Предложение по использованию частотных регулирующих преобразователей для управления вентиляторами систем охлаждения прокатных двигателей 5-ти клетевого стана

В соответствии с программами по внедрению энергосберегающих технологий на металлургических производствах были исследованы условия работы систем охлаждения прокатных двигателей 5-ти клетевого стана и проведены испытания по применению частотно регулирующих преобразователей (ЧРП) в системах охлаждения электродвигателей стана с получением положительного результата.

Для обоснования расчетов было выбрано металлургическое предприятие Вологодской области.

При обследовании было выяснено, что при непрерывном производстве на 5-ти клетевом стане прокатной стали в целях снижения рабочей температуры электродвигателей клетей, в соответствии с проектом применено принудительное охлаждение с определенным объемом и напором воздуха, для чего существуют замкнутые венткамеры с системами водяного охлаждения. В противном случае перегрев приводил бы к перегреву и выходу из строя двигателей. Для охлаждения электродвигателей пяти клетей и двух моталок применены соответственно пять вентиляторов мощностью 200 кВт и два по160 кВт.

В целом система охлаждения выполняет свое предназначение, однако, как показали исследования, мощность двигателей по проекту значительно превышает необходимую, что позволяет сделать вывод о не эффективном использовании охлаждающей системы 5-ти клетевого стана (см. результаты обследования):

1. Так по второй клети, производительность вентилятора мощностью в 200 кВт, работающего от сети 380В и токе 320А при требуемом напоре, составляет 384706 м3/ч;
2. В соответствии с паспортами двигателей второй клети при номинальном режиме загрузки двигателей требуется обдув воздухом 130000 м3/ч с соблюдением соответствующего напора. Для задания такой производительности и напора на вентиляторе использовался ЧРП с частотой 35Гц, где напряжение составляло 228 В, а ток 192 А;
3. Частотно-регулируемый преобразователь работал по обратной связи с использованием датчика, контролирующего температуру воздуха на коллекторах двигателей. При этом частота вращения вентилятора менялась с 50Гц до 35Гц и не превышала контролируемую температуру, а так же были сделаны замеры производительности, напора и вольтамперной характеристики с 20 Гц до 50 Гц.( см. результаты обследования);
4. Замеры проводились при температуре окружающей среды 20-23 0С

Согласно выводам по результатам проведенного обследования о возможности работы вентиляторов с ЧРП на более низких частотах до 35 Гц, при условии поддержания требуемой температуры, были проведены расчеты по экономической эффективности использования ЧРП на всех системах воздушного охлаждения 5-ти клетевого стана.

Однако, при расчетах необходимо учитывать такой немаловажный фактор, как климатические условия эксплуатации оборудования. В первую очередь это связано с понижением температуры воздуха в охлаждающих системах на 12 0С в зимний период (см. отчет по обследованию работы 5-ти кл. стана московским НИИ). Столь незначительное снижение температуры относительно 40 0С объясняется замкнутостью системы охлаждения, которая косвенно соединена с окружающей средой через систему водяного охлаждения. Вместе с тем диапазон изменения температуры в 12 0С на коллекторах двигателей позволяет в такой же пропорции менять производительность вентилятора при сохранении требуемого напора воздуха. То есть рекомендованная температура на коллекторах двигателей в 40 0С уменьшенная до 28 0С изменяется в 1,43 раза, следовательно, при температуре в 28 0С на коллекторах двигателей производительность вентиляторов может также снижаться в 1,43 раза, где при этом температура на коллекторах должна подниматься до 40 0С. Данная взаимосвязь прослеживается из ниже приведенной формулы по расчету мощности вентилятора с учетом температуры и объема перекачиваемого воздуха, которые находятся в пропорциональной зависимости от рассчитываемой мощности:

Следовательно, исходя из выше изложенного, производительность вентилятора можно понизить с 130000 м3/ч до 91000 м3/ч, что соответствует 1,43 раза с сохранением температуры на коллекторах электродвигателей в пределах 40 0С.

Учитывая простои 5-ти клетевого стана, которые составили в среднем 15% от общего времени работы (отчет за ХХХХ год) время работы стана приблизительно будет равно 7446 часов в год.

Расчет экономической эффективности предложения

(данные по результатам измерений сотрудников предприятия)

1. Расчет мощности потребляемой электродвигателем вентилятора от сети мощностью в 200 кВт.
$$P_{\mathrm{эл.дв.200}}=\sqrt{3}*U*I*\mathrm{cos\varphi }=1.73*\mathrm{320\; A}*\mathrm{380\; В}*0.9=\mathrm{183.3\; кВт}$$
2. Расчет мощности потребляемой электродвигателем вентилятора от сети мощностью в 160 кВт. Ввиду того, что вентиляторы этой мощности не обследовались, а мощность их на 20% ниже чем 200 кВт, то с учетом одно и того же проекта на 5-ти кл. стан, можно предположить
$$P_{\mathrm{эл.дв.160}}=183.3*0.8=\mathrm{151.4\; кВт};$$
3. Расчет мощности потребляемой электродвигателем вентилятора с использованием ЧРП мощностью в 200 кВт. на частоте 35 Гц
$$P_{\mathrm{эл.дв.ЧПР}}=\mathrm{1,73}*\mathrm{192\; А}*\mathrm{228\; В.}*\mathrm{0,9}=\mathrm{68,2\; кВт};$$

