Экономия электроэнергии в системах электроснабжения

Общие положения Главным резервом экономии электроэнергии в системах электроснабжения является в настоящее время применение энергосберегающих технологий (совершенствование существующих и применение новых). Для каждой отрасли промышленности доля энергетической составляющей в себестоимости выпускаемой продукции разная. Так, например, в черной металлургии это 40%, в машиностроении 20%, в производстве воды 30% и т.д. Но и тогда, когда доля энергетической составляющей в себестоимости незначительна, экономное расходование электроэнергии дает возможность выработать дополнительную продукцию, в то время как ущерб при недоотпуске энергии во много раз превышает ее стоимость. Экономия электроэнергии означает прежде всего уменьшение потерь электроэнергии во всех звеньях системы электроснабжения и в самих электроприемниках, имеется ввиду технические потери. Основным путями снижения потерь электроэнергии в системах электроснабжения являются следующие: 1) рациональное построение системы электроснабжения, при ее проектировании и реконструкции, включающее в себя применение рациональных: а) напряжений; б) мощности и числа трансформаторов на трансформаторных подстанциях; в) общего числа трансформаций; г) места размещения подстанций; д) схемы электроснабжения; е) компенсации реактивной мощности и др; 2) снижение потерь электроэнергии в действующих системах электроснабжения, включающее в себя следующее: а) управление режимами электропотребления, б) регулирование напряжения; в) ограничение холостого хода электроприемников; г) модернизация существующего и применение нового, более экономичного и надежного технологического и электрического оборудования; д) повышение качества электроэнергии; е) применение экономически целесообразного режима работы силовых трансформаторов; ж) замена АД на СД, где это возможно; з) автоматическое управление освещением в течение суток; и) применение рациональных способов регулирования режимами работы насосных и вентиляционных установок и др.; 3) нормирование электропотребления, разработка научно обоснованных норм удельных расходов электроэнергии на единицу продукции; нормирование электропотребления предполагает наличие на предприятиях систем учета и контроля расхода электроэнергии; 4) организационно-технические мероприятия, которые разрабатываются конкретно на каждом предприятии с учетом его специфики. Известно, что при передаче электроэнергии от источника к приемнику теряется 10-15% электроэнергии, отпущенной с шин подстанций. Ниже рассмотрены более подробно некоторые пути экономии электроэнергии. Экономия электроэнергии в силовых трансформаторах При загрузке силового трансформатора на 30% нагрузочные потери примерно равны потерям холостого хода. В среднем на каждой трансформации теряется до 7% передаваемой мощности. Работа трансформатора в режиме холостого хода или близком к нему вызывает излишние потери электроэнергии не только в самом трансформаторе, но и по всей системе электроснабжения (от источника питания до самого трансформатора) из-за низкого коэффициента мощности. В целях экономии электроэнергии целесообразно отключать малозагруженные трансформаторы при сезонном снижении нагрузки. Было подсчитано, что за счет сезонного отключения трансформаторов на 35 и 110 кВ можно получить экономию электроэнергии около 190 млн. кВт·ч в год в целом по стране. Такие отключения возможны на двух-трансформаторных подстанциях. На практике это применяется редко, в основном, сезонно из-за низкого ресурса масляных выключателей. Предлагается отключение одного трансформатора производить автоматически в зависимости от загрузки, при этом заменить масляные выключатели на вакуумные, ресурс которых неограничен. Сокращение числа трансформации Значительную экономию электроэнергии можно получить за счет сокращения числа трансформаций. Как указывалось выше, в каждом трансформаторе теряется до 7% передаваемой мощности, поэтому вопросы рационального числа трансформаций в системе электроснабжения имеют важное значение. Основными причинами излишнего числа трансформаций являются, неправильный выбор напряжения (питающей распределительной сетей) без учета перспективы развития промышленного предприятия. Значительную экономию электроэнергии можно получить также, уменьшив мощность цеховых трансформаторов за счет компенсации реактивной мощности (КРМ). Этот вопрос, относящийся одновременно