ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИЯ и ремонт ОБОРУДОВАНИЯ (5 курс)

ЛЕКЦИЯ №14

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Учебные вопросы:

1. Энергетические показатели электрооборудования.

2. Мероприятия по совершенствованию энергоснабжения.

1. Энергетические показатели электрооборудования

Сигналом о неблагополучии, а следовательно и необходимости обследования степени эффективности энергоснабжения на промышленном предприятии, служит резкое отличие фактических удельных расходов энергии от нормативных показателей.

Проводя периодический сравнительный анализ текущей статистической информации по отчетной документации и параметров нормативного информационного базиса, можно вовремя определить возникший перерасход и начать реализацию комплекса мер по энергосбережению.

Для этого необходимо обеспечить два условия — достоверный банк данных по нормам электропотребления, в наибольшей степени соответствующий условиям технологического производства, а также оперативность и доверительность поступающей текущей статистической отчетности. В последнем случае доверительность резко повышается, если использовать автоматизированные системы учета и контроля за потреблением электроэнергии, а именно — каналы связи с автоматизированным рабочим местом (АРМ) контроля расхода электроэнергии. Алгоритмы обработки построены по принципу дозирования, т.е. имеется связь между каналами учета энергии и материальных потоков промышленной установки, цеха, завода, комбината, региона, отрасли.

Следует различать отраслевые, общепроизводственные и технологические нормы и удельные расходы электроэнергии.

Удельные показатели затрат электроэнергии на единицу продукции определяют на основе методов, пригодных лишь для данного предприятия или страны.

Рассмотренные показатели можно разделить на следующие нормы:

- научно-обоснованные;

- построенные на базе статистической отчетности без научного обоснования;

- укрупненные, имеющие отраслевой или территориальный характер.

Очевидно, что различные производственные процессы требуют специфического подхода при определении показателей эффективности использования электроэнергии. Поэтому при разработке норм расхода энергии необходимо все процессы и установки «расположить» в порядке убывания их экономической эффективноети. Достигается это сравнением результатов работы по определению удельных расходов энергии с затратами, имеющими место при разработке нормативов. В простейшем случае эффективность от данного мероприятия выражается экономией энергетических затрат. При наличии других положительных результатов от проведенных работ их оценивают дополнительно.

Норму электропотребления определяют по формуле, кВт • ч/ед. продукции:

= Q/M,

где Q— расход электроэнергии;

М— количество (масса) продукции.

Наряду с основной частью потребляемой энергии, зависящей от выпуска продукции, существует еще так называемый побочный, но принципиально необходимый расход энергии на обеспечение санитарно-гигиенических условий труда работников, включающий в себя энергетические затраты на отопление, освещение и вентиляцию, и, кроме того, на потребление ремонтными, транспортными и прочими подразделениями предприятия, работа которых непосредственно связана с выпуском основной продукции. К побочному потреблению энергии относится и расход энергии на содержание производственных мощностей в исправном состоянии.

Деление энергетического потока на две части в зависимости от выпуска продукции позволяет выделить категорию побочного расхода в условиях любого предприятия.

Так, например, расход электроэнергии в ремонтном цехе относится к побочному потреблению, хотя можно выделить и часть расхода, зависящую от объема работ. Расход газа в нагревательной печи, установленной в ремонтном цехе химического предприятия, также относится к побочному потреблению. Но если бы этот агрегат использовали в производственном процессе на машиностроительном заводе, то расход энергии на нем следовало бы отнести к части, зависящей от выпуска продукции.

В случаях, когда выбор единицы продукции, на которую относят расход электроэнергии, затруднен (например, при производстве множества различных изделий), допустимо пользоваться стоимостными показателями. При этом суммарный расход электроэнергии по предприятию делят на стоимость выпущенной продукции. Производственное электропотребление и стоимость выпущенной продукции должны соответствовать по структуре и по времени.

2. Мероприятия по совершенствованию энергоснабжения

При любом самом рациональном варианте электропотребления неизбежными являются потери, связанные с необходимой транспортировкой и трансформацией энергоносителей. Кроме того, полезная работа обеспечивается за счет подготовительных, вспомогательных и основных технологических операций. Значительную часть неизбежных потерь электроэнергии можно представить в виде показателей нормативных потерь. Нарушение технологических режимов, неправильная эксплуатация электрооборудования, несвоевременная профилактика и отсутствие обновления основных фондов являются источниками других потерь: сверхнормативных и нерационального расхода электроэнергии.

