Рациональные системы электроснабжения для промышленных предприятий средней мощности

Около 70 процентов всей вырабатываемой электроэнергии в стране потребляется промышленными предприятиями (ПП), из них почти половина идет на ПП средней мощности (СМ).

Спектр электроприемников на ПП средней мощности различен:

— электроприводы различных станков и механизмов;

— различные виды электросварки как на однофазном токе, так и на постоянном токе, получаемом от преобразователей. Примером таких потребителей могут служить сварочные машины шовные, стыковые, точечные. Они работают с постоянными большими бросками мощности, характеризуются большой частотой и малой продолжительностью включения;

— гальванопластика (автоматы для никелирования, цинкования деталей на подвесках и др.).Для достижения необходимой толщины покрытия деталей необходима четкая работа оборудования, электродвигателей, своевременное их включение и отключение;

— преобразователи частоты (ПЧ) для электродвигателей (вентильные, машинные). ПЧ создают большие трудности для электроснабжения: колебания напряжения, искажение формы кривых либо тока, либо напряжения;

— электротермическое регулируемое оборудование и установки (электрические печи, нагревательные аппараты). Они работают в продолжительном режиме;

— электронно-вычислительные машины;

— потребители, обслуживающие собственные нужды ПЩвентиляторы, освещение, насосы, компрессоры).

Все эти электроприемники имеют различные требования к качеству электроэнергии, потребляемой ими, к надежности электроснабжения.

На ПП СМ, работающих в две или одну смены (в условиях переходного периода к рыночной экономике многие ПП переходят на односменную работу или на сокращенную рабочую неделю), такой режим работы ПП требует возможности отключения неработающего оборудования и части силовых трансформаторов цеховых подстанций в нерабочее время. При малой загрузке цеховых трансформаторов в системе электроснабжения (СЭС) возникают дополнительные потери электроэнергии (ЭЭ) в период между рабочими сменами. А в связи с быстрым ростом стоимости ЭЭ задача ее экономии в том числе и в нерабочее время оборудования встает еще острее.

В тоже время по существующим правилам проектирования [ 60 ] все потребители ЭЭ получают питание от одних и тех же цеховых трансформаторов. Поэтому последние должны быть круглосуточно включены. Это обусловлено тем обстоятельством, что до 90-х годов ЭЭ была весьма дешевая, а оборудование значительно дороже, поэтому такая схема считалась по затратам предпочтительнее.

В последующее время стоимость ЭЭ возросла, возросла и стоимость электрооборудования предприятий до мировых цен. Поэтому совместное питание нагрузок стало не всегда целесообразным.

Нужно отметить, что к вопросу о раздельном питании некоторых потребителей ЭЭ (освещение) обращались еще в 50-е годы. Например во ВНИПИ ТЯЖПГОМЭЛЕКТРОПРОЕКТ было проведено технико-экономическое сравнение схем совместного и раздельного питания технологической нагрузки и освещения. Вопрос решился в пользу совместного питания, так как эта схема оказалась более дешевой. В то время потребителей, подобных освещению, то есть имеющих практически постоянный график нагрузки было немного, особенно это касается предприятий, производящих металл, обрабатывающих сырье (электроёмкие производства). На них такие потребители составляли З.6% от всей нагрузки.

В настоящее время этот вопрос является открытым (растет число новых потребителей с равномерным графиком нагрузки, усиливаются требования к качеству ЭЭ со стороны этих потребителей и другие особенности).

Можно создать такую методику выбора рациональной СЭС, на основании которой можно разработать СЭС, удовлетворяющую требованиям надежности, качества ЭЭ и минимума потерь ЭЭ в СЭС ПП средней мощности. При этом автоматизация расчетно-экспериментальных исследований по определению надежности узлов СЭС ПП и расчету потерь ЭЭ в СЭС ПП даст возможность снизить трудоемкость расчетов, повысить обоснованность принимаемых решений за счет углубленных расчетов структурной надежности СЭС ПП на ЭВМ.

