РАСХОД ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПОДАЧУ ВОЗДУХА В ГОРЕЛКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА

Среди разнообразных тепловых энергоустановок, использующих природный газ в качестве топлива, существуют установки с расширенным до 1:10 диапазоном плавного регулирования мощности. Примером могут служить шахтные воздухонагреватели РГ 2000

Преимущества регулирования скорости вращения вентилятора с помощью ЧРП рассмотрены в

В работе

Успешное решение этих задач основывается на работе двигателя с неполной нагрузкой и на пониженной скорости, что влечет за собой дополнительные потери мощности как в двигателе, так и в ПЧ. Значительное падение КПД электропривода при снижении скорости вращения турбомеханизмов отмечено во многих работах

Важным шагом к точному расчету потерь энергии и входной мощности дутьевых комплексов стал недавно опубликованный стандарт ГОСТ IEC 61800-9-1-2023 (Системы силовых приводов с регулируемой скоростью). В этом стандарте энергоэффективность электромашинного комплекса определяется по его математической модели, которая позволяет рассчитать потери энергии в рабочих точках частичной нагрузки.

Модель состоит из формул, переменных и параметров. Для расчета потерь в конкретном комплексе необходимо использовать реальные значения его параметров, которые должны быть установлены производителями оборудования в соответствии с ГОСТ IEC 61800-9-2-2021.

Потребуется значительное время, чтобы заместить существующий парк электродвигателей на новые, отвечающие требованиям ГОСТ IEC 61800-9-2021. Пока что, без дополнительных измерений, нельзя определить расчетным путем входную мощность дутьевого комплекса. Отсутствие опытных данных вынуждает использовать предположение о постоянстве КПД как при предварительных оценках эффективности ЧРП на этапе внедрения, так и при последующих энергоаудитах действующих дутьевых комплексов

Точное значение входной мощности необходимо знать для прогнозирования расхода электроэнергии на дутье в зависимости от погодных условий. Кроме этого, потери мощности в дутьевом комплексе определяют потенциал энергосбережения, который может быть реализован как за счет модернизации устаревшего оборудования, так и за счет корректировки рабочего цикла существующего оборудования. Наконец, индивидуальные энергетические характеристики дутьевого комплекса могут использоваться при диагностике оборудования после монтажа и в процессе эксплуатации.

Целью работы является экспериментальное определение энергетических характеристик серийного образца дутьевого комплекса РГ 2000 при изменении подачи от 10% до 100%. Предложена и реализована в ходе заводских приемо-сдаточных испытаний методика измерения удельного расхода электроэнергии и КПД комплекса.

В зимнее время свежий воздух для проветривания подземных выработок должен подогреваться, чтобы исключить обмерзание воздухоподающего ствола. Для этой цели на рудниках Урала широко применяют шахтные воздухонагреватели РГ 2000

Объектом настоящего исследования является серийный образец дутьевого комплекса, предназначенного для подачи первичного воздуха в горелочный блок воздухонагревателя РГ 2000. В зависимости от погодных условий подача первичного воздуха плавно изменяется в диапазоне 1:10 за счет изменения частоты электропитания двигателя дутьевого вентилятора в диапазоне 5:50 Гц. При необходимости, подачу при максимальной скорости вращения вентилятора ограничивают с помощью дроссельных шайб.

Для достижения стабильности регулирования соотношения газ/воздух на минимальных нагрузках, давление первичного воздуха перед горелочным блоком не может быть меньше 50 Па. Тогда номинальное давление воздуха перед горелкой (с учетом диапазона регулирования подачи 1:10 и квадратичной зависимости давления от расхода) должно быть не ниже 5000 Па.

В состав дутьевого комплекса РГ 2000 входит:

- Вентилятор ВР 120-28-6,3 (прямой привод) с номинальными параметрами: скорость вращения 2920 об/мин; подача 1,7 м3/с; полное давление 7200 Па; КПД = 75%.

- Электродвигатель А180М2 – 380В, 30 кВт, 2940 об/мин, КПД = 91,4%, класс энергоэффективности IE1.

- Преобразователь частоты VFD300CP43B-21 – 380В, 60А (47,8 кВА). Сертифицирован согласно стандарту ГОСТ IEC 61800-9-1-2023 с указанием потерь мощности в 8 опорных точках.

