Анализ и оптимизация электропотребления на металлургическом предприятии

Министерство образования и науки Российской Федерации Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет МЭИ» в г. Смоленске Кафедра электроэнергетических систем Направление 140 200- «Электроэнергетика»

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ Программа: «Оптимизация развивающихся систем электроснабжения»

(140 200.03)

Тема: Анализ и оптимизация электропотребления на металлургическом предприятии Студент ЭС-06 (м) Шунаев С. А.

Руководитель д.т.н. профессор Кавченков В.П.

Магистерская диссертация допущена к защите Зам. зав. кафедрой к.т.н. Киселев В.Ф.

«Электроэнергетические системы»

Смоленск 2012 г.

УДК 621.31: 669

Ш 96

Шунаев С.А.

Анализ и оптимизация электропотребления на металлургическом предприятии Выпускная работа на степень магистра техники и технологии по направлению «Электроэнергетика». — Смоленск: филиал ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»,. 2012 г. — 83 с.; 14 ил.; 14 табл.

В магистерской диссертации рассмотрены правовые нормы регулирования электроэнергетики, дана оценка их влияния на технико-экономические показатели работы предприятия. Большое внимание уделено вопросам оперативного управления электропотреблением — прогнозированию, оптимизации режимов энергопотребления и использованию информационных технологий для управления потоками энергоресурсов. Описаны методы повышения точности прогнозирования с применением регрессионного анализа. Разработана технико-экономическая политика потребления электроэнергии на основе системного анализа влияния изменения цен Филиал ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» В г. Смоленске, 2012 г.

1. Анализ нормативной базы электроэнергетики и её влияние на технико-экономические показатели предприятия

1.1 Актуальные задачи обновления нормативной базы электроэнергетики Украины в современных условиях

1.2 Украина и Энергетическое Сообщество

2. ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЗАВОДА

2.1 Схемы электроснабжения и состав оборудования

2.2 Структура и эффективность использования электроэнергии с учетом нормативов

2.3 Компенсация реактивной мощности, колебания напряжения и фильтрация высших гармоник

3.4 Выводы и предложения

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ

3.1 Прогнозирование электропотребления

3.2 Методические вопросы моделирования режимов электропотребления

3.3 Оптимальное управление нагрузкой

3.4 Оптимизация режима работы дуговой сталеплавильной печи ЗАКЛЮЧЕНИЕ Использованная литература ВВЕДЕНИЕ Проблематика и актуальность. В условиях рыночной экономики и значительного повышения цен на энергоресурсы особую важность приобретает задача эффективного использования энергии в различных отраслях промышленности. Проблема эта многоплановая и включает комплекс задач, каждая из которых имеет большое значение при решении вопросов энергосбережения. Прежде всего, это задачи учета и анализа расхода энергоносителей, установление энергетических характеристик оборудования и его оптимальных режимов работы, нормирования и планирования энергозатрат, оперативное управление потоками энергоносителей, с учетом эффективности их использования, прогнозные оценки энергопотребления на различных уровнях управления производством и др.

Металлургические предприятия потребляет более 17% топлива, 16% электроэнергии и 13% природного газа от общего потребления в стране.

Использование возобновляемых видов энергии (электрической и тепловой) на отечественных предприятиях незначительно — менее 10%. Зато, вторичные энергетические ресурсы — коксовый и доменный газ обеспечивают 16−25% общего энергопотребления.

Затраты энергоресурсов в металлургической отрасли Украины намного превышают энергопотребление ведущих зарубежных производителей металла. Значительная энергоемкость производства, изношенный парк технологического и энергетического оборудования предприятий, длительные ограничения в поставках угля, природного газа и электроэнергии диктуют необходимость существенных преобразований в структуре и технологии производства и максимального снижения потребления энергоресурсов. Решение актуальных проблем экономической стабильности металлургических предприятий, конкурентоспособности их продукции и энергобезопасности требуют существенного повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), реализации энергосберегающих технологий, развития собственной энергетической базы и улучшения экологической обстановки.

Цели исследования. В изменяющихся условиях металлургического производства при расчетах и планировании энергозатрат возникает необходимость учитывать эти изменения, что возможно только с помощью математического аппарата и методов, отражающих конкретные условия и особенности эксплуатации оборудования. Потребление энергоресурсов в металлургической промышленности зависит от множества производственных и технологических факторов, большинство которых в настоящее время не учитывается при анализе, планировании и управлении на всех уровнях. Это приводит к тому, что реализация комплекса вопросов по улучшению использования энергии оказывается слишком ориентировочной, в большой степени субъективной и слабо связано со спецификой и производственной программой предприятия и теми изменениями, которые происходят в процессе ее выполнения.

Для выработки и принятия технически верных и экономически обоснованных решений по энергосбережению и управлению режимами энергопотребления необходимо решение следующих задач:

1. Установить закономерности формирования энергозатрат.

2. Выявить тот причинно-следственный механизм, который определяет уровень и динамику энергопотребления в переделах металлургического производства.

3. Получить оценки объективно необходимых энергозатрат.

4. Установить неиспользованные резервы энергосбережения.

5. Разработать методику оперативного контроля и оптимального управления энергопотреблением с учетом изменения условий производства, поддерживающую технологические и режимные параметры процессов и обеспечивающую эффективное энергоиспользование.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки информации, теории моделирования, теории оптимальных процессов сложных систем в сочетании с нормативно-правовыми документами, регулирующими электроэнергетическую отрасль.

Научная новизна в работе :

1. Рассмотрен ряд методических вопросов, способствующих эффективному использованию математического аппарата теории вероятностей и математической статистики при нахождении закономерностей энергопотребления.

