Математик. Окончил в 1961 году Уральский государственный университет по специальности прикладная математика, кандидат технических наук.

С 1967 года, занимается проблемами оптимизации режимов работы электростанций и энергосистем.
Защитил кандидатскую диссертацию по теме «Методы определения экономичных режимов гидротепловых энергосистем и ТЭС со сложными тепловыми схемами».
Подготовлена докторская диссертация – «Оптимизация режима работы электростанций и энергосистем – основа модели оптового рынка электроэнергии».
Автор более 50 статей.
Разработчик программно-технического комплекса «Многофункциональная математическая модель тепловой электростанции», который в составе проекта, направленного на энергосбережение и повышение энергетической эффективности. Лауреат конкурса Российской ассоциации инновационного развития.

Сложность проектирования моделей оптового рынка электроэнергии во многом определяется особенностью энергетической отрасли, продукт производства которой (электроэнергию) нельзя произвести впрок. Объём производства электроэнергии тесно связан с объёмом её потребления. Электроэнергии производится ровно столько, сколько требует потребитель, поэтому избытка её в принципе быть не может. Эта особенность существенно влияет и определяет структуру оптового рынка электроэнергии. Поэтому при проектировании модели такого оптового рынка возникает далеко непростой вопрос: «Какова должна быть архитектура рыночной модели электроэнергии»?

Здесь уместно напомнить одну из основных целей перехода на рыночные отношения – повышение экономической эффективности производства электроэнергии. Стало быть, механизм конкуренции, закладываемый в модель оптового рынка электроэнергии, должен с неотвратимой неизбежностью в каждом случае приводить к поставленной цели.
Электроэнергия – это социально значимый и высоколиквидный продукт, поэтому общество заинтересовано в производстве его с минимально возможными издержками. Это, в свою очередь, улучшит экологическую ситуацию и создаст благоприятные условия для снижения тарифов. Такой подход необходимо рассматривать как важную составляющую общей проблемы энергоэффективности и энергосбережения, реализуемую на этапе производства электроэнергии. Степень эффективности мероприятий по энергосбережению на этом этапе сопоставима с аналогичным показателем на этапе энергопотребления. Это обстоятельство диктует необходимость комплексного подхода к решению проблемы.
Актуальность решения проблемы энергосбережения резко возросла в связи с переходом энергетики на рельсы рыночной экономики в секторе производства электроэнергии.
Анализ результатов функционирования существующей модели оптового рынка электроэнергии дает основание утверждать, что предложенный механизм далёк от совершенства. Он не соответствует требованиям обеспечения минимизации затрат на топливо при производстве электроэнергии (это легко показать) и потому в принципе не может быть энергосберегающим. Главная причина неэффективности существующей модели оптового рынка электроэнергии заключается в отсутствии в механизме аукционной покупки-продажи электроэнергии оптимизационной процедуры распределения нагрузки между электростанциями, опирающейся на их энергетические характеристики (характеристики относительных приростов затрат на топливо – ХОПЗ).
В основе оптового рыка электроэнергии лежит аукцион ценовых заявок. Это обстоятельство делает ценовую заявку ключевой позицией, определяющей эффективную работу оптового рынка электроэнергии. Поэтому исчерпывающее определение и разъяснение существа (а не только формы) ценовой заявки архиважно. В первую очередь, это важно для обеспечения эффективной работы единой энергетической системы.
Практика работы субъектов рынка, между тем, показывает, что отсутствие каких-либо единых правил формирования ценовых заявок не только по форме, но и по содержанию приводит на деле к поиску некоего эффективного способа их задания, основанного на анализе предшествующих результатов работы на оптовом рынке. Таким образом, лишь опыт и интуиция определяют каждый раз вид ценовой заявки. По существу идёт игра ценовыми заявками. Но никакая игра ни при каких обстоятельствах в принципе не может обеспечить экономически эффективное производство электроэнергии. Налицо несоответствие принятой модели рынка такой специфичной отрасли, как энергетика. А специфика энергетического производства (электроэнергии не может производиться в избытке) не может не накладывать на модель оптового рынка электроэнергии определенного отпечатка.
Чтобы понять, какое влияние оказывает упомянутая специфика энергетической отрасли на модель оптового рынка электроэнергии, проанализируем механизм использования её ключевого звена – ценовой заявки.

Существующий подход предполагает подачу всеми субъектами оптового рынка электроэнергии ценовых заявок для участия в аукционе по продаже электроэнергии на предстоящие сутки. Заявки поступают к администратору торговой системы как от покупателей электроэнергии, указывающих требуемые объёмы электроэнергии и собственные возможности по их оплате, так и от поставщиков, указывающих объёмы гарантированной поставки электроэнергии по ценам, сформированным с учётом всех видов затрат. Для поставщика электроэнергии, однако, весьма проблематично предугадать полные затраты на производство электроэнергии для расчёта ожидаемой цены, поскольку неизвестно, каков будет объём произведенной электроэнергии в предстоящие сутки. Поэтому поставщик электроэнергии, стремясь получить максимальную прибыль, пытается спрогнозировать, исходя из опыта и результатов предыдущих суток, наиболее эффективный уровень цен для разных объёмов реализуемой электроэнергии. По заявкам покупателей строится кривая спроса, а по заявкам поставщиков – кривая предложения (рис. 1 презентации).

В.М.Летун.Рисунки к статье " Оптимизация режимов работы энергосистем - основа модели оптового рынка электроэнергии"

В.М.Летун.Рисунки к стать...ого рынка электроэнергии"

Желание покупателей электроэнергии приобрести бóльший объём электроэнергии по более низкой цене остается неудовлетворённым. Необеспеченный спрос части субъектов рынка может быть реализован на свободном рынке.
Объём Wп является предельным при продаже-покупке электроэнергии на взаимовыгодных условиях, и ему соответствует цена Цп. Таким образом, точка пересечения кривой спроса и кривой предложения соответствует предельной по объёму продажи (покупки) электроэнергии и цене на взаимовыгодных условиях.
Эта нехитрая схема аукциона, реализующая приоритетную покупку дешевой электроэнергии и, тем самым, минимизирующая затраты на покупку электроэнергии, определяет соответствующую загрузку электростанций по активной мощности. Из этого, однако, не следует, что затраты на производство электроэнергии при такой загрузке будут минимальными. Скорее всего, при таком подходе они никогда не будут минимальными, а степень отклонения (по затратам) полученного режима от оптимального будет во многом определяться заданными ценами в ценовых заявках субъектов оптового рынка.
В подобном подходе надежды на «невидимую руку» рынка совершенно беспочвенны. Надо хорошо представлять себе, что «невидимая рука», о которой говорили отцы рыночной экономики, это вовсе не какой-то мистический пассаж в модели рынка, а тонкий экономический инструмент, призванный сделать модель максимально эффективной.
В описанной схеме модели отсутствует такой инструмент, поэтому она изначально запрограммирована на заведомо неэффективное решение с точки зрения затрат при производстве электроэнергии несмотря на некий рыночный антураж. Во главу угла, по существу, ставится конкуренция цен на электроэнергию, которая, в свою очередь, порождает массу негативных явлений (игра с ценовыми заявками, коррупция и т.п.), которые усугубляют неэффективное функционирование энергетики.
По существу произошла замена задачи минимизации затрат на производство электроэнергии задачей минимизации затрат на покупку электроэнергии.
Можно воспользоваться рекомендацией РАО «ЕЭС России». В пункте 12.3 приказа РАО «ЕЭС России» № 52 от 24.01.2006г. «О подготовке к запуску нового оптового рынка электроэнергии (мощности) переходного периода (далее НОРЭМ) с 1 апреля 2006 г.», рекомендуется «считать целесообразной подачу конкурентных ценовых заявок на продажу электроэнергии на основе предельных переменных затрат». По общепринятому определению предельные переменные затраты или маржинальные затраты это первая производная по мощности от функции затрат на производство электроэнергии или, что то же, характеристика относительных приростов затрат.
Воспользуемся этой рекомендацией и зададим в качестве ценовых заявок маржинальные затраты (ХОПЗ), тогда решение, полученное в этом случае, будет заметно ближе к оптимальному в части затрат на производство электроэнергии. Но в этом случае возникает вопрос со смысловой интерпретацией точки пересечения (если она будет) кривой спроса и кривой предложения, так как маржинальные затраты, строго говоря, не есть цена произведенной электроэнергии. Продавать электроэнергию в данной ситуации по цене Цп крайне невыгодно для поставщика, ибо маржинальные затраты всегда меньше реальной цены на электроэнергию.
В этой ситуации напрашивается естественный выход – вести расчёт цен на электроэнергию постфактум, зная объём и график загрузки каждого поставщика электроэнергии и их актуальные энергетические характеристики.
Если посмотреть на проблему более строго, то необходимо изменить архитектуру модели оптового рынка электроэнергии с включением в неё полнокровной системы оптимизации режима загрузки электростанций по критерию минимизации затрат на сжигаемое топливо при производстве электроэнергии. Это и есть «невидимая рука», которая сделает модель эффективной, и это единственно возможный путь сокращения издержек на производство электроэнергии, по максимизации прибыли в целом по единой энергосистеме, по созданию объективных предпосылок для снижения тарифов на электроэнергию.
За основу модели оптового рынка целесообразно взять хорошо в прошлом проработанную иерархическую систему оптимизации режимов работы энергосистем с привязкой к ней системы взаиморасчётов за проданную (купленную) электроэнергию. При таком подходе автоматически решается проблема оптимального производства электроэнергии в указанном выше смысле. Предметом конкуренции становятся экономические характеристики субъектов рынка, которые во многом (если не в основном) определяются использованием высокотехнологичного оборудования, высокой культурой технической эксплуатации этого оборудования и, наконец, оптимальным управлением режимом его загрузки. Субъекты рынка, обладающие такими качествами, будут иметь конкурентное преимущество, которое, в конечном счете, обеспечит им производство электроэнергии в большом объёме и с наименьшими издержками. И в этом гвоздь вопроса.
Теперь скажем несколько слов об общих принципах организации системы взаиморасчётов. Оптимизация режимов на верхних уровнях иерархии сводится к определению объёмов межсистемных перетоков активной мощности. Каждый из перетоков может быть вызван либо дефицитом мощности в соседней энергосистеме, либо замещением «дорогой» электроэнергии, либо тем и другим.
Взаиморасчеты при ликвидации дефицита мощности в соседней энергосистеме. Это классический случай торговых взаимоотношений двух сторон поставщик – потребитель, поэтому в такой ситуации все расчёты за поставленную электроэнергию осуществляются по тарифу, в котором учтены все виды затрат на произведенную электроэнергию.
Взаиморасчеты при замещении «дорогой» электроэнергии. Это вполне реальный вариант установления торговых отношений между двумя самодостаточными энергосистемами, выгодных при определенных условиях для каждой из сторон.
Слово дорогой взято в кавычки по той простой причине, что оно выражает не общепринятый смысл – достаточно большие средние за определенный период затраты на производство 1 МВт∙ч электроэнергии по топливной составляющей, а нечто иное. Это иное можно сформулировать следующим образом: под понятием дорогая электроэнергия подразумевается большой по величине в рассматриваемый момент времени прирост затрат на топливо при увеличении выработки электроэнергии на 1 МВт∙ч. В этом смысле статус электростанции (энергосистемы) – «дорогая» или «дешевая» – может меняться в зависимости от ситуации. Количественную сторону этих приростов затрат отражает характеристика относительных приростов затрат (ХОПЗ).

