повышение энергоэффективности и безопасности системы

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
И БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ
АВТОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ № 6 (Г. СОЧИ)
В.Н. Громов, доктор технических наук;
Д.Н. Саратов, кандидат технических наук, доцент.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России.
Л.А. Белякова, кандидат технических наук, доцент.
Военная академия материально-технического обеспечения
им. генерала армии А.В. Хрулева
Рассмотрены актуальные вопросы энергосбережения и правильного выбора режима
работы системы вентиляции автодорожного тоннеля № 6 г. Сочи. Решение этой задачи
необходимо для надежного воздухоснабжения подземных сооружений, включая
метрополитены глубокого заложения и подземные шахты. Доказано, что только за счет
перехода от системы нерегулируемого электропривода с изменением угла поворота
лопаток на комбинированный способ управления вентиляторами с системой частотного
регулирования расширяется зона высоких КПД вентиляторов в области полезного
использования установок и снижаются суммарные годовые эксплуатационные расходы
более, чем на 3 млн руб. в год.
Ключевые слова: безопасность, тоннель, энергоэффективность, системы
вентиляции, менеджмент
INCREASING OF AN ENERGY EFFICIENCY AND SECURITY
OF VENTILATION ROAD TUNNEL № 6 (SOCHI)
V.N. Gromov; D.N. Saratov.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia.
L.A. Belyakova.
Military academy of logistics and transport named after the General of army A.V. Khrulyova
Deals with current issues of energy conservation and proper selection mode ventilation
road tunnel number 6 Sochi. The solution to this problem it is necessary for a reliable air supply
of underground structures, including subways deep foundations and underground mines. Proven
that just by switching from unregulated electric system with changing angle of the blades on the
fan control method combined with the system frequency regulation, expanding the zone of high
efficiency fans in useful plants and reduced the total annual operating expenses by more than
3 million rubles per year.
Keywords: safety, tunnel, energy efficiency, ventilation, management
Автодорожный тоннель № 6 (Барановский) соединяет Лазаревский и Центральный
районы в г. Сочи и пролегает под Моисеевой горой (рис. 1).
В его составе:
– двухпутный тоннель протяженностью L=2620,2 п.м;
– многофункциональная штольня L=2518,3 п.м;
– вентиляционные стволы № 8 H=128 п.м и № 7 H=173 п.м;
Диаметр тоннеля – 10,8х5,2 м, сечение штольни – 52 м2.
Тоннель введён в эксплуатацию 26 декабря 2009 г. в составе третьего участка
объездной дороги г. Сочи. Это третий по протяжённости тоннель в России.
15
Рис. 1. Северный портал тоннеля № 6
Особое внимание в проекте тоннеля было уделено проблемам безопасности
и условиям эксплуатации, для чего с основным тоннелем построена техническая штольня,
проходящая параллельно основному тоннелю, с 17 сбойками, каждая из которых оснащена
автоматизированной системой вентиляции, управляемой с центрального диспетчерского
пункта (рис. 2). Система обеспечивает равномерное поступление наружного воздуха на всем
протяжении тоннеля через 17 киосков (сбоек) технической штольни.
Кроме выполнения эксплуатационных задач, 17 сбоек позволяют обеспечить
экстренную эвакуацию людей в случае возникновения чрезвычайных ситуаций.
В транспортной зоне тоннеля смонтированы видеокамеры, датчики окиси углерода
(СО), двуокиси азота (NО2), анализаторы дымности для определения прозрачности воздуха
и концентрации сажи в воздухе.
Датчики измерения скорости и направления движения потока воздуха установлены
в транспортном отсеке с каждой стороны тоннеля во всех замерных станциях (с № 1
по № 17). Датчики температуры и влажности смонтированы в транспортном отсеке с каждой
стороны тоннеля через 500 м. Датчики измерения атмосферного давления – в замерных
станциях № 1, 8, 17.
В зависимости от уровня концентрации вредных веществ в воздушной среде тоннеля
ступенчато (в три ступени) изменяется расход воздуха вентиляторов только за счет
изменения угла установки лопаток рабочего колеса с нерегулируемым электроприводом.
Для подачи наружного воздуха тоннельная приточная система вентиляции (УТПВ)
оборудована четырьмя вентиляторами (по два с двух сторон тоннеля), каждый
производительностью по 125 м3/сек.
Изготовление, монтаж и наладка установок УТПВ выполнены ЗАО «Лада-Флект»
(г. Тольятти).
Установки тоннельной вытяжной вентиляции (УТВВ) оборудованы шестью
вентиляторами фирмы «Howden» (Германия) по три с двух сторон тоннеля, каждый
производительностью по 125 м3/сек.