Беря в расчет зимние условия эксплуатации, то есть пять месяцев зимы, частота вращения вентилятора может быть снижена до 32 Гц.(91000 м3/ч), потребляемая мощность при этом составит

$$P_{\mathrm{эл.дв.ЧПРзим}}=\mathrm{1,73}*\mathrm{180\; А}*\mathrm{200\; В.}*\mathrm{0,9}=\mathrm{56\; кВт};$$

Тогда усредненная потребляемая мощность в течении года будет равна

$${\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{ЧПРсред}}=\left(P_{\mathrm{эл.дв.ЧПРзим}}*0.4+P_{\mathrm{эл.дв.ЧПР}}*0.6\right)=\mathrm{64.4\; кВт}$$
4. Расчет усредненной потребляемой мощности электродвигателем вентилятора с использованием ЧРП мощностью в 160 кВт и учетом зимнего времени
$$P_{\mathrm{эл.дв.160}}=63.4*0.8=\mathrm{50.7\; кВт};$$
5. Таким образом экономический эффект по потреблению электроэнергии каждым вентилятором при использовании ЧРП мощностью в 200 кВт и в 160 кВт и с учётом работы стана 7446 часов в год составит:
$${\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{ЧПР.200}}=\left(P_{\mathrm{эл.дв.}}—P_{\mathrm{эл.дв.ЧПР}}\right)=\mathrm{126\; кВт}$$
$${\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{ЧПР.160}}=\left(P_{\mathrm{эл.дв.}}—P_{\mathrm{эл.дв.ЧПР}}\right)=\mathrm{100.7\; кВт}$$
$${\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{ЧПР.год}}={\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{ЧРП}}*(8760—1314)=(126*5+100.7*2)*7446=\mathrm{6190604.4\; кВТ\; в\; год}$$

С учетом стоимости единицы электроэнергии за 1 кВт/ч для промышленных предприятий 8 рублей экономия электричества за год может составлять:

6190604,4 кВт*ч*8*=49 524 835 руб. в год

В соответствии с методическими материалами, выпущенными по АО «ВНИИЭ» и принятых РАО «ЕЭС России» и АОэнерго, коэффициент ресурсосбережения при использовании частотно-регулируемых приводов принят равным половине коэффициента энергосбережения.

Таким образом, экономия ресурсов при использовании ЧРП составит:

49 524 835 руб./2 = 24762417,6 руб. за год

В целом при использовании ЧРП на электродвигателях вентиляторов экономический эффект составит:

49 524 835 руб. + 24762417,6 руб. = 74 287252,6 руб. в год

Вентиляторы расположены на удалении более 20 метров от распределительного щита, который подключен к понижающему трансформатору мощностью 1000 кВА. При такой схеме подключения необходимо использовать только выходные реакторы.

Для использования частотного регулирования вентиляторов системы охлаждения 5-ти клетевого стана предлагается следующее основное оборудование.

1. Стоимость оборудование

Наименование товара	Ед. изм	Кол-во	Цена за ед. без НДС, руб.	Стоимость без НДС, руб.
Частотно-регулируемый преобразователь, Pн=200 кВт; Iн=365 (А)	шт	5	500 000	2 500 000
Шкаф электромонтажный 2200Х1200Х800, IP23 (вкл. монтаж, аксессуары, арматура)	шт	5	450 000	2 250 000
Реактор выходной 200 кВт	шт	5	200 000	1 000 000
Выключатель нагрузки 400А	шт	5	30 000	150 000
Автоматический выключатель, расцеп. термомаг. 3-пол 400А	шт	5	60 000	300 000
Контактор 3-х пол. 420А	шт	5	60 000	700 000
Частотно-регулируемый преобразователь, Pн=160 кВт; Iн=293 А	шт	2	350 000	800 000
Шкаф электромонтажный 2200Х1200Х800, IP23 (вкл. монтаж, аксессуары, арматура)	шт	2	400 000	108 000 000
Выключатель нагрузки 315A 3P	шт	2	30 000	60 000
Автоматический выключатель, расцеп. термомаг. 3-пол 320А	шт	2	60 000	120 000
Контактор 3-х пол.  309 А	шт	2	70 000	140 000
Реактор выходной 160 кВт (300 A)	шт	2	110 000	220 000
Кабель силовой 3х185+1х95(алюмин.)	м	150	1 600	240 000
Итого без НДС: 8 780 000 руб.

Датчики контроля температуры предполагается использовать существующие.

2. Общая стоимость оборудования составляет 8 780 000 руб., без НДС.
3. Стоимость проектных, монтажных и пусконаладочных работ сопоставима с оборудованием и равна около 9 000 000 руб., без НДС.
4. Условия оплаты:
5. Форма оплаты:
6. Срок поставки
7. Доставка оборудования
8. Срок гарантии на оборудование

В итоге суммарные затраты на оборудование, проектные, монтажные и пусконаладочные работы составят:

8 780 000 руб. + 9 000 000 руб. = 17 780 000 руб. в год

ВЫВОД: Затраты на внедрение составляют 17 780 000 рублей. Эффект от внедрения по сэкономленному электричеству и ресурсу сбережения 74 287253 руб. в год. Соотношение затрат к эффективности 17 780 000 руб. / 74 287253 руб. равно 0,24. Это 3 месяца. Данное предложение требует внедрения. Если взять кредит на реализацию на год и при условии, что проектные работы выполнены, а предложение будет реализовано за 8 месяцев, данный проект “отбивается” за год без потерь перед банком.

Окупаемость поставляемого оборудования для системы охлаждения 5-ти клетевого стана составит 3 месяца.

Технические характеристики вентилятора охлаждающей системы второй клети 5-ти клетевого стана при применении ЧРП