1

Раздел №15-1. Вопросы нормирования и экономии электрической энергии

Назначение, роль и виды электробалансов

Энергетический баланс состоит из приходной и расходной частей. Приходная часть содержит количественный перечень энергии, поступающей посредством различных энергоносителей. Расходная часть определяет расход энергии всех видов во всевозможных её применениях, потери при преобразовании одного вида в другой и при её транспортировке, а также энергию, накапливаемую (аккумулируемую) в специальных устройствах. Как и в других балансах, приходная и расходная части энергобаланса должны быть равны.

Основные виды энергии, потребляемые в промышленности, – тепловая и электрическая. Поэтому часто необходимо и удобно составлять частичные энергобалансы (тепловые и электрические). Так как основным энергоносителем, применяемым в технологических процессах, является электричество, то электробалансы (ЭБ) имеют очень важное значение и широко распространены.

В условиях действующих промышленных предприятий ЭБ составляются для отдельных агрегатов или их групп, цехов и предприятий в целом. Электробаланс входит в общий теплоэнергетический баланс цеха или предприятия в качестве самостоятельного раздела и отражает степень рационального использования одного из основных энергоносителей – электрической энергии (ЭЭ). На основе ЭБ выносится объективное суждение о качестве электроиспользования на данном предприятии, в производственных подразделениях или энергоёмких агрегатах, выявляются возможности сокращения непроизводительного расхода ЭЭ и её потерь, намечаются меры по улучшению электроиспользования. ЭБ должен охватывать все основные статьи прихода и расхода ЭЭ, затрачиваемой на основной технологический процесс, вспомогательные работы и процессы, а также на потери в оборудовании и электрических сетях.

Различаются три основных вида ЭБ:

а) фактические, отражающие сложившиеся в цехе или на предприятии производственные условия;

2

б) нормализованные, в которых учитываются возможности рационализации и оптимизации процессов электропотребления и снижения потерь в механизмах и электрических сетях;

в) перспективные, составляющиеся с учётом прогнозируемого развития производства и его качественных изменений на ближайший период (до пяти лет) или более длительный срок.

Одним из важнейших результатов нормализованных ЭБ является возможность нормирования электропотребления на основные технологические процессы и изготовление готовой продукции.

ЭБ можно составлять по мощности или по энергии. Для энергоёмких агрегатов желательно делать расчёт обоих видов. Цеховые и сводный по предприятию ЭБ, в основе которых лежат измерения счётчиками, следует составлять только по энергии.

Главная цель ЭБ – определение степени полезного использования ЭЭ и поиск путей снижения потерь и рационализация электропотребления. Поэтому основным видом ЭБ следует считать баланс активной мощности и энергии. Баланс реактивной мощности определяется аналогично ЭБ активной с учётом выработки реактивной мощности компенсирующими устройствами и служит для решения вопросов компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения.

Ввиду непостоянства электропотребления отдельными агрегатами, цехами и предприятием фактические ЭБ по энергии следует относить к продолжительности одной рабочей смены, одних суток, месяца или года. Выбор той или иной продолжительности зависит от поставленной задачи и условий производства, измерений и наблюдений. Фактические ЭБ по предприятию удобно относить к продолжительности, равной одному году. Для упрощения последующего анализа и нормализации цеховые и сводные по всему предприятию ЭБ составляют в двух модификациях – дифференцированной и структурной.

Расходная часть дифференцированного ЭБ содержит статьи затрат энергии на основой технологический процесс и все виды потерь, возникающие при его осуществлении. Структурная форма ЭБ является более укрупнённой и отражает расход

3

энергии на основной процесс по видам технологического оборудования (например, станочного, силового и подъёмно-транспортного оборудования, электротехнологии, вентиляции, освещения и т.д.) с учётом происходящих в нем потерь, но без их разделения на постоянные, нагрузочные и др. ЭБ отдельных энергоёмких агрегатов составляют только в дифференцированной форме.

Структура частей электробаланса

Приходная часть ЭБ содержит данные об ЭЭ, поступившей на зажимы электроприёмниках или на вводы в цех. В сводном ЭБ всего предприятия приход ЭЭ состоит из энергии, поступающей от энергосистемы и от собственных источников её выработки (заводских ТЭЦ).

Приходная часть ЭБ реактивной энергии цеха или предприятия включает также данные о выработке энергии всеми источниками реактивной мощности.

Расходная часть содержит следующие основные статьи:

а) прямые затраты энергии агрегатами на осуществление технологического процесса с выделением постоянных и нагрузочных потерь в электрическом и технологическом оборудовании;

б) потери энергии во внутрицеховых (распределительных) и межцеховых (питательных) линиях, общезаводских и цеховых трансформаторах;

в) прочие виды потерь (пусковые, тепловые и др.); г) расход энергии подъёмно-транспортным оборудованием, на вентиляцию и

освещение; д) расход энергии вспомогательным оборудованием и устройствами;

е) расход энергии общезаводскими потребителями, не связанными с технологическим процессом (потребители культурно-бытового назначения);

ж) отпуск электроэнергии сторонним потребителям в порядке её перепродажи. ЭБ может не содержать некоторых из перечисленных статей, если их выявле-

ние невозможно.

