Раздел 4. Мероприятия по снижению потерь электрической энергии

Лекция 4. Мероприятия по снижению потерь электрической энергии в системе электроснабжения и потребления промышленных предприятий

Мероприятия по снижению потерь электрической энергии в системе электроснабжения

Электроэнергетическая система включает электриче­скую часть электростанций и потребителей энергии, которые связаны между собой посредством электрических сетей.

Распределение и передача электрической энергии осу­ществляются электрическими сетями, включающими трансформаторные и преобразовательные подстанции, распределительные устройства и воздушные или кабельные линии электропередачи.

1. Анализ режимов работы трансформаторных подстанций и систем регулиро­вания cos φ.

Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприяти­ях являются:

• асинхронные двигатели (45-65 %);

• электропечные установки (8 %);

• вентильные преобразователи (10 %);

• трансформаторы всех ступеней трансформации (20-25 %).

Перечень мероприятий, позволяющих повысить cos φ:

• 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 (х.х.);

• замена асинхронных двигателей синхронными;

• применение технических средств регулирования режимов работы электродвигателей;

• нагрузка трансформаторов должна быть более 30 % номинальной мощности.

Технические средства компенсации реактивной мощности:

• синхронные электродвигатели в режиме перевозбуждения;

• комплектные конденсаторные батареи;

• статические компенсаторы (управляемые тиристорами реакторы или конденсаторы).

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

К беззатратным и низкозатратным энергосберегающим мероприятиям относятся:

• контроль показателей качества электрической энергии (отклонение напряжения, колебания напряжения, несинусоидальность напряже­ния, несимметрия напряжения);

• уменьшение числа нагревательных приборов.

К среднезатратным энергосберегающим мероприятиям бюджетных организаций относятся увеличение коэффициентов загрузки электроприемни­ков и трансформаторных подстанций и ограничение их холостого хода. При коэффициенте загрузки электроприемников менее 50 % необходимо заменять их на электроприемники меньшей мощности. При загрузке трансфор­маторов менее 40 % следует уменьшать их количество.

К высокозатратным энергосберегающим мероприятиям бюджетных организаций относятся оснащение систем электроснабжения информацион­но-измерительными системами технического учета расходов электрической энергии. Счетчики расходов электрической энергии должны устанавливать­ся как на вводах в организацию, так и на вводах в каждое здание организа­ции.

2. Распределение нагрузки между вводами

В результате неравномерного распределения питания потребителей между трансформаторами подстанции неравномерно распределяется загрузка кабельных линий, питающих те или иные приемники электрической энергии. Из-за этого по ряду потребителей существует превышение норматива по потерям на 1 км кабельной линии. Данные потери считаются нерациональными, но их можно избежать – перераспределить нагрузку между вводами силовых пунктов. Данное распределение должно быть по возможности равномерным. В результате реализации данного мероприятия уменьшаются не только потери в кабельных линиях, питающих конкретный потребитель, но и потери электрической энергии, обусловленные несимметричной загрузкой фаз самой линии.

3. Перевод электрических сетей предприятий на повышенное напряжение и реконструкция сетей. Экономия электроэнергии в сети при переводе ее на более высокое напряжение определяется следующим выражением:

    где L- длина участка сети, на котором осуществляют повышение номинального напряжения;

    I₁ и I₂ - среднее значение токов в каждом проводе сети соответственно при низшем (НН) и высшем (ВН) напряжениях;

    S₁ и S₂ -сечение проводов сети при НН и ВН (при проведении мероприятий без замены проводов S₁ и S₂);

    ρ - удельное сопротивление материала провода при 20 ⁰С (для алюминия ρ_a = 0,026...0,029; для меди ρ_м = 0,0175...0,018);

    t - расчетный период времени.