2. Описаны методы повышения эффективности оперативного управления электропотреблением — прогнозирование, оптимизации режимов энергопотребления и использование информационных технологий для управления потоками энергоресурсов.

3. Проанализировано влияние графиков нагрузок предприятия на стоимость электрической энергии.

Практическая ценность и реализация работы. Обобщенный материал по нормативно-правовому регулированию электроэнергетики в совокупности с анализом нагрузки предприятия позволил подобрать наиболее выгодную ценовую категорию для исследуемого завода. Повышение точности прогнозирования графиков нагрузки привело к снижению расходов при оплате электроэнергии. Реализация рекомендаций описанных во второй главе работы позволяет повысить надежность и экономичность заводского электроснабжения.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

Корректным использованием основных положений теории моделирования. Применением проверенных методик анализа статистических данных. Учетом действующих нормативно-правовых документов в области электроэнергетики.

Апробация работы.

По структуре работа состоит из введения трех глав основной части, заключения и библиографического списка.

Первая глава посвящена рассмотрению нормативно-правовых документов, регулирующих отношения производителей, поставщиков и потребителей электрической энергии.

Во второй главе произведен анализ систем электроснабжения исследуемого металлургического предприятия. Даны рекомендации по модернизации с целью уменьшения экономических издержек.

В третьей главе изложены основные оптимизационные решения, а также проведена оценка влияния графиков нагрузки предприятия на стоимость электрической энергии.

В заключении представлены основные результаты и выводы по магистерской диссертационной работе.

В конце приведен библиографический список работ использованных при написании диссертации.

1. Анализ нормативной базы электроэнергетики и её влияние на технико-экономические показатели предприятия Законодательство Российской Федерации, регулирующее организационные и экономические вопросы электроэнергетики, базируется на Конституции РФ и состоит из Гражданского кодекса РФ, Федерального закона «Об электроэнергетике» а также ряда других Федеральных законов, Указов Президента РФ и нормативных (подзаконных) актов Правительства РФ (постановлений и приказов), принимаемых в соответствии с федеральными законами для их реализации.

Следует отметить, что федеральное законодательство об электроэнергетике в последние годы существенно видоизменилось, и постоянно обновляемся путем внесения изменений и корректировок с учетом динамики процессов развития электроэнергетики, изменяющихся условий и выявившихся в процессе его реализации недоработок и пробелов.

Начинается законодательство об электроэнергетике с Гражданского Кодекса РФ (ГК), в котором определяются правовые нормы договоров об энергоснабжении между потребителем электрической энергии и энергоснабжающей организацией [статьи 539−547]: Эти нормы требуют от энергоснабжающей организации соблюдения принципа публичности (доступности) услуг по электроснабжению и предоставляют потребителю определение права в выборе условий предоставляемых услуг. Потребитель, в свою очередь, обязуется оплачивать принятую электроэнергию в установленном порядке, а также соблюдать предусмотренный договором режим её потребления, обеспечивать безопасность эксплуатации находящихся в её ведении энергетических сетей и исправность используемых им приборов и оборудования, связанных с потреблением энергии.

С момента принятия ГК осенью 1994 года в разделах, посвященных электроснабжению, произошли заметные изменения. Так, например, появилась норма, разрешающая энергоснабжающей организации прекращать или ограничивать подачу электроэнергии без согласования с абонентом — юридическим лицом, но с соответствующим его предупреждением в случае нарушения указанный абонентом обязательств по оплате электроэнергии.

В ГК отражены наиболее значимые для взаимоотношений потребителя и энергоснабжающеи организации положения; касающиеся сроков действия договора энергоснабжения, количества и качества получаемой потребителем электроэнергии, её оплаты и ответственности сторон.

Договор энергоснабжения. Например, когда абонентом по договору энергоснабжения выступает гражданин, использующий энергию для бытового потребления, договор считается заключенным с момента первого фактического подключения абонента в установленном порядке к присоединенной сети.

Если иное не предусмотрено соглашением сторон, такой договор считается заключенным на неопределенный срок и может быть изменен или расторгнут по основаниям, предусмотренным статьей 546 [ГК].

Договор энергоснабжения, заключенный на определенный срок, считается продленным на тот же срок и на тех же условиях, если до окончания срока его действия ни одна из сторон не заявит о его прекращении или изменении либо о заключении нового договора.

Количество электроэнергии. Что касается количества электроэнергии, то энергоснабжающая организация обязана подавать абоненту энергию через присоединенную сеть в количестве, предусмотренном договором энергоснабжения, и с соблюдением режима подачи, согласованного сторонами. Количество поданной абоненту и использованной им энергии определяется в соответствии с данными учета о её фактическом потреблении.

Договором энергоснабжения может быть предусмотрено право абонента изменять количество принимаемой им энергии, определенное договором, при условии возмещения им расходов, понесенных энергоснабжающеи организацией в связи с обеспечением подачи энергии не в обусловленном договором количестве.

В современных условиях внедрения рыночных отношений в электроэнергетику это дает возможность взимать плату за отклонения от заявленного почасового режима потребления, как в сторону увеличения, так и уменьшения. Такой подход к оплате электроэнергии является важным стимулирующим потребителя фактором, направленным на применение энергосберегающих технологий и совершенствование процесса потребления электрической энергии.

В случае, когда абонентом по договору энергоснабжения выступает гражданин, использующий энергию для бытового потребления, он вправе использовать энергию в необходимом ему количестве. Тем не менее, заметный рост тарифа на электроэнергию для населения, также способствует энергосбережению в быту.

