Рагинов Николай Михайлович (г. Набережные Челны, ООО «РАБИКА-энергосбережение»)
Сжатый воздух является одним из самых дорогих видов энергии, используемых в современной промышленности: 1 кДж энергии, получаемой в пневмоприводах машин и механизмов, использующих сжатый воздух, обходится в 7-10 раз дороже, чем тот же 1 кДж, получаемый при работе электропривода. На производство сжатого воздуха расходуют в среднем около 20% всей потребляемой машиностроительной промышленностью электрической энергии. Поэтому вопросы сокращения энергетических потерь и расходов при производстве сжатого воздуха чрезвычайно актуальны.

Как известно, компрессоры для крупных промышленных производств выбираются с гарантированным запасом по производительности, обусловленным изменениями производительности компрессора в зависимости от температуры и давления всасываемого воздуха. Опираясь на реальный опыт использования компрессоров, можно утверждать, что на более чем 60% предприятий большое потребление воздуха в дневную смену и слабое потребление во вторую и ночную смены, а по выходным сжатый воздух не нужен вовсе.

Оптимизация работы существующих компрессорных станций, снабженных высокопроизводительными турбокомпрессорами, позволяет сократить расходы электроэнергии на производство сжатого воздуха до 50%. Оптимизация работы компрессоров происходит за счет:

• обеспечения эффективной и безопасной возможности отключения и плавного запуска электродвигателей большой мощности;
• автоматического поддержания необходимого для технологии давления в пневмосистеме с высокой точностью;
• воздействия на начальную температуру и начальное давление всасываемого воздуха;
• подогрева отходящего к потребителю сжатого воздуха за счет утилизации тепла сжатия.

Наиболее существенным решением проблемы энергосбережения при эксплуатации компрессорных и насосных установок, вентиляторов и дымососов с мощными эл.двигателями является применение Устройств плавного запуска (УПЗ). Специалистами ООО «РАБИКА-энергосбережение» разработано универсальное устройство, позволяющее, кроме плавного запуска, осуществлять автоматическую регулировку производительности и давления в пневмо- и гидросистемах. Эти устройства по функциональности не уступают сложным и дорогим частотным преобразователям, а в случае с электродвигателями большой мощности внедрение на компрессорной станции УПЗ окупится в несколько раз быстрее, чем ЧРП (от 3 месяцев).

УПЗ с функцией регулирования состоит из двух базовых узлов: плавного запуска и регулировки производительности. Возможно автономное исполнение узлов.

Узел плавного запуска

Существует несколько направлений снижения затрат, вызванных неоптимальной работой централизованных пневмосистем. Например, на многих заводах предлагается использовать вместо пневмоприводов электро- и гидроприводы, потребляющие меньше энергии. Другое решение - установка локальных компрессоров меньшей производительности, которые снабжали бы сжатым воздухом отдельные цеха и агрегаты. Для привода таких компрессоров можно использовать двигатели малой мощности, что делает возможным их включение и выключение по мере необходимости. Все вышеперечисленные решения требуют значительной реконструкции существующих систем производства, а значит, огромных капиталовложений.

Больших энергопотерь при работе централизованных пневмосистем можно было бы избежать за счет обеспечения плавного пуска электродвигателей большой мощности (от 400 до 12 500 кВт), приводящих компрессоры. Всем известны негативные последствия прямого (мгновенного) пуска, из-за которых большинство машиностроительных предприятий не имеют возможности отключать электродвигатели большой мощности в периоды остановок или снижения объемов производства. Известные до последнего времени решения по устранению этой проблемы, как правило, недостаточно эффективны и дороги.

Для предотвращения прямого пуска и его последствий применяют устройства плавного пуска (запуска) - УПП (УПЗ), софт-стартеры. Их основное назначение - добиться постепенного разгона электропривода и не допустить возникновения высоких пусковых токов.

 Существующие решения в области плавного пуска

  Традиционные УПП используют тиристорные регуляторы или частотные преобразователи. Наибольшую популярность на рынке получили следующие устройства: 

• Высоковольтное пусковое устройство на базе тиристорных регуляторов напряжения (ВПУ) - Квазичастотный мягкий пуск (г. Харьков);
• Устройство безударного пуска высоковольтных двигателей (УБПВД, г. Чебоксары);
• Устройства плавного пуска фирмы Siemens (Германия) и других производителей.

