Способы экономии электрической энергии в системах электроснабжения объектов. Учебно-методическое пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра « Электрические станции»

В.М. ДАШКОВ, Ю.П. КУБАРЬКОВ, Я.В. МАКАРОВ

СПОСОБЫ ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

Учебно-методическое пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2019

1

Печатается по решению редакционно-издательского Совета СамГТУ

УДК 621.316 ББК 31.28я73

Д 217

Дашков В.М.

Д217. Способы экономии электрической энергии в системах электро-

снабжения объектов: учебно-методическое пособие / В.М. Дашков, Ю.П. Кубарьков, Я.В. Макаров. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2019. – 54 с.

Рассмотрены вопросы экономии электроэнергии в системах электроснабжения за счет применения компенсирующих устройств, за счет замены малозагруженных трансформаторов трансформаторами меньшей мощности.

Дисциплина входит в базовый модуль производственно-технологической деятельности «Электроэнергетика и электротехника» – индекс Б1.Б.02.03.

Данная работа предназначена для магистрантов очной и заочной форм обучения направления подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» при изучении дисциплины «Энерго- и ресурсосбережение в электроэнергетике и электротехнике».

Может быть полезным слушателям курсов повышения квалификации и профессиональной подготовки специалистов электроэнергетического профиля.

Р е ц е н з е н т: канд. техн. наук, доцент А.В. О б у х о в а

УДК 621.316 ББК 31.28я73

Д 217

© В.М.Дашков, Ю.П. Кубарьков, Я.В. Макаров, 2019

© Самарский государственный технический университет, 2019

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Экономический рост и социальное развитие страны в значительной мере зависят от качества выполнения работ по энергосбережению

иповышению энергетической эффективности во всех отраслях промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве, в агропромышленном комплексе и т.д.

До 2020 года энергоемкость ВВП России должна снизиться на 40 % по сравнению с 2007 годом. Потенциал энергосбережения в Российской Федерации оценивается в 39–47 % текущего потребления энергии.

Энергоэффективность экономики страны должна стать основой экономического роста.

Издание пособия обусловлено необходимостью подробного рассмотрения особенностей конкретных энергосберегающих мероприятий

иоценки их эффективности, вводом в учебный процесс магистратуры и бакалавриата дисциплин по указанной тематике, а также недостаточным количеством учебников и учебных пособий по энергосбережению.

Вучебные планы подготовки магистров и бакалавров различных направлений включены дисциплины, в которых изучаются вопросы энергосбережения и повышения энергетической эффективности: нормативная и правовая базы проведения энергетических обследований, особенности выполнения инструментальных измерений, определение экономической эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий; современное энергосберегающее электрооборудование и т.п.

Пособие содержит введение и два раздела: расчет экономии электроэнергии в системах электроснабжения при применении конденсаторных батарей; оценка целесообразности замены малозагруженных силовых трансформаторов.

Впервом разделе рассматриваются особенности внедрения в системы электроснабжения различных объектов одного из широко применяемых мероприятий по экономии электрической энергии – компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения объек-

3

тов. В качестве примера приведен вариант использования в качестве компенсирующего устройства комплектов конденсаторных батарей.

Второй раздел посвящен энергосберегающему мероприятию – снижение потерь электроэнергии в системе электроснабжения за счет замены малозагруженных трансформаторов трансформаторами меньшей мощности. В работе приведен пример выполнения необходимых расчетов, позволяющих решить вопрос о целесообразности внедрения этого мероприятия на конкретном объекте.

В каждом разделе имеются вопросы для самопроверки.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из множества проблем энергетики РФ является проблема значительного объема нерационального потребления энергоресурсов. Энергоемкость продукции, выпускаемой в России, практически вдвое выше среднемировых показателей. Данная проблема в полной мере относится к электроэнергетике. В последние годы решению задачи энергосбережения уделяется большое внимание.

О важности данной проблемы свидетельствуют многочисленные федеральные законы, постановления правительства РФ и отдельных министерств.

Указ Президента РФ № 889 от 04 июня 2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности Российской экономии».

Федеральный закон № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».

Приказ Минпромторга России № 653 от 31 марта 2015 г. «Об утверждении плана мероприятий по импортозамещению в отрасли энергетического машиностроения, кабельной и электротехнической промышленности РФ ».

Постановление правительства РФ № 600 от 20 июля 2011 г. «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности».

