CC BY
55
Богданов Евгений Петрович
Evgeny P.Bogdanov
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University Доцент кафедры «Электромеханические комплексы и материалы» Associate Professor of department “Electromechanical systems and materials”
Канд. техн. наук, доцент
Рикконен Сергей Владимирович
Sergey V.Rikkonen ООО «Система», г. Томск “System” Ltd, Tomsk Главный конструктор ООО «Система», г. Томск Chief designer of “System” LTD, Tomsk Канд. техн. наук, доцент
Номоконова Юлианна Андреевна
Yulianna A. Nomokonova
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University Студентка Национального исследовательского Томского политехнического университета
Student of National Research Tomsk Polytechnic University
E-Mail: epbogdanov@mail.ru
05.14.00 - Энергетика
Потери мощности предприятия при переменной нагрузке
Power losses of the plant under changing load
Аннотация: В статье проведено качественное и количественное сравнение
электрических потерь в системах электроснабжения предприятий с постоянной и переменной нагрузками. Сравнение проведено на примере привода штанговых глубинных насосных установок станков-качалок. Потери энергии столь велики, что стоимость потерь в 3ч4 раза превышает стоимость двигателя. Обоснована необходимость замены асинхронных приводов станков-качалок на более энергоэффективные приводы с повышенным к.п.д. и регулируемым коэффициентом мощности.
The Abstract: The qualitative and quantitative comparison of electrical losses in power systems of plants with constant and changing loads is shown. The comparison was carried out on the example of the drive of rod deep pumping installation of pumping units. The energy losses are so large that the cost of losses in 3ч4 times the price of the electric motor. The necessity for replacing of asynchronous drive pumping units to more energy-efficient drives with high efficiency and adjustable power factor is shown.
Ключевые слова: Энергоэффективность, привод, потери, энергия, станок-качалка, двигатель, линия, экономия.
Keywords: Energy efficiency, drive, losses, power, pumping unit, electric motor, line, economy.
Энергосбережение в любой сфере сводится, по существу, к снижению бесполезных потерь энергии. Анализ потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что большая часть потерь (до 90 %) приходится на сферу энергопотребления, тогда как потери при передаче электроэнергии составляют лишь 9^10 %. Ясно, что основные усилия по энергосбережению должны быть сконцентрированы именно в сфере потребления электроэнергии [4, 3].
Структуру потребителей электроэнергии можно представить следующим образом: электроприводы - 62 %, электрический транспорт - 9 %, электротермия и электротехнология
- 8 %, освещение и прочие потребители - 21 %.
Стоимость электроэнергии, потребляемой ежегодно усредненным двигателем в промышленности, в несколько раз превосходит его собственную стоимость. Очевидно, что за десятки лет службы двигателя энергетическая составляющая несоизмеримо выше составляющей, связанной с капитальными затратами, в связи с чем забота об оптимизации именно энергетической составляющей является особенно важной.
В настоящее время самым распространенным электрическим приводом является привод с асинхронным двигателем. Коэффициент мощности и к.п.д. этих двигателей существенно зависят от степени загрузки привода, при этом потери в двигателях и распределительной сети также существенно изменяются (рис. 1).
Наглядным пример энергосистемы с переменной во времени нагрузкой - система энергоснабжения станков-качалок (СК), являющихся важным видом нефтегазового
оборудования и использующихся для механического привода к штанговым глубинным насосным установкам (ШГНУ) [1, 2].
Рассмотрим с точки зрения потерь несколько идеализированную систему энергоснабжения уравновешенных станков качалок, состоящую из шести ШГНУ и
распределительной линии длиной Ь (рис. 2).
М/Мн ом, 1^1аном, сояФ ,
1,0 0.8 0.6
0,4 0.2
0 . ....
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Р2/^?ном
Рис. 1. Типичные нагрузочные характеристики асинхронного двигателя
Рис. 2. Схема электрического питания станков-качалок с асинхронными
приводами: Р - активная мощность, Q - реактивная мощность, Ь - длина распределительной линии питания.
Рис. 3. Типичные временные зависимости активной, реактивной мощности, угла между напряжением и током, коэффициента мощности асинхронного привода уравновешенного
станка-качалки [3,4]
По осциллограммам (рис. 3) видно, что даже при уравновешенных СК колебания мощностей являются существенными, а коэффициент мощности (cos ф) изменяется от номинального значения до нуля.
Асинхронный двигатель: Рад = 22 кВт, ил = 380В, пад = 90,5 %, cos ф = 0,78.
Потери в такой схеме складываются из потерь от протекания активной (АМ) и реактивной (РМ) мощностей. Потери разделяются на потери в приводе и потери в распределительной сети.
Суммарная мощность асинхронных двигателей РЕ = 6*22 = 132 кВт. Полная мощность S = 169,2 кВА, реактивная мощность Q = 105,9 кВАр.
Характер нагрузки приводов станков-качалок переменный, двигатель периодически работает или в номинальном режиме, или на холостом ходу.
Рассмотрим самый тяжелый, с энергетической точки зрения, случай, когда все шесть приводов работают синхронно и синфазно (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость активной мощности станка-качалки во времени:
Р1 - мощность одного двигателя, Р2 - мощность двух двигателей.
