Экономия энергии в судовых вспомогательных механизмах

Практическое занятие №1

Керчь 2009

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ НА СУДАХ

Методические указания к практическим занятиям студентов

специальности 7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Составитель: Попов В.В., ст. преподаватель кафедры «Судовых энергетических

установок» Керченского государственного морского технологического университета, судовой механик 3 разряда

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры СЭУ КГМТУ Горбенко А.Н.;

Данная методическая разработка рассмотрена и одобрена на заседании кафедры СЭУ КГМТУ

Протокол № 3 от 16.10.2009 г.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к утверждению на заседании методической комиссии морского факультета КГМТУ

Протокол № 5 от 17.03.2010 г.

Методические указания утверждены на заседании Методического совета КГМТУ

Протокол № 3 от 30.06.2010 г.

© Керченский государственный морской технологический университет

ВВЕДЕНИЕ

В условиях дефицита топливно-энергетических ресурсов и постоянного повышения их стоимости проблема рационального использования энергии является одной из важнейших для Украины, определяющих ее благосостояния, политическую и экономическую независимость. Один из путей решения этой проблемы состоит в повышении экономичности судовых энергетических установок, которые производят все виды энергии, необходимые для нормальной работы судна.

Повышение эффективности топливосжигания на судах достигается повышением коэффициента полезного действия (КПД) отдельных элементов (тепловых двигателей, вспомогательного оборудования, электрогенераторов, электродвигателей, систем и т.п.), путем улучшения их констукции и применения более совершенных тепловых схем, рационального выбора режимов эксплуатации.

На морском флоте осуществляются широкая программа работ по решению проблемы энергосбережения. Особое внимание уделяется совершенствованию технической эксплуатации судов в аспекте повышения экономичности их энергетической установки, оснащению глубокой утилизации теплоты вторичных энергоресурсов (ВЭР).

Хорошее усвоение программы дисциплины является необходимым условием формирования инженера-судомеханика.

1. Цель занятия:

Изучить способы экономии энергии в судовых вспомогательных механизмах.

2. Перечень необходимых документов, оборудования:

1. Плакаты

2. Методическое пособие

3. Содержание работы:

Большинство судовых да и береговых установок в качестве привода имеют электродвигатель Поэтому рассматривать вопрос экономии электроэнергии необходимо в комплексе с установкой.

Холодильное oбopудoвaниe

Холодильное оборудование потребляет большую часть ЭЭ в различных отраслях промышленности и на судах. Большинство холодильных установок работает на основе стандартного цикла испарения – компрессии.

Рис. 1.1.

1 - компрессор, 2 – конденсатор, 3 - расширительный клапан, 4 - испаритель, 5 - насос или вентилятор для охлаждения конденсатора, 6 - насос или вентилятор для холодной стороны.

Для экономии ЭЭ прежде всего надо уменьшить потери холода:

— при передаче:

— на вентиляцию или пропускание воздуха;

— на внутренние источники тепла (освещение, вентиляторы, насосы. устройство размораживания, люди и механизмы в холодильной камере);

— в распределительной системе (плохо изолированные трубы);

— уменьшение времени, в течение которого открыты двери или люки;

— важно избегать работы при частичной загрузке, при 50% производительности теряется около 20% энергии.

Лучше включать и выключать компрессор.

— на загрязненных форсунках испарителя;

— за счет плохой термоизоляции камер.

Пример

Люк 2*3 м, tвн = -30оC, tнар= -10 оC, открыт Т=4 часа в сутки. Если уменьшить до Т = 2 часа в сутки, то экономия энергии 200 кВт*2 часа = 400 кВт*час./ сутки. Желательно автоматическое закрывание и открывание дверей в холодильных камерах.

Рис. 1.2.

В настоящее время практически все вспомогательные механизмы электрифицированы. Кроме экономии в расходе топлива, электропривод вспомогательных механизмов обеспечивает большую готовность к действию и возможность дистанционного управления и автоматического пуска механизмов в зависимости от режима работы установки.

Электропривод должен обеспечить:

1. Надежность действия и простоту обслуживания.

2. Легкость пуска.

