Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли

электроснабжения. В /3/ отмечается, что понижение уровней напряжения в цеховых сетях завода по производству минеральных удобрений привело к снижению удель­ ных расходов в электроэнергии на 11,8—23,3 %.

Несимметричные режимы напряжения питающей сети обуславливаются несимметрией как источников, так и потребителей электроэнергии. Несимметрия на­ пряжения оказывает неблагоприятное влияние на работу всех элементов системы электроснабжения и повышает потери мощности и энергии.

Несинусоидальность напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий возникает из-за наличия приемников электроэнергии с нелинейными вольтамперными характеристиками: преобразовательных установок, электросвароч­ ных аппаратов и машин, газоразрядных ламп и т. д.

Высшие гармоники в питающем напряжении вызывают дополнительные потери в электрических машинах, линиях электропередачи и трансформаторах, снижают пропускную способность элементов систем электроснабжения. При этом сущест­ венно сокращается срок службы изоляции электродвигателей, кабелей и конденса­ торов. Поддержание показателей качества напряжения питающей сети в допусти­ мых пределах способствует повышению эффективности энергоиспользования на промышленных предприятиях.

6.10.Снижение потерь мощности и электроэнергии в системах электроснабжения

Впроцессе передачи и распределения электроэнергии часть ее теряется (преоб­ разуется в теплоту и рассеивается в окружающем пространстве) из-за протекания тока нагрузки через активные сопротивления элементов сети (линии электропереда­ чи, трансформаторы, реакторы и т.п.), а также в магнитопроводах трансформаторов вне зависимости от наличия или отсутствия нагрузки.

Наряду с термином "потери" в электроэнергетике в последнее время применя­ ется понятие "технологический расход электроэнергии в электрических сетях". Если под потерями понимать не только непроизводительный расход электроэнергии из-за неоптимального ведения режима или нерациональной структуры системы электро­ снабжения, но и объективно необходимые затраты энергии на ее транспорт, то оба

230

понятия являются практически адекватными. Поэтому в дальнейшем будем приме­ нять более распространенный, устоявшийся термин - потери.

Потери электроэнергии имеют место во многих элементах систем электроснаб­ жения. Однако львиная доля их падает на линии электропередачи и силовые транс­ форматоры.

При проектировании и эксплуатации систем электроснабжения и электрообору­ дования следует принимать решения, направленные на оптимальное снижение по­ терь энергоресурсов. Потери активной электроэнергии на нагревание в линиях элек­ тропередачи, токопроводах и других элементах, обладающих активным сопротивле­ нием К, за расчетный период Тр могут быть найдены по выражению

тивной мощности; Рс и Qc - средние величины активной и реактивной нагрузок за время Тр; К - активное сопротивление проводника.

Анализ формулы (6.59) показывает, что уменьшение потерь электроэнергии может быть достигнуто повышением Ином и снижением величин остальных ее со­

ставляющих.

Средняя активная нагрузка зависит от производительности оборудования и ус­ тановленных режимов работы электроприемников. Следовательно, величина Рс мо­ жет быть уменьшена совершенствованием технологического процесса, применением энергоэффективных электроприемников, рациональным расходованием электро­

энергии на освещение, вентиляцию, выработку сжатого воздуха и т.п.

Снижение величины Qc осуществляется путем компенсации реактивной мощ­ ности. Уменьшение потерь активной мощности при этом определяется по выраже­

231

где Q - реактивная мощность, протекающая через элемент СЭС до компенса­ ции; Qк - суммарная мощность компенсирующих устройств, установленных у по­ требителей, питающихся через данный элемент; К - активное сопротивление эле­ мента; Сном - номинальное напряжение.

Снижение величин Кф^ и Кфр достигается выравниванием графиков электриче­ ских нагрузок. При определении потерь электроэнергии, как правило, принимают значения Кфа и Кфр одинаковыми, равными коэффициенту формы графика нагрузки по току Кф. В этом случае коэффициент формы графика нагрузки

где I(>J^ и 1^ - соответственно значения среднеквадратического и среднего тока за рассматриваемый период.

Средний и среднеквадратический токи при наличии графика нагрузки опре­ деляются по следующим выражениям

ность 1-го интервала осреднения нагрузки; ш - количество ступеней графика.

При расчете потерь электроэнергии по току нагрузки используется выражение

Если при одной и той же средней нагрузке коэффициент формы графика Кф1 снижается до значения Кф2, то потери активной электроэнергии уменьшаются на ве­ личину

232

Как известно, при равномерном графике нагрузки Кф=1. При достижении такой конфигурации графика снижение потерь активной электроэнергии определяется вы­ ражением:

Выравнивание суточного графика нагрузки потребителя электроэнергии позво­ ляет также снизить плату за заявленную мощность, что уменьшает себестоимость продукции.

