13.3. Регулирование электропотребления предприятий

Одной из особенностей электрики является неравномерность потребления электроэнергии. Покрытие неравномерного графика по сравнению с равномерным требует затрат, связанных со строительством пиковых агрегатов и увеличением расхода топлива из-за регулирования. Применяются различные решения по снижению затрат на покрытие переменной части графика нагрузки энергосистемы. Однако при любых решениях стоимость производства электроэнергии при неравномерном графике нагрузки будет выше, чем при равномерном (при прочих равных условиях). Поэтому актуально привлечение потребителей к регулированию режимов электропотребления, направленному на выравнивание графика нагрузки энергосистемы.

314

Математическая формулировка задачи регулирования режимов электропотребления выглядит следующим образом:

(13.3)

где З_н - суммарные затраты на производство рассматриваемой продукции; З_э - затраты на производство электроэнергии, необходимой для выпуска рассматриваемой продукции; З_п - затраты, непосредственно связанные с производством рассматриваемой продукции.

Практически все технологические процессы могут осуществляться в условиях регулирования электропотребления. Однако такое регулирование сказывается на технологическом процессе и связано с дополнительными затратами (ущербом) для потребителей по сравнению со свободным режимом. Путем сравнения можно найти экономическую эффективность регулирования:

(13.4)

где З_Н - изменение затрат в результате регулирования; З_с — суммарные затраты при свободном режиме; З_р — суммарные затраты при режиме с регулированием потребления электроэнергии. При З > 0 регулирование потребления электроэнергии экономически оправдано.

Несмотря на простоту выражений (13.3), (13.4) их практическое применение затруднительно в части выявления возможного снижения максимальной нагрузки предприятия в часы максимума энергосистемы. При снижении максимальной нагрузки предприятия в период максимума нагрузки происходит выравнивание графика нагрузки энергосистемы или, как говорят, его уплотнение.

Эффект от уплотнения графика проявляется в энергосистеме, т. е. у производителей электроэнергии, а достигается за счет мероприятий и средств потребителей, которые экономически не заинтересованы в регулировании режима электропотребления. Возникает задача распределения эффекта между энергосистемой и потребителями, которую экономически правильно было бы решить передачей эффекта потребителям, что можно реализовать в системе тарифов на электроэнергию, дифференцированных по зонам графиков нагрузки энергосистемы.

Под регулированием электропотребления понимается выравнивание суточных графиков нагрузки энергосистемы путем регулирования мощности потребителей (промышленных предприятий). В связи с этим можно выделить факторы, обеспечивающие снижение нагрузки предприятий в определенный период (момент) времени. К ним относятся организационные, электрические и технологические факторы.

К общеорганизационным факторам относятся: распределение выходных дней промышленных предприятий, распорядок начала работы, обеденных и межсменных перерывов в цехах промышленных предприятий, а также система зимнего и летнего времени.

315

Регулирование электропотребления путем воздействия на электрические факторы сводится в основном к регулированию напряжения в сетях энергосистемы, в системе электроснабжения и к компенсации реактивной мощности.

К технологическим факторам, способствующим уплотнению графиков нагрузки энергосистемы, относятся: упорядочение графиков работы технологических агрегатов и установок промышленных предприятий, отключение вспомогательного оборудования и проведение профилактики и ремонта технологического оборудования в период максимума нагрузки энергосистемы, создание запасов полуфабрикатов для возможности останова некоторых промежуточных звеньев технологического процесса и т. п.

Например, при наличии на предприятиях сталеплавильных печей можно организовать и поддерживать такой совместный режим работы однотипных агрегатов, при котором периоды расплава в печах не совпадают во времени, а сам расплав не производится в часы прохождения максимума в энергосистеме.

Все мероприятия по регулированию электропотребления должны разрабатываться совместно с технологическими службами предприятий в связи с необходимостью оценки их влияния на производственный процесс. Мероприятия подразделяются на; а) постоянно действующие в течение всего года; б) действующие в период ограничений на электропотребление; в) перспективные, требующие дополнительных капитальных вложений для их осуществления.

Одним из наиболее эффективных мероприятий по уплотнению графика нагрузки энергосистемы является отключение или снижение мощности части потребителей в часы максимальной нагрузки энергосистемы (с целью снижения максимума получасовой мощности предприятия). Такие потребители получили название "потребители-регуляторы". Для выявления ПР необходимо проводить обследования энергоемких установок и агрегатов. При обследовании изучаются возможности технологического процесса в части регулирования электропотребления, режимы работы цехов и участков, энергоемких установок и агрегатов и их долевое участие в формировании максимума нагрузки предприятия. Собираются и анализируются заявленные и фактические значения получасовых максимальных мощностей предприятия в часы максимума нагрузки энергосистемы, например, за последние 5 лет. Анализируются также суточные графики активной нагрузки предприятия в целом, це­хов и участков, энергоемких агрегатов.

