Экономическое обоснование технических решений

Электроприводы турбомеханизмов потребляют 25% всей вырабатываемой электроэнергии и в большинстве случаев остаются нерегулируемыми, что не позволяет получить режим рационального энергопотребления и расхода воды, пара, воздуха и т. д., при изменении технологических потребностей в широких пределах. Силовое оборудование выбирается на максимальную производительность, в действительности же его среднесуточная загруженность может составлять около 50% от номинальной мощности. Значительное снижение момента нагрузки при снижении скорости вращения приводного двигателя, характерное для рассматриваемых механизмов, обеспечивает существенную экономию электроэнергии (до 50%) при использовании регулируемого электропривода и позволяет создать принципиально новую технологию транспортировки воды, воздуха и т. д., обеспечивающую эффективное регулирование производительности агрегата. Кроме того, поддержание в системе минимально необходимого давления приводит к существенному уменьшению непроизводительных расходов транспортируемого продукта и снижению аварийности гидравлических и пневматических сетей. 

Невысокие требования к качеству регулирования давления и расхода обуславливают возможность применения наиболее простых и, следовательно, относительно недорогих преобразователей частоты, которые являются наиболее удобными с точки зрения проектирования и наладки. Положительным моментом является также то, что преобразователь частоты может быть легко внедрен в уже существующую установку без какой-либо реконструкции системы в целом. Сочетание высокой экономичности регулирования и относительно низкой стоимости оборудования обеспечивает минимальный срок его окупаемости (до 12 месяцев).

 Создание системы с частотно-регулируемыми приводами, в которых управление частотой осуществляется наряду с контролем целого комплекса различных технологических параметров, позволяет снизить не только потребление электрической энергии, но и обеспечивает экономию потребления энергоресурсов всей системы.

В целом, применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода в насосных и вентиляторных установках дает следующие преимущества:

– экономия электроэнергии до 60%; 

– экономия транспортируемого продукта за счет снижения непроизводительных расходов до 25%;

– снижение аварийности гидравлической или пневматической сети за счет поддержания минимально необходимого давления;

– снижение аварийности сети и снижение аварийности электрооборудования за счет устранения ударных пусковых токов;

– снижение уровня шума, создаваемого технологическим оборудованием;

– удобство автоматизации;

– удобство и простота внедрения.

Произведём расчёт экономии потребляемой электроэнергии при использовании системы ПЧ-АД по сравнению с регулированием производительности насосной станции при помощи задвижки. При расчетах примем, что за годовой период потребления питьевой воды, по нуждам завода необходимо было поддерживать давление, достаточное для бесперебойной работы персонала, что соответствует нагрузочной диаграмме представленной рисунке 3.6 и зададимся количеством рабочих дней равным 365 дней, потому как на заводе действует посменный график работы, за видом того, что расход в ночные часы заметно меньше, чем днём, что и демонстрирует приведённая диаграмма.

Количество потребляемой электроэнергии в системе ПЧ-АД определяется по формуле [15]:

(12.1)

где

P_т/м(Q)- потребляемая мощность турбомеханизма, определяемая как [15]:

(12.2)

a - коэффициент, принимаемый для насосовa = 0,08 - 0,15. Принимаемa = 0,1.

ΔP_АД- потери АД, исходя из частичной загруженности двигателя, определяемые как:

(12.3)

ƞ_АДраб- КПД двигателя при частичной загруженности;

ΔP_ПЧ- потери в преобразователе частоты.

(12.4)

ƞ_ПЧ - КПД преобразователя частоты, равный 0,95 - 0,99. Принимаемƞ_ПЧ = 0,97.

КПД двигателя при частичной загрузке будем находить из графика зависимости КПД от коэффициента загрузки. Т.к. график загрузки для нашего двигателя 5АМ250М2 найти в общедоступной литературе невозможно, то в наших учебных целях будем использовать график загрузки для аналогичного по мощности двигателя 4А250М2, что не составит больших погрешностей в расчета и допустимо в наших учебных целях. Из [16] возьмем данные зависимости КПД от коэффициента загрузки.

По таблице 12.1 нанесем точки на ось и произведем их аппроксимацию, получение которой изобразим на рисунке 12.1.

Таблица 12.1 – Зависимость КПД от коэффициента загрузки для двигателя 4АМ250М2

Рисунок 12.1 - График зависимости КПД коэффициента загрузки двигателя

Коэффициент загрузки определяется по формуле:

(12.4)

Произведем расчет потребляемой мощности основной насосной установкой, работающей согласно диаграмме 3.3:

• Произведем расчет потребляемой мощности насосной установкой, с расходом Q= 280м³/ч.