3. Возможность дистанционного управления и автоматический пуск двигателя в зависимости от режима работы установки.

4 Высокую экономичность работы при нормальном режиме и при регулировании.

5. Легкость регулирования.

Вспомогательные электромеханизмы обычно состоят из приводного электродвигателя и исполнительного механизма (насос, вентилятор и т.д.). В свою очередь исполнительный механизм связан с сетью трубопроводов или воздухопроводов, арматурой и резервуарами.

Работа исполнительного механизма и приводного электродвигателя в значительной степени определяется характером и назначением судовых систем.

Вентиляционные системы потребляют значительную часть от общего потребления электроэнергии на предприятии.

Они обычно являются элементами технологических установок и средством обеспечения производственных помещениях необходимых санитарно-гигиенических условий. В то же время эти системы оказывают значительное влияние на потребление энергии системами охлаждения или отопления.

Потребление энергии работающими вентиляторами просто оценить исходя из времени их наработки. Однако общее потребление энергии с учетом нагрева воздушного потока будет, значительно, большим. Например: постоянно действующая вентиляция при потоке 1 кг/с (3000м3 ч.) потребляет 20000 кВт. час/год, а если учесть нагрев воздуха в холодные дни, то общее потребление будет 100000 кВт. час/год.

Какие же меры надо предпринимать для экономии электроэнергии?

- необходимо определить требуемую нагрузку. Очень часто системы вентиляции работают с избыточной производительностью.

- уменьшить потери за счет переходных "камер" на дверях.

- уменьшения утечки из воздуховодов, отключение вентиляторов в ночное время и в перерывы.

- управлять производительностью в зависимости от времени суток с помощью простого часового механизма или таймера, и с учетом температуры наружного воздуха.

- очень эффективно, можно управлять производительностью вентиляторов путем изменения частоты их вращения. Уменьшение оборотов и соответственно производительности в 2 раза уменьшает потребляемую мощность в 8 раз. Q = п Н =п~ Р = О • Н = п

Изменить обороты можно изменением передаточного числа ременного привода или электрически:

- для постоянного тока т =; изменением тока возбуждения или индивидуальным снижением напряжения с помощью управляемого полупроводникового прибора.

для переменного тока n= Применяя электродвигатели многополюсные, или с индивидуальным полупроводниковым преобразователем частоты, а также за счёт изменения S.

Необходимо периодически очищать вентиляционные каналы, чтобы уменьшить их сопротивление Нг.

Насосы

Насосы - это устройства, которые имеются в составе большинства систем передачи различных жидкостей. Неправильное управление насосами или их долгая работа в холостую существенно увеличивает потребление ЭЭ. Необходимо изучать нагрузку насоса и его временной график на протяжении дня, недели, года. Часто системы эксплуатируются либо с чрезмерной производительностью, либо долго работают недогруженными. Необходимо предусмотреть ручное, а лучше автоматическое регулирование производительности. Эффективнее всего это делать оборотами.

При этом потребляемая энергия: W= /

Исключите потери давления в системах, из-за трения (шероховатая поверхность, малый диаметр труб). Потери из-за трения жидкости в трубах можно уменьшить на 75% при увеличении диаметра трубы на 50%. Заборные патрубки делайте как можно короче с минимальным количеством соединений и изгибов и при необходимости увеличьте их диаметр. В системах водоснабжения целесообразна установка накопителя воды на высоте требуемого напора с устройством автоматического отключения насоса при заполнении накопителя водой.

Регулирование частоты вращения

Скорость вращения электродвигателя при постоянном токе можно регулировать: изменением последовательного или параллельного сопротивления в цепи якоря, изменением тока в цепи возбуждения, напряжением.

Скорость вращения электродвигателя переменного тока можно регулировать изменением сопротивления в цепи фазового ротора или статора, частоты питания, напряжения и переключением числа пар полюсов.

