Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Кафедра автоматики та електропривода

ОПОРНИЙ КОНСПЕКТ з навчальної дисципліни

Енергозберігаючі технології у нафтогазовій галузі

для студентів спеціальності

Обладнання нафтових і газових промислів

Спеціальність	Дата затвердження робочої програми	Шифр електронної бібліотеки
8.090217	6.09.2010

Лектор:

к.т.н., доцент Лисиця М.П.

Рецензент: к.т.н., доцент Тамахін Г.В.

Конспект розглянуто й схвалено на засіданні

кафедри автоматики і електропривода,

протокол № 9 від 21.12.2010 р.

Завідувач кафедри: д.т.н., професор С.В. Козелков

Полтава 2010

Лекція 1

Основні поняття, тенденції та шляхи реалізації

1. Вступ. Збереження електроенергії – частина загальної тенденції по захисту навколишнього середовища

2. Загальні поняття і тенденції розвитку енергозбереження

3. Багаторівнева структура сучасного електропривода

4. Шляхи реалізації енергозбереження засобами промислового електроприводу

1.1 Вступ. Збереження електроенергії – частина загальної тенденції по захисту навколишнього середовища

Збереження електричної енергії є важливою частиною загальної тенденції по захисту навколишнього середовища. Електродвигуни, що приводять у дію системи в побуті й на виробництві, споживають більше половини виробленої енергії, саме тут закладені найбільші резерви енергозбереження.

Більшість електродвигунів працюють у нерегульованому режимі й, отже, з низькою ефективністю. Через недоліки проектування й експлуатації електропривода коефіцієнт завантаження багатьох машин не перевищує 50%, що диктує необхідність зниження встановленої потужності двигунів. Робота привода в недовантаженому режимі приводить до величезних втрат, не враховуючи зниженого значення коефіцієнта потужності, оскільки загальна встановлена потужність асинхронних двигунів у країні становить близько 40… 50 млн. кВт. Сумарна ж установлена потужність двигунів у СНД приблизно рівна 550 млн. кВт.

Зростаюча складність одержання енергії, ріст енергоємних технологій, необхідність безаварійної роботи машин і механізмів вимагає застосування регульованого електропривода. Перехід до регульованого електропривода змінного струму окремих механізмів дозволить заощадити до 50% енергоресурсів.

Недавній прогрес у напівпровідниковій індустрії, особливо в силовій електроніці й мікроконтролерах, зробили приводи з регулюванням частоти обертання більш практичними й значно менш дорогими. Сьогодні регульовані приводи потрібні не тільки у високопрофесійних і потужних промислових застосуваннях, таких як обробні машини або піднімальні крани, але усе більше й більше в побутовій техніці, наприклад, у пральних машинах, компресорах, невеликих насосах, кондиціонерах повітря й т.п.

Тому в цей час особливе значення набувають питання розробки й широкого впровадження методів і способів керування енергоефективністю (енергозбереженням) засобами промислового електропривода, тому що з одного боку стала гострою проблема економії електроенергії й, з іншого боку – з'явилася реальна можливість її ефективного розв'язку стосовно до головного її споживача електроприводу.

1.2 Загальні поняття і тенденції розвитку енергозбереження

В Україні, яка займає 2,7% території колишнього СРСР (603,7 тис. км²), в 1990 році було розміщено 15,2% основних виробничих фондів; випускалося понад 17% промислової й 22% сільськогосподарської продукції; добувалося 27% вугілля, 52% залізної руди; вироблялося 35% сталі; випускалося 95% магістральних тепловозів, 24% тракторів, 21% зерна й 50% цукру. У державі є понад 8 тис. родовищ, де розробляються 90 видів покладів корисних копалин; на її території перебуває 28,6% чорноземів світу.

За даними Ради по вивченню продуктивних сил НАН України, в 1990 р. ВНП становив 207,8 млрд. грн., а 1997 р. - 76,4 млрд. грн., що в 2, 72 рази менше. За сім років Україна втратила потенціал, який обчислювався в 636,3 млрд. грн.

За даними західних експертів світові запаси нафти й газу будуть вичерпані за 80-90 років, вугілля - за 350 років. Запаси вугілля України розраховані на 400 років, що дає можливість розглядати сучасну вугільну енергетику як пріоритетну, а вугілля - як основний енергетичний ресурс України.

