Обеспечение эффективности систем частотного регулирования на предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства

Внедрение систем частотного регулирования получает все более широкое распространение на объектах водопроводно-канализационного хозяйства и становится для предприятий ВКХ важной частью программ энергосбережения и повышения энергетической эффективности используемого оборудования. Однако, как показывает практика, внедрение частотного регулирования, требующее немалых средств, не всегда в полной мере отвечает ожиданиям руководителей и специалистов водоканалов. Высокая эффективность инвестиций в системы частотного регулирования достигается комплексом организационных и технических мероприятий, выполняемых на всех стадиях жизненного цикла проекта - от постановки задачи при проектировании системы частотного регулирования до соблюдения регламентов технического обслуживания.

Объективным фактором, способствующим все более широкому внедрению систем частотного регулирования, является рост стоимости электроэнергии. Выполняя ТЭО применения технологии частотного регулирования в начале 2000-х годов, мы ориентировались на тариф 0,5 руб. за 1 кВт*час. Сегодня в некоторых регионах цена электроэнергии возросла в 5-7 раз.

Несмотря на большой парк преобразователей частоты (ПЧ) на объектах водоканалов, потенциал энергосбережения остается значительным. Например, в Волгограде на ВНС 2, 3, 4 подъемов установленная мощность электродвигателей составляет примерно 42 МВт (машины мощностью от 30 до 1250 кВт). Рассчитанное при выполнении ТЭО среднегодовое снижение энергопотребления - 12 млн. кВт*час. При затратах на оплату электроэнергии 2,5 руб./кВт*час экономия в денежном выражении достигает 30 млн. руб.

Правильно спроектированные системы электропривода с ПЧ могут сократить расход электроэнергии на 20-70% в зависимости от режимов работы технологической установки. В свою очередь, неправильно спроектированные системы зачастую приносят проблемы. В наибольшей степени это относится к системам с высоковольтными электродвигателями.

О системах частотного регулирования

Применение частотного регулирования электродвигателя может вызвать ухудшение энергетических показателей. Классический пример такой инженерной ошибки - стабилизация уровня в приемном резервуаре канализационной насосной станции (КНС) частотно-регулируемым приводом насоса. При малых притоках ночью насос стремится поддерживать уровень, работая без остановок и с низким КПД. Потребленная при этом электроэнергия «перекрывает» экономию от частотного регулирования и оптимизации напора в дневное время.

Приведенный пример не означает, что частотное регулирование на КНС нецелесообразно. Напротив, использование адаптивного алгоритма управления откачкой (стабилизация уровня при «больших» притоках и стабилизация частоты при «малых» притоках) нередко дает экономию от 30 до 40%. Однако ПЧ как таковой не является панацеей.

Большинство объектов водоканала работают при автоматическом или автоматизированном управлении технологическим оборудованием. Применение ПЧ предполагает построение системы, обеспечивающей управление объектом в нормальных режимах (установившихся и переходных), ненормальных условиях, а также защиту или остановку при угрозе аварии. Такая система частотного регулирования (СЧР) предполагает наличие подсистем:
- сбора, первичной обработки и распределения информации, получаемой от датчиков, исполнительных механизмов, других автономных систем;
- представления информации о взаимодействии пользователей с СЧР;
- управления приводами электродвигателей, исполнительных механизмов задвижек, регулирующих органов, выключателей и др.;
- автоматического регулирования, логического и программного управления, технологических блокировок, защит и защитных блокировок;
- накопления и архивирования информации;
- самоконтроля и самодиагностики и др.

Система частотного регулирования представляет собой совокупность основного и вспомогательного оборудования преобразовательного звена, технических и программных средств, реализующих заданный набор потребительских функций.

Области применения систем частотного регулирования на объектах водоканала

Очевидными областями применения СЧР считают повысительные насосные станции (ПНС), работающие с переменной нагрузкой в течение суток и/или в течение года.

Вместе с тем при обследовании объектов нередко выявляются ПНС, на которых использование преобразователей частоты не будет оптимальным решением. Альтернативой оказываются замена насосных агрегатов, корректировка уставок поддерживаемого давления, групповое управление насосами и др.