Все установки тоннельной вентиляции оснащены преобразователями частоты,
но используются они только для пуска и остановки агрегатов.
В преобразователях частоты (ПЧ) используется современная система с прямым
управлением моментом (DTC – Direct Torque Control), разработанная фирмой АВВ.
Методика управления ПЧ заключается в непосредственной коммутации векторов
напряжения в функции от значений электромагнитного момента и вектора потокосцепления
статора. В результате достигается разделение каналов управления электромагнитным
моментом и магнитным потоком асинхронного двигателя [1–3]. В новом способе эти
величины регулируются непосредственно, в то время как токи и напряжения – косвенно.
Основная идея заключается в отказе от привычного широтно-импульсного модулятора
и выборе такого состояния инвертора, которое вызывает изменение потока и момента
двигателя в нужную сторону.
16
Рис. 2. Мнемосхемы системы вентиляции тоннеля № 6 на локальном терминале оператора
центрального диспетчерского пункта управления сооружениями на обходе г. Сочи
17
Управление моментом использует замкнутую по моменту систему регулирования,
что позволяет получить линейный график изменения скорости двигателя. При этом
ускорение и замедление электропривода может оставаться постоянным даже при изменении
нагрузки в широких пределах.
Технические характеристики преобразователей частоты, которыми оснащены
установки тоннельной вентиляции, представлены в табл. 1.
В своей конструкции (рис. 3) они имеют полный набор необходимых
функциональных устройств (сетевые дроссели, ЕМС-фильтры, моторные фильтры и т.д.).
Таблица 1
Рис. 3. Промышленный преобразователь частоты фирмы ABB серии ACS800
Преобразователи частоты типа ACS800 позволяют обеспечить:
– защиту от ударных нагрузок в вентиляторе и появления крутильных колебаний
на основе метода DTC;
– высокую перегрузочную способность и большой пусковой момент;
– надежный плавный пуск без необходимости завышения мощности привода;
– высокий КПД двигателя и коэффициент мощности на фидере питания
преобразователя близкий к единице без применения дополнительных реактивных
компенсаторов;
– стабилизацию уровня напряжения на статоре электродвигателя независимо
от колебаний напряжения в сети питания;
– высокоэффективное, надежное управление и защиту, исключающую вероятности
ложных отключений.
Преобразователи частоты типа ACS800 поддерживают стандартные протоколы связи,
такие как: PROFIBUS, DeviceNet, CANopen, ControlNet, Modbus-RTU, Ehternet, LonWorks
и другие, что позволяет их свободно адаптировать в различные системы и строить сложные,
иерархические системы автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП).
Автоматизированная система управления вентустановками в тоннеле № 6
обеспечивает подачу воздуха в объеме, необходимом для разбавления и эффективного
18
удаления вредных примесей, выделяемых транспортными средствами, до уровня предельно
допустимой концентрации (ПДК), а также для поддержания требуемого температурного
режима, устранения запылённости воздуха и дымоудаления.
В табл. 2 перечислены режимы работы системы тоннельной вентиляции
в зависимости от концентрации вредных веществ в точках установки датчиков.
Таблица 2
СО,
мг/м3
NО2
мг/м3
Сажа, Видимость,
мг/м3
м
>30
>0,8
>1,5
300
>40
>1,5
>3,0
200
>55
>2,0
>4,0
125
Режимы работы системы вентиляции тоннеля № 6
Включаются установки тоннельной приточной вентиляции
(УТВП) на порталах и установки тоннельной вытяжной
вентиляции (УТВВ) на стволах на первый режим работы
(1/3 мощности, a= -30 град; V=44,5 м3/с)
Включаются УТВП и УТВВ на второй режим работы
(2/3 мощности, a= -21 град; V=84,5 м3/с)
Включаются УТВП и УТВВ на третий режим работы
(на полной мощности, a= -11 град; V=125 м3/с)
В табл. 2 приняты обозначения: a – угол установки лопаток рабочего колеса вентилятора
с нерегулируемым электроприводом, град; V – производительность вентилятора, м3/с.
При
уменьшении
концентрации
вредных
веществ
в
контролируемых
точках вентустановки отключаются в последовательности обратной той, которая
представлена в табл. 2.
Если в тоннеле из-за большого числа машин движение замедляется и образуются
пробки, то, на третьей максимальной ступени подачи воздуха, включаются сразу два
приточных и два вытяжных вентилятора с каждой стороны тоннеля. При этом по одному
вентилятору системы дымоудаления остаются в резерве.
Параллельное соединение вентиляторов и наличие резерва дает возможность:
– повысить надежность работы системы вентиляции;
– снизить мощность одного вентагрегата и пусковые токи;
– улучшить эксплуатационные качества;
– быстро увеличивать производительность системы вентиляции.