Таким образом, если две соседние энергосистемы А и В, имеющие эквивалентные ХОПЗ (см. рис. 2 презентации), при покрытии нагрузки потребления вышли на относительные приросты eА и eВ, то у них есть реальная возможность осуществить взаимовыгодную торговую сделку: энергосистема А может заместить свою дорогую мощность в объёме DР (МВт), соответствующей мощностью, купленной в энергосистеме В.
Объём D Р рассчитывается таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

e А (Р А потр - D Р ) = e В (Р В потр + D Р ) = e ц . (1)

Продажа электроэнергии энергосистеме А в объёме DР (МВт∙ч) позволит, во-первых, максимально снизить суммарные затраты на производство электроэнергии и, во-вторых, при определенном уровне продажной цены сделать торговую сделку выгодной для каждой из сторон. В качестве такой цены целесообразно выбрать относительный прирост затрат eц или какое-нибудь близкое к нему значение.
Очевидно, что если в такой ситуации осуществлять продажу электроэнергии по цене, включающей все виды затрат и потому существенно большей чем eц, то покупающей стороне выгоднее будет производить этот объём электроэнергии DР, используя свои генерирующие мощности.
И, наконец, если одна из соседних энергосистем не только дефицитная, но ещё и «дорогая», то расчёт с ней за поставленную электроэнергию из соседних энергосистем будет осуществляться по двум тарифам: за покрытый дефицит электроэнергии – по одному тарифу, за замещённую дорогую электроэнергию – по другому тарифу.
Таким образом, на уровне энергосистемы (уровень РДУ) в иерархической системе процесса оптимизации режимов определятся структурированные по тарифам межсистемные перетоки активной мощности. Располагая прогнозом нагрузки потребления, энергетическими характеристиками электростанций, можно оптимизировать распределение активной мощности между электростанциями с учётом сетевого фактора и межсистемных перетоков мощности в следующей последовательности:
при нарушении баланса генерации и потребления в некоторых интервалах времени выбирается состав работающего оборудования;
оптимизируется режим загрузки электростанций энергосистемы;
предварительные графики нагрузки передаются на электростанции энергосистемы для уточнения состава работающего оборудования и, в случае его изменения, соответствующего перерасчета энергетических характеристик ХОПЗ электростанций;
в соответствии с новыми ХОПЗ в РДУ повторно оптимизируется режим загрузки электростанций энергосистемы для уточнения их графиков нагрузки.
В конце процесса оптимизации по каждой энергосистеме определится необходимый объём информации для проведения коммерческих расчётов: тарифы за межсистемные перетоки мощности, почасовая себестоимость производства электроэнергии для каждой электростанции энергосистемы по топливной составляющей, почасовые объёмы производства электроэнергии и т.п. Используя эти данные в купе с утверждёнными условно-постоянными затратами для каждой электростанции, можно рассчитать тарифы на электроэнергию в целом для региона, который находится в сфере обслуживания энергосистемы. Для этого на уровне энергосистем должны существовать соответствующие трейдерские службы.

Выводы:

1. Переход от конкуренции цен на электроэнергию к конкуренции технологий, конкуренции владения культурой технического обслуживания оборудования, конкуренции в оптимальном управлении загрузкой электростанций и энергосистем, которая найдет свое выражение в ХОПЗ, обеспечит максимальное сокращение издержек на производство электроэнергии.

2. Реализация такого подхода повысит надежность работы единой энергетической системы за счет следующих факторов:
исключения из технологических функций системного оператора при оптимальном управлении режимом работы энергосистем различных коммерческих наслоений, отвлекающих от решения производственных задач;
распределенного по уровням диспетчерского управления технологических задач (например, выбор состава оборудования) по принципу наступления события и учета места их возникновения.

3. Система становится в высокой степени контролируемой. Показатели ХОПЗ (эквивалент ценовых заявок), подаваемые электростанциями на уровень РДУ, могут быть легко проверены аналитическими службами РДУ.

4. Система оказывает стимулирующее влияние на внедрение новых технологий, на повышение культуры технического обслуживания оборудования, на развитие принципов оптимального управления режимами загрузки основного оборудования электростанций и в целом энергетических систем.

5. Повышается ответственность системного оператора (РДУ) по бесперебойному снабжению электроэнергией потребителей региона.

6. Высокий уровень и объективность производственно-экономической информации в результате функционирования такой системы дают богатую пищу для эффективного выбора вектора развития энергетических систем.

Список литературы :

1. Стивен Стофт. Экономика энергосистем. Введение в проектирование рынков электроэнергии.: Пер. с англ. – М.: Мир, 2006.
2. Марков М.В. Микроэкономика.- СПб.: Издательский Дом «Нева», 2003.

Оптимизация режимов работы тепловых сетей относится к организационно-техническим мероприятиям, не требующих значительных финансовых затрат на внедрение, но приводящая к значительному экономическому результату и снижению затрат на топливно-энергетические ресурсы.

В работе по управлению и наладке режимов работы тепловых сетей задействованы практически все структурные подразделения «Тепловых сетей», которые разрабатывают оптимальные тепло-гидравлические режимы и мероприятия по их организации, анализируют фактические режимы, выполняют разработанные мероприятия и наладку систем автоматического регулирования (САР), а также оперативно управляют режимами и контролируют потребление тепловой энергии и др.

Разработка режимов (в отопительный и межотопительный периоды) проводится ежегодно с учетом анализа режимов работы тепловых сетей в предыдущие периоды, уточнения характеристик по тепловым сетям и системам теплопотребления, ожидаемого присоединения новых нагрузок, планов капитального ремонта, реконструкции и технического перевооружения. С использованием данной информации осуществляются теплогидравлические расчеты с составлением перечня наладочных мероприятий, в том числе с расчетом дроссельных устройств (дроссельные диафрагмы и сопла элеваторов). Расчет дроссельных устройств осуществляется для каждого теплового узла с учетом снижения температуры теплоносителя за счет потерь тепловой энергии по трубопроводам от источника до теплового узла. Расчеты на отопительный период выполняются при 3-х режимах: наладочный (соотношение долей ГВС открытой схемы из подающего и обратного трубопровода соответственно 60 и 40%), в результате которого определяются диаметры дроссельных устройств, зимний (при расчетной температуре наружного воздуха и ГВС открытой схемы 100% из обратного трубопровода) и переходный (при температуре наружного воздуха, соответствующей началу/окончанию отопительного периода и ГВС открытой схемы 100% из подающего трубопровода). При проведении расчетов в последние два года к расчетным (договорным) нагрузкам применяются повышающие или понижающие коэффициенты, определенные по фактическому потреблению тепловой энергии. Учет фактических тепловых нагрузок позволяет более точно рассчитывать режимы, проводить наладку и, в конечном итоге, свести к минимуму отклонения от расчетных режимов.

Разработка режимов работы тепловых сетей в течение последних 10 лет ведется при помощи программного обеспечения «СКФ-ТС». По системе централизованного теплоснабжения города Омска сформирована подробная схема тепловых сетей и база данных, содержащая характеристики всех элементов схемы (участки магистральных и внутриквартальных трубопроводов, насосного оборудования, запорной и регулирующей арматуры, ПНС, ЦТП и ТПНС, схемы присоединения и нагрузки тепловых узлов (потребителей). В настоящее время в базе данных содержатся характеристики более 130 тысяч элементов (рисунок).

Помимо расчетов оптимальных режимов и разработки наладочных мероприятий «СКФ-ТС» также позволяет оперативному и инженерно-техническому персоналу в едином информационном пространстве выполнять:

1) анализ технического состояния системы теплоснабжения, фактического состояния сетей, режимов, повреждаемости трубопроводов;

2) моделирование нештатных ситуаций, в том числе аварийных;

3) оптимизацию планирования замен трубопроводов с расстановкой приоритетов замены;

4) проектирование и модернизацию систем теплоснабжения, в том числе оптимизировать планирование модернизации и развития тепловых сетей.

Основным критерием оптимизационной задачи при разработке режимов и перераспределению тепловых нагрузок является снижение затрат на производство и транспорт тепловой энергии (в частности, загрузка наиболее экономичных тепловых источников ТЭЦ-5 и ТЭЦ-3, разгрузка ПНС) при имеющихся технологических ограничениях (располагаемые мощности и характеристика оборудования тепловых источников, пропускная способность тепловых сетей и характеристики оборудования перекачивающих насосных станций, допустимые рабочие параметры систем теплопотребления и т.д.).

Разработанные режимы работы тепловых сетей согласовываются с тепловыми источниками, утверждаются и направляются для руководства и планирования режимов работы оборудования на тепловые источники и в эксплуатационные подразделения. При разработке режимов также разрабатываются и утверждаются необходимые мероприятия по организации режимов по магистральным тепловым сетям и по системам теплопотребления, которые выдаются в эксплуатационные районы и потребителям для исполнения до начала отопительного периода. По системам теплопотребления установка дроссельных устройств выполняется жилищными управляющими компаниями и другими собственниками под контролем персонала абонентских отделов тепловых районов при приемке в повторную эксплуатацию. Кроме того, специалистами осуществляется контроль за исполнением данных мероприятий, в том числе выборочно по системам теплопотребления. После начала отопительного периода проводятся наладочные работы на узлах регулирования, настраиваются регуляторы, проводятся регулировочные работы по системам теплопотребления.

В течение отопительного периода осуществляется многоуровневый контроль и анализ отпуска и потребления тепловой энергии.

1) Оперативный контроль осуществляет диспетчерская служба по дистанционно передаваемым данным с приборов учета тепловых источников, а также по периодически передаваемым данным с контрольных точек.

2) Ежесуточный контроль параметров теплоносителя, отпуска тепловой энергии и теплоносителя по каждой тепломагистрали и в целом по тепловому источнику передается на сервер (расходы сетевой, подпиточной и исходной воды, температуры и давление теплоносителя) с внесением оперативных корректировок в диспетчерский график тепловых нагрузок.

3) Контроль за потреблением тепловой энергии потребителями осуществляется инспекторами и специалистами абонентских отделов с периодичностью 1 раз в месяц. Также по распечаткам с приборов учета производится анализ режимов потребления потребителей с приборами учета для выявления нарушений потребления тепловой энергии (увеличенный расход, превышение температуры обратной сетевой воды и т.д.).

4) Контроль температуры обратной сетевой воды по границам и по ответвлениям (проводится еженедельно персоналом теплового района для выявления ответвлений с повышенной температурой обратной сетевой воды и проведением регулировки).

По вопросам регулирования режимов теплоснабжения и наладки еженедельно проводятся рабочие совещания, в которых участвуют руководители и специалисты управления, инспекции, абонентских отделов, оперативно-ремонтный персонал тепловых районов. Кроме того, еженедельно проводятся совещания в СП «Тепловые сети» по вопросу прохождения отопительного периода с рассмотрением всех проблемных вопросов по теплоснабжению и горячему водоснабжению города. На данных совещаниях присутствуют представители Управляющих компаний жилищного фонда, транспортирующей организации МП «Тепловая компания», ОАО «Омскводоканал», Администрации города.

Наладка гидравлических режимов неразрывно связана с регулированием температурных режимов от тепловых источников. Основной задачей регулирования в системах теплоснабжения является поддержание температуры воздуха внутри отапливаемых помещений в заданных допустимых пределах при изменении внешних и внутренних возмущающих факторов.

В соответствии с «Правилами технической эксплуатации» температура воды в подающей линии водяной тепловой сети в соответствии с графиком задается по усредненной температуре наружного воздуха за промежуток времени в пределах 12-24 ч, определяемый диспетчером тепловой сети в зависимости от длины сетей, климатических условий и других факторов . В связи с отсутствием разработанных методик и рекомендаций, определение задаваемых параметров теплоносителя (температура, давление) и времени задания, как правило, осуществлялось на основе опыта и интуиции диспетчера.

Возрастание доли автоматизации систем теплопотребления и переход на количественно-качественное регулирование при низкой гидравлической устойчивости системы приводит к существенной переменности гидравлических режимов, поэтому требования к организации и оперативному управлению тепловыми и гидравлическими режимами систем ЦТ существенно возрастают.

Анализ динамики изменения среднесуточной температуры наружного воздуха в г. Омске в отопительные периоды показывает, что изменение температуры носит случайный характер, при этом в отдельные периоды имеют место значительные амплитуды изменения суточных температур (до 15÷17 О С), что при качественном регулировании предполагает изменение температуры в подающих трубопроводах более 30 О С.

Постоянные изменения внешних возмущающих факторов приводят к необходимости изменения тепловой нагрузки, режимов и состава работающего оборудования ТЭЦ, а также к возникновению знакопеременных напряжений в трубопроводах тепловых сетей, что увеличивает вероятность их повреждений и снижает надежность.

