CC BY
220
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
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
Федянин Александр Леонидович
Aleksandr L. Fedyanin
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
05.14.00 - Энергетика
Повышение энергоэффективности распределительных сетей промышленных предприятий и объектов ЖКХ
Improving energy efficiency of distribution networks of industrial enterprises and
housing and communal services
Аннотация: В статье приведен перечень мероприятий, который необходимо проводить для повышения энергоффективности предприятий и объектов ЖКХ с целью снижения потерь в оборудовании и в распределительных сетях.
The Abstract: This article provides a list of activities that should be carried out to improve the energy efficiency and enterprises of housing and communal services to reduce the losses of equipment and distribution network.
Ключевые слова: Энергоффективность, мощность, потери, компенсация, привод, электродвигатель.
Keywords: Energy efficiency, power, losses, compensation, drive, electromotor.
Энергоёмкость российского валового внутреннего продукта в 2,5 раза выше, чем в странах Европы, Японии и США. На душу населения в России потребляется в 1,5 раза больше энергии, чем в других странах. Наша страна оказалась в круге наиболее
энергорасточительных стран мира. Однако, независимые эксперты [3] указывают, что потенциал повышения энергоэффективности достаточно велик, 45 % энергии, которую сегодня использует Россия, можно было бы сэкономить, если заместить энергопотребляющее оборудование на образцы, отвечающие мировым стандартам.
Электрическая система - это совокупность электрических частей электростанций, электрических сетей и потребителей электроэнергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления электроэнергии.
Режим работы электрической системы характеризуется значениями показателей её состояния, называемых параметрами режима. Все процессы в электрических системах можно охарактеризовать тремя параметрами: напряжением, током и мощностью. Для удобства расчетов и учета электроэнергии в сетях переменного тока принято разделение полной мощности на активную и реактивную мощность. Активная мощность производит работу и идет на потери в виде нагрева, реактивная мощность потребляется индуктивностями и электрическими ёмкостями для создания магнитного и электрического полей. Между нагрузкой и источником возникает обмен потоками энергии, суммарная мощность которого равна нулю, но при этом он вызывает дополнительные потери активной энергии, потери напряжения и снижает пропускную способность электрических сетей. Так как избежать подобных негативных воздействий невозможно, необходимо свести их к минимуму. В мировой практике для снижения потерь из-за циркуляции реактивной мощности широко применятся разного рода компенсирующие устройства (КУ).
Распределительные сети до 1кВ предназначены для передачи электроэнергии на небольшие расстояния от шин низшего напряжения районных подстанций к промышленным, городским и сельским потребителям. Расположение КУ в данной схеме (рис.1) предполагает снижение реактивной мощности в линии электропередачи, при этом реактивная мощность в распределительной, слева от трансформатора сети, не компенсирована.
распределит е льны е распределительные
сети до 1кВ сети свыше 1кБ
Рис.1. Принципиальная схема распределительной сети.
Тр-р - понижающий трансформатор, КУ - компенсирующее устройство, ЛЭП - линия
электропередачи
С точки зрения экономии электроэнергии и регулирования напряжения компенсацию реактивной мощности в распределительных сетях наиболее целесообразно осуществлять в точке её возникновения, а именно непосредственно на шинах нагрузки.
В настоящее время с существенным развитием полупроводниковой техники и средств автоматизации появилась возможность компенсировать реактивную мощность в преобразователе частоты, который является источником питания электрических приводов с переменной частотой, максимальным коэффициентом мощности и с максимальным к.п.д.
Таким источником является двухкомплектный преобразовать частоты (ДКПЧ), состоящий из инвертора и корректора коэффициента мощности (ККМ) [2].
Двухкомплектный преобразовать частоты
|ЗЭ
корректор инвертор двигатель
ко* ф фициент а
мощности
Рис. 2. Принципиальная схема двухкомплектного преобразователя частоты
Двухкомплектный преобразователь частоты (рис.2) является источником питания для электрических двигателей переменного тока с возможностью регулирования скорости вращения, коэффициента мощности, к.п.д. и рекуперацией энергии в сеть. ДКПЧ является источником реактивной мощности и, располагаясь в непосредственной близости от нагрузки, превращает её в чисто активную нагрузку (еоБф = 1) и потери в системе сокращаются.
Распределительные сети разделяются на распределительные сети до 1кВ и распределительные сети свыше 1кВ.
Сельские электрические сети. Общая протяженность электрических сетей напряжением 0,4 кВ сельских территорий России составляет около 880 тыс. км.
Городские электрические сети. Общая протяженность городских электрических сетей напряжением 0,4^10 кВ составляет 0,9 млн. км.
Неменьшая протяженность электрических сетей промышленных предприятий, которую практически невозможно определить.
Повышение энергоэффективности энергосистемы необходимо рассматривать в совокупности повышения эффективности распределительных сетей, нагрузок
потребителей и создания автоматизированной системы управления технологическим процессом электропотребления предприятия (АСУ ТП) электропотребления предприятия (рис.3).