- Вспомогательное оборудование ПЧ: входной реактор YBACL-60A-EISA-0.234mH; высокочастотный ЭМС фильтр RFI4C65N16.

Программа заводских испытаний воздухонагревателя РГ 2000 предусматривает снятие индивидуальных расходных характеристик горелочного блока. Существующий испытательный стенд был адаптирован для определения удельного расхода электроэнергии на подачу первичного воздуха:

(1)

и определения КПД дутьевого комплекса:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Была предусмотрена возможность прямого подключения двигателя к сети 400В/50Гц для определения номинальных характеристик вентагрегата (V+M). Полученные значения eAS,ηAS использовались для сопоставления с энергетическими характеристиками дутьевого комплекса:

(8.1)

(8.2)

а также для определения КПД вентилятора при максимальной скорости вращения:

(9)

Здесь: E – входная (потребляемая) мощность, Вт; W – скорость вращения; e и λ – удельный расход электроэнергии, Дж/г и его относительное значение; H – выходная (полезная) мощность, Вт; h – напор (удельная работа вентилятора), Дж/г; η и æ – КПД и его относительное значение.

Верхние индексы: S – режим питания от сети 400В/50Гц; n – режим при частоте напряжения FM=50 Гц на выходе ПЧ.

Нижние индексы: a – атмосферный воздух; A – вентагрегат (V+M); D – преобразователь частоты; К – дутьевой комплекс (V+M+D); M – двигатель; V – вентилятор.

Параметры воздуха: GV – массовый расход, г/с; Ƥa – абсолютное давление перед вентилятором, Па; ƥV – полное (избыточное) давление после вентилятора, Па; Ta – температура перед вентилятором, K; Qa – подача, м3/с; ρa – плотность перед вентилятором, г/м3; βV – коэффициент учета сжимаемости в политропическом процессе (заранее неизвестный КПД вентилятора в формуле (6) уточняется простыми итерациями).

Испытания вентиляторов по ГОСТ 10921-2017 (Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний) предусматривают определение аэродинамической характеристики hV(Qa) при условно постоянной скорости вращения рабочего колеса. Регулирование подачи Qa в серии стандартных испытаний производится с помощью сменных дросселей, которые изменяют характеристику присоединенной к вентилятору сети.

Обработка результатов испытаний в числах подобия позволяет обобщить их в виде графиков безразмерных характеристик вентилятора. Последующая аппроксимация опытных данных приводит к уравнению подобия:

(10)

где критерии подобия процессов сжатия и перемещения (далее – процесс дутья) воздуха определяется как:

(11)

(12)

(13)

Здесь: φ – коэффициент подачи; ψ – коэффициент давления; WV – скорость вращения вентилятора, об/с; D = 0,63 м – диаметр колеса вентилятора, м; u – окружная скорость, м/с.

Полученное для определенной скорости вращения вентилятора уравнение подобия (10) можно применять при небольших отклонениях этого параметра от наблюдаемых в опыте значений. Для распространения (10) на расширенный до 1:10 диапазон изменения WV требуются дополнительные испытания и соответствующий метод обработки опытных данных.

Рассмотрим теперь частичные испытания по определению энергетических характеристик дутьевого комплекса. Они проводятся при условно постоянной характеристике присоединенной к вентилятору сети. Подача регулируется изменением частоты напряжения на выходе ПЧ. Такой порядок испытаний будем называть сопряженными, чтобы подчеркнуть его отличие от стандартного по ГОСТ 10921—2017.

Серия сопряженных испытаний состоит из сходных режимов с условно одинаковыми значениями коэффициентов (11), (12). Этим режимам должна соответствовать одна точка на графике безразмерной характеристики вентилятора (10). Разброс опытных точек может быть вызван как ошибками измерений, так и отклонениями параметров реального процесса от законов подобия вентиляторов.

Описанный ниже метод минимальных невязок (ММН) предназначен для предварительной обработки наблюдаемых параметров дутья:

(14)

здесь: нижним индексом j отмечены параметры, которые относятся к j-му сопряженному испытанию; J – число испытаний в серии.

Целью обработки является оценка степени соответствия массива опытных данных (14) законам подобия вентиляторов. Оценка основывается на аппроксимации табличных данных (14) формулами, конструкция которых отвечает законам подобия. Погрешность аппроксимации рассматривается как показатель «степени соответствия».