Качество электроэнергии. Особое внимание ГК уделяет качеству энергии. В случае нарушения энергоснабжающеи организацией требований, предъявляемых к качеству энергии, абонент вправе отказаться от оплаты такой энергии. При этом энергоснабжающая организация вправе требовать возмещения абонентом стоимости того, что абонент неосновательно сберег вследствие использования этой энергии [пункт 2 статьи.;-1105 ГК]. При перерывах электроснабжения абонента, допущенных по вине энергоснабжающеи организации, последняя обязана возместить причиненный этим реальный ущерб. На практике это означает, как правило, судебное рассмотрение вопроса об оплате за некачественную или недополученную энергию.

Федеральный Закон «Об электроэнергетике». Безусловно, главное положение в современном законодательстве об электроэнергетики России занимает Федеральный закон «Об электроэнергетике», принятый 26 марта 2003 года, после почти двухлетних обсуждений и споров о целесообразности его принятия. Именно этот закон определил пути и сроки реформирования Российской электроэнергетики и направление её развития и видоизменил (путем внесения изменений и поправок в другие нормативные акты) все Российское законодательство об электроэнергетике. В частности, в тот же день был принят Федеральный-закон «Об особенностях функционирования электроэнергетики в переходный период» и о внесении изменений в некоторые нормативные акты Российской Федерации в связи с принятием Федерального Закона «Об электроэнергетике».

Законодательно электроэнергетика определяется как отрасль экономики Российской Федерации, включающая в себя комплекс экономических отношений, возникающих в процессе) производства (в том числе производства в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии), передачи электрической энергии, оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетики, сбыта и потребления электрической энергии с использованием производственных и иных имущественных объектов (в том числе входящих в Единую энергетическую систему России), принадлежащих на праве собственности или на ином предусмотренном федеральными законами основании субъектам электроэнергетики или иным лицам.

При этом следует подчеркнуть, что электроэнергетика является основой функционирования экономики и жизнеобеспечения. Поэтому законодательно установлено монопольное право государства на правовое регулирование отношений в сфере электроэнергетики путем принятия Правительством РФ и уполномоченными им федеральными органами исполнительной власти нормативных правовых актов в соответствии с Федеральными Законами.

Органы государственной власти субъектов РФ и органы местного самоуправления не вправе принимать нормативные акты, направленные на регулирование отношений в сфере электроэнергетики, за исключением случаев, предусмотренных Федеральными Законами. К таким исключениям, например, относится регулирование уполномоченными исполнительными органами субъектов РФ размеров отдельных составляющих региональных тарифов на электрическую энергию: услуги по её передаче по региональным электрическим сетям и сбытовой надбавки гарантирующим поставщикам электроэнергии в рамках предельных уровней, установленных Федеральной службой по тарифам. На региональном уровне также решается вопрос о плате за присоединение к региональным электрическим сетям.

В законе определена технологическая основа функционирования электроэнергетики, которую составляют единая национальная (общероссийская) электрическая сеть, территориальные распределительные сети, по которым осуществляется передача электрической энергии, и единая система оперативно-диспетчерского управления.

Экономической основой функционирования электроэнергетики является обусловленная технологическими особенностями функционирования объектов электроэнергетики система отношений, связанных с производством и оборотом электрической энергии на оптовом и розничных рынках.

При этом все субъекты электроэнергетики обязаны соблюдать требования технических регламентов в сфере функционирования единой энергетической системы России.

Государственная политика в сфере электроэнергетики направлена на обеспечение соблюдения общих принципов организации экономических отношений в сфере электроэнергетики, которые включают:

* обеспечение энергетической безопасности;

* технологическое единство электроэнергетики;

* обеспечение бесперебойного и надежного функционирования электроэнергетики в целях удовлетворения спроса на электрическую энергию потребителей, обеспечивающих надлежащее исполнение своих обязательств перед субъектами электроэнергетики;

* свободу экономической деятельности в сфере электроэнергетики и единство экономического пространства в сфере обращения электрической энергии с учетом ограничений, установленных федеральными законами;

* соблюдение баланса экономических интересов поставщиков и потребителей электрической и тепловой энергии;

* использование рыночных отношений и конкуренции в качестве одного из основных инструментов формирования устойчивой системы удовлетворения спроса на электрическую энергию при условии обеспечения надлежащего качества и минимизации стоимости электрической энергии;

* содействие посредством мер, предусмотренных федеральными законами, развитию российского энергетического машиностроения и приборостроения, электротехнической промышленности и связанных с ними сфер услуг;

* обеспечение экономически обоснованной доходности инвестированного капитала, используемого при осуществлении субъектами электроэнергетики видов деятельности, в которых применяется государственное регулирование цен (тарифов) на электрическую и тепловую энергию;

* обеспечение недискриминационных и стабильных условий для осуществления предпринимательской деятельности в сфере электроэнергетики, обеспечение государственного регулирования деятельности субъектов электроэнергетики, необходимого для реализации вышеперечисленных принципов, при регламентации применения методов государственного регулирования, в том числе за счет установления их исчерпывающего перечня.

Кроме отмеченных выше основ организации электроэнергетики, закон подробно определяет понятия, правовой статус, организацию, принцип функционирований (включая оказание услуг) и ответственность всех субъектов электроэнергетики, а также описывает систему государственного регулирования и контроля в электроэнергетике. Отдельные разделы Закона посвящены оптовому и розничным рынкам электроэнергии, а также особенностям осуществления хозяйственной деятельности в электроэнергетике.

Важно заметить, что ФЗ «Об электроэнергетики» является базовым законодательным актом, объединяющим положения других федеральных законов в части их применения в электроэнергетике.

Особо отметим закон «О государственном регулировании тарифов на электрическую и тепловую энергию в Российской Федерации» действующий с 1995 года и «Об основах регулирования тарифов организаций коммунального комплекса», вступивший в силу с 4 января 2006 года, а также «О естественных монополиях», «О техническом регулировании», «Об энергосбережений».

