CC BY
155
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
А.М. Сасов
доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств в машиностроении Международного университета природы, общества и человека «Дубна» (г Дубна), филиал «Протвино»,
кандидат технических наук [email protected]
Д.А. Сергунин
аспирант кафедры экономики Международного университета природы, общества и человека «Дубна» (г Дубна),
менеджер отдела маркетинга ОАО «Серпуховский конденсаторный завод «КВАР»
В статье представлен краткий обзор и структура энергетической отрасли Российской Федерации. Произведен анализ производственных показателей ОАО «ФСК ЕЭС». Установлено и обосновано негативное влияние реактивной мощности, как на отдельных потребителей, так и на сетевые компании в целом. Показана необходимость применения устройств компенсации реактивной мощности.
Ключевые слова: энергетика, производство и распределение электроэнергии, потери электроэнергии, реактивная мощность, компенсация реактивной мощности.
УДК 621.316.727 ББК 65.304.14
Энергетика современной России базируется на технической основе, созданной в годы существования СССР. Исторически территориальное распределение видов генерации электрической энергии сложилось следующим образом. Для Европейской части России характерно сбалансированное размещение генерации тепловой, гидравлической и атомной энергии. В Сибири около 50% энергетических мощностей вырабатываются гидроэлектростанциями. В энергосистеме Дальнего Востока преобладает тепловая генерация, в Калининградской области основу энергоснабжения составляют атомные электростанции [1].
После распада Советского Союза произошло резкое снижение технико-экономических показателей производства продукции всех отраслей промышленности [2].
Энергетическая отрасль адекватно отреагировала на отсутствие потребителей и так же снижала объемы произодства электроэнергии вслед за промышленными предприятиями. Этот период длился до наступления кризиса 1998 г. Последующие годы характеризуются строительством новых и восстановлением уже имеющихся крупных промышленных предприятий страны. К ним отнесятся такие акционерные общества как ОАО «НК «Роснефть», ОАО «НК «ЛУКОЙЛ», ОАО «ГМК «Норильский никель», ОАО «РУСАЛ», ОАО «ЧМК», ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей» и др. Такие предприятия являются ключевыми энергопотребителями в стране. Их развитие требует значительного увеличения мощностей и объемов производства электроэнергии в России (см. рис. 1).
С начала 2000 гг. началось реформирование отрасли, которое нашло отражение в постановлении Правительства от 11 июля 2001г. № 526 «О реформировании энергетики Российской
Федерации» [3]. В результате происходят изменения как в нормативно-правовой базе так и в структуре отрасли. Осуществляется разделение естественно монопольных (передача электроэнергии, оперативно-диспетчерское управление) и потенциально конкурентных (производство и сбыт электроэнергии, ремонт и сервис) функций. Вместо прежних вертикально-интегрированных компаний, выполнявших все эти функции, создаются структуры, специализирующиеся на отдельных видах деятельности.
Магистральные сети перешли под контроль Федеральной сетевой компании (ФСК), распределительные сети интегрированы в межрегиональные распределительные сетевые компании (МРСК), функции и активы региональных диспетчерских управлений были переданы общероссийскому Системному оператору (СО ЕЭС). Активы генерации в процессе реформы объединились в межрегиональные компании двух видов: генерирующие компании оптового рынка (ОГК) и территориальные генерирующие компании (ТГК). ОГК объединили электростанции, специализированные на производстве почти исключительно электрической энергии. В ТГК вошли главным образом теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые производят как электрическую, так и тепловую энергию. Шесть из семи ОГК сформированы на базе тепловых электростанций, а одна (РусГидро) — на основе гидрогенери-рующих активов.
Таким образом, образовавшиеся в ходе реформы компании трансформировались в предприятия, специализированные на определенных видах деятельности и контролирующие соответствующие профильные активы нескольких регионов.
Современный генерирующий электроэнергетический комплекс России включает почти 600 электростанций средней еди-
Рис. 1. Взаимосвязь объемов производства техники и электроэнергии в России
ничной мощностью свыше 5 МВт. Общая установленная мощность электростанций России составляет 220 тыс. МВт. Основу системообразующих сетей Единой национальной энергетической системы (ЕНЭС) России составляют линии электропередачи класса напряжения более 220 кВ, и распределительные сети класса напряжения 110 кВ и ниже.
