|
Экономическое, политическое и военно-промышленное развитие стран
неразрывно связано с наличием или отсутствием в необходимых количествах
энергоносителей. Это делает разработку новых методов энергосбережения
наиважнейшей задачей, от которой зависит не только обороноспособность, но
и будущее этих стран. |
Рост цен на энергоносители и многочисленные экологические
катастрофы, связанные с добычей, транспортировкой и их переработкой, выводит
энергосбережение в число особо важных направлений, от которых зависит не только
финансовое благополучие стран и конкретных предприятий, от этого зависит среда
обитания человека и его способность воспроизводить себе подобных в ближайшие два
десятилетия.
Технологическое
отставание российской промышленности и отсутствие экономических
стимулов для ее развития, привело к тому, что для производства
аналогичной продукции мы затрачиваем в 3 - 4 раза больше
электроэнергии, чем в промышленно развитых странах.
В связи с чем, кроме отмеченных выше проблем, прибавляется
еще и неконкурентоспособность наших товаров и услуг.
Особо
прискорбным фактом является то, что многочисленные статьи,
книги, выставки и выступления специалистов в области
энергосбережения, связывают энергосберегающие
технологии исключительно с учетом потребления электроэнергии
и призывами экономить. Не
удалось найти ни одной серьезной научной работы в этой
области.
Неужели у многочисленных научно-исследовательских
институтов, академии наук, министерств и ведомств, отвечающих
за развитие промышленности, есть более серьезные
задачи? До сих пор, не обозначено даже направления работ.
Восполнить
существующий "вакуум" информации и идей в
этой области позволит приведенные ниже аналитические
и практические предложения специалистов предприятия
"КОПЭН".
ОПРЕДЕЛИМ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ
МЕТОДЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
|
Для
этого проанализируем структурную схему производства
и потребления электроэнергии и качественно
оценим весовую значимость каждого звена.
|
1. Электростанция, на вход которой
поступает энергоноситель. Около 75 % всей электроэнергии
вырабатывается тепловыми электростанциями ТЭС и теплоэлектроцентралями ТЭЦ.
КПД
турбины тепловой
электростанции, вырабатывающей электроэнергию
около 21 %. Суммарный
КПД
ТЭЦ оценивают от 50 % до 60 %, за счет учета полезного использования горячей воды и пара.
Не будем в рамках данного материала рассматривать эффективность такого обогрева городов
даже в средней полосе, не говоря о городах на севере. Это
отдельная тема. Потери мы все наблюдаем
по незамерзающим даже в мороз участкам земли.
Трубы с горячей водой, протяженностью десятки километров
обогревают окружающую среду.
Отметим, что реальный
КПД ТЭЦ, по этой причине, ниже заявляемого значения. В электроэнергию, а
мы рассматриваем имеено производство, передачу и
потребление электроэнергии,
тепловая турбина полезно преобразует всего 21 % энергоносителя.
2. Повышающая трансформаторная подстанция:
КПД = 98
%.
3. Линии
электропередачи (ЛЭП), потери в которых составляют около 20 %: КПД = 80%.
4. Понижающие
трансформаторные подстанции: КПД = 98 %.
5.
Привод: от 60
% до 70 % всей производимой электроэнергии
потребляется асинхронными трехфазными электродвигателями (АД). Остановимся
на них чуть подробнее.
Теоретически и по паспорту, в номинальном режиме работы
асинхронные двигатели имеют высокий коэффициент эффективности,
КПД = 80 % - 95 %. Такой режим работы действительно можно искусственно создать в
лабораторных условиях. В реальных
условиях эксплуатации, практически, ни один АД
не работает в номинальном режиме.
Во-первых, потому, что у АД неудовлетворительная (скверная) механическая характеристика
(зависимость частоты вращения вала двигателя и момента): пусковой момент мал, а
95 % скоростного диапазона характеристики является неустойчивой. По
этой причине, частота вращения вала асинхронного электродвигателя не регулируется параметрически
(по одному параметру - напряжению или току), а 99 % всех технологических операций
требуют регулирования.
Во-вторых, малый
пусковой момент, приводит к тому, что конструкторы и специалисты по эксплуатации
электрооборудования вынуждены завышать установленную
мощность АД в 1,5 - 2 раза, а в случае тяжелого пуска в 3 - 4 раза. Это
приводит к снижению надежности и к существенным потерям электроэнергии. После пуска
оборудования, как правило, происходит падение нагрузки, и двигатель
попадает в область низких КПД.
В-третьих, достаточно нескольких пусков и остановок в час, работы со
знакопеременными нагрузками, реверсированиями и КПД асинхронных двигателей существенно падает.
В-четвертых, длительная работа с малыми нагрузками
или на холостом ходу дополнительно снижает КПД.
В-пятых, падение напряжения в сети и плохое качество подводимой энергии, не только снижает КПД асинхронных
двигателей, но и приводит к
авариям. ГОСТ 183-74 допускает понижение напряжения питания АД не более
5 % от номинального значения. Реальные падения напряжения в промышленности и
в сельском хозяйстве достигают 30 % и более.