и к трансформаторам, и в целом к кабельным сетям, рассмотрен далее. Экономия электроэнергии в сетях Известно, что большая часть потерь активной мощности падает на распределительные сети 0,22—10 кВ, несмотря на то, что в эти сети вкладывается значительно больше цветного металла, чем в сети 35—110 кВ (табл.1). Таблица 1. Потери активной мощности и расход цветного и расход цветного металла Напряжение сетей, кВ Потери активной мощности, % потребляемой Расход цветного металла, % 110 25 14 35 10 6 0,22- 65 80 Всего 100 100 Из таблицы 1 видно, что наиболее действенными мероприятиями по снижению потерь мощности и электроэнергии являются те, которые снижают эти потери в сетях 0,22—10 кВ. Как известно, потери активной мощности ДРл в кабельных линиях равны: ∆Pл = 3 ⋅ I 2л⋅ Rл , (1) где Iл – ток в линии; Rл – сопротивление одной фазы в линии. Ток в линии и сопротивление можно выразить так: (3) где Рл – мощность нагрузки, кВт; Uл.ном – номинальное напряжение сети кВ; соsy- коэффициент мощности; с — удельное сопротивление материала жилы кабеля, Омм/мм2 (для алюминиевых проводов с1 = 0,026ч0,029; для медных с2 = 0,0175ч0,018; для стальных с3 = 0,01ч0,14); Lл — длина линии, км; Sл — сечение линии, мм2. На основании (1) − (3) можно записать: (4) Из (4) следует, что экономить электроэнергию в кабельных линиях можно за счет: 1) сокращения длины линий, например, от цехового трансформатора до приемника электроэнергии; 2) увеличения сечений линий до экономически целесообразных значений, определяемых технико-экономическими расчетами (ТЭР); 3) повышения соsц электроустановок; 4) увеличения напряжения сети. Сокращение длины кабельных линий осуществляется за счет: − рационального распределения приемников электроэнергии между подстанциями с учетом технологических особенностей производства; − более глубокого подвода ВН к цехам, где устанавливают понижающие подстанции; − рационального выбора мест размещения подстанций. Особенно резко уменьшаются потери активной мощности и энергии при увеличении напряжения, так как эти потери обратно пропорциональны квадрату напряжения (4). Так, если к цехам подвести напряжение 6(10) кВ вместо 0,38 кВ, то потери снизятся в: (5) (6) Если сравнить 6 и 10 кВ, то: (7) На мой взгляд здесь имеется значительный ресурс по экономии электрической энергии. На сегодняшний день большой процент составляют сети напряжением 6 кВ. Поэтому реконструкция сетей с переводом их на напряжение 10 кВ может дать ощутимую экономию электрической энергии. Все это не требует больших капитальных затрат. Экономия электроэнергии за счет замены малозагруженных электродвигателей электродвигателями меньшей мощности При нагрузке электродвигателя в пределах 45−70% номинальной мощности целесообразность его замены двигателем меньшей мощности должна быть обоснована. С этой целью определяют суммарные потери активной мощности в системе электроснабжения и в электродвигателе до замены ДРΣ1 и после замены ДРΣ2 двигателя. Если окажется, что ДРΣ2< ДРΣ1 то такая замена целесообразна: ∆PΣ = [Qх ⋅ (1 − kз2 )+ kз2 ⋅ Qд.ном ]⋅ kи.п + ∆Pх + kз2 ⋅ ∆Pз.н (8) Экономия электроэнергии при компенсации реактивной мощности Реактивная мощность потребляется как электроприемниками, так и элементами сети. Реактивная мощность, потребляемая промышленным предприятием, распределяется между ее отдельными видами приемников электроэнергии следующим образом: 65 % приходится на АД, 20-25 % на силовые трансформаторы и около 10 % на воздушные линии и другие электроприемники (люминесцентные лампы, реакторы и т.п.). Этот показатель будет возрастать в связи с внедрением энергосберегающих приемников. Компенсация реактивной мощности у потребителя позволяет: 1. снизить ток в передающих элементах сети, что приводит к уменьшению сечения кабельных и воздушных линий: (9) где Sр, Iр – расчетные полная мощность и ток после компенсации реактивной мощности соответственно; Qд.