Для регулирования графика нагрузки на промышленном предприятии выявля­ ются потребители-регуляторы, т.е. такое электротехническое оборудование, которое может работать в режиме регулирования мощности в соответствии с потребностями энергосистемы. К ним могут быть отнесены нагревательные печи, компрессорные и насосные станции, вспомогательные цехи и т.п.

К основным мероприятиям по регулированию графиков электрических нагру­ зок относятся:

1)широкое применение заделов производства, запасов материалов и промежуточ­ ных продуктов;

2)отключение вспомогательного оборудования и проведение профилактического обслуживания в часы максимума энергосистемы;

3)применение различных аккумулирующих устройств, используемых в качестве потребителей-регуляторов;

4)поочередная загрузка, пуск и остановка однотипных агрегатов в часы максимума нагрузки;

5)изменение режима работы энергоемких агрегатов в течение суток;

6)смещение времени начала и перерывов в работе отдельных структурных подраз­ делений;

7)временное ограничение производительности производственного оборудования. При проектировании и эксплуатации СЭС могут предусматриваться мероприя­

тия по снижению сопротивления линий электропередачи путем применения жил ка­ белей или проводов с большими сечениями, использования проводникового мате­ риала с меньшим удельным сопротивлением, уменьшения длины линии. Получае­

233

мое при этом снижение потерь активной электроэнергии определяется по выраже­ нию

Применение более высокого напряжения без изменения сечения проводников при одной и той же мощности нагрузки снижает ток линии, что уменьшает потери активной электроэнергии на величину:

ÔW = 3 . R . K | . T p . ( l 2 j - 4 ) ,

где Ici и 1с2 - средний за время Тр ток нагрузки линии при низшем и высшем напряжениях соответственно.

При более высоком напряжении могут быть применены проводники с меньшим сечением, что снижает расход цветного металла, но увеличивает удельное активное сопротивление линии. В данном случае выражение (6.68) приобретает следующий вид:

где 1 - длина линии; roi и Го2 - удельное активное сопротивление линии при низ­ шем и высшем напряжениях соответственно.

Потери электроэнергии в силовых двухобмоточных трансформаторах могут быть вычислены по формуле

ГЛ

V ^ ном J

где АР^ и APJ^ - потери холостого хода и короткого замыкания трансформатора; иТр - число часов включения и работы трансформатора с нагрузкой соответственно; 8^. - среднее значение полной мощности нагрузки трансформа­

тора за время работы; 8 - номинальная мощность трансформатора.

234

Снижение потерь электроэнергии в силовых трансформаторах достигается правильным выбором их номинальных мощностей и поддержанием рационального

режима работы.

Коэффициент загрузки трансформатора, соответствующий минимальным поте­

где АРх и AQx - потери активной и реактивной мощности холостого хода транс­ форматора; Кип - коэффициент изменения потерь, ориентировочно принимаемый для

где АРки AQк - потери активной и реактивной мощности КЗ трансформатора. Величины AQxИ AQк вычисляются по следующим выражениям:

кания.

При работе п однотипных трансформаторов одинаковой единичной модно­ сти ном на общую нагрузку целесообразно отключить один трансформатор для снижения суммарных потерь мощности, если общая нагрузка окажется меньше ве­ личины

АР’ За = 8 Н О М п - ( п - 1) - ^ ^ (6.75)

АР’,

235

Если общая нагрузка превышает 8д, то экономически выгодно подключить к

работающим трансформаторам еще один трансформатор.

Пример 6.10. Определить, насколько снизятся потери активной мощности в ли­ нии электропередачи 10 кВ длиной 1,5 км, выполненной кабелем ААБ-10(3x70), при установке у потребителей компенсирующих устройств общей мощностью Qк = 600

квар. Реактивная нагрузка линии до компенсации Q = 1200 квар.

Решение. Для кабеля ААБ-10(3x70) удельное активное сопротивление Го =0,447 Ом/км. Тогда активное сопротивление кабельной линии К = Го *1; К=0,447-1,5=0,67 Ом.

По формуле (6.60) находим величину снижения потерь активной мощности: ЗР=(2-1200-600-600^)-(0,67/10^ )-10‘^=7,2 к В т .

