Sagedusmuunduri tasuvusajast

Tallinna Tehnikaülikooli elektriajamite ja jõuelektroonika instituudis on pikemat aega uuritud energiasäästlike sagedusjuhtimisega elektriajameid ja nende kasutusvõimalusi Eestis. Meie hinnangul on ainuüksi Eesti ca 10.000 väikekatlamajas sagedusjuhtimisega elektriajamite kasutuselevõtuga võimalik säästa 500 GWh aastas, mis moodustab 10 % Eesti elektrienergia kogutarbimisest. Üksiku elektriajami üleviimisel sagedusjuhtimisele säästetakse kuni 70 % elektrienergiat. Eeldatav katlamajades vajalik sagedusjuhtimisele üleviidavate elektriajamite arv on 12.000. Lähtudes elektrienergia praegusest hinnast tasuvad sagedusjuhtimisega elektriajamid end olenevalt rakendusest 1 ... 2 aastaga. Lisaks katlamajadele on hulgaliselt rakendusi vesivarustuses, kanalisatsioonis ning tööstuses.

Üleminek sagedusjuhtimisele näib esialgu kallis: sagedusmuundurid maksavad palju, tuleb osta mitmesuguseid lisaseadmeid jne. Sagedusmuunduri ülesseadmise tasuvusaja arvutamine võib olla küllaltki keeruline. Vaatleme siinkohal sagedusmuundurite laialdaselt levinud rakendust tsentrifugaalpumpade elektriajamites.

Kuhu energia kaob sagedusmuundurita pumbaajamis?

Tsentrifugaalpumba nimitootlikkus Qn valitakse vastavalt maksimaalsele tarbimisele Qmax. Vedeliku tarbimine Q on reeglina ajaliselt muutuv. Pumba tootlikkus ja rõhk vastab pumba ja torustiku QH-tunnusjoone lõikepunktile (joonis 1). Torustikus konstantse rõhu hoidmiseks kasutatakse reguleerimisventiili (drosselit). Kui rõhk langeb, siis regulaator avab ventiili rohkem ja tootlikkus suureneb ning vastupidi.

QH-tunnusjoonel avaldub ventiili ava vähendamine torustiku tunnusjoone kõverdumisena H-telje suunas. Tarbitav võimsus on võrdeline tootlikkuse ja tõstekõrguse korrutisega (H*Q). Pumba seisukohalt on olukord sama ka rõhureguleerimiseta süsteemis. Kui tarbimine on väiksem kui Qmax , siis arendab pump rohkem rõhku kui vajatakse. Ülearune rõhk langeb ventiilile ning selle ületamiseks vajalik võimsus kulub vedeliku soojendamiseks ventiilis ja pumbas. Olukorda võib võrrelda täisgaasil sõitva auto kiiruse reguleerimisega pidurite abil.

Pumba tootlikkuse reguleerimine sagedusmuunduriga ajamiga

Pumba tootlikkuse reguleerimisel pöörlemiskiiruse muutmisega väheneb mootori võimsus ventiiliga reguleerimisega võrreldes, sest pole tarvis kulutada lisaenergiat ventiili vastusurve ületamiseks. Pump töötab minimaalselt vajaliku tõstekõrgusega ja täielikult avatud ventiiliga. Tsentrifugaalpumba QH- ja PQ-tunnnusjoonte näide on toodud joonisel 1.


Joonis 1. Tsentrifugaalpumba tunnnusjoonte näide: a) QH- ja b) PQ-tunnusjoon

Vanade pumpade passis on tihti ainult nimikiirusele vastav QH-tunnusjoon. Nimikiirusest väiksematel kiiruste kohta saab tsentrifugaalpumba tunnusjooned konstrueerida järgmiste valemitega.

Tootlikkus on võrdelises sõltuvuses pöörlemiskiirusest

, (1)

n - pöörlemiskiirus 1/min;

n0 - nimipöörlemiskiirus.

Tõstekõrgus on ruutsõltuvuses pöörlemiskiirusest

. (2)

H0 - nimipöörlemiskiirusele n0 vastav tõstekõrgus.

Tarbitav võimsus on kuupsõltuvuses mootori pöörlemiskiirusest

. (3)

P0 - pöörlemiskiirusele n0 vastav võimsus.

Tarbitav võimsus

Tarbitav võimsus ventiilreguleerimisel

; (4)

H - nimipöörlemiskiirusele vastav tõstekõrgus,

Q - pumba tootlikkus m3/s,

r - vedeliku tihedus kg/m3,

g - raskuskiirendus 9,81 m/s2,

h d - pumba kasutegur antud tootlikkuse väärtusel nimipöörlemiskiirusel

h m - mootori kasutegur.

Tarbitav võimsus sagedusreguleerimisel

. (5)

DH - Tõstekõrguste vahe (pumba väljund- ja sisendrõhu vahe).

h s - Pumba kasutegur vähendatud pöörlemiskiirusel. Kiirusreguleerimisel vähenevad pumba pöörlemiskiirusega võrdelised kaod ja kasutegur suureneb.

h sm - Sagedusmuunduri kasutegur (h sm » 0,96).

Energiasäästu arvutus

Sagedusjuhtimisega süstemi energiasäästu arvutamiseks tuleb mõõta või määrata vedeliku tarbimise jaotus aasta lõikes.

Tabel 1. Sagedusmuunduri tasuvusaja arvutusnäide

Jõudlus

Siibriga reguleerimine

Sagedusmuunduriga reguleerimine

Jaotus

Võimsus
n = 1450 p/min

Energia kulu

Võimsus
n = var

Energia kulu

m3/h

%

h

kW

kWh

kW

kWh

300

1

87,6

44,3

3881

44,3

3881

250

5

438

38

16644

28,2

12352

200

20

1752

31,3

54838

17,8

31186

150

20

1752

25,4

44501

10,9

19097

100

20

1752

19,2

33638

6

10512

50

17

1489

11

16381

3

4468

0

17

1489

0

0

0

0

Kokku

100

8760

169883

81494

Energiasääst, kWh:

0

88388

Elektrienergia hind, EEK/kWh

0,45

Rahaline sääst, EEK/a

39775

Investeering, EEK

50000

Tasuvusaeg, a

1,26

Toodud näites annaks üleminek pumba sagedusjuhtimisele aastas 40000 krooni säästu. Energiat tarbitaks vähem 88400 kWh. Investeeringu tasuvusaeg oleks 1 aasta ja 3 kuud.

Analoogiliselt arvutatakse ka ventilaatorite ajamite sagedusjuhtimisele üleviimise tasuvusaega.

Kokkuvõte

Pumbad ja ventilaatorid on alati valitud maksimaalse tootlikkuse järgi, arvestades ka tarbimise võimalikku kasvu. Ka tõstekõrgusel on tavaliselt piisav varu. Kui kiirust ja seega ka tootlikkust vähendada nt. 80 %-ni nimikiirusest, siis väljundrõhk väheneb 36 %, kuid võimsus väheneb 50 %. Kui 100 % lähedane tootlikkus esineb vaid lühiajaliselt ja keskmine tootlikkus on nt. 80 %, siis säästetakse sagedusjuhtimise korral ca 50 % energiat. Pumba sagedusjuhtimisele üleviimine tasub ennast lühikese ajaga.

Lisaks aktiiv- ja reaktiivenergia tunduvale säästule on sagedusmuunduril rida teisi eeliseid

Ka nendest eelistest saadav rahaline sääst võib olla märkimisväärne.

J. Joller