Длина линии от нагрузки до трансформаторной подстанции Ь = 500м. Активное сопротивление фазы линии Ял = 0,094 Ом. Индуктивное сопротивление фазы линии Хл = 0,15 Ом.
Энергетические параметры асинхронного двигателя (к.п.д. и коэффициент мощности) существенно зависят от величины нагрузки двигателя (рис. 5).
(а) (б)
Рис. 5. а) - зависимость к.п. д. и коэффициента мощности асинхронного двигателя от изменения нагрузки; б) - временная зависимость к.п.д. и коэффициента мощности
асинхронного двигателя
Временные зависимости активной, реактивной и полной мощности изменяются от номинальных значений до нулевых, и эти зависимости имеют нелинейный характер (рис. 6).
кВ*А 2001----
О---^^—
0 0.75 1.5 2.25 3 3.75 4.5 5.25 б
Рис. 6. Зависимость активной мощности, реактивной и полной мощности электрической системы во времени с учетом нелинейной зависимости коэффициента мощности от нагрузки
Рис. 7. Временная зависимость потерь активной мощности асинхронных двигателей, распределительной сети и системы в целом с учетом нелинейной зависимости коэффициента мощности и к. п. д. от нагрузки)
Сравним, как изменяются потери в системе при постоянной нагрузке и при переменной во времени нагрузке.
Потери в распределительных сетях при постоянной номинальной нагрузке двигателей:
АРСЕТ = (РЕ2 + QE2) =
РЕ2Д
Л
= 18,65 кВт.
jл UЛ • cos2 <р
А Рсет = Ял/Ил2 *( РЕ 2 + QE2) = ((РЕ 2 * Ял) / (Ш2 * cos2 ф) = 18,65 кВт. (1) Потери мощности в двигателях при постоянной номинальной нагрузке двигателей: (юо-^дд)
АРд
РЕ'
12,6 кВт.
ДВ 100
Потери мощности в системе при постоянной номинальной нагрузке.
(2)
дРсис — ДРдв + дРсет — 31,25 кВт. (3)
Картина потерь существенно изменяется при переменном характере нагрузки станков-качалок (рис. 7).
Среднее значение потерь активной мощности системы электроснабжения:
ДРср = 22,6 кВт.
В год: Д Ж = ДРср * 8760 = 197976 кВт* час.
К.п.д. системы: псис = 85,38 %.
Стоимость годовых потерь (тариф 3руб/кВт*час): С = 197976*3 = 59 3928 руб.
Стоимость потерь энергии системы в год превышают стоимость двигателей ориентировочно в 3^4 раза.
Потери напряжения в распределительной линии при переменной нагрузке
электрических приводов ШГНУ.
Потери напряжения в воздушной линии зависят количества АМ и РМ в энергосистеме:
I, — РАД^^Л+^Д* С (4)
ип — 7Г#Л • (4)
Потери напряжения в воздушной линии в процентах от номинального напряжения: еп — и-П -100 . (5)
#Л
Рис. 8. Временная зависимость потерь напряжения в воздушной распределительной линии
При переменной нагрузке системы все энергетические характеристики изменяются во времени, в том числе нелинейно изменяются потери напряжения на нагрузке (рис. 8). Такие изменения напряжения существенно осложняют поддержание заданного режима энергосистемы, возникают вопросы по устойчивости работы системы, осложнятся работа двигателей.
Допустимые отклонения напряжения составляют 4^6 %. При отклонениях напряжения выше 6 % целесообразно применять средства компенсации реактивной мощности системы, или регулировать напряжение на низкой стороне трансформатора, что существенно увеличивает капитальные затраты на сооружение всей системы.
Выводы:
1. Среднее значение потерь активной мощности системы электроснабжения при переменной нагрузке на 27^30 % меньше потерь той же системы при постоянной нагрузке.
2. Стоимость потерь энергии системы с переменной нагрузкой в год ориентировочно превышают стоимость всех двигателей в 3^4 раза.
3. Для повышения к.п. д. системы в целом необходимо переходить с асинхронных приводов на приводы с более высокими к.п.д. и регулируемыми коэффициентами мощности.
4. Для уменьшения потерь напряжения на нагрузке и повышения устойчивости работы нагрузки и всей системы, коэффициент мощности привода должен быть регулируемым и иметь значение, близкое к единице.
5. При выполнении этих требований отпадает необходимость применения компенсирующих устройств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамчук В.С., Бацева Н.Л., Гольштейн Е.И. Функциональный контроль и диагностика электротехнических и электромеханических систем и устройств по цифровым отчетам мгновенных значений тока и напряжения. - Томск: Печатная мануфактура, - 2003, -240 с.
2. Блантер С.Г., Суд И.И. Электрооборудование для нефтяной промышленности. - М.:
- Изд.-во Недра. - 1973. - С. 242-252.
3. Ефремов В.В., Маркман Г.З. Энергосбережение и энергоэффективность: уточнение понятий, система сбалансированных показателей энергоэффективности. - Томск, - Известия ТПУ, - 2007. - Т. 311. - № 4.
4. Литвак В.В. Реформирование электроэнергетики России и эффективное энергосбережение // кесЬ-журнал интеллектуальных технологий. - Томск: - № 18. - 2011. - С. 64-66.
Рецензент: Лукутин Борис Владимирович. Докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Национального
исследовательского Томского политехнического университета.