Путем обследования выявляют подразделения предприятия, энергоемкие агрегаты и крупные электроприемники, формирующие максимум нагрузки предприятия или цеха. После этого разрабатываются мероприятия по организации такого режима их совместной работы, который исключал бы совпадение за некоторый период максимумов

316

нагрузки нескольких цехов, агрегатов и электроприемников в часы максимальной нагрузки энергосистемы.

Рассмотрим возможности работы в режиме потребителя-регулятора нефтедобывающего предприятия, на котором работает 50 насосных агрегатов мощностью по 800 кВт, заканчивающих воду в пласт, что является особенностью добычи нефти с использованием систем внутриконтурного и законтурного заводнения. При этом на закачку воды в пласт расходуется больше половины общего количества электроэнергии, затраченной на добычу нефти, и около 28% всей электроэнергии, расходуемой в отрасли. Нефтяные промыслы имеют равномерный график потребления электроэнергии, но промысловые электропри­емники могут работать в режиме ПР.

Анализ процесса добычи нефти показал возможность останова на 7 ч в сутки 25 из 50 насосных агрегатов с последующим переводом всех 50 агрегатов в форсированный режим в остальные 17 ч. Это позволяет снизить заявленную мощность предприятия на 18,7 МВт. Работа насосов в форсированном режиме ведет к увеличению годового электропотребления на 18 ГВт - ч из-за увеличения потерь в сетях и нагнетательных водоводах. Экономия определяется разностью оплаты за заявленный Р_mах и за перерасходованную электроэнергию А_p , связанную с регулированием. В данном примере оплата Р_mах в 2,6 раза превосходит стоимость А_p.

Выбор ПР ограничен характеристиками технологического оборудования, планом производства продукции, схемой электроснабжения, социальными факторами. Поэтому работа потребителей в режиме ПР должна рассматриваться на стадии проектирования предприятия и ранее — на стадии создания технологических агрегатов и установок (при их конструировании). Нужно предусматривать возможность работы в широком диапазоне регулирования нагрузки. Например, для электротермических установок важным показателем является их тепловая инерционность.

Диспетчерское управление электропотреблением осуществляется с помощью технических средств сбора, первичной обработки и представления информации в виде, удобном для регулирования мощности предприятия. На основе имеющихся, на предприятии регулировочных мероприятий значение и момент регулирующего воздействия определяет энергодиспетчер, знающий технологический процесс. Для удобства пользования регулировочные мероприятия оформляются в виде диспетчерских графиков включения и отключения отдельных объектов предприятия и ПР (цехов, участков, крупных электроприемников). Диспетчерские графики утверждаются главным инженером предприятия и являются основой ведения режимов электропотребления.

Каждый электроприемник выпускается заводом-изготовителем для работы при нормальном напряжении. При отклонениях напряжения

317

на зажимах электроприемника в допустимых по стандарту пределах показатели его работы не остаются постоянными. Например, изменяются температура в, печах сопротивления, мощность на валу электродвигателя и т. д. Отклонения напряжения на зажимах электроприемника не только приводят к изменению показателей его работы, но существенно влияют и на потребляемую из сети мощность.

Зависимость потребляемых электроприемником активной и реактивной мощностей от напряжения определяется статической характеристикой нагрузки по напряжению, которая в общем случае нелинейна. Для упрощения ее часто представляют в виде линейной зависимости и характеризуют значением регулирующего эффекта нагрузки. Под регулирующим эффектом нагрузки понимают изменение потребляемой мощности электроприемника в процентах при отклонении напряжения на 1%. Например, регулирующий эффект, равный 2,5, означает, что при отклонении напряжения на 1% в ту же сторону потребляемая мощность электроприемника изменяется на 2,5%.

Наиболее часто статические характеристики рассматриваются применительно к узлам нагрузки энергосистемы, т. е. к случаю смешанной нагрузки. В ряде случаев энергосистемы снижают напряжение в своих сетях в периоды максимальных нагрузок для уменьшения электропотребления. Расчеты и эксперименты показывают, что понижение напряжения на 5% в сети 6-20 кВ в часы максимальных нагрузок приводит к снижению активной мощности нагрузки на 1,5-2% и реактивной мощности нагрузки на 3—4,5%.