Рис. 3. Принципиальная схема АСУ ТП электропотребления предприятия с компенсацией реактивной мощности за счет применения двухкомплектных преобразователей частоты
Для повышения энергоффективности предприятий и объектов ЖКХ необходимо выполнить следующие мероприятия:
^ проведение энергетического обследования и выработка рекомендаций по повышению энергоффективности;
^ выравнивание суточного графика энергопотребления предприятия;
> полный приборный учет энергоресурсов;
^ замена всех двигателей постоянного тока на частотно-регулируемые асинхронные и синхронные двигатели;
^ замена в технологических установках с постоянной скоростью вращения и переменной нагрузкой асинхронных двигателей на синхронные с регулируемым коэффициентом мощности;
^ замена редукторных электрических приводов на безредукторные электрические приводы;
> снижение моментов инерции всех вращающихся масс приводов;
^ для повышения к.п.д. и коэффициента мощности промышленных установок
использовать двухкомплектные преобразователи частоты ДКПЧ;
> применять автоматизированное регулирование производительности насосных станций, компрессорных, вентиляционных установок в зависимости от потребности нагрузки и времени суток (возможное снижение потребление электроэнергии до 60 %);
^ модернизация и авторегулирование осветительных систем;
^ пофасадное и поэтажное регулирование отопления;
> утилизация тепла вентилируемого воздуха и канализационных вод;
> формирование АСУ ТП «Энергопотребления предприятия».
Повышение энергоэффективности объектов ЖКХ.
Для примера приведём расчет энергопотребления жилого дома [1, 4, 5]. Исходные данные:
> дом 6-подъездный, 9-этажный с жилым первым этажом;
> 4 квартиры на этаже (4 квартиры до 60 м2);
> 1 лифт на подъезд - 5кВт;
> количество квартир - 216;
> 3 насоса сантехустройств по 3 кВт;
> расстояние до подстанции - 200м.
В электроснабжении дома проведены следующие изменения:
1. Двухскоростной редукторный асинхронный привод пассажирского лифта
заменён на безредукторный частотно-регулируемый привод с синхронным двигателем на постоянных магнитах [1].
2. Асинхронный нерегулируемый привод сантехустройств заменён на частотно-
регулируемый привод с синхронным двигателем на постоянных магнитах.
3. Во всех электрических приводах применён двухкомплектный преобразователь частоты с рекуперацией энергии в сеть, позволяющий поддерживать максимальный к. п. д. установки и коэффициент мощности, близкий к единице, организована АСУ ТП «Энергопотребления».
В рамках двух первых пунктов данной реконструкции энергоснабжения жилого дома годовая экономия электроэнергии распределительной сети составит 6,15 %. или 41375 кВт^час [4, 5].
При внедрении третьего пункта - создание автоматизированной системы управления технологического процесса энергопотребления (АСУ ТП «Энергопотребления») с функциями регулирования расходов насосов, регулирование системы энергоэффективного освещения годовая экономия электроэнергии распределительной сети составит приблизительно 10 % от потребляемой мощности [6].
При потреблении электроэнергии системы в год 672776 кВт^час [4, 5] экономия составит 67277 кВт^час.
За год экономия электроэнергии составит 108652 кВт^час.
При тарифе 3 руб/кВт^час экономия составит 325956 тыс. руб. в год.
Затраты на оборудование, автоматизированную систему управления и реконструкцию составят 400 тыс. руб.
Следовательно, данная модернизация энергоснабжения жилого объекта окупится за 1,1 ^ 1,5 года эксплуатации.
Повышение энергоэффективности распределительных сетей промышленных предприятий.
Для анализа производства и потребления реактивной мощности в электрических системах рассмотрим типичное промышленное предприятие. Состав электроприемников приведен в таблице.
Таблица
Состав электроприемников в системе электроснабжения типового промышленного предприятия
Виды электроприемников Активная мощность, % Реактивная мощность, %
Асинхронные двигатели 30 33
Синхронные двигатели 23 0
Вентильные 18 10
преобразователи
Электропечи 12 8
Бытовые 7 5
Собственные нужды 5 2
Потери в электрических 5 42
сетях
В данном случае только 58 % реактивной мощности генератора потребляется нагрузкой, остальная реактивная мощность (42 %) потребляется до главной понизительной подстанции (ГПП) трансформаторами и линией. Основная активная мощность (95 %) потребляется в нагрузке и только 5% - в трансформаторах и в линии. На производстве 30% мощности потребляют асинхронные двигатели (рис.4).
Рис. 4. Изменение потока реактивной мощности в электропередаче Потери в распределительных сетях: РПот = “7 (Рн + Он)
Допустим, что все асинхронные двигатели оснастили ДКПЧ, и, следовательно, двигатели не потребляют реактивную мощность. Отношение потерь без компенсации к потерям с компенсацией реактивной мощности избавит от привязки к конкретному предприятию и позволит определить потери исходя из процентов типичной нагрузки.