В целях исключения негативных моментов при оперативном регулировании тепловых нагрузок в тепловых сетях Омского филиала ОАО «ТГК-11», упрощения процесса разработки диспетчерского графика тепловых нагрузок разработана «Инструкция по заданию температурного режима работы теплоисточников» и форма расчета температурных параметров на последующие сутки. Основные положения данной инструкции основаны на модели, учитывающей динамические характеристики системы теплоснабжения, аккумулирующие способности зданий, а также динамику изменения и влияние основных возмущающих воздействий (температура наружного воздуха) в течение нескольких дней (фактические и прогнозные) на тепловой режим отапливаемых зданий.

При формировании диспетчерского графика также предусмотрена корректировка задания, которая может быть введена по внешней инициативе, либо при значительном отклонении фактических температур от прогнозных. Данная температура может быть задана на период регулирования либо, с учетом корректировки, на несколько периодов регулирования.

В тепловых сетях Омского филиала ОАО «ТГК-11» с 2009 г. применяется регулирование с учетом динамических характеристик системы теплоснабжения. Как показала практика, в определенных пределах изменения внешних факторов позволяют увеличить периоды регулирования до 24-72 ч и более, при этом увеличение периода практически не влияет на качество теплоснабжения потребителей, что дает возможность эксплуатировать оборудование тепловых источников и тепловых сетей в более «щадящем» режиме .

В системе ЦТ от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11» в результате планомерно проводимой работы по оптимизации и наладке режимов функционирования тепловых сетей в течение последних 6-7 лет кардинально улучшилось качество теплоснабжения потребителей и повышена эффективность всей системы централизованного теплоснабжения от тепловых источников ОАО «ТГК-11», а именно:

1) решены вопросы теплоснабжения и горячего водоснабжения в целых микрорайонах города (пос. 40 лет Октября, пос. Сибзавода, пос. Свердлова, микрорайонов № 5, № 6, № 10, № 11 Левого берега, Центральной части города, жилых кварталов по ул. Поселковая, ул. Тюленина, ул. Труда), а также отдельных потребителей;

2) полностью исключены работы систем теплопотребления «на сброс» по причине недостаточных располагаемых напоров;

3) сокращены излишние расходы топлива за счет перегрева потребителей в переходные периоды;

4) сокращены расходы электроэнергии на перекачку теплоносителя на 14% (с 53 до 46 млн кВт.ч) за счет сокращения циркуляционных расходов теплоносителя при одновременном подключении новых потребителей;

5) сокращены расходы топлива на выработку электроэнергии за счет снижения и приведения в норму температуры обратной сетевой воды;

6) сокращены расходы подпиточной воды на 21% (с 40,2 до 31,9 млн м 3);

7) подключены новые потребители;

8) снижена повреждаемость трубопроводов. Таким образом, при комплексном подходе к процессу управления режимами работы могут быть оптимизированы режимы и значительно повышена эффективность функционирования системы ЦТ.

Литература

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. - М.: НЦ ЭНАС, 2008. - 264 с.

2. Жуков Д.В., Дмитриев В.З. Повышение эффективности работы систем централизованного теплоснабжения путем оптимизации теплогидравлических режимов. - В сб. «Труды ВНПК «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» - Энерго - 2010. В 2 томах. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - T. 1. 304 с. ил. С. 229-232.

Актуальность темы. Осветить режимы работы электродвигателя на компрессорной станции (аварийный, нормальный, само запуск) и т.д. Эта проблема отражена в работах множества авторов: Д.П. Петелина, И.Д. Сыромятникова, Б.Н. Абрамовича, И.Д. Лищенко, В.А. Веникова, Ф.Г. Гусейнова, Н.И. Воропая и прочих учёных. В работах Н.Д. Абдуллаева, В.Ф. Шумилова, Г.Р. Шварца и др. рассмотрены вопросы синтеза подходящих систем АРВ при перегрузках. Тем не менее, миссия оптимизации систем АРВ СД, синтеза подходящих действий остаются открытыми. Кроме того важным считается возведение цифровых возбудителей СД ГПА.

Главной целью работы считается оптимизация режимов работы электродвигателей в сетях с распределенной генерацией.

В основе работы электродвигателей лежит принцип электромагнитной индукции. Электродвигатель включает в себя статор (неподвижную часть) и ротор (якорь, если мы имеем дело с машиной постоянного тока) (подвижную часть). При помощи электрического тока (либо постоянных магнитов) в электродвигателе возникают неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля.

Отличительной чертой электродвигателей является свойство обратимости: любой электрический генератор способен выполнять задачи двигателя и наоборот, а в любом трансформаторе и электромашинном преобразователе электрической энергии направление преобразования энергии можно изменить на обратное. Несмотря на это каждая вращающая машина, как правило, создана только для одного режима работы (например, в качестве двигателя или генератора). Таким же образом одна из обмоток трансформатора играет роль приемника электрической энергии (первичная обмотка), а вторая отвечает за отдачу энергии (вторичная обмотка). Это дает возможность наилучшим образом адаптировать электродвигатель для заданных условий работы и максимально выгодно использовать материалы, т.е. добиться наибольшей мощности на единицу веса электродвигателя .

Электродвигатели настолько распространены в производстве и быту, что опытные проектировщики или обслуживающий персонал предприятий хорошо разбираются в принципах и режимах их работы. Но средний потребитель и даже некоторые непрофильные инженеры немного заблуждаются в своих знаниях принципа работы и эксплуатации электрических машин и совершают классические ошибки, способные существенно навредить электрической машине. Рассмотрим пять основных ошибок при выборе и эксплуатации электрических машин.

Незначительный перегрев не окажет существенного влияния на электродвигатель

Это одно из наиболее популярных заблуждений. Для тех кто занимался выбором и расчетом электродвигателей известно, что электродвигатели делят по классам изоляции обмоток. Эти классы нормируют максимальные значения температур обмоток при работе электродвигателя. При превышении допустимой температуры изоляция начинает разрушатся быстрее, чем при нормальном режиме работы, тем самым снижая срок службы машины. Иногда такой перегрев может снизить срок службы более чем в два раза, не приводя, при этом, к мгновенному выходу из строя машины.

Частые запуски не смогут повредить электродвигатель

У электродвигателей есть такое понятие как допустимое количество включений в час. Если это значение превысить, то это тоже не добавит электрической машине срока службы. При прямом пуске пиковые (пусковые) токи генерируют дополнительное тепло, которое рассеивается в процессе работы электрической машины. Но если время стоянки электропривода или его работы в номинальном режиме недостаточно для возвращения температуры обмоток к нормальной – это тоже вызовет дополнительный перегрев.

Улучшение коэффициента мощности позволяет хорошо сэкономить

Да, улучшение коэффициента мощности (cos φ) позволяет сэкономить некоторое количество энергии, но не очень большое (зависит от мощности). Если электродвигатель малой мощности или вы не оплачиваете потребление реактивной мощности, то и экономии вы не получите. Количество сэкономленной реактивной энергии зависит от нескольких факторов, таких как длина и тип кабелей подключения, количества трансформаторов, а также количества нагрузки подключенной параллельно электродвигателю, а также от того, где располагается компенсирующее устройство.

Электродвигатели получили широкое распространение благодаря целому ряду своих достоинств, таких как: высокие энергетические показатели, удобство подачи и отдачи энергии, возможность выполнения электродвигателей самых разных мощностей, скоростей вращения и, в довершение всему, удобство обслуживания и легкость в обращении.

Энергия, теряемая в электродвигателях, приводит к нагреванию отдельных их частей. Для того чтобы электродвигатель прослужил как можно дольше, нагревание должно быть ограничено. Наиболее подвержены нагреванию электроизоляционные материалы, и в зависимости от их качества – задаются допустимые уровни нагревания электродвигателей. Также необходимо позаботиться о создании хороших условий отвода тепла и охлаждения электродвигателей .

С повышением нагрузки электрической машины увеличиваются потери энергии, растет уровень нагревания машины. В связи с этим максимальная мощность нагрузки машины определяется в зависимости от допустимой величины ее нагревания, а также от механической прочности отдельных ее частей, условий токосъема на скользящих контактах и т.д.

Напряженность режима работы электродвигателей переменного тока по отношению к электромагнитным нагрузкам (величине магнитной индукции, плотности тока и т.д.), потерям энергии и нагреванию определяется не активной, а полной мощ­ностью, т.к. величина магнитного потока в машине зависит от полного напряжения, а не от его активной части. Полезная мощность, предусмотренная для электрической машины, носит название номинальной. Остальные величины, которые также характеризуют работу электродвигателя при данной мощности - также называются номинальными. Среди них номинальный ток, напряжение, скорость вращения, КПД и др. величины (для машины переменного тока – номинальные частота и коэффициент мощности).

Различают следующие режимы работы моторов под перегрузкой в зависимости от ее длительности: долгий, временный и повторно-кратковременный.

При длительном режиме мотор действует без перерыва, кроме того рабочий период так активен, что нагрев мотора достигает установившейся температуры.

Долгая перегрузка быть может неизменной или же изменяющейся. В первом случае температура не меняется, во 2-м - меняется совместно с переменой перегрузки. С мало изменяющейся перегрузкой в данном режиме действуют двигатели конвейеров, лесопильных рам и др., с переменной длительной перегрузкой действуют движки всевозможных металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станков.

При недолгом режиме мотор не успевает нагреться до установившейся температуры, ну а в течение паузы охлаждается до температуры окружающей среды. Длительность кратковременной работы ГОСТ на электрические машины устанавливает одинаковой 10, 30, 60 и 90 мин.

При повторно-кратковременном режиме двигатель за период работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы - охладиться до температуры окружающей среды. В этом режиме двигатель функционирует с постоянно чередующимися периодами работы под перегрузкой и вхолостую, или же паузами.

Так как главными потребителями электричества на предприятиях считаются электроприводы постоянного и переменного тока, рассмотрим коротко зарождение утрат мощности в установившихся и переходных режимах работы регулируемых электроприводов. Известно, что выбор того или же другого метода регулировки скорости двигателей ориентируется, в окончательном счете, его экономичностью. В нынешнее время более экономичным считается прием регулировки скорости по системе УП-Д (управляемый преобразователь-двигатель). При этом методе согласно с требуемой механической мощностью источник выделяет нужную электрическую мощность. К системам УП-Д относят системы с двигателями постоянного тока и системы частотного управления с асинхронными двигателями переменного тока. У двигателей постоянного тока с независимым возбуждением постоянные затраты складываются из издержек в цепи возбуждения, механических издержек и добавочных утрат в стали. 1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф. 2 ПГТУ, ст. препод.

Переходные процессы (разгон и торможение) осуществляются методом плавной перемены питающего напряжения для двигателей постоянного тока. Для двигателей при частотном приеме управления в тоже время с напряжением меняется и частота. Главным аспектом для выбора приема управления высокоскоростными режимами мотора основного привода считаются финансовые суждения. В том случае, если финансовый результат от внедрения систем рационального управления выше результата от экономии электричества, природным будет принятие решений в пользу увеличения производительности аппарата, в том числе, и с помощью увеличения расхода электричества. Тем не менее, и в данных условиях наличествуют значительные резервы экономии электричества. Решение трудностей состоит в исследовании и введении обучающихся адаптивных систем управления режимами работы электроприводов прокатных станов .

Для продуктивной и слаженной работы любого промышленного оборудования требуется наличие мощного электродвигателя, который берет на себя всю производственную часть. Именно двигатели задают номинальную мощность, что обеспечивает вращение вентилятора или функционирования насоса. Модели двигателей различаются по сферам применения и типам. В любом Интернет магазине вы сможете найти список из множества моделей однофазных двигателей, трехфазных двигателей, а также двигателей взрывозащищенного типа.

Каждый такой силовой агрегат отвечает за ряд особых функций и рассчитан на обеспечение определенного уровня мощности. Кроме того, все двигатели выполняются по схожим техническим условиям, поэтому, даже не взирая на бренд или дату разработки, они будут иметь сходные конструктивные черты внешнего вида и форму, что позволяет устанавливать их в любых местах, даже там, где имеются проблемы с нехваткой свободного пространства.