Регулирование и контроль расхода воздуха тоннеля осуществляются автоматически
из центрального диспетчерского пункта (ЦДП).
ЦДП расположен в 7-этажном инженерном корпусе, с убежищем ГО (общая
площадь – 5085 м2).
Из инженерного корпуса осуществляется управление всеми инженерными
сооружениями на обходе г. Сочи (рис. 4).
Система электроснабжения включает в свой состав четыре независимые подстанции,
источники бесперебойного питания и резервные дизель-генераторы, которые обеспечивают
работу систем аварийного освещения, вентиляции, дымоудаления и пожаротушения.
Таким образом, тоннель № 6 – это высокотехничная инфраструктура с передовыми
системами управления и контроля, соответствующая современным требованиям.
Вместе с тем проблема снижения энергопотребления и оптимизация работы системы
вентиляции тоннеля без ухудшения параметров воздушной среды остается актуальной
и в данном случае.
В силу большого количества требований и норм проектирование вентиляционных
систем в подземных сооружениях (автомобильных тоннелях, метрополитенах, шахтах,
объектах ГО и т.п.) можно отнести к разряду самых сложных и самых ответственных систем.
Оптимальная схема вентиляции определяется, исходя из многих факторов, в том
числе геометрии и глубины расположения подземного сооружения, особенности
транспортного потока и внешнего ветрового напора.
19
Рис. 4. Центральный диспетчерский пункт управления инженерными сооружениями
на обходе г. Сочи
Вопросам проектирования систем вентиляции подземных сооружений уделяется
большое внимание в России и за рубежом [4–6].
При реализации конкретных проектов появляется, как правило, не один, а несколько
возможных путей решения задачи, поэтому требуется выявить лучший вариант из множества
для обеспечения надежного воздухообмена, экологической чистоты воздушной среды
и энергоэффективности в подземном сооружении.
Реализовать лучший вариант возможно только при комплексном и системном подходе
к решению задачи.
Широко известны два основных способа регулирования давления и расхода потока
воздуха путем изменения:
– угла поворота лопаток вентиляторов (грубая регулировка);
– частоты вращения приточных и вытяжных вентиляторов.
Оба способа в отдельности доказали свою жизнеспособность, но имеют как свои
преимущества, так и недостатки.
Важный аспект при выборе способа управления – поддержание необходимого
давления, создаваемого на приточных и вытяжных установках тоннельной вентиляции при
различных параметрах притока и вытяжки, включая аварийные режимы.
С другой стороны, в условиях постоянного роста тарифов на энергию и действия
Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ
«Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» и Международного стандарта
ISO 50001 [1, 7], очень важно постоянно снижать энергопотери, особенно при изменении
производительности вентиляторов.
Энергосбережение является более дешевым и безопасным способом, чем генерация
новых мощностей, так как затраты на экономию 1 кВт мощности обходятся в четыре – пять
раз дешевле, чем стоимость вновь вводимого 1 кВт мощности.
Энергопотребление асинхронных двигателей вентагрегатов в течение года постоянно
меняется и зависит от состояния вентиляционной сети и задаваемого эксплуатационного
режима (табл. 2).
Электродвигатель вентилятора потребляет электрическую мощность Nэ.
Электрическая энергия преобразуется в механическую на валу электродвигателя.
Мощность на валу электродвигателя Nв меньше потребляемой им мощности из сети
Nэ на величину КПД электродвигателя hэ:
Nв=Nэ•hэ.
20
(1)
Полезная мощность вентилятора Nпол меньше мощности Nв на валу электродвигателя
на величину потерь мощности в вентиляторе.
Потери мощности в вентиляторе включают потери при различных видах трения
в рабочем органе вентилятора (механические потери), потери из-за утечек и перетоков
воздуха из области высокого давления в область низкого давления (объемные потери),
потери из-за аэродинамических сопротивлений в рабочем колесе, в деталях привода подачи
воздуха.
Эти потери учитываются КПД нагнетателя hн:
Nпол=Nв•hн.
(2)
Полезная мощность вентилятора Nпол определяется параметрами воздуха, выходящего
из вентилятора и равна:
Nпол=∆P•V,
(3)
где ∆P – полное давление, сообщаемое каждой единице объема воздуха, прошедшей через
вентилятор, Па; V – производительность вентилятора, м3/с
Таким образом, используя выражения (1–3), получаем, что полезная мощность Nпол
вентилятора равна:
Nпол=∆P•V=Nэ•hэ•hн.
Для трехфазных
мощность равна:
асинхронных
двигателей
(АД)
(4)
потребляемая
электрическая
Nэ=3Iф•Uф•сos ϕ,
(5)
где Iф, Uф – фазные ток и напряжение; сos ϕ – коэффициент мощности электродвигателя.
