Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Regulované pohony s měniči frekvence mají v porovnání s tradičním uspořádáním pohonů mnoho předností, díky nimž se nezadržitelně prosazují v praxi. Článek informuje o úspěšně realizovaném projektu modernizace pohonu čerpadel splavovací vody v úseku odsíření elektrárny a jeho přínosech.
Společnost Tespo engineering s. r. o. dodává komplety pohonářské techniky způsobem „na klíč“. Pro své zákazníky nejenže připravuje v tomto oboru studie, návrhy a projekty, ale své projekty také realizuje a zajišťuje i následnou diagnostiku a servis zařízení. Navrhuje a dodává jak mechanické části pohonů (elektromotory, převodovky, spojky a další mechanické komponenty), tak části elektrické a elektronické (měniče frekvence, systémy řízení technologických procesů, elektrické rozváděče atd).
V letošním roce společnost vyřešila pro firmu Elektrárny Opatovice a. s. zajímavou úlohu s názvem Řízení a regulace výkonu čerpadel splavovací vody v technologii odsíření pomocí měničů frekvence. Cílem bylo nahradit dosavadní energeticky neefektivní a velmi poruchový (velké náklady na údržbu a opravy) systém regulace výkonu čerpadel pomocí elektricky ovládaného škrticího ventilu systémem regulace výkonu čerpadel prostřednictvím měničů frekvence.
Řízené technologické zařízení
Celkový pohled na část provozního zařízení elektrárny, která byla v daném případě předmětem zájmu, je ukázán na obr. 1. Příslušné základní technologické schéma ukazuje obr. 2. Čerpadla Č1A a Č2A jsou určena pro větvě 1 a 2 míchacího centra odsíření. Čerpadla Č1B a Č2B, o kterých bude v dalším textu řeč, jsou čerpadla odseparované vody. Čerpadla Č1C a Č2C zaskakují v případě poruchy jak čerpadel ČA, tak čerpadel ČB.
Odseparovaná voda, jež obsahuje částice popela a strusky, je čerpadly ČB čerpána do prostor kotelny (vždy pracují současně čerpadla Č1B i Č2B). Zde je použita k doplňování hladiny vody ve vynašečích strusky pod jednotlivými kotly a také k ostřiku choulostivých částí vynašečů, na které se struska nalepuje. Množství odseparované vody dodávané z míchacího centra do kotelny bylo původně regulováno pomocí elektricky ovládaného regulačního ventilu na základě údaje průtokoměru. Vzhledem k tomu, že přepravovaná voda obsahuje abrazivní částice popela a strusky, bylo nutné regulační ventil několikrát ročně nákladně opravovat. Navíc je tento způsob regulace energeticky velmi nehospodárný.
Regulace výkonu čerpadel při použití měničů frekvence
S ohledem na uvedené potíže s dosavadním systémem regulace byl zákazníkem přijat návrh použít k regulaci výkonu čerpadel odseparované vody měniče frekvence. Při realizaci návrhu bylo nutné vyřešit dva ne zcela obvyklé technické problémy. Jeden se týkal umístění měničů frekvence a druhý způsobu regulace výkonu čerpadel.
Umístění měničů frekvence
Čerpací stanice obou technologických větví se nachází ve venkovním prostředí, mimo budovu, ve které je strojovna, rozvodna elektřiny a velín. K zamezení šíření elektromagnetického rušení (jehož vydatným zdrojem je zejména silový kabel mezi měničem frekvence a elektromotorem) bylo rozhodnuto umístit měniče frekvence do venkovního prostředí do blízkosti čerpadel. Délka silového kabelu mezi měniči a elektromotory čerpadel je řádově jednotky metrů (obr. 3). Při takto krátkém kabelu je intenzita elektromagnetického rušení minimální. Použity jsou měniče frekvence od firmy Vonsch, typ Uniferm 400 075//IP55. Jde o novou generaci měničů frekvence s moderními výkonovými prvky, které oproti dosud běžně používaným prvkům vykazují asi poloviční ztráty. K dosažení vysokého stupně krytí IP55 mají použité měniče zdokonalenou konstrukci využívající k chlazení přímo okolní vzduch, bez instalace jakýchkoliv filtrů (chladicí část měniče je oddělena od výkonové a řídicí elektroniky – obr. 5).
Způsob regulace výkonu
Výchozím údajem při regulaci výkonu čerpadel (jejich otáček) je údaj průtokoměru, který měří množství vody dodávané do kotelny. Požadovaná hodnota průtoku závisí např. také na tom, kolik kotlů je zrovna v provozu. Dále musí mít operátor možnost udržovat v nádržích větví 1 a 2 míchacího centra přibližně stejnou hladinu. Zde již vstupují do regulačního procesu i drobné nesrovnalosti hydraulického systému, jako např. míra opotřebení čerpadel Č1B a Č2B či malé rozdíly v potrubním systému obou čerpadel. Tento problém je vyřešen tím způsobem, že operátorům je umožněno čerpadla trochu „rozvážit“ v rozmezí ±5 % aktuálních otáček. Rozvážení mohou operátoři nastavit ručně, podle potřeby a zkušeností.