Технически и экономически обоснованное снижение потерь электроэнергии в первом случае, а также частичная или полная ликвидация нерациональных расходов в сумме составляют резервы экономии энергии, т.е. пути повышения эффективности и надежности работы электрооборудования.

Традиционно потери разделяются на три категории:

- для ликвидации которых либо не требовалось расходования специальных средств, либо было достаточно средств, выделенных на текущий ремонт электрооборудования;

- ликвидации которых использовались средства, отпущенные на капитальный ремонт, или требовались кредиты банков;

- ликвидации которых были необходимы централизованные (госдотационные) капиталовложения.

Переход на рыночную экономику выявил непригодность использования такого разделения потерь энергии в новых условиях при совершенствовании эффективности и надежности работы электрооборудования. Целесообразным стало разделение мероприятий по совершенствованию энергоснабжения на две категории технического, а не экономического свойства.

Резервы первой категории связаны с ликвидацией нерационального расхода энергии, основными причинами которого являются следующие:

- непосредственные потери энергоносителя (утечки сжатого воздуха, пара, воды и других сред, нарушение тепло- и электроизоляций, нерациональное использование электроосвещения, отопления и др.);

- сверхнормативные потери тепла излучением и теплопроводностью, потери из-за завышенной или заниженной мощности трансформаторов, нерациональных параметров трубопроводов по диаметру, давлениям и скоростям перекачки энергоносителей, износ технологического и электрического оборудования, неправильный выбор параметров трансформаторов, преобразователей, электродвигателей, приводов, избыточное потребление реактивной мощности, нарушение режимов энергоснабжения;

- нарушение режимов работы, регламентов и правил работы электрооборудования (сверхнормативные простои, повышенный по сравнению с допустимым процент брака продукции, недогрузка заводского оборудования, нарушение правил эксплуатации, нарушение режимов энергопотребления).

Повышение эффективности и надежности работы электрооборудования в данном случае осуществляется в процессе профилактики и текущих ремонтов, а также во время капитальных ремонтов.

Мероприятия второй категории связаны с совершенствованием существующего и внедрением нового электротехнологического, энергетического и вспомогательного оборудования, которые в настоящих условиях должны осуществляться либо самими предприятиями, либо централизованно — с использованием государственных дотационных средств при реализации целевых общегосударственных программ и постановлений.

Очевидно, что реализация мероприятий первой категории осуществляется эксплуатационным персоналом предприятий, в то время как меры по снижению (экономии) электрической энергии второй категории требуют привлечения сторонних производственных, проектных и исследовательских организаций.

Переход от экономического к техническому аспекту повышения эффективности работы электрооборудования создает предпосылки для решения ряда следующих задач:

- оценка состояния использования энергии в целом по предприятиям и регионам, а также на конкретных типах промышленных установок;

- подготовка необходимых данных для выработки рекомендаций по реализации выявленных резервов экономии энергии на предприятиях;

- разработка рекомендательных показателей и предписаний поэтапного повышения эффективности расходуемой энергии;

- разработка долгосрочных государственных и региональных программ по энергосбережению, фонда энергосберегающих мероприятий, целевых программ по производству энергосберегающего оборудования;

- создание алгоритмов сбора и обработки информации об эффективности энергоснабжения, постановка и решение вопросов, связанных с применением современных средств механизации и автоматизации получения фактических данных об энергопотреблении, например АСУ «Энергия» и др.;

- передача передового опыта в области повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности, сельском хозяйстве и быту на базе сочленения информационных потоков различных уровней;

- периодическая и своевременная корректировка технико-экономических рекомендаций с учетом введения новых принципов оплаты, как собственно за энергию, так и за показатели ее качества.

Таким образом, основополагающим при повышении эффективности и надежности работы электрооборудования является системный подход. Решение отдельных задач, выбранных из совокупности мероприятий совершенствования работы электрооборудования, не позволяет получать существенные результаты экономии электроэнергии.