Исследование влияния режима напряжения на электропотребление в системах электрики доказало целесообразность ограничения превышений напряжений по сравнению с номинальным. На зажимах электроосветительных приборов и установок увеличение расхода электроэнергии может происходить из-за перенапряжений на зажимах источника света. Например, увеличение потребляемой мощности лампы накаливания составляет 8,1% при превышении напряжения на 5% и 16,4% при превышении на 10%, для люминесцентных - 10 и 20%, для ртутных ДРЛ - 12,2 и 24,3% соответственно.

Анализ изменения мощности, потребляемой газоразрядными лампами при регулировании напряжения на их зажимах, следует проводить для комплекта лампа - пускорегулирующий аппарат (ПРА). Объясняется это тем, что основная доля дополнительной мощности, потребляемой комплектом лампа—ПРА в режиме превышения напряжения над номинальным, приходится именно на балластное сопротивление ПРА. Поскольку балластное сопротивление значительно больше активного сопротивления лампы, при повышении напряжения мощность, потребляемая лампой, меняется незначительно, потребление же мощности балластным сопротивлением возрастает значительно.

Для ограничения превышений напряжения над номинальным в осве­тительных сетях применяются тиристорные ограничители напряжения.

318

При применении в качестве источников света ламп накаливания эффектным средством снижения электропотребления и увеличения срока их службы является использование ламп с повышенным номинальным напряжением. Характеристики этих ламп не отличаются от характеристик при напряжении 220 В.

Значительный интерес представляют исследования влияния напряжения на зажимах АД на потребляемые ими мощность и энергию. Влияние напряжения на электропотребление проявляется через технико-экономические показатели электродвигателей и потери в сетях, изменяющиеся при регулировании напряжения.

Вопрос об оптимальном напряжении в цеховых электрических сетях решается с учетом требований обеспечения допустимых отклонений напряжения на зажимах электроприемников и снижения потерь мощ­ности в сети. Исходя из этого переключение ПБВ трансформаторов ЗУР и регулирование напряжения на 4УР, 5УР осуществляется таким образом, чтобы напряжение на зажимах электроприемников в сети 0,4 кВ находилось у верхнего допустимого по ГОСТ уровня (U_ном + 10%). При этом не учитываются технико-экономические показатели осветительных установок и АД.

Исследования показали наличие нелинейной зависимости  и cos электродвигателей от напряжения и их загрузки. Для АД мощностью 1 кВт, работающего с номинальной нагрузкой, изменение напряжения на его зажимах в пределах (0,9 – 1,1) U_ном приводит к варьированию cos в пределах 0,71—0,85. Если же двигатель работает с нагрузкой 0,5 номинальной, то его cos оказывается очень низким и изменяется при том же изменении напряжения в пределах 0,32—0,52. Такое снижение cos при уменьшении загрузки двигателей приводит к значительному ухудшению их технико-экономических показателей (как электроприемников). Проведенные эксперименты позволили сделать общий вывод относительно характеристик электродвигателей малой мощности, заключающийся в том, что максимум  и cos при загрузке двигателей по активной мощности (0,6 - 0,75) Р_ном смещается U_ном в нижнюю сторону и наступает при напряжениях на зажимах двигателей (0,93 - 0,97)U_ном. Поскольку в реальных условиях производства загрузка электродвигателей, как правило, не превышает (0,6 - 0,7)Р_н, можно оценить зависимость электропотребления от уровня напряжения в цеховой сети по значению удельных расходов электроэнергии.

Исследования проводились в различных цехах промышленных предприятий, например в цехах сульфита натрия, и фтористого алюминия завода по производству минеральных удобрений. В качестве объектов исследований принимались такие цеха, где возможен точный учет продукции, выпускаемой за смену. Ежесменно фиксировались также потребление активной электроэнергии в цехах и гистограммы отклонений напряжения на шинах 0,4 кВ цеховых ТП. Экспериментальные иссле-

319

дования проводились в два этапа: 1) при напряжении на шинах 0,4 кВ цеховых ТП, превышающем номинальное на 5-10%; 2) при напряжении на шинах 0,4 кВ цеховых ТП, близком к номинальному.

Полученное снижение удельного расхода электроэнергии объясняется тем, что при поддержании на шинах 0,4 кВ цеховых ТП напряжения, близкого к номинальному, напряжение на зажимах электродвигателей оказалось ниже номинального на 2,5-5,5%. Основными электроприемниками цеха сульфита натрия являются АД малой мощности, которых в цеху установлено 251 шт. Загрузка электродвигателей по активной мощности колеблется в пределах 0,4-0,7 номинальной. Снижение напряжения на зажимах электродвигателей привело к повышению cos и к снижению потерь мощности в них и выразилось в снижении удельного расхода электроэнергии для цеха в целом.