Потребляемая мощность насосом:

Как рассчитывалось ранее в п. 3.5, при расходе Q = 280м³/ч. насосная установка работает с рабочим моментомМ_(Q=280м³_/ч) = 187,9 Н·м. Определим коэффициент загрузки:

откуда из рисунка 12.1 следует, что ƞ_АД ≈ 0,915.

Потери двигателя:

Потери в преобразователе частоты:

Тогда потребляемая мощность при расходе в 280м³/чбудет равна:

• Произведем расчет потребляемой мощности насосной установкой, с расходом Q = 250м³/ч.

Потребляемая мощность насосом:

Как рассчитывалось ранее в п. 3.5, при расходе Q= 250м³/ч. насосная установка работает с рабочим моментом М_(Q=250м³_/ч) = 149,8 Н·м. Определим коэффициент загрузки:

откуда из рисунка 12.1 следует, что ƞ_АД ≈ 0,9.

Потери двигателя:

Потери в преобразователе частоты:

Тогда потребляемая мощность при расходе в 250м³/чбудет равна:

• Произведем расчет потребляемой мощности насосной установкой, с расходом Q = 200м³/ч.

Потребляемая мощность насосом:

Как рассчитывалось ранее в п. 3.5, при расходе Q = 200м³/ч. насосная установка работает с рабочим моментомМ_(Q=200м³_/ч) = 95,9 Н·м. Определим коэффициент загрузки:

откуда из рисунка 12.1 следует, что ƞ_АД ≈ 0,86.

Потери двигателя:

Потери в преобразователе частоты:

Тогда потребляемая мощность при расходе в 200м³/чбудет равна:

Количество потребляемой электроэнергии за год работы насосной станции, при регулировании с помощью ПЧ:

(12.6)

Теперь рассчитаем потребляемую мощность при регулировании производительности насосной станции с помощью задвижки.

Потребляемая электроэнергия при регулировании производительности насосной станции задвижкой:

(12.7)

P_т/м(Q) - потребляемая мощность турбомеханизма, определяемая по естественной характеристике насоса (рисунок 3.1).

По рисунку 3.1 определяем потребляемую мощность насосом при расходе Q = 280м³/ч:

Определяем потребляемую мощность насосом при расходе Q = 250м³/ч:

Определяем потребляемую мощность насосом при расходе Q = 200м³/ч:

Количество потребляемой электроэнергии за год работы насосной станции, при регулировании производительности при помощи задвижки:

Проанализировав данные, полученные из вышеприведенного расчета, можно заметить заметную экономию электроэнергии за год работы насосной станции, при использовании ПЧ:

(12.8)

что в процентом соотношении равняется:

(12.9)

Стоимость электроэнергии рассчитывается по следующей формуле::

(12.10)

где - цена кВт·ч электроэнергии.для промышленных и приравниваемых к ним потребителям, с присоединенной мощностью до 750кВА [17].

Годовая стоимость электроэнергии при регулировании производительности задвижкой:

Годовая стоимость электроэнергии при регулировании производительности преобразователем частоты:

Годовая экономия при использовании преобразователя частоты:

Величина суммарных затрат по внедрению частотного регулируемого электропривода насосной станции определяется как:

(12.11)

где - цена преобразователя частоты и устройств автоматизации, руб.,

- коэффициент увеличения затрат на дополнительные проектно-конструкторские работы, монтаж, наладку и запуск оборудования, в зависимости от мощности преобразователя,. Принимаем к_доп = 1,15.

Срок окупаемости проекта рассчитывается по формуле:

(12.12)

Стоимость преобразователя частоты равна [18]:

Стоимость программируемого логического реле равна [19]:

По формуле (12.11) определим величину суммарных затрат по внедрению частотно-регулируемого электропривода:

Тогда срок окупаемости модернизации насосной установки, за счет экономии электроэнергии, по составит:

Плановая продолжительность ремонтного цикла (ремонтный цикл – наработка электрического оборудования, выраженная в годах календарного времени между двумя капитальными плановыми ремонтами) определяется по следующей формуле [20]:

(12.14)

где - продолжительность ремонтного цикла, лет(для асинхронного электродвигателя), лет(для преобразователя частоты);

- коэффициент, учитывающий уменьшение ремонтного цикла основного оборудования,для ремонтного цикла,для межремонтного периода.