Основні запаси кам'яного вугілля зосереджені в Донецьком (98% загальних запасів) і Львівсько-Волинськім (2%) басейнах, бурого вугілля - в основному в Дніпропетровськом басейні.

Діючий шахтний фонд України на 1996 р. склав 285 шахт і 7 розрізів з відкритим видобутком бурого вугілля. Можливий річний енергетичний потенціал становить до 190 млн. тонн. У Донецьком басейні є 261 шахта, з них 119 добувають коксівне вугілля. ДО 2010 року намічається закрити 139 шахт. За останні 20 років у Донбасі не було закладено ні однієї шахти, 80% працюють без реконструкції більш 2 років. У Львівсько-Волинськім басейні до 2005 року з 17 діючих шахт продуктивністю 9,2 млн. тонн буде закрито 13. У Дніпропетровськом буровугільному басейні діє 6 шахт і 7 розрізів продуктивністю 7 млн. тонн, усі підприємства вичерпують свої запаси в період 2000-2010 рр.

Продуктивність праці на шахтах України становить 2-25% від рівня досягнутого в США й Західній Європі. У вугільній промисловості коефіцієнт використання гірничошахтного встаткування перебуває на рівні 0,2.

Таким чином, вугільна промисловість України у зв'язку з її пріоритетністю розвитку як єдиного в недалекім майбутньому природного енергоносія вимагає реорганізації, капітальних вкладень і підвищення ефективності робіт окремих процесів галузі.

В 1992-1997 рр. у нашій державі високими темпами збільшувалася частка найбільш енергоємних галузей, які виробляють проміжну продукцію, і зменшувалася частка галузей, які випускають продукцію кінцевого споживання. Загальне падіння промислового виробництва (% від обсягу 1990 року) наведене на мал.1.1.

Сучасний етап розвитку України характеризується гострим енергодефіцитом, тому що потреба у використанні паливно-енергетичних ресурсів за рахунок власного їхнього видобутку задовольняється менше, ніж на 50%. У той же час енергоємність валового внутрішнього продукту у два рази вище, чим той же показник для країн Західної Європи, і він продовжує зростати. Енергоємність в 1996 р. у порівнянні з 1992 роком зросла на 42%. Виробництво ж скоротилося на багатьох підприємствах до 20..25% колишнього потенціалу.

Рис. 1.1

Сумарна встановлена потужність електростанцій України становила в 1998 р. 55,2 млн.кВт, у тому числі ТЕС і ГЕС Міненерго України відповідно - 32,4 млн. кВт і 4,7 млн. кВт (58,7% і 8,5%); АЕС - 13,8 млн. кВт (25%); блок станцій інших міністерств і відомств - 4,3 млн. кВт (7,8%). У Україні працює 8 великих ГЕС , 25 середніх й 1 гідроакумулююча електростанція (ГАЕС). Теплова енергетика забезпечується власними паливними ресурсами тільки на 33%, в основному за рахунок вугілля.

Рис. 1.2

В 1998 році в Україні вироблено 173 млрд. кВт. год. електроенергії (див. мал.1.2), у тому числі електростанціями об'єднаної енергетичної системи (ОЕС) України - 171978,7 млн. кВт·год. За 1997 рік було вироблено 177024,4 млн. кВт·год. Отже, зниження виробництва електроенергії в 1998 році становить 5045,7 млн. кВт·год, або 2,9 %.

Головними причинами падіння обсягів виробництва електроенергії залишається спад промислового виробництва на підприємствах України й украй низька платоспроможність вітчизняних споживачів.

У країні експлуатується більше 1 млн. км повітряних і кабельних ліній електропередач усіх класів напруг, а також 5,4 тис. одиниць трансформаторних підстанцій загальною потужністю 160 тис. МВА.

На мал. 1.3 представлені графіки споживання електроенергії на Україні в 1990 і 1996 р.г.

Рис. 1.3

Однієї із проблем української енергетики є те, що бракує маневрових потужностей, які дозволяють покривати попит на електроенергію під час пікових навантажень, а також перебіги електроенергії. За 5 місяців 1998 р. українська енергетика була в зимовій кризі, (дефіцит потужності становив більше ніж 4 млн. кВт) і у весняній кризі (надлишок потужності становив майже 7-8 млн. кВт). Частота напруги коливалася від мінімального рівня 49,1 Гц до максимально припустимого рівня - 50,4 Гц.