Заведомо неэффективным считается использование СЧР на насосных станциях первого подъема, работающих на резервуары. Вместе с тем на водозаборе «Солза» в Северодвинске (насосы с синхронными электродвигателями 800 кВт, 6 кВ) получена среднемесячная экономия электроэнергии 160 тыс. кВт*час. Это объясняется особенностью водозабора - расстоянием в 18 км от станции первого подъема до очистных сооружений. При этом динамические потери настолько значительны, что их оптимизация при частотном регулировании дает ощутимый эффект.

Насосные агрегаты канализационных насосных станций работают в повторно-кратковременном режиме достаточно экономично. В то же время часть КНС имеют выпуски протяженностью в несколько километров. Применение СЧР на них также дает существенный эффект (например, КНС «Юго-Западная» в Нижнем Новгороде с асинхронными электродвигателями 500 кВт, 0,69 кВ).

Таким образом, принимая решение о целесообразности применения технологии частотного регулирования, необходимо анализировать большое количество исходных данных и выполнять прогнозные энергетические расчеты. В этом помогают отработанные методики обследования объектов и алгоритмы подготовки ТЭО.

Эффективность инвестиций и сроки окупаемости СЧР

Предположим, технологический объект управления выбран правильно и потенциал энергосбережения очевиден. Гарантирует ли это эффективность инвестиций и низкие сроки окупаемости затрат? Практика показывает, что на это влияет множество факторов. Среди них:
- постановка задачи при проектировании системы частотного регулирования;
- топология создаваемой системы;
- используемое оборудование;
- алгоритмы автоматической работы СЧР;
- действия операторов;
- изменения технологических нагрузок в процессе эксплуатации СЧР;
- нарушение регламентов технического обслуживания.

Постановка задачи при проектировании системы частотного регулирования

Неверная постановка задачи автоматизации снижает инвестиционные показатели. Характерная ошибка - использование стандартного для ПЧ макроса «Управление насосами и вентиляторами» при переразмеренных по напору насосах. Макрос предполагает простое и надежное решение: один насос частотно-регулируемый, остальные по мере необходимости включаются на сеть 50 Гц. Если оказывается, что при включении на сеть двигатель насоса перегружается, оператор прикрывает напорную задвижку или регулирующий клапан. При этом удельный расход электроэнергии возрастает, а все показатели ухудшаются.

Топология создаваемой системы

СЧР могут управлять одним или несколькими нагнетателями, «отвечать» за один или несколько технологических параметров, управлять или не управлять запорно-регулирующей арматурой, работать в автоматическом режиме или предполагать вмешательство оператора, функционировать автономно или входить в иерархическую АСУ ТП и т.д. Наконец, в качестве приводных двигателей могут использоваться асинхронные или синхронные машины с напряжением до 1000 В или свыше 1000 В.
Все это влияет на топологию системы, которая в свою очередь определяет первоначальные затраты, эксплуатационные затраты, достигаемый эффект.

Даже в простейшем случае частотного регулирования одного насоса с высоковольтным электродвигателем возникают альтернативы:
- заменить высоковольтный двигатель на низковольтный;
- организовать «двухтрансформаторную» схему с низковольтным ПЧ;
- применить высоковольтный ПЧ.

В последнем случае добавляются свои альтернативы:
- ПЧ по схеме «многоуровневый ШИМ»;
- ПЧ на базе инвертора тока;
- бестрансформаторный ПЧ с входной цепью «AFE» и др.

А как быть, если в состав насосной станции входят агрегаты с разными номинальными параметрами, с разными двигателями и необходима их параллельная работа?

Выбор топологии - зачастую непростая и очень ответственная задача.

Используемое оборудование

Стоимость оборудования и материалов в СЧР для насосных станций обычно составляет более половины первоначальных затрат. Другая половина - это стоимость проектирования, программирования, монтажа, наладки, обучения персонала.

Не всегда снижение затрат на оборудование приводит к потере качества. Например, при автоматизации насосной станции 1-го подъема в Пскове (синхронные электродвигатели
400 кВт, 6 кВ) удалось применить стандартные маслонаполненные трансформаторы. При этом цена комплекта оборудования преобразовательного звена на базе оборудования Vacon вместе с работами оказалась ниже стоимости высоковольтного преобразователя китайского производства.