Регулирование скорости изменением сопротивления обеспечивает получение двигателя с наименьшими размерами весом, т.к. номинальные скорости двигателя и механизма равны Регулирование скорости производится снижением её по отношению к номинальной. Но при этом возрастает вес аппаратуры управления и сопротивлений, но определяющим является вес двигателя. Возникают также потери на сопротивлениях но они не пропорциональны снижению оборотов, а меньше, т.к. момент двигателя снижается пропорционально квадрату скорости, а мощность – кубу. Соответственно снижается и потребляемый ток.

Рис. 1.3.

На кривой видно соотношение между скоростью и потребляемым током. Если снизить обороты до 0,5 то ток уменьшится до 0,381. Сопротивление реостата определяется

Регулирование оборотов двигателей постоянного тока изменением тока возбуждения сводится к повышению скорости по отношению к номинальной Мощность двигателя выбирают по максимальной скорости. Номинальные же обороты выбирают по низшей скорости механизма, с тем чтобы ее можно было повышать. В результате возрастают габариты и вес двигателя. Поэтому при выборе двигателя, надо прикидывать, какой вариант выгоднее.

Регулирование скорости АД выгоднее всего частотой, т к. двигатель будет работать с оптимальными показателями. Но при этом нужен специальный преобразователь частоты.

Регулирование скорости АД применением многоскоростных двигателей возможно в том случае, когда оно ограничено двумя или тремя ступенями Потери при данном способе отсутствуют, т.к. мощность двигателя на низших скоростях значительно меньше номинальной. Вес двухскоростного двигателя возрастает по сравнению с односкоростным незначительно. Этот способ наиболее приемлем в судовых условиях.

Регулирование скорости двигателей переменного тока с помощью управляемого дросселя насыщения, включаемого в цепь статора.

Изменение величины тока подмагничивания, составляющего 3-5% величины переменного тока, можно в широких пределах изменять индуктивность дросселя. Такой способ регулирования целесообразно применять, когда необходимо регулировать скорость в малых пределах, т к. в этом варианте двигатель должен выбираться с высоким пусковым и максимальным моментом Потери при регулировании не велики, но добавляется вес дросселя.

Способы регулирования производительности насосов и вентиляторов.

Регулировать производительность насоса или вентилятора - это значить приспособить его к режиму работы системы. У насосов это может быть достигнуто дросселированием со стороны нагнетания и всасывания, обратным перепуском жидкости изменением скорости вращения двигателя изменением хода поршня, параллельным или последовательным соединением насосов.

У вентиляторов - заслонкой, регулированием скорости двигателя, последовательным или параллельным соединением.

На судах в основном применяют дросселирование нагнетания, как наиболее простой метод и не самый экономный. Регулирование осуществляется прикрытием задвижки в напорном трубопроводе или воздухопроводе. Сопротивление задвижки. Таким образом когда искусственно увеличивается сопротивление трубопровода, напор, воспринимаемый насосом возрастает, и производительность его уменьшается. Если напор системы имеет большую статическую составляющую, то потери, связанные с дросселированием нагнетания относительно невелики.

У центробежного насоса с жесткой характеристикой регулирования производительности задвижкой будет более экономичным чем в случае круто падающей характеристики.

Если насос работает с прикрытой задвижкой, потеря мощности при регулировании может достигать более 70%.

Регулирование производительности изменением скорости вращения - более экономичный способ, чем применение заслонки Рям =, но надо смотреть характеристики. Располагая характеристиками насоса при номинальной скорости, а также характеристикой тpубопровода можно построить, характеристику Рг=для переменного числа оборотов. По этим кривым увидим, что потребляемая мощность значительно меньше мощности, чем при регулировании задвижкой и примерно равна. При этом надо учитывать,. что КПД электродвигателя на частичных нагрузках становится хуже.

Регулирование скорости и вопросы устойчивости

Для обеспечения непрерывной подачи жидкости, т.е. устойчивой работы системы необходимо чтобы напор, развиваемый насосом, равнялся сопротивлению системы.

Рис.1.4.

Для определения рабочей точки насоса необходимо наложить кривую Н = f(О) системы (3) на кривую = насоса (1и2). Работа насоса происходит в точке "б" пересечения этих кривых. Если характеристика трубопровода меняется, например перекрытием задвижки, рабочая точка смешается. При этом производительность насоса увеличивается или уменьшается (точки), но кривые пересеклись. т е. устойчивая работа.