Плановая продолжительность ремонтного цикла для асинхронного электродвигателя составляет:

Плановая продолжительность ремонтного цикла для преобразователя частоты составляет:

Плановая продолжительность межремонтного периода определяется формулой [20]:

(12.15)

где t_ТАБЛ- продолжительность межремонтного периода,мес. (для асинхронного электродвигателя),мес. (для преобразователя частоты);

Плановая продолжительность межремонтного периода для асинхронного электродвигателя составляет:

Плановая продолжительность межремонтного периода для преобразователя частоты составляет:

По полученным величинам можно рассчитать количество капитальных и текущих ремонтов в расчете за 1 год по следующей формуле:

(12.16)

Для асинхронного электродвигателя количество капитальных ремонтов в год составляет:

Для преобразователя частоты количество капитальных ремонтов в год составляет:

Количество текущих ремонтов для асинхронного электродвигателя составляет:

Количество текущих ремонтов для преобразователя частоты составляет:

По заданному количеству ремонтов в год, а также по заданной норме трудоемкости определяется годовая трудоемкость ремонтов. Годовая трудоемкость капитальных и текущих ремонтов электрических машин рассчитывается по формуле [20]:

(12.17)

где - норма трудоемкости,чел·ч,- норма трудоемкости для капитального ремонта электродвигателя,- норма трудоемкости для капитального ремонта преобразователя частоты,- норма трудоемкости для текущего ремонта электродвигателя,- норма трудоемкости для текущего ремонта преобразователя частоты;

- поправочный коэффициент, учитывающий частоту вращения электродвигателя,для электродвигателей с частотой вращения3000 об/мин.

Т.к. в нашей насосной установке используется 3 электродвигателя, работающих посменно, то формула для расчета капитальных и текущих ремонтов электродвигателей примет следующий вид:

(12.18)

Для асинхронного электродвигателя годовая трудоемкость капитальных ремонтов составит:

Для преобразователя частоты годовая трудоемкость капитальных ремонтов составит:

Годовая трудоемкость текущих ремонтов для асинхронного электродвигателя составляет:

Годовая трудоемкость текущих ремонтов для преобразователя частоты составляет:

Годовая трудоемкость технического обслуживания принимается равной 10% от нормы трудоемкости текущего ремонта оборудования без учета поправочных коэффициентов:

Для удобства сравнения выполненного расчета, полученные данные трудоемкости ремонта и технического обслуживания, для двух вариантов систем регулирования производительности насосной установки, сведены в таблицу 12.2.

Таблица 12.2 - Сравнение выполненного расчета трудоемкости ремонта и технического обслуживания

Окончание таблицы 12.2

По известной годовой трудоемкости эксплуатации оборудования, учитывая тарифную ставку ремонтного рабочего, а также соответствующие налоги, можно определить затраты на заработную плату ремонтных рабочих за 1 год по формуле:

(12.19)

По известной годовой трудоемкости эксплуатации оборудования, учитывая тарифную ставку ремонтного рабочего, а также соответствующие налоги, можно определить затраты на заработную плату ремонтных рабочих за 1 год по формуле:

(12.19)

где - часовая тарифная ставка ремонтного рабочего (по четвертому разряду);

- коэффициент, определяющий затраты на выплату налогов в связи с начислением зарплаты,;

- суммарная трудоемкость эксплуатации оборудования.

При регулировании производительности насосной станции задвижкой затраты на заработную плату ремонтных рабочих за 1 год составят:

При регулировании производительности насосной станции преобразователем частоты затраты на заработную плату ремонтных рабочих за 1 год составят:

Стоимость материалов для ремонта и обслуживания принимается равной 100% от основной заработной платы ремонтных рабочих без учета выплаты налогов.

Стоимость материалов для ремонта и обслуживания оборудования при регулировании производительности насосной станции задвижкой составляет:

Стоимость материалов для ремонта и обслуживания оборудования при регулировании производительности насосной станции преобразователем частоты составляет:

Общецеховые расходы принимаются равными 100% от основной заработной платы без учета налогов.

При регулировании производительности насосной станции задвижкой общецеховые расходы составят:

При регулировании производительности насосной станции преобразователем частоты общецеховые расходы составят:

Критерием принятия решения технического варианта является минимальная текущая стоимость варианта (NPV). В данном случае в качестве критерия можно использовать приведенные затраты, которые являются модификацией формулыNPVи вычисляются по формуле:

, (12.20)

где E_н– нормировочный коэффициент эффективности, равныйE_н = 0,15;

К- капиталовложения;

С- суммарные годовые затраты, определяемые как сумма годовых эксплуатационных расходов.

Рассчитаем приведенные затраты З для обоих случаев:

руб.

руб.

В таблице 12.3 приведены экономические показатели сравниваемых систем регулирования производительности насосной станции.

Таблица 12.3 - Технико-экономические показатели

Окончание таблицы 12.3

По данным таблицы 12.3 можно определить экономический эффект за 1 год при модернизации насосной станции для подачи питьевой воды на предприятие Мозырский НПЗ:

(12.21)