книги из ГПНТБ / Блантер С.Г. Электрооборудование для нефтяной промышленности учебник

Глава 10

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

§64. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Работа асинхронных двигателей, трансформаторов и других устройств переменного тока, обладающих индуктивным сопроти­ влением, сопровождается периодическим изменением возникающего

вних магнитного потока. При всяком изменении магнитного потока

вцепи этих устройств возникает э. д. с. самоиндукции, противодей­ ствующая изменению магнитного потока. Поэтому напряжение генераторов переменного тока, установленных на электростанциях, содержит составляющую, которая в каждый момент времени компен­ сирует противодействие э. д. с. самоиндукции. Следовательно, и мгновенное значение мощности генератора всегда содержит такую составляющую, которая обусловлена противодействием э. д. с. само­ индукции. Эта составляющая мгновенной мощности генератора называется реактивной мощностью.

Как известно из курса электротехники, реактивная мощность, идущая на создание магнитного потока в аппаратах и машинах, обладающих индуктивным сопротивлением, 4 раза в течение каждого периода переменного тока меняет свое направление, причем среднее значение этой мощности за каждый полупериод равно нулю.

Таким образом, токоприемникам промышленных предприятий доставляется кроме активной энергии, преобразуемой в них в другие виды энергии, и реактивная энергия, которая необходима для созда­ ния магнитных полей в электродвигателях и трансформаторах.

Реактивная энергия, соответствующая реактивной мощности, не производит полезной работы. Обмен реактивной мощностью между токоприемниками и генераторами электростанций приводит к добавочным потерям активной энергии в'линиях, трансформаторах и генераторах.

Мерой соотношения между активной и реактивной мощностью является коэффициент мощности, определяемый как отношение

где Q — передаваемая реактивная мощность.

При синусоидальной форме напряжения и тока величина коэф­ фициента мощности совпадает с косинусом угла сдвига фаз между напряжением и током.

По формуле (10.1) можно определить текущее значение коэф­ фициента мощности для определенного момента времени.

Основным показателем потребления реактивной мощности за некоторый период наблюдения (сутки, месяц, год) является средне­

где Wa и Wp — показания счетчиков активной и реактивной энергии за период наблюдения.

Коэффициент мощности электротехнической установки без при­ менения специальных средств для повышения его носит название естественного. Естественный cos ср большей части промышленных предприятий колеблется в пределах 0,6—0,8.

Реактивная энергия, потребляемая предприятием, определяется намагничивающей мощностью, требуемой отдельным элементам элек­ троустановки. На долю асинхронных двигателей приходится более 60% всей реактивной энергии, потребляемой от энергетических систем промышленными предприятиями, а на долю трансформато­ ров — до 20%. Остальная часть (около 20%) приходится на долю преобразовательных подстанций, установок индукционного нагрева,

где Q0 — реактивная мощность намагничивания (холостого хода)

угла сдвига фаз между линейным током и напряжением при номи­ нальной нагрузке.

Основную роль в балансе р е а к т и в н о й м о щ н о с т и а с и н х р о н н о г о д в и г а т е л я и г р а е т р е а к т и в н а я

м о щ н о с т ь х о л о с т о г о х о д а Q0, зависящая от объема магнитной цепи и от воздушного зазора, т. е. от номинальной мощ­

ности вг конструкции двигателя.

Реактивная мощность холостого хода у асинхронных двигателей единой серии типов А и АО колеблется в пределах 60—85% реактив­ ной мощности двигателя при полной нагрузке. На рис. 10.1 пока­ зано изменение относительной реактивной мощности асинхронных двигателей в зависимости от коэффициента нагрузки.

На нефтепромыслах реактивная мощность потребляется в основ­ ном асинхронными двигателями. Особенно низок коэффициент мощности у двигателей, работающих со значительной недогрузкой, а также при пульсирующем характере нагрузки или переменном

Реактивная мощность намагничивания современных трансформа­ торов составляет при холостом ходе в среднем 4—6% их номиналь­ ной мощности (у более старых конструкций 4,5—10%). При полной нагрузке реактивная мощность повышается приблизительно в 2 раза, однако решающее значение для cos ф трансформатора имеет харак­ тер его нагрузки, т. е. cos ф нагрузки.

Причиной увеличения реактивной мощности асинхронных дви­ гателей и трансформаторов с ростом нагрузки являются магнитные поля рассеяния, возникающие в обмотках машин.

Если активная мощность в электрической цепи постоянна, а реак­ тивная мощность в ней увеличивается, то ее коэффициент мощности понижается, что сопровождается увеличением полного тока. Это в свою очередь приводит к неэкономичной работе всей системы электроснабжения, так как возрастают потери активной мощности, увеличиваются размеры (мощность) электрооборудования, недоста­ точно эффективно используется мощность генераторов и первичных

двигателей на электростанциях, увеличивается потеря напряжения в линиях.

