Пример применения питательного насоса котла демонстрирует повышенную надежность, низкие затраты на техническое обслуживание и экономию энергии.

В данной статье рассматривается следующий пример и сравнение трех основных экономических критериев: капитальных затрат (capex), энергосбережения и эксплуатационных расходов. Приложение выглядит следующим образом:

•насос питательной воды котла на парогазовой электростанции;

•напряжение сети: 6 кВ;

•номинальная мощность двигателя: 4 МВт;

•четыре рабочих точки: насосы работают восемь месяцев в году в номинальной точке (напор насоса 2030 метров [м] и производительность 580 кубических метров [м3/ч]) и четыре месяца в году в других трех точках (пониженная скорость: 95% , 90 % и 85 % от номинальной скорости насоса) ;

•насос и двигатель используют подшипники скольжения;

•цена энергии 0,10 евро за киловатт в час (кВтч) и годовая инфляция 1,5%;

Разделение капиталовложений для всех трех вариантов управления показано на Рисунке 4, где отмечено следующее:

Для насосного агрегата с прямым приводом требуется дроссельный нагнетательный клапан, который является частью гидравлической системы и не рассматривается в настоящем исследовании, однако это также следует учитывать при проектировании всей гидравлической системы.

Рисунок 5 – Динамика затрат на техническое обслуживание гидромуфты и ЧРП.

КНасосы одинаковы для всех трех насосных агрегатов: насос для гидромуфты может иметь большой диаметр рабочего колеса, чтобы компенсировать проскальзывание гидромуфты. Обычно это просто другая отделка крыльчатки, которая не влияет на стоимость.

В вариантах прямого привода и гидравлической муфты используется двигатель с фиксированной скоростью, а в варианте с ЧРП используется специальный двигатель, подходящий для ЧРП (с изолированным подшипником). Увеличение стоимости для этого специального исполнения двигателя обычно составляет +5% к цене двигателя с фиксированной скоростью.

Рисунок 6 – Уравнение Закона сродства.

Насосные агрегаты с прямым и частотно-регулируемым приводом используют одну и ту же опорную плиту; опорная плита для гидравлической муфты обычно немного длиннее, поскольку гидромуфта устанавливается непосредственно на опорную плиту между насосом и двигателем. Однако, если требуется система смазочного масла, которую следует установить на опорной плите, занимаемая площадь для всех трех вариантов почти одинакова.

Для гидромуфты требуется две соединительные муфты на единицу, в то время как для прямого привода и варианта с ЧРП требуется только одна соединительная муфта на единицу; однако стоимость соединительных муфт практически незначительна для всех трех вариантов.

Температура газа на выходе подогревателя воздуха с поправкой на общую утечку =

Стоимость самого ЧРП дороже стоимости гидромуфты; Для частотно-регулируемых приводов также требуются шкафы со вспомогательными устройствами (система HVAC); в зависимости от проекта может потребоваться отдельное надлежащее чистое помещение - это может привести к затратам на строительство, которые не учитывались в рамках текущего исследования, но должны учитываться на этапе проектирования электростанции.

Общие капиталовложения насосного агрегата с гидромуфтами на 41% выше по сравнению с насосным агрегатом с прямым приводом; Капитальные затраты насосного агрегата с приводом от частотно-регулируемого привода в два раза выше, чем у насосного агрегата с прямым приводом.

Учитывая надежность дроссельной заслонки и стоимость обслуживания для обоих вариантов регулирования скорости, гидромуфта является механическим элементом оборудования. Это центробежная машина, работающая на масле, не требующая ежегодного обслуживания. Капитальный ремонт обычно проводится раз в восемь лет. С другой стороны, частотно-регулируемый привод обычно требует больше запасных частей и работает ежегодно. Кроме того, чаще выполняются капитальные ремонты в течение срока службы. На Рисунке 5 показана динамика затрат на техническое обслуживание за 30 лет для обоих приводов с регулируемой скоростью (ЧРП): гидромуфты и ЧРП. Данные основаны на опыте рынка и отзывах операторов.

Насос работает восемь месяцев в году при номинальной мощности, а остальные четыре месяца — на пониженной производительности. На Рисунке 6 показаны кривые насоса для этих рабочих точек и соответствующая потребляемая мощность насоса.

Взаимодействие системной кривой (S1, S2, S3, S4) и кривых напор-производительность насоса (HQ) определяет рабочие точки насоса. Рабочая точка 1 — это номинальная рабочая точка насоса, в которой насос работает большую часть времени. Кривая HQ насоса здесь рассчитана для номинальной скорости двигателя, которая равна скорости насоса в случае прямого привода. В случае использования гидромуфты скорость насоса равна частоте вращения выходного вала гидромуфты, что несколько меньше скорости двигателя из-за проскальзывания в гидромуфте.

Рисунок 7 - Характеристики насоса и различные методы управления

Чтобы сохранить одинаковые значения напора и производительности, производители насосов используют другую отделку рабочего колеса (большего диаметра), что обычно не приводит к изменению цены. Таким образом, насос по-прежнему работает в рабочей точке 1 для всех трех вариантов управления как номинал. Путем закрытия дроссельной заслонки на напорной линии насоса кривые гидросистемы становятся более крутыми и достигаются точки 2, 3 и 4. В случае управления скоростью кривая насоса движется вниз по законам подобия, и достигаются рабочие точки 2, 3 и 4. Законы подобия также позволяют построить кривые мощности, потребляемой насосом. Поскольку потребляемая мощность насоса изменяется в степени, равной трем скорости насоса, это показывает, что все рабочие точки, достигаемые при регулировании скорости, требуют меньшей мощности по сравнению с дросселированием.

На изображении 7 показана экономия энергии по сравнению с дросселированием. Эта диаграмма учитывает сценарий эксплуатации, анализирует потребляемую мощность и КПД двигателя, а также детализирует гидравлическую муфту через ЧРП, включая встроенный трансформатор и его вспомогательное оборудование. Оба варианта позволяют сэкономить на управлении дроссельной заслонкой в течение 30-летнего срока службы.

Суммируя все три основных экономических аспекта (капитальные затраты, расходы на техническое обслуживание и энергосбережение), видно, что оба метода регулирования скорости не только обеспечивают требуемые режимы работы, но и экономят средства.

Многие установки по всему миру и годы эксплуатации подтверждают, что гидравлическая муфта является надежным, прочным и экономичным решением, когда речь идет о управлении насосами — не только на рынке электроэнергии, но и во многих областях применения в нефтегазовой отрасли.

Дальнейшее развитие редукторных ЧРП использует планетарную передачу и принцип раздельной передачи мощности. Такой привод состоит из гидротрансформатора и планетарной передачи, которые установлены в одном корпусе. Примерно 75 % мощности передается через планетарную передачу, а остальные 25 % — через гидротрансформатор. Изменение положения направляющих лопаток (показаны зеленым цветом) регулирует скорость и направление вращения водил планетарной передачи, и, таким образом, регулируется скорость солнечной шестерни. Солнечная шестерня жестко связана с выходным валом, который вращает ведомую машину.

Существуют различные способы регулирования скорости насоса; выбор каждого определяется конкретными задачами и условиями работы каждого отдельного проекта. Надежность и долговечность, а также высокий КПД гидромуфт и частотно-регулируемых приводов делают их хорошим решением для регулирования промышленных насосов.