/-ч &Л
Считаем, что —т = С0П5Ґ,
иН
^|(0,952 + 0,32)
К = иН /_ = 1,12.
и^да
Это значит, что при компенсации реактивной мощности асинхронных двигателей потери снизились на 12 %.
В случае компенсации всей реактивной мощности предприятия, а это возможно при наличии АСУ ТП «Энергопотребления» предприятия, картина с потерями в распределительной сети будет выглядеть следующим образом:
^2(0,952 + 0,582)
= Н /п = 1,336.
§0-952
Это значит, что при компенсации всей реактивной мощности предприятия потери в распределительной сети снизились на 33,6 %.
Приведём пример по снижению потерь распределительной сети промышленного предприятия, в котором 10 асинхронных двигателей привода вентиляционных или гидравлических установок.
Вентиляционные установки присоединены к сети, как показано на рис.1. Компенсирующее устройство КУ расположено на высокой стороне понижающего трансформатора и служит для повышения коэффициента мощности передающей линии.
По распределительным сетям ниже 1 кВ циркулирует реактивная мощность, которая создаёт потери энергии.
Параметры асинхронных двигателей:
Р2 = 110 кВт, ин = 380 В, п = 2970 об/мин, п = 0,91, еоБф = 0,89, Р1 = 120,8 кВт, /ф =
180 А.
Суммарная мощность 10-ти двигателей составляет Рн = 1208 кВт.
Полная мощность £ = 1357,3 кВА.
Реактивная мощность Qн = 616 кВАр.
Длина линии от нагрузки до трансформаторной подстанции 500 м.
Активное сопротивление фазы линии Ял = 0,0795 Ом.
Фазный ток распределительной линии /фл = 1800 А.
Потери в распределительной сети без наличия АСУ ТП «Энергопотребления» предприятия: РП1 = -7 (РН + ОН) = 0,0 7 (12082 + 6162) = 1015 кВт.
“Н 380
Потери мощности в распределительных сетях близки к суммарной мощности потребления.
Полная мощность нагрузки с потерями в линии:
Р1 = РН + РП1 = 1208 + 1015 = 2223 кВт.
Энергия, потребленная за год:
&1 = 365 х 24 х 2223 = 19,5 х 106 кВт х час.
Стоимость данной энергии при тарифе 3руб/кВтХчас:
С1 = 19,5 х 106 х 3 = 58,5 х 106 руб.
Потери в распределительной сети с организацией АСУ ТП «Энергопотребления» предприятия и установкой ДКПЧ:
2 0,0795
РП2 = -2РН = —1208 = 806 кВт.
П2 иН Н 3802
Полная мощность нагрузки с потерями в линии:
Р2 = РН + РП2 = 1208 + 806 = 2014 кВт.
Энергия, потребленная за год:
&2 = 365 х 24 х 2014 = 17,64 х 106 кВт х час.
Стоимость данной энергии при тарифе 3руб/кВтхчас:
С1 = 17,64 х 106 х 3 = 52,9 х 106руб.
Сумма экономии: Сэк = (58,5 — 52,9) х 106 = 5,6 млн.^б.
Стоимость реконструкции и оборудования ориентировочно составляет 5,5 млн. руб. Следовательно, за счет снижения потерь в распределительных сетях реконструкция предприятия окупится за 1,5^2 года.
Анализ экономических расчетов на примере жилого дом ЖКХ, типового промышленного предприятия показывает, что затраты на реконструкцию электроснабжения предприятия и жилого сектора посредством организации АСУ ТП «Энергопотребления» предприятия и установки ДКПЧ окупятся, в среднем, за 1.5^2 года.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антропов А.Т., Рикконен С.В. Сравнительный анализ энергозатрат лифтовых лебёдок // іїесИ-журнал интеллектуальных технологий. Томск: - 2010. № 15. - С. 24-30.
2. Краснов И.Ю, Черемисин В.Н. Проектирование активного корректора коэффициента мощности и имитационное моделирование его работы. Томск: Известия ТПУ. - 2009. Т. 314. № 4.- С. 92-97.
3. Литвак В.В. Реформирование электроэнергетики России и эффективное энергосбережение // іїесИ-журнал интеллектуальных технологий. Томск: - 2011. № 18. - С. 64-66.
4. Рикконен С.В. Повышение энергоэффективности распределительных сетей // іїесИ-журнал интеллектуальных технологий. Томск: - 2011. № 18. - С. 48-51.
5. Рикконен С.В. Компенсация реактивной мощности в распределительный сетях // іїесИ-журнал интеллектуальных технологий. Томск: - 2011. № 18. - С. 30-33.
6. http://www.momentum.ru
Рецензент: Лукутин Борис Владимирович. Докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Национального исследовательского Томского политехнического университета.
