ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения технологической разработки

Значительным резервом экономии электроэнергии в металлургической отрасли является внедрение энергосберегающих режимов для механизмов вентиляторного типа (насосов, вентиляторов, компрессоров), которые являются самыми массовыми механизмами в промышленности. Очень часто технологические агрегаты не отключают из-за целого комплекса ограничений, связанных с нормируемым количеством пусков привода, экстремальными нагрузками при пусках, значительными капитальными затратами на внедрение устройств регулирования.

В настоящее время большинство этих механизмов приводят во вращение нерегулируемыми двигателями переменного тока. При переходе к регулированию частоты вращения этих механизмов резерв экономии электроэнергии может составить 500 млн кВтч в год (в денежном выражении около 300 млн руб.).

Имеющийся опыт регулирования приводов переменного тока позволяет выделить три направления.

1. Применение системы "преобразователь частоты - асинхронный двигатель" (ПЧАД) для регулирования производительности электроприводов с нагрузочной характеристикой вентиляторного типа (вместо дросселирования).

2. Использование тиристорных регуляторов напряжения (ТРН) и режима "мягкого пуска" для электроприводов насосов и вентиляторов с тяжелыми условиями пуска (их обычно не выводят из работы на время технологических перерывов). Экономии электроэнергии в этом случае достигают за счет сокращения времени их работы.

3. Применение асинхронно-вентильных каскадов вместо реостатного регулирования скорости асинхронных двигателей с фазным ротором с целью возврата энергии скольжения в сеть.

Область применения устройств регулирования скорости в металлургическом производстве включает:

- тягодутьевые вентиляторы на энергетических станциях, нагревательных печах станов горячей прокатки, в котельных (установка ПЧ обеспечивает сокращение потребления и других энергетических ресурсов, так как автоматически поддерживается необходимое оптимальное соотношение газ-воздух);

- механизмы непрерывного транспорта - рольганги, конвейеры, питатели (снижение скорости этих механизмов при недозагрузке позволяет выполнять необходимый объем работы с меньшим удельным расходом электроэнергии);

- насосные агрегаты подачи горячей и холодной воды, подпиточной воды и канализационных стоков (когда требуется регулирование производительности при длительных режимах работы);

- системы вентиляции и кондиционирования воздуха (энергосбережение за счет уменьшения потребляемой электроэнергии при изменении производительности вентиляторов в зависимости от сезонных климатических условий, выделений газов, паров, тепла).

В регулируемых электроприводах с асинхронными и синхронными двигателями применяют ПЧ трех видов.

1. Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ).

Для трехфазного двигателя НПЧ содержит три реверсивных преобразователя постоянного тока, управление которыми осуществляют модулирующим напряжением. В простейшем НПЧ преобразователи постоянного напряжения в каждой фазе выполнены по трехфазной нулевой схеме (рисунок 1). Основные преимущества НПЧ: естественная коммутация тока сетевым переменным напряжением, что позволяет использовать однооперационные тиристоры; минимальное число вентилей; полная реверсивность схемы.

Рисунок 1 - Упрощенная схема НПЧ

Недостатком НПЧ является ухудшение формы выходного напряжения при увеличении частоты. Для простейшего НПЧ максимальная частотаf=15 Гц. Переход от нулевой трехфазной схемы к мостовой расширяет рабочий диапазон доf_max=25 Гц.

2. Двухзвенный ПЧ с промежуточным контуром напряжения (рисунок 2, а).

Рисунок 2 - Схемы двухзвенного ПЧ

а - с промежуточным контуром напряжения; б - с промежуточным контуром тока

Первое звено ПЧ - нерегулируемый выпрямитель. Промежуточный контур постоянного напряжения - конденсатор, являющийся источником реактивной мощности для двигателя. Второе звено - автономный инвертор напряжения (АИН) на быстродействующих управляемых ключах. В качестве ключей чаще всего используютigbt- модули, содержащие транзистор с изолированным затвором и шунтирующий диод. АИН преобразует постоянное входное напряжение в переменное, модулированное обычно по синусоидальному закону. Полярность напряженияu _dпромежуточного контура и направление токаi _dвыпрямителя не могут быть изменены, поэтому ПЧ с АИН по принципу работы - нереверсивный. ПЧ может работать в широком диапазоне частот (от 0 до 1000 Гц).

3. Двухзвенный ПЧ с промежуточным контуром тока (рисунок 2, б).

Первое звено ПЧ - управляемый выпрямитель на тиристорах, промежуточный контур постоянного тока - реактор. Второе звено - автономный инвертор тока (АИТ), выполненный на обычных однооперационных или запираемых (ОТО) тиристорах. АИТ содержит конденсаторы, которые являются источником реактивной энергии для нагрузки ПЧ.

Главное отличие схемы АИТ от АИН заключается в отсутствии шунтирующих обратных диодов. Вследствие этого можно изменить полярность напряжения на входе АИТ и при неизменном направлении токаi _dперевести двигатель в генераторный режим. Таким образом, при потреблении энергии из сетиu₁вы­прямитель работает в режиме выпрямления, АИТ - инвертирования, электрическая машина - в двигательном режиме. При изменении полярности напряжения на промежуточном контуре АИТ работает управляемым выпрямителем, а двигатель при напряженииu₂и частотеf₂переходит на работу в генераторном режиме.

Основные достоинства ПЧ с АИТ: возможность рекуперации энергии в сеть; выходное напряжение изменяется почти по синусоидальному закону; безаварийность режима короткого замыкания на выходе. К недостаткам ПЧ с АИТ следует отнести ограничение верхнего уровня регулирования выходной частоты (f_2max=100-125 Гц) и появление коммутационных напряжений на тиристорах.

