12 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.

Рассчитаем экономию потребляемой электроэнергии при использовании системы ПЧ-АД по сравнению с регулированием производительности насосной станции при помощи задвижки. При расчетах примем, что за годовой период производства слябовых заготовок, по требованию заказчика необходимо было производить одни и те же слябы, для которых необходимый объем воды для охлаждения слябов Q=300м³/ч, что соответствует нагрузочной диаграмме представленной рисунке 3.7 и зададимся количеством рабочих дней равным 252 дня, что соответствует количеству рабочих дней в 2013г.

Количество потребляемой электроэнергии в системе ПЧ-АД определяется по формуле [6]:

(12.1)

где

P_т/м(Q) - потребляемая мощность турбомеханизма, определяемая как [6]:

(12.2)

- коэффициент, принимаемый для насосов=0,08-0,15. Т.к. у нас насос относительно небольшой мощности, то принимаем=0,08;

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. Принимаем ƞ_ПЧ=0,96.

КПД двигателя при частичной загрузке будем находить из графика зависимости КПД от коэффициента загрузки. Т.к. график загрузки для нашего двигателя 5А160М4 найти в общедоступной литературе невозможно, то в наших учебных целях будем использовать график загрузки для аналогичного по мощности двигателя 4А160М4У3, что не составит больших погрешностей в расчета и допустимо в наших учебных целях. Из [8] возьмем данные зависимости КПД от коэффициента загрузки.

По таблице 12.5 нанесем точки на ось и произведем их аппроксимацию.

Таблица 12.1 - Зависимость КПД от коэффициента загрузки для двигателя 4А160М4У3

Рисунок 12.1- График зависимости КПД коэффициента загрузки двигателя

Коэффициент загрузки определяется по формуле:

(12.4)

Произведем расчет потребляемой мощности основной насосной установкой, работающей в номинальном режиме:

Потери основного двигателя в данном случае будут равны номинальным.

т.к. основная насосная установка работает напрямую от сети.

Потребляемая мощность основной насосной установкой:

Произведем расчет потребляемой мощности вспомогательной насосной установкой, с расходом Q=100м³/ч.

Потребляемая мощность насосом:

Как рассчитывалось ранее в п. 3.5, вспомогательная насосная установка работает с рабочим моментом М_р2=23,06Н·м. Определим коэффициент загрузки:

откуда из рисунка 12.1 следует, что ƞ_АД2≈0,8.

Потери вспомогательного двигателя:

Потери в преобразователе частоты:

Потребляемая мощность вспомогательной насосной установкой:

Потребляемая мощность насосной станции:

(12.5)

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 3.2).

Потребляемая мощность основной насосной установкой будет такой же, как и при регулировании системы при помощи ПЧ, т.к. основная насосная установка в обоих случаях работает напрямую от сети в номинальном режиме.

Рассчитаем потребляемую мощность вспомогательной насосной установкой:

По рисунку 3.2 определяем потребляемую мощность насосом при расходе Q=100м³/ч:

Определим потребляемую мощность вспомогательной насосной установкой:

Потребляемая мощность насосной станцией:

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 [25].

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 (в нашем случае это программируемое логическое реле), 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 [26]:

Стоимость программируемого логического реле равна [27]:

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

Тогда срок окупаемости модернизации насосной установки машины непрерывного литья заготовок, 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 [14]:

(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 [14]:

(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 [14]:

(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 вращения 1500об/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:

чел·ч.

Для преобразователя частоты годовая трудоемкость капитальных ремонтов составит:

чел·ч.

Годовая трудоемкость текущих ремонтов для асинхронного электродвигателя составляет:

чел·ч.

Годовая трудоемкость текущих ремонтов для преобразователя частоты составляет:

чел·ч.

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

чел·ч,

чел·ч.

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.

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)

Таблица 12.2 - Сравнение выполненного расчета трудоемкости ремонта и технического обслуживания

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, равный 0,15 (согласно рекомендациям ЮНИДО);

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 охлаждения машины непрерывного литья заготовок:

(12.21)