Энергоаудит промышленного предприятия

4.1. ЭНЕРГОАУДИТ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ

Как правило, на промышленных предприятиях ведется постоянный учет расхода электроэнергии, оборудован ее входной коммерческий учет, на распределительных устройствах для крупных внутренних потребителей установлены электросчетчики. Система электроснабжения проектируется в соответствии с требованиями и нормами ПТЭ и ПТБ, при этом закладываются условия энергетической экономичности.

Имеющее место сокращение объемов выпуска продукции на предприятиях России привело к тому, что системы электроснабжения эксплуатируются не в номинальных режимах, электрооборудование недогружено. Это приводит к увеличению доли потерь в трансформаторах, электродвигателях, к снижению значения cosφ в системе электроснабжения. Изменились цены на энергоносители, что отразилось на переоценке экономичности реализованных схем энергоснабжения. Задача знергоаудиторов проанализировать режимы эксплуатации энергооборудования в новых условиях и дать рекомендации по его эксплуатации в сложившейся для предприятия ситуации.

Анализ режимов работы трансформаторных подстанций и систем регулирования cosφ.

В связи со значительным снижением объемов промышленного производства на российских промышленных предприятиях (на отдельных предприятиях молочной промышленности он упал в четыре раза) сложилась ситуация, при которой система электроснабжения работает не в номинальном режиме, увеличилась доля потерь, связанная с недогрузкой трансформаторов.

Потери активной электроэнергии в трансформаторе рассчитываются по формуле:

, кВт ч.

– приведенные потери мощности холостого хода трансформатора, кВт;

– приведенные потери мощности короткого замыкания, кВт;

К_З = Iср/ Iн - коэффициент загрузки трансформатора по току;

– потери мощности холостого хода, в расчетах следует принимать по каталогу равными потерям в стали (Для трансформатора ТМ- 1000/10 = 2,1 – 2,45 кВт);

– потери мощности короткого замыкания; в расчетах следует принимать равными по каталогу потерям мощности в металле обмоток трансформатора (для приведенного выше трансформатора = 12,2 – 11,6 кВт);

Кип – коэффициент изменения потерь, зависящий от передачи реактивной мощности (для промышленных предприятий, когда величина его не задана энергосистемой, следует принимать в среднем равным 0,07), кВт/кВАр;:

То – полное число часов присоединения трансформатора к сети;

Тр – число часов работы трансформатора под нагрузкой за учетный период;

= S_HT I_XX / 100 – постоянная составляющая потерь реактивной мощности холостого хода трансформатора, кВАр;

= S_HT – U_K / 100 – реактивная мощность, потребляемая трансформатором при полной нагрузке, кВАр;

I_ХХ – ток холостого хода, % (1,4 - 2,8%);

U_K – напряжение короткого замыкания, % (5,5%);

S_HT – номинальная мощность трансформатора, кВА. (1000 кВа);

Iср – средний ток за учетный период, А;

I_НТ – номинальный ток трансформатора. (Потери активной мощности в режиме холостого хода названного выше трансформатора равны 4,41 кВт).

Потери реактивной энергии за учетный период

= S_HT I_XX T_O /100 + S_HT U_K K²₃ T_P /100 (потери реактивной мощности в режиме холостого хода названного выше трансформатора 28 кВт, суммарные потери 32,41 кВт, что при цене 330 руб./кВт составит около 940 тыс. руб. за год). Влияние материалов трансформатора на его потери приведены в табл. 2.

При подсчете потерь мощности в трехобмоточном трансформаторе пользуются выражением

где , , – приведенные потери активной мощности в обмотках высшего (1), среднего (2), и низшего (3) напряжения; K_З1, К_З2, К_З3 – коэффициенты загрузок этих же обмоток.

Активные потери энергии в двухобмоточных трансформаторах в зависимости от степени их загрузки Ncp / N_HOM равны:

ΔЭа = (А + В (Nср / N_НОМ)²) N_НОМ τ /100 кВт ч.

ΔР_А.ПОТ = А + В – мощность активных потерь трансформатора при работе на номинальной нагрузке в % от номинальной мощности трансформатора (%);

Эа – общее потребление трансформатором активной мощности за отчетный (τ) период, (кВт ч);

Ncp – средняя мощность активной нагрузки трансформатора за отчетный период Ncp =Э/τ (кВт);

N_HOM – номинальная активная мощность трансформатора (кВт).

τ – отчетный период эксплуатации трансформатора (ч).

А – активная мощность потерь трансформатора при работе на холостой нагрузке в % от номинальной мощности трансформатора, (%);

В – активная мощность потерь трансформатора от составляющей нагрузки, в % от номинальной мощности трансформатора (%).

