Соотношение затрат на обслуживание и эксплуатацию электродвигателя и цены покупки: расчёт по наработке

Представьте двигатель 22 кВт, вращающий вентилятор градирни. Он работает зимой и летом и легко набирает 6000 часов в год. А на складе того же завода есть перекачивающий насос 22 кВт, который включается несколько раз в неделю и работает, возможно, 1000 часов в год. На бумаге оба двигателя одинаковы: та же мощность, то же число полюсов, та же цена. Но их стоимость для предприятия за срок службы совершенно разная. Самая сильная переменная, определяющая соотношение затрат на обслуживание и эксплуатацию и цены покупки, — количество часов работы двигателя.

Три составляющие стоимости жизненного цикла

Полная стоимость двигателя для предприятия складывается из трёх статей:

• Приобретение: цена покупки, доставка, монтаж и ввод в эксплуатацию.
• Энергия: электроэнергия, потребляемая двигателем из сети за каждый час работы.
• Обслуживание и отказы: смазка, замена подшипников, измерения изоляции, при необходимости ремонт обмотки и, возможно, самое дорогое — незапланированный простой.

Соотношение этих статей не постоянно. Один и тот же двигатель даёт совершенно разный профиль затрат в зависимости от наработки, коэффициента нагрузки и условий окружающей среды. Поэтому правильнее рассчитать соотношение для своего предприятия, а не запоминать некий общий процент.

Пересчёт цены покупки в кВт·ч

Практичный способ увидеть разные статьи в одних единицах — разделить цену покупки двигателя на ваш тариф на электроэнергию. Полученное число показывает, скольким кВт·ч электроэнергии равна стоимость двигателя. Даже при изменении цен и тарифов это соотношение долго сохраняет смысл.

Для простоты изложения возьмём условное значение: допустим, цена покупки двигателя 22 кВт, разделённая на тариф, соответствует 20 000 кВт·ч. Это значение нужно пересчитать по вашему предложению и вашему тарифу; логика расчётов ниже не меняется.

Энергетическая сторона: расчёт двух сценариев

Мощность, потребляемая двигателем из сети, равна мощности на валу, делённой на КПД. Пусть двигатель вентилятора работает при нагрузке 80 %, то есть отдаёт на вал около 17,6 кВт. Предельное значение КПД для 4-полюсного двигателя IE3 22 кВт составляет 93,0 %; для простоты расчёта используем это значение. Двигатель потребляет около 18,9 кВт.

• 6000 часов в год: около 113 500 кВт·ч. Условная цена покупки 20 000 кВт·ч чуть больше двухмесячного энергопотребления этого двигателя. За 15 лет эксплуатации суммарное потребление превышает 1,7 млн кВт·ч, а цена покупки составляет лишь несколько процентов от этой суммы.
• 1000 часов в год: около 18 900 кВт·ч. Здесь цена покупки примерно равна годовому энергопотреблению. За 15 лет суммарное потребление составляет около 280 000 кВт·ч; доля цены покупки заметно возрастает.

Один и тот же двигатель в одном сценарии — небольшая статья на фоне счёта за электроэнергию, в другом — ощутимая часть общей суммы. Этот расчёт становится ещё точнее, если известен реальный коэффициент нагрузки. Влияние коэффициента нагрузки на КПД мы отдельно рассмотрели в статье о том, при какой нагрузке эксплуатировать двигатель.

Решение о классе энергоэффективности принимается по этому соотношению

Если в том же примере вместо IE3 выбрать IE4, предельное значение КПД возрастает до 94,5 %. Двигатель в этом случае потребляет около 18,6 кВт; разница составляет около 0,3 кВт·ч в час.

• Для двигателя вентилятора с наработкой 6000 часов годовая разница составляет около 1800 кВт·ч.
• Для двигателя насоса с наработкой 1000 часов годовая разница составляет около 300 кВт·ч.

Допустим, также условно, что доплата за IE4 по сравнению с IE3 соответствует 5000 кВт·ч. Для двигателя вентилятора эта доплата окупается менее чем за три года. Для двигателя насоса срок окупаемости превышает пятнадцать лет и может не наступить в течение срока службы двигателя. Решение определяется не тем, хорош или плох класс энергоэффективности, а наработкой. Этот расчёт между классами IE мы подробно выполнили в статье «IE3 или IE4: инвестиционный расчёт».