Учитывая выражения (4) и (5), получаем окончательно:
Nпол=∆P•V=3Iф•Uф•hн•hэ•сos ϕ
(6)
Коэффициент мощности (сos ϕ) АД является мерой эффективности, определяющей
уровень потребляемой реактивной энергии, которая нагружает сеть переменного тока, но при
этом не преобразуется в полезную механическую энергию.
В частных случаях, при отсутствии реактивной составляющей, когда в цепи протекает
либо постоянный ток, либо при наличии в цепях переменного тока только активных
сопротивлений R, при средней мощности за период Pср=P=U•I•сos ϕ, в системе будет
протекать только активная составляющая тока Iа=I•сos ϕ. Так как коэффициент мощности
при этом равен единице (сos ϕ=1), то активная составляющая тока будет равна полному току
и реактивных потерь нет, то есть Iа =I.
При наличии реактивной составляющей и сos ϕ<1, полный ток становится больше
активной составляющей и равен I=P/U•1/сos ϕ, тогда потери ∆Pц в электрической цепи
(источнике напряжения, линии электропередачи, приемнике) можно рассчитать по формуле:
∆Pц=I2•R=(P/U)2 •R•1/сos ϕ2.
(7)
Из формулы (7) следует, что в цепях переменного тока, при сos ϕ<1, потери
возрастают пропорционально величине, равной 1/сos ϕ2, и, например при сos ϕ=0,8,
активные потери увеличатся в 1,56 раза.
21
Таким образом, сos ϕ тоже следует рассматривать как энергосберегающий
показатель, который определяет долю потребляемой из сети реактивной мощности,
не производящей полезной работы, но приводящей к непроизводительным потерям (6) и (7).
Оценивая потребление реактивной мощности, отметим, что частотно-регулируемый
асинхронный электропривод вентиляторов характеризуется, практически, отсутствием
потребления реактивной мощности из сети. Алгоритмы управления ПЧ обеспечивают
двухсторонний обмен энергии между сетью и двигателем при однократном
ее преобразовании и обеспечивают коэффициент мощности, равный единице, без
дополнительных реактивных компенсационных конденсаторных установок.
На рис. 5, 6 представлены типовые характеристики осевого вентилятора и рабочие
характеристики обычного асинхронного электродвигателя АД с короткозамкнутым ротором
в функции от производительности V и мощности Nв.
Характеристики осевого вентилятора (рис. 5) содержат зависимости статического
∆Pстат, динамического ∆Pдин и полного давлений ∆P=∆Pстат+∆Pдин, развиваемых вентилятором
в зависимости от производительности V.
Левая часть характеристик осевого вентилятора имеет провалы и является
неустойчивой, из-за чего его работа возможна только в области справа, ниже граничного
напора. Правая (рабочая) часть характеристики осевых машин крутопадающая. Кривая КПД
вентилятора с уменьшением напора также резко падает [5].
Рис. 5. Характеристики осевого вентилятора
Рис. 6. Рабочие характеристики АД
Рабочие характеристики АД (рис. 6) представлены зависимостями: КПД hэ,
коэффициента мощности сos ϕ, скольжения s, частоты вращения n, вращающего момента М
и тока статора I1 от нагрузки (полезной мощности) на валу двигателя Nв при номинальном
напряжении и неизменной частоте питающей сети.
КПД (hэ) асинхронных двигателей зависит от мощности АД и при номинальной
нагрузке может быть в пределах от 85 до 98 % (верхний предел соответствует двигателям
большей мощности). КПД АД определяется той долей перерасхода мощности, которая идет
на покрытие магнитных потерь в стали статора, а также на покрытие электрических потерь
в обмотках статора и ротора, обусловленных нагревом этих обмоток током [3, 4].
Из предварительного анализа следует, что для достижения высокой
энергоэффективности, надежности и адаптивности при эксплуатации системы вентиляции
требуется применить комплексный подход, рассматривая вентилятор и электродвигатель как
единый агрегат, учитывая как механические характеристики установки, так и электрические
параметры привода.
В подавляющем большинстве случаев при регулировании подачи воздуха только
изменением угла установки лопаток рабочего колеса, в качестве привода вентиляторов
используется нерегулируемый асинхронный двигатель, подключаемый непосредственно
на номинальное напряжение сети с частотой 50 Гц.
22
Регулирование подачи осевых вентиляторов, в данном случае, обычно производится
при остановленном вентиляторе и занимает относительно большой промежуток времени.