Потери активной мощности в элементах питающей сети (линиях,

реактивной мощности потери активной мощности будут возрастать вследствие увеличения Q^JU2; формула (10.6) показывает, что по­ тери активной мощности обратно пропорциональны квадрату коэф­ фициента мощности.

Увеличение размеров электрооборудования при снижении cos ф объясняется тем, что сечение линий и шин, мощность трансформато­ ров и генераторов, размеры оборудования определяются силой тока, которая обратно пропорциональна cos ф.

Чтобы стимулировать повышение коэффициента мощности пред­ приятиями, плата за электрическую энергию, ставится в непосред­ ственную связь с коэффициентом мощности. Так, при cos ф=0,95 - j - 1 на исчисляемую сумму платы представляется скидка 6%; при cos ф =

§65. ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Коэффициент мощности электроустановок может быть повышен б е з п р и м е н е н и я к о м п е н с и р у ю щ и х у с т р о й с т в или путем использования этих устройств. В первом случае умень­ шается потребляемая токоприемниками реактивная энергия в резуль­ тате применения рациональных типов электрооборудования или режимов его использования. Эти меры применяют в первую очередь для того, чтобы сократить, а если возможно, и исключить потреб­

полнение к преимуществам, изложенным в гл. 3, синхронные двига­ тели обладают способностью работать с током, опережающим напря­ жение, и следовательно, выполнять функции генераторов реактив­ ной энергии.

М а к с и м а л ь н а я з а г р у з к а д в и г а т е л е й и з а ­

дует стремиться к увеличению загрузки асинхронных двигателей путем лучшего использования производственных механизмов и со­ вершенствования технологического процесса, ведущих к улучшению энергетического режима оборудования и повышению коэффициента мощности. Замена малозагруженного асинхронного двигателя дви­ гателем меньшей мощности должна быть рентабельной, т. е. должна сопровождаться уменьшением суммарных потерь активной мощности в двигателе и сетях. Асинхронные двигатели, средняя нагрузка которых не превышает 45% их номинальной мощности, как показы­ вают расчеты, подлежат замене двигателями меньшей мощности. При средней загрузке двигателя на 70% и более замена не рента­ бельна. Если же средняя загрузка двигателя составляет 45—70% номинальной мощности, то для решения вопроса о замене двигателя необходимо сделать расчет рентабельности такой замены.

С н и ж е н и е н а п р я ж е н и я у м а л о з а г р у ж е н ­ н ы х а с и н х р о н н ы х д в и г а т е л е й , п у т е м п е р е ­ к л ю ч е н и я о б м о т к и с т а т о р а с т р е у г о л ь н и к а н а з в е з д у . Часто замена недогруженного асинхронного электро­ двигателя электродвигателем меньшей мощности оказывается затруд­ нительной как по конструктивным, так и по производственным сооб­ ражениям. В этом случае целесообразно осуществить, если это воз­ можно, переключение обмотки статора этого двигателя с треуголь­ ника на звезду. Вызываемое таким переключением уменьшение фазного напряжения в ] / 3 раз приводит к уменьшению э. д. с. и магнитного потока. Это в свою очередь вызывает уменьшение намаг­ ничивающего тока. Так как нагрузка двигателя остается неизмен­ ной, то активная составляющая тока двигателя не изменится. Уменьшение реактивной составляющей тока при неизменной активной составляющей приводит к увеличению коэффициента мощности.

К положительным качествам этого способа следует отнести уве­ личение к. п. д. двигателя вследствие уменьшения потерь в стали статора при уменьшении напряжения.

Применение этого способа возможно лишь в случае, если тре­ угольник — нормальная схема соединения обмоток двигателя. По­ следнее обстоятельство объясняется тем, что при переключении обмоток с треугольника на звезду фазное напряжение уменьшается в ] / 3 раз, а вращающий момент двигателя — в 3 раза. Следова­ тельно, при значительной загрузке двигателя (более чем на 40%) переключение обмоток может привести к снижению его момента ниже статического момента сопротивления производственного механизма, в результате чего двигатель не запустится. Этот способ применяется также в том случае, когда нагрузка двигателя временно составляет менее 40% от номинальной.

К рассмотренной группе мероприятий также относятся: устране­ ние холостой работы асинхронных двигателей посредством ограни­ чителей холостого хода, отключение трансформаторов при загрузке менее 30% с переводом их нагрузки на другие трансформаторы, улуч­ шение качества ремонта трансформаторов и асинхронных двигателей.

П о в ы ш е н и е к о э ф ф и ц и е н т а м о щ н о с т и с п о ­

м о щ ь ю к о м п е н с и р у ю щ и х у с т р о й с т в . Ток 1Х (рис. 10.2, а), потребляемый асинхронным двигателем (или другим

токоприемником), отстает по фазе от напряжения на угол ц>х вслед­ ствие индуктивного характера нагрузки. При параллельном соеди­ нении конденсатора потребляемый им ток 1К, опережающий

а

Рис. 10.2. Схема включения конденсаторов (а) и векторные диа­ граммы токов (б) и мощности (в).