Постановления Правительства РФ.

Среди наиболее важных нормативных правовых актов, определяющих правила, положение и нормы применения законодательства об электроэнергетики отметим следующие.

— «Положение об отнесении объектов электросетевого хозяйства к единой национальной (общероссийской) электрической сети и о ведении реестра объектов электросетевого хозяйства, входящих в единую национальную (общероссийскую) электрическую сеть» № 648 от 28 октября 2003 г. .

— «Об утверждении правил согласования инвестиционных программ субъектов естественных монополий в электроэнергетике» от 19.01.2004 № 19;

— «Об утверждении правил оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике» от 27.12.2004 № 854;

— «Об утверждении Правил недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг, Правил недискриминационного доступа к услугам по оперативно-диспетчерскому управлению в электроэнергетике и оказания этих услуг, Правил недискриминационного доступа к услугам администратора торговой системы оптового рынка и оказания этих услуг, Правил технологического присоединения энергопринимающих устройств (энергетических установок) юридических и физических лиц к электрическим сетям» от 27.12,2004 № 861;

— «Основы ценообразования в отношении электрической и тепловой энергии в Российской Федерации» и «Правил, государственного регулирования и применения тарифов на электрическую и тепловую энергию в Российской Федерации» от 26 февраля 2004 г № 109.

— «О совершенствовании порядка функционирования оптового рынка электрической энергии (мощности) № 529 от 31 августа 2006 г.

Приказы Федеральной службы по тарифам.

Из них отметим следующие.

— «Об утверждении регламента рассмотрения дел об установлении тарифов и (или) их предельных уровней на электрическую (тепловую) энергию (мощность) и на услуги, оказываемые на оптовом и розничных рынках электрической (тепловой) энергии (мощности)» от 08.04.2005 г. № 130-э.

— Методические указания по определению платы за технологическое присоединение к электрическим сетям, от 15 февраля 2005 г. № 22-Э/5.

Представленный перечень Постановлений Правительства и Приказов ФСТ не исчерпывает, а лишь иллюстрирует общую картину построения федерального законодательства об электроэнергетике.

Ценовое регулирование в основе осуществляется законами «О естественных монополиях» и законом «Об электроэнергетике»

В соответствии с Федеральными Законами № 41-ФЗ (ст. 6 ч.1) от 14.04.1995 «О государственном регулировании тарифов на электрическую и тепловую энергию в Российской Федерации» и № 35-ФЗ (ст. 21 п.4) от 26.03.2003 тарифы на услуги по передаче электрической энергии устанавливают органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации в области государственного регулирования тарифов (в рамках предельных уровней, установленных ФСТ России). ФСТ — федеральная служба по тарифам.

Расчет тарифов производится в соответствии с Основами ценообразования и Правилами государственного регулирования тарифов, утвержденными постановлением Правительства РФ от 26.04.2004 № 109 и Методическими указаниями по расчету регулируемых тарифов и цен на электрическую (тепловую) энергию на розничном (потребительском) рынке, утвержденными Приказом ФСТ России от 06.08.2004 № 20-э/2.

При регулировании тарифов на передачу электрической энергии применяются:

— метод экономически обоснованных расходов («затраты +»);

— метод доходности инвестированного капитала (RAB).

Выбор метода регулирования производится регулирующим органом.

Тарифы на услуги по передаче электроэнергии дифференцируются по четырём уровням напряжения (ВН, СНI, СНII, НН) и устанавливаются едиными (котловыми) с учетом равенства тарифов для всех потребителей услуг, расположенных на территории соответствующего субъекта РФ и подключенных к сетям одного уровня напряжения, и не зависят от того, к сетям какой организации они подключены.

С 1 января 2011 года весь объем электрической энергии (мощности) поставляется по свободным (нерегулируемым) ценам всем категориям потребителей, кроме населения.

Нерегулируемые цены на розничных рынках электрической энергии на территориях, объединенных в ценовые зоны оптового рынка, определяются и применяются гарантирующими поставщиками в рамках предельных уровней, рассчитываемых в соответствии с основными положениями функционирования розничных рынков электрической энергии.

Гарантирующие поставщики определяют нерегулируемые цены в рамках предельных уровней нерегулируемых цен, дифференцируемых по следующим ценовым категориям:

1. первая ценовая категория — для объемов покупки электрической энергии (мощности), учет которых осуществляется в целом за расчетный период

2. вторая ценовая категория — для объемов покупки электрической энергии (мощности), учет которых осуществляется по зонам суток расчетного периода

3. третья ценовая категория — для объемов покупки электрической энергии (мощности), в отношении которых осуществляется почасовой учет, и стоимость услуг по передаче электрической энергии определяется по цене услуг в одноставочном выражении

4. четвертая ценовая категория — для объемов покупки электрической энергии (мощности), в отношении которых осущетсвляется почасовой учет. и стоимость услуг по передаче определяется по цене услуг в двухставочном выражении

5. пятая ценовая категория — для объемов покупки электрической энергии (мощности), в отношении которых осуществляются почасовое планирование и учет, и стоимость услуг по передаче электрической энергии определяется по цене услуг в одноставочном выражении

6. шестая ценовая категория — для объемов покупки электрической энергии (мощности), в отношении которых осуществляются почасовое планирование и учет, и стоимость услуг по передаче электрической энергии определяется по цене услуг в двухставочном выражении.

Выводы по главе: Системный анализ действующего законодательства в области электроэнергетики, тарифной политики, а также динамики энергетических потоков исследуемого предприятия позволил выбрать основные концептуальные направления энергосбережения на предприятии.