к – реактивная мощность до компенсации; Qку – мощность компенсирующих устройств; Рр – расчетная активная мощность; 2. уменьшить полную мощность, что снижает мощность трансформаторов и их число (10) где Sр' – расчетные полная мощность до компенсации равная (11) 3. уменьшить потери активной мощности в сети При передаче потребителям активной Р и реактивной Q мощностей в системе электроснабжения имеют место потери активной мощности: (12) Потери активной мощности при компенсации реактивной мощности (QКУ) будут равны (13) В настоящее время нет четкой технической политики по этому вопросу, не разработаны меры, рычаги, которые могли бы стимулировать экономию электроэнергии при компенсации реактивной мощности. Поэтому ни у энергоснабжающей организации, ни у потребителей нет мотивации для этого. Влияние показателей качества электроэнергии на работу электропотребителей Отклонение ПКЭ от нормированных или оптимальных значений проявляется в виде экономического ущерба у потребителей электрической энергии. Данный ущерб имеет электромагнитную и технологическую составляющие. Электромагнитная составляющая определяется в основном дополнительными потерями активной мощности и энергии и сокращением ресурса электрооборудования, например, ввиду ускоренного старения изоляции. Технологическая составляющая ущерба связана с увеличением длительности производственного процесса, со снижением производительности электрооборудования, и следовательно, с увеличением удельного электропотребления на единицу произведенной продукции. Влияние установившихся отклонений напряжения Установившееся отклонение напряжения оказывает наиболее существенное влияние из всех ПКЭ на работу потребителей. Рассмотрим это влияние для различных электропотребителей. Электрическое освещение Ущерб при положительных отклонениях напряжения происходит из-за сокращения срока службы ламп. При ДU = +10% срок службы ламп сокращается примерно в 3 раза. Ущерб от пониженного отклонения напряжения связан со снижением производительности труда ввиду снижения освещенности. Асинхронные двигатели Отклонения напряжения вызывают дополнительные потери активной мощности, дополнительное потребление реактивной мощности, сокращение срока службы изоляции, снижение производительности механизмов и увеличения удельного расхода электроэнергии ввиду увеличения длительности технологического процесса. При отрицательных значениях отклонений напряжения увеличение тока пропорционально снижению напряжения, а увеличение потерь активной мощности пропорционально квадрату снижения напряжения. В случае повышения напряжения на 1 % реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем, увеличивается в среднем на 3 %. Следует отметить, что зависимость потерь активной и реактивной мощности от отклонений напряжения в значительной степени зависит от коэффициента загрузки Кз двигателя. Электротермическое оборудование Снижение напряжения приводит к ухудшению температурного режима, увеличению продолжительности технологического процесса и перерасходу электроэнергии. Например, для дуговых сталеплавильных печей снижение напряжения на 5% приводит к снижению производительности печи на 10%. Электролизное производство Отрицательные значения установившегося отклонения напряжения приводят к снижению производительности электролизных ванн и повышению удельных расходов электроэнергии. При снижении напряжения на 10% производительность электролизных ванн также снижается на 10%. Влияние размахов изменения напряжения Данный ПКЭ характеризуется колебаниями напряжения сети. Источниками колебаний колебаний напряжения в электрических сетях являются электропотребители с резкопеременным режимом работы: дуговые сталеплавильные печи, электроприводы прокатных станов, электродуговая и контактна сварка и т.п. Колебания напряжения отрицательно сказываются на зрительном восприятии человека и снижении ввиду этого производительности труда. Колебания напряжения сказываются на увеличении брака некоторых видов продукции из-за нарушения технологического процесса, на режимах работы систем автоматики и регулирования. Влияние несинуидальности напряжения Несинуидальность напряжения неблагоприятно влияет на электрооборудование, автоматику и релейную защиту, системы учета электроэнергии. Данное влияние проявляется в виде дополнительных потерь активной и реактивной мощностей, затруднения компенсации реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов, сокращения срока службы изоляции электрооборудования, создания электромагнитных помех системам автоматики, защиты, связи. Уровень дополнительных активных потерь от высших гармоник в сетях электрических систем составляет 2−4% потерь при синусоидальном напряжении. В сетях предприятий, городских сетях, а также электрифицированного железнодорожного транспорта эти потери могут достигать 10 −15%. Во многих электрических сетях различных напряжений с источниками высших гармоник батареи конденсаторов практически не работают: они