Итак, стоит отметить, что основные резервы экономии электричества содержатся в исследовании и совершенствовании энергосиловых характеристик промышленного электрооборудования и управления режимами работы этого оборудования на базе внедрения адаптивных систем управления. В зависимости от режима роботы двигателей изменяется количество потребляемой энергии.

Список литературы:

1. Карасевич А.М., Сеннова Е.В., Федяев А.В., Федяева О.Н. Эффективность развития малых ТЭЦ на базе газотурбинных и дизельных энергоустановок при газификации регионов // Теплоэнергетика, 2000, № 12, с.35-39.
2. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л.С.Беляев, А.В. Лагерев, В.В. Посекалин; Отв. ред. Н.И.Воропай. Новосибирск: Наука, 2004, 386 с.
3. Bayegan M.A. Vision of the Future Grid // IEEE Power Engineering Review, 2001, Vol.21, №12, p. 10-12.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат по теме:

Основы оптимизации режимов электрических станций и энергосистем

1. Задачи и критерии оптимизации режимов энергосистем

Оптимизация режимов энергосистем и электростанций является одним из разделов теории и методов управления электроэнергетических систем (ЭЭС). Имеются официальные документы по решению следующего ряда режимных задач в ЭЭС:

Составление плановых балансов мощности и выработки электроэнергии для различных периодов (от минут до года) и для различных объектов.

Определение объемов и цен на долгосрочную, краткосрочную и оперативную продажу электроэнергии, мощности и резервов.

Расчет сетевых тарифов с учетом потерь электроэнергии.

Определение стоимости электроэнергии по зонам графика нагрузки и по сезонам года.

Определение режима работы тепловой электростанции (ТЭС).

Определение режима использования водных ресурсов гидроэлектростанции (ГЭС).

Построение обобщенных энергетических, экономических и стоимостных характеристик для электрических станций и зон электроснабжения.

Регулирование реактивной мощности и напряжения.

Выбор и размещение резервов мощности.

Перечисленные задачи не являются полным списком задач, в которых рассчитывается режим ЭЭС, а лишь показывают важность оптимизации режимов.

Для практического решения и программной реализации любой режимной задачи требуется ее формализация, которая включает пять этапов.

Составление математической модели.

Выбор метода решений.

Разработка алгоритма решения.

Информационное моделирование.

Программная реализация.

Каждая постановка задачи поиска оптимального решения должна удовлетворять как минимум двум требованиям:

Задача должна иметь не менее двух возможных решений;

Должен быть сформулирован критерий для выбора наилучшего решения.

С точки зрения классификации можно выделить следующие задачи оптимизации: управление функционированием системы, управление развитием системы и управление технологическими процессами.

Математическое моделирование. Остановимся кратко на тех положениях моделирования электроэнергетических задач, которые используются для их решения. При построении модели следует учитывать только важнейшие характеристики системы. Необходимо также сформулировать логически обоснованные допущения, выбрать форму представления модели, уровень ее детализации и метод реализации. В оптимизационных исследованиях обычно используются модели двух основных типов: аналитические и регрессионные.

Аналитические модели включают в себя уравнения материального и энергетического балансов, соотношения между техническими характеристиками и уравнения, описывающие физические свойства и поведение системы на уровне технических принципов.

При моделировании важно четко определить границы изучаемой системы. Они задаются пределами, отделяющими систему от внешней среды. В процессе решения задачи может возникнуть вопрос о расширении границ системы. Это повышает размерность и сложность модели. В инженерной практике следует стремиться к разбиению больших систем на относительно небольшие подсистемы. При этом необходимо иметь уверенность в том, что такая декомпозиция не приведет к излишнему упрощению реальной ситуации.

Если свойства системы определены и ее границы установлены, то на следующем этапе моделирования задачи оптимизации выбирается критерий (целевая функция), на основе которого можно оценить поведение системы и выбрать наилучшее решение. В инженерных приложениях обычно применяются критерии экономического характера. Критерием могут быть и технологические факторы: продолжительность процесса производства, количество потребляемой энергии и др. Часто ситуация осложняется тем, что в решении задачи необходимо обеспечить экстремальные значения нескольких противоречивых критериев. В этом случае говорят о многокритериальных задачах.

На следующем этапе моделирования задачи оптимизации необходимо выбрать независимые и зависимые переменные, которые должны адекватно описывать функционирование системы.

При выборе независимых переменных следует:

Провести различие между переменными, значения которых могут изменяться в достаточно широком диапазоне, и переменными, значения которых фиксируются в процессе оптимизации;

Выделить параметры, которые подвержены влиянию внешних и неконтролируемых факторов;

Независимые переменные выбрать таким образом, чтобы все важнейшие технико-экономические решения нашли отражение в математической модели задачи.

Неверный выбор независимых переменных может привести к получению псевдооптимальных решений.

Для зависимых переменных должна быть установлена связь с независимыми. Зависимые переменные, как правило, являются параметрами выхода модели и определяются требованиями к результатам функционирования объекта. Например, расход топлива - независимая переменная, а активная мощность электрической станции - зависимая. Их связь отражается в энергетической характеристике электрической станции.

В общем виде оптимизационная математическая модель включает: формальное описание задачи; критерий решения задачи; независимые и зависимые переменные; уравнения связи между независимыми и зависимыми переменными; ограничения на переменные в форме равенств и неравенств (обычно они определяются верхними и нижними границами изменения параметров системы).

Принятие решения в условиях определенности характеризуется однозначной (детерминированной) связью между принятым решением и его исходом. Детерминированной можно считать систему, в которой элементы взаимодействуют точно предвидимым образом.

Детерминированная модель отражает поведение системы с позиций полной определенности в настоящем и будущем. Поведение такой системы предсказуемо, если известны текущие состояния ее элементов и законы преобразования информации, циркулирующей между ними.

Большинство режимных задач в ЭЭС лишь условно можно считать детерминированными. Однако на практике многие из них решаются именно в этой постановке, что объясняется необходимостью иметь однозначные решения для управления режимами и сложностью, а иногда и невозможностью учета вероятностных свойств ЭЭС, связанных с самой природой событий и технологических процессов

Математическая модель задачи оптимизации в общем виде включает следующие компоненты.

Целевая функция - критерий оптимизации

F(X, Y) extr (1)

2. Уравнения связи, определяющие зависимость между переменными:

Эта связь часто имеет вид определенных характеристик объекта, например, энергетических характеристик. Связь между Х и Y может быть явная или неявная.

3. Уравнения ограничений показывают допустимые условия изменения независимых и зависимых переменных и функций от них:

Хmin ? Х? Хmаx (3)

Ymin ? Y ? Ymаx (4)

hmin ? h"(X,Y) ? hmax (5)

После формулирования задачи оптимизации необходимо выбрать метод оптимизации и методы учета ограничений, подробно изложенные в .

В режимных задачах используются различные критерии оптимизации: технические, экономические и коммерческие. Могут рассматриваться объединения, энергосистемы, электрические станции, предприятия электрических сетей. Это обусловливает разнообразие задач и критериев оптимизации режимов.

Критерии оптимизации внутристанционных режимов электростанции. Для электростанций решается задача внутристанционной оптимизации режимов и чаще всего используются технические критерии, такие как издержки или минимум расхода топлива станции (для ГЭС минимум гидроресурса)

либо максимум КПД

Оптимизация режимов направлена на выбор оптимального состава работающего оборудования, активных Pi и реактивных Qi мощностей агрегатов. Задача решается на любых временных интервалах от минут до года. По этим критериям строится эквивалентная энергетическая характеристика станций.

Критерий оптимизации режимов электрической сети. Электрическая сеть может включать одно или несколько сетевых предприятий. При оптимизации режима электрической сети критерием могут быть потери энергии (или мощности) в сети, т. е. минимум потерь активной мощности:

и минимум потерь электроэнергии

По этим критериям можно получить эквивалентную оптимальную характеристику потерь электроэнергии.

Критерии оптимизации режимов электроэнергетической системы.

При оптимизации режима ЭЭС необходимо учитывать ее технические и хозяйственные особенности: территориальный масштаб и возможности производства электроэнергии. В настоящее время оптимизация режимов имеет важное значение для субъектов, функционирующих на оптовом рынке электроэнергии и мощности. Управление оптовым рынком ведется Администратором торговой системы, который на основе торгов формирует ценовую политику рынка на всех временных интервалах. Субъектами оптового рынка являются электростанции, сетевые предприятий (СП) и крупные потребители. Цены, заявленные электрическими станциями (поставщиками энергии), определяют востребованность их мощности и электрической энергии (товара). Если цены велики, то товар может быть полностью или частично не востребован. Оптимизация режима может проводиться в различных задачах по критериям минимума цены по ЭЭС, минимума издержек или максимума благосостояния субъектов рынка.

Режим влияет на издержки и оптимальным будет при

Но если использовать критерий минимума цены на электроэнергию

то энергетические балансы в ЭЭС изменятся. На практике чаще применяется критерий (11).

2. Планирование режимов работы электрических станций

Эксплуатационные затраты на производство, передачу и распределение электрической энергии зависят не только от внешних факторов, главными из которых являются характеристика и значение подключенной нагрузки, но и от режима электрической системы, на который можно воздействовать через систему управления. Существует определенная связь между эксплуатационными затратами 3 и управлением режимами электрической системы, которую можно охарактеризовать соотношением

В составляющую 30 входят такие компоненты, как затраты на заработную плату эксплуатационного персонала, затраты на комплекс мероприятий по повышению надежности и экономичности работы электроэнергетического оборудования за счет повышения КПД устройств преобразования и передачи энергии (парогенераторов, турбин, генераторов и т.д.). Эти затраты почти не зависят от режима электрической системы, и их уменьшение достигается усилиями эксплуатационного персонала электростанций и сетевых предприятий.

Вторая составляющая 3(Р) характеризует затраты на энергоресурсы и зависит от режима энергосистемы, состава и загрузки включенного в работу оборудования. При этом основными носителями энергии являются топливо для ТЭС и вода для ГЭС. Величина 3(P) определяется затратами на топливо с учетом его добычи и транспортировки. Решение задачи управления режимами энергосистемы заключается в определении управляющих воздействий, обеспечивающих минимум суммарных затрат на производство, передачу и распределение электроэнергии. Таким образом, эта задача сводится к минимизации затрат на энергоресурсы 3(Р). В свою очередь, минимум затрат на топливо может быть достигнут лишь при полном оптимальном использовании ограниченных запасов гидроресурсов.

Значение суммарной активной нагрузки энергосистемы Рн определяется поведением потребителей электроэнергии и рассматривается в энергосистеме как заданный параметр, характеризующий внешнее воздействие. С учетом потерь мощности в элементах сети для каждого момента времени должно выполняться условие баланса мощности

где PH(t) - суммарная нагрузка потребителей; - активная мощность i-го источника в момент времени t; - суммарные потери активной мощности в электрической системе в момент времени t. Невыполнение условия (13) приведет к отклонению частоты от номинального значения.

Условие (13) должно выполняться для поддержания номинальной частоты. Оптимальное управление нормальными режимами энергосистемы заключается в экономичном распределении нагрузки системы между источниками, т.е. в определении значений Pi(t), обеспечивающих минимум затрат на энергоресурсы. При этом располагаемый запас гидроресурсов Wj определяется природными условиями водотока (площадью бассейна, количеством осадков и др.), а также дополнительными условиями судоходства, сплава леса, прохождения рыбы и т.д.

Можно ли осуществить оптимальное управление только на основании текущей информации PH(t) о нагрузке в данный момент времени? Для этого рассмотрим взаимосвязь текущего и последующих режимов ЭЭС через критерий оптимальности. Суточный график суммарной нагрузки (включая потери мощности) для каждой энергосистемы в текущем сезоне года имеет достаточно устойчивый вид для рабочих, нерабочих, праздничных и предпраздничных дней. Характер такого графика показан на рис. 1 Суточный график электропотребления аппроксимируется ступенчатым видом с временным шагом, равным 1 часу. Развитие автоматизированной системы диспетчерского управления привело к переходу от =1 час к получасовой и даже 15-минутной аппроксимации графика электрической нагрузки Рн(t).