1. В результате анализа графиков нагрузки предприятия представленного в третьей главе работы, установлено, что наиболее выгодной для исследуемого предприятия является пятая (из рассмотренных выше) ценовая категория.

2. С учетом выбранной ценовой категории, особенную важность приобретают вопросы почасового планирования электропотребления, в частности прогнозирования графиков электрической нагрузки предприятия, детально рассмотренные в третьей главе работы.

3. Дифференциация тарифов по четырем уровням напряжения указывает на необходимость анализа потребителей на каждом из этих уровней и возможных путей оптимизации их электропотребления.

4. Варьирующийся в течение суток уровень цен на электрическую энергию требует рассмотрения вопросов оперативного управления нагрузкой с целью ее уменьшения в пиковые и полупиковые зоны. Как показано в третьем разделе работы, данный метод оптимизации дает весьма ощутимую экономию при оплате электроэнергии.

5. Установленные вышерассмотренными законами, основы государственного управления энергосбережением, включают стимулирование компенсации реактивной мощности на предприятии. Решения по данному вопросу представлены во втором разделе работы.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЗАВОДА

2.1 Схемы электроснабжения и состав оборудования Электроснабжение завода производится от ПС с тремя уровнями напряжения 220/110/35 кВ. ПС присоединена двумя ответвлениями к двухцепной ВЛ-220 кВ.

Точками присоединения системы электроснабжения завода на напряжении 110 кВ к ПС — являются кабельные наконечники кабельных линий КЛ-166 в ячейке 10, КЛ-167 в ячейке 24, КЛ-168 в ячейке 12, КЛ-169 в ячейке 26 распределительного устройства (РУ) ПС. В ячейках 10,24,12,26 ПС установлены масляные выключатели (МВ).

ЗРУ -35 кВ завода получает электроэнергию от шин 35 кВ автотрансформатора ПС .

Учет получаемой предприятием электроэнергии ведется в точках присоединения на ПС системой АИИСКУЭ.

Схема электроснабжения завода, а также схемы и состав оборудования ГПП-1, ГПП-2, ГПП-4 и ЗРУ-35 кВ представлены на рис. 3.1−3.5.

В качестве оперативного тока на подстанциях принят постоянный ток 220 В.

Источниками оперативного тока являются малогабаритные аккумуляторные батареи 220 В шкафного типа с зарядными и подзарядными устройствами.

На всех присоединениях подстанций предусмотрены устройства релейной защиты, автоматики, измерения, учета электроэнергии и управления в соответствии с требованиями Правил Устройства Электроустановок и технологическими требованиями.

В качестве устройств релейной защиты и подстанционной автоматики применяются современные микропроцессорные многофункциональные устройства.

Аппаратура релейной защиты размещается в релейных отсеках шкафов КРУ 35 и 10 кВ. Аппараты сложных релейных защит (дифференциальных, специальных и др.) размещаются на отдельно стоящих релейных панелях.

Управление присоединениями на ЗРУ-35кВ и ГПП осуществляется со щита управления с мнемосхемой, измерительными приборами, сигнальными и командными устройствами, а также микропроцессорной системой управления, контроля и представления данных.

Технические характеристики силовых трансформаторов и кабельных линий 110 кВ и 35 кВ приведены в таблицах 2.12.3.

Электроэнергия напряжением 110 кВ поступает в ГПП-1 и ГПП-2. Затем от РУ -10 кВ по кабельным линиям электроэнергия поступает на трансформаторные подстанции 10/0,4 кВ. Электроснабжение закрытого распредустройства ГПП-4 в настоящее время производится по кабельным линиям от ГПП-2.

Таблица 2.1

Технические характеристики трансформаторов 110 кВ и 35 кВ

Таблица 2.2.

Технические характеристики кабельных линий 110 кВ

Рис. 2.1. Схема электроснабжения завода Рис. 2.2. Схема ГПП-1

Рис. 2.3. Схема ГПП-2

Рис. 2.4. Схема ГПП-4

Рис. 2.5. Схема ЗРУ-35 кВ Таблица 2.3.

Технические характеристики кабельных линий 35 кВ

Воздушные линии ВЛ-821 и ВЛ-822 в электроснабжении завода не участвуют.

Сеть 10 кВ завода получает питание от ГПП1 и ГПП2. Сеть 10 кВ ГПП4 подключена кабелем длиной 2100 м от ГПП2, причем от ГПП4 получают электроэнергию в основном субабонетны. ГПП1 и ГПП2 обеспечивают в основном собственных потребителей завода.

От шин РУ 10 кВ ГПП1 и ГПП2 получают питание распределительные пункты 10 кВ и трансформаторные подстанции с трансформаторами мощностью в основном 2500,1600,1000,630 кВА. Также имеются в номенклатуре трансформаторы меньшей мощностью: 400,250,160 и 63 кВА.

Суммарная длина кабельной сети 10 кВ составляет: ГПП1−20 205 м; ГПП2−20 400 м; ГПП4−27 350 м; РП-1 -1581 м.

Всего завод насчитывает 55 трансформаторов различной единичной мощности. Суммарная установленная мощность трансформаторов на предприятии составляет 361 240 кВА.

Табл.2.4

С ведения о протяженности воздушных и кабельных линий передачи электроэнергии, м

2.2 Структура и эффективность использования электроэнергии с учетом нормативов Для анализа и планирования электропотребления, правильной разработки мероприятий по снижению расхода электроэнергии необходимо прежде всего установить энергоемкость каждого технологического передела, цеха или операции, и места, занимаемого ими в общем балансе электропотребления.