4

Втехнической литературе рассматриваются различные мероприятия по энергосбережению: применение современных источников света (светодиодные источники, индукционные лампы); применение новых марок проводов для воздушных линий электропередачи; применение энергосберегающих силовых трансформаторов и т.д.

Большое число мероприятий перечислено в работе «Примерный перечень мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, который может быть использован в целях разработки региональных, муниципальных программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности» (утвержден приказом Министерства экономического развития РФ от

17 февраля 2010 № 61).

Одним из эффективных мероприятий по экономии электрической энергии с относительно малыми сроками окупаемости является применение компенсирующих устройств.

Впособии рассмотрен вариант использования в качестве компенсирующих устройств конденсаторных батарей на напряжение до

1000 В.

Значительный потенциал по электроснабжению заложен в мероприятиях по рациональному использованию мощности силовых трансформаторов. В пособии приведен пример расчета по обоснованию целесообразности замены мало загруженного трансформатора.

5

Практическое занятие № 1 РАСЧЕТ ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ КОНДЕНСАТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Цель работы – ознакомление с методикой расчета экономии электроэнергии в системах электроснабжения объектов за счет установки конденсаторных батарей.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Федеральной целевой программой «Энергосбережение России» утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 24.01.98 г. № 80 определен ускоренный перевод российской экономики на энергосберегающий путь развития, достижение в период по 2005 г. суммарной экономии энергетических ресурсов в объеме 365–435 млн т. у. т., снижение на 13,4 % энергоемкости ВВП России.

Одним из способов снижения потребления электроэнергии является ее экономия за счет уменьшения потерь электроэнергии в электроэнергетических системах, в системах электроснабжения различных объектов.

К настоящему времени известно множество путей уменьшения потерь электроэнергии (рациональный выбор числа и мощности силовых трансформаторов; выбор рационального режима их работы; применение повышенных напряжений: 10 кВ вместо 6 кВ, 20 кВ вместо 10 кВ и т.п.; выравнивание графика нагрузки потребителя

ит.д.) [1–7].

Вданной работе рассматривается мероприятие по уменьшению потерь электроэнергии за счет снижения реактивных нагрузок потребителей в результате установки компенсирующих устройств для частичной или полной компенсации реактивной мощности.

Реактивная мощность (РМ) потребляется как электроприемниками, так и элементами сети. Например, суммарная реактивная мощность, по-

6

требляемая трансформаторами энергосистемы, обычно превышает реактивную мощность, потребляемую всеми асинхронными двигателями, присоединенными к ее сетям. Потребление реактивной мощности, по существу, не связано с потреблением активной мощности и обусловлено параметрами сети переменного тока и режимами ее работы. Реактивная мощность потребляется любым элементом электрической сети, в которой ток отстает от приложенного напряжения. Реактивная мощность генераторов даже в сумме с реактивной мощностью, генерируемой линиями передач, недостаточна для покрытия потребности в ней, особенно в режимах наибольших нагрузок [1, 7].

Вследствие неэкономичности передачи реактивной мощности потребителям компенсирующие устройства целесообразно устанавливать непосредственно в распределительных сетях. Они обеспечивают регулирование их мощности в соответствии с изменяющейся нагрузкой сети.

Для электрической сети должен существовать баланс полной мощности при соблюдении условий поддержания нормального режима с обеспечением необходимой пропускной способности сетей. При этом необходимо обеспечить баланс РМ как для системы в целом, так и для отдельных узлов питающей сети с наличием в них необходимого резерва реактивной мощности для возможности регулирования напряжения.

Баланс реактивной мощности следует предусматривать для каждого характерного режима работы сети в отдельности. К этим режимам относятся [1–7]:

–наибольшая реактивная нагрузка при наибольшем потреблении реактивной и наибольшей необходимой мощности компенсирующих устройств;

–наибольшая активная нагрузка, связанная с наибольшей загрузкой генераторов активной мощностью и наименьшей их реактивной мощностью;

–наименьшая активная нагрузка, связанная с наибольшей загрузкой генераторов активной мощностью и наименьшей их реактивной мощностью;

7

– режимы послеаварийные и ремонтные, связанные с наибольшими ограничениями на передачу реактивной мощности по сети.

Рассмотрим явления, влияющие на передачу реактивной мощности по электрической сети и на технико-экономические показатели системы электроснабжения [1, 4, 5].