Рис. 1 - График суммарной нагрузки ЭЭС

Разница между дневным максимумом Рmax и ночным минимумом Рmin в большей степени зависит от доли промышленного электропотребления и климатических условий. Часть нагрузки P6(t) покрывается базовыми электростанциями, к которым относятся наиболее экономичные блоки конденсационных ТЭС, атомные станции, ГЭС в период паводков, режим которых по тем или иным соображениям считается заданным. Например, для ТЭЦ электрический режим зависит от графика выработки тепловой энергии. Оставшуюся часть графика электрической нагрузки делят на полупиковую и пиковую. Покрытие нагрузки в полупиковой части выполняют КЭС средних параметров и в пиковой части - ГЭС, ТЭС среднего давления и гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Отнесение станций к базовой, полупиковой и пиковой частям графика электрической нагрузки определяется их маневренностью и экономичностью.

Поскольку разница между Рmax и Рmin оказывается большой (иногда она доходит до 50% от Рmax), то состав генерирующего оборудования не может быть неизменным в течение суток. Моменты включения и отключения генераторов электростанций и их загрузка зависят от графика электропотребления и определяются не только значением PH(t) в текущий момент времени. Следовательно, задача оптимизации имеет интегральный характер.

Считая, что гидроэнергоресурсы природа дает нам бесплатно, то режимная составляющая 3(Р) определяется затратами на топливо на интервале времени Т в виде

где: Bi(t) - расход топлива (функция времени) i-й тепловой электростанции, число электростанций составляет NT; d: - коэффициент, учитывающий стоимость топлива, включая его транспортировку до i-й станции.

Задача заключается в определении такого режима работы тепловых электростанций PТi(t) на интервале T, чтобы обеспечить минимум З(Р). Чаще всего в качестве интервала времени Т рассматриваются сутки (24 часа). Если не учитывать интегральный характер оптимизационной задачи, то с позиции данного момента времени всегда выгодно полностью загрузить все ГЭС, что, естественно, приведет к сокращению топливных затрат на ТЭС. Однако быстрое исчерпание гидроресурсов приведет к последующим явно неоптимальным режимам ЭЭС (без участия ГЭС). Поэтому минимизация функции (14) должна выполняться с учетом интегральных ограничений вида

где: - расход воды (функция времени) на j-й гидростанции (в час t); Wj - планируемый запас (попуск) воды на ГЭС; NГ - число ГЭС. Если интегральный расход воды больше, чем объем воды Wj, поступающей в водохранилище, то это приведет к снижению уровня ниже допустимого, если меньше - это приведет к накоплению воды и необходимости сброса ее, минуя гидротурбины, что явно нерационально (заданная для энергосистемы выработка электроэнергии в этом случае достигается за счет дополнительного сжигания топлива на ТЭС).

Интегральный характер задачи оптимизации определяется не только ограничениями (15) по гидроресурсу, но и условиями выбора состава генерирующего оборудования. Обусловливается это тем, что оптимальный состав оборудования не может быть найден только на основании текущей информации о нагрузке энергосистемы. Необходимо оценить ее поведение за некоторое время Т вперед. Представим себе, что для экономии топлива желательно отключить тот или иной агрегат. Однако целесообразность этого может быть определена только с учетом решения следующего вопроса. Окажется ли экономия топлива от отключения агрегата больше дополнительных расходов на последующий его пуск, необходимость которого может быть выяснена лишь с учетом дальнейшего поведения нагрузки и износа оборудования от дополнительных пусков?

На практике задачу оптимизации режима энергосистемы решают в два этапа. Па первом этапе планируют состав оборудования и загрузку ГЭС на основании прогноза о поведении потребителя. На втором этапе решают задачу экономичного распределения нагрузки для заданного состава оборудования. При этом расходные характеристики Вi = f(Pi) соответствуют выбранному составу генерирующего оборудования (парогенераторов, турбин, блоков).

Таким образом, задача оптимизации режима ЭЭС состоит в отыскании минимума функции 3(Р) согласно (14) при выполнении условий баланса мощности (13) и баланса воды (15). Интегральный характер задачи оптимизации предопределяет многоэтапность ее решения через прогнозирование нагрузки PH(t), планирование режима тепловых и гидроэлектростанций на сутки PTi(t), PГi(t), т.е. планирование так называемых диспетчерских графиков работы электростанций, и оперативную коррекцию этих графиков в связи с возникающими ошибками в прогнозе нагрузки и внеплановыми аварийными изменениями в составе как генерирующего оборудования, так и в электрической сети (отключения ЛЭП, (авто)трансформаторов). Приведенная формулировка задачи оптимизации оказывается неполной, так как в ней не оговорены условия надежного и качественного питания электропотребителей. Эти условия задаются в виде ряда режимных ограничений в форме неравенства.

Перечислим наиболее часто встречающиеся режимные ограничения:

Активные мощности станций изменяются в пределах

определяемых, с одной стороны, перегрузочной способностью генераторов, а с другой - устойчивостью работы теплового оборудования (например, горением факелов в парогенераторах) при пониженных нагрузках.

Располагаемая реактивная мощность генераторов в общем виде зависит от загрузки активной мощностью, но для упрощения задачи обычно задается жесткими границами:

Напряжения узлов также должны задаваться в допустимых пределах с учетом регулировочной способности трансформаторов:

Перечисленные ограничения часто называются узловыми, так как они относятся к параметрам узлов электрической схемы системы. Наряду с ними в некоторых случаях необходимо учитывать линейные ограничения на токи и потоки мощности линий электропередачи или трансформаторных ветвей электрической схемы

из условий нагрева проводов и сохранения устойчивости системы.

Контроль напряжений узлов и перетоков мощности в линиях электропередачи или в их совокупности, называемых сечениями, приводит к необходимости включения в задачу оптимизации уравнений установившегося режима:

электрический сеть станция контроль

где: Si - полная узловая мощность, равная Si = SГj - SHi; SГj - вырабатываемая полная мощность ТЭС или ГЭС; SHi - полная мощность электропотребления; Yij - взаимная проводимость i и j узлов электрической схемы; п - число узлов в ЭЭС без балансирующей электростанции, напряжение на шинах которой Un+1 должно быть задано.

В уравнениях (20) индекс t опущен, но надо иметь в виду, что все параметры электрических режимов являются переменными во времени - Uj(t), SHi(t) и т.д.

Полная задача оптимизации больших энергосистем столь сложна, что несмотря на высокое совершенство вычислительных средств ее приходится упрощать, естественно, в такой мере, чтобы не допустить существенной погрешности решения. В первую очередь, это касается разделения этой задачи на этапы:

Выбор состава оборудования (определение графика состояния генерирующего оборудования в течение суток);

Оптимизация режима ЭЭС при заданном составе оборудования.

В свою очередь, оптимизация режима ЭЭС, содержащей тепловые и гидравлические станции, разделяется на:

независимое планирование режима гидроэлектростанций;

независимое планирование режима тепловых электростанций.

В некоторых случаях для достижения требуемой точности оптимизации эти два процесса связываются в итерационный циклический процесс, но редко, когда таких циклов делается более двух. Для первоначального графика работы ГЭС (например, взятого из предшествующих суток) определяется оптимальный режим ТЭС. После этого уточняется режим ГЭС и еще раз режим ТЭС.

Интегральные ограничения (15) вносят существенное усложнение в задачу оптимизации, т.к. она должна рассматриваться в целом как интегральная, т.е. с отысканием минимума суммарных затрат на интервале планирования, чаще всего, суточном. Если суточный график нагрузки аппроксимируется с шагом 1 час, то Т=24. В ряде энергосистем рассматриваются получасовые интервалы и Т=48.

Здесь следует обратить внимание на следующее важное обстоятельство. Если в ЭЭС гидростанции отсутствуют (систему можно рассматривать как тепловую, состоящую только из ТЭС), то, записывая функцию (14) в виде

получаем, так называемое, свойство сепарабельности, для которого выполняется равенство «минимум суммы равен сумме минимумов»:

Это означает, что оптимальный режим первого часового интервала не зависит от режима второго интервала и т.д. Следовательно, сложная интегральная задача оптимизации распадается на Т (количество интервалов) самостоятельных более простых задач, в каждой из которых отыскивается свой минимум.

Выполнив оптимизацию режима ЭЭС для каждых из Т интервалов, в конечном итоге получаются диспетчерские графики работы всех электростанций в виде, представленном на рис. 2.

Рис. 2 - Диспетчерский график работы электрической станции

С задачей планирования режима работы электростанций по активной мощности тесно связана с задачей определения уровней напряжения контрольных точек энергосистемы. Дело в том, что величина потерь мощности Р, водящих в баланс, зависит не только от, но и от генерируемой реактивной мощности, которая, в свою очередь, определяет уровни напряжения и токовую загрузку линий. Совместное решение обеих задач называется комплексной оптимизацией режима ЭЭС.

Литература

1. Оптимизация режимов энергосистем: Учебное пособие / П.И. Бартоломей, Т.А. Паниковская. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2008. - 164 с.

2. Макоклюев Б.И. Анализ и планирование электропотребления. - М.: Энергоатомиздат, 2008. - 296 с.

3. Т.А. Филиппова и др. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем: Учебник /Т.А. Филиппова, Ю.М. Сидоркин, А.Г. Русина; - Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2007. - 356 с.

4. Иерархические модели в анализе и управлении режимами электроэнергетических систем / О.А. Суханов, Ю.В. Шаров - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 312 с.

5. Лыкин А.В. Электрические системы и сети: Учеб. пособие. - М.: Университетская книга; Логос, 2006. - 254 с.

6. Филиппова Т.А. Энергетические режимы электрических станций и электроэнергетических систем: Учебник - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - 300 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Характеристика основных методов решения задач нелинейного программирования. Особенности оптимизации текущего режима электропотребления по реактивной мощности. Расчет сети, а также анализ оптимальных режимов электропотребления для ОАО "ММК им. Ильича".

магистерская работа , добавлен 03.09.2010


Моделирование различных режимов электрических сетей нефтяных месторождений Южного Васюгана ОАО "Томскнефть". Расчет режима максимальных и минимальных нагрузок энергосистемы. Качество электрической энергии и влияние его на потери в электроустановках.

дипломная работа , добавлен 25.11.2014


Выбор номинального напряжения сети, мощности компенсирующих устройств, сечений проводов воздушных линий электропередачи, числа и мощности трансформаторов. Расчет схемы замещения электрической сети, режима максимальных, минимальных и аварийных нагрузок.

курсовая работа , добавлен 25.01.2015


Расчет источника гармонических колебаний. Определение резонансных режимов электрической цепи. Расчет переходных процессов классическим методом. Определение установившихся значений напряжений и токов в электрических цепях при несинусоидальном воздействии.

курсовая работа , добавлен 18.11.2012


Исследование линейной электрической цепи: расчет источника гармонических колебаний и четырехполюсника при синусоидальном воздействии; определение параметров резонансных режимов в цепи; значения напряжений и токов при несинусоидальном воздействии.

курсовая работа , добавлен 30.08.2012


Устройства и характеристики энергосистем. Системы электроснабжения промышленных предприятий. Преимущества объединения в энергосистему по сравнению с раздельной работой одной или нескольких электрических станций. Схема русловой гидроэлектростанции.

презентация , добавлен 14.08.2013


Формирование узловых и контурных уравнений установившихся режимов электрической сети. Расчет утяжеленного режима, режима электрической сети по узловым и нелинейным узловым уравнениям при задании нагрузок в мощностях с использованием итерационных методов.

курсовая работа , добавлен 21.05.2012


Суть технического и экономического обоснования развития электрических станций, сетей и средств их эксплуатации. Выбор схемы, номинального напряжения и основного электрооборудования линий и подстанций сети. Расчёт режимов работы и параметров сети.

курсовая работа , добавлен 05.06.2012


Общая характеристика Юго-Восточных электрических сетей. Составление схемы замещения и расчет ее параметров. Анализ установившихся режимов работы. Рассмотрение возможностей по улучшению уровня напряжения. Вопросы по экономической части и охране труда.