Рекомендации по возможности применения тех или иных СЭС в зависимости от особенностей ПП (расположения цехов, режима работы, назначения ПП и др.) позволяют точнее и быстрее определить конфигурацию и структуру СЭС для дальнейшего ее технико-экономического обоснования (ТЭО) к применению. В силу вышесказанного, разработка рекомендаций по выбору рациональной СЭС и методики, оснащенной программными средствами по расчетам надежности и потерь ЭЭ в СЭС, которая позволит создать или модернизировать СЭС ПП средней мощности, является актуальной задачей.

Диссертационная работа, посвященная этим вопросам, выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института (технического университета).

Основная цель работы заключается в выработке рекомендаций по выбору вариантов конфигурации СЭС предприятий средней мощности в зависимости от конкретных условий: расположение цехов, категорийности приемников ЭЭ, сменности работы, мощности потребителей с равномерным графиком нагрузки, и разработка методики выбора рациональной СЭС для этих предприятий.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

— сбор и обработка статистических данных о ПП СМ (потребители, источники питания, напряжение, компенсация реактивной мощности, сменность работы и т. д.);

— разработка методики сравнения СЭС ПП СМ;

— создание программ по определению потерь ЭЭ в СЭС ПП и по наиболее трудоемким расчетам при определении надежности узлов СЭС;

— разработка рекомендаций по применению той или иной конфигурации и структуры СЭС согласно особенностям конкретного ПП СМ.

Методика проведения исследований. Исследования, проведенные в диссертационной работе, базируются на использовании методов математического моделирования, реализующих принципы системного подхода при отображении структуры, СЭС ПП СМ. В работе использовались теории вероятностей и графов электрических сетей. Программное обеспечение выполнено на языке Visual Basic применительно к пакету сервисных программ Excel 5.0 при работе на ПЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов определяется корректным применением математических методов, использованием апробированных моделей, согласованностью результатов, полученных при расчетах сравниваемых схем СЭС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Рассмотрены и выявлены особенности в электроснабжении потребителей ПП СМ с точки зрения режимов работы, надежности электроснабжения и электропотребления.

2. Разработаны программы по расчету структурной надежности электрических сетей применительно к СЭС ПП СМ относительно узлов нагрузки 10- 0,4 кВ и расчету потерь ЭЭ в СЭС ПП на ЭВМ.

3. Разработаны рекомендации по применению различных конфигураций и структуры СЭС для ПП средней мощности в зависимости от конкретных условий (расположение цехов на территории ПП, потребной мощности цехов, категорийности потребителей ЭЭ, сменности работы и др.).

Практическая ценность работы.

В работе предложены:

I. Рекомендации по выбору конфигурации и структуры СЭС для ПП СМ, позволяющие уменьшить трудозатраты при выборе СЭС для конкретного завода согласно его особенностям. z Методика сравнения СЭС для ППСМ. з. Программы по расчету структурной надежности узлов СЭС и потерь ЭЭ в СЭС ПП на ПЭВМ.

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры ЭПП МЭИ, научно-технической конференции «Электросбережение, электроснабжение, электрооборудование» в г. Новомосковске, в ноябре 1996 года.

Внедрение. Результаты работы нашли применение на АО «Рузхиммаш» .

Публикации. По теме диссертации опубликовано две печатные работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, акта о внедрении и приложений.

4.9. Выводы.

1. Предложен алгоритм расчета на ЭВМ потерь электроэнергии для схем раздельного питания технологической нагрузки и потребителей с равномерным графиком.

2. Показано на основании технико — экономического расчета, что раздельное питание потребителей окупается только при значительном повышении тарифов на электроэнергию, когда цены на электрооборудование растут медленнее, чем цены на ЭЭ. Так в ценах 1985 года переход на раздельное питание окупается в десятки лет, а в ценах 1996 года с увеличением стоимости ЭЭ, он уже окупается за 3 -10 лет.

3. Разработаны рекомендации для выбора схемы раздельного питания потребителей технологических и с равномерным графиком нагрузки, при использовании которых необходимо учитывать:

— расположение цехов на территории предприятия;

— категорийность потребителей цеха;

— режим работы цеха (сменность работы);

— общая мощность потребителей с равномерным графиком нагрузки цеха.