Расходная часть цеховых и сводного по предприятию ЭБ должна охватывать не менее 80–85% приходной. В условиях работы машиностроительных предприятий

4

ЭБ обычно определяют пять групп потребителей: выработка сжатого воздуха и кислорода (около 20–25% общего расхода энергии), электротехнологическое оборудование (около 25%), освещение цехов и территории (до 15%), вентиляция (8–10%), станочное оборудование (8–15%). Структуры ЭБ заводов металлургической и химической отраслей могут значительно отличаться от приведённой, хотя отдельные цехи и подразделения этих предприятий имеют много общего с цехами машиностроительных заводов.

В подавляющем большинстве случаев ЭБ рассчитываются на действующих предприятиях при проведении обследований их режимов электропотребления. Наиболее перспективным методом составления ЭБ является расчётноэкспериментальный. Для определения статей ЭБ следует провести следующие орга- низационно-технические мероприятия:

1.Сбор необходимой информации о действующем технологическом и электрическом оборудовании:

а) ознакомление с технологическим процессом в цехах; б) составление списка технологического и электрического оборудования ос-

новных цехов с указанием его номинальных характеристик и параметров; при отсутствии этих данных они должны быть определены приближенно, по результатам обмеров или аналогии с идентичным оборудованием;

в) изучение технологических карт основных процессов или перечней Технологических операций, выполняемых на энергоёмких агрегатах, с указанием норм рабочего и машинного времени на их выполнение.

2.Ознакомление с данными о численном составе основных и вспомогательных рабочих, нормами выработки продукции и их выполнением.

3.Ознакомление с отчётными данными по электропотреблению за период, предшествующий обследованиям (за три–пять лет).

4.Подготовка схем внешнего электроснабжения цехов и отделений, скорректированных по их состоянию на период исследований, а также схем и планов внутрицеховых сетей со всеми необходимыми данными для расчёта потерь в этих сетях.

5.Сбор сведений о режимах и сменности работы основных цехов и энергоем-

5

ких агрегатов (компрессоров, электрических печей, электролизных ванн и другого мощного электротехнологического оборудования).

6.Обеспечение учёта активной и реактивной энергии, потребляемой объектами исследования.

7.Изготовление переносных измерительных стендов и автоматических устройств, необходимых для измерений в цепях отдельных электроприёмников или их групп, объединенных на одном распределительном щите или шкафу.

Методы составления расходной части электробалансов

ЭБ позволяют судить о степени полезного использования ЭЭ, расходуемой отдельными агрегатами и их группами, цехами или предприятиями в целом. С этой точки зрения особый интерес представляет доля энергии, затрачиваемая на прямые технологические нужды. При составлении расходной части ЭБ эта энергия всегда определяется расчётом. Такой расчёт может быть выполнен двумя методами: расчётным и экспериментальным.

Расчётный метод предусматривает определение расхода энергии на технологические нужды и всех видов потерь по формулам, использующим нормативные характеристики оборудования в конкретных условиях его эксплуатации. Этот способ даёт хорошие результаты при составлении ЭБ агрегатов непрерывного действия или продолжительного режима работы (компрессоров, воздуходувок и вентиляторов, электрических печей и нагревателей, мельниц, каландров, смесителей, шнеков, транспортеров и т.д.).

Применительно к механическому оборудованию при этом способе определяют расчётами: мощность, затрачиваемую на технологический процесс (резание металла, обработку, ковку, прокатку, штамповку и т.д.), на потери в механизмах и приводных двигателях (механические, электрические, вентиляционные, пусковые), а также на работу вспомогательного оборудования и устройств.

Экспериментальный метод предусматривает проведение специальных испытаний оборудования и измерений всех видов потерь, входящих в расходную часть ЭБ.

6

Прямой расчёт ЭЭ на технологический процесс во многих случаях, в частности для механического оборудования, затруднителен, а результаты его неточны, так как основаны на ряде допущений и применении эмпирических формул и приближенных зависимостей. Поэтому наиболее плодотворным и практически осуществимым способом составления ЭБ является смешанный расчётно-экспериментальный метод. При использовании этого метода применительно к механическому оборудованию расход энергии на технологические процессы может определяться вычитанием потерь энергии в агрегатах и сетях из энергии, израсходованной приводными двигателями (последняя замеряется счётчиком).

Все виды потерь энергии в агрегатах (постоянные, нагрузочные, пусковые и др.), а также в сетях и трансформаторах определяются расчётом с использованием результатов измерений потерь холостого хода и пусковых в агрегатах и нагрузочных токов в элементах цеховых сетей.

Следует отличать потери в агрегатах и электрических сетях, которые неизбежны при преобразовании энергии и обусловлены их конструктивными данными, от дополнительных, вызываемых несоответствием номинальных мощностей агрегатов их фактической технологической нагрузке или нерациональными режимами эксплуатации. При составлении ЭБ и их анализе учитываются обе эти составляющие потерь, однако основные возможности экономии ЭЭ заложены в сокращении дополнительных.