Энергоемкость технологических переделов и цехов зависит от их структуры, технологических особенностей, числа, типов и мощности оборудования, режимов их работы и отражает не только фактические показатели потребления электроэнергии, но и качественный уровень их использования за рассматриваемый период. Рассмотрение структуры электропотребления за длительный период позволяет выявить и оценить степень использования электроэнергии связанную с изменением в технологии, организации и объемах производства, а также системе электроснабжения предприятия. Анализ этих изменений служит основой для установления причин отклонений от норм электропотребления, выявления источников нерационального использования и резервов экономии электроэнергии.

Рассмотрим структуру электропотребления металлургического завода за 2010 год.

Анализ распределение потребления электроэнергии по подразделениям завода показывает, что наиболее энергоемким в 2010 году был электросталеплавильный цех (ЭСПЦ) — 61.2%, причем 51% объема потребления ЭСПЦ, это потребление электропечей ДСП-30 и АКП-30 на напряжении 35 кВ, т. е. остальное потребление электроэнергии (38,8%) осуществлялось на напряжении 110 кВ через понизительные подстанции ГПП1 и ГПП2.

Вторым по объемам потребления был цех теплогазовоздухоснабжения (ЦТГВС) с участками теплоснабжения компрессорной станции — 10,9%

Третьим по объемам потребления электроэнергии являлся цех водоснабжения и канализации (ЦВиК) 10.4%. На четвертом месте сортопрокатный цех (СПЦ) 9.7%. Пятое место было у чугунно-литейного производство (ЧЛП) — 9.5%. На долю остальных цехов подразделений завода (транспортного, ремонтного, складов и т. д.) приходилось 3.4% потребляемой энергии.

Для наглядности круговая диаграмма распределения электроэнергии по подразделениям завода в 2010 году представлена на рисунке 2.6.

Рис. 2.6 Круговая диаграмма распределения потребления электроэнергии по подразделениям завода в 2010 году Следует отметить, что любое металлургическое производство имеет большую постоянную составляющую энергозатрат, что увеличивает удельную составляющую электроэнергии в стоимости продукции. По этой причине полного соответствия между темпами снижения электропотребления и производительности для большинства технологических переделов металлургического производства быть не может, поскольку при снижении объемов производства всегда возрастает доля постоянных затрат энергии.

Как показывает анализ, повышенные энергозатраты часто вызваны не только влиянием постоянной составляющей, но в значительной степени неритмичной работой основного оборудования литейного и прокатного цехов с длительными простоями (без отключения агрегатов), не связанными с плановыми ремонтами и перестройкой механизмов на выпуск другого сортамента.

Таким образом, специфика конкретного цеха, определяемая особенностью технологического процесса, составом и мощностью оборудования и режимом его работы, в значительной мере формирует характер и динамику электропотребления.

Поэтому рассмотрим фактические затраты электроэнергии по основным цехам ЭСПЦ, СПЦ и ЧЛП.

Изменения удельных показателей электропотребления основных производств предприятия в виде графиков по месяцам 2010 года и отдельно по годам (рис. 2.7 — 2.8).

Рис. 2.7 Изменение фактического удельного расхода электроэнергии основных производств по месяцам 2010 года Рис. 2.8. Динамика изменения удельных показателей расхода электроэнергии основных производств.

Анализ рис. 2.7 показывает, что по месяцам 2010 года заметны колебания удельного расхода электроэнергии на тонну выпускаемой продукции. Наибольший размах колебаний присущ чугунно-литейному производству, что характеризует нестабильность производственного процесса и с годовыми объемами, существенно меньшими нормативных возможностей установленных 2х индукционных печей FS40 TwinPower (2006 год выпуска). Тем не менее, очевидна положительная тенденция по снижению среднего удельного расхода электроэнергии на тонну выплавляемого чугуна с 2608,8 кВт*ч/т в2009году до 2169,3 кВт*ч/т (на 439,5 кВт*ч/т) в 2010 году. При годовом росте объемов производства с 2972,2 тонн (2009г) до 4126,2 тонн (2010г).

Таким образом, одна из очевидных причин снижения удельного расхода электроэнергии ЧЛП это уменьшение влияния постоянной составляющей производства при росте его объемов. В августе 2011 года уже достигнут более положительный результат по снижению удельного расхода электроэнергии на выплавку одной тонны чугуна до величины 1585,7 кВт*ч/т, т. е. на 583,44 кВт*ч/т меньше, чем в 2010 году.

Таким образом потенциал энергосбережения ЧЛП в пересчете на объем производства в базовом 2010 году (4126,231 кВт*ч/год) составляет не менее 2,4 млн кВт*ч/год. При росте объемов производства до 10,0 тыс. тонн годного литья в год, предусмотренные рабочим проектом, потенциал энергосбережения может ещё более возрасти.

Сортопрокатный цех (СПЦ) имеет наилучшую динамику и характеристику удельного электропотребления, с показателями 2009 и 2010 года ниже нормативного значения 110 кВт*ч/т, что объясняется применением современного электроэнергетического оборудования и приводов.

Исследование фактических и нормативных показателей наиболее энергоемкого электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) показывает наличие существенных резервов.

Средний фактический расход электроэнергии печей ДСП30 и АКП30 на тонну литья заметно превышает нормативное значение в 2009 году на 91 кВт*ч/т (18,6%), в 2010 году — на 78,8 кВт*ч/т (15,9%), хотя очевидна положительная тенденция снижения удельных расходов на 2,7%.

Если исходить из нормативного удельного расхода печей на тонну литья, то по показателям базового 2010 года потенциал энергосбережения составит:

ДW_уд1 W_г =77,8 · 198 699,71 =15,459 млн. кВт*ч/год Аналогичная картина наличия заметного потенциала энергосбережения наблюдается и для прочих потребителей ЭСПЦ. В 2009 году разница фактического и нормативного значения (см. табл. 2.7) составила 30,9 кВт*ч/т в; в 2010 году — 23,9 кВт*ч/т.