На 1 января 2012 года общая установленная мощность энергосистемы Российской Федерации составила 218 145,8 МВт, увеличившись по сравнению с прошлым годом на 4 817,3 МВт за счет строительства новых энергетических объектов и модернизации действующих мощностей. На долю тепловых электростанций приходилось около 68,4%, гидравлических — 20,4%, атомных — около 11% энергетического потенциала [1].
Другой важной компонентой энергосистемы является доставка электроэнергии потребителю. Современный процесс передачи и распределения электроэнергии в РФ осуществляется следующими организациями, созданными в процессе реформы энергетики:
— Открытое акционерное общество «Системный оператор Единой энергетической системы». «СО ЕЭС» единолично осуществляет централизованное оперативно-диспетчерское управление в Единой энергетической системе России [4].
— Открытое акционерное общество «Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы». «ФСК ЕЭС» является организацией по управлению Единой национальной (общероссийской) электрической сетью (ЕНЭС) с целью ее сохранения и развития. Основные задачи компании: сохранение и укрепление, обеспечения единства технологического управления и реализации государственной политики в электроэнергетике. По итогам 2011 года Федеральная сетевая компания обеспечила фактический отпуск электроэнергии из сетей Единой национальной (общероссийской) электрической сети (ЕНЭС) в объеме порядка 500 млрд кВтч. В зоне ответственности компаний ФСК находятся в эксплуатации электрические сети десяти классов напряжения от 35кВ до 1150 кВ [5].
— Открытое акционерное общество «Холдинг межрегиональных распределительных сетевых компаний». Этот холдинг осуществляет корпоративное управление Межрегиональными распределительными сетевыми компаниями, функционирующими на территории Российской Федерации. Компания обеспечивает максимальную надежность и доступность распределительной сетевой инфраструктуры для потребителей во всех субъектах РФ за счет предоставления услуг, соответствующих международным стандартам качества.
Протяженность всех сетей дочерних операционных компаний Холдинга МРСК превышает 2,1 млн км. Современные объемы передачи электроэнергии составляют около 600 млрд кВтч. В зоне ответственности компаний этого холдинга эксплуатируются электрические сети десяти классов напряжения от 0,4кВ до 220 кВ [6].
Анализ производственных показателей компании ОАО «ФСК ЕЭС» показывает отпущенные объемы электроэнергии и суммарные фактические потери, полученные по итогам формирования балансов электрической энергии в сетях ЕНЭС за период с 2008 г. по 2010 г. (см. табл. 1).
Таблица 1
Производство и потери электроэнергии в сетях ЕНЭС по итогам 2008-2010 гг., млн кВтч.
Показатели 2008 г. 2009 г. 2010 г.
Отпущенный объем электроэнергии, млрд кВтч 471958 452662 470648
Фактические потери, млрд кВтч 21866 22121 22526
Удельный вес фактических потерь, % 4,63 4,89 4,79
Очевидно, что Программа снижения потерь электроэнергии в ЕНЭС является актуальной частью Программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности ОАО «ФСК ЕЭС» на 2011-2014 гг., поскольку ее выполнение позволяет сэкономить миллионы кВтч электроэнергии. Ежегодно разрабатываются меры сбережения энергетических ресурсов, направленные на снижение потерь в сетях ЕНЭС. Оценка эффективности выражается в количественном эффекте, полученном в результате их использования (см. таб. 2).
Таблица 2
Мероприятия по сбережению электроэнергии
Меры сбережения Количественный эффект, МВтч.