Этот способ плохо поддается автоматизации при необходимости достижения плавного
изменения угла поворота лопаток в широком диапазоне. Разработанные конструкции
поворота лопаток на ходу существенно усложняют конструкцию вентилятора, удорожают
и снижают его надежность.
Изменение производительности только путем изменения угла поворота лопаток
осевого вентилятора ведет к резкому снижению эксплуатационного КПД (hн) осевого
вентилятора и к непроизводительному расходованию электроэнергии, потребляемой из сети
приводным электродвигателем.
В настоящее время преобладает и постоянно расширяется тенденция передачи
управления системой вентиляции от механической части в систему автоматизированного
регулируемого электропривода, что позволяет обеспечить наилучшие показатели качества
воздушной среды и обеспечить значительное снижение энергопотребления.
Регулирование производительности осевого вентилятора только изменением
(уменьшением) частоты вращения двигателя также связано с определенными
ограничениями. Так работа на сеть с характеристикой, проходящей левее и ниже граничного
напора, окажется невозможной, так как при этом вентилятор попадает в зону провала
с неустойчивой работой.
Для разрешения имеющихся противоречий и расширения зон рациональной работы
осевого вентилятора необходимо применить комбинацию с использованием одновременно
преимуществ двух способов регулирования подачи воздуха: с изменением угла поворота
лопаток и с изменением частоты вращения.
С этой целью требуется реализовать комбинированный способ управления подачей
воздуха, применяя:
а) периодическое регулирование при значительных изменениях характеристики сети
посредством поворота лопаток с одновременным изменением частоты вращения;
б) непрерывное регулирование, в заданном диапазоне, только изменением частоты
вращения.
Самая общая постановка задачи оптимального управления электроприводом
вентилятора с учетом технологических требований хорошо известна и заключается в поиске
экстремума некоторого обобщенного функционала, в который может входить большое
число, зачастую противоречивых показателей, в том числе энергетических.
Исходя из изложенного, комбинированный способ управления частотой вращения
вентилятора с периодическим изменением угла поворота лопаток позволит добиться
энергоэффективности и адаптивности вентустановок при любых изменениях характеристики
сети и при различных эксплуатационных режимах.
Для оценки энергоэффективности предложенного способа управления, в ходе
наладочных работ при участии авторов статьи, в тоннеле № 6 было произведено снятие
рабочих характеристик приточного вентилятора фирмы «HOWDEN» типа 236XN+4HME
APA (рис. 7а) при различных способах управления подачей воздуха.
На мнемосхеме у оператора ЦДП (рис. 2) эта установка тоннельной вытяжной
вентиляции обозначена индексом УТВВ 1.3.
Вентилятор УТВВ 1.3 представляет собой уникальную установку тоннельной
вентиляции, оснащенную одновременно и автоматизированной системой дистанционного
управления изменением угла поворота лопаток рабочего колеса и электроприводом
с преобразователем частоты фирмы ABB типа ACS800 (табл. 1).
Система
управления
выполнена
на
базе
шкафа
автоматики
типа
ШАЛФ-008-002УХЛ4, спроектированного и поставленного ЗАО «Лада-Флект» (г. Тольятти).
В измерительной системе вентилятора применены сертифицированные цифровые
приборы, соответствующие требованиям стандарта DIN 24166.
Схема расстановки измерительных приборов на вентиляторе показана на рис. 7б.
23
Допустимые отклонения показаний приборов от значений измеряемых величин
в вентиляторе, при гарантированном классе точности 1, составляют:
– по производительности V и давлению ∆P не более ±2,5 %;
– по мощности привода +3 %;
– по КПД вентилятора _2 %.
Рис. 7а. Вентилятор фирмы «HOWDEN» типа 236XN+4HME APA
Рис. 7б. Схема расстановки приборов контроля производительности V и давления ∆P
на вентиляторах фирмы «HOWDEN»
24
Шкаф автоматики вентилятора УТВВ 1.3 оборудован дисплеем, на который
выводятся все измеряемые рабочие параметры вентилятора и электродвигателя (рис. 8).
Рис. 8. Функциональная схема подключения приборов контроля и управления
вентилятора УТВВ 1.3
Характеристики вентилятора регистрировались в трех фиксированных режимах
работы, которые в ходе повседневной эксплуатации устанавливаются автоматически при
обнаружении пороговых значений концентрации вредных веществ в точках установки
датчиков (табл. 1):
– первый режим работы (1/3 производительности, V= 44,5 м3/с);
– второй режим работы (2/3 производительности, V= 84,5 м3/с);
– третий режим работы на полной производительности, V=125 м3/с.
В первой серии испытаний требуемая производительность достигалась изменением
угла поворота лопаток вентилятора электрифицированными поворотными механизмами
путем задания дистанционно со щита автоматики ШАЛФ-008-002УХЛ4, то есть штатным
методом.