Таким образом, хотя и имеется положительная динамика снижения рассматриваемого удельного расхода, потенциал энергосбережения по прочим потребителям ЭСПЦ по показателям базового 2010 года составит величину:

ДW_уд2 W_г =23,9 · 189 699,71= 4,749 млн. кВт*ч/год Таким образом, в целом потенциал энергосбережения ЭСПЦ составит:

15,459 +4,749 = 20,208 млн. кВт*ч/год Как показывают результаты работы ЭСПЦ уже в 2011 году получено снижение удельного расхода ЭСПЦ на 40 — 50 кВт*ч/т за счет совершенствования и оптимизации технологического процесса ЭСПЦ.

2.3 Компенсация реактивной мощности, колебания напряжения и фильтрация высших гармоник На предприятии имеются конденсаторные установки (КУ) в сетях 10 кВ для повышения коэффициента мощности (Cos) до величины 0,98. Всего на предприятии имеется 5 компенсирующих устройств (БСК и СТК) на напряжении 10 и 35 кВ суммарной мощностью 27,6 МВАр.

При определении расчетных значений КУ учитывалась компенсирующая возможность синхронных двигателей.

Суммарная мощность конденсаторных установок в сети 10 кВ составляет около 12,6 МВАр. Для защиты конденсаторных батарей от перегрузки токами высших гармоник в цепи конденсаторных установок предусмотрена установка реакторов.

Особое место в составе потребителей электроэнергии завода занимают дуговая сталеплавильная печь и агрегат ковш-печь в электросталеплавильном отделении и главные приводы клетей мелкосортного стана в прокатном цехе, которые имеют «ударный» характер нагрузки и достаточно низкий коэффициент мощности, а также являются источниками высших гармоник тока и напряжения.

Для обеспечения нормативных требований к качеству электрической энергии и устойчивой работы агрегатов и установок необходимо, чтобы колебания напряжения в «общей» точке сети, к которой подключены электроприемники с «ударным» характером нагрузки, не превышали 1% номинального.

Значение колебаний напряжения в заданной точке сети определяется по формуле:

ДV = ДQ/ S_кз х 100% для электросталеплавильных агрегатов и ДV = ДS / S_кз х 100% для главных приводов прокатного стана;

где: S_кз — мощность короткого замыкания в рассматриваемой точке сети;

ДQ и ДS — размах колебаний реактивной и полной мощности соответствующих электроприемников с «ударным» характером нагрузки.

«Общей» точкой сети, в которой должны обеспечиваться нормативные параметры качества электроэнергии, в этом случае являются шины 110 кВ подстанции. По сообщению энергоснабжающей органицации мощность короткого замыкания в этой точке в минимальном режиме составляет 1656 МВА.

Ниже приведены данные по воздействию электроприемников ЭСПЦ и прокатного стана на питающую сеть и определены основные параметры установок для компенсации реактивной мощности и обеспечения нормативных значений параметров качества электроэнергии.

Основные потребители электросталеплавильного отделения ДСП и АКП подключены к сети 35 кВ.

Максимальный размах колебаний реактивной мощности ДСП — ДQдсп? 11 МВАр, а размах колебаний реактивной мощности АКП — ДQакп? 2,5 МВАр. Суммарный размах колебаний реактивной мощности, определяемый как геометрическая сумма его составляющих — Дqсум? 11,3 МВА.

В этом случае максимальное значение колебаний напряжения на шинах 110 кВ подстанции составит ДV = ДQ/ Sкз х 100%=0,68%, что позволяет не принимать специальных мер по подавлению колебаний напряжения.

Естественный коэффициент мощности ДСП в период расплавления равен Cosц=0,7. Естественный коэффициент мощности АКП равен Cosц=0,8. Для двух агрегатов установлено общее компенсирующее устройство 15,0 МВАр 35кВ для повышения значения коэффициента мощности до величины 0,98.

Установка компенсации реактивной мощности, выбранная по условию повышения Cosц до величины 0,98, оборудована реакторами для фильтрации 3-й гармоники и, при указанной мощности к.з. на шинах 110 кВ, и должна обеспечить снижение искажения формы кривой напряжения в сети, а коэффициент несинусоидальности напряжения при этом не должен превышать нормативного значения.

Однако в настоящее время находится в отключенном состоянии вследствие завышенного уровня напряжения на шинах 35 кВ подстанции.

Результаты оценки показателей качества электроэнергии ЗРУ 35 кВ проведенные в процессе энергоаудита показывают не соответствие требованиям ГОСТ показателей установившегося значения отклонения напряжения, коэффициента n-гармонической составляющей и дозы фликера.

Прокатный стан имеет в своем составе черновую группу из 6 клетей с мощностью главных приводов по 300 кВт, промежуточную группу из 6 клетей с мощностью главных приводов по 500 кВт и чистовую группу из 6 клетей с мощностью главных приводов по 500 кВт.

Все главные привода через индивидуальные трансформаторы подключаются к ГПП-1 на напряжении 10 кВ.

Максимальный размах колебаний полной мощности при любых режимах прокатки не превышает ДS? 2 МВА.

«Общей» точкой сети, в которой должны обеспечиваться нормативные параметры качества электроэнергии, являются шины 10 кВ ГПП со значением мощности короткого замыкания в минимальном режиме S_к.з.= 230 МВА.

В этом случае максимальное значение колебаний напряжения на шинах 10 кВ ГПП составит ДV= ДS / S_к.з. х 100% = 0,87%, что позволяет не принимать специальных мер по подавлению колебаний напряжения.

