1. POHONY S VENTILÁTOROVOU CHARAKTERISTIKOU A ÚSPORY

1. POHONY S VENTILÁTOROVOU CHARAKTERISTIKOU A ÚSPORY ELEKTRICKÉ ENERGIE 1.1

Úvod

K nejþastČji se vyskytujícím pohonĤm patĜí pohony s ventilátorovou charakteristikou – tedy pohony ventilátorĤ, odstĜedivých þerpadel a turbokompresorĤ, pro které je charakteristická - kvadratická závislost momentu na otáþkách M a n2 a z ní vyplývající kubická závislost pĜíkonu pracovního mechanismu na otáþkách P a n3. Pracovní mechanismy s ventilátorovou charakteristikou vþetnČ jejich pohonĤ se zpravidla dimenzují podle maximálního množství dopravovaného pracovního média QMAX. V závislosti na technologických a dalších, souvisejících podmínkách, reálného pracovního režimu, ve vČtšinČ pĜípadĤ kolísá dopravované množství v závislosti na þase, mezi 60 až do 90 % maxima, na které je zaĜízení navrženo. Nejsou však výjimkou zaĜízení u kterých je požadavek na rozsah regulace v extrémním rozmezí 40 až 110 % jmenovitého dopravního množství. Pracovní bod zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou je daný prĤseþíkem jeho pracovní charakteristiky s odporovou charakteristikou navazujícího rozvodného zaĜízení (nejþastČji potrubního systému). Skuteþný pracovní bod lze ve fázi projektu stanovit výpoþtem jen pomČrnČ nepĜesnČ. Chyba, vyplývající zejména z nepĜesností pĜi stanovení odporové charakteristiky navazujícího rozvodného zaĜízení, se mĤže pohybovat až okolo 20 %. Regulace pĜedstavuje zmČnu polohy pracovního bodu a dosažení žádaných hodnot dopravovaného množství (prĤtoku)Q. Pro regulaci dopravovaného množství pracovního média Q na výstupu z pracovního mechanismu existuje obecnČ Ĝada možností. RĤzné zpĤsoby regulace mají pĜitom své specifické vlastnosti, charakteristickou energetickou nároþnost. Z historických dĤvodĤ patĜí k þastým Ĝešením pro dosažení požadovaného pracovního stavu použití tradiþních, energeticky nároþných zpĤsobĤ regulace. ObecnČ lze rozlišit dvČ základní skupiny zpĤsobĤ regulace množství dopravovaného média: -

regulaci zmČnou pracovní charakteristiky þerpadla - ventilátoru. Pak hovoĜíme o tzv. aerodynamické regulaci.

-

regulaci zmČnou odporové charakteristiky rozvodného (dopravního) systému, tj. regulace zmČnou jeho prĤchodnosti. Pak hovoĜíme o tzv. neaerodynamické regulaci.

Obr. 1 ýetnost výskytu jednotlivých typĤ pohonĤ.

Úspory elektrické energie.

1

1.2

Principy funkce zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou

1.2.1 Podstata principu funkce mechanické soustavy s ventilátorem Ventilátory patĜí spolu s þerpadly a pasovými dopravníky k nejþastČjším pracovním mechanismĤm. Používají se zejména: -

v energetice, k zesílení pĜirozeného tahu všech typĤ parních kotlĤ;

-

v klimatizaþních zaĜízeních;

-

v chladicích vČžích;

-

k odvČtrání rĤzných prĤmyslových prostor vþetnČ tunelĤ a podzemních parkovišĢ.

Pro vysvČtlení podstaty principu dopravy média ventilátorem je možné použít analogii s elektrickým obvodem. Vlastnosti zdroje i zátČže v elektrickém obvodu vyjadĜují jejich V - A charakteristiky. Aby obvodem o odporu R mohl protékat proud I, musí mít v daném obvodu zdroj napČtí U, které je rovné úbytku napČtí na odporu R pĜi prĤchodu proudu I obvodem. Pracovní bod je daný vzájemným prĤseþíkem V - A charakteristik zdroje a zátČže. Velikost prĤtoþného množství média dopravovaného ventilátorem - prĤtoku Q (ekvivalent I) vyplývá z velikosti tlakového pĜírĤstku 'p (ekvivalent U), který docílí ventilátor a který souþasnČ odpovídá tlakovému úbytku v rozvodném (potrubním) systému charakterizovaném jeho odporovou charakteristikou. Obr. 2 ukazuje souvislost mezi charakteristikou ventilátoru (a) a odporovou charakteristikou rozvodného (potrubního) systému (b).

Obr. 2 Regulace množství dopravovaného média ventilátorem škrcením resp. zmČnou otáþek ventilátoru. Charakteristika ventilátoru (a) znázorĖuje zvýšení tlaku ventilátorem 'p, odporová charakteristika systému (b) tlakový úbytek 'p v nČm. V obou pĜípadech v závislosti na dopravovaném množství Q. PrĤseþík A obou charakteristik, neovlivnČných žádnou regulací, je pĜirozeným pracovním bodem. V uvedeném pĜípadČ ventilátor dopraví Q=5 m3/s pĜi zvýšení tlaku 'p = 6400 Pa. Pro pochopení principu je dĤležité vidČt analogii napĜ. s V - A charakteristikou derivaþního dynama, která je ekvivalentem k 'p - Q charakteristice ventilátoru na stranČ jedné a V - A charakteristikou odporové zátČže, která je ekvivalentem k 'p - Q odporové charakteristice rozvodného (potrubního) systému na stranČ druhé. PĜesné stanovení pracovního bodu zaĜízení pĜedem, ve fázi projektu, výpoþtem, obvykle není možné, protože výpoþet odporové charakteristiky rozvodného systému obvykle obsahuje Ĝadu stupĖĤ volnosti a nepĜesností. Ve fázi projektu se proto vždy ventilátor pĜedimenzovává.