Вместе с тем, сэкономив на коммутационной аппаратуре, можно получить как минимум проблемы с отключением преобразователей, ложными срабатываниями защит и др. Известны примеры, когда такая экономия привела к пожару, уничтожившему систему.

Алгоритмы автоматической работы СЧР

Правильно спроектированная СЧР может быть неправильно настроена. В результате оказывается, что в обычном режиме технологические нагрузки обеспечивает один насос, а в частотном - два. Работая даже на холостом ходу, дополнительный агрегат расходует электроэнергию и снижает экономический эффект.

Действия операторов

Если СЧР задумана как автоматизированная система, то небрежно задаваемые оператором режимы увеличивают удельный расход электроэнергии и, наоборот: правильные действия дают дополнительную экономию. Если нет возможности автоматически контролировать параметры в «диктующей точке» у потребителей, то приходится считаться с влиянием человеческого фактора на показатели СЧР.
Например, изменение уставки поддерживаемого давления с 4,8 до 4,0 кг\см2 на небольшой ПНС (расход 20 тыс. м3/сут.; электродвигатели 75 и 90 кВт, в работе от одного до трех насосов) снижает удельную норму с 0,24 до 0,21 кВт*час/м3. За годовой период это дает дополнительную экономию до 700 тыс. руб.

Изменения технологических нагрузок в процессе эксплуатации СЧР

Такие изменения могут обусловить нештатные режимы работы СЧР. Поскольку срок полезного использования системы составляет 10-15 лет, прогноз изменения нагрузок целесообразно изучать на этапе проектирования. Например, эффективная СЧР ПНС со временем, при развитии городской застройки, может оказаться ненужной. Вместе с тем размещение оборудования в составе низковольтного комплектного устройства позволяет переместить его на новый объект и продолжить работу.

Нарушение регламентов технического обслуживания

Нарушение простых правил и регламентов технического обслуживания приводит к остановке системы и/или к отказу ПЧ.
Достаточно подать сжатый воздух в область вентилятора для «продувки», чтобы забить грязью каналы и спровоцировать перегрев ПЧ.
Отсутствие ППО неизбежно сокращает срок службы преобразователя, и наоборот. На Витебском водоканале водозаборы «Лучеса», «Песковатик», «Витьба» с высоковольтными электродвигателями работают без аварий почти 10 лет.

Наконец, нельзя автоматизировать беспорядок.

На одном из крупных объектов было неверно выполнено заземление. При этом ПЧ (980 кВА, 6 кВ) периодически останавливался и в итоге вышел из строя. Инвестиции в десятки миллионов рублей оказались замороженными.

Названные выше и другие факторы влияют на инвестиционные показатели (простой и дисконтированный срок окупаемости, внутренняя норма доходности IRR, чистая приведенная стоимость денежного потока NPV и пр.). Эффективность инвестиций достигается при использовании методов управления проектами.

При действующих сегодня тарифах на электроэнергию «рядовыми» показателями для СЧР объектов водоканала являются: IRR - 30-50%, простой срок окупаемости - 2-4 года. В этом легко убедиться, «прикинув» простой срок окупаемости 1 кВт установленной мощности ПЧ (таблица 1).

Таблица 1. Оценка простого срока окупаемости ПЧ и СЧР

Финансирование проектов СЧР

При таких показателях представляется реальным привлечение заемных средств. Расходы на инвестиции в СЧР погашаются посредством экономии на энергоресурсах в пределах срока финансирования, другими словами, применяется финансовый инструмент «с нулевой себестоимостью».

При стоимости проекта в несколько десятков миллионов рублей интерес к сотрудничеству проявляют лизинговые компании. Лизинг используется в условиях малодоступности кредитов, что характерно для многих муниципальных предприятий.

Взаимоотношения сторон при реализации проекта СЧР по схеме внутреннего лизинга упрощенно показаны на рис. 1.

Рис. 1. Пример схемы взаимоотношений сторон при создании СЧР

Для инвестора важны такие особенности СЧР, как ясная природа снижения затрат электроэнергии, легко измеряемые показатели экономии, большой срок полезного использования, широкий диапазон цен, низкие риски.

Журнал «Вода Magazine», №8 (72), 2013 г.