В качестве аппроксимирующих формул в методе ММН используется формулы пересчёта размерных аэродинамических характеристик геометрических подобных вентиляторов на другие скорости вращения. В качестве независимой безразмерной переменной принимается относительная подача:

(15)

Тогда:

(16)

(17)

где значком «тильда» отмечены значения аппроксимирующих функций.

Уравнения (15), (16), (17) определяют характеристический луч в пространстве состояний вентилятора. Этот луч лежит на характеристической поверхности, которая образована однопараметрическим семейством напорных характеристик вентилятора hV=hV(Qa) при WV = idem. Точка (hV*, Qa*, WV*) расположена на некоторой, заранее неизвестной, напорной характеристике hV*(Qa*), которая соответствует скорости вращения WV = WV*. Эту точку и эту характеристику будем называть опорными.

Координаты опорной точки (hV*, Qa*) в формулах (15), (17) подбираются по критерию наилучшего совпадения опытных и расчётных данных.

Определим относительные невязки аппроксимации (16), (17):

(18)

(19)

Для любого значения опорной скорости WV* квадратичная норма невязок (18) и (19) достигает минимума при следующих значениях варьируемых параметров:

(20)

(21)

где:

(22)

Показатели подобия сопряжённых режимов работы вентилятора можно определить следующим образом. Подобие скоростей (ω – подобие):

(23)

подобие напоров (h-подобие):

(24)

В дальнейшем будем считать, что опорная скорость вращения вентилятора равна

(25)

Тогда, без учёта небольшого скольжения двигателя, частота напряжения на выходе ПЧ будет равна

(26)

где FMS = 50 Гц – частота напряжения сети.

При заводских испытаниях воздухонагревателя РГ 2000, дутьевой комплекс соединяется с горелочным блоком с помощью сварного нагнетательного воздуховода, который оснащен датчиком ДРГ.М-10000 для измерения расхода воздуха. При определении энергетических характеристик дутьевого комплекса использовался этот же воздуховод, но горелочный блок заменялся сменными дросселями для регулирования коэффициента подачи (12).

Для целей настоящего исследования существующий испытательный стенд был дополнительно оснащен автоматизированной системой измерения и регистрации параметров воздушного дутья. Схема расположения точек измерения показана на рис.1. Состав средств измерения приведен в табл. 1. Все датчики опрашиваются с одинаковым интервалом 2 с. При дальнейшей математической обработке сигналов используется скользящее среднее по 30-ти точкам. Время выхода на стационарный режим принято равным 15 мин.

Рисунок 1 - Схема расположения точек измерения параметров дутьевого комплекса:

D – преобразователь частоты; M – двигатель; V – вентилятор

DOI:10.60797/IRJ.2025.152.43.1

Полезная мощность вентилятора (3) определяется по полному давлению. Этот параметр не поддается прямому измерению из-за закрутки и неоднородности потока после вентилятора, а также из-за неизбежных аэродинамических потерь в элементах стенда. Принятая в данной работе компоновка узла измерения давления вентилятора показана на рис. 2. После короткого диффузора создаваемая вентилятором струя ударяется в стенку тройника под углом 90 град. Точка отбора давления располагается по оси струи.

Рисунок 2 - Схема соединения вентилятора с воздуховодом испытательного стенда:

А - пирамидальный диффузор 1:1,8, угол 16°; В - отбор полного давления; С - гибкая вставка

DOI:10.60797/IRJ.2025.152.43.3

В этом случае измеряется избыточное давление торможения, которое отличается от создаваемого вентилятором полного давления на величину потерь в диффузоре:

(27)

где динамическое давление ƥVD определяется без учёта сжимаемости по среднерасходной скорости:

(28)

Здесь: f2=0,0476 м2 – площадь выхода из вентилятора; εV – коэффициент учёта сжимаемости, который вычисляется по формулам (16), (37) ГОСТ 10921-2017 (Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний); lV=0,32 – коэффициент сопротивления для пирамидального диффузора (рис. 2, узел А) с углом 16° и степенью диффузности 1:1,8 (см. п. 6.3.2.1,

Создаваемое вентилятором давление определяли по показаниям одного из трех датчиков (см. табл. 1) с подходящими пределами измерения. Относительная погрешность измерения этого параметра, изменяющегося в диапазоне 1:100, не превышает 2%.

