автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Экономия электроэнергии в низковольтных сетях промышленных предприятий

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ.

1.1. Основные направления энергосбережения в России и за рубежом.

1.2. Потери мощности и электроэнергии в цеховых сетях.

1.3. Характерные группы электроприемников цеха и потери в

1.4. Влияние компенсации реактивной мощности в цеховой сети на потери мощности и энергии.

1.5. Выводы по главе 1.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦЕХОВОЙ СЕТИ.

2.1. Анализ методов расчета установившихся режимов цеховой сети.

2.2. Адаптация методов расчета режимов к цеховой сети.

2.3. Методы оптимизации мощности и размещения компенсирующих устройств.

2.4. Модели расчета режимов с учетом различных видов компенсации.

2.5. Выводы по главе 2.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МОДЕЛЕЙ ЦЕХОВОЙ

СЕТИ.

3.1. Основные характеристики исследуемого объекта.

3.2. Формирование модели цеховой сети для проведения машинного эксперимента.

3.3. Расчет параметров установившихся режимов по моделям.

3.4. Сравнение результатов расчета.

3.5. Выводы по главе 3.

4. РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЩНОСТИ КОНДЕНСАТОРНЫХ

БАТАРЕЙ.

4.1. Методы регулирования.

4.2. Возможные датчики cos ф и требования к ним.

4.3. Определение параметров предлагаемого датчика cos ф.

4.4. Испытания датчика cos ф.

4.5. Выводы по главе 4.

Высокий уровень приоритетности энергосбережения обусловлен рядом факторов. В условиях беспрецедентного спада производства за годы реформ в России, объем которого в последние годы составил менее половины от уровня 1990 г., добыча энергоресурсов и выработка электроэнергии сохранились на уровне 75% от 1990 г /66/. Это объясняется тем, что физическое потребление энергии в России продолжает оставаться достаточно высоким - 71% от уровня 1990 г. Потребление наиболее качественных энергоносителей (газа и электроэнергии) в коммунально-бытовом секторе при этом не только не сократилось, но и несколько возросло. Все это привело к росту энергоемкости экономики России на 22%, которая оказалась в 2,5-3 раза выше, чем в промышленно развитых странах Америки и Европы. Свыше трети всех энергоресурсов в стране безвозвратно теряются или неэффективно расходуются.

Проблемами уменьшения потерь электроэнергии в России занимались Поспелов Г.Е., Щербина Ю.В., Бойко Н.Д., Железко Ю.С., Сыч Н.М., Зельцбург Л.М., Карпова Э.Л., Воротницкий В.Э., Пекелис В.Г. /13, 22-28, 47, 49, 50, 73, 74/. Разработанные методы, методики ориентированы преимущественно на электрические питающие сети, для составления энергобалансов энергосистем. Применительно к промышленным сетям этими проблемами активно занимается кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий» Московского энергетического института (технического университета): профессора Шевченко В.В., Гамазин С.И., Конюхова Е.А., доценты Анчарова Т.В., Цырук С.А. и аспиранты под их руководством /5, 14, 15, 56/.

Технические пути рационального использования электроэнергии разнообразны и зависят главным образом от особенностей приемников электроэнергии и конкретных особенностей электропотребления. В /11, 20, 48/ выделяются следующие направления энергосбережения в промышленности: 1. Упорядочение и совершенствование технологических процессов производ5 ства.

2. Улучшение эксплуатации электротехнического оборудования.

3. Снижение потерь в электросетях.

Применение наиболее экономичных термических установок и улучшение эксплуатации электропечей.

Совершенствование режима выработки сжатого воздуха и упорядочение его расходования.

Применение экономичных способов электросварки и обеспечение надлежащего состояния сварочной цепи и сварочного оборудования.

Применение современных экономичных источников света и соблюдение рациональных режимов работы осветительных установок.

Применение более экономичных вентиляторов и рациональная эксплуатация вентиляционных установок.

4. Улучшение эксплуатации насосных установок и упорядочение расходования воды.

Выделенные направления, как видим, касаются, в основном сфер деятельности технологов при проектировании и эксплуатации основного оборудования на предприятиях. Специалисты в области электроснабжения промышленных предприятий должны с максимальной эффективностью реализовывать направления 2, 4. Участие в направлении 1 состоит в регулировании совместно с технологами графиков нагрузки потребителей, что, конечно, ведет и к снижению электропотребления, но основной эффект состоит в снижении платы за электроэнергию, что тоже важно для предприятия.