2

PĜesné nastavení požadovaného, dopravovaného množství - v Obr. 2 napĜ. Q = 4 m3/s je po uvedení zaĜízení do provozu pĜedmČtem regulaþního procesu. PĜíkon ventilátoru je definovaný výrazem:

P

Q 'p

K

103

>kW ; m

P

- pĜíkon ventilátoru [ kW ]

Q

- dopravované množství [ m3/s ]

3

/ s, Pa ,

@

'p - tlaková diference [ Pa ] - úþinnost ventilátoru [ - ]

Ș

1.2.2 Podstata principu funkce mechanické soustavy s odstĜedivým þerpadlem OdstĜedivá þerpadla slouží k dopravČ kapalin ve všech možných oblastech každodenního života napĜ: -

pĜi výrobČ a rozvodu vody;

-

v chemickém a petrochemickém prĤmyslu;

-

v energetice.

OdstĜedivá þerpadla a ventilátory pracují na stejném fyzikálním principu. Proto mají podobné pracovní charakteristiky. Na rozdíl od ventilátorĤ je u þerpadel zvykem, místo tlakového pĜírĤstku docíleného þerpadlem 'p a jeho úbytku v potrubním systému, udávat dopravní výšku þerpadla H pro kterou platí:

H H

'p U.g

>m ; Pa , kg / dm , m / s @ 3

2

- dopravní výška [ m ]

'p - tlaková diference (pĜírĤstek, ztráta) [ Pa ] ȡ

- mČrná hustota [ kg/dm3 ]

g

- gravitaþní zrychlení [ 9.81 m/s2 ]

Obr. 3 ukazuje typickou pracovní charakteristiku odstĜedivého þerpadla(a). Odporová charakteristika potrubí(b) vyjadĜuje ztrátu na dopravní výšce – úbytek tlaku v závislosti na prĤtoku. Ztráta se skládá ze dvou složek: -

statické, která respektuje geodetický výškový rozdíl, který se musí pĜekonat þerpáním a tlakové pomČry v þerpadle

-

dynamické, která respektuje ztráty proudČním

PrĤseþík odporové charakteristiky zaĜízení (b) s charakteristikou þerpadla (a) je pĜirozeným pracovním bodem þerpadla. V konkrétním pĜípadČ na obr. 3 mu odpovídá Q = 450 m3/s pĜi dopravní výšce H = 75 m. Pro výkon motoru pohánČjícího þerpadlo(= pĜíkon þerpadla) platí:

P

Q. H . U . g

Q . 'p

K

K

P

pĜíkon þerpadla [ kW ]

Q

dopravované množství [ m3/s ]

H

- dopravní výška [ m ]

ȡ

- mČrná hustota [ kg/dm3 ]

g

- gravitaþní zrychlení [ 9.81 m/s2 ]


103

>kW ; m

3

/ s, Pa ,

@

3

- úþinnost ventilátoru [ - ]

Ș

'p - tlaková diference (pĜírĤstek, ztráta) [ Pa ] PĜesné nastavení požadovaného, dopravovaného množství napĜ. Q = 375 m3/s je po uvedení zaĜízení do provozu pĜedmČtem regulaþního procesu nČkterým z dále popsaných zpĤsobĤ.

Obr. 3 Dopravní charakteristika þerpadla, odporová charakteristika potrubí a znázornČní variant regulace prĤtoku potrubím.

1.3

Principy regulace pohonĤ s ventilátorovou charakteristikou

1.3.1 Regulace zmČnou prĤchodnosti dopravního systému -

Regulace škrcením

Regulace škrcením v sání nebo ve výtlaku je nejobvyklejší formou regulace, která patĜí k energeticky nejnároþnČjším. Tento zpĤsob regulace je zároveĖ spojený se zvýšením hladiny hluku zpĤsobené proudČním dopravovaného média. Pozn: U ventilátorĤ se rozlišují jak axiální ventilátory, které mají úþinnost okolo cca 85 %, tak radiální ventilátory. U nich se rozlišují ventilátory s dopĜedu a dozadu zahnutými lopatkami viz. Obr. 10 prĤbČhy I a II. Ventilátory s dopĜedu zahnutými lopatkami mají úþinnost okolo cca 70 % a lze je regulovat pouze v rozmezí 55 - 100 % prĤtoþného množství a mohou se u nich vyskytnout problémy s docílením požadované hodnoty statického tlaku. Ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami mívají úþinnost okolo cca 85 % a lze je regulovat v podstatnČ širším regulaþním pásmu. Regulace škrcením se u ventilátorĤ nejþastČji užívá pro menší množství pracovního média. Výhody regulace škrcením: - malé náklady na regulaþní zaĜízení; - použití je výhodné pĜi provozu s pĜevážnČ maximálním provozním zatížením; - je vhodná v aplikacích s krátkou dobou provozu; - je vhodná u zaĜízení s plochou charakteristikou.


4

Nevýhody regulace škrcením: - pĜíliš vysoký nárĤst dopravního tlaku u strmých charakteristik, - špatná úþinnost zaĜízení pĜi dílþím zatížení, - nepatrná úspora výkonu pĜi dílþím zatížení, - nutnost použít škrticí armaturu, která je více mechanicky namáhaná, - nebezpeþí vzniku hluku(pĜi zvýšení dopravního tlaku).