Учитывая отсутствие противодавления, для управления вентилятором использовали экономичный закон частотного регулирования:

(29)

Таким образом, подаваемое на двигатель линейное напряжение изменялось от 13 до 380 В при изменении частоты от 5 до 50 Гц. Частота коммутации, которая также влияет на потери мощности в ЧРП, задавалась равной 6 кГц.

Представленные на рис. 3 энергетические характеристики дутьевого комплекса получены в серии из 12 испытаний при различной частоте напряжения на выходе ПЧ (FM = 5; 8,35; 10; 15; 20; 25; 30; 33,35; 35; 40; 45; 50 Гц) и условно постоянном коэффициенте расхода, близком к номинальному значению φ = 0,055. В процессе испытаний плотность воздуха перед вентилятором сохраняла почти постоянное значение ρa = 1,18±0,01 кг/м3. Требуемый коэффициент расхода поддерживался с помощью специально подобранной дроссельной шайбы, установленной на выходе из нагнетательного воздуховода. В табл.2 сопоставлены номинальные режимы дутьевого комплекса (V+M+D), когда Fм = 50 Гц, и вентагрегата (V+M), когда двигатель подключен к сети 400В/50Гц. Видно, что при номинальном режиме вентилятора, управление с помощью ЧРП приводит к росту удельного расхода электроэнергии на 3%.

Рисунок 3 - Энергетические характеристики дутьевого комплекса РГ 2000 при номинальном коэффициенте подачи = 0,055:

1 – относительный КПД комплекса, формула (8.1); 2 – относительный удельный расход электроэнергии на подачу первичного воздуха, формула (8.2)

DOI:10.60797/IRJ.2025.152.43.4

После обработки опытных данных получены следующие координаты опорной точки модели ММН (15), (16), (17): hV* = 6,57 Дж/г; Qa* = 1,69 м3/с; WV* = 50 об/с.

Показатели подобия (23), (24) исследованных режимов работы вентилятора близки единице. Подобие скоростей: Sω = 0,996, максимальная относительная невязка между моделью ММН и опытными данными не превышает 0,6% (см. рис. 4, а). Подобие напоров: Sh = 0,997, максимальная невязка не превышает 0,6% (см. рис. 4, б). Поэтому можно считать, что для всех исследованных режимов КПД вентилятора имеет одно и то же значение.

Рисунок 4 - Оценка степени соответствия опытных данных законам подобия вентиляторов:

а – относительная невязка аппроксимации скорости (18); б – относительная невязка аппроксимации напора (19)

DOI:10.60797/IRJ.2025.152.43.6

Исследуемый вентилятор имеет рабочее колесо с диаметром D = 0,63 > 0,5 м. При номинальной скорости вращения WX = 2920 об/мин, число Рейнольдса вентилятора равно 4,07∙ 106. На нижней границе рассматриваемого диапазона регулирования этот параметр равен Re = 4∙105, что больше, чем 2∙105. Значит, при изменении скорости вращения рабочего колеса в диапазоне 1:10 будут выполняться указанные в ГОСТ 10921-2017 условия подобия аэродинамических характеристик вентилятора.

По этой причине очень хорошее соответствие между моделью ММН и опытными данными для сопряженной серии испытаний является ожидаемым. Однако развитый в данной работе метод ММН дает количественную оценку соответствия измеряемых параметров дутья законам подобия вентиляторов. Кроме этого, метод ММН вносит необходимую однозначность в выборе опорной точки, через которую проходит характеристический луч (15), (16), (17). В конечном счете это позволяет отобразить результаты нескольких серий частичных испытаний на единую опорную характеристику вентилятора.

Как видно из табл. 2, при питании от сети рабочая точка двигателя имеет параметры: линейное напряжение UM = 400 В; синхронная частота FM = 50 Гц; коэффициент загрузки KM= 19,63∙0,914/30 = 0,6. В этой рабочей точке КПД двигателя приблизительно на 0,35% ниже номинального значения 0,914

Приняв ηMS = 0,91, находим по формуле (9) КПД вентилятора при номинальной скорости вращения и номинальной подаче:

(30)

Опытное значение КПД вентилятора на 3,7% меньше заявленного производителем номинального значения 75%, что укладывается в требования ГОСТ Р 58641—2019 (Вентиляторы радиальные общего назначения. Общие технические условия). В п. 6.1.6 этого стандарта указано, что отличие фактического КПД вентилятора от паспортного в меньшую сторону не должно превышать 4%.

