z PCSN

Efekty zastosowania przemiennika częstotliwości średniego napięcia

Na podstawie obliczeń i symulacji wykonano szereg wykresów przedstawionych poniżej dla układu napędowego pompy wody zasilającej z silnikiem indukcyjnym klatkowym 4 MW 6 kV, 4500 obr/min (dane znamionowe). Na rys. 7 przedstawiona została sprawność energetyczna tego silnika w układzie ze sprzęgłem hydrokinetycznym (wówczas silnik posiada prędkość synchroniczną 3000 obr/min, i z falownikiem PCSN, w funkcji prędkości obrotowej. Różnica sprawności wynika z mniejszych strat mocy w silniku. Zastosowany falownik generuje mniejsze straty mocy w obwodzie magnetycznym silnika i mniejsze straty  mocy mechanicznej.

Na rys. 8 została przedstawiona sprawność energetyczna przemiennika częstotliwości (PCSN) i sprzęgła hydrokinetycznego w zakresie zmian prędkości obrotowej w granicach 50%. Tak jak było powyżej stwierdzone, sprawność sprzęgła hydrokinetycznego maleje prawie liniowo ze zmniejszaniem się prędkości obrotowej.

rys. 7 Sprawność energetyczna silnika w układzie napędowym z falownikiem (ηMF) i sprzęgłem hydrokinetycznym (ηMS)

rys. 8 Sprawność energetyczna przemiennika częstotliwości (ηF) i sprzęgła hydrokinetycznego (ηSH)

Powyższe efekty zastosowania PCSN dają możliwość obniżenia mocy pobieranej przez układ napędowy z sieci zasilającej. Na rys. 9 została przedstawiona moc czynna pobierana z sieci zasilającej przez rozpatrywane układy napędowe.

rys. 9 Moc pobrana z sieci zasilającej przez układ napędowy ze sprzęgłem hydrokinetycznym (PSSH) i z falownikiem (PSF)
 

W zastosowanym układzie napędowym z PCSN współczynnik mocy wejściowej jest utrzymywany na poziomie cosφ = 0,94. Natomiast silnik bezpośrednio zasilany z sieci zasilającej posiada współczynnik mocy zależny od stopnia obciążenia przez sprzęgło hydrokinetyczne. Na rys. 10 zostały przedstawione przebiegi tych współczynników mocy w zależności od prędkości obrotowej silnika lub sprzęgła hydrokinetycznego.

rys. 10 Współczynnik mocy (cosφ) układu napędowego z przemiennikiem częstotliwości (cosφF) i ze sprzęgłem hydrokinetycznym (cosφSH)

Ponieważ dla układu ze sprzęgłem hydrokinetycznym silnik napędowy pracuje ze stałym napięciem i częstotliwością zmiana mocy na wale generuje taki przebieg (cosφSH). Ponieważ moc czynna pobierana z sieci zasilającej wynosi:     

(1)
skutkuje to faktem, że prąd zasilający będzie mniejszy i straty w sieci na rezystancjach też będą mniejsze. Dla badanej aplikacji uzyskuje się oszczędności mocy:

7 kW < ΔPcosφ < 22 kW

Wartość ta nie jest duża, ale przy długim czasie pracy układu napędowego wartość energii elektrycznej zaoszczędzonej jest rzędu ok. 100 MWh.

W elektrowniach krajowych w blokach 125 MW i 200 MW pompy wody zasilającej w większości aplikacji nadal są napędzane przez sprzęgła hydrokinetyczne. Zastosowanie napędu regulowanego z PCSN może przynieść duże efekty oszczędności mocy. Na rys. 11 zostały przedstawione zależności mocy zużytej przez rozpatrywane układy napędowe napędzające pompy wody zasilającej w bloku energetycznym 200 MW. Na podstawie pomiarów i symulacji otrzymano zależność mocy zużytej przez duże układy napędowe (sprzęgło hydrokinetyczne i napęd z PCSN) od mocy wyjściowej bloku 200 MW. Różnica mocy osiąga wartość nawet powyżej 1 MW.

rys. 11 Zależność mocy zużytej przez układ napędowy ze sprzęgłem hydrokinetycznym (PH) i przez układ napędowy z przemiennikiem częstotliwości (PF) w funkcji mocy wyjściowej generatora (PG), dla pompy wody zasilającej
 