Obr. 4 Dopravní a výkonová charakteristika zaĜízení (þerpadla) pĜi regulaci škrcením -

Regulace pomocí obtoku (bypassu)

Je nejþastČjší alternativou k regulaci škrcením, zejména u pohonu kompresorĤ. Nevyužité dopravované množství je nasávané na výtlaku z pracovního mechanismu a je vracené zpČt na jeho sání. PĜi regulaci obtokem pĜicházejí v úvahu dva rĤzné zpĤsoby regulace: -

regulace na konstantní tlak resp. dopravní výšku pĜi promČnné odporové charakteristice dopravního systému viz. Obr. 5. PĜedpokládá se, že hydraulický odpor dopravního systému se proti jmenovitému pracovnímu bodu mĤže vždy pouze jen zvČtšovat. Typickým pĜíkladem jsou rĤzné otopné soustavy, vodovodní sítČ, systémy pro rozvod tlakových médií. Tento zpĤsob regulace je analogický s regulací na konstantní napČtí.


5

-

regulace dopravovaného množství Q pĜi stálé (nemČnné) odporové charakteristice dopravního systému viz. Obr. 13. PĜedpokládá se, že prĤtok se bude vždy regulovat v rozmezí Q QMAX, kde QMAX je prĤtok v jmenovitém pracovním bodČ. Typickým pĜíkladem jsou rĤzné dálkové dopraví systémy. Tato regulace je analogická s regulací na konstantní proud.

Princip regulace je v obou pĜípadech stejný – z pohledu þerpadla se otevĜením obtoku vždy zmenší hydraulický odpor systému, který vede k posunutí okamžitého pracovního bodu þerpadla vždy smČrem do oblasti vyššího dopravního množství Q úmČrného stupni otevĜení obtoku tj.: -

pĜi regulaci na konstantní tlak viz. Obr. 5 zpČt do výchozího pracovního bodu;

-

pĜi regulaci prĤtoku viz. Obr. 13 do pracovního bodu ve kterém se docílí požadovaný prĤtok soustavou.

Výhody regulace obtokem: - v protikladu k regulaci škrcením pĜi þásteþném dopravním výkonu zaĜízení podle zpĤsobu regulace dopravní tlak zĤstává konstantní nebo mírnČ klesá; - vhodné použití tam, kde pĜevládá plný provoz a regulace se provádí v malém rozsahu. Nevýhody regulace obtokem: - vyšší poĜizovací náklady; - pĜi þásteþném dopravním výkonu, v závislosti na zpĤsobu regulace, elektrický pĜíkon zĤstává konstantní nebo mírnČ roste; - zĤstává stále pĜebytek dopravního tlaku (výšky), - energeticky nehospodárná regulace prĤtoku.


6

Obr. 5 Dopravní a výkonová charakteristika zaĜízení (þerpadla) pĜi regulaci obtokem na konstantní dopravní výšku (tlak).

1.3.2 Aerodynamické regulace - Regulace zmČnou otáþek Regulace množství dopravovaného média, zmČnou rychlosti otáþení zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou, pĜedstavuje energeticky nejménČ nároþné Ĝešení. VysvČtlení vyplývá z tzv. ventilátorového zákonu, který lze formulovat slovy: PrĤtoþné množství dopravovaného média je pĜímo úmČrné rychlosti otáþení pracovního mechanismu, tlak (dopravní výška) je úmČrná druhé mocninČ rychlosti otáþení pracovního mechanismu a pĜíkon pracovního mechanismu je pĜímo úmČrný tĜetí mocninČ jeho rychlosti otáþení. V systému, kde tlak je úmČrný druhé mocninČ množství, navíc zĤstává úþinnost zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou pĜi všech rychlostech konstantní a zároveĖ výraznČ klesá hladina hluku. Odlišnost v energetické nároþnosti regulace zmČnou prĤchodnosti dopravního systému proti aerodynamické regulace zmČnou otáþek vyplývá ze základního a zásadního rozdílu v podstatČ fyzikálního principu, jakým zpĤsobem se regulace provádí: Regulace zmČnou prĤchodnosti dopravního systému. Základem regulaþního principu je zmČna odporové charakteristiky rozvodného systému - viz.Obr. 6. Regulace zmČnou otáþek. Základem regulaþního principu je zmČna otáþek zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou, spojená s odpovídajícím posunem pracovních charakteristik – viz.Obr. 6.


7

Obr. 6 Srovnání fyzikálních principĤ regulace škrcením a zmČnou otáþek na pracovních charakteristikách zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou. Naprostá vČtšina zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou je navržena vždy tak, aby jmenovitý (návrhový) pracovní bod mČl resp. byl v místČ maximální úþinnosti daného pracovního mechanismu. Neaerodynamickými zpĤsoby regulace, jak vyplývá s ventilátorového zákonu, se naopak docílí, že pracovní bod se obvykle posune do místa s horší úþinností. Aerodynamickým zpĤsobem regulace se naopak docílí, že úþinnost zaĜízení zĤstane konstantní – optimální (nejvyšší) resp. se proti jmenovitému pracovnímu bodu nezmČní, nebo se zmČní jen minimálnČ – viz.Obr. 13. Regulací otáþek velkých zaĜízení lze docílit podstatných úspor elektrické energie. ýím technologický proces vyžaduje hlubší a déle trvající regulaci množství média, je aerodynamický zpĤsob regulace ekonomicky efektivnČjší, protože množství elektrické energie odebírané pohonem zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou ze sítČ není navýšené o ztráty vznikající pĜi regulaþním procesu pomocí pĜídavných, pasivních komponent. ZmČnu otáþek lze technicky uskuteþnit rĤznou formou. Ze zpĤsobu provedení vyplývají praktická i technická omezení pro jednotlivé varianty regulace a energetická nároþnost. ObecnČ však lze prohlásit, že pouze regulace zmČnou rychlosti otáþení motoru docílená zmČnou kmitoþtu jeho napájecího napČtí pĜedstavuje optimální Ĝešení, jak z hlediska potĜeb a kvality regulaþního procesu, tak z hlediska provozních nákladĤ. JedinČ tento typ regulace reaguje na zmČnu výstupního výkonu odpovídající zmČnou spotĜeby energie Obr. 10.