Енергозбереження - це комплекс заходів, спрямованих на раціональне використання енергетичних ресурсів. У результаті знижується потреба в паливно-енергетичних ресурсах на одиницю кінцевого продукту й зменшується несприятливий вплив на навколишнє середовище.

Механізм втілення енергозбереження в життя - реалізація законодавчих, організаційних, економічних, технічних і інформаційних заходів, спрямованих на ефективне використання енергетичних ресурсів і поліпшення стану навколишнього середовища.

Крім поняття «енергозбереження» існують ще енергоефективність, енергоменеджмент, энерговикористання, енергоаудит, енергоконсалтинг…

Енергоефективність - властивість устаткування, технології або виробництва, що характеризує частину використання енергії на одиницю кінцевого продукту. Енергоефективність оцінюється за допомогою показників як кількісно (кВтгод, тонни умовного палива, кДж на одиницю кінцевого продукту), так і якісно (низька, висока).

Енергоменеджмент - керування раціональним використанням енергії на всіх стадіях її виробництва, передачі, розподілу й споживання, включаючи комплексний оптимальний розв'язок технічних, економічних і екологічних проблем, пов'язаних із цим процесом.

Енерговикористання - комплекс дій персоналу об'єкта, роботи його встаткування й технологій, пов'язаних із процесами від виробництва енергії - до її споживання.

Енергоаудит - складова частина енергоменеджмента, зорієнтована на обстеження об'єкта з погляду його енерговикористання (виявлення фактів нераціонального використання енергії, визначення заходів щодо енергозбереження, оцінки технічних і економічних можливостей щодо їхньої реалізації). Цей вид діяльності спрямований на зменшення споживання енергетичних ресурсів суб'єктами господарювання за рахунок підвищення ефективності використання енергії.

Енергоконсалтинг – консультаційна діяльність, спрямована на роз'яснення переваг реалізації енергозбереження; на надання практичної допомоги у вирішенні енергетичних проблем замовника; на вибір і обґрунтування енергоефективних розв'язків; на популяризацію знань, навчання персоналу.

Енергосервісна компанія здійснює енергоконсалтингову діяльність в об'єднанні з пошуком інвесторів для реалізації конкретних проектів енергозбереження або сама виступає як такий інвестор.

Оскільки загальне визначення енергії - це потужність за одиницю часу, то одиниця виміру електричної енергії являє собою кіловат за годину (кВт·год). Основними величинами та параметрами, з допомогою яких можна охарактеризувати електричну енергію, описати її якість, є загальновідомі: електрична напруга - U , (В); електричний струм - I, (А); повна, активна та реактивна потужність - S, P, Q в кіловольт-амперах (кВА), кіловатах (кВт) і кіловольт-амперах реактивних (квар), відповідно; коефіцієнт потужності cos, частота - f, (Гц).

Електрична енергія має ряд особливостей:

• вона безпосередньо не підлягає візуальному сприйняттю;

• легко перетворюється в інші види енергії (наприклад, у теплову, механічну);

• досить просто й з великою швидкістю передається на більші відстані;

• можливий її розділ (розподіл) в електричних мережах;

• проста у використанні за допомогою машин, установок, приладів;

• дозволяє змінювати свої параметри (напруга, струм, частота);

• зручна для контролю й керування;

• якість її визначає якість роботи встаткування, яке споживає цю енергію;

• якість енергії в місці виробництва не може бути гарантією її якості в місці споживання;

• нерозривність у тимчасовому вимірі процесів виробництва й споживання енергії;

• процес передачі енергії супроводжується її втратами.

Електричну енергію передає електромагнітне поле провідника, цей процес має хвильовий характер. Причому частина електроенергії, яка передається, витрачається в самому провіднику, тобто губиться. Звідси випливає поняття «втрати електроенергії ». Втрати електроенергії є у всіх елементах електричної системи: генераторах, трансформаторах, лініях електропередачі й т.п., а також в електроприймачах (електричних двигунах, електротехнологічних пристроях і агрегатах).

Нехай коефіцієнт корисної дії теплової електростанції рівний 33%. Це означає, що з 100 цистерн палива, яке перетворили на теплову електростанцію, більше ніж 66 цистерн викидається в навколишнє середовище у вигляді тепла. Якщо ще врахувати витрати енергії на видобуток палива, його транспортування, транспортування електричної енергії, то виявляється, що з 100 цистерн палива корисно використовується тільки 20, а 80 цистерн викинуте в навколишнє середовище. Співвідношення корисно використаної й витраченої енергії просто вимагає радикальної зміни цих величин.