дипломная работа , добавлен 13.07.2014


Модели нагрузки линии электропередачи. Причины возникновение продольной несимметрии в электрических сетях. Емкость трехфазной линии. Индуктивность двухпроводной линии. Моделирование режимов работы четырехпроводной системы. Протекание тока в земле.

Описание: Экономия электроэнергии. При этом передача электроэнергии происходит по воздушным сетям линиям электропередачи с напряжением 35 110 150 220 кВ и до 1150 кВ по шкале номинальных напряжений которая утверждена ГОСТом. Пример принципиальной схемы передачи и распределения электроэнергии в электрических сетях показан на рис. Пример принципиальной схемы передачи и распределения электроэнергии в электрических сетях.

Дата добавления: 2015-01-10

Размер файла: 307.62 KB

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

ЭКСПЛУАТАЦИЯ и ремонт ОБОРУДОВАНИЯ (5 курс)

Оптимизация режимов работы электрооборудования

2. Выбор электрооборудования по экономическим критериям.

3. Экономия электроэнергии.

1. Оптимизация системы электроснабжения.

Совокупность электроустановок, которые предназначены для обеспечения электрической энергией различных потребителей, называется системой электроснабжения.

Система электроснабжения это комплекс инженерного оборудования и сооружений, которыми являются распределительные сети, трансформаторные подстанции, электрооборудование (системы наружного освещения, станки, насосы и др.).

Потребителями электрической энергии обычно являются электроприемник (агрегат, аппарат, или механизм, который предназначен для преобразования электрической энергии в другой вид энергии), либо группа электроприемников.

Вырабатываемая электростанциями электрическая энергия поступает к потребителям через систему взаимосвязанных передающих, распределяющих и преобразующих электроустановок. При этом передача электроэнергии происходит по воздушным сетям (линиям электропередачи) с напряжением 35, 110, 150, 220 кВ и до 1150 кВ по шкале номинальных напряжений, которая утверждена ГОСТом. Пример принципиальной схемы передачи и распределения электроэнергии в электрических сетях показан на рис. 1.

Рис. 1. Пример принципиальной схемы передачи и распределения

электроэнергии в электрических сетях

ТП -трансформаторные подстанции; Г1,Г2 -генераторы;

РП -распределительный пункт

Необходимо отметить, что электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами электростанции, обычно имеющими номинальное напряжение 10-15 кВ, далее поступает в трансформаторы, где ее напряжение повышается обычно до 220 кВ. После этого эта электрическая энергия поступает на сборные шины открытой подстанции этой электростанции. Затем, при помощи ЛЭП, обычно напряжением 220 кВ, электрическая энергия поступает на шины 220 кВ понижающей подстанции, которая может быть связана с помощью ЛЭП также и с другими электростанциями.

На понижающей подстанции с помощью трансформаторов напряжение электрической энергии обычно понижается с 220 кВ до 6 или 10 кВ, причем с этим напряжением электрическая энергия поступает к распределительному пункту.

От распределительного пункта электрическая энергия поступает к подстанциям с силовыми трансформаторами, которые понижают напряжение обычно до 380 или 220 В, а далее эта электроэнергия поступает к потребителям.

Полная электрическая мощность, активная электрическая мощность и реактивная электрическая мощность. Полная электрическая мощность представляет собой максимальную мощность электрического тока, которая может быть использована потребителем электроэнергии. Активная электрическая мощность это мощность, отдаваемая при подключении к источнику тока (источнику электроэнергии) нагрузки, имеющей активное (омическое) сопротивление.

Электрическое сопротивление, например, электрической цепи равно отношению напряжения (U), приложенного к этой цепи, к току (I), протекающему по этой цепи. При большом сопротивлении электрической цепи, прилагаемое к ней напряжение будет большим, а ток маленьким, а при малом сопротивлении электрической цепи, прилагаемое к ней напряжение будет маленьким, а ток большим.

Если нагрузка имеет только активное сопротивление (лампы накаливания, нагревательные приборы), то активная мощность будет равна полной мощности. Полная мощность непосредственно связана с активной и реактивной мощностями. Полная электрическая мощность равна:

Коэффициент активной мощности (cоs f) представляет собою отношение активной мощности к полной мощности.

Чем больше индуктивность или емкость включенного в электрическую сеть потребителя, тем большая доля полной мощности приходится на ее реактивную составляющую. С увеличением индуктивности или емкости нагрузки коэффициент активной мощности уменьшается и величина фактически используемой активной мощности снижается.

Приведем пример расчета коэффициента активной мощности (cоs f).

cоs f = Р (активная мощность в Вт) / S (полная мощность в В. А).

Например, cоs f= 16000 Вт/ 20000 В. А = 0,8.

Обычно значение cоs f указано в технических характеристиках конкретного потребителя электрической энергии.

Непроизводительные потери электроэнергии и мероприятия по сокращению этих потерь. Работа системы электроснабжения связана с наличием непроизводительных потерь электроэнергии, причем в ряде случаев эти потери составляют 10-20 %. В связи с постоянным ростом тарифов на электроэнергию целесообразен для потребителей выбор технологий, устройств или оборудования, которые позволят снизить эти потери.

Следует отметить, что поставщику электроэнергии не важно, что часть активной мощности преобразуется у потребителя в реактивную мощность и поэтому процент эффективного использования потребителем электроэнергии этой электроэнергии существенно уменьшается. Реактивная мощность (потери электроэнергии) наряду с активной мощностью учитывается поставщиками электроэнергии и следовательно подлежит оплате по действующим тарифам, причем составляет значительную часть счета за электроэнергию (в ряде случаев эти потери составляют 10-20 %).

При эксплуатации электрооборудования обычно возникают у потребителей существенные потери активной мощности. Это происходит в результате использования потребителями электроэнергии в промышленности и сельском хозяйстве неэффективного по своей конструкции электрического оборудования, причем даже у лучших образцов этого оборудования, а именно электродвигателей насосов, вентиляторов и компрессоров, различных станков, сварочного оборудования и другого оборудования, имеющего высокую индуктивную или емкостную составляющию мощности (индуктивную или емкостную нагрузку) с низким соs f. Кроме того, например, при прямом пуске асинхронного электродвигателя, большой пусковой ток вызывает резкое снижение напряжения в электрической сети, что приводит к увеличению скольжения остальных работающих электродвигателей.

Следует отметить, что имеются и потребители электроэнергии (например, лампы накаливания, нагревательные приборы), которые не имеют потерь активной мощности, а имеют только активную нагрузку с соs f=1.

Примеры соs f у различного электрооборудования.

Асинхронные электродвигатели — соs f=0,8.

Асинхронные электродвигатели при неполной загрузке (частом холостом ходе) — соs f=0,5.

Сварочные трансформаторы — соs f=0,4.

Мероприятия по сокращению непроизводительных потерь электроэнергии необходимы следующие:

1. Выявление мест наибольшего значения потерь электроэнергии у потребителей.
2. Анализ причин повышенных потерь электроэнергии в этих местах.
3. Определение путей уменьшения этих потерь.
4. Выполнение необходимых мероприятий для сокращения непроизводительных потерь электроэнергии.

Компенсация реактивной мощности. Необходима компенсация, причем выполняемая самими заинтересованными в этом потребителями, реактивной мощности ими у себя, что гарантированно позволит им повысить процент использования активной мощности, а значит снижать свои потери и соответственно снижать потребление энергоносителей.

Для улучшения качества работы электрической сети применяются, как нерегулируемые устройства компенсации реактивной мощности, так и регулируемые устройства компенсации реактивной мощности, причем у каждого устройства (УКРМ) имеются свои сферы применения.

Нерегулируемые устройства компенсации реактивной мощности.

К нерегулируемым устройствам компенсации реактивной мощности относятся следующие устройства:

— БСК (батареи статических конденсаторов);

— ФКУ (фильтрокомпенсирующие устройства);

— УПК (устройства продольной компенсации).

Регулируемые устройства компенсации реактивной мощности.

К регулируемым устройствам компенсации реактивной мощности относятся следующие устройства:

— УБСК (УФКУ) – управляемые батареи статических конденсаторов или управляемые фильтрокомпенсирующие устройства;

— ТУР (тиристорные управляемые регуляторы);

— СТК (статические тиристорные компенсаторы);

— активные фильтры (статические компенсаторы реактивной мощности с возможностью фильтрации высших гармонических составляющих тока.

Необходимо отметить, что основным нормативным показателем поддержания в электросети, причем как в целом в электросети, так и в ее отдельных узлах нагрузки, баланса активной мощности, является частота переменного тока и уровень напряжения, симметрия фаз. Поэтому необходимо применение дополнительного источника (устройства компенсации реактивной мощности), который будет осуществлять периодические накопления электроэнергии с последующим возвратом ее в сеть.

БСК (батареи статических конденсаторов). Следует отметить, что их применение приводит к появлению в электрической сети высших гармонических составляющих (ВГС), в результате чего могут возникать резонансные явления на одной из частот ВГС, что сокращает срок службы батареи статических конденсаторов. Поэтому их применение в электрических сетях, где имеются электрические приемники с нелинейными характеристиками неэффективно. Их целесообразно применять для индивидуальной компенсации реактивной мощности электроприемников, которые значительно удалены от электропитания. Подключаются параллельно нагрузке.

Реакторы. Эти устройства обычно применяются для компенсации емкостной (зарядовой) реактивной мощности в высоковольтной линии при передаче электроэнергии на большие расстояния и представляют интерес только для МРСК и. т. д.

ФКУ (фильтрокомпенсирующие устройства). Эти устройства представляют собой усовершенствованные БСК (батареи статических конденсаторов), благодаря дополнительному включению в схему реактора, который включен последовательно батарее статических конденсаторов. При этом реактор выполняет функцию настройки колебательного контура «БСК – реактор – внешняя сеть» на заданную частоту и функцию ограничения токов включения. Эти функции позволяет использовать ФКУ в электрических сетях с высоким содержанием ВГС (высших гармонических составляющих), причем осуществлять фильтрацию ВГС в электросети. Подключаются параллельно нагрузке.

УПК (устройства продольной компенсации). Эти устройства отличаются схемой установки, а именно тем, что конденсаторные батареи подключаются последовательно нагрузке, а не параллельно, как во всех остальных устройствах. Эти устройства используются в основном на ЛЭП, причем использование их экономически эффективно только на вновь сооружаемых объектах. Подключаются последовательно нагрузке.

УБСК (УФКУ) – управляемые батареи статических конденсаторов или управляемые фильтрокомпенсирующие устройства имеющие несколько ступеней регулирования. Эти устройства перспективны для использования в паре с автономными генерирующими установками (ДГУ и т. д.). Необходимо отметить, что их отличие состоит в том, что управляемые конденсаторные установки более эффективны при наличии переменной нагрузки. Если нагрузка, например, изменяется в течение суток, то оптимальный режим может поддерживаться с помощью этих устройств. Подключаются параллельно нагрузке.

ТУР (тиристорные управляемые регуляторы) и СТК (статические тиристорные компенсаторы). Эти устройства обычно используются там, где имеются жесткие требования к стабильности напряжения и его качеству, например, на городских и тяговых подстанциях. При этом тиристорные управляемые регуляторы генерируют индуктивную составляющую, а статические тиристорные компенсаторы индуктивную и емкостную составляющие. Недостатком этих устройств является их высокая стоимость. Подключаются параллельно нагрузке.

Активные фильтры (статические компенсаторы реактивной мощности с возможностью фильтрации высших гармонических составляющих тока). Они обладают свойствами такими же, как и у всех ранее описанных устройств. Эти устройства перспективны для использования. Подключаются параллельно нагрузке.

Технические средства компенсации реактивной мощности у электрооборудования потребителей обычно включают в себя соответствующее электрооборудование, в том числе позволяющее и снизить несимметрию фаз. В качестве основных способов коммутации в устройствах компенсации реактивной мощности обычно применяются устройства управляемые реле (управляемые конденсаторные установки) и управляемые тиристорами (управляемые конденсаторные установки).