Поворот лопаток рабочего колеса фиксировался в трех положениях, согласно
инструкции по эксплуатации вентилятора УТВВ 1.3 фирмы «HOWDEN», разработанной
исходя из фактических аэродинамических характеристик сети тоннеля № 6:
– первое положение, угол поворота лопаток a= –30 град (V= 44,5 м3/с);
– второе положение, угол поворота лопаток a= –21 град (V= 84,5 м3/с);
– третье положение, угол поворота лопаток a= –11 град (V=125 м3/с).
25
Привод вентилятора на всех трех режимах работал при номинальном уровне
напряжения U=380/220B, частоте f=50 Гц, питающей сети и номинальных оборотах
nном=974 об/мин.
На рис. 9 представлены характеристики вентилятора (236XN+4HME APA),
с режимами работы вентилятора на сеть, полученные в первой серии испытаний.
Из семейства частных характеристик, представленных на рис. 9, следует, что реальная
мощность на валу вентилятора, обусловленная параметрами сети, на 32 % меньше
номинальной (оптимальной) мощности вентилятора, что привело к увеличению капитальных
затрат на установку и электропривод. При этом не в полной мере используются заложенные
в двигатель активные материалы (медь и сталь), снижается КПД и коэффициент мощности
двигателя.
Двигатель с большим запасом мощности преобразует энергию неэффективно, то есть
с высокими удельными потерями в самом двигателе из-за низкого КПД и в питающей сети
из-за низкого коэффициента мощности.
Во второй серии испытаний регулировка производительности вентилятора
выполнялась по методике, предложенной ЗАО «Лада-Флект» (г. Тольятти), посредством ПЧ
типа ACS800 с изменением частоты вращения электропривода вентилятора.
Поворот лопаток рабочего колеса не менялся и фиксировался на оптимальном
по условиям сети уровне a= -11 град.
Из семейства частных характеристик, представленных на рис. 10, следует, что при
a=-11 град вентилятор (236XN+4HME APA) обеспечивает требуемую по проекту
производительность воздуха на уровне V=125 м3/с и создает напор на уровне 1 650 Па.
При этом надо отметить, что вентилятор способен развивать номинальный напор
до 2 400 Па (на 32 % больше, чем создается фактически при реальных характеристиках сети).
При положении лопаток рабочего колеса на уровне a=-11град достигаются
максимально возможный для данной сети КПД вентилятора на уровне hн=0,81 и КПД
электродвигателя.
Регистрация характеристик вентилятора выполнена на трех режимах, соответственно:
– первый режим работы при производительности V=44,5 м3/с;
– второй режим работы при производительности V=84,5 м3/с;
– третий режим работы на полной производительности V=125 м3/с.
Задание режимов достигалось путем подбора частоты вращения привода вентилятора,
так чтобы напор и производительность установки во второй серии испытаний совпали
с аналогичными режимами в первой серии испытаний.
Изменение частоты вращения асинхронного электродвигателя автоматически
сопровождалось пропорциональным изменением питающего напряжения, при котором
отношение U/f оставалось постоянным (U/f=Const).
Стабилизация
отношения модуля напряжения статора к частоте питающего
напряжения (U/f=Const) обеспечивает наилучшие условия работы двигателя по магнитному
потоку и току, не допуская снижения его перегрузочной способности.
В преобразователе частоты осуществляется независимое управление частотой
и амплитудой напряжения, приложенного к статору АД, поэтому при пониженных частотах
вращения уровни магнитного потока и электромагнитного момента не меняются и остаются
не ниже номинального значения.
На рис. 10. представлены характеристики вентилятора (236XN+4HME APA),
полученные во второй серии испытаний при изменении (уменьшением) частоты вращения
электродвигателя с фиксированным оптимальным углом поворота лопаток рабочего колеса
вентагрегата, исходя из фактических аэродинамических характеристик сети тоннеля № 6.
26
Рис. 9. Частные характеристики вентилятора,
построенные по углу установки лопаток
в первой серии испытаний
Рис. 10. Частные характеристики вентилятора,
построенные по частоте вращения во второй
серии испытаний
Рис. 11. Сравнительные характеристики энергопотребления вентагрегата при регулировании
производительности
27
Результаты измерений параметров вентагрегата в первой и второй сериях испытаний
установки УТВВ 1.3 представлены в табл. 3.