Статья обслуживания: небольшая, но не пренебрежимая доля

У постоянно работающего двигателя стоимость планового обслуживания чаще всего мала по сравнению с энергией. Однако содержание этой статьи определяет остаточный ресурс двигателя:

• Смазка и подшипники: подшипники — изнашиваемые детали двигателя. С ростом наработки интервалы смазки и замены сокращаются.
• Контроль изоляции: периодическое измерение мегаомметром предупреждает о проблеме до отказа обмотки.
• Контроль температуры: датчики PTC или PT100 выявляют перегрев до того, как он перерастёт в отказ.
• Очистка: в пыльной среде чистые рёбра и кожух вентилятора сохраняют охлаждение.

Какие проверки и с какой периодичностью проводить, мы подробно перечислили в графике периодического обслуживания. На вопрос, что разумнее при сгоревшей обмотке — ремонт или новый двигатель, мы ответили в статье «Перемотать двигатель или купить новый?».

Статья, не попадающая в расчёт: незапланированный простой

В большинстве расчётов стоимости жизненного цикла самый большой риск не фигурирует отдельной строкой. Если вентилятор градирни остановится посреди лета, потерянное производство, испорченная продукция и затраты на срочную закупку в одном-единственном случае могут превысить стоимость самого двигателя. Поэтому для критичных двигателей важны два вопроса: есть ли на складе эквивалентный двигатель для замены при отказе и ведётся ли мониторинг, позволяющий заранее выявить неисправность? Резервный двигатель для критичных линий можно рассматривать как страховку стоимости жизненного цикла.

Как рассчитать соотношение для своего предприятия?

1. Определите годовую наработку двигателя и средний коэффициент нагрузки; по возможности измерьте их.
2. Разделив мощность на валу на КПД, найдите мощность, потребляемую из сети, а умножив её на часы — годовое потребление в кВт·ч.
3. Переведите предложенную цену покупки в эквивалент кВт·ч, разделив её на ваш тариф.
4. Добавьте отдельной строкой стоимость планового обслуживания и, для критичных двигателей, возможные последствия простоя.
5. Рассчитайте срок окупаемости, разделив доплату за другой класс энергоэффективности на годовую разницу в кВт·ч.

Заключение

Соотношение затрат на обслуживание и эксплуатацию и цены покупки — не постоянное число; его определяют наработка, нагрузка и окружающая среда. У двигателя с большой наработкой определяющей является энергия, и решение о классе энергоэффективности быстро окупается. У редко работающего двигателя определяющими становятся цена покупки и дисциплина обслуживания. Для применений с большой наработкой вы можете ознакомиться с высокоэффективными двигателями IE4, а для сравнения на основе вашей наработки — связаться с нами.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли доля цены покупки в стоимости жизненного цикла двигателя мала?

Нет. У двигателей, работающих тысячи часов в год, доля цены покупки мала, поскольку энергопотребление быстро превышает её. У двигателей, работающих несколько сотен или тысячу часов в год, цена покупки может составлять ощутимую часть общей суммы.

Какое значение КПД использовать для расчёта?

Наиболее точное значение — КПД, указанный на заводской табличке или в каталоге двигателя в точке, наиболее близкой к реальной рабочей нагрузке. Если этих данных нет, в качестве отправной точки можно использовать предельное значение класса по IEC 60034-30-1, но результат следует считать приблизительным.

Какой шаг наиболее эффективен для снижения затрат на обслуживание?

Правильная смазка и регулярный контроль температуры и изоляции — самый эффективный способ выявить неисправности на ранней стадии. Эти небольшие затраты предотвращают крупные расходы, такие как незапланированный простой и отказ обмотки.

Нужен ли высокий класс энергоэффективности для редко работающего двигателя?

С точки зрения экономии энергии окупаемость может быть долгой, однако соблюдать минимальный класс энергоэффективности обязательно по законодательству. В редко работающих применениях обычно достаточно класса, требуемого законодательством, и разумнее сосредоточиться на правильном подборе типоразмера, а не на дополнительных инвестициях.