8

Obr. 7 Dopravní a výkonová charakteristika zaĜízení (þerpadla) pĜi regulaci zmČnou otáþek

Obr. 8 Provoz pĜi zmČnách odporové charakteristiky potrubní sítČ.


9

Výhody regulace zmČnou otáþek: - zabránČní vzniku pĜebytku tlaku; - výkonovČ úsporný chod; - zaĜízení je schopné se pružnČ reagovat na zmČny odporové charakteristiky soustavy v dĤsledku provozních zmČn viz. Obr. 8; - minimalizace opotĜebení celého technologického zaĜízení; - redukce hydraulické odezvy; - snížení hladiny hluku. Nevýhody regulace zmČnou otáþek: - vyšší poĜizovací náklady. Technické možnosti realizace regulace zmČnou otáþek -- Regulace otáþek hydraulickou nebo skluzovou spojkou Použití obou druhĤ spojek je sice energeticky výhodnČjší než regulace škrcením, ale velké množství energie se pĜitom maĜí ve spojce. Ztrátová energie, která se musí ze spojky odvést, odpovídá ploše vymezené prĤbČhy V a VII v Obr. 10. V souþasné dobČ je tento zpĤsob Ĝešení regulace morálnČ i technicky zastaralý. PĜi uvažované dobČ životnosti frekvenþního mČniþe cca 20 let je toto Ĝešení vzhledem k podstatnČ vyšším provozním nákladĤm (regenerace olejové náplnČ spojky, chlazení) než u frekvenþního mČniþe ekonomicky ménČ výhodné. Ekonomicky ho má smysl používat pouze pĜi regulaci v rozmezí 90 ÷ 100 % otáþek, tj. 90 ÷ 100 % dopravovaného množství. -- Regulace otáþek zmČnou napájecího napČtí Regulace otáþek zmČnou napájecího napČtí pomocí fázového spínaþe je na první pohled ekonomicky lákavá, vzhledem k cenové relaci mezi frekvenþním mČniþem a fázovým spínaþem. Tento zpĤsob Ĝízení ale vyžaduje pro tento zpĤsob regulace speciálnČ navržený asynchronní motor se zvláštním prĤbČhem momentové charakteristiky a s vysokou tepelnou kapacitou. Motor musí být minimálnČ o jednu typovou velikost vČtší než pĜi jiném zpĤsobu regulace. Vyplývá to z energetické nároþnosti tohoto zpĤsobu regulace, která je pĜibližnČ stejná jako u pĜedchozího zpĤsobu regulace. Motor proto musí být tepelnČ dimenzovaný na odvod ztrátové energie, jejíž množství pĜibližnČ odpovídá rozdílu prĤbČhĤ V a VII v Obr. 10 a která se u hydraulické spojky odvádí chladicí vodou. Vzhledem k trvalému chodu fázového spínaþe, musí být na nČj spínaþ také dimenzován a souþasnČ musí být doplnČn filtrem pro eliminaci energetického rušení, jehož vznik vyplývá z principu jeho funkce. Kvalita regulaþního procesu je zároveĖ ĜádovČ nižší než u frekvenþního mČniþe. Všechny tyto okolnosti, které tento zpĤsob regulace provázejí a prodražují, vedou k tomu, že se v praxi pro vyšší výkony (10 kW a více) tento zpĤsob regulace vĤbec nepoužívá. -- Regulace otáþek zmČnou kmitoþtu pomocí frekvenþního mČniþe Regulace množství dopravovaného média zmČnou rychlosti otáþení motoru pohánČjícího zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou zmČnou kmitoþtu napájecího napČtí frekvenþním mČniþem pĜedstavuje optimální, energeticky nejménČ nároþné Ĝešení, protože není zatížené výraznými ztrátami v regulaþním þlenu jako u pĜedchozích zpĤsobĤ. ObecnČ lze konstatovat, že pouze regulace rychlosti motoru pohánČjícího zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou zmČnou kmitoþtu jeho napájecího napČtí dovoluje optimální návrh technologického zaĜízení jak z hlediska potĜeb a kvality regulaþního procesu, tak z hlediska provozních nákladĤ. PĜi obvyklé šíĜce regulaþního pásma 50 ÷ 60 % je vždy úþinnost frekvenþního mČniþe vČtší jak 97%. Úþinnost motoru závisí na jeho velikosti (výkonu). Její prĤbČh je však vždy pĜíznivČjší než pĜi promČnném zatížení a konstantních otáþkách viz. Obr. 9. JedinČ tento typ regulace reaguje na zmČnu výstupního výkonu odpovídající zmČnou spotĜeby energie.