Таблица 3
Режим
работы
установки
I
II
III
II
I
Номинальные
параметры
установки
a,
град
hн,
%
V,
М3/с
∆P=∆Pстат+∆Pдин,
Па
Nпол=Vx∆P,
кВт
Nв=Vx∆Pxhн,
кВт
n,
об/мин
-30
-21
-11
-11
-11
19
56
81
81
81
44,5
84,5
125
84
45
160
670
1650
665
160
7
56
200
55
7
37
100
250
70
9
974
974
974
603
291
∆a, град
-36…+12
hmax
88
125
2400
300
341
980
При этом важно отметить, что данные получены не на различных вентиляционных
установках, работающих в разных условиях и разное время, а на одной и той же УТВВ 1.3,
но с использованием двух различных способов управления производительностью, как за счет
изменения угла установки лопаток рабочего колеса на номинальных оборотах, так
и с изменением (уменьшением) частоты вращения двигателя без изменения угла поворота
лопаток агрегата.
Достоверность полученных результатов подтверждается еще и тем, что при
эксперименте использованы современные сертифицированные измерительные средства,
погрешность измерения которых не превышает ±3 %.
На рис. 11 представлены две сравнительные характеристики энергопотребления
вентагрегата при регулировании производительности: изменением угла установки лопаток
рабочего колеса на номинальных оборотах, изменением (уменьшением) частоты вращения
двигателя с фиксированным оптимальным углом установки лопаток вентилятора.
Из сравнения этих зависимостей следует, что мощность, потребляемая вентилятором
при частотном регулировании оборотов двигателя значительно меньше (на ∆Nэ=30-28 кВт),
чем с нерегулируемым электроприводом, за исключением общей точки, соответствующей
максимальной производительности V=125 м3/с, углу установки лопаток a= -11 град при
номинальных оборотах nном=974 об/мин.
Таким образом, во втором и третьем режимах работы вентилятор с нерегулируемым
электроприводом потребляет мощность на 30 % больше, чем при той же производительности
и тех же условиях вентилятор с частотно-регулируемым электроприводом.
При регулировании производительности лопаточным агрегатом изменяются как
характеристики вентилятора, так и его КПД.
При частотном регулировании и при неизменном положении лопаток рабочего колеса
на уровне a=-11град достигается максимально возможный для данной сети КПД вентилятора
на уровне hн=0,81 во всем диапазоне изменения частоты вращения электродвигателя.
Тоннельные установки УТВВ и УТПВ являются механизмами с непрерывной
продолжительностью работы в течение года.
Относительная продолжительность включения (ПВ) вентиляторов в первом и втором
режимах с производительностью V=44,5 м3/с и V=84,5 м3/с составляет ПВ=0,9–0,95
от общей продолжительности работы.
Если принять продолжительность включения в первом и втором режимах ПВ=0,92,
то в этом случае непроизводительные затраты электроэнергии (Nнз) в год при регулировании
производительности УТВВ и УТПВ изменением угла поворота лопаток по сравнению
с частотным методом регулирования оборотов двигателя вентилятора составят:
Nнз=∆Nэ.ср•ПВ•8760=29•0,92•8760=233 716 кВт час,
28
где ∆Nэ.ср – среднее превышение мощности, потребляемой вентилятором в первом и втором
режимах с нерегулируемым электроприводом по сравнению с частотно-регулируемым
электроприводом; ПВ – относительная продолжительность включения вентилятора в первом
и втором режимах; 8760 – количество часов в году.
Приточная система вентиляции (УТПВ) оборудована четырьмя вентиляторами (по две
установки с двух сторон тоннеля), а вытяжная система (УТВВ) оборудована шестью
вентиляторами (по три с двух сторон тоннеля).
В повседневных условиях одновременно работают не менее четырех вентиляторов
(по одной установке УТПВ и УТВВ с двух сторон тоннеля).
Учитывая, что постоянно и одновременно работают не менее четырех
вентиляционных установок, получим, что суммарные непроизводительные потери
электроэнергии за год составят: ∆Nнз.год=4•Nнз=4•233 716=934 867 кВт час, что в денежном
выражении (при стоимости 1 кВт час 3,6 руб.) ведет к перерасходам в сумме:
Снз=934 867•3,6=3 365 521 руб.
Обоснованный переход от системы нерегулируемого электропривода с изменением
угла поворота лопаток на комбинированный способ управления вентиляторами с системой
частотного регулирования позволит, помимо улучшения показателей надежности,
безопасности и долговечности, получить существенную экономическую выгоду, а именно:
а) снижение эксплуатационных затрат за счет:
– экономии электроэнергии – до 30 % в год;
– экономии на техническом обслуживании – до 7 % в год;
– уменьшения динамических напряжений в лопатках рабочего колеса за счет
ограничения ускорений при пуске;
б) снижение капитальных затрат за счет [2, 3, 8] :
– отсутствия конденсаторных установок – до 10 %;
– применения силового кабеля меньшего сечения – до 5 %;
Важно то, что переход на комбинированный метод управления не потребует
дополнительных затрат и технических средств, так как все вентиляционные установки
тоннеля № 6 УТПВ и УТВВ уже оснащены преобразователями частоты.