В условиях действующего производства мероприятия по энергосбережению, связанные, например, с заменой малозагруженного оборудования оборудованием меньшей мощности, в настоящее время неэффективны, а для большинства предприятий невозможны по экономическим причинам. Непропорционально изменились цены на электрооборудование и тарифы на электроэнергию. За двадцать лет цены на асинхронные электродвигатели мощностью до 10 6 кВт увеличились в 50-70 раз (в стоимостном выражении); на двигатели 75 кВт -в 150-200 раз. Тариф на электроэнергию в 1970-80 г.г был на уровне (для центральных регионов): ставка за заявленный максимум нагрузки - а = 43 руб/кВт, за электроэнергию - b = 0.8 коп/кВт л. В настоящее время а = 75 руб/кВт, b = 41.4 коп/кВт.ч. То есть, плата за заявленный максимум нагрузки возросла в среднем только в 2 раза, а за потребленную электроэнергию - в 50 раз /54, 75/. Это, конечно, грубая оценка, без учета всех экономических и финансовых факторов, но вывод очевиден: замена оборудования не окупится для предприятия снижением потерь мощности и энергии.

Значительную роль в снижении потерь электроэнергии в промышленности играет рациональная компенсация реактивной мощности. Основная нагрузка потребляется электроприемниками напряжением до 1 кВ, поэтому наибольший эффект от компенсации реактивной мощности следует ожидать при компенсации в цеховых сетях. Компенсация реактивной мощности может дать эффект предприятию в связи с принятой /33/ системой оплаты электроэнергии. Выбор способов компенсации, компенсирующих устройств должен проводиться на основании либо сравнения многих вариантов сочетаний технических решений, либо на основе оптимизации компенсации в общем виде. Большое количество электрооборудования в современных цехах промышленных предприятий и сложность схем электроснабжения определяют необходимость применения вычислительной техники для расчета режимов цеховых сетей методами, известными в электроэнергетике, но не адаптированными для низковольтных сетей. Большой проблемой для расчетов является задание сочетаний режимов работы электроприемников, количество которых необозримо при ручном счете. При решении вопросов компенсации необходимо наряду с эффектом в части снижения потерь мощности и энергии учитывать затраты на компенсирующие устройства и системы регулирования.

Целью настоящей работы является: разработка математической модели режимов цеховой сети, методики машинного расчета потерь электроэнергии в 7 цеховых сетях и их снижение путем рациональной компенсации реактивной мощности при сложившихся рыночных ценах на электрооборудование и электроэнергию.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- выявление основных характеристик параметров режима цеховой сети, влияющих на потери мощности и энергии;

- разработка методики расчета потерь электроэнергии в цеховой сети с применением современных средств вычислительной техники;

- создание математической модели формирования графиков нагрузки и графиков потерь мощности цеховой сети;

- разработка методики расчета режимов цеховой сети с учетом различных способов компенсации реактивной мощности;

- проведение машинного эксперимента на основе созданной математической модели с целью оптимизации компенсации реактивной мощности по критерию минимума потерь активной электроэнергии при минимуме приведенных затрат;

- создание на современной элементной базе и исследование датчика coscp для автоматического регулирования конденсаторных установок.

Методика исследований определялась содержанием каждой решаемой задачи и базировалась на использовании аппарата теории вероятности, математической статистики, математического моделирования, методах расчета линейных цепей ТОЭ, методах расчета технико-экономической эффективности проектных решений, оптимизации, на машинных и натурных экспериментах. Теоретические исследования сопровождались разработкой различных математических моделей, в том числе имитационных моделей на ЭВМ и в виде программных средств. При выполнении работы использованы научные труды российских и зарубежных специалистов, нормативные и справочные материалы, материалы научно-технических конференций и семинаров.

Комплекс программных средств создан на основе стандартного программ8 ного обеспечения, адаптированного к решаемым задачам. Научная новизна:

- показана неприменимость существующих методов расчета нагрузок для оценки параметров графика нагрузок цеховой сети с точностью, необходимой для принятия решений по энергосбережению;

- предложена математическая модель, имитирующая мгновенные значения потребляемой приемником мощности на основе генераторов случайных коэффициентов загрузки, распределенных по нормальному закону, и состояний "включен-отключен", распределенных по бинарному закону;

- разработана математическая модель режима цеховой сети, комплексно реализующая статистические законы распределения нагрузки и состояний "включен-отключен" приемников электроэнергии и расчет режима точными методами для всех возможных сочетаний состояний приемников;

- разработаны автоматизированные процедуры формирования графиков нагрузки и потерь во всех ветвях цеховой сети, исключающие применение усредненных справочных коэффициентов;

- сравнением вариантов доказано преимущество централизованной компенсации реактивной мощности в цеховой сети при условии качественного автомагического регулирования мощности конденсаторных батарей;

- разработан датчик coscp (коэффициента мощности), отвечающий требованиям быстродействия и точности автоматического регулирования мощности конденсаторных батарей.