Когда статическое сопротивление системы возрастает, может наступить момент, при котором произойдёт срыв работы системы (например, качаем в цистерну, в которой уровень (сопротивление) растет, и жидкость из цистерны может вытекать через насос).

Неустойчивая работа насоса может иметь место и при изменении скорости вращения насоса. Насос прекратит подачу жидкости при числе оборотов, которое будет ниже числа оборотов обеспечивающего преодоление сопротивления системы.

Если нормальный напор имеет большую статическую составляющую, нельзя снижать скорость вращения центробежного насоса, т к. при снижении скорости вращения (частота сети), примерно на 10%, производительность падает до 0. Причиной, вызывающей снижение скорости двигателя может быть также колебание напряжения сети, вызванное пуском мощного двигателя, или провал напряжения, вызванный коротким замыканием с последующим восстановлением, напряжения после отключения к.з.

Поэтому для ответственных электроприводов насосов следует производить проверку работы системы при колебаниях напряжения.

Рис.1.5.

Механическая характеристика АД при снижении напряжения.

Определение мощности электродвигателя кВт.

где Нст - статическая высота напора, м,

- потери напора в трубопроводе и местных сопротивлениях, м, Q - производительность. м3/с.

- удельный вес -жидкости или газа, кг/м3;

- 0,94-0,98 - коэффициент учитывающий потери через неплотности;

- КПД насоса или вентилятора.

При выборе двигателя следует учитывать условия пуска. Для поршневых насосов и компрессоров сразу работающих на противодавлении и имеющих большие маховые массы, следует выбирать двигатель, имеющий пусковой момент 1,5 — 2,2 Мн.

Пуск центро6ежных насосов и вентиляторов легкий и момент сопротивления М. По мере разгона двигателя момент растет. Мощность выбирается на 15-20% больше расчетной. т.к. скорость по каталогу = 5%, а при -5% это может дать рост потребляемой мощности на 16%.

Проверка выбранного двигателя по условиям нагрева при пуске.

Двигатели переменного тока при пуске насоса обладающим большим маховым моментом следует выбирать не только в зависимости от номинальной мощности, но и условий пуска. В ряде случаев продолжительность пуска настолько велика, что возникает опасение перегрева двигателя.

Перегрев двигателя определяется, °С -время пуска

Потери в меди при пуске

Вес обмотки кг

In - пусковой ток.

р - удельное сопротивление (0.022 Ом мм2/ м),

l - длина обмотки, м,

q - сечение обмотки, мм2.

у - удельный вес (8,9 г/см'),

к - коэф-т, учитывающий увеличение сопротивления вследствие вытеснения тока (1.05),

см, - удельная теплоемкость (390 Дж/кг °С)

Если за время разгона tп превысится допустимая температура (например 100°С), необходимо выбрать двигатель большей мощности.

Энергосбережение в электроприводе

Электропривод - это основной поставщик механической энергии и основной потребитель электроэнергии.

Если эл.двигатель работает недогруженным, то у него снижается КПД и cos.

Если постоянная нагрузка ~ 50% целесообразно электродвигатель заменить на меньший и кап. затраты быстро окупятся за счёт экономии электроэнергии (новые надо ставить с высоким КПД).

Необходимо отключать моторы, когда они не требуются по технологии, не допуская холостых ходов. АД на х. у. потребляют ~ 40% от Рн. Стоимость ЭЭ, потребляемой электродвигателем в течении года часто в 10-15 раз больше, чем стоимость двигателя. Целесообразна замена электродвигателей на энергетически более эффективные, в которых используются более качественных стальные пластины в статорах и более качественная медь. У них КПД примерно на 5% выше, чем у обычных моторов. Такая замена окупается за 1-2 года.

Целесообразно применять электропривода с регулируемой скоростью, с тем чтобы, уменьшать скорость мотора как можно ближе к требуемой технологическим процессом, что обеспечит уменьшение потребления ЭЭ. Регулируемый электропривод дает экономию ЭЭ для вентиляционных систем и насосов от 25 до 50%.

Дата добавления: 2015-06-27