Оптимизация установившихся режимов электрических сетей (по реактивной мощности, по уровню напряжения) 40645,1
Отключение в режимах малых нагрузок электрического сетевого оборудования 75794,3
Сокращение продолжительности технического обслуживания и ремонта основного оборудования сетей (линий, трансформаторов), в том числе выполнение работ под напряжением 26852,0
Снижение расхода электроэнергии на собственные нужды подстанций 67050,8
Установка и ввод в работу устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях 2880,0
Замена перегруженных, установка и ввод в эксплуатацию дополнительных силовых трансформаторов на действующих подстанциях 2181,0
Замена измерительных трансформаторов тока 71522,4
Оптимизация загрузки электрических сетей за счет строительства подстанций и линий 4714,4
Итого по всем мероприятиям 291640,0
Из анализа табл. 2 можно увидеть, что меры, принимаемые в отношении реактивной мощности, должны стать приоритетными направлениями в области энергосбережения ресурсов, так как их реализация дает наибольший экономический эффект.
Потери электроэнергии за счет реактивной мощности обусловлены тем, что часть полной мощности затрачивается на электромагнитные процессы в нагрузке, имеющей емкостную и индуктивную составляющие. Электроэнергия расходуется на непроизводительный нагрев проводников и магнитных сердечников, не выполняя при этом полезной работы, то есть приводит к потерям энергии. Поэтому для компенсации этих потерь возникает необходимость применения более мощных источников энергии.
Другим фактором, влияющим на качество передачи энергии, является коэффициент мощности, представляющий собой безразмерную физическую величину, служащую энергетической характеристикой электрического тока. Коэффициент мощности характеризует приёмник электроэнергии переменного тока, а точнее степень линейности нагрузки. Он равен отношению потребляемой электроприемником активной мощности к полной мощности. В электроэнергетике для коэффициента мощности приняты обозначения cos ф (где ф — угол сдвига фаз между силой тока и напряжением). Чем выше cos ф , тем выше коэффициент полезного действия потребителя энергии.
При нормальных рабочих условиях все потребители электрической энергии, чей режим сопровождается постоянным возникновением электромагнитных полей (электродвигатели, оборудование сварки, металлоплавильные печи и др.) нагружают сеть как активной, так и реактивной составляющими полной потребляемой мощности. Эта реактивная составляющая мощности (далее реактивная мощность) необходима для работы оборудования, содержащего значительные индуктивности, и в то же время может быть рассмотрена как нежелательная дополнительная нагрузка, как на сеть, так и на оборудование.
В последние годы наблюдается рост производства и развитие инфраструктуры городов. Соответственно увеличивается потребляемая электрическая мощность. В тоже время оборудование электроснабжающих организаций весьма изношено, качество электроэнергии оставляет желать лучшего, а ввод новых мощностей не успевает за постоянно растущими потребностями. Все это происходит на фоне постоянного роста цен на электроэнергию. В связи с этим перед руководителями предприятий остро встает вопрос об оптимизации энергопотребления [8].
Учитывая вышесказанное, возникает необходимость снижения величины реактивной мощности в месте ее возникновения. Подобная практика широко распространена во всем мире и используется как компенсация реактивной мощности.
Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками в которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия специальных мер по компенсации составляет 0,7-0,75.
Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:
• уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличивая тем самым срок их службы;
• уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения (т.е. снизить капитальные затраты на внешние и внутриплощадочные коммуникационные сети);
• улучшить качество электроэнергии у электрических приемников;
• уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях;
• снизить расходы на электроэнергию;
• уменьшить уровень высших гармоник в сети.
Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок). Это помогает увеличить cos ф до приемлемых значений 0.9.
На сегодняшний момент на территории РФ существует единственный завод, который осуществляет производство конденсаторных установок на основе изготавливаемых конденсаторов собственной конструкции — ОАО «Серпуховский конденсаторный завод «КВАР».
Расчеты экономической эффективности от использования автоматизированных конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности в низковольтных распределительных сетях, на примере предприятия пищевой промышленности, показали следующие результаты. При исходных данных:
• присоединенная трансформаторная мощность предприятия — 6,25 мВхА (3 цеховые ТП 2x1000 кВхА и отдельно стоящая ТП 1x250 кВхА административного корпуса). Питание осуществляется по двум фидерам напряжением 10 кВ.
• суточный график электропотребления (сводная таблица активной и реактивной нагрузки предприятия по данным системы учета за месяц наибольшей загрузки энергосистемы — декабрь). Потребление электроэнергии составило:
o активная энергия — W = 5783940 кВтхч;
o реактивная энергия — Q =4034250 кВАрхч.