10

100

Úþinnost [ % ]

95

90

85 promČnné otáþky 80

konstantní otáþky

75 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Výkon [ kW ] Obr. 9 Srovnání prĤbČhu úþinnosti motoru pohánČjícího zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou pĜi stejném zatížení bez regulace otáþek a s regulací otáþek

PĜíkon P [ % ]

neregulovaný pohon jeden pracovní bod Q= 100 %, P= 100 % 100

I. regulace škrcením, dozadu zahnuté lopatky

80

II. regulace škrcením, dopĜedu zahnuté lopatky

60

III. regulace pomocí rozvádČcího ústrojí

40

IV. regulace pomocí rozvádČcího ústrojí a dvouotáþkového motoru V. regulace zmČnou otáþek hydraulickou spojkou

20

0 0

20

40

60

80

100

VI. regulace natáþením lopatek

Q [ %]

VII. regulace zmČnou

Obr. 10 Závislost pĜíkonu motoru zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou pĜi konstantním prĤtoþném množství na rĤzných zpĤsobech regulace velikosti prĤtoku Úspory elektrické energie.

11

Další varianty aerodynamické regulace používané u ventilátorĤ: - Regulace množství vstupního vzduchu rozvádČcími lopatkami pĜedĜazenými pĜed obČžným kolem radiálního ventilátoru Tento zpĤsob regulace využívá rozvádČcí lopatky pĜedĜazené pĜed obČžným kolem, kterými se vzduch vstupující do ventilátoru uvádí do rotace a zároveĖ se omezuje jeho množství natáþením tČchto lopatek. Tím, že se vzduch uvede do rotaþního pohybu, se snižuje energetická úþinnost tohoto procesu a zvyšuje hladinu hluku. Energetická nároþnost tohoto zpĤsobu regulace je v každém pĜípadČ menší než u regulace škrcením a pĜípadnČ ji lze ještČ snížit použitím dvouotáþkového motoru. Tento zpĤsob regulace se nejþastČji užívá pro stĜední množství pracovního média (viz.Obr. 10, prĤbČhy III a IV). - Regulace natáþením lopatek ventilátoru Regulace natáþením lopatek je úþinná v širokém rozmezí požadovaného prĤtoku dopravovaného média. Používá se pouze u axiálních ventilátorĤ. Energeticky je tento zpĤsob ještČ pĜíznivČjší než zpĤsoby pĜedchozí (viz. Obr. 10, prĤbČh VI). Požadavkem je, že ventilátor musí být pro tento zpĤsob regulace konstruovaný. Natáþení lopatek je obvykle možné i za chodu ventilátoru. Tento zpĤsob regulace se používá pro velká množství dopravovaného pracovního média.

1.4

PĜínos regulace otáþek pohonĤ zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou pomocí frekvenþního mČniþe

-

Optimální úþinnost pohonu v celém regulaþním pásmu.

-

Podle hloubky a þetnosti potĜeb regulace ve sledovaném období mĤže úspora elektrické energie dosáhnout až 60 %.

-

PĜi postupném uvádČní technologického zaĜízení s pracovním mechanismem do provozu v návaznosti na zprovozĖování celku, kde je zaĜízení nasazeno, pracuje pohon vždy s minimální spotĜebou elektrické energie. Úþinnost frekvenþního mČniþe je obvykle vyšší než 98 %.

-

Možnost napájení a souþasného Ĝízení více motorĤ z jednoho frekvenþního mČniþe s napČĢovým meziobvodem.

-

U frekvenþních mČniþĤ s napČĢovým meziobvodem odpadá kompenzace jalového výkonu, pracují trvale s úþiníkem cos M ~ 1.

-

Ve frekvenþním mČniþi je podle jeho provedení (výrobce) integrovaná Ĝada ochran – napĜ. nadproudová, zkratová, proti zemnímu spojení, …

-

Nemusí být aplikované dosavadní regulaþní elementy. Skladba poĜizovacích nákladĤ je jiná.

-

Jednoduchá aplikace v zaĜízení - rychlejší montáž než u dosud používaných klasických zpĤsobĤ regulace.

-

RozbČh zaĜízení je plynulý s minimálními mechanickými rázy - životnost pĜevodĤ a ložisek je vČtší.

-

Proud pĜi rozbČhu pohonu nepĜesáhne jmenovitý proud motoru. Motor je trvale zatČžován nižším proudem než pĜi jiném zpĤsobu regulace.

-

Trvalý chod motoru i pracovního mechanismu pĜi nižších než jmenovitých otáþkách má pĜíznivý dopad na životnost mechanických þástí.

-

PĜi obnovení napČtí po krátkodobém výpadku napájení dojde k plynulému obnovení chodu bez nutného zastavení ventilátoru. Regulátor mČniþe vychází z okamžitých otáþek pohonu.

-

S klesajícími otáþkami klesá významnČ hluk ventilátoru i motoru.

-

Výborné regulaþní vlastnosti - vysoká pĜesnost a libovolnČ nastavitelná dynamika pĜechodného dČje umožĖují novou kvalitu regulaþních procesĤ a jejich optimalizaci.

-

Typické provozní režimy mohou být pĜedem nastaveny.

-

Pohon mĤže být jednoduše a spolehlivČ Ĝízený po sbČrnici nadĜazeným Ĝídícím systémem.

-

Frekvenþní mČniþe obvykle umožĖují chod s využitím vlastního, integrovaného PID regulátoru, který je založen na vyhodnocování zpČtnovazebního signálu z podtlakového þidla.


