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.

Математическая формулировка задачи регулирования режимов электропотребления выглядит следующим образом:

где З_н — суммарные затраты на производство рассматриваемой про­дукции; 3_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:

где DЗ_Н — изменение затрат в результате регулирования; З_с — сум­марные затраты при свободном режиме; 3_р — суммарные затраты при режиме с регулированием потребления электроэнергии. При D3_н > О 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 обще организационным 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.

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

нагрузки нескольких цехов, агрегатов и электроприемников в часы жсимальной 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 внутри-контурного 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 17ч. 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_тах и за перерасходованную электроэнергию А, связанную с регулированием. В данном примере оплата Р_тах в 2,6 раза превосхо­дит стоимость А.

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 удоб ства 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

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.

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, чюбы напряжение на зажимах электроприемников в сети 0,4 кВ находилось у верхнего допустимого по ГОСТ уровня (U_HOM + 10%). При этом не учитываются технико-экономические показатели осветительных установок и АД.

Исследования показали наличие нелинейной зависимости h и cosj электродвигателей от напряжения и их загрузки. Для АД мощностью 1 кВт, работающего с номинальной нагрузкой, изменение напряжения на его зажимах в пределах (0,9 - 1Д) U _НОМ приводит к варьированию cosj в пределах 0,71—0,85. Если же двигатель работает с нагрузкой 0,5 номинальной, то его cosj оказывается очень низким и изменяется при том же изменении напряжения в пределах 0,32—0,52. Такое сни­жение cosj 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 h и cosj при загруз­ке двигателей по активной мощности (0,6 — 0,75) P _ном смещается от 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_ном, 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-

дования проводились в два этапа: 1) при напряжении на шинах 0,4 кВ цеховых ТП, превышающем номинальное на 5—10%; 2) при напряже­нии «а 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 cosj и к снижению потерь мощности в них и выразилось в снижении удель­ного расхода электроэнергии для цеха в целом.

Полезна оценка значения Р_этах 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 t:

Снижение электропотребления предполагает анализ Р_{i,i +1} (t) для каждого электроприемника 1УР и анализ потерь в каждом из элементов на каждом 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 P_max которого является снижение заявленного максимума.

С народнохозяйственной точки зрения снижение Р_3max 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 ру б/кВт, приближаясь к 1000 руб/кВт для АЭС. Обычно народно­хозяйственную эффективность регулирования (снижение Р_3max) 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 Т_тах = 6900 ¸ 7000 ч, см. табл. 2.4), и означает, что промышленность в целом уже сейчас

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_С [см. (2.11)] электропотребление не зависящими от регулиро­вания, 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 = const. Выделим (рис. 13.2, а) ночную зону; утренний Р_таху и ве­черний Р_{тax в} максимумы, совпадающие с временем прохождения максимума в энергосистеме р_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_{max y} = Р_{max в}. Снижение заявленного максимума (и оплаты) возможно, если такое регулирование будет осуществляться на протяжении

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

Если Р_тах снижается и становится меньше средней (Р^’_max < P _с), то при постоянном электропотреблении растет Т_тах, которое стано­вится больше числа часов в году Т’_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

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.