Поскольку КПД вентилятора является условно постоянной величиной, то опытные значения относительного КПД дутьевого комплекса совпадают со значениями относительного КПД ЧРП. Проведённые стендовые испытания показали сильную зависимость этих КПД от глубины регулирования z = 1 / q (верхняя шкала на рис. 3). Для количественной оценки изменчивости КПД рассмотрим три характерных значения параметра z.

Значение z = 1 соответствует максимальной подаче. Частотное регулирование в этой точке приводит к дополнительным потерям энергии, которые составляют 2,9% от мощности, потребляемой дутьевым комплексом (см. табл. 2).

Значение z = 2,5 характерно для котлов, работающих на жидком и газообразном топливе. При такой глубине регулирования котлы должны обеспечивать заявленные изготовителем показатели энергоэффективности. Это требование ГОСТ 10617-83 (Котлы отопительные теплопроизводительностью от 0.1 до 3,15 МВт, п.2.6) является обязательным. КПД ЧРП при z = 2,5 составит лишь 81% от КПД электродвигателя, подключенного к сети 400В/50Гц. Другими словами, потери на управление тягодутьевыми машинами котлов при использовании ЧРП достигают 20% от потребляемой мощности.

Значение z = 6 характерно для тепловых энергоустановок с широким диапазоном регулирования теплопроизводительности. При такой глубине регулирования относительный КПД ЧРП падает до 30%, то есть на управление затрачивается 70% от потребляемой мощности.

При оценке энергетических характеристик электромеханических комплексов необходимо учитывать две составляющие энергоэффективности – технологическую эффективность (удельный расход электроэнергии) и эффективность преобразования энергии (КПД).

При снижении расхода первичного воздуха происходит быстрое (~q2) снижение аэродинамического сопротивления присоединенной к вентилятору сети. Технологические затраты мощности на перемещение воздуха падают ~q3, что влечет за собой снижение удельного расхода электроэнергии на дутье, как показано на рис. 3. Одновременно снижается эффективность преобразования энергии и падает КПД дутьевого комплекса. Эти два разнонаправленных процесса формируют общую энергоэффективность воздушного дутья при управлении с помощью ЧРП. Минимальный удельный расход электроэнергии 0,863 Дж/г достигается, когда подача q = 16% от номинального значения. В этой точке КПД ЧРП составляет лишь 30% от номинального значения. Таким образом, управление с помощью ЧРП обеспечивает экономию электроэнергии, но не обеспечивает эффективность преобразования энергии

Представлены методика, схема автоматизации и аппаратное обеспечение стендовых испытаний по определению индивидуальных энергетических характеристик дутьевого комплекса РГ 2000, состоящего из вентилятора, двигателя и преобразователя частоты.

Методика опробована в ходе заводских приемо-сдаточных испытаний. Установлена возможность достаточно точного измерения потребляемой ПЧ мощности с помощью традиционного счетчика электроэнергии.

Предложен расчетно-экспериментальный метод минимальных невязок (ММН) для количественной оценки соответствия измеряемых параметров дутья законам подобия вентиляторов. Метод позволяет отобразить опытные данные, полученные в серии частичных испытаний, в точку на общей опорной характеристике вентилятора.

В результате испытаний серийного образца получены значения КПД дутьевого комплекса и удельного расхода электроэнергии при изменении подачи и скорости вращения вентилятора диапазоне 1:10.

Показано, что при частотном регулировании потребление энергии при максимальной подаче становится больше, чем при прочих способах регулирования. Дополнительные потери составляют 2,9% от потребляемой мощности.

Установлено существенное влияние глубины регулирования на энергетические характеристики комплекса. При уменьшении подачи первичного воздуха происходит одновременное снижение общего КПД комплекса и удельного расхода электроэнергии на воздушное дутье. Удельный расход достигает минимума, когда подача и КПД комплекса снижаются соответственно до 16% и 30% от своих номинальных значений. Таким образом, управление дутьевым вентилятором с помощью ЧРП обеспечивает экономию электроэнергии, но не обеспечивает эффективность преобразования энергии