Выводы
1. Энергоэффективность, экономичность и надежность работы системы вентиляции
подземных сооружений зависит от правильного выбора вентиляторов, способа
и эффективности регулирования режимов их работы и согласования аэродинамических
характеристик агрегатов и вентиляционной сети тоннелей.
2. При переходе к регулируемому электроприводу экономия электроэнергии
достигается не только за счет снижения потерь в самом агрегате, но и за счет появления
новых широких возможностей в изменении технологии воздухообмена и использовании
менее энергозатратного со стороны электропривода способа управления этим процессом.
При этом экономия энергии может многократно превосходить потребление электроэнергии
собственно электроприводом.
3. В ходе выполнения наладочных работ доказано, что только за счет перехода
от системы нерегулируемого электропривода с изменением угла поворота лопаток
на комбинированный способ управления вентиляторами с системой частотного
регулирования расширяется зона высоких КПД вентиляторов в области полезного
использования установок и снижаются суммарные годовые эксплуатационные расходы
более, чем на 3 млн руб. в год.
4. Комбинированный способ управления вентиляторами с системой частотного
регулирования обеспечивает широкую и плавную глубину регулирования эксплуатационных
параметров в автоматическом режиме в зависимости от заданных величин и внешних
условий на основе современных возможностей преобразовательной техники.
29
Частотное регулирование создает благоприятные условия пуска, регулирует
вращающий момент, осуществляет защиту и диагностику, снижает уровень шума работы
вентилятора при уменьшении числа оборотов привода, улучшает показатели надежности,
безопасности и долговечности установок.
5. Дополнительным
преимуществом
частотного
регулирования
приводов
вентиляторов является возможность увеличения номинальной мощности электродвигателя
вентилятора за счет повышения частоты питающего напряжения от 50 Гц до 60 Гц.
Увеличение частоты на 10 Гц позволяет повысить допустимые параметры
вентиляционного агрегата (согласно данных каталога [6] фирмы «HOWDEN») до уровней:
– по производительности V (60 Гц)=1,2•V (50Гц);
– по давлению ∆P (60 Гц)= 1,44•∆P (50 Гц);
– по мощности на валу Nв (60 Гц)=1,73•Nв (50 Гц).
6. Обоснованный выбор мощности вентиляционной установки и электродвигателя
является важнейшим организационно-техническим мероприятием энергосбережения.
Требуется разработка новых, более совершенных методик выбора и расчета мощности
вентиляционных установок. Недопустимо завышать производительность агрегатов
на 40–50 % относительно требуемых рабочих параметров, особенно, если учесть, что
относительная ПВ вентиляторов в третьем режиме с максимальной производительностью
удаления воздуха (V=125 м3/с) составляет менее 10 % от общей продолжительности работы
системы вытяжной вентиляции в тоннеле.
7. Результаты эксперимента, приведенного в данной статье, еще раз подтверждают
основные выводы, полученные ранее в Санкт-Петербургском метрополитене [3],
говорящие об энергоэффективности применения частотного способа регулирования
производительности осевых тоннельных вентиляторов.
Литература
1. Energy management systems-Requirements with guidance for use: Стандарт ISO
50001:2011. Системы энергетического менеджмента. Требования и руководство
по применению. URL: http:www.intertest-iso9001.ru (дата обращения: 11.03.2014).
2. Иванцов В.В. Регулируемый электропривод для центробежного вентилятора
ВЦД47У главного проветривания шахт и рудников с преобразователем частоты – 2009 г. //
ЗАО «ЭРАСИБ». URL: http:www.erasib.ru (дата обращения: 11.03.2014).
3. Белякова Л.А., Громов В.Н. Целевой энергомониторинг энергоучетных центров
транспортных предприятий // Метро и тоннели. 2007. № 4.
4. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие.
СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.
5. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. М.: Машиностроение,
1984.
6. Merzoug M.S, Naceri F. Comparison of Field-Oriented Control and Direct Torque
Control for Permanent Magnet Synchronous Motor. PWASET. 2008.
7. Об энергосбережении и повышении энергоэффективности: Федер. закон
Рос. Федерации от 23 нояб. 2009 г. № 261-ФЗ // Минэкономразвития России.
URL: http:www.economy.gov.ru (дата обращения: 11.03.2014).
8. Петров Н.Н. Экономичность действующих вентиляторных установок и пути
ее повышения // Автоматическое управление в горном деле. Новосибирск, 1974.
30