В настоящее время крупные фирмы-производители выпускают практически все типы ПЧ в широком диапазоне мощностей и напряжений. Сегодня хорошо известны фирмыsiemensиabb, поставляющие комплектные частотно-регулируемые электроприводы большой мощности с асинхронными и синхронными электродвигателями. Первая выпускает ПЧ всех трех видов для двигателей мощностью 0,2...100 МВА с диапазонами регулирования частоты 1:10 и 1:100; вторая - ПЧ второго и третьего видов для АД мощностью от 0,9 до 10 МВА и СД мощностью от 2 до 80 МВА. Фирмаrelianceelectricltd(концернrockwel) предлагает современные ПЧ серииgv3000 мощностью от 2 до 160 кВА при напряжении трехфазной питающей сети 380 В.

Предлагаемые зарубежным рынком ПЧ имеют высокую стоимость и при массовом внедрении требуют больших капитальных затрат. В частности, стоимость низковольтного преобразователя частоты составляет свыше 100 у.е. за 1 кВт мощности, а высоковольтного - от 250 до 400. Очевидно, что при масштабном использовании ПЧ зарубежных производителей снижается экономическая безопасность предприятия, поскольку силовая полупроводниковая база производится по современным технологиям только за рубежом, а выпуск их аналогов отечественной электронной промышленностью ещё не освоен. Программное обеспечение управляющей электроники, как правило, закрыто, переустановка управляющих программ потребует новых затрат. Кроме того, большинство отечественных электродвигателей имеет недостаточный класс изоляции для работы с широтно-импульсной модуляцией, что приведет к снижению их эксплуатационного ресурса и выходу в ремонт.

Во многом благодаря этим обстоятельствам на комбинате реализуется направление модернизации электроприводов с вентиляторной нагрузкой, связанное с перепрофилированием преобразователей постоянного тока (ППТ) для приводов переменного тока. Применены ППТ с рольгангов остановленных цехов комбината, не используемые по прямому назначению.

В настоящее время на многих механизмах комбината внедрены так называемые "ступенчатые" преобразователи частоты, позволяющие реализовать ряд промежуточных частот вращения - 0,25; 0,5; 0,75 и 1 от номинальной скорости асинхронного двигателя. Их достоинством является простота силовой схемы и системы управления. Наиболее исследованы трехмостовая схема с четырьмя ступенями частот вращения (рисунок 3). ПЧ выполнен на базе реверсивных преобразователей частоты постоянного тока АТР-800 и АТР-1000, основным силовым модулем которых является "блок-фаза", что позволяет из 12 блоков получить 3 тиристорных моста. Этот способ позволяет ограничить пусковой ток асинхронного двигателя до 1,5-2,0i_н.

Рисунок 3 - Трехмостовая схема ступенчатого преобразователя час­тоты

Первый опыт внедрения ПЧ на насосах приемного резервуара Энергоцеха № 1, участках химводоочистки ЦЭС и паросилового цеха позволил сократить потребление энергии на 56% и 28% соответственно. Применение частотного регулирования позволило сократить утечки, в том числе через сальники насоса, уменьшить износ подшипников электродвигателя и насоса (большую часть времени агрегат работает на пониженном напоре), исключить гидроудары при пуске, что снижает вероятность возникновения аварий в трубопроводах.

Внедрение ПЧ на электроприводах вентиляторов ЛПЦ-3, где система ПЧ-АД была применена для вентиляции машзала, и на блюминге, где было использовано частотное регулирование скорости двигателя вентилятора привода ножниц, позволило добиться экономии электроэнергии за счет работы указанных агрегатов на пониженной частоте в холодное время года (таблица 1).

Таблица 1 - Экономия электроэнергии по приводам переменного тока

Применение частотного регулирования скорости асинхронных двигателей на базе современных преобразователей частоты наigbt-транзисторах (поставка корпорации "triol") для высоковольтных электроприводов тягодутьевых механизмов энергетических котлов на ТЭЦ позволило оптимизировать режим горения и обеспечить экономию около 30 % электроэнергии за счет исключения потерь, возникающих при регулировании с помощью направляющих устройств.

Дальнейшая отработка схем преобразователей, алгоритмов и систем управления существенно расширила область их применения в различных цехах комбината. Так внедрение схем "мягкого пуска" с использованием ТРН, изготовленных на базе преобразователей постоянного тока типа АТР, позволило выводить из работы на время технологических перерывов электроприводы вентиляторов с тяжелыми ус­ловиями пуска, что снизило потребление электроэнергии электроприводами этих агрегатов и улучшило условия их запуска. Применение "мягкого пуска" для электроприводов вентиляторов в ЛПЦ-4 и ЛПЦ-10 позволило сократить среднесуточный расход электроэнергии в среднем на 12-15%.

В настоящее время в Энергоцехе № 1 идет работа по внедрению ТРН для обеспечения "мягкого пуска" приводов дренажных насосов с неавтоматизированными задвижками на напоре. Это позволит пускать насосы и работать при полностью открытых напорных задвижках, исключить потери на преодоление излишнего гидравлического сопротивления трубопровода, увеличить производительность агрегатов. Как следствие, сокращаются время, необходимое для перекачки жидкости, и расход электроэнергии.

Применение асинхронно-вентильного каскада, построенного на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, и неиспользуемых преобразователей постоянного тока типа ЧКД для электроприводов тягодутьевых механизмов котлов № 5 и 6 ЦЭС за счет возврата энергии скольжения в сеть позволило добиться значительной экономии электроэнергии (30 %) и обеспечило регулирование производительности этих агрегатов.