Таблица 2. Относительные данные для расчета потерь в высоковольтных

масляных трансформаторах

Тип тр-ра	NHOM кВт	ΔРхх кВт	ΔРкз кВт	Ixx %	UK %	А %	В %	ΔРн.пот %
ТМ-5/10		0.09	1.165	ю	5.5	2.5	23.6	26.18
ТМ-10/10		0.14	0.335		5.5	2.1	3.73	5.83
ТМ-10/6		0.105	0.335		5.5	1.7	3.7	5.48
ТМ-20/10		0.22	0.6		5.5	1.8	3.38	5.18
ТМ-20/6		0.155 -	0.515	9.5	4.5	1.44	2.89	4.33
ТМ-25/10		0.125	0.69	3.2	4.7	0.72	3:08	3.81
ТМ-25/6		0.125	0.69	3.2	4.7	0.72	3.09	3.S1
ТМ-40/10		0.18			4.7	0.66	2.83	3.48
ТНЗ-40/10		0.15	0.85		4.5	0.58	2.44	3.02
УМ -40/6		0.24	0.88	4.5	4.5	0.91	2.51	3.43
ТМ-63/6		0.36	1.47	4.5	4.7	0.88	2.66	3.54
ТМ-63/10		0.265	1.47	2.S	4.7	0.61	2.66	3.27
ТМ- 100/10		-0.365	2.27	2.6	4.7	0.54	2.59	3.14
ТМ- 100/6		0.365	2.27	2.6	4.7	0.54	2.59	3.14
ТМ-180/6	ISO				5.6	0.97	2.61	3.58
ТМ- 100/35		0.465	2.27	4.16	6.8	0.75	2.74	3.50
ТМ-250/10		1.05	4.2	3.68	4.7	0.67	2.01	2.68
ТМ-320/6		1.35	4.85	5.5	4.5	0.80	1.83	2.63
TM-320/iO		1.9	6.2		5.5	1.08	2.32	3.40
ТМ-400/10		1.08	5.9		4.5	0.48	1.79	2.27
ТМ-400/35		1.35	5.9	2.1	6.5	0.48	1.93	2.41
ТМ-560/10		2.5	9.4		5.5	0.86	2.06	2.93
ТМ-630/10		1.68	8.5		5.5	0.47	1.73	2.21
ТМ-630/35			7.6		6.5	0.45	1.66	2.11
ТМ-750/10		4.1	11 9		5.5	0.96	1.97	2.93
ТМ- 1000/6		2.75	12.3	1.5		0.38	1.79	2.17
ТМ-1000/10		2.45	11.6	2.8	5.5	0.44	1.54	1.98
ТМ- 1000/35		2.75	10.6	1.4	6.5	0.37	1.51	1.88
ТМ-1600/ 10		3.3		2.6	5.5	0.38	1.51	1.89
ТМ-1600/35		3.65	16.5	1.4	6.5	0.32	1.48	1.81
TM-2500/10		4.6	23.5		5.5	0.25	1.32	1.57
ТМ-2500/35		5.1	23.5	1.1	6.5	0.28	1.39	1.67
ТМ-4000/10		6.4	33.5	0.9	6.5	0.22		1.51
ТМ-4000/35		6.7	34.777	1.3	7.5	0.25	1.35	1.65
	Средние значения	1.07	3.91	4.98

Потери активной энергии в трансформаторе при известной продолжительности времени его нахождения во включенном состоянии можно оценить по среднему значению коэффициента загрузки трансформатора (КЗ = Iср / Iном = Nср / Nном), % потерь мощности в трансформаторе от величины номинальной мощности трансформатора и продолжительности нахождения трансформатора под нагрузкой за отчетный период.

При обследовании следует оценивать степень загрузки трансформаторных подстанций, выключать незагруженные трансформаторы, увеличивая степень загрузки остальных трансформаторов. При этом необходимо принять меры по защите изоляции трансформаторов от влаги. Попытка сделать линию разграничения с энергосбытом по низкой стороне, с уходом от управления загрузкой трансформаторов путем отключения, не снимает проблемы.

Необходимо также оценить эффективность работы компенсационных устройств, проанализировать влияние изменения cosφ на потери в сетях в течение суток (табл. 3), подобрать режимы эксплуатации косинусных батарей (рис. 2, табл. 4) и при наличии синхронных двигателей, работающих в режиме компенсации реактивной мощности, использовать автоматическое управление током возбуждения.

Реактивная мощность при синусоидальном напряжении однофазной сети равна Q=UI sinφ = P tgφ, в трехфазной сети – как алгебраическая сумма фазных реактивных мощностей. Уровень компенсируемой мощности Q_K определяется как разность реактивных мощностей нагрузки предприятия Qп и представляемой предприятию энергосистемой Qз.

Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются:

– Асинхронные двигатели (45-65%).

– Электропечные установки (8%).

– Вентильные преобразователи (10%).

– Трансформаторы всех ступеней трансформации (20-25%).

Влияние материалов трансформатора на его потери приведено в табл. 5.

Таблица 3. Влияние увеличения coscp на снижение реактивных потерь

Прежний costp	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7	0,8
Новый coscp	0,8	0,9	0,8	0,9	0,8	0,9	0,9
Снижение тока, %	37,5	44,5			12,5
Снижение потерь по сопротивлению, %			43,5	55,5		39,5

Таблица 4. Рекомендуемая емкость статических конденсаторов

для корректировки единичных асинхронных двигателей

Мощность двигателя (кВт), -380 В х 3	Статический конденсатор (кВАр в % мощности двигателя)
1-3
4-10
11-29
30 и более

Рис. 2. Правильная компенсация реактивной мощности электродвигателя

Трансформатор(1), электродвигатель (2) и конденсатор (3). В примере без использования конденсатора нагрузка на трансформатор и электрическую сеть увеличивается из-за реактивной мощности (пунктирная стрелка). Этого можно избежать, как в примере справа, когда только активная мощность (жирная стрелка) влияет на нагрузку.

Таблица 5. Влияние материалов трансформатора на его потери

Трансформатор 3-х фазный. Номинальная мощность, кВА	Потери в сердечнике, Вт	Потери в обмотке, Вт
Кремниевая сталь	Аморфная сталь	Кремниевая сталь	Аморфная сталь
750'

Перечень мероприятий, позволяющих повысить соsφ:

– Увеличение загрузки асинхронных двигателей.

– При снижении до 40% мощности, потребляемой асинхронным двигателем, переключать обмотки с треугольника на звезду. Мощность двигателя при этом снижается в 3 раза.

– Применение ограничителей времени работы асинхронных двигателей и сварочных трансформаторов в режиме холостого хода (XX).

– Замена асинхронных двигателей синхронными.

– Применение технических средств регулирования режимов работы электродвигателей.

– Нагрузка трансформаторов должна быть более 30% номинальной мощности.

Технические средства компенсации реактивной мощности:

– Cинхронные электродвигатели.в режиме перевозбуждения.

– Комплектные конденсаторные батареи.

– Статические компенсаторы (управляемые тиристорами реакторы или конденсаторы).

Общие требования – компенсаторы должны быть приближены к генераторам реактивной мощности.

Обследование электропотребляющего оборудования, проверка соответствия мощности электродвигателей и мощности потребителя

Электродвигатели являются наиболее распространенными электропотребителями промышленных предприятий. На них приходится около 80% потребления электроэнергии. Большую долю установленной мощности составляют асинхронные электродвигатели.

При проведении энергоаудита необходимо проверять соответствие мощности привода (электродвигателя) потребляемой мощности нагрузки, т.к. завышение мощности электродвигателя приводит к снижению КПД и cosφ. С уменьшением степени загрузки двигателя возрастает доля потребляемой реактивной мощности на создание магнитного поля системы по сравнению с активной мощностью и снижается величина cosφ. Капитальные затраты на замену одного двигателя другим двигателем с соответствующей номинальной мощностью целесообразны при его загрузке менее 45%; при загрузке 45-75% для замены требуется проводить экономическую оценку мероприятия; при загрузке более 70% замена нецелесообразна.

Эффективность зависит от типа, скорости, времени нагрузки двигателя, а также от его мощности:

Для двигателей мощностью 5 кВт при 100%. нагрузке КПД = 80%, для двигателей 150 кВт КПД = 90%.

Для двигателем мощностью 5 кВт при 50% нагрузке КПД = 55%, для двигателей мощностью 150 кВт КПД равен 65%.

При снижении нагрузки двигателя до 50% и менее его эффективность начинает быстро падать по причине того, что потери в железе начинают преобладать.

Суммарные потери в электродвигателе имеют четыре основных составляющих (см. рис. 3):

– Потери в стали (потери намагничивания), связанные с напряжением питания, постоянны для каждого двигателя и не зависят от нагрузки.

– Активные потери в меди I²R пропорциональные квадрату тока нагрузки.

– Потери на трение, постоянные для данной частоты вращения и не зависящие от нагрузки.

– Добавочные потери от рассеивания – зависят от нагрузки.

Снижение регулятором напряжения питания электродвигателя позволяет уменьшить магнитное поле в стали, которое избыточно для рассматриваемого режима нагрузки, снизить потери в стали и уменьшить их долю в общей потребляемой мощности, т.е. повысить КПД двигателя. Сам регулятор напряжения (обычно в тиристорном исполнении) потребляет мало энергии. Его собственное потребление становится заветным, когда двигатель работает на полной нагрузке.