Недостатками УПП на базе тиристорных устройств являются высокая стоимость, низкая надежность, сложность подбора тиристоров по характеристикам, необходимость постоянного обслуживания и/или больших затрат на сервис от поставщика. Пусковые токи сокращаются, но все-таки остаются относительно большими.

Кроме того, традиционные УПП не решают основной проблемы выхода из строя электродвигателей – пробоя изоляции вследствие значительного повышения температуры обмоток. Сокращая пусковые токи, эти устройства увеличивают время пуска, при этом тепловое воздействие на обмотки статора приближается к показателям прямого пуска. По этой причине после останова двигателя следующий пуск возможен только через 10-12 часов.

К традиционным устройствам плавного пуска можно также отнести преобразователи частоты для высоковольтных электродвигателей (ПЧСВ) и Автотрансформаторные устройства. Однако, они также сравнительно ненадежны, дороги и требуют значительных расходов на сервисное обслуживание.

Новый подход к плавному пуску – устройство-разгонник

Специалистами ООО «РАБИКА-энергосбережение» в 2003 году разработано и запатентовано Устройство плавного запуска (УПЗ), основанное на совершенно иных принципах. УПЗ механическим способом с помощью дополнительного привода меньшей мощности постепенно раскручивает основной двигатель, плавно доводя до определенного числа оборотов. После этого на обмотки запускаемого двигателя подается напряжение, и разгонник отцепляется. Так как старт начинается с малых оборотов, предотвращается интенсивный износ подключенного к приводу оборудования. Пусковые токи минимальны вследствие того, что напряжение подается в тот момент, когда вал двигателя уже вращается в режиме, близком к рабочему.

Устройство работает полностью в автоматическом режиме, постепенно доводя число оборотов до заданного. Ходом всех процессов управляет контроллер. Запатентованное технологическое ноу-хау позволяет осуществить идеально-теоретический пуск электродвигателя без каких бы то ни было негативных последствий для оборудования. УПЗ устанавливается индивидуально на каждый эл. двигатель. При этом сохраняется существующая система прямого пуска.

Сравнительные характеристики различных типов запуска синхронных электродвигателей

I п- Пусковой ток синхронного электродвигателя 
t зап- Время запуска синхронного электродвигателя
I н - Номинальный ток нагрузки синхронного электродвигателя
I хх - Ток холостого хода синхронного электродвигателя

I н - Номинальный ток нагрузки синхронного электродвигателя
P н - Номинальная мощность синхронного электродвигателя

Главной отличительной особенностью Устройства плавного запуска ООО "РАБИКА-энергосбережение" является то, что первоначальный пусковой момент, приходящийся на вал компрессора, приблизительно в 60 раз меньше, чем при других видах запуска. Ни один из известных видов запуска электродвигателей большой мощности не в состоянии даже теоретически обеспечить такие показатели, так как все они базируются на иных физических принципах. Незначительное тепловое воздействие на обмотки статора при пуске позволяет запускать электродвигатели с УПЗ даже из горячего состояния. Применение нового подхода к запуску электродвигателей, а также нескольких технологических ноу-хау обусловили высокую эффективность и оптимальную (дешевле существующих решений) стоимость УПЗ.

Преимущества, получаемые при использовании УПЗ:

• Величина пусковых токов снижается до 2,5 – 4 номиналов;
• Время действия пусковых токов сокращается до 4-5 секунд;
• Уменьшаются динамические нагрузки на обмотки статора при пуске;
• Исключаются или существенно уменьшаются гармоники, передаваемые в сеть в момент запуска электродвигателя;
• Исключается опасное падение напряжения в сети во время пуска;
• Первоначальный пусковой момент, приходящийся на вал привода, приблизительно в 60 раз меньше, чем при других видах запуска;
• Тепловое воздействие на обмотки статора электродвигателя в 4 раза меньше, чем при прямом или тиристорном пуске;
• Интервалы между включениями – любые, без негативных последствий для устройства и запускаемого двигателя;
• Срок эксплуатации высоковольтного электродвигателя увеличивается;
• Улучшаются условия эксплуатации коммутационного электрооборудования;
• Возможна экономия ресурсов после запуска за счет применения дополнительных опций УПЗ , что приравнивает устройство по функциональности к дорогим и сложным частотным преобразователям.