12

1.5

Faktory limitující použití pohonĤ s frekvenþními mČniþi

Technicky dokonalé, ideální Ĝešení v praxi neexistuje. Obvykle je omezeno okrajovými podmínkami. StejnČ tak je tomu i u pohonĤ zaĜízení s ventilátorovou charakteristikou u kterých se poþítá s využitím regulace založené na principu zmČny otáþek. Pokud zaĜízení není pĜímo konstruováno pro chod s promČnnými otáþkami, tj. zejména pĜi rekonstrukcích, je tĜeba nejprve u výrobce provČĜit, zda zaĜízení v tomto režimu mĤže pracovat a bude splĖovat od nČho oþekávané provozní vlastnosti. Zejména je tĜeba uvážit: -

vhodnost ventilátorové charakteristiky zaĜízení pro otáþkovou regulaci,

-

nebezpeþí existence rezonanþních pásem v rozmezí 0 – 3 000 ot/min. Tento problém se obvykle Ĝeší zablokováním urþitého otáþkového pásma pĜímo ve frekvenþním mČniþi.

-

u pohonĤ vyšších výkonĤ je tĜeba vždy Ĝešit zpČtné pĤsobení frekvenþního mČniþe na napájecí síĢ, tzv. energetické rušení ve spoleþném napájecím bodČ. Nelze opomenout, že ke stejnému efektu energetického rušení jako u jednoho pohonu vyššího výkonu, dojde pĜi souþasném paralelním chodu nČkolika pohonĤ o menším výkonu, jejichž souþet výkonĤ má stejnou hodnotu.


13

1.6

PĜíklady aplikací – reálný pohled na rĤzné zpĤsoby regulace

1.6.1 Ventilátor Souhrn: Množství média dopravovaného ventilátorem je na stranČ jedné urþené tlakovým pĜírĤstkem docíleným ventilátorem, na stranČ druhé tlakovým úbytkem v dopravním systému. Obojí v závislosti na dopravovaném množství média Q. Grafickým vyjádĜením – souhrnem obojího jsou 'p – Q charakteristiky ventilátoru a dopravního systému. Pracovním bodem je stav, ve kterém dojde k rovnováze mezi obČma 'p – tedy prĤseþík obou charakteristik. Na rozdíl od 'p – Q charakteristiky, která je obvykle ve fázi projektu známá, lze odporovou charakteristiku potrubního systému stanovit jen nepĜesnČ. Proto je vždy ventilátor o 10÷20 % pĜedimenzovaný. To má nepĜíjemný dĤsledek – po uvedení do provozu ventilátor dodává s vČtší Q než je tĜeba. Nastavení potĜebného Q na hodnoty splĖující technologické a jiné požadavky se provede nČkterým z dĜíve uvedených zpĤsobĤ regulace. PĜíklad: V Obr. 11 jsou znázornČné 'p – Q charakteristiky ventilátoru a rozvodného systému. Bod A pĜedstavuje pĜirozený pracovní bod, kterému odpovídá dopravované množství Q = 5 m3/s pĜi 'p = 6400 Pa. Požaduje se zmČna prĤtoku z 5 na 4 m3/s. Úkolem je provést porovnání energetické nároþnosti regulace škrcením a regulace zmČnou otáþek. Regulace škrcením Je nejjednodušším zpĤsobem regulace a patĜí k nejobvyklejším. K regulaci slouží škrticí klapka, která je zabudovaná do potrubního systému. Jejím pĜivíráním se zvČtšuje hydraulický odpor potrubí vyjádĜený odporovou charakteristikou, která se pĜi škrcení napĜimuje. Nové poloze škrticí klapky odpovídá nová charakteristika (b1). 'p – Q charakteristika ventilátoru (a) se nemČní, zĤstane stejná. Nový pracovní bod B, který odpovídá množství Q = 4 m3/s, je urþený vzájemným prĤseþíkem charakteristik (b1) a (a) pĜi hodnotČ 'p = 7260 Pa. Aby ventilátor dopravil požadované množství Q musí vyvinout tlak 'p = 7260 Pa proti pĤvodnímu 'p = 6400 Pa. V novém pracovním bodČ B bude ventilátor pracovat s novou úþinností. Výkon motoru (= pĜíkon ventilátoru) v pracovním bodČ B pĜi úþinnosti ventilátoru KV = 80 %:

P

Q . 'p

K

.103

4 . 7260 3 .10 0.80

36,3 [ kW ]

Obr. 11 Grafické znázornČní regulace Q dopravovaného ventilátorem škrcením a zmČnou otáþek, vþetnČ zmČn souvisejícího pĜíkonu ventilátoru. Úspory elektrické energie.

14

Regulace zmČnou otáþek Regulace zmČnou otáþek znamená novou 'p – Q charakteristiku ventilátoru. Odpor charakteristiky vzduchovodu (b) se nezmČní. Nová 'p – Q charakteristika pĜi regulaci otáþek, snižováním z jmenovitých otáþek bude vždy ležet pod výchozí jmenovitou 'p – Q charakteristikou. V daném pĜípadČ nižším otáþkám odpovídá nová charakteristika (a1), která se protíná s odporovou charakteristikou potrubí (b) v novém pracovním bodČ C ('p = 4100 Pa, Q= 4 m3/s). PĜi nové úþinnosti ventilátoru KV = 76 % je pĜíkon ventilátoru v novém pracovním bodČ C:

P

Q . 'p

K

.103

4 . 4100 3 .10 0.76

21,6 [ kW ]

Porovnání obou zpĤsobĤ regulace Regulace zmČnou otáþek je pĜirozená aerodynamická bezztrátová regulace, jejímž výsledkem je nová

'p – Q charakteristika spojená pouze s malým zhoršením úþinnosti ventilátoru v novém pracovním bodČ

C. Úþinnost ventilátoru se mČní podle stejných zákonitostí jako u odstĜedivého þerpadla viz. Obr. 13. Toto zhoršení je však vykompenzované výrazným poklesem 'p, který je pro velikost pĜíkonu ventilátoru daleko dĤležitČjší. PĜi regulaci škrcením vzniká na škrticí klapce tlaková ztráta (úbytek), jejíž velikost urþuje poloha pracovních bodĤ B a C.