В свою очередь шины 10кВ ГПП-1 через трансформаторы 110/10кВ подключены к шинам 110кВ подстанции и максимальное значение колебаний напряжения, создаваемое клетями прокатного стана на шинах 110 кВ, будет составлять ДV= ДS / S_к.з. х 100% =0,12%.

Таким образом, максимальные значения колебаний напряжения на шинах 110 кВ подстанции в «общей» точке определяются как геометрическая сумма колебаний напряжения, создаваемых печными агрегатами, и колебаний напряжения, создаваемыми клетями прокатного стана, и составляет примерно 0,69%, что позволяет не принимать специальных мер по подавлению колебаний напряжения. Вместе с тем результаты проверки качества электроэнергии показали не соответствие показателей качества по коэффициенту n-гармонической составляющей и дозе фликера.

Результаты потребления активной и реактивной мощности и коэффициента мощности приведен в таблицах 2.9−2.13.

Табл.2.5

Объем транспортировки электроэнергии в год, кВт*ч

Табл.2.6

Потребление реактивной энергии в год кВар*ч

Табл.2.7

Выдача в сеть в год, кВар*ч

Табл.2.8

Реактивная энергия (разность)

Табл.2.9

Полная энергия

Табл.2.10

cos — коэффициент мощности

Анализируя конечные результаты электропотребления активной и реактивной мощности следует отметить в целом положительный результат по практическим значениям коэффициента мощности на напряжении 110 кВ, и не выполнение плановых показателей коэффициента мощности на напряжении 35 кВ в связи с технической невозможностью включения установленного компенсирующего устройства вследствие повышенного напряжения на шинах 35 кВ электроэнергетической системы, что приводит к дополнительным потерям электрической энергии в системе.

2.4 Выводы и предложения

1. Система электроснабжения завода имеет значительный запас трансформаторной мощности 110/10 кВ в наследство от своего предшественника. В работе находится четыре трансформатора мощностью по 63 МВА каждый при расчетной мощности нагрузки завода на напряжении 10 кВ — 32,38 МВА, т. е. мощность трансформаторов почти в 10 раз превышает мощность нагрузки. В результате:

— с одной стороны завод имеет хорошие перспективы на наращивание производственных мощностей, так как техническая характеристика трансформаторов (по результатам комплексной технической диагностики, проведенной в 2010 году полностью соответствует нормативным требованиям;

— с другой стороны технические условно-постоянные потери (холостого хода) достаточно велики, что снижает показатели энергоэффективности системы электроснабжения завода, т. е. необходим комплекс мероприятий по консервации 2-х трансформаторов с учетом особенностей кабельных линий 110 кВ.

2. В системе электроснабжения имеются компенсирующие устройства реактивной мощности на напряжении 10 кВ -12,6 МВАр и на напряжении 35 кВ- 15 МАр. На напряжении 110 кВ с их помощью практически обеспечены нормативные значения коэффициента мощности cos=0,98.

Однако целесообразна установка компенсирующих устройств реактивной мощности в 5РП станции первого подъема на р. Днепр, что позволит почти на треть (90 тыс. кВт*ч) сократить потери в воздушных и кабельных линиях и трансформаторах, питающих электродвигатели насосной станции. Затраты на реализацию проекта составляют 840 тыс. руб., экономический эффект составляет 211,5 тыс. руб./год, срок окупаемости — 4,0 года.

Внедрение устройств компенсации реактивной мощности 300 кВар на напряжении 0,4 кВ объектов «грязно-чистого цикла» водоснабжения даст экономию около 180 тыс. кВт*ч/год за счет снижения потерь активной энергии. Затраты составят около 400 тыс. руб., срок окупаемости 0,95 года при экономическом эффекте 423 тыс. руб./год.

3. На напряжении 35 кВ в настоящее время отсутствует техническая возможность включения компенсирующего устройства, вследствие повышенного сверх требований ГОСТ уровня напряжения на шинах 35 кВ ЗРУ-35 (до 40 кВ). Это подтверждено экспериментальной проверкой качества электроэнергии, по которой коэффициент длительного отклонения напряжения превышает нормативное значение. Предлагается решить эту проблему установкой трансформаторов 110/35 кВ ТДНМ-63 000/100000/110-У1,обладающих хорошей регулировочной способностью под нагрузкой и технико-экономической характеристикой.

Установка трансформаторов позволит:

— осуществить компенсацию реактивной мощности на напряжении 35 кВ, что в перспективе избавит завод от дополнительной платы за используемую из системы реактивную энергию до 70 млн. кВар*ч/год, что в стоимостном выражении может достигать 20 млн руб./год (Приказ ФСТ от 31.08.2010 г. № 219-Э/б);

— включить фильтрокомпенсирующее устройство для стабилизации режима и снижения влияния электромагнитных помех при работе печей;

— снизить величину толчков тока на сетевой трансформатор в среднем на 30%;

— уменьшить время плавки на 10,8%;

— повысить производительность печей за счет стабилизации режима реактивной мощности, что позволяет, в свою очередь снизить расход природного газа и кислорода при производстве металлопродукции;

— обеспечить нормативные значения показателей качества электроэнергии;

— повысить надежность работы электрической сети и электроприемников;

— обеспечить возможность расширения производства и введения новых мощностей.

Опыт внедрения указанных мероприятий на металлургических предприятиях «Азовсталь» и «Донецксталь» показал, что при инвестициях в 40 млн. грн срок окупаемости составит 1,1 год при экономическом эффекте 36 млн.грн.

Опыт внедрения аналогичных мероприятий на ОАО «Алчевский металлургический комбинат» в сети 35 кВ дал следующие результаты:

— коэффициент мощности возрос от значения cos=0,76 до cos=0,99;

— уменьшилось отклонение уровня напряжения на 6,4%U_Н;

— время технологической плавки сократилось на 4%;