Улучшение энергетических показателей

Улучшение энергетических показателей системы электроснабжения и, как следствие, повышение коэффициента мощности промышленных предприятий можно достичь только при правильном сочетании различных способов, каждый из которых должен быть экономически и технически обоснован. Мероприятия по уменьшению потребления реактивной мощности можно разделить на следующие группы:

а) организационные — без употребления компенсирующих устройств;

б) специальные — использование компенсирующих устройств.

Организационные мероприятия по уменьшению потребления приемниками реактивной мощности должны рассматриваться в первую очередь, так как для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных затрат. К ним относятся следующие:

1) упорядочение технологического процесса, что ведет к улучшению энергетического режима оборудования;

2) замена мало загруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности;

3) снижение напряжения у двигателей, систематически работающие с малой загрузкой;

4) ограничение холостой работы двигателей;

5) применение синхронных двигателей вместо асинхронных в случаях, когда это возможно в условиях технологического процесса;

6) повышение качества ремонта двигателей;

7) замена мало загруженных трансформаторов.

Рассмотрим эффективность этих мероприятий.

Упорядочение технологического процесса 

Эта мера связана с обеспечением максимального использования мощностей электродвигателей и других электроприемников, приводит к увеличению потребления активной мощности и одновременного уменьшения относительного значения реактивной мощности.

Замена мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности

Величина потребления реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от коэффициента загрузки и номинального коэффициента мощности двигателей. При номинальной загрузке и номинальном напряжении асинхронный двигатель потребляет реактивную мощность, равную

Q_н=(Р_н/η_д.н)tgφ_{н                 (1)}

где η_д.н — к. п. д. двигателя при полной загрузке

Реактивная мощность, потребляемая двигателем из сети при холостом ходе, может быть найдена из выражения

Q_xx≈√3∙U_нI_{хх                    (2)}

где I_х.х — ток холостого хода (х.х.) асинхронного двигателя

Для двигателей с номинальным коэффициентом мощности cos φ_н = 0,91 — 0,93 реактивная мощность х. х. составляет около 50% реактивной мощности при номинальной загрузке двигателя. Для двигателей с cos φ_н = 0,77 ÷ 0,79 она достигает 70%.

Увеличение потребления реактивной мощности при полной загрузке двигателя по сравнению с потреблением при х. х. составляет

∆Q_н= Q_н — Q_{хх            (3)}

При нагрузках асинхронного двигателя, меньших номинальной, прирост потребления реактивной мощности по сравнению с холостым ходом пропорционален квадрату коэффициента загрузки двигателя:

∆Q=k_з²∆Q_{н                  (4)}

где  k_з=Р/Р_н — коэффициент загрузки двигателя.

Таким образом, реактивная мощность, потребляемая двигателем при произвольной загрузке, составляет

Q= Q_xx+∆Q_н k_з²             ₍₅₎

Коэффициент мощности асинхронного двигателя при произвольной загрузке с учетом (3.8) получается из выражения

cosφ=P/S=1/(√1+(( Q_хх+∆Q_н k_з²)/ Р_н k_з)²)               (6)

Как следует из формулы (6), коэффициент мощности двигателя уменьшается при уменьшении его загрузки. Например, если для какого-то конкретного двигателя при 100% -ной загрузке cosφ = 0,8, то при 50% -ной загрузке cosφ = 0,65, при 30% -ной загрузке cosφ = 0,51. Отсюда следует, что замена систематически малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности способствует повышению коэффициента мощности электроустановки.

Условия рентабельности требуют, чтобы замена двигателя вызывала экономически выгодное уменьшение суммарных потерь активной мощности в энергосистеме и двигателе. Для суммарных потерь ∆P_сум справедливо выражение

∆P_сум=Qk_вп+∆Р              (7)

где ∆Р — полные потери активной мощности в двигателе; k_вп — коэффициент изменения затрат, кВт / квар, задаваемый предприятию энергосистемой.

Коэффициент изменения потерь k_вп, численно равен удельному снижению потерь активной мощности во всех элементах системы электроснабжения (от источников питания к местам потребления электроэнергии), получаемый при уменьшении передаваемой предприятию реактивной мощности. Как показали расчеты, наименьшее значение k_вп равно примерно 0,02 (кВт / квар) для трансформаторов, присоединенных непосредственно к шинам станции.

Преобразовав (7) к более удобному для расчета вида, с учетом (5) и (3) получим:

∆P_сум=[Q_хх(1- k_з²)+ k_з²∆Q_н] k_вп+∆P_хх+ k_з²∆Р_{а.н                   (8)}

где  ∆P_хх=Р_н(1-η_н.д/ η_н.д)(γ/1+γ) — потери активной мощности при холостом ходе двигателя, кВт;

       ∆P_а.н=Р_н(1-η_н.д/ η_н.д)(γ/1+γ) — прирост потерь активной мощности в двигателе при загруженности 100%, кВт;

       γ=∆P_хх/∆P_а.н — расчетный коэффициент, который зависит от конструкции двигателя и определяется с выражения

γ=∆P_хх%/((100- η_н.д%)-∆P_хх%)

∆P_хх% — потери х. х., выраженные в процентах активной мощности, потребляемой двигателем при 100% загрузке.

Опыт показал, что если средняя загрузка двигателя составляет менее 45% номинального значения его мощности, то замена его меньшим по мощности всегда целесообразна и проверки расчетами не требуется. При загрузке двигателя более 70% номинальной мощности можно считать, что замена его в общем случае нецелесообразно. При загрузке двигателей в диапазоне от 45 до 70% целесообразность замены их должна быть подтверждена достаточным уменьшением суммарных затрат активной мощности в электрической системе и двигателе, рассчитанном по формуле (8).

Следует отметить, что для промышленных предприятий, рассматривать вопрос о замене двигателей меньшей мощностью целесообразно только для двигателей, не встроенные в механизм. Замена мало загруженных двигателей, встроенных в механизм, настолько дорога и сложна, что она практически нецелесообразна.

Снижение напряжения в мало загруженных двигателях

При невозможности замены мало загруженного асинхронного двигателя, следует проверить целесообразность снижения напряжения на его зажимах. Снижение напряжения на выводах асинхронного двигателя до определенного минимально допустимого значения Uмин приводит к уменьшению потребления им реактивной мощности (за счет уменьшения тока намагничивания). При этом одновременно уменьшаются расходы активной мощности и, следовательно, увеличивается к.п.д. двигателя. На практике применяются следующие способы снижения напряжения в мало загруженных асинхронных двигателях:

1) переключение обмотки статора с треугольника на звезду;

2) секционирования обмоток статоров;

3) снижение напряжения в фабрично-заводских силовых сетях путем переключения ответвлений понижающих трансформаторов.