Влияние степени износа технологического и энергетического оборудования на экономию электроэнергии.

Проведенное обследование на заводах различных отраслей промышленности показало, что основной причиной снижения эффективности и надежности энергоснабжения в начале XXI в. является физический и моральный износ энергетического и технологического оборудования.

Лишь износ пружин клапанов компрессора дает годовой ущерб в потреблении электроэнергии W = (0,02...0,05)Р•Т. При Р = 400 кВт и Т= 7000 ч/г. нерациональный дополнительный расход электроэнергии составляет 56 тыс. кВт • ч в год.

Снижение эффективности энергоснабжения по причине износа оборудования обычно учитывают с помощью коэффициента износа Ктн. В современных условиях хозяйствования желательно определение диапазона постоянно ухудшающегося Ктн для различных типов производственного оборудования.

Укрупнение электрооборудования и интенсификация его использования.

Традиционным направлением в повышения эффективности использования электроснабжения является укрупнение технологических промышленных агрегатов и рост мощности оборудования. Несмотря на общий рост энергопотребления опережающее увеличение производства полезной продукции в целом снижает удельные затраты энергии, так как единичный рост промышленных установок позволяет снижать удельные потери как холостого хода, так и рабочих режимов на единицу выпускаемой продукции.

Резко сокращаются расходы электроэнергии на обеспечение работы вспомогательного энергооборудования — устройств водо-и воздухообеспечения, загрузочно-разгрузочных, газоотводящих устройств, связанных с очисткой и использованием вторичного тепла и др.

Другим направлением повышения эффективности использования электроэнергии является интенсификация работы промышленных потребителей, позволяющая с учетом применения более высоких технологических параметров резко сокращать расходы энергии за счет сокращения длительности процесса производства.

Предельными критериями при этом, как правило, являются степень равномерности выпуска и обеспечение качества продукции. В любом случае при укрупнении электрооборудования и интенсификации его использования полезная мощность возрастает быстрее, чем непроизводительные потери энергии.

Повышение эффективности и надежности энергоснабжения заменой старых типов электрооборудования на современные.

Самым распространенным энергетическим оборудованием в промышленности, сельском хозяйстве и быту являются двигатели различной конфигурации, мощности и назначения. В связи с этим повышение эффективности использования электромеханических систем обеспечивает весьма существенную экономию электроэнергии. Общей концепцией при этом является увеличение средней нагрузки промышленных установок, а количественным критерием— электрическая энергия, потребляемая двигателем из сети, отнесенная к каждому киловатт-часу полезной работы при данном технологическом режиме.

При максимальном использовании рабочей машины, т.е. при отсутствии холостого хода и соответственно полной ее нагрузке удельный расход энергии минимален. Поэтому применение ограничителей холостого хода на станках с межоперационным временем более 0,5 мин дает реальную экономию энергии.

Если средняя нагрузка электродвигателя известна, то потери в электроприводе и в правильно выбранных токоподводах, питающих двигатель, минимальны при поддержании мощности двигателя, соответствующей его номинальному значению.

При недогрузке двигателей электроэнергия расходуется нерационально, причем при мощности Рд, развиваемой электродвигателем в пределах 0,7 Рном < Рд< Рном (где Рном — номинальная паспортная мощность двигателя, кВт), заменять двигатель не эффективно, а следует принять меры к повышению его загрузки.

При мощности фактической загрузки двигателя в пределах 0,5 Рном < Рд < 0,7 Рном целесообразность замены двигателя определяется сравнительным технико-экономическим расчетом по критерию минимума суммарных электрических потерь, а при мощности двигателя меньше половины номинальной двигатель заменяют на меньшую мощность всегда.

Годовой нерациональный расход электроэнергии двигателем при его неполной загрузке определяют по формуле

где — время работы электродвигателя за год.

Для синхронного двигателя с номинальной мощностью 630 кВт и фактической загрузкой 400 кВт с учетом времени годовой работы 7 000 ч нерациональный расход энергии W = 0,1(630 - 400) • 7 000 = 160 тыс. кВт • ч.

В насосной станции с электродвигателями мощностью 1 250 кВт провели реконструкции, позволившие загружать их до проектной производительности, причем КПД увеличился с 0,77 до 0,85. В результате годовая эффективность энергоснабжения повысилась на 3,5 млн кВт • ч.