     Экономию электроэнергии при проведении реконструкции сетей (замена сечения и материала проводов, сокращение длины линий без изменения напряжения) подсчитывают следующим образом:

    где I - среднеквадратичный ток нагрузки одной фазы;

   L₁, S₁,ρ₁, L₂, S₂, ρ₂ - соответственно длина, сечение и удельное сопротивление материала провода при 20 °С данного участка сети до и после реконструкции.     4. Компенсация реактивной мощности (КРМ). Установка в распределительных сетях предприятий конденсаторных батарей и оптимальное регулирование тока возбуждения синхронных двигателей уменьшают реактивную мощность, потребляемую из энергосистемы. Уменьшение потерь активной мощности определяют по формуле

     где ΔP_Σ, - суммарные потери мощности, вызванные передачей реактивной мощности в элементах системы электроснабжения;

    ΔP_i - потери мощности, вызванные протеканием реактивной мощности в i-м элементе системы до и после компенсации;

    n - число элементов расчетной схемы;

    Q^'_iК,У - суммарная реактивная мощность компенсирующих устройств, подключенных к элементам системы электроснабжения, получающих питание от рассматриваемого узла нагрузки;

    Q_i реактивная мощность, протекающая через i-й элемент системы электроснабжения до,компенсации реактивной мощности;

    R_i- активное сопротивление i-ro элемента системы электроснабжения;

    U_ном- базисное напряжение, к которому приведены сопротивления элементов системы.

     К мероприятиям по снижению потребления реактивной мощности, не требующим значительных капитальных затрат, относятся: упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования; замена малозагруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности; понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой; ограничение холостой работы двигателей; применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности в случаях, когда это возможно по условиям технологического процесса; замена и перестановка малозагруженных трансформаторов.       5.  Замена малозагруженных двигателей. Если средняя нагрузка двигателя составляет менее 45 % номинальной мощности, то замена его менее мощным двигателем всегда целесообразна. При нагрузке двигателя более 70% номинальной мощности замена его, как правило, нецелесообразна. При нагрузке двигателя в пределах 45 - 70% номинальной мощности необходимость его замены двигателем меньшей мощности проверяют расчетом. Замена целесообразна, если суммарные потери при этом уменьшаются:

     где Q_х = ЗU_номI_Х - реактивная мощность, потребляемая двигателем из сети при XX;

     I_Х- ток XX двигателя;

    U_ном - номинальное напряжение двигателя;

    К_н =Р_с/Р_ном - коэффициент нагрузки двигателя;

     Р_с - средняя нагрузка двигателя;

    Р_ном - номинальная мощность двигателя;

     - реактивная мощность двигателя при номинальной нагрузке;

    η_д - КПД двигателя при полной нагрузке;

    tg φ_ном - коэффициент реактивной мощности двигателя;

     - потери активной мощности при XX двигателя;

     - прирост потерь активной мощности в двигателе при нагрузке 100 %;

    К_И,П - коэффициент изменения потерь;

    γ - расчетный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя и определяемый из выражения

     ΔP_Х% - потери XX в процентах активной мощности, потребляемой двигателем при загрузке 100%.

6. Установка автоматических ограничителей XX рабочих машин. Экономию электроэнергии и экономическую целесообразность применения ограничителей XX определяют с помощью специальной диаграммы (рисунок 7.2.1), имея следующие исходные данные:

1) среднюю мощность XX Р_с,х, определяемую как сумму механической мощности XX системы электропривода Р_м,хи потери мощности в стали электродвигателя ΔР_х; мощность Р_с,х определяют приближенно путем замера нагрузки привода при холостой работе;

2) номинальную мощность электродвигателя Р_д,ном;

3) продолжительность межоперационного времени Т_всп;

4) число циклов работы Z.

    По этим данным определяют параметры диаграммы а = Р_с,х/Р_д,ном; b=1/4Т_всп. По параметрам а и b на диаграмме находят показатель эффективности ε, с помощью которого определяют часовую экономию электроэнергии системы электропривода:

.