Преимущества УПЗ перед другими видами плавного пуска:

• Постепенное нарастание числа оборотов из состояния покоя, как при использовании частотного преобразователя, практически полное отсутствие ударных пусковых нагрузок на муфту и вал привода;
• УПЗ обладает высокой степенью надежности и простотой конструкции, так как использует в процессе простые физические процессы;
• УПЗ не требует специализированного сервисного обслуживания;
• Ремонт или техническое обслуживание проводятся в короткие сроки и не нарушают цикл производства, так как не требуется высокой квалификации сотрудников и применения оригинальных запчастей;
• Монтаж УПЗ не требует приобретения и установки дополнительного электрооборудования и осуществляется без вмешательства в схему управления приводом;
• Оптимальные сроки внедрения (20-30 дней) и самоокупаемости УПЗ;
• УПЗ за счёт новой возможности регулирования подачи воздуха позволяет дополнительно экономить электроэнергию во время работы турбокомпрессоров.

Функции автоматики УПЗ:

• возможность автоматизированного удаленного управления с компьютера диспетчерского пункта через интерфейсы RS-232  и RS-485.
• возможность автоматического закрытия дроссельной заслонки при аварийном отключении компрессора
• возможность управления противопомпажным клапаном

За 3 года серийного производства Устройств плавного запуска было проведено более 40 внедрений, что сделало УПЗ лидером на рынке систем плавного пуска для компрессорных установок. На ряде предприятий благодаря УПЗ количество пусков одного компрессора в год превысило 300, при этом компрессор ни разу не останавливался на ремонт. В таком режиме работы была достигнута экономия электроэнергии более 2 млн. кВт/ч в год на один компрессор.

УПЗ имеет высокий потенциал энергосбережения, что позволило ему найти применение в различных отраслях промышленности. Устройства уже установлены на ОАО КАМАЗ, ОАО Калужский турбинный завод, ОАО Курганмашзавод, ОАО Нижнекамскнефтехим, ОАО Спасскцемент, ООО Тобольск-Нефтехим (АК Сибур), ОАО Амурский судостроительный завод, ОАО Алтайский моторостроительный завод, ОАО ХК Коломенский завод, ФГУП Воронежский Механический Завод, ОАО Северский трубный завод, ЗАО Авиастар-СП, ОАО Самарский подшипниковый завод, ОАО Северсталь-Авто (УАЗ), АО Казцинк (Казахстан) и других предприятиях. Более 80% предприятий после года использования УПЗ размещают повторные заказы на внедрение устройств на своих компрессорных станциях и планируют оснастить Устройствами плавного запуска все компрессоры.

Узел регулировки производительности (Регулятор подачи воздуха)

Другим направлением оптимизации работы систем производства сжатого воздуха является технология поддержания постоянного давления в пневмосистеме.

Теоретически и практически доказано:

• каждые 0,1 кгс/см2 давления нагнетания увеличивают электропотребление компрессора на 1%;
• превышение минимально допустимого давления в пневмосистеме на 1 кгс/см2 приводит к перерасходу эл. энергии на 10%

Разработанный нами Регулятор подачи воздуха - это электронное устройство, позволяющее с высокой точностью поддерживать в пневмо- и гидросистемах любое заданное давление без вмешательства обслуживающего персонала. Принцип действия регулятора заключается в том, что он с заданным интервалом опрашивает датчик давления и при необходимости воздействует на дроссельную заслонку всасывающей линии компрессорной установки. Таким образом, производится корректировка нагрузки электродвигателя, что позволяет компрессору работать в оптимальном режиме, не допуская перерасхода электроэнергии. С регулятором давления производительность компрессора точно соответствует реальной потребности в сжатом воздухе. Экономия электроэнергии достигает от 7 до 15%. В течение многих лет регуляторы эффективно эксплуатируются на машиностроительных и нефтехимических предприятиях, а также очистных сооружениях.

Использование данной функции позволяет повысить качество продукции за счет более надежной работы пневмооборудования и инструмента. Нет необходимости постоянно менять настройки оборудования в связи со скачками давления на местах использования сжатого воздуха.

График получасовых значений потребления электроэнергии электродвигателем СТД-1600 компрессора К-250 
(нефтехимическое производство с круглосуточным режимом работы)

Комплексные решения

У автора имеются и другие технические решения, позволяющие в комплексе снизить расходы на производство сжатого воздуха на машиностроительных предприятиях в 2 раза. Применение этих решений позволит действующим предприятиям не тратить средства на замену централизованных пневмосистем путем дорогостоящего внедрения локальных компрессоров, электро- и гидроприводов к оборудованию и инструменту и т.п. Это позволяет в корне изменить отношение к сжатому воздуху как к чрезвычайно дорогому типу энергоносителей.