Электродвигатели работают наиболее эффективно при номинальном напряжении. В асинхронных двигателях при изменении напряжения изменяются токи в обмотках статора и ротора, а также намагничивающий ток двигателя. При этом потери на намагничивание с ростом напряжения возрастают пропорционально квадрату последнего.

Электрические потери в сопротивлениях статора и ротора зависят от изменения тока при изменении напряжения. Если полезная мощность, отдаваемая двигателем рабочему органу промышленной установки, остается прежней с изменением напряжения, то потери в статоре обратно пропорциональны квадрату напряжения.

Отсюда видно, что соотношение потерь на намагничивание и электрических потерь в обмотках двигателя различны в зависимости от загрузки двигателя — при сильно загруженном двигателе возрастает доля потерь на намагничивание.

Особенно чувствительны к посадкам напряжения синхронные двигатели, которые в таких случаях не могут развить достаточный пусковой момент для надежного вхождения в синхронизм.

Большое значение для повышения эффективности энергоснабжения при работе двигателей в промышленности имеет симметрирование питающего напряжения сети трехфазного тока. Небаланс фазных напряжений в 3 % приводит к увеличению потерь в двигателе на 24 %.

Очень мощные электродвигатели нельзя запускать и останавливать так же часто, как двигатели небольшой мощности. Это оказывает, во-первых, отрицательное воздействие на систему распределения электроэнергии, а во-вторых, такие условия эксплуатации двигателей с частыми запусками, торможениями противо-включением, реверсированием, изменением частоты вращения, динамическим торможением и др.) приводят к гораздо большему потреблению энергии, чем при равномерной и постоянной нагрузке. В подобных случаях рекомендуется использовать специальные схемы рекуперации энергии.

Повышения эффективности энергоснабжения промышленного электрооборудования с циклическим характером нагрузки и регулярными разгонами и замедлениями электродвигателей постоянного тока можно достичь, если в качестве накопителя энергии использовать конденсатор, включаемый между двигателем и трехфазным выпрямителем. Зарядом конденсатора управляет транзисторно-тиристорный регулятор, обеспечивающий зарядку конденсатора таким образом, чтобы в период торможения запасаемая в конденсаторе энергия была пропорциональна разнице между максимальной кинетической энергией двигателя и нагрузкой и мгновенным текущим значением этой энергии. При разгоне двигателя регулятор позволяет использовать запасенную в конденсаторе энергию.

Существуют также и более простые мероприятия по повышению эффективности энергоснабжения электродвигателей. Периодическая очистка воздушных фильтров двигателей от пыли уменьшает их нагрев и непроизводительные потери, так как при охлаждении обмоток потоком воздуха снижается их сопротивление. Регулярная смазка подшипников уменьшает потери на трение и нагрев материалов, из которых изготовлен двигатель. Необходимо также периодически проверять все соединения и контакты, чтобы убедиться в отсутствии искрения и коррозии.

В целом КПД оборудования, участвующего в электромеханическом преобразовании энергии, повышается на 10... 12% при обеспечении своевременного текущего ремонта. В ряде случаев оправдана коррекция коэффициента мощности электродвигателя, так как это повышает его энергетические показатели. С этой целью в нерегулируемом электроприводе параллельно обмоткам статора подключают батарею конденсаторов. Такие электроприводы, например для мощных вентиляторов, в которых по условиям технологии целесообразно изменять производительность основного выходного параметра промышленной установки (в частности, температуры), можно легко преобразовать в регулируемые.

Построенная таким образом система электропривода учитывает появляющиеся возмущения — двигатель на заданное время подключается на пониженное синусоидальное напряжение, а затем отключается и работает на выбеге.

Для реализации изложенного способа регулирования между упомянутой конденсаторной батареей, предназначенной для коррекции коэффициента мощности и двигателем, включают линейные дроссели переменного тока, индуктивность которых выбирают из расчета ограничения питающего двигатель напряжения.