Рисунок 10.1 - Диаграмма для определения экономии электроэнергии и устновления экономической целесообразности применения ограничителей ХХ     7. Экономичный режим работы силовых трансформаторов. На ПС, оборудованных однотипными трансформаторами одинаковой мощности, число одновременно включенных трансформаторов определяют по следующим условиям:

1) при росте нагрузки подключение (n + 1)-го трансформатора экономически целесообразно, когда коэффициент нагрузки работающих трансформаторов достигает значения .

2) при снижении нагрузки экономически целесообразно отключать один из трансформаторов, когда коэффициент нагрузки работающих трансформаторов достигает значения

    где n - число включенных трансформаторов;

    ΔQ_Х = S_ном.тI_Х /100 - реактивные потери XXтрансформатора;

    ΔQ_К = S_ном.тu_K /100 - реактивные потери КЗ трансформатора;

    I_Х- ток XX трансформатора (по паспорту), %;

    u_K - напряжение КЗ трансформатора (по паспорту), %;

    К_И,П - коэффициент изменения потерь.

     При наличии на ПС двух и более трансформаторов различной мощности целесообразно строить зависимость потерь от нагрузки трансформаторов. Приведенные потери мощности для построения этих зависимостей определяют по выражению

     По этим зависимостям определяют режим работы трансформаторов, т. е. необходимость подключения дополнительного трансформатора или вывод из работы одного из работающих трансформаторов.

8. Рациональное использование осветительных сетей. В настоящее время широкое распространение получили газоразрядные лампы, более экономичные, чем лампы накаливания. Лампы накаливания имеют низкий энергетический КПД; видимое излучение их не более 6% потребляемой мощности, а у газоразрядных ламп КПД составляег 17% и более. К неоправданным потерям электроэнергии приводит завышенная установленная мощность осветительной установки. Потери электроэнергии при этом определяют следующим образом:

ΔЭ_осв = (Р_ф - Р_л)К_сТ_ос

     где Р_ф — фактическая мощность ламп;     Р_л — мощность ламп, определенная проектом или требуемая нормами освещенности;     К_с — коэффициент спроса осветительной нагрузки;     Т_ос — годовое число часов использования максимума осветительной нагрузки.

    К увеличению потерь электроэнергии приводит неправильная эксплуатация светильников. В пыльных и грязных производствах освещенность понижается в 8— 10 раз. Поэтому постоянное поддержание светильников в чистоте имеет большое значение для рационального использования электроэнергии. Поддержание номинальных уровней напряжения в осветительной сети также является условием рационального расходования электроэнергии. Напряжение на выводах ламп не должно быть выше 105 % и ниже 85 % номинального напряжения. Снижение напряжения на 1 % вызывает уменьшение светового потока ламп (накаливания на 3 — 4 %, люминесцентных — 1,5% и ДРЛ-2,2%).      Для стабилизации напряжения в осветительных установках применяют автоматическое регулирование напряжения.    

  9. Увеличение нагрузки рабочих машин. При определении экономии энергии за счет увеличения нагрузки рабочих машин находят удельный расход энергии в разных режимах работы.      10. Уменьшение несимметрии в сетях напряжением до 1 кВ. Равномерность загрузки фаз обеспечивают в первую очередь за счет правильного распределения однофазных и двухфазных нагрузок по фазам. Действенным мероприятием по уменьшению несимметрии в сетях напряжением до 1 кВ является установка нейтраллеров на вводах и заземление оболочек кабеля. Мероприятия по выравниванию нагрузки фаз целесообразно проводить в трансформаторах, загруженных более чем на 30% номинальной мощности.     11. Рациональная эксплуатация цехового электрооборудования. Она заключается в четкости соблюдения графика по проведению плановых осмотров и поддержанию оборудования в работоспособном состоянии в межремонтный период (смазка подшипников электродвигателей, чистка воздушных фильтров системы подачи воздуха для принудительного охлаждения двигателей, проверка и подтяжка болтовых соединений шин 0,4—10 кВ, измерение сопротивления изоляции электрических машин и т. д.).     12. Регулирование графиков электрических нагрузок. Нагрузку энергосистемы определяет большое число различных потребителей, ее суммарный суточный график остается неравномерным, так как режим работы потребителей электроэнергии связан с определенным временем суток (например, одно-или двухсменное предприятие). Практическое значение для регулирования суточного графика нагрузки энергосистемы и снижения ее пиков в течение максимума имеют промышленные предприятия. Основным средством такого регулирования является энергоемкое оборудование, получившее название потребителей-регуляторов (ПР) и обеспечивающее существенное снижение пиков нагрузки. Выравнивание суточного графика нагрузки целесообразно не только для энергосистемы, но и для промышленного предприятия, поскольку при этом уменьшается плата за мощность и разгружаются от пиковых нагрузок сети и трансформаторы потребителей. Это приводит к уменьшению потерь мощности и, следовательно, к экономии электроэнергии.     Основные мероприятия по регулированию графиков электрических нагрузок. Индивидуальность каждого предприятия определяет конкретизированный список потребителей-регуляторов (ПР). В общем виде к ПР относят нагревательные печи, компрессорные, оборотные и другие системы водоснабжения, а также вспомогательные цехи. Основные мероприятия по регулированию графиков электрических нагрузок:

1) широкое применение запасенных материалов, запасенной энергии (например, водонапорные башни, газовые турбины на сжатом воздухе, маховые колеса, химическая энергия водорода);

2) смещение времени работы оборудования с часов максимума нагрузки на другие часы суток, если это оборудование имеет кратковременную суточную нагрузку, т. е. без снижения выработки продукции, но с возможными дополнительными издержками;

3) применение различных аккумулирующих устройств, которые используют как ПР. К ним относят электрохимические аккумуляторы и хранилища водорода (особенно прогрессивный способ при получении водорода для целей восстановления);

4) отключение в часы максимума нагрузки оборудования, работающего по непрерывному графику работы в течение суток, т. е. с уменьшением выработки продукции;

5) временное отключение вспомогательных приемников электроэнергии;

6) рассредоточение по времени пусков крупных приемников электроэнергии;

7) перевод части нагрузок на вспомогательную электростанцию с формированием ее работы в часы максимума нагрузки;

8) смещение перерывов в работе;

9) создание запасов полуфабрикатов на промежуточных складах;

10) временное ограничение производительности отдельных агрегатов, установок или технологических линий;

11) установка дополнительных агрегатов, позволяющих при значительных снижениях нагрузки в часы максимума обеспечить необходимый выпуск продукции вне часов максимума и т. п.

    

Кроме того, в осенне-зимний период, когда режимы электропотребления наиболее напряженные, промышленные предприятия по требованию энергосистемы переводят на особый режим работы со скользящим выходным днем, что также способствует выравниванию графиков электрических нагрузок.

Лекция 5. Мероприятия по снижению потерь электрической энергии в системе освещения

Современное энергоэффективное оборудование в осветительных установках

На искусственное освещение в любой организации в зависимости от отрасли приходится от 20 до 70 % всего электропотребления. Бережное, с наибольшим экономическим эффектом расходование такого значительного количества энергии является большой и важной задачей. Экономия электроэнергии на освещение не должна достигаться за счет снижения норм освещенности, отключения части осветительных приборов или отказа от использования искусственного освещения при недостаточном уровне естественного света, поскольку уменьшение освещенности приводит к понижению зрительной работоспособности, ухудшению психофизического состояния людей, повышению травматизма, снижению производительности труда и т.д. Потери от ухудшения осветительных условий значительно превосходят стоимость сэкономленной электроэнергии.

Как правило, система освещения на любом предприятии является комбинированной, поэтому увеличение доли естественного освещения является не менее важной задачей, чем экономия на искусственном освещении.

Увеличение доли естественного света в общей комбинированной системе освещения достигается реализацией следующих мероприятий:

1. Очистка остекления фонарей и окон. Проведение работ по регулярной очистке окон и фонарей позволит обеспечить необходимые уровни освещенности в течение дневной смены с мая по сентябрь месяцы года без включения искусственного освещения (график включения и выключения искусственного освещения может быть определен по очистки остекления и проведения необходимых измерений естественного освещения).