Защищаемые положения.

1. Доказана принципиальная невозможность получения при традиционных методах расчета нагрузок достоверной оценки потерь электроэнергии и необходимость математической модели цеховой сети для описания ее режимов.

2. Показана возможность применения итерационных методов расчетов к цеховой сети при задании нагрузок вероятностными характеристиками и алгорит9 мические процедуры расчета методом узловых уравнений при использовании электронных процессоров (MS Excel).

3. Показана возможность создания универсального алгоритма расчета компенсации реактивной мощности введением в каждый узел модели цеховой сети источника реактивной мощности с последующей оптимизацией значения генерируемой мощности.

4. Возможность моделирования режима работы электроприемника тремя параметрами: номинальной мощностью (Р£); коэффициентом загрузки (К3), изменяющимся по нормальному закону; параметром состояния (Пс), изменяющимся бинарно в соответствии с заданным коэффициентом включения (Кв) для определенных статистических характеристик Кз и Кв характерных электроприемников металлообрабатывающих цехов.

5. Для металлообрабатывающих цехов с преобладанием двигательной нагрузки целесообразной является централизованная компенсация, т.е. установка КУ на секциях цеховой подстанции.

6. Разработана схема датчика коэффициента мощности, удовлетворяющая требованиям совместного использования с системой управления компенсационной установкой.

Практическая ценность работы состоит в возможности применения созданной математической модели и комплекса программ для расчета параметров режима цеховой сети с любым количеством узлов и ветвей при оценке технической эффективности режимных мероприятий, направленных на энергосбережение, в условиях действующего и проектируемого производства. Применение разработанного датчика cosq) в составе системы автоматического регулирования конденсаторных батарей позволит поддерживать coscp на шинах цеховой подстанции близким к 1 во всех режимах работы цеха.

Диссертационная работа изложена на 128 страницах машинописного текста с таблицами и иллюстрациями. Список использованной литературы включает 78 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. При

10 ложение представлено на 24 страницах. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийских научных конференциях: "Модернизация систем централизованного теплоснабжения" (г.Тула, 1998г.), "Электроснабжение, энергосбережение, электроремонт" (г.Новомосковск, 2000г.), а также научных семинарах.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырех печатных работах/1-4/. и

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Определены основные параметры режима электрической сети (напряжение в узлах, коэффициент мощности) и электроприемников (коэффициент загрузки), влияющие на потери активной мощности в цеховых сетях.

2. Показана что, традиционные методы расчёта нагрузок не дают достоверной оценки потерь электроэнергии и необходимо уточнение математической модели цеховой сети для описание её режимов.

3. Обосновано, с учетом возможностей современных средств вычислительной техники, применение итерационных методов расчетов на основе узловых уравнений к цеховой сети при задании нагрузок вероятностными методами и разработаны алгоритмические процедуры расчета режима цеховой сети при использовании электронных процессоров (MS Excel).

4. Показана возможность создания универсального алгоритма расчета компенсации реактивной мощности введением в каждый узел модели цеховой сети источника реактивной мощности с последующей оптимизацией значения генерируемой мощности.

5. Предложено в произвольный момент времени моделировать режим работы электроприемника четырьмя параметрами: номинальной мощностью (Рн); коэффициентом загрузки (Кз), изменяющимся по нормальному закону; параметром состояния (Пс), изменяющимся бинарно в соответствии с заданным коэффициентом включения (Кв); для определенных статистических характеристик Кз и Кв для характерных электроприемников металлообрабатывающих цехов; коэффициентом мощности (cosq>=f (К3)) .

6. Выявлено, что для механических цехов необходимо и достаточно 1000 реализаций мгновенных значений параметров режима для обоснованного формирования графика нагрузки и определения его параметров; что для расчета параметров режима цеховой сети с общеинженерной точностью (5%) достаточно

1. Аль-канани Абдулкадер. Расчетная модель электрической сети механического цеха. Промышленная энергетика. Сборник научных трудов. /Новомосковский ин-т РХТУ. Новомосковск, 2000. с. 173-176.