или отключаются защитой от перегрузок по току, или выходят из строя в результате вспучивания, а иногда и взрывов. Это связано с возникновением резонанса на частоте какой-либо из гармоник, имеющейся в амплитудном спектре напряжения сети. Резонансные контуры образуются емкостью батарей конденсаторов и индуктивностью сети. Влияние несимметрии напряжения Источниками несимметрии напряжении электрических в сетях являются мощные однофазные потребители (индукционные плавильные и нагревательные печи, сварочные агрегаты, коммунально-бытовая нагрузка и др.), а также трехфазные потребители, длительно работающие в несимметричном режиме. При несимметрии напряжений происходит увеличение потребления активной и реактивной мощностей, увеличение потерь электроэнергии, снижение ресурса электрооборудования, снижение вращающего момента асинхронных двигателей и производительности механизмов. Дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией напряжений по обратной последовательности, определяются выражением: (14) где r2 – активное сопротивление, X2 – реактивное сопротивление обратной последовательности, (15) U2 – напряжение обратной последовательности. Расчеты показывают, что при К*2U= 0.02, относительное увеличение потерь ДР2/ДРном для асинхронных двигателей составляет порядка 2 - 4%, для трансформаторов порядка 1 - 4%, для синхронных двигателей около 4%. Сокращение срока службы изоляции составляет от 2 до 16% в зависимости от вида оборудования и стабильного уровня несимметрии напряжений. Напряжения обратной последовательности создают вращающий момент двойной частоты, направленный в противоположном направлении моменту вращения ротора электрической машины, т.е. создают тормозной электромагнитный момент. При несимметрии напряжений в синхронных машинах, наряду возникновением дополнительных потерь и нагревом статора и ротор могут начаться опасные вибрации, вызванные вращающими момента ми, пульсирующими с двойной частотой. Эти моменты появляются как следствие взаимодействия магнитных потоков, созданных токами об- ратной последовательности в цепях статора и ротора, а также потоков, обусловленных токами прямой последовательности. При значительной несимметрии напряжений вибрация может оказаться опасной и вызывать разрушения сварных соединений. На основе анализа можно сделать следующие выводы: • Внедрение энергосберегающих ламп действительно позволяет экономить активную электрическую энергию. • Заявленное производителем электропотребление рассмотренных ламп не соответствует реальному потреблению последних; декларируемая величина потребляемой активной мощности превышает измеренную. • Зависимость потребляемой мощности исследованных ламп от величины питающего напряжения пренебрежимо мала (напряжение изменялось в пределах норм ГОСТ 13109-97). • Наличие в спектре потребляемого тока данных ламп значительного количества высших гармоник приводит к ухудшению качества электрической энергии в системах электроснабжения. • Как видно из гармонического состава тока, особенно большую величину имеют третья и кратные ей гармоники. По теории трехфазного переменного тока данные гармоники являются составляющими нулевой последовательности. Они будут суммироваться в нулевом проводе четырехпроводной сети 0,38 кВ. Как видно из диаграмм, величина этого тока в нулевом проводе может быть в 2-3 раза больше, чем фазный ток. В существующих системах электроснабжения это может привести к повреждению (отгоранию) нулевых проводов, возникновению аварийных ситуаций в системах электроснабжения 380-220 В и повреждению большого количества электроприемников. В связи с этим при массовом внедрении данных ламп должна быть пересмотрена технология проектирования и монтажа систем электроснабжения в плане увеличения сечения нулевого провода и установки фильтрокомпенсирующих устройств. • Исходя из предыдущего вывода должен быть осуществлен пересмотр технологии проектирования и монтажа систем электроснабжения в плане увеличения сечения нулевого провода. Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии Введение При производстве электроэнергии необходимыми составляющими в цепочке являются накопитель энергии и электрогенератор. Для традиционных способов генерации электроэнергии накопитель энергии находится перед электрогенератором. Например, вода, запасенная в водохранилище гидроэлектростанции, обладает гравитационной энергией и может расходоваться по мере надобности для вращения турбин электрогенератора. На тепловой электростанции энергия вначале запасается в виде угля, мазута или газа, которые также используются в соответствии с потребностями. На атомных электростанциях роль накопителя выполняет ядерное топливо. Вышеприведенные электростанции могут работать в режиме постоянной мощности, изменяя ее только при изменении энергопотребления. При производстве электрической энергии с использованием так называемых альтернативных источников (например, ветер, солнце) возникает проблема непостоянства их мощности, которая отсутствует при производстве энергии традиционными способами. Поэтому необходимо энергию источника вначале запасти в накопителе энергии, а затем уже расходовать энергию накопителя, преобразуя ее, например, в электрическую энергию в необходимом количестве. При этом накопитель будет играть роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника. Стоимость накопителя играет существенную роль в цене производимой электроэнергии [11]. Помимо вышесказанного накопители энергии могут применяться и для других целей, например, для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей [5, 7, 10]. Соотношение между единицами измерения энергии • 1 кВт · час = 1000 Вт · 3600 с = 3600000 Дж = 3.6 МДж 1 кВт · час 3.6 МДж 0.1 кВт · час 360 кДж 1 МДж 0.278 кВт · час 100 кДж 27.8 Вт · час Примеры накопителей энергии [3, 6] • 1. Конденсаторный накопитель [2] • При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31.25 кДж ~ 8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени. (СНЭ) СНЭ — инновационная технология, позволяющая накапливать электроэнергию из энергетической сети и выдавать ее обратно с заданными параметрами. СНЭ являются одним из элементов «интеллектуальной» сети (SMART GRID), которая позволит контролировать и оптимизировать выработку, передачу и потребление электроэнергии. SMART Grid (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) – технология самодиагностики, анализа и отчета энергосистемы. Компания «МОБЭЛ» в кооперации с российским партнером – компанией «Лиотех» в курсе самых последних достижений в технологии производства и применения накопителей и инверторов вкупе с системой Smart Grid. Высокая компетенция компании позволяет предложить российскому потребителю технологии, позволяющие увеличить, например, передачу мощностей по одним и тем же линиям электропередач или кабелю. Организация производства накопителей в России позволяет снизить стоимость на СНЭ до 30% по сравнению с импортируемыми аналогами. Многие объекты не имеют возможности увеличить выделенную мощность в требуемом размере по причине отсутствия подстанции или же перегрузке кабеля. Мы предлагаем СНЭ различной мощности, которая позволит по тем же линиям электропередач в ночное время запасать энергию, а в дневное время ее отдавать. Приобретение СНЭ позволит избежать прокладки дополнительной линии электропередач, кабеля или подстанции. Преимущество нашей компании в том, что мы можем быть исключительно мобильными и гибкими. Наши потенциальные клиенты - крупные генерирующие компании как ФСК, ИнтерРао, РусГидро и т.п., так и крупные заводы, поселки и частные владельцы, которым необходимо увеличение подведенной мощности без строительства дополнительных ЛЭП и подстанций. По желанию заказчика СНЭ изготавливаются в различных модификациях. Силовая часть СНЭ может быть размещена в 40-футовых или 53-футовых контейнерах, блок управления размещается в 20-футовом контейнере. При традиционном распределении электричества ток по проводам поступает от станции к потребителю и подается в соответствии с заранее заданным уровнем напряжения и сопротивления. При внедрении Smart Grid появляется возможность самостоятельно регулировать подачу электроэнергии в зависимости от снижения или увеличения режима потребления. Систему СНЭ возможно использовать в качестве: • Компенсатора бросков потребления мощности (на тепловых станциях существует т.н. «горячий вращающийся» генераторный резерв, от которого можно отказаться в пользу СНЭ); • Стабилизатора частоты в сетях при обычных колебаниях нагрузки; • Накопителя дешевой ночной энергии с последующей отдачей ее в дневное время; • Резервный источника электропитания в условиях лимита установленной для потребителя мощности; • Источника бесперебойного питания (ИБП/UPS) для ответственных систем (на период от момента отключения внешнего источника до момента «раскрутки» дизель-генераторов).