С увеличением реактивной мощности возрастают потери напряжения в сети и, следовательно, снижается активная мощность, что влечет за собой увеличение мощности оборудования электрических станций и тем самым дополнительные расходы на выработку электроэнергии. Увеличение передаваемой реактивной мощности вызывает также рост потерь реактивной мощности и, следовательно, общее увеличение реактивной мощности в системе электроснабжения.

Следует также отметить и вторичное явление, связанное с увеличением потери напряжения из-за увеличения реактивной мощности, – снижение напряжения у электроприемников, что при неизменном значении их мощности приводит к увеличению токов и снижению пропускной способности всех элементов системы электроснабжения.

Учитывая, что снижение напряжения в сети обычно связано с недостатком реактивной мощности, а повышение напряжения – с ее избытком, в системе электроснабжения большинства промышленных предприятий рекомендуется применять при изменяющейся во времени нагрузке автоматически управляемые источники реактивной мощности, чем можно обеспечить поддержание баланса реактивной мощности и устойчивого режима отдельных узлов нагрузки.

В процессе передачи потребителям активной и реактивной мощностей в сетях системы электроснабжения появляются потери активной мощности:

где Р, Q и S – соответственно активная, реактивная и полная мощности;

I – электрический ток;

R – активное сопротивление элемента электрической сети; U – напряжение в конкретной точке (узле) сети.

8

Из (1.1) следует, что при снижении передаваемой реактивной мощности потеря активной мощности в сети снижается. Это может быть достигнуто применением компенсирующих устройств. Получаемое при этом снижение потерь активной мощности δ P = P1– P2 по отношению к передаваемой реактивной мощности Q называется

коэффициентом изменения (снижения) потерь или экономическим эквивалентом KИП. Последний составляет 0,02–0,12 кВт/кВАр и зависит от cos φ нагрузок системы электроснабжения предприятия и его удаленности от источника питания.

Реактивная мощность, потребляемая промышленными предприятиями, распределяется между отдельными видами электроприемников следующим образом: 65–70 % приходится на асинхронные двигатели, 20–25 % – на трансформаторы и около 10 % – на воздушные электрические сети и другие электроприемники (люминесцентные лампы, реакторы, индуктивные приборы и т.п.). Увеличение потребления реактивной мощности электроустановкой вызывает рост тока в проводниках любого звена системы электроснабжения и снижение коэффициента мощности электроустановки cos φ [7].

Для повышения cos φ необходимо уменьшить потребление реактивной мощности из сети. При снижении потребления реактивной мощности от Q до Q – Q комп (Qкомп – мощность компенсирующего устройства) угол φ1 также уменьшается до φ2 (рис. 1.1) и, следовательно, коэффициент мощности увеличивается с cos φ1 до cos φ2.

Рис. 1.1. Векторная диаграмма, поясняющая принцип компенсации реактивной мощности

9

В [9, 13] приведены предельные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы максимальных суточных нагрузок электрической сети, для потребителей, присоединенных к сетям напряжением ниже 220 кВ. Например, для сетей напряжением 110 кВ не должен превышать 0,5, а для сетей напряжением

0,4 кВ – 0,35.

Значение мощности компенсирующего устройства, необходимой для достижения желаемой величины коэффициента мощности, определяется по формуле

где , – тангенсы угла , соответствующие фактическому и желаемому коэффициенту мощности.

Для нахождения значения можно использовать также формулу

Применение устройств, компенсирующих реактивную мощность, несколько удорожает эксплуатацию электрических установок. Кроме того, в них создаются некоторые дополнительные потери активной мощности Ркомп, которые, однако, значительно меньше потерь мощности Р.

Достаточно подробно теоретические вопросы компенсации РМ различными средствами (синхронные электродвигатели, синхронные компенсаторы, батареи конденсаторов, тиристорные источники реактивной мощности) рассмотрены в многочисленных работах и публикациях [1, 2, 6, 7]. Каждый способ компенсации РМ имеет как достоинства, так и недостатки

На многих объектах, например, в системах электроснабжения нефтеперерабатывающих заводов, предприятий химической отрасли, для компенсации РМ часто используются синхронные электродвигатели (СД).

Реактивная мощность, генерируемая СД, зависит от коэффициентов загрузки по активной и реактивной мощности, относительного

10