2. Аль-канани Абдулкадер. Оптимизация размещения и мощности компенсирующих устройств в цеховых сетях. Материалы научн.-техн. конф. молодых учёных и аспирантов НИ РХТУ. /Тез. докл. Новомосковск, 1999. с.58

3. Аль-канани Абдулкадер. Расчет параметров режимов электрических сетей в MS Excel. Материалы научн.-техн. конф. проф.- преп. состава и сотрудников НИ РХТУ (Новомосковск, 23-26 марта 1999 г.).,4.1, Деп. в ВИНИТИ №3516-В99 от 29.11.99 с. 210-213.

4. Анчарова Т.В., Гамазин С.И., Шевченко В.В. Экономия электроэнергии на промышленных предприятиях. М.: Высшая школа, 1990.

5. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1982. 223с.

6. Браммеллер А., Аллан Р., Хэмэм Я. Слабозаполненные матрицы: Анализ электроэнергетических систем. М.: Энергия, 1979. - 212с.

7. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах, М: Высшая школа, 1970 472 с.

8. Волобринский С.Д. Электрические нагрузки и балансы промышленных предприятий. JL: Энергия, 1976. - 127 с.

9. Гамазин С.И. Понаровкин Д.Б. Цырук С А. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения. М.: Издательство МЭИ, 1991. - 352 с.

10. Гамазин С.И., Марков В.А. Потери мощности в цеховых системах электроснабжения. Промышленная энергетика: Сборник научных трудов/ РХТУ им. Д.И.Менделеева. Новомосковский ин-т, Новомосковск, 2000, с. 28-30.

11. Гераскин О.Т. Методы диакоптики для расчета установившихся режимов больших электроэнергетических систем. Известия РАН. Энергетика, 1997, № П.

12. Гераскин О.Т. Основы теории и методов расчета режимов больших электроэнергетических систем. М.: ИПК госслужбы, 1996.

13. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. — М.: Мир, 1985. -509с.

14. Гительсон С.М. Оптимальное распределение конденсаторов на промышленных предприятиях. М.: Энергия, 1967,152 с.

15. Головкин П.И. Энергосистема и потребители электрической энергии.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-360 с.

16. Ермаков С.М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. М.: Наука - 1971. - 167с.

17. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электриче123ских системах . М.: Энергоатомиздат, 1981.

18. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышения качества электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1985.

19. Железко Ю.С. Погрешности определения потерь электроэнергии в электрических сетях//Элекгричество. 1975. №2, С. 19-24.

20. Железко Ю.С., Бирюкова Р.П. Предельная точность и области применения регрессионных зависимостей эквивалентных сопротивлений линий 6-20 кВ//Электричество, 1988.; №8. С. 17-21.

21. Зуев Э.Н. Энергетики мир многоликий //"Электричество и жизнь", №1, 2000, с. 4-19.

22. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы электропотребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий.- М.: Энергоатомиздат, 1987.-336 с.

23. ИдельчикВ.И. Электрические сети и системы. -М.; Энергия, 1989.

24. Ильяшов В. П. Конденсаторные установки промышленных предприятий. М.: "Энергия", 1972.- 248с.

25. Инструктивные материалы Главгосэнергонадзора / Минэнерго СССР. М.: Энергоатомиздат, 1986.

26. Инструктивные материалы Главгосэнергонадзора России.- издание первое -М.: Главгосэнергонадзор России АОЗТ "Энергосервис", 1999.- 367с.

27. Карпов Ф.Ф., Козлов В.Н. Справочник по расчету проводов и кабелей. М.: Энергия, 1969.

28. Каялов Г.М., Каждан А.Э., Ковалев И.Н., Куренный Э.Г. Основы построения промышленных электрических сетей. М.: Энергия, 1978. 352с.

29. Киреева Э.А., Юнее Т., Айюби Т. Автоматизация и экономия электроэнергии в системах промышленного электроснабжения: Справочные материалы и примеры расчётов. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 320с.

30. Ковалев И.Н. Выбор компенсирующих устройств при проектировании электрических сетей.-М.: Энергоатомиздат, 1990.- 200с.

31. Копытов Ю.В., Чуланов Б.А. Экономия электроэнергии в промышленности: Справочник.- М.: Энергия, 1982 -109 с.

32. Красник В.В. Автоматические устройства по компенсации реактивной мощности в электросетях предприятий. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983.- 136с.

33. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М: Энергоатомиздат, 1995. 416 с.