• по договору с энергоснабжающей организацией (ОАО-энерго) для данного предприятия действуют следующие тарифы:
o превышение лимита потребления реактивной мощности свыше cosф = 0,9 оплачивается по тарифу (Тр) — 10 коп. за 1 кВАрч. При этом 1дф = 0,48;
о средний реализационный тариф активной энергии (Та) — 140 коп. за 1 кВтч.
Период времени (I), за который производятся расчеты, равен 12 месяцам.
Экономический эффект (Э) от применения установок компенсации реактивной мощности за 1 год составит: Э = (О- № х |дф)) х Тр х I + W х 0,01 х | х Т
Инвестиции, необходимые для реализации данного варианта, складываются из стоимости автоматизированных конденсаторных установок (С), затрат на их транспортировку и монтаж (принимаем равными 10% от стоимости установки, с учетом НДС).
З = 6 х (С + 0,1 х С) = 1188000 руб., где отпускная заводская стоимость конденсаторной установки С = 180000 руб.
Срок окупаемости данного варианта компенсации (О): О = З / Э = 0,5 года.
Результаты расчета показывают, что применение устройств компенсации реактивной мощности, приносит быстрый и положительный экономический эффект для предприятия. Срок службы конденсаторных установок при правильных условиях эксплуатации составляет от 15 лет до 25 лет. Следовательно, экономический эффект (Этт), полученный за минимальный срок эксплуатации составит:
Этт = Э х (О + 14) = 35978154 руб.
Таким образом, сумма минимально сэкономленных денежных средств в 30 раз превышает первоначальную стоимость покупки конденсаторных установок, а с учетом возможности, их более длительного срока службы и тенденции к росту тарифов на электроэнергию эта сумма будет гораздо больше. Так же стоит отметить, что применение устройств компенсации реактивной мощности оказывает положительное воздействие на энергосистему в целом. Их применение позволяет:
— снизить нагрузку на генерирующие устройства, тем самым, повысить надежность работы энергосистемы страны;
— высвободить дополнительное количество электроэнергии (при неизменном количестве генерирующих мощностей), тем самым, позволить подключение дополнительного количества потребителей, и как следствие получить дополнительную прибыль.
Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы. Во-первых, выполнен обзор энергетической отрасли РФ. В ходе анализа производственных показателей выявлено, что значительное влияние на величину технологических потерь оказывает реактивная мощность. Во-вторых, рассмотрена природа процесса реактивной мощности, а так же обоснована необходимость снижения ее величины путем компенсации. В-третьих, по результатам выполненных расчетов показано положительное влияние от применения устройств компенсации реактивной мощности на экономические показатели, как отдельно взятого потребителя, так и энергосистемы в целом.
Литература
1. Интернет сайт Министерства энергетики Российской Федерации URL: http://minenergo.gov.ru/ — (26 января 2012 г.)
2. Интернет сайт Федеральной службы государственной статистики URL: http://gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat/rosstatsite/main/ — (4 февраля 2012 г.)
3. Постановление Правительства РФ от 11 июля 2001 г. № 526 «О реформировании энергетики Российской Федерации» «Собрание законодательства РФ», 16.07.2001, № 29, ст. 3032, «Российская газета», № 140, 25.07.2001, (с изменениями от 1 февраля 2005 г.)
4. Интернет-сайт ОАО «СО ЕЭС» URL: http://so-ups.ru/ — (21 февраля 2012 г.)
5. Интернет-сайт ОАО «ФСК ЕЭС» URL: http://www.fsk-ees.ru/ — (26 января 2012 г.)
6. Интернет-сайт ОАО «Холдинг МРСК» URL: http://www.holding-mrsk.ru/ — (26 января 2012 г.)
7. Годовой отчет 2010 г. Компании ОАО «ФСК ЕЭС» URL: http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/fsk_ar2010_web_rus.pdf/ — (4 февраля 2012 г.)
8. Конденсаторные установки среднего напряжения — ключ к снижению энергопотребления // Энергетика и промышленность России. — 2007. — № 8 (84), август.