ЭБ отдельных агрегатов и цехов следует относить к смене и характерным рабочим суткам. ЭБ отдельных агрегатов определяются по их средней суточной производительности, а для цехов – по суточным графикам нагрузки за рабочие и выходные дни.

Для отдельных агрегатов баланс составляется по мощности. Для перехода к суточному ЭБ необходимо знать фактическое среднее число часов работы агрегата в сутки.

Среднее время работы агрегата за смену tсм при проектировании достаточно точно можно определить из следующих соотношений:

а) для электроприёмников с постоянным значением потребляемой активной

7

мощности P и близким к неизменному значению cos ϕ (например, насосов, вентиля-

торов, нагревателей)

где W см – среднее за несколько суток потребление активной энергии в дневную, наиболее загруженную смену;

б) для агрегатов с переменным потреблением мощности и значительными изменениями в зависимости от нагрузки (например, асинхронных двигателей станков)

агрегата за 2–3 часа непрерывной работы (обе эти величины определяются по показаниям счётчиков реактивной энергии).

Для дальнейшего перехода от сменного ЭБ к суточному используется суточный коэффициент сменности

kсм = (W сут. ) >1 ,

W см

где W сут. – среднесуточное потребление активной энергии, кВт·ч.

Значения kсм лежит в пределах от 1 до 3. Зная статью расходной части ЭБ аг-

регата, выражающую среднюю мощность потерь ∆P , получим соответствующие среднесуточные потери энергии

∆W сут. = ∆P tсм kсм =W см kсм .

Расходную часть цехового ЭБ получают суммированием соответствующих статей расходной части ЭБ по отдельным агрегатам. При этом нет надобности делать измерения на каждом отдельном агрегате. Необходимо объединить аналогичные по типу и технологическому режиму агрегаты в группы и вести расчёты на основе измерении, выполненных на одном из них, приняв его за типичный для данной группы. Характерный агрегат выбирают в результате изучения технологических карт и наблюдений за фактическим режимом работы механизмов группы, а также

8

измерения времени их самоторможения.

Для предприятий в целом рекомендуется составлять годовые ЭБ. Для перехода от суточных или сменных частных ЭБ к годовому сводному следует учесть работу цехов, производственных и культурно-бытовых подразделений в праздничные и выходные дни. Это осуществляется введением в расчёты коэффициента kвых >1. Ве-

личина его может быть приближенно определена из соотношения

kвых =1,05 ÷1,1.

Годовые потери энергии определяют по выражению

∆Wг = ∆Wсмkсмkвых.nр ,

где nр – число рабочих дней в году (при пятидневной рабочей неделе nр = 250 ). Если электропотребление зимой заметно отличается от летнего, то данные расчёты следует выполнять отдельно для зимнего периода, содержащего nз р суток, и летних дней.

Суточный и годовой расходы энергии на освещение определяются обычным способом с учётом географической широты местности.

Электробалансы электроприводов

Постоянные потери. Потери холостого хода всего агрегата, состоящего из приводного двигателя и исполнительного механизма (металлообрабатывающего станка, компрессора, вентилятора и т.п.), включают в себя электрические потери в стали двигателя ∆Pст , его обмотках (меди) и механические потери в агрегате

∆Pмех :

Разделение потерь в стали двигателя и механических в агрегате при составлении ЭБ обычно не требуется, так как достигаемые при этом уточнения не оправды-

9

вают усложнении расчётов и увеличения их трудоёмкости. Поскольку обе эти составляющие уравнения (3) мало зависят от нагрузки, их можно считать постоянными:

∆Pст + ∆Pмех = ∆Pconst ,

в следствие чего ∆Pхх = ∆Pconst + ∆Pм о или

противления статора двигателя при 75°С, которое определяется по справочным данным или измеряется, и приведённого активного сопротивления ротора: Rдв = Rст +Rрот' ,

причём Rрот' = (1,02 103 Pном.s)(n2 Iном2 . ) , где – номинальная мощность двигателя на

валу; s – скольжение при номинальной нагрузке, %; n2 – номинальная частота вра-

щения, I – номинальный ток двигателя.

Измерения производятся на одном агрегате, принятом и качестве типового для данной группы. При необходимости определения постоянных потерь в других агрегатах группы пересчёт производится следующим образом:

= ∆Pconst т tвыб. хх , tвыб. т

где ∆Pconst т – потери в типовом двигателе; tвыб. хх, tвыб. т – время самоторможения исследуемого и типового агрегатов соответственно.

В качестве типового станка следует выбирать тот, у которого время самоторможения ближе к среднему арифметическому времени самоторможения всех станков данной группы. Измерения, связанные с определением постоянных потерь в агрегатах, надо делать при скоростях, наиболее типичных для большинства работ, выполняемых па данном станке.

Потери при нагрузке. Средние потерн активной мощности в приводном двигателе в течение смены

10