34. Куренный Э.Г., Дмитриева Е.Н., Иванов B.C. Вычисление характеристик резкопеременных графиков.- В кн. Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок. М.: 1974, №7.

35. Мазуркин А., Мазуркина С. Решение конструкторско-технологических задач на базе MS Excel и T-Flex Cad //КомпьютерПресс, №5. 1997.- с. 253-256.

36. Мелник М. Основы прикладной статистики. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983 416 с.

37. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 года. Пер. с англ./ Под. ред. Ю.Н. Старшинова. М.: Энергия, 1980.

38. Нортон П., Соухэ Д. Язык ассемблера для IBM PC: Пер. с англ., -М.: Изд. «Компьютер», 1993. 352с.

39. Повышение эффективности использования энергии в промышленности Дании/ Под ред. А.М.Мастепанова и Ю.М.Когана.- Министерство Топлива и125энергетики Российской Федерации.- 242 с.

40. Поспелов Г.Е., Сыч Н.М. Потери мощности и энергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1981.

41. Поспелов Г.Е., Сыч Н.М. Федин В.Т. Компенсирующие и регулирующие устройства в электрических системах. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1983.

42. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп. с изменениями. / Главгосэнергонадзор России. ЗАО "Энергосервис", 1998. - 608с.

43. Правила учета электрической энергии (Сборник основных нормативно-технических документов, действующих в области учета электроэнергии) М.: Главгосэнергонадзор России АОЗТ "Энергосервис", 1999.- 367с.

44. Прайс-лист АО «Диалэлектроникс», адрес в Интернете: http ://www. dialelektrolux.ru

45. Прайс-лист АО «Промэлектроавтоматика», адрес в Интернете: http ://www.pea.ru

46. Прайс-лист Информэлектро, адрес в Интернете: vvww.prominfo.ru E-mail: techno@prominfo.ru, ipr@prominfo.ru

47. Прня Роденко. Способы регулирования напряжения в распределительных и цеховых сетях промышленных предприятий. Дисс. на соиск. уч. степени канд.техн.наук. Москва. 2000.149 с.

48. Ристхейн Э.М. Электроснабжение промышленных установок: Учеб. для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1991. -424с.

49. Сибикин Ю.Д., Барэмбо К.Н. Селятенко И.Т. Эксплуатация и ремонт электрооборудования промышленных предприятий. Справочник. М., "Машиностроение", 1971.- 423с.

50. Справочник по проектированию электроснабжения /Под ред. Ю.Г.Барыбина и др. -М.: Энергоатомиздат, 1990.- 576с.

51. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию в 2 т./ Под общ. ред. А.А. Федорова, т.1. Электрооборудование. М.: Энергоатомиздат, 1987.-592с.

52. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий/ Под ред. А.А.Федорова и Г.В.Сербиновского.- М. Энергоиздат, 1981.-624 с.

53. Справочник энергетика промышленных предприятий Т. 1. Электроснабжение Под общей ред. А. А. Федорова, Г. В. Сербиновского и Я. М. Болыпама. М,- JL, Госэнергоиздат, 1961.- 840 с.

54. Справочник энергетика промышленных предприятий Т.2. Электроснабжение Под общей ред. А. А. Федорова. М.- JL, Госэнергоиздат, 1961.- 840 с.

55. Сухарев А.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. -М.: Наука, 1986.- 328с.

56. Сыромятников И.А. Режим работы асинхронных и синхронных двигателей / Под ред. Л.Г.Мамикоянца. 4-е изд., переработ, и доп. - М.: Энергоатомиз-дат,1984. С.66-69.

57. Технический уровень электроэнергетики России: 1997год/ РАО "ЕЭС России". М.: АО "Информэнерго", 1998.

58. Толстихина Л.В. Поиск оптимального режима распределительных сетей на множестве Парето/ Изв. вузов Электромеханика, № 3-4,1996.

59. Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий : Учебник для вузов.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергия, 1979.- 408 с.

60. Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий : Учебник для вузов.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергия, 1979.- 408 с.

61. Федоров А.А., Рыкова Н.Д. Дополнительные потери в системах электроснабжения промышленных предприятий вследствие ухудшения качества электроэнергии. М.: МЭИ, 1986. 86с.

62. Хастинг Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика, 1980.

63. Шор Н.З. Методы минимизации недифференцируемых функций и их приложения. Киев: Наукова думка, 1979. - 224с.

64. Щербина Ю.В., Бойко Н.Д., Бутенко А.Н. Снижение технологического рас