Для обеспечения эффективной работы электродвигателей необходимо также принимать во внимание внешнюю температуру в месте установки двигателя. Если двигатель имеет тенденцию к перегреву, то его лучше переставить в более холодное помещение или предусмотреть эффективную систему отвода лишнего тепла. Если какие-то находящиеся рядом предметы препятствуют циркуляции воздуха вокруг двигателя и тем самым мешают его охлаждению, то их следует по возможности убрать.

Эффективность и надежность энергоснабжения на промышленном предприятии достигается заменой устаревшего, малопроизводительного оборудования более современными и экономичными средствами электромеханического преобразования энергии. При этом ориентируются на новые двигатели повышенного качества с оптимальным выбором номинальных данных и электронным регулированием. Например, для промышленного электропривода разработан и освоен электродвигатель, работающий по принципу магнитного взаимодействия ротора с коммутируемым магнитным полем полюсов статора — так называемый коммутируемый магнитный привод.

Получение высоких регулировочных характеристик коммутируемых магнитных приводов, превосходящих динамические характеристики известных систем управления скоростью электроприводов с выпрямительно-инверторными преобразователями, позволило повысить КПД такого электрооборудования.

Коммутируемые магнитные приводы управляются электронным контроллером, работающим отдатчиков положения ротора и обеспечивающим быстродействующее переключение тока в полюсах. Благодаря отсутствию тока в роторе и импульсному характеру тока в статоре температурный режим коммутируемого магнитного привода поддерживается на низком уровне во всем диапазоне нагрузок и скоростей.

Следует отметить, что в многоскоростных электроприводах или приводах с плавной регулировкой частоты вращения, особенно с ударными нагрузками (в прокатных станах), первостепенное внимание должно быть уделено крутящему моменту и характеристикам скольжения, которые обеспечивает упомянутый ранее тиристорный привод, а также стоимости и величине потребляемой новыми приводами энергии. Иными словами, нужно сделать выбор между многоскоростным двигателем с точным регулированием частоты вращения и двигателем со ступенчатым регулированием или между быстроходным двигателем, снабженным редуктором, и низкоскоростным.

Эффективно применение асинхронных двигателей с современными электронными регуляторами частоты вращения, дающих экономию электроэнергии не ниже 50...60 %, что для небольшого цеха составляет 1,2 млн кВт • ч в год. Данное мероприятие целесообразно при переходе от приводов постоянного тока к регулируемым приводам переменного тока, так как позволяет получить значительную экономию электрической энергии за счет отсутствия дополнительных мощных выпрямительных агрегатов. Основная трудность при этом заключается в выборе оптимальных законов регулирования частоты вращения приводов и рабочих точек. Это может быть рационально учтено только при одновременном рассмотрении характеристик привода и промышленной нагрузки. Обычно такое определение оптимальных режимов работы выполняют с помощью графоаналитического метода.

Модернизацию оборудования с переходом на частотно-регулируемый привод осуществляют без предварительной и детальной экономической проработки. Учитывают лишь преимущества эксплуатации и простоту обслуживания. Капитальные затраты за счет экономии энергии окупаются, как правило, за год.

Наиболее целесообразно использование таких приводов в вентиляторах и насосах, в которых скорость потока прямо пропорциональна частоте вращения, статическое давление пропорционально квадрату частоты вращения, а мощность на валу пропорциональна кубу частоты вращения. Поэтому регулирование производительности за счет изменения частоты вращения позволяет получать значительную экономию электроэнергии по сравнению с обычным дросселированием потока.

Повысить эффективность использования электроэнергии, потребляемой при электромеханическом преобразовании ее промышленными установками, можно за счет следующих мероприятий:

- правильного выбора времени подключения электродвигателя с кратковременным режимом работы к питающей сети при суммарном резко неравномерном графике электрической нагрузки участка, цеха, промышленного предприятия;

- оптимизации установленной мощности электродвигателей с неравномерными графиками их нагрузки в течение производственного цикла.

Конечно, все перечисленные способы повышения эффективности использования электроэнергии промышленными приводами требуют некоторых дополнительных затрат. Однако нужно иметь в виду, что стремление сэкономить средства на электродвигателях и электроприводах неизбежно приводит к снижению их КПД, увеличивает потери энергии и повышает эксплуатационные расходы, что в свою очередь противоречит задаче энергосбережения на промышленном предприятии.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