Полезна оценка значения Р_mах при регулировании на всех уровнях системы электроснабжения. Электропотребление А определяется значением требующейся энергии W, затрачиваемой на полезную работу и потери при передаче от i-го элемента к (i + 1)-му мгновенной мощности потока энергии Р_{i, i+1} на некотором интервале времени :

(13.5)

Снижение электропотребления предполагает анализ P_i,i+1(t) для каждого электроприемника 1УР и анализ потерь в каждом из элементов на каждом из уровней системы электроснабжения (особенно в трансформаторах и линиях). Полагая неизменной энергию и полезную работу, определяемую технологией, и потери в сетях, можно говорить о регулировании электропотребления как планируемом изменении (задаваемом в режиме реального времени) значений А и Р_тах, целью которого является снижение заявленного максимума.

С народнохозяйственной точки зрения снижение Р_тах означает выравнивание графика нагрузки энергосистемы. В пределе это ведет к отказу от строительства части электростанций, фактической экономии капитальных вложений, которые (в ценах 1985 г.) составляли около 400 руб/кВт, приближаясь к 1000 руб/кВт для АЭС. Обычно народно­хозяйственную эффективность регулирования (снижение Р_тах) оценивали около 200 руб/кВт. Для потребителей регулирование означало уменьшение оплаты на 40—60 руб/кВт.

Число часов использования среднегодовой установленной мощности электростанций страны составляет 5100-5200, изменяясь незначительно с середины 30-х годов. Это ниже, чем число часов использования максимума для промышленных предприятий, работающих в три смены (для крупных металлургических предприятий T_max = 6900  7000 ч, см. табл. 2.4), и означает, что промышленность в целом уже сейчас

320

обеспечивает улучшение работы энергосистем, особенно базовой ее части — крупных агрегатов ТЭС и АЭС.

Будем считать годовое А = Р_тах Т_тах [см. (2.12)] и суточное а_с = = 24Р_c [см. (2.11)] электропотребление не зависящими от регулиро­ вания, т. е. требующая энергия [см. табл. 1.2] для функционирования предприятия W = const. Происходит перераспределение потребляемой энергии в течение суток. Обратимся к суточному графику нагрузки предприятия (см. рис. 2.7) и упростим его, сохранив площадь а_с - = const. Выделим (рис. 13.2, а) ночную зону; утренний Р_mаху и ве­ черний Р максимумы, совпадающие с временем прохождения максимумa в энергосистеме P_с<Р_таху<Р_тахз=Р_тахв, дневную зону.

Пусть на предприятии имеется возможность отключать энергоемкие агрегаты в часы прохождения максимума, но включать их в дневные и ночные часы так, что, при выполнении производственной программы, суточное электропотребление не меняется. Для тех же зон график изменится (рис. 13.2, б): А_с = const (площадь под графиком), Р_с >Р_тахз = Р_maxy = P_maxв. Снижение заявленного максимума (и оплаты) возможно, если такое регулирование будет осуществляться на протяжении

года (квартала). Переходя к условному годовому графику, имеем А_г = = 8760Р_с=Р_тахТ_тах= const.

Если Р_тах снижается и становится меньше средней (Р'_max < р_с), то при постоянном электропотреблении растет Т_maх, которое становится больше числа часов в году Р'_max > 8760. Известны предприятия, в отношении которых осуществлялось систематическое принудительное регулирование Р_тах, например отключение на 1-2 ч ферросплавных печей. Максимальное зарегистрированное число часов использования максимума Т_тах составило для одного из заводов ферросплавной подотрасли Т_тах = 14961ч при Р_тахз= 108 МВт.

Определим снижение оплаты предприятием, если средневзвешенное по получасовому максимуму число часов использования максимума по ферросплавным заводам составило 7467 ч.

Общее электропотребление завода

А_г = Р_{max з}Т_max = 10814961 = 1616ГВтч.

Заявленный максимум без регулирования при Т_тах = 7467 ч Р⁰_maxз =А_г/T_max = 1616/7467 = 217 МВт.

Разница (экономия) в оплате при тарифе С_р = 60 руб/кВт

С = С_р (Р⁰_maxз - P_maxp) = 6540 тыс. руб.

Общая оплата по двухставочному тарифу (в ценах 1985 г.) C = C_аА_г = С_рР_maxз = 1,5 -10^-2161610⁶₊

+ 6010810³ = 30,72 млн. руб.

Снижение оплаты за счет регулирования составило 21,3%. Приведенный пример не является типичным и отражает экстремальные условия одного из заводов. Если возможно выделить схемно 5УР, 4УР, ЗУР, 2УР и административно производство, цех, отделение, участок, то изложенные принципы следует положить в основу внутрихозяйственного расчета и оценки регулируемых мероприятий.