'pB 'pC

7260 4100

3160 Pa

PĜíkon 14.7 kW, který odpovídá tomuto rozdílu viz. Obr. 11, reprezentuje ztrátu na škrticí klapce pĜi regulaci škrcením a mČní se na teplo, které ohĜívá dopravované médium. PĜi porovnání obou zpĤsobĤ regulace si je tĜeba uvČdomit, že pĜi menším rozsahu regulace se pĜi škrcení mĤže úþinnost ventilátoru v závislosti na poloze pracovního bodu zpoþátku zlepšovat a být paradoxnČ lepší než pĜi regulaci zmČnou otáþek viz. Obr. 12. Tento poznatek se nesmí nikdy vnímat izolovanČ, protože z hlediska velikosti potĜebného pĜíkonu ventilátoru, jak již bylo uvedeno, je daleko významnČjší výrazný pokles 'p pĜi regulací zmČnou otáþek.

Obr. 12 Úþinnost ventilátoru v jednotlivých pracovních bodech pĜi regulaci škrcením resp. zmČnou otáþek ventilátoru. Úspory elektrické energie.

15

1.6.2 OdstĜedivé þerpadlo Souhrn: OdstĜedivá þerpadla a ventilátory pracují na stejném fyzikálním principu. Proto mají podobné pracovní charakteristiky. Na rozdíl od ventilátorĤ je u þerpadel zvykem, místo tlakového pĜírĤstku docíleného þerpadlem a jeho úbytku v potrubním systému, udávat dopravní výšku þerpadla H. Odporová charakteristika potrubí(b) vyjadĜuje ztrátu na dopravní výšce – úbytek tlaku v závislosti na prĤtoku. Ztráta na dopravní výšce se skládá ze dvou složek: -

statické, která respektuje geodetický výškový rozdíl, který se musí pĜekonat þerpáním a tlakové pomČry v þerpadle;

-

dynamické, která respektuje ztráty proudČním.

Pracovním bodem je vždy stav, ve kterém je dopravní výška þerpadla H rovná ztrátČ na dopravní výšce potrubního systému – tedy prĤseþík obou charakteristik. Na rozdíl od H – Q charakteristiky þerpadla, která je obvykle ve fázi projektu známá, lze odporovou charakteristiku potrubního systému stanovit opČt jen nepĜesnČ. Proto je vždy þerpadlo stejnČ jako ventilátor o 10÷20 % pĜedimenzované. To má nepĜíznivý dĤsledek – po uvedení do provozu je tĜeba docílit požadovaný prĤtok Q nČkterým z dĜíve uvedených zpĤsobĤ regulace. PĜíklad: V Obr. 13 jsou znázornČné H – Q charakteristiky þerpadla a potrubního systému. Bod A prĤseþík odporové charakteristiky potrubí (b) s charakteristikou þerpadla (a) je pĜirozeným pracovním bodem þerpadla. V konkrétním pĜípadČ na Obr. 13 mu odpovídá Q = 450 m3/h pĜi dopravní výšce H = 75 m. PĜíkon þerpadla v pĜirozeném pracovním bodČ A je 123 kW. Požaduje se zmČna prĤtoku na Q = 375 m3/h. Úkolem je provést srovnání energetické nároþnosti regulace škrcením, regulace pomocí obtoku (bypassu) a regulace zmČnou otáþek. V Obr. 13 je zároveĖ znázornČné jak se mČní úþinnost þerpadla.v závislosti na poloze pracovního bodu.

Obr. 13 Grafické znázornČní regulace Q dopravovaného þerpadlem škrcením, obtokem a zmČnou otáþek. Regulace škrcením Je klasickým zpĤsobem regulace a patĜí k nejobvyklejším. K regulaci slouží škrticí klapka, která musí být zabudovaná do potrubí. Jejím pĜivíráním se zvČtšuje hydraulický odpor potrubí vyjádĜený odporovou charakteristikou. Každé nové poloze škrticí klapky odpovídá nová odporová charakteristika potrubního systému. H – Q charakteristika þerpadla se nezmČní, zĤstane stejná. Novému pracovnímu bodu B, který odpovídá prĤtoku Q = 375 m3/h odpovídá odporová charakteristika (b1) jejíž prĤseþík s charakteristikou


16

þerpadla definuje nový pracovní bod B. Výkon motoru (= pĜíkon þerpadla) v pracovním bodČ B pĜi úþinnosti þerpadla Ký = 78%:

P

Q. H . U . g 3600 . K

375 . 85 . 1 . 9.81 111 [ kW ] 3600 . 0,78

Regulace obtokem PĜi regulaci obtokem (pomocí bypassu) se þást množství þerpaného þerpadlem odebírá na výtlaku pomocí regulaþní armatury a pĜivádí se zpČt do sání þerpadla Tato þást prĤtoku se þerpá bez užitku dokola – (proto obtok). Obtok se projeví snížením hydraulického odporu systému, prĤbČh odporové charakteristiky se z b zmČní na b2. H – Q charakteristika þerpadla se nezmČní, zĤstane stejná. Nový pracovní bod þerpadla je definovaný prĤseþíkem charakteristiky b2 s pracovní charakteristikou þerpadla (a) – bod C, kterému pĜi úþinnosti þerpadla Ký = 67% odpovídá pĜíkon þerpadla:

P

Q. H . U . g 3600 . K

520 . 61 . 1 . 9.81 129 [ kW ] 3600 . 0.67

Regulace zmČnou otáþek Regulací zmČnou otáþek získáme novou H – Q charakteristiku þerpadla. Odpor charakteristiky potrubí se nezmČní. Nová H – Q charakteristika pĜi regulaci otáþek snižováním z jmenovitých otáþek bude vždy ležet pod výchozí, jmenovitou H – Q charakteristikou. V daném pĜípadČ nižším otáþkám odpovídá nová charakteristika a1, která se protíná s odporovou charakteristikou potrubí b v novém pracovním bodČ D (H= 61 m, Q= 375 m3/s). PĜi úþinnosti þerpadla Ký = 72% je pĜíkon þerpadla:

P

Q. H . U . g 3600 . K

375 . 61 . 1 . 9.81 87 [ kW ] 3600 . 0.72

Srovnání jednotlivých zpĤsobĤ regulace Regulace zmČnou otáþek je aerodynamická, bezztrátová regulace. S požadavkem na snížení prĤtoku Q, klesá i dopravní výška H. PĜi regulaci škrcením vzniká stejnČ jako u ventilátoru na škrticí klapce tlaková ztráta, které odpovídá rozdíl v dopravní výšce mezi body B - D tj. 'H = 24 m. PĜi regulaci obtokem se þerpá zbyteþnČ þást dopravovaného média 'Q, která se bez užitku vrací zpČt na sání þerpadla. Toto množství je definované rozdílem v prĤtoku mezi pracovními body D – C: 'Q= 520- 375 = 145 m3/s. Dopravní výška H pĜitom klesne na hodnotu shodnou s regulací otáþek. ZpĤsob regulace

Q

H

Ký

P

'P

W

'W

[ m3/h ]

[m]

[%]

[ kW ]

[ kW ]

[ kWh ]

[ kWh ]

Bez regulace

450

75

75

123

0

984 000

288 000

Škrcením

375

85

78

111

24

888 000

192 000

Obtokem

520

61

67

129

42

1 032 000

336 000

Otáþkami

375

61

72

87

-

696 000

0

Tab. 1 Souhrn charakteristických veliþin pĜi rĤzných zpĤsobech regulace odstĜedivého þerpadla. Poþet provozních hodin - 8000 h/rok. Ztráty které vznikají pĜi regulaci škrcením resp. obtokem jsou v obou pĜípadech odvádČné þerpaným médiem, které ohĜívají. Velikost vyvolaného oteplení:

'P . t

m . c . '- Q . t . c . '-


17

'1.7

'P Q.c ZatČžovací diagram

Výchozím pĜedpokladem pro posuzování efektivnosti chodu pohonu vþetnČ navazujícího pracovního mechanismu a zvoleného zpĤsobu regulace je stanovení reálného zatČžovacího diagramu vycházejícího ze skuteþnosti. ZatČžovací diagram je obecnČ závislost þetnosti jednotlivých typických provozních stavĤ zatížení, vyjádĜená napĜ. poþtem provozních hodin na výkonu daného zaĜízení. ZatČžovací diagram mĤže mít rĤznou formu. NutnČ to nemusí být závislost poþtu provozních hodin na výkonu motoru. Zejména pokud posuzujeme efektivnost rĤzných systémĤ regulace, je správné, aby zatČžovací diagram tvoĜila závislost poþtu provozních hodin na jiné fyzikální veliþinČ než je výkon. Z ní se teprve výkon motoru urþí výpoþtem v závislosti na použitém zpĤsobu regulace této fyzikální veliþiny. Takový zatČžovací diagram je dokonce lepší, protože umožĖuje odvodit z nČj pro srovnání jednotlivé zatČžovací diagramy pro rĤzné zpĤsoby regulace. ýím je pĜi sestavování zatČžovacího diagramu zvolený þasový interval (poþet provozních hodin) delší, tím má úvaha o efektivnosti zvoleného zpĤsobu regulace založená na zatČžovacím diagramu daného zaĜízení lepší vypovídací hodnotu. Pozor - obecnČ však platí, že vhodnou volbou zatČžovacího diagramu, která nevychází z objektivní skuteþnosti, lze dokázat prakticky cokoliv.


18

ýetnost provozu fluidního kotle pĜi rĤzných výkonech 50 45 40 35

ýetnost [ % ]

30 1997

25

1998 výhled

20 15 10 5 0 40

60

80 Výkon kotle [ % ]

90

100

Obr. 14: ZatČžovací diagram fluidního kotle Jako konkrétní pĜíklad Obr. 14 je uveden zatČžovací diagram prĤmČrného vytížení fluidního kotle, který byl stanovený zprĤmČrĖováním známých diagramĤ za delší þasové období. Konkrétnímu parnímu výkonu kotle (100 % = 350 t/h) vždy odpovídá pĜesnČ definované dopravované množství spalin (prĤtok) a jemu výkon motoru (= pĜíkon ventilátoru). Energetická nároþnost pĜi porovnávání rĤzných zpĤsobĤ regulace je definovaná výrazem: n

¦ P .t

W

i i

i 1

kde je: Pi

- výkonová hladina v zatČžovacím diagramu

ti

- poþet provozních hodin s pĜíkonem Pi podle zatČžovacího diagramu


19

2. LITERATURA Drehzahlverstellung von Asynchronmaschinen, Schörner J, Seifert D., Technische Schriften 4, Loher AG Drehstrommaschienen für drehzahlverstellbare Antriebe, Technische Liste UN 03 de Dimenzování obČhových þerpadel, pĜíruþka pro projektanty, KSB Interní materiály firem ELCOM a.s., Loher GmbH a ABB


20

1. POHONY S VENTILÁTOROVOU CHARAKTERISTIKOU A ÚSPORY

Recommend Documents