Применение тиристорного управления обеспечивает высокое быстродействие работы КУ, отсутствие бросков тока в момент коммутации, и уменьшает старение конденсаторов.

Коммутация конденсаторов в управляемых конденсаторных установках обычно происходит в момент нулевого напряжения.

Пример дефектов трехфазного напряжения, связанных с высокой реактивной мощностью у электрооборудования потребителя электроэнергии показан на рис. 2.

Рис. 2. Пример дефектов трехфазного напряжения, связанных с высокой реактивной мощностью у электрооборудования потребителя электроэнергии

Необходимо отметить, что при выборе мест установки конденсаторных установок необходимо стремиться к подключению их под общий коммутационный аппарат с электроприемником потребителя электрической энергии, чтобы избежать дополнительных затрат на дополнительный аппарат.

В конденсаторных установках необходимо наличие фильтров высших гармоник (снижающих помехи и защищающих конденсаторы).

Реактивная мощность, которая может быть скомпенсирована, соответствует той мощности, которая указана в паспорте установки, а также должен быть указан шаг компенсации (минимальная величина приращения, на которую изменяется емкость включенных конденсаторов).

Следует отметить, что конденсаторные установки необходимо ставить при эксплуатации на обслуживание, например, силами местных электриков предприятия (это электрооборудование обычно находится в их зоне ответственности), что несколько снизит их экономическую эффективность.

Необходимо также отметить, что конкретные технические решения по внедрению конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности можно разрабатывать и реализовывать исходя из анализа конкретных технических заданий.

Частотно-регулируемый электропривод. Как уже отмечалось, значительной эффективности при организации энергоснабжения на современном инновационном уровне можно достичь при использовании энергосберегающего регулируемого электропривода с преобразователями частоты. При этом на асинхронных низковольтных либо синхронных высоковольтных двигателях расход энергии сокращается до 50 %. Возможно регулирование скорости двигателя как в диапазоне от близкой к нулю до номинальной, так и выше номинальной. Увеличивается срок службы двигателя и приводного механизма, достигается мягкий, программируемый пуск двигателя. Улучшается технологический процесс и качество продукции, появляется возможность автоматизации и управления от АСУ ТП, сокращаются трудозатраты при эксплуатации привода и др.

К областям применения подобных приводов относятся:

насосы (от подкачек до магистральных);

компрессоры, воздуходувки, вентиляторы систем охлаждения, тягодутьевые вентиляторы котлов;

рольганги, конвейеры, транспортеры и другие транспортировочные устройства;

дробильное оборудование, мешалки, экструдеры;

центрифуги различных типов;

линии производства металлического листа, пленки, картона, бумаги и др.;

буровое оборудование (от насосного до спускоподъемного); устройства откачки нефти из скважин (станки-качалки, погружные насосы и др.);

краны (от тельферов до мостовых);

металлообрабатывающие станки, пилы, прессы и другое технологическое оборудование.

В качестве примера приведем использование преобразователя частоты на приводе водозаборной станции. В этом случае до 50 % сокращается расход электроэнергии за счет автоматического поддержания необходимого давления воды при изменении объема потребления, в 2 — 3 раза увеличивается срок службы двигателя, приводного механизма и электрокоммутационных устройств благодаря исключению пусковых перегрузок по току, гидравлических ударов при пуске электродвигателя. Увеличивается срок службы трубопроводов, сокращается расход воды из-за уменьшения потерь при избыточном давлении, сокращаются трудозатраты при эксплуатации в связи с увеличением межремонтных периодов электропривода.

Повышение эффективности и надежности энергоснабжения при использовании тиристорных преобразователей частоты для синхронных высоковольтных электродвигателей объясняется следующими причинами:

один преобразователь может быть использован для поочередного или группового пуска нескольких электроприводных агрегатов с синхронными двигателями;

пуск двигателя осуществляется плавно с токами меньше номинального значения, что не приводит к перегреву поверхности ротора, ударным механическим воздействиям на обмотки статора. Вследствие этого обеспечивается значительное увеличение ресурса двигателя;

отсутствие ограничений по числу частотных пусков электроприводного агрегата с синхронным двигателем от тиристорного преобразователя частоты. Экспериментально подтверждена возможность 15 пусков в течение одного часа серийных двигателей и более 2 000 пусков в течение одного года без какого-либо ремонта ротора или статора;

остановка электроприводного агрегата за счет рекуперативного электрического торможения обеспечивает возврат электроэнергии в питающую сеть;

реализация режима стационарной точной синхронизации электроприводного агрегата с питающей сетью гарантирует надежное переключение двигателя в сеть без бросков тока и механических ударов;

снижение требований к высоковольтной линии, питающей предприятие, поскольку при пуске очередного электроприводного агрегата не происходит посадки напряжения в линии (пусковой ток в 5 —10 раз меньше по сравнению с реакторным);

мощность тиристорного преобразователя частоты, используемого для пуска разгруженного двигателя, составляет 20. 30 % номинальной мощности электроприводного агрегата, что предопределяет высокие технико-экономические показатели.

Эффективность использования тиристорных преобразователей частоты в составе частотно-регулируемого электропривода с синхронными двигателями определяется не только перечисленными выше факторами, но и значительной экономией электроэнергии и расширением технологических возможностей, особенно в тех случаях, когда требуется большой диапазон регулирования частоты вращения электроприводного агрегата.

Целесообразен для потребителей выбор этих устройств, которые позволят снизить потери электроэнергии, которые в ряде случаев составляют до 20 %.

2. Выбор электрооборудования по экономическим критериям

Одним из способов повышения надежности работы электрооборудования является его правильный выбор. При выборе электрооборудования электроприводов необходимо учитывать: мощность необходимую для привода рабочей машины; исполнение электродвигателя; модификацию электродвигателя; устройство защиты электродвигателя.

В связи с массовостью применения электроприводов даже незначительные погрешности выбора, в конечном счете, приводят к огромному суммарному ущербу.

В настоящее время предлагаемые методики выбора электрооборудования предписывают строго рассчитывать их энергетические параметры. При этом особенности рабочих машин и условий эксплуатации учитываются приближенно. Это было оправдано на первом этапе развития электрификации, но сейчас, при возросших требованиях к электроприводу, требуется учитывать большое число факторов и связей.

Предлагаемая методика оптимального комплектования электроприводов может быть использована для выбора не регулируемых по частоте вращения асинхронных электродвигателей серии «4А» и аппаратуры управления ими. Кроме этого электродвигатели не должны иметь особых требований к пуску и торможению. Эта методика не заменяет рекомендации по выбору электрооборудования, предложенные в книгах:

— Мартыненко И. Н. Тищенко Л. Н. Курсовое и дипломное проектирование по комплексной электрификации и автоматизации.-М.:Колос, 1978.

— Проектирование комплексной электрификации/Под ред. Л. Г.Прищеп.-М:Колос 1983.

— Система ППРЭсх.-М.:Агропромиздат, 1987.

А дополняет их за счет учета более широкого круга факторов.

17.2. Методика оптимального комплектования электроприводов

Методика оптимального комплектования электроприводов состоит из следующих этапов: подготовка исходных данных; выбор мощности электродвигателя; выбор частоты вращения электродвигателя; выбор модификации электродвигателя по пусковому моменту и скольжению; проверка устойчивости пуска и перегрузочной способности; выбор устройства защиты; выбор передаточного устройства.

Рассмотрим более подробно все эти этапы.

17.2.1. Подготовка исходных данных

Для оптимизации электропривода нам необходимо собрать следующие сведения: условия использования; дестабилизирующие воздействия; условия электроснабжения; уровень технической эксплуатации;

Условия использования включают в себя: назначение; эквивалентную мощность рабочей машины, кВт; частоту вращения вала рабочей машины, n, об/мин; пусковой, номинальный и максимальный моменты, Нм; занятость в течение суток, tс, час; занятость в течение года, m, месяц; номинально допустимый простой при отказе электропривода, tд, час.; технологический ущерб, выраженный в долях от стоимости капитального ремонта электродвигателя, v, о. е.;

Дестабилизирующие воздействия включают в себя: условия эксплуатации (по классификации ВИЭСХ — легкие, нормальные, тяжелые); климатические условия; интенсивность отказов, l, год-1; структуру аварийных ситуаций, a1, о. е.; увлажнение и агрессивное воздействие среды, aу; неполнофазный режим, aн; перегрузку, aп; затормаживание ротора, aт; прочие ситуации, aпр.

Условия электроснабжения должны включать в себя следующие данные: мощность трансформатора трансформаторной подстанции, Sтр, кВА; длину и марку проводов линии низкого напряжения, L[км], q [мм2]; напряжение на зажимах электродвигателей, U, В.

Данные о уровне технической эксплуатации должны содержать следующие сведения: периодичность и затраты на обслуживание; затраты на капитальный ремонт; время восстановления работоспособности электропривода после отказа, tв, час.

Лучше всего подготовку данных представить в виде таблицы (см. таблицу 17.1).

17.2.2. Выбор мощности электродвигателя

Для этого необходимо определить коэффициент нагрузки электродвигателя «b’». Его определяют, учитывая занятость «m» и технологический ущерб «v» по номограммам, приведенным на рисунке 17.1. (см. рис.20.а. Ерошенко Г. П. Курсовое и дипломное проектирование по эксплуатации электрооборудования /1/).

Примечание: в лекциях приведены качественные номограммы. Для расчетов необходимо пользоваться номограммами приведенными в / 1 /.

Определив коэффициент нагрузки «b» по формуле определяют расчетную мощность: Рр=Р/b. и по таблице 17.2 с учетом условий эксплуатации выбирают такой электродвигатель, интервал оптимальных нагрузок которого включает расчетную мощность Рр. Если из-за малых значений tc и v окажется, что Р < Рн, то допустимую перегрузку следует проверить по фактической температуре окружающей среды.

Рисунок 17.1 — Номограмма для определения коэффициента нагрузки электродвигателя

Таблица 17.2 — Оптимальные интервалы нагрузок электродвигателей серии 4А

Номинальная мощность, кВт

Интервал нагрузок в зависимости от условий эксплуатации, кВт

17.2.3. Выбор электродвигателя по условиям окружающей среды

Нам необходимо определить допустимую относительную стоимость К’д электродвигателя специального исполнения (сельскохозяйственного, химостойкого и т. п.) Ее определяют по номограмме приведенной на рисунке 17.2.

Для этого необходимо знать интенсивность отказов «l», долю отказов из-за увлажнения “aу», технологический ущерб «v». Далее необходимо найти прейскурантную стоимость «Кс» электродвигателя специализированного исполнения и вычислить фактическую относительную стоимость:

где Ко — стоимость электродвигателя основного исполнения IP44 такой же мощности.

Если фактическая относительная стоимость меньше допустимой, т. е. если Кдф < К’д, то целесообразно выбрать электродвигатель специализированного исполнения. В противном случае следует остановиться на электродвигателе основного исполнения, так как удорожание из-за применения электродвигателя специализированного исполнения не компенсируется достигаемым снижением затрат на его капитальный ремонт за нормативный срок службы.

Рисунок 17.2 — Номограмма для определения допустимой относительной стоимости электродвигателя специального исполнения

17.2.4. Выбор устройства защиты

Нам необходимо определить целесообразность использования того или иного вида защиты электрооборудования. Для этого необходимо определить допустимую относительную стоимость устройства защиты «Кз*». Ее определяют по рисунку 17.3 (или см. рис.20.в./1/). При чем необходимо учесть интенсивность отказов «l», технологический ущерб «v» и ожидаемую добротность защиты Рз, т. е. долю устраняемых отказов. Эти данные можно выбрать из таблицы 17.3. (или см. таблицу 4.7./1/).

Рисунок 17.3 — Номограмма для определения допустимой относительной стоимости устройства защиты

Таблица 17.3 — Характеристика сельскохозяйственных машин по возможным технологическим ущербам и аварийным ситуациям

Примечание: В числителе — для животноводства, в знаменателе — для растениеводства; для поточных линий технологический ущерб 1,5. 2,5 раза больше чем указанный в таблице.

После этого находят по прейскуранту стоимость «Кз» принимаемой защиты и ее фактическое значение:

где Кд — стоимость выбранного электродвигателя.