По этим
причинам, на длительном интервале времени, среднее значение КПД
асинхронных двигателей с учетом работы с недогрузкой,
пусками, остановками, реверсированием, работы со знакопеременными
нагрузками, плохим качеством подводимой
энергии и т.п. в
различных отраслях народного хозяйства находится в диапазоне от 15 % до 30 %.
Прямые измерения КПД погружного асинхронного двигателя, типа ПЭД на реальной
скважине в ОАО
«НОЯБРЬСКНЕФТЕГАЗ» показали, что значение КПД, находятся в пределах 18 % - 22 %, хотя в лаборатории
на имитаторе этот показатель составлял 76 %.
Принимаем средний
КПД АД равным 30 %. Мы взяли явно
завышенное значение среднего КПД, только
потому,
что у нас нет точных статистических исследований по всем отраслям промышленности и
в сельском хозяйстве.
6. Рабочая
машина, преобразующая на выходе структурной схемы, электрическую энергию в полезную
работу. КПД рабочей машины (технологического оборудования) в номинальных условиях
может иметь высокий КПД, вплоть до 80 % – 90 % (крупные центробежные насосы и вентиляторы).
Однако,
практически все технологические операции требуют регулирования рабочих
параметров. При отсутствии регулирования, КПД рабочей машины снижается до 30
% –
40 %. Принимаем КПД = 40 %.
Существующие частотные системы управления, позволяющие регулировать АД
в диапазоне 20% - 25%, дорого стоят. Кроме того, требуют высококвалифицированного
обслуживающего персонала, что существенно увеличивающего эксплуатационные расходы. Поэтому, доля
регулируемых приводов не превышает 5 % - 6 % и в расчетах ими можно пренебречь.
Посчитаем теперь эффективность преобразования
природного энергоносителя в полезную работу: для
этого перемножим КПД всех основных составляющих структурной схемы в относительных
единицах.
СУММАРНЫЙ
КПД = 0,21 * 0,98 * 0,8 * 0,98 * 0,3 * 0,4 = 0,019.
ВЫВОД:
ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
И ПОТРЕБЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ РАСХОДУЕТСЯ
МЕНЕЕ ЧЕМ НА 2%, А 98% ЕГО ПОТЕНЦИАЛА ПРЕОБРАЗУТСЯ
В ЯДОВИТЫЙ ДЫМ И ОБОГРЕВАНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Миллионы
потребителей в различных отраслях промышленности и
сельском хозяйстве используют асинхронные двигатели в
нерегулируемом режиме. Нерегулируемость
АД вносит определяющий вклад в энергетическую неэффективность использования
энергоносителей. Все это сопровождается
еще и многочисленными экологическими проблемами в
разных частях мира.
Газ,
уголь, нефть (мазут), торф - являются невосполнимыми энергоносителями
на Земле. Не
в этом ли кроется основная причина нехватки энергоресурсов
и надвигающегося глобального
энергетического кризиса?
КАК
ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ С МИНИМАЛЬНЫМИ
ЗАТРАТАМИ?
|
Очевидно,
следует выбрать приоритетное направление по критерию: минимальное вложение денежных
средств к максимальному повышению эффективности.
- КПД турбины электростанции теоретически можно повысить на 1,5 %
- 2 %, но с помощью огромных денежных вложений,
длительной работы научно - исследовательских институтов и экспериментальных производств.
Это дорого и долго.
- КПД
крупных трансформаторных подстанций можно поднять
на 1%, но это тоже потребует крупных капиталовложений и многих лет работы.
- Создание
Единой Энергетической системы СССР, известной
сегодня как РАО ЕЭС, было огромной ошибкой или
диверсией. Система, в которой все генерирующие
мощности связаны линиями электропередачи (ЛЭП),
протяженность которых, согласно большой советской
энциклопедии, составляет более 3 миллионов километров,
приводит к огромным потерям электроэнергии.
Эти потери можно оценить, используя информацию,
приведенную В.
Льюисом в книге: "Линии передачи электрической энергии",
Американское общество инженеров - электриков.
М. 1935 г. К сожалению, на основании этой информации, есть основание полагать, что реальные
потери электроэнергии от шин ТЭС до щитов предприятий,
составляют не 20%, как мы приняли в расчетах,
а 30% - 35%. Это на 10% больше, чем производят ГЭС
и АЭС вместе взятые! Повысить
КПД ЛЭП можно за счет перестройки единого энергетического
кольца, например, на 89 локальных колец по числу областей России или на какое-то другое число,
определенное в процессе выполнения работы по оптимизации. Работа
требует огромных капиталовложений и многие годы. Но, эту работу необходимо срочно
начинать делать.
- КПД
асинхронного электропривода и рабочей машины, имеют взаимозависимые КПД, поэтому,
в качестве показателя эффективности необходимо рассматривать их произведения.
Мы подошли
к конкретным предложениям.
Специалисты
научно проектного предприятия ООО "КОПЭН",
под руководством Яловега Николая Васильевича, разработали новые энергосберегающие электродвигатели переменного
тока, названные РПЭДЯ. Мы
предлагаем готовое решение глобальной проблемы,
стоящей перед человечеством - проблемы нехватки
и повышающейся стоимости энергетических ресурсов.
