Согласно утвержденной «Энергетической стратегии ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» до окончания срока необходимо снизить удельный расход электроэнергии на эксплуатационные нужды на 20–25 %. Один из путей достижения данной цели – применение в системах тепло и водоснабжения насосных агрегатов, укомплектованных электродвигателем с частотнорегулируемым преобразователем, общесетевая потребность в которых оценивается в 3 500 штук [1].

Опыт эксплуатации такого оборудования показал, что снижение потребления электроэнергии может достигать до 45 % [2]. Одновременно с этим применение частотнорегулируемого преобразователя позволяет получить ряд других преимуществ [3], а именно:

устранение гидравлического удара при плавном пуске, что предотвращает аварийные ситуации в трубопроводах;

принцип. возможность дистанционного управления одного или более агрегатов по заданной программе;

снижение нагрузки на электросеть при пуске двигателя, что продлевает срок эксплуатации не только сети, но и привода;

увеличенное количество функций защиты от перегрева двигателя, от «сухого хода», от пуска двигателя с заклиненным ротором, от пониженного или повышенного напряжения и т. д.

Широко известен опыт эксплуатации частотнорегулируемого преобразователя с асинхронным двигателем как у нас в стране [2–4], так и за рубежом [5]. Альтернативой асинхронному двигателю с преобразователем частоты может стать реактивный индукторный двигатель, который можно охарактеризовать следующим образом:

статор и ротор набраны из листовой электротехнической стали. Полюсызубцы отштампованы заодно со «спинкой железа», что обеспечивает высокую механическую прочность;

на полюсах статора установлены катушки, объединенные в несколько фаз, поочередно переключаемые электронными ключами;

ротор не имеет обмоток и «беличьего» колеса, что создает облегченные температурные условия работы подшипников, обусловленные мизерными потерями электроэнергии на нагрев ротора, и увеличивает КПД привода.

Принцип образования вращающего момента у реактивного индукторного двигателя схож с шаговым электродвигателем, но электропитание, электромагнитные циклы и энергетические показатели существенно отличаются.

Для оценки возможности применения реактивного индукторного электропривода в составе насосного агрегата для систем тепло и водоснабжения в стационарном хозяйстве железнодорожного транспорта на насосной станции подкачки (ст. Николаевка) МосковскоРязанского отделения Московской железной дороги были проведены испытания электропривода ЭПИ 7,5/3 (производства «НПО ”Спецэлектропривод”»). В его состав входит собственно реактивный индукторный электродвигатель и блок управления. Для определения максимальной нагрузки проводились предварительные исследования режима работы насосной станции и установленного на ней оборудования, которые показали, что наибольший водоразбор характерен для летних месяцев работы. Было выявлено, что пиковый расход воды (август 2004 года) составил 97 м3/ч при разнице выходного и входного давлений (Нвых.ср. Нвх.ср.) 18 м вод. ст., а максимальная мощность, потребляемая на клеммах электродвигателя, составила 7,2 кВт. В течение испытаний наблюдались значительные колебания как по подаче воды, так и по энергопотреблению ( .

Данные параметры штатно реализовывались асинхронным двигателем марки 4 АМ мощностью 15 кВт с постоянной частотой вращения вала 2 940 об/мин. В связи с значительными колебаниями величин расхода воды, обусловленного технологическими условиями потребления, эксплуатация насосной станции требует многократного, в течение рабочей смены, регулирования параметра выходного давления, которое осуществляется обслуживающим персоналом посредством ручного управления выходной задвижкой, расположенной примерно в 500 м от рабочего места оператора.

С учетом полученных данных для испытаний был предложен индукторный электродвигатель ЭПИ 7,5/3 мощностью 7,5 кВт, позволяющий при увеличении числа оборотов вращения вала до 3 500 об/мин развивать мощность до 11 кВт.

Испытания проводились в два этапа: первый – исследование работы насоса К95/50 с регулируемым индукторным электроприводом, второй – исследование работы этого же насоса со штатным асинхронным электродвигателем.

Основные параметры, характеризующие режим работы насосной станции – значение величины подачи воды и перепад давлений м. всасывающим и напорным коллекторами.

Проведенные испытания показали, что замена ручного регулирования расхода воды задвижками системой управления на основе реактивного индукторного двигателя дает значительную экономию (примерно 50 %) как по количеству потребляемой станцией подкачки электроэнергии, так и по объему перекачиваемой насосным агрегатом воды ( 2, . Следует дополнительно учитывать такие факторы, как уменьшение нагрузки на гидравлическую систему, и снижение эксплуатационных расходов, которые обусловлены тем, что в системах водоснабжения потребление воды в течение суток значительно изменяется, достигая максимума в утренние и дневные часы и минимума в ночное время. На эти колебания накладывается непостоянство давления в городской сети. Все это приводит к значительному изменению требуемого напора и подачи насоса. При применении в системе насосного агрегата с постоянной частотой вращения избыточный напор насоса, возникающий при минимальном потреблении воды и максимальном давлении в городской сети, приводит к перерасходу электроэнергии и повышенному давлению в трубопроводах, приводящему к увеличению утечек воды, а в некоторых случаях и к прорыву трубопровода.