2. Окраска помещений с применением светлых отделочных материалов. Коэффициент отражения потолков и защитных боковин фонарей 0,7 – (белый цвет), стен 0,4 – 0,5 (светло-зеленый или светло-желтый цвета). Увеличение отражающих свойств позволяет улучшить качество освещения по распределению яркости (смягчение теней, улучшение равномерности освещения, повышение освещенности в вертикальных плоскостях, снижение ослепленности), снизить установленную мощность на ≈10%. Поскольку окраска стен в большинстве своем преимущественно тёмная, поэтому рекомендуется за счёт изменения окраски увеличить коэффициент отражения а, следовательно, уменьшить установленную мощность осветительных установок. Указанное мероприятие целесообразно провести одновременно с модернизацией искусственного освещения.

Добившись снижения установленной мощности осветительных установок системы искусственного освещения за счет реализации выше указанных мероприятий, можно начинать экономить электроэнергию модернизацией уже существующей системы искусственного освещения. Существует огромное количество мероприятий, систем и технологий, которые направлены на более рациональное использование искусственного освещения:

1. Установка новых отражателей. Наиболее простой и не требующий больших вложений способ энергосбережения – установка новых съемных отражателей в светильники. В связи с потерей отражающих свойств или отсутствием отражателей, КПД светильника снижается в 1,5 – 2 раза, а коэффициент использования осветительной установки в 2 – 2,5 раза. При замене отражателей установленная мощность может быть снижена на 1/3 при создании более высоких уровней освещенности (200 – 300 лк).

2. Установка ламп в соответствии с мощностью. Установка ламп накаливания в точном соответствии с мощностью, указанной в проекте осветительной установки или инструкции по эксплуатации светильника, позволит избежать дополнительных материальных затрат. Так, например, установка лампы накаливания мощностью большей, чем требуется, приводит к разрушению декоративного плафона светильника.

3. Замена стартеров в светильниках с люминесцентными лампами. Контроль режима работы установок с люминесцентными лампами с залипшими контактами стартера тлеющего разряда (светятся только концы ламп). В таком режиме ток светильника возрастает в 1,2 – 1,8 раза по сравнению с током номинального рабочего режима, что вызывает увеличение потребляемой из сети мощности. Например, одноламповый некомпенсированный люминесцентный светильник с лампой 40 Вт потребляет в рабочем режиме 95 В∙А, а в режиме с залипшим стартером – 132 В∙А. Коэффициент мощности светильника в режиме с залипшим стартером снижается до 0,12 – 0,15, а реактивный ток возрастает с 0,37 до 0,6 А, что вызывает увеличение потерь мощности в 2,5 раза. Кроме того, лампа в указанном режиме не излучает света, т.е. и вся активная мощность, потребляемая из сети светильником, является по существу бесполезной, т.е. потерями. Поэтому своевременная замена стартеров является мероприятием по экономии электроэнергии.

4. Контроль исправности балластных и компенсирующих конденсаторов в электромагнитных ПРА. Контроль исправности балластных и компенсирующих конденсаторов в пускорегулирующей аппаратуре для люминесцентных ламп. При пробое балластного конденсатора в индуктивно-емкостном ПРА двухламповых (четырех, шести) люминесцентных светильников примерно в 4,4 раза увеличивается реактивный ток, потребляемый светильником, и соответственно возрастают потери мощности а, следовательно, и энергии в электрической сети. При пробое компенсирующего конденсатора, установленного параллельно сетевым зажимам светильника, реактивный ток увеличивается в 2 раза, а потери мощности – в 4 раза.

5. Замена существующих пускорегулирующих аппаратов на электронные ПРА. Данное мероприятие заключается в замене традиционных электромагнитных пускорегулирующих аппаратов на электронные, предназначенные для работы светильников со всеми типами ламп (ЛБ – 36, ЛД – 36, ЛБ – 40 и т.п.).

Рисунок 5.13 Внешний вид ЭПРА

Таблица 5.3