Загальна втрата електроенергії складається із двох частин: номінальних втрат, які визначаються умовами роботи при номінальних режимах і оптимальному виборі параметрів системи електропостачання, і додаткових втрат, обумовлених відхиленням режимів і параметрів від номінальних значень. Економія електроенергії в системах електропостачання ґрунтується на мінімізації як номінальних, так і додаткових втрат.

Заходи щодо ефективного використання електричної енергії слід вибирати, виходячи із принципу досягнення мінімуму витрат при виконанні умов надійності системи електропостачання і якості електричної енергії. Необхідно виконувати малозатратні заходи щодо зниження втрат і підвищенню рівня експлуатації елементів системи електропостачання

Основним напрямком в області енергозбереження є економія електроенергії при її передачі, розподілі й використанні. Реальне енергозбереження торкається питань роботи електроживлячих мереж, перетворювачів енергії всіх типів і технологічних механізмів.

Енергозберігаючими заходами при передачі електроенергії є:

• раціональний вибір рівня напруги живильної мережі й роду струму (постійний або змінний);

• прийняття економічно доцільного перетину проводів і кабелів;

• підвищення коефіцієнта потужності;

• наближення джерел живлення до споживачів;

• оптимізація графіків навантажень і т.д.

Витрати електроенергії на її передачу не продуктивні, тому необхідно зводити їхнє значення до мінімуму. В електричних мережах України втрати електричної енергії становлять близько 11%. У розвинених країнах цей показник значно менше. Наприклад, у ФРН втрати в мережах становлять 6,5%.

Ефективність енергозберігаючих заходів споживачів електроенергії може бути значно вище, тому що більш 90% вироблюваної енергії споживається системами електропривода, електротехнологічними й освітлювальними установками. Найбільші резерви енергозбереження закладені в удосконалюванні електропривода, на частку якого доводиться близько 60% усієї споживаної електроенергії. У деяких галузях промисловості споживання електроенергії електроприводом доходить до 80%. Зменшення швидкості двигуна до швидкості робочого механізму допомагає заощаджувати енергію й поліпшує керування технологічним процесом. У той же час про економічність привода говорити рано, хоча б у силу малих фактичних значень коефіцієнтів завантаження привода.

Електропривод, у порівнянні з іншими типами приводів, має ряд переваг:

• робота без відходів і безшумність створює комфорт для людей;

• високий ККД, тобто виділяється менше теплових втрат. Внаслідок цього зменшені габарити й площа охолодження;

• електропривод регульований і оборотний.

Електроприводи зі складним, тонко керованим технологічним процесом становлять невелику частку від загального числа. Основна ж їхня частина – прості, звичайно нерегульовані масові пристрої, такі як вентилятори, насоси, конвеєри, піднімальні крани, механізми в переробній промисловості, будівництві і т.д. Саме ці об'єкти є основними споживачами електроенергії й тут можлива реальна її економія.

Розглянемо процеси, що впливають на енергозбереження в електроприводі й визначальні тенденції його розвитку:

• ріст енергоємних технологій при зростаючій складності одержання енергії, дефіциті доступних енергоресурсів. Добути тонну палива й виробити відповідна кількість електроенергії приблизно вдвічі дорожче, чим заощадити. Надалі ця різниця росте;

• ускладнення технології, що приводить до збільшення частки регульованого або керованого по пускові електропривода. Закінчується дискусія про можливі варіанти регульованого електропривода – практично однозначно вибір робиться на користь електропривода змінного струму;

• зростаючі вимоги створення умов для безаварійної роботи електропривода за рахунок підвищення ефективності керування режимами енерговикористання електричних машин, енергопостачальних мереж;

• бурхливий розвиток перетворювальної техніки ( тиристорів, що закриваються, і силових транзисторів) і засобів керування (мікроелектроніки, мікропроцесорної техніки і т.д.);

• поява доступних кожному інженерові потужних обчислювальних засобів нові можливості, що відкривають, раціонального проектування й оптимізації електропривода.

Тому актуальним є завдання розробки й широкого впровадження енергозберігаючих заходів і засобів промислового електропривода.