Základní regulace
Základní regulace výkonu čerpadel probíhá v daném případě tak, že obě čerpadla pracují na stejných otáčkách. Tímto se zamezí jejich „přetlačování“ v hydraulickém systému a riziku, že jedno čerpadlo tlakově uzavře a nepustí do systému čerpadlo druhé (mohou být zničeny ucpávky a následně mechanicky poškozena čerpadla). Operátor má dále možnost použít ruční „rozvážení“ v mezích ±5 % otáček, což je pro provoz dvou čerpadel v hydraulickém systému bezpečné.
Energetická náročnost systému s regulačním ventilem a systému regulace pomocí měničů frekvence
Na obr. 4 je ukázána přibližná Q-H charakteristika (závislost dopravní výšky H na průtoku Q) spolupracujících čerpadel při různých otáčkách a přibližná zatěžovací charakteristika hydraulického systému. Hydraulický systém se totiž chová poněkud jinak, než si představoval dodavatel odsiřovacího zařízení, a není proto relevantním způsobem popsán. Uvedené charakteristiky byly získány z údajů nashromážděných při zaměřování a následném uvádění čerpací stanice do provozu. Zatěžovací charakteristika hydraulického systému je také zjednodušena. Při změně otáček (průtoku a tlaku) se mění i zatěžovací charakteristika. Pro názornost a jednoduchost je uvažována křivka podle obr. 4.
Podle počtu kotlů, které jsou v provozu, se z míchacího centra dopravu je asi 400 až 600 m3/h vody. Při paralelním provozu při jmenovitých otáčkách a při zcela otevřeném regulačním ventilu jsou obě čerpadla společně schopna dodávat do kotelny asi 660 m3/h vody.
Příkon absorbovaný čerpadlem (výkon elektromotoru) lze určit podle vztahu
Pabs = (kHQSg)/η (1)
kde
Pabsje příkon absorbovaný čerpadlem (kW),
H dopravní výška (m. v. s., tj. metr vodního sloupce),
Q průtok (m3/h)
Sgspecifická hmotnost přepravované směsi (–), v daném případě Sg = 1,1,
η účinnost čerpadla (–),
k konstanta umožňující určit výkon v kilowattech při zadání průtoku v krychlových metrech za hodinu, zde k = 1/360.
Vztah (1) lze použít k základnímu porovnání energetické náročnosti systému se škrticím regulačním ventilem a systému pro regulaci výkonu (otáček) čerpadel s použitím měničů frekvence. Výsledky výpočtu pro jedno soustrojí motor-čerpadlo jsou uvedeny v tab. 1. Celkové množství odseparované vody dodávané do kotelny je přitom pro jednoduchost rozloženo rovným dílem na obě čerpadla.
Z výsledků uvedených v tab. 1 je patrné, že systém s měniči frekvence uspoří v porovnání se systémem se škrticím regulačním ventilem při Q = 600 m3/h asi 18 kW·h, při Q = 500 m3/h a Q = 400m3/h asi 30 kW·h elektrické energie a u jednoho čerpadla za hodinu. Pro provoz celé čerpací stanice, tedy dvou čerpadel, se vše násobí dvěma. Zavedení měničů frekvence tudíž nejenom spoří náklady na údržbu systému dopravy odseparované vody, ale také významně spoří elektrickou energii.
Závěr
Z úvah a výsledků výpočtů předložených v článku je zřejmé, že přechodem na moderní, energeticky efektivní metody řízení chodu čerpadel lze uspořit značné množství elektrické energie. Autor je názoru, že by bylo vhodnější podporovat použití moderní techniky tohoto druhu všude, kde to připadá v úvahu, než nesmyslně dotovat neefektivní a nehezké monstrózní stavby solárních elektráren, které začaly hyzdit dokonce i úrodná pole a louky Moravy.
Ing. Radek Strnad,
Obr. 1. Pohled na míchací centrum odsíření, v němž byl modernizován způsob řízení čerpadel
Obr. 2. Zjednodušené technologické schéma úseku čerpadel míchacího centra odsíření
Obr. 3. Měniče frekvence jsou z důvodu minimalizace elektromagnetického rušení umístěny ve venkovním prostředí v bezprostředním sousedství čerpadel
Obr. 4. Q-H charakteristiky jednoho čerpadla a zjednodušená zatěžovací charakteristika hydraulického systému (m. v. s. – metr vodního sloupce) H (m. v. s.)
Obr. 5. Použité měniče frekvence Vonsch Uniferm 400 075/IP55 mají zdokonalenou konstrukci využívající k chlazení přímo okolní vzduch
Tab. 1. Výkon absorbovaný jedním čerpadlem v závislosti na způsobu regulace průtoku a pracovním režimu čerpadla