4. Установлено, что при компактном расположении цехов (1<0,1 км) схема раздельного питания потребителей с равномерным графиком и технологической нагрузки, когда первые питаются от отдельных трансформаторов, стоящих в центре электрических нагрузок, экономически целесообразны.

5. При увеличении общей мощности потребителей с равномерным графиком по сравнению с общей нагрузкой цеха и увеличении протяженности кабельной сети (ЫМ км) целесообразными, с точки зрения потерь мощности в нерабочее время, становятся схемы раздельного питания, когда потребители с равномерным графиком нагрузки питаются от отдельных цеховых трансформаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведенных исследований систем электроснабжения промышленных предприятий средней мощности можно сделать следующие выводы:

1. Существующие СЭС ПП средней мощности не обладают необходимой гибкостью, а в некоторых случаях и надежностью электроснабжения потребителей. В настоящее время эта задача встает более остро так как стоимость ЭЭ резко возросла и ПП переходят на одно, двухсменную работу, нет возможности отключать цеховые трансформаторы в нерабочее время из-за питания потребителей, работающих круглосуточно или требующих питания на свои зажимах постоянно.

2. Анализ электроснабжения ПП средней мощности показал, что расход ЭЭ потребителей с равномерным графиком нагрузки составляет 25−30% от общей доли электропотребления предприятия, а на освещение 10−15%.

3. Для экономии ЭЭ в нерабочий период ПП средней мощности возможно применение различных схем раздельного питания технологической нагрузки и потребителей с равномерным графиком. Их можно разделить на группы:

— потребители с равномерным графиком нагрузки питаются от отдельных трансформаторов, установленных в цехах;

— потребители с равномерным графиком нагрузки питаются от щитов 0,4 кВ в цехах, которые получают питание от отдельных трансформаторов, установленных на ГПП;

— потребители с равномерным графиком нагрузки питаются как от отдельных трансформаторов, так и от щитов 0,4 кВ, установленных в цехах.

4. Предложенная методика выбора огггимального варианта СЭС ПП средней мощности позволяет выбрать из конкурентноспособных надежный, удовлетворяющий требованиям качества ЭЭ, и минимуму затрат вариант СЭС.

5. Показано, что методика расчета структурной надежности СЭС, которая ранее применялась для оценки надежности высоковольтных сетей, может быть использована и для оценки надежности заводской сети 10,0,4 кВ .

6. Расчеты структурной надежности СЭС, проведенные на ЭВМ показали, что схемы раздельного питания по структурной надежности выше или находятся на уровне схем совместного питания технологической нагрузки и потребителей с равномерным графиком. Это подтвердили расчеты для существующих схем и предложенных схем раздельного питания для АО «Рузхиммаш» и ГолАЗа.

7. Разработана программа для расчета потерь ЭЭ в заводских сетях. Согласно расчетам потери ЭЭ в схемах раздельного питания всегда ниже, чем в схема совместного питания. Расчеты показали, что экономия ЭЭ в схемах раздельного питания по сравнению со схемами совместного питания составляет не менее 1% в год при двухсменной работе ПП, 1,5% в год при односменной работе ПП.

8. Показано на основании технико-экономических расчетов, что электроснабжение, позволяющее производить раздельное питание потребителей окупается только в современных условиях рыночной экономики, когда цены на электрооборудование растут медленнее, чем цены на ЭЭ. Так в ценах 1985 гда переход на раздельное питание окупается в десятки лет, а в ценах 1996 года с увеличением цены на ЭЭ, он уже окупается за 3 — 10 лет.

9. Разработаны рекомендации для возможного применения схем раздельного питания при конкретных условиях:

— расположение цехов на территории ПП,.

— категорийность потребителей цеха,.

— режим работы цеха (сменность работы),.

— общая мощность потребителей с равномерным графиком нагрузки.

Они позволяют правильно подобрать конкурентоспособные варианты из предложенных схем для дальнейшего технико-экономического обоснования оптимального варианта СЭС.