Пример 6.11. Потребитель питается по линии 10 кВ длиной 2,6 км, выполнен­

ной кабелем ААБ-10(3x95). В течение суток ток нагрузки линии имеет следующие значения и соответствующие им длительности: 120 А - 5 ч, 80 А - 5 ч, 60 А - 6 ч, 30 А - 8 ч. Определить, на сколько уменьшатся потери активной электроэнергии в ли­ нии за сутки при полном выравнивании графика, при котором сохраняется то же электропотребление, а коэффициент формы графика снижается до 1.

Решение. Удельное активное сопротивление кабеля ААБ-10(3x95) Го=0,329

Ом/км. В этом случае для линии длиной 2,6 км активное сопротивление:

К =0,329-2,6 = 0,848 Ом.

По выражению (6.62) находим среднее значение тока линии за сутки

Среднеквадратический ток линии вычисляется по формуле (6.63)

Коэффициент формы исходного графика нагрузки определяется из выражения

(6.61)

236

По формуле (6.66) находим, на сколько снизятся потери электроэнергии в ли­ нии электропередачи за сутки при выравнивании ее графика

5\У=3-66,7^-0,848-24-(1,12^-1)-10'^=69Д кВт-ч.

Пример 6,12. Электроснабжение потребителя, имеющего среднегодовую пол­ ную мощность нагрузки 8с=1200 кВ-А, может производится на напряжении 6 или 10 кВ по линии с активным сопротивлением К=1,2 Ом. Коэффициент формы графика нагрузки линии Кф=1,05. Определить величину экономии годовых потерь активной электроэнергии в линии при применении напряжения 10 кВ.

Решение. Вычислим среднегодовые значения тока линии при напряжениях 6 и 10 кВ:

Экономию годовых потерь активной электроэнергии в линии при использова­ нии более высокого напряжения подсчитаем по формуле (6.68):

5\У=3-1,2-1,05^-8760- (115,6^-69,4^>10'Л97165,9 кВт-ч.

Пвдметэ 6.13. На цеховой подстанции 10/0,4 кВ установлены два трансформато­ ра типа ТМЗ-1000/10, работающие на общую нагрузку. Каждый трансформатор име­

ет следующие параметры:

Sнoм^l000 кВ-А; АРх=1,8 кВт; АРк=10,8 кВт; 1х=1,2 %; ик=5,5%. Коэффициент изменения потерь Кип^0,07 кВт/квар. Определить длительную нагрузку трансформа­ торной подстанции, при которой целесообразно отключить один из трансформато­

ров с целью снижения суммарных потерь мощности.

Решение. Произведем расчет потерь реактивной мощности холостого хода и КЗ

трансформатора по формулам (6.74):

237

8а = 1000 • J2 ■(2- 1 ) ^ ^ = 549,5 кВ-А.

18,15

Отключение одного трансформатора целесообразно в тех случаях, когда дли­ тельная нагрузка трансформаторной подстанции меньше величины 549,5 кВ-А.

7. Энергоэффективное обеспечение теплотехнологических процессов предприятий дорожной отрасли 7.1. Производство асфальтобетонных смесей

Сравнительная энергетическая характеристика производства АБС среди других процессов и материалов приведена на рис. В.4, а подобная эксергетическая характе­ ристика - на рис. 7.1. Производство АБС занимает скромное место в ряде удельной энергоемкости материалов, но в суммарном энергопотреблении РБ, благодаря крупнотоннажности, оно играет более заметную роль. Годовая потребность оценивается в 1-10^ млн. тонн, в действительности за 2000 год было произведено и вложено в одежду автомобильных дорог 1,573 млн. тонн, на что израсходовано 29554 тонн ус­ ловного топлива энергоресурсов. В 1990 году вместе с облдорстроями было произ­ ведено асфальтобетонной смеси 9,5 миллионов тонн. Нетрудно оценить годовой расход энергоресурсов в РБ на выпуск АБС при величине удельных энергозатрат 5*10 МДж/т. Очевидна необходимость уменьшения энергопресса дорожной отрасли на экономику РБ, что возможно лишь при снижении удельного энергопотребления. Здесь уместно отметить, что в технически передовых странах последнее составляет величину 2,7-10 - 3.3-10 МДж/т, т.е. в два раза ниже. Правда и в этом случае, объ­ ективная термодинамическая оценка производства по эксергетическому КПДе не­ высока (рис. 7.1), что указывает на имеющиеся существенные (на порядок уменьша­ ется удельные энергозатраты) резервы рационального энергообеспечения данной теплотехнологии.

Существуют альтернативные технологии устройства твердого дорожного по­ крытия, например, технология использования холодной АБС с применением водо­ битумной эмульсии. Однако, в таком специфическом и важном производстве не-

238

239