В качестве основных показателей эфф. работы насосного агрегата приняты удельные затраты электроэнергии при подаче воды (eсредн) и k полезного действия (КПД). Эти показатели зависят от режима работы насосного агрегата, т. е. от величины подачи насоса и перепада давлений на входе и выходе насоса.

В табл. 1 приведены сравнительные данные по затратам электроэнергии и коэффициента полезного действия насосного агрегата при его работе с регулируемым индукторным и штатным асинхронным приводом.

Также можно отметить, что удельные энергозатраты дросселируемого насосного агрегата с асинхронным приводом выше более чем в 2 раза по сравнению с работой насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом. При одинаковом перепаде входного и выходного давления среднесуточная подача воды насосного агрегата со штатным асинхронным приводом значительно превышает подачу воды насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом. Это объясняется тем, что для поддержания необходимого давления требуется практически 50 % перепуска воды. За период проведения испытаний величина суточного расхода воды, фиксируемая обслуживающим персоналом по штатному расходомеру, была практически одинакова (900 м3). Очевидно, что при близком по величине расходе воды удельные энергозатраты штатного асинхронного привода будут так же выше.

Ранее проводились аналогичные испытания на предприятиях Мосводоканала [6]. Сравнение результатов, полученных на объектах Мосводоканала и насосной станции Николаевка, показало, что они практически одинаковы. Например, для насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом удельные энергозатраты составили 0,0956 кВт•ч/м3 и 0,09 кВт•ч/м3, а для насосного агрегата с дросселируемым асинхронным приводом – 0,185 кВт•ч/м3 и 0,19 кВт•ч/м Удельные энергозатраты насосного агрегата с регулируемым асинхронным приводом равны 0,112 кВт•ч/м3, что на 20 % больше, чем энергозатраты насосного агрегата с регулируемым индукторным приводом.

Техникоэкономические показатели при применении в составе насосного агрегата частотнорегулируемого асинхронного привода и регулируемого индукторного привода по сравнению с работой дросселируемого насосного агрегата с нерегулируемым асинхронным приводом приведены в табл. Принято, что среднесуточный расход воды, перекачиваемый насосным агрегатом, Vсут = 55 м3/ч и тариф на электроэнергию – 1,08 руб/кВт•ч.

Выводы
Результаты испытаний показали, что при замене штатного асинхронного электродвигателя в составе насосного агрегата на регулируемый индукторный электропривод удельные затраты электроэнергии снижаются в 2,1 раза. При этом исключаются потери энергии холостого хода на 30%, которые характерны для асинхронных электродвигателей, и непродуктивный перепуск воды.

Выходное давление воды поддерживается автоматически в заданных пределах, что значительно облегчает работу обслуживающего персонала и уменьшает риск повреждения сетей.

Расчет экономической эфф. рассматриваемых результатов демонстрирует, что затраты при оборудовании систем водоснабжения регулируемым электроприводом окупаются во всех рассматриваемых случаях в течение 1–2 лет. При этом срок окупаемости при установке отдельно частотного преобразователя для асинхронного двигателя и регулируемого индукторного двигателя практически одинаков (1,16 и 1,2 года). но с учетом изношенности оборудования в стационарном хозяйстве железнодорожного транспорта при полной замене электропривода предпочтительней является применение регулируемого индукторного привода (с учетом более высокой надежности индукторного двигателя).

Литература
Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года. Утв. 01.10.2004 года // ОАО «Российские железные дороги». М., 2004.

Марков В. Ю. Практическая оценка эфф. применения частотнорегулируемого электропривода // Промышленная энергетика. 200 № С. 20–22.

Хусаинов Р. М. Мягкие пускатели: что будем экономить // Энергосбережение. 200 № С. 54–56.

Вербук М. И. Энергосбережение в научном центре РАН в Черноголовке // Энергосбережение. 200 № С. 56–59.

Семенов В. Г. Теплоснабжение городов: Пекин – Дрезден – Таллин // Новости теплоснабжения. 200 № С. 47–54.

Поршнев В. Н., Новикова Л. В. Мероприятия по энергосбережению и снижению потерь воды в системах городского водоснабжения // Энергосбережение. 200 № С. 12–16.