Часто в режиме холостого хода потребляется почти столько же энергии, сколько необходимо для работы. Переключение обмоток двигателя мощностью 7,5 кВт, работающего в номинальном режиме (линейное напряжение равно 380 В) по схеме "треугольник", на схему звезды при работе на пониженной нагрузке 1 кВт (режим холостого хода) позволяет уменьшить потери с 0,5 кВт до 0,25 кВт (рис. 4).

Автоматическое переключение обмоток со схемы "треугольник" на схему соединения "звезда" в зависимости от нагрузки является простейшей схемой регулирования двигателя, длительное время работающего на малой нагрузке. Необходимо избегать работы двигателя в режиме холостого хода.

В установках с регулируемым числом оборотов (насосы, вентиляторы и др.), широко применяются регулируемые электроприводы. Оценочные значения экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода в вентиляционных системах – 50%, в компрессорных системах – 40–50%, в воздуходувках и вентиляторах – 30%. в насосных системах – 25%. Тиристорные регуляторы напряжения дешевле и диапазон регулирования скорости вращения меньше (снижение на 10-15% ниже номинальных), частотные регуляторы (наиболее часто в транзисторном исполнении) дороже и диапазон регулирования шире.

Стоимость частотного регулятора оборотов электродвигателя примерно равна стоимости электродвигателя.

В 1994 г. ориентировочная стоимость тиристорного регулятора напряжения для регулирования оборотов обычного электродвигателя составляла около 55–59 дол. США за кВт мощности двигателя. Применение регуляторов мягкого пуска и торможения позволяет достичь экономии 1.6-3,7% электроэнергии для двигателей мощностью 22–30 кВт при 20% загрузке двигателя. Удельная стоимость регулятора в 1994г. составила 50 дол. США за кВт (для двигателей менее 20 кВт) и 33 дол. США за кВт для двигателей более 20 кВт.

Для электроприводов, работающих большую часть рабочего времени на нагрузку, достигающую 30% и менее от номинальной мощности для которой регулирование можно осуществлять изменением оборотов электропривода (насосы, вентиляторы, мешалки и др.), эффективно применение частотных регуляторов оборотов электродвигателя. Для 15-киловаттного двигателя стоимость электронной частотной системы управления составляла около 200 дол. США за кВт. Она снижается при увеличении единичной мощности привода.

На Западе широко применяются энергетически эффективные (ЭЭ) двигатели, использующие более качественные электротехнические стали и медные обмотки, позволяющие на 2–5% уменьшить активные потери.

Фирма–производитель Brook Crompton Parkinson отмечает четыре направления повышения энергоотдачи таких устройств:

– Большая длина сердечника из стальных пластин с низкими потерями. Этим уменьшаются магнитная индукция и, следовательно, потери в стали.

– Потери в.меди уменьшаются максимальным использованием пазов и обеспечением подходящих размеров проводников.

– Потери от рассеивания минимизируются тщательным подбором количества пазов и их геометрией.

– Уменьшение потерь приводит к снижению мощности вентилятора обдува, затрачиваемой на охлаждение двигателя.

Энергоэффективные двигатели имеют более высокий КПД, допускают термические перегрузки, менее требовательны к обслуживанию, менее чувствительны к колебаниям напряжения сети и меньше шумят. Некоторые ЭЭ двигатели имеют цену двигателей обычного исполнения.

Рис. 3. Сложение составляющих потерь мощности в электродвигателях

Степень загрузки электродвигателя в %

Рис. 4. Влияние на потери переключения из "треугольника" в "звезду" стандартного двигателя мощностью 7,5 кВт

Выходная мощность, Кзт

Сводка общих мероприятий по энергосбережению в установках, использующих электродвигатели:

– Мощность двигателя должна соответствовать нагрузке.

– При часто повторяющейся работе в режиме холостого хода двигатель должен легко выключаться.

– Необходимо эффективно защищать крыльчатку системы обдува двигателя для устранения его возможного перегрева и увеличения доли потерь.

– Следует проверять качество эксплуатации трансмиссии.

– На эффективность работы системы влияет смазка подшипников и узлов трения.

– Необходимо правильно выбирать тип трансмиссии.

– Рассмотреть возможность применения электронных регуляторов скорости вращения в двигателях, которые часть времени работают не на полной нагрузке.

– Оценить возможность применения энергоэффективных (ЭЭ) двигателей, т.к. суммарная экономия электроэнергии может превысить в 15 раз стоимость электродвигателя.

– Качественно проводить ремонт двигателя, отказаться от применения неисправных или плохо отремонтированных двигателей.

Дата добавления: 2014-01-11