Многочисленные исследования в реальных условиях эксплуатации показали, что РПЭДЯ
при выполнении той же работы, что и АД, потребляют в 3 - 5 раз меньше электроэнергии.
КАК
ДОБИТЬСЯ ЗНАЧИТЕЛЬНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ?
|
Задача решается,
относительно простой заменой существующих АД на РПЭДЯ.
Сильной
стороной данного проекта является то,
что это не требует огромных денежных вложений и долгих
лет работы. Такая замена может быть произведена на существующем
технологическом оборудовании путем модернизации того
АД, которым укомплектовано это оборудование.
КАКИМИ
ВОЗМОЖНОСТЯМИ ОБЛАДАЕТ РПЭДЯ?
|
РПЭДЯ, выполненные в металлоконструкции традиционного АД, сохраняет все положительные
свойства АД,
но при этом появляются новые уникальные свойства:
1 РПЭДЯ
регулируются при неизменной частоте тока путем плавного изменения величины напряжения
во всем скоростном диапазоне, в результате у миллионов потребителей
появились регулируемые энергосберегающие электродвигатели,
внешне не отличающиеся от традиционных АД, легко встраиваемые
в существующее технологическое оборудование. Регулирование
частоты вращения вала РПЭДЯ обеспечивают простые, надежные,
доступные по цене автотрансформаторы с ручным или дистанционным
управлением, не требующие высококвалифицированного обслуживающего
персонала. В случаях, требующих применения обратных
связей, используются простые по конструкции и схемному
решению полупроводниковые регуляторы напряжения или
привод по схеме "генератор-двигатель", так
же имеющие невысокую стоимость.
2. Механическая
характеристика устойчивая, пусковой момент максимальный и в 2 - 3 раза больше,
чем у АД, за счет чего
даже для агрегатов с тяжелым пуском применяют РПЭДЯ без
превышения установленной мощности, а следовательно электродвигатель
работает в области высокого КПД. Это позволяет
использовать РПЭДЯ в особо тяжелых случаях эксплуатации
- в режиме работы с заторможенным ротором, например,
в приводе прокатных станов или приводе буровых установок.
3. При не номинальной нагрузке, в отличие от АД
энергетический КПД
РПЭДЯ снижается незначительно, за счет чего даже
в нерегулируемом приводе при часто меняющейся нагрузке, экономия электроэнергии составляет 200
% - 300 % (в 2 - 3 раза, а в отдельных случаях даже
в 4 - 5 раз).
4. При колебаниях напряжения, в том числе падении
в несколько раз, не опрокидывается", как АД, а устойчиво работает с
меньшей мощностью, но с высоким КПД. Хорошо работает со знакопеременными
нагрузками, частыми пусками, остановками, реверсированием и с малыми
нагрузками.
5. Понижена кратность пусковых токов с 7 до
3,5, за счет чего автоматически
без специальных устройств обеспечивается плавный пуск без ударов на сопряженную машину, снижается нагрев
электродвигателя
в процессе частых пусков и остановок, а так же повышается межремонтный ресурс.
6. Критическая перегрузка двигателя сопровождается
плавным снижением оборотов вала - критический момент и резкий останов отсутствует,
за счет чего дополнительно повышается надежность в работе двигателя и сопряженной машины, увеличивается допустимое
число пусков и остановок в течение заданного времени и в специальных режимах.
7.
Массогабаритные показатели снижены на 25 % - 100 %, при
сохранении посадочных мест двигателя аналогичной мощности
и назначения, в результате
при ограничениях габаритного ряда, например в погружном
электронасосном оборудовании, значительно более
мощные РППЭДЯ, позволяют расширить границы применения такого
оборудования, а короткие погружные электродвигатели
использовать в сильно искривленных скважинах.
Регулируя
частоту вращения вала электродвигателя простейшими многообмоточными
трансформаторами или автотрансформаторами или по схеме
"генератор-двигатель", что еще более эффективно, потребители могут оптимизировать технологические
процессы, а, следовательно, повысить КПД рабочих машин
(технологического оборудования) с 40 % до 80 % и более.
При этом средний КПД асинхронных электродвигателей, модернизированных
по схеме энергосберегающих РПЭДЯ, повышается с 30 % до
70 % и более. Посчитаем теперь эффективность преобразования энергоносителя.
СУММАРНЫЙ КПД =
0,21* 0,98 * 0,8 * 0,98 * 0,7 * 0,8 = 0,09. ПОЛУЧАЕТСЯ
9
% ВМЕСТО 1,9 %.
ВЫВОД:
ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ ЗАМЕНЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
НА РПЭДЯ МОЖНО ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ В 4,75 РАЗА.
Это
значит, что все существующие в промышленности, сельском хозяйстве и быту потребители
электроэнергии (объективно уже существующие), могут теоретически
сократить в 4,75 раза
потребление электрической энергии. Мы
предлагаем готовое решение глобальной проблемы,
стоящей перед человечеством - проблемы нехватки
и постоянно повышающейся стоимости энергетических ресурсов.
|