Tak jak było powiedziane na początku artykułu, parametry silnika, a głównie przemiennika PCSN, decydują o efektach oszczędności energii. W praktyce krajowej spotykane są trzy rodzaje topologii PCSN o różnych sprawnościach energetycznych. Dla opisywanego powyżej zastosowania rozpatrzono te trzy topologie, które posiadają różne przebiegi sprawności energetycznej w funkcji obciążenia i częstotliwości wyjściowej. Na rys. 12 zostały przedstawione sprawności energetyczne układów napędowych z PCSN o różnych topologiach. Sprawności (η1, η2, η3) są przedstawione w funkcji natężenia przepływu masowego (Qm) pompy zasilającej, przy czym:

• η1 = f1(Qm) – układ napędowy z tzw. 7-poziomowym PCSN,

• η2 = f2(Qm) – układ napędowy z prądową topologią (falownik prądu),

• η3 = f3(Qm) – układ napędowy z tzw. 3-poziomowym PCSN.

Na podstawie szacunkowych obliczeń ekonomicznych prosty czas zwrotu takich aplikacji może być mniejszy niż 2,5 roku.

Należy także przy takich aplikacjach oszacować wpływ aplikacji na zmniejszenie zanieczyszczeń generowanych przez elektrownie krajowe. W jednej z elektrociepłowni krajowych wyprodukowanie 1 MWh energii elektrycznej (oraz cieplnej) wytwarza zanieczyszczenie w ilości:

•     pył: 0,06099 kg,

•     SO2: 003612 kg,

•     NOX: 1,48509 kg,

•     CO2: 0,93101 t.

Zaoszczędzić można przez zastosowanie PCSN w tej elektrociepłowni w ciągu 7000 h pracy bloków energetycznych 21000 MWh. Wówczas spadek zanieczyszczeń wyniesie:

•     pył: 1281 kg,

•     SO2: 758 kg,

•     NOX: 31197 kg,

•     CO2: 19551 t.

Pomijając efekty opłat za zmniejszenie zanieczyszczeń, można stwierdzić, że efekt ekologiczny jest wyraźny.

rys. 12 Sprawności energetyczne układów napędowych z PCSN różnych topologii: η1 – 7-poziomowy PCSN, η2 – PC prądowy z pojemnościowym filtrem wyjściowym, η3 – 3-poziomowy PCSN
 

***

Przedstawione w artykule informacje dotyczące doboru układu napędowego elektrycznego średniego napięcia odnosiły się głównie do oszczędności energii. Pozostałe korzystne efekty takiej aplikacji dla dużych mocy mogą występować głównie w automatyzacji procesów technologicznych, a nawet w efektach ekologicznych. W artykule nie podano konkretnych rozwiązań firmowych, gdyż każda tego rodzaju aplikacja jest indywidualna i rozpatrywana pod względem ekonomicznym. Ogólnie można stwierdzić, że tego rodzaju aplikacje nie mają ograniczeń technicznych, lecz należy dokładnie rozpatrzeć projekt koncepcyjny ze staranną oceną ekonomiczną.

Bibliografia:

[1] Kubera T., Szulc Z. : Badania jakości zasilania silników indukcyjnych z przemienników częstotliwości średniego napięcia. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne nr 101, 2014

[2] Koczara W., Szulc Z.: Nowe topologie i sterowanie obwodów wejściowych PCSN umożliwiające ich szerokie zastosowanie, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, nr 79, 2008

[3] Kubera T., Szulc. Z.: Poprawa efektywności energetycznej układu napędowego pompy wody zasilającej dużej mocy. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, nr 78, 2007

[4] Kubera T., Szulc Z.: Badania eksploatacyjne układów napędowych z przemiennikiem częstotliwości średniego napięcia. Praca w ramach badawczego nr 3139/BT02/2011, Warszawa 2012-2013


Artykuł został również opublikowany w nr 1/2018 półrocznika "Pompy, Pompownie"

fot. 123rf.com
Nie ma jeszcze komentarzy...
CAPTCHA Image


Zaloguj się do profilu / utwórz profil
Strona używa plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. OK, AKCEPTUJĘ