Если фактическая стоимость защиты меньше ее допустимой стоимости, то устройство проходит по технико-экономическому критерию т. е.

В противном случае целесообразно выбрать другое, менее дорогое устройство защиты. Так, например, УВТЗ в целом не эффективны в электроприводах мощностью менее 4 кВт, при технологическом ущербе v<2 и интенсивности аварийных ситуаций l<0,1, хотя они уменьшают число отказов почти в два раза.

17.3. Пример рационального выбора электрооборудования

Нам необходимо проверить комплектование электропривода вакуумного насоса (РВН-40/350) доильной установки.

Условия использования: Р=2,3кВт; n=1450 об/мин.

Занятость в течение суток: tс=8час.

Занятость в течение года: m=6 мес.

Допустимый простой: tд=1 час.

Технологический ущерб в долях от стоимости капитального ремонта электродвигателя: v=5 о. е.(определяется по табл.2.)

Дестабилизирующие воздействия (в сумме все дестабилизирующие воздействия равны 1):

— условия эксплуатации — нормальные;

— интенсивность отказов — l=0,3, см. табл.2.;

— увлажнение и агрессивное воздействие среды — aу=0,1, см. табл.2.;

— неполнофазный режим — aн=0,15, см. табл.2.;

— затормаживание ротора — aт=0,5, см. табл.2.;

— прочие ситуации — aпр=0,15, см. табл.2.;

— перегрузка — aп=0,1, см. табл.2.;

Условия электроснабжения: Sтр=160 кВА; L=0,25 км; q=35мм2;

Техническая эксплуатация — по системе ППР и ТО.

Время восстановления работоспособности — tв=6 час.

Выбор мощности электродвигателя. Зная значения tс, m и v по рис.1. находим коэффициент нагрузки электродвигателя «b», b=0,618. Тогда расчетная мощность: Рр=Р/b=2,3/0,618=3,72 кВт.

По табл.2. для нормальных условий эксплуатации выбираем мощность электродвигателя, она находится в диапазоне 3,71. 5,20 кВт. Этому интервалу соответствует электродвигатель мощностью 5,5 кВт.

Выбор частоты вращения электродвигателя. Так как частота вращения вала рабочей машины равна 1450 об/мин, то принимаем электродвигатель с частотой вращения поля статора 1500 об/мин.

Выбор модификации электродвигателя по пусковому моменту и скольжению. При выборе модификации электродвигателя по пусковому моменту и скольжению необходимо учитывать условия пуска электродвигателя и рабочей машины.

Проверка устойчивости пуска и перегрузочной способности. Так как мощность трансформатора больше мощности электродвигателя более чем в три раза и длина линии менее 300 м, то проверку на устойчивость при пуске производить не требуется. Почему мы сделали такой вывод, рассмотрим более подробно в следующей лекции, а сейчас ограничимся этим допущением.

Выбор электродвигателя по условиям окружающей среды. По рис.2. находим допустимую относительную стоимость электродвигателя специализированного исполнения (зная l, aу и v), она равна 1,18. Зная ее мы можем определить фактическую относительную стоимость:

где Кс=77 у. е. стоимость электродвигателя 4А112М4У3сх;

Ко=70 у. е. стоимость электродвигателя 4А112М4У3.

В нашем случае Кдф*<Кд*, значит мы должны выбрать электродвигатель 4А112М4У3сх.

Выбор устройства защиты. По рис.3. находим допустимую относительную стоимость устройства защиты «Кз*», учитывая, что Рз=aн+aп+aпр и учитывая еще l и v. В нашем случае Кз*=1,1. Учитывая большой технологический ущерб (v=5), принимаем защиту УВТЗ и определяем Кзф*. Так как УВТЗ стоит 48у. е. а электродвигатель стоит 77у. е. тогда Кзф*=Кз/Кд=48/77=0,6. Так как Кзф*<Кз* (0,6<1,1) окончательно выбираем УВТЗ.

Выбор передаточного устройства. Так как большая доля аварийных ситуаций приходится на заклинивание (aт=0,5) насоса, то целесообразно предусмотреть соединение электродвигателя с рабочей машиной через предохранительную муфту или клиноременную передачу.

3. Экономия электроэнергии

Основные принципы экономии электроэнергии. Вопросы экономии электроэнергии приобретают в настоящее время особое значение. Следует отметить, что экономия электроэнергии не есть простое ограничение полезного ее потребления.

Экономия электроэнергии должна состоять:

— из уменьшения потерь электроэнергии;

— из снижения энергоемкости продукции.

Во всех случаях мероприятия по экономии электроэнергии необходимо рассматривать с народнохозяйственных позиций. Другими словами, следует внедрять только те мероприятия, которые окупятся не более чем за нормативный срок окупаемости, равный 6,6 года. Это означает, что дополнительные затраты на экономию электроэнергии оправданы, если экономия электроэнергии составляет не менее 100 кВт´ч в год в течение нормативного срока окупаемости.

Успешная работа по экономии электроэнергии связана с разработкой плана организационно-технических мероприятий.

Составление плана организационно-технических мероприятий.

Нам необходимо определиться в том, что относят к организационно-техническим мероприятиям:

К организационно-техническим мероприятиям условно относят те мероприятия, на осуществление которых не требуется сверхнормативных капитальных вложений или эксплуатационных издержек.

На следующем этапе определим цель составления этого плана.

Цель — выявление очагов потерь или нерационального использования электроэнергии и разработка конкретных эффективных способов наибольшей экономии электроэнергии.

Очаги потерь или нерационального использования электроэнергии выявляют путем анализа состояния эксплуатации электрооборудования и потребления электроэнергии. К известным способам экономии электроэнергии можно отнести: поддержание электрооборудования в исправном состоянии; выбор и поддержание оптимальных режимов работы оборудования; автоматизация технологических процессов; внедрение новой энергосберегающей техники и технологии.

Выявление очагов потерь или мест нерационального использования электроэнергии.

Одной из главных задач руководителя электротехнической службы хозяйства является рациональное использование электрической энергии, ее экономия при выполнении тех или иных технологических процессов. В это понятие входит и снижение потерь электрической энергии.

Выявить очаги потерь электроэнергии бывает довольно сложно. Однако существуют методы, упрощающие этот процесс. Среди них можно выделить: функционально-стоимостной анализ (ФСА); метод контрольных вопросов (МКВ).

Следует отметить, что правильно провести ФСА довольно сложно не подготовленному специалисту. Для его выполнения следует обращаться к специалистам — инженерам ФСА. Однако таких специалистов (к сожалению) в сельскохозяйственном производстве нет, их просто не готовили и не готовят. И другой аргумент, этот метод предпочтительнее применять для решения сложных, глобальных проблем. Поэтому более предпочтительным в таком случае будет использование метода контрольных вопросов (МКВ). Контрольные вопросы (КВ) могут изменяться пользователем и применяться в удобной для него форме.

Предлагаемый вашему вниманию КВ составлены из списков контрольных вопросов Эйлоарта, А. Ф. Осборна, ФСА и ТРИЗ (теории решения изобретательских задач). Данный вопросник состоит из четырех блоков вопросов. Первый блок вопросов направлен на выявление главной функции, которую выполняет электроэнергия в технологическом процессе и функций, обеспечивающих ее, учету возникающих нежелательных эффектов и традиционных средств их устранения. Часть вопросов ориентирована на формулировку идеального конечного результата (ИКР) и уходу от традиционных основ функционирования системы, использующей электрическую энергию. Второй блок позволяет анализировать взаимодействие электрической энергии с внешней средой, управляющей системой и на выявление ограничений и возможности свертывания. Третий блок направлен на анализ подсистем и их взаимосвязей. Четвертый блок направлен на анализ возможных неисправностей и уточнение ИКР.

При работе с предлагаемым вопросником необходимо ответы излагать в простой, доступной форме, без специальных терминов. Это вроде бы простое требование, однако, выполнить его очень сложно. А теперь рассмотрим этот вопросник.

1. Какова главная функция электроэнергии в данном технологическом процессе?

2. Что надо делать, чтобы выполнялась главная функция?

3. Какие проблемы возникают при этом?

4. Как обычно с ними можно бороться?

5. Какие и сколько функций выполняется с помощью электроэнергии в этом технологическом процессе, какие из них полезные, а какие вредные?

6. Нельзя ли часть функций выполняемых с помощью электроэнергии в этом технологическом процессе сократить?

7. Нельзя ли часть функций выполняемых с помощью электроэнергии в этом технологическом процессе увеличить?

8. Нельзя ли часть вредных функций выполняемых с помощью электроэнергии в этом технологическом процессе перевести в полезные и наоборот?

9. Что представляло бы собой идеальное выполнение главной функции?

10. Как иначе можно выполнить основную функцию?

11. Нельзя ли упростить технологический процесс, добиваясь не 100% полезного эффекта, а чуть меньше или больше?

12. Перечислите основные недостатки традиционных решений.

13. Постройте, если можно, механическую, электрическую, гидравлическую или иную модель функционирования или распределения потоков в технологическом процессе.

14. Что произойдет если убрать электроэнергию из технологического процесса и заменить ее другим видом энергии?

15. Что произойдет если заменить электроэнергию в технологическом процессе другим видом энергии?

16. Измените технологический процесс с точки зрения:

— скорости работы (быстрее или медленнее в 10, 100, 1000 раз);

— времени (средний цикл работы уменьшите до нуля, увеличьте до бесконечности);

— размеров (производительность технологического процесса очень большая или очень маленькая);

— стоимость единицы продукции или услуги (большая или маленькая).

17. Определите общепринятые ограничения и причины их возникновения.

18. В какой отрасли техники или другой деятельности наилучшим образом выполняется данная или похожая главная функция и нельзя ли позаимствовать одно из этих решений?

19. Можно ли упростить форму, усовершенствовать прочие элементы технологического процесса?

20. Можно ли заменить специальные “блоки” стандартными?

21. Какие дополнительные функции может выполнять электрическая энергия в технологическом процессе?

22. Можно ли изменить основу выполнения технологического процесса?

23. Можно ли уменьшить отходы или использовать их?

24. Сформулируйте задачу на конкурс “Преврати нерациональные расходы электроэнергии в доходы”.

25. Можно ли разделить технологический процесс на части?

26. Можно ли объединить несколько технологических процессов?

27. Можно ли “мягкие” связи сделать “жесткими” и наоборот?

28. Можно ли “неподвижные” блоки сделать ”подвижными” и наоборот?

29. Можно ли использовать работу оборудования на холостом ходу?

30. Можно ли перейти от периодического действия к непрерывному или наоборот?

31. Можно ли поменять последовательность операций в технологическом процессе если нет то почему?

32. Можно ли ввести или исключить предварительные операции?

33. Где в технологическом процессе заложены излишние запасы, нельзя ли их сократить?

34. Нельзя ли использовать более дешевые источники энергии?

35. Определите и опишите альтернативные технологические процессы.

36. Какой из элементов технологического процесса наиболее энергоемкий, нельзя ли его отделить, снизить в нем потребление электроэнергии?

37. Какие факторы в процессе выполнения технологического процесса наиболее вредны?

38. Нельзя ли использовать их с пользой для дела?

39. Какое оборудование в технологическом процессе изнашивается в первую очередь?

40. Какие ошибки наиболее часто совершает обслуживающий персонал?

41. По каким причинам чаще всего нарушается технологический процесс?

42. Какая неисправность наиболее опасна для вашего технологического процесса?

43. Как предотвратить эту неисправность?

44. Какой технологический процесс, для получения продукции, вам наиболее подходит и почему?

45. Какую информацию о ходе технологического процесса вы бы тщательно скрывали от конкурентов?

46. Узнайте мнение о потреблении электроэнергии, данным технологическим процессом, совершенно не осведомленных людей.

47. В каком случае потребление электроэнергии в технологическом процессе отвечает идеальным нормам?

48. Какие вопросы еще не заданы? Задайте их сами и ответьте на них.

Представленный вопросник не является окончательным, его можно корректировать и дополнять. После небольшой корректировки его можно использовать для выявления очагов потерь любых видов энергии.