напряжение на 90°, будет складываться с током I v В результате потребляемый из сети реактивный ток уменьшится до величины / 2 р :

где Рс г — средняя годовая активная мощность, которую для непре­ рывно работающих предприятий нефтяных промыслов находят делением годового потребления активной энергии на Тв — 8000 ч, а для подсобных предприятий и заводов, работающих в две смены, — на 4000 ч и при трехсменной работе — на 6000 ч; tg фх — соответ-

ствует средневзвешенному коэффициенту мощности за 1 год; tg ср2 — соответствует коэффициенту мощности, который должен быть дости­

вании выбора типа компенсирующего устройства руководствуются

ный расход активной мощности на компенсацию в данном компенси­ рующем устройстве в кВт/кВАр; ку к — удельные капитальные вложения на компенсацию в руб/кВАр; рн — 0,125 — нормативный коэффициент капитальных вложений, соответствующий сроку оку­ паемости, равному 8 годам; р& — коэффициент амортизационных отчислений; ТБ — число часов работы компенсирующего устройства

Как следует из табл. 10.1 и формулы (10.8), расчетные затраты на 1 кВАр-ч у синхронных двигателей определяются в основном эксплуатационными расходами, зависящими от удельных потерь активной мощности на компенсацию и стоимости электроэнергии, а у конденсаторов — первоначальными капиталовложениями. Рас­ четы показывают, что на промыслах прежде всего следует использовать

работу синхронных двигателей с опережающим током. Этот способ компенсации экономически более выгоден, чем применение асин­ хронных двигателей и батарей конденсаторов.

Синхронный компенсатор — менее экономичное компенсирующее устройство, чем синхронный двигатель или конденсаторы. Синхрон­ ные компенсаторы применяются на районных подстанциях энерго­ систем для автоматического регулирования напряжения в сети и повышения устойчивости работы энергосистемы при коротких замы­ каниях.

§66. РАЗМЕЩЕНИЕ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ КОНДЕНСАТОРНЫХ БАТАРЕЙ И И Х ЗАЩИТА

В сетях промышленных предприятий получили распространение

централизованная, групповая и индивидуальная компенсации реак­ тивной мощности.

При централизованной компенсации на стороне напряжения выше 1 кВ, когда конденсаторная батарея устанавливается на шинах 6—10 кВ трансформаторной подстанции, максимально ис­ пользуются конденсаторы. Их требуется меньше, и стоимость уста­ новленного 1 кВАр минимальна, но распределительные сети транс­ форматора не разгружаются от реактивной мощности, а следова­ тельно, потери энергии в них не уменьшаются и мощности трансфор­ маторов на подстанции не могут быть уменьшены. При компенсации по этой схеме разгружаются только расположенные выше звенья энергосистемы: сети 6—10 кВ и генераторы электростанций.

При централизованной компенсации на стороне напряжения ниже 1 кВ, когда конденсаторная батарея устанавливается на шинах 0,38 кВ подстанции, разгружаются от реактивной мощности не только сети 6—10 кВ, но и трансформаторы на подстанции, однако промысловые распределительные сети 0,38 кВ также остаются неразгруженными. Поэтому такая установка малоцелесообразна.

При групповой компенсации, когда конденсаторные батареи устанавливаются в цехах и присоединяются непосредственно к цехо­ вым распределительным пунктам (РП) или шинам 0,38 кВ, разгру­ жаются от реактивной мощности и трансформаторы на подстанции и сети 0,38 кВ. Неразгруженными остаются только распределитель­ ные сети к отдельным электроприемникам.

Для равномерного распределения компенсирующих устройств целесообразно подключать конденсаторную батарею к шинам РП таким образом, чтобы реактивная нагрузка этого РП составила более половины мощности подключаемой конденсаторной батареи.

При индивидуальной компенсации, когда конденсаторная батарея подключается непосредственно к зажимам потребляющего реактив­ ную мощность электроприемника, такой способ является наиболее эффективным в отношении разгрузки от реактивной мощности пита­ тельной и распределительной сетей, трансформаторов и сетей выс­ шего напряжения, но при этом недостаточно используются конден­ саторные батареи, так как при отключении электроприемника отклю-

чается и его конденсаторная батарея. В целом требуется большая установленная мощность конденсаторов.

На промыслах установка конденсаторов в сетях до 1000 В рацио­ нальна для сетей глубиннонасосных установок. Здесь применяется индивидуальная компенсация с установкой конденсаторов у отдель­ ных двигателей станков-качалок. Этот способ вполне целесообразен,

ным соединением конденсаторов: последние соединены по схеме тре­

Основной схемой соединения конденсаторных установок напряже­

В соответствии с Правилами устройства электроустановок кон­ денсаторные установки должны иметь следующие виды защиты:

от коротких замыканий, общую для всей конденсаторной уста­ новки, выполняемую в виде максимальной токовой защиты, которая действует на отключение без выдержки времени;

от короткого замыкания самих конденсаторов, выполняемую с помощью предохранителей;

от перегрузки токами высших гармоник, если такая перегрузка возможна;