Глава 18. Энергосбережение на промышленных предприятиях

Другие энерго-

7 Природ, газ Рис. 18.6. Структура

Кокс, уголь 18 % годового потребле-

->g % ния по видам энерго-

ресурсов

Помимо общего баланса и структуры энергозатрат, которые характеризуют энергоемкость отдельных производств и цехов, для правильного анализа, пла­нирования и прогнозирования, определения путей энергосбережения важно знать и динамику энергопотребления по основным подразделениям предпри­ятия.

18.4. Комплексный подход к сокращению электропотребления

В настоящее время тарифы для промышленных предприятий 750 кВА и выше формируются дифференцированно по группам напряжения. Тариф для потребителей высокого напряжения несколько ниже, чем для потребителей других групп. Например, по Тверской области в феврале 2003 г. тариф соста­вил по высокому напряжению 189 руб./кВт, за энергию 46 коп./кВтч; по сред­нему 415 руб./кВт и 65 коп./кВтч; по низкому 608 руб./кВт и 74 коп./кВтч. По-прежнему промышленные предприятия несут часть тарифной нагрузки населения и других льготных групп потребителей. Это так называемое пере­крестное субсидирование, отсутствующее применительно к населению за ру­бежом: бытовые потребители платят больше (рис. 18.7). Поэтому задача со­кращения электропотребления для промышленного предприятия является сегодня первоочередной.

Для решения проблемы электросбережения возможно выделить два основ­ных направления: 1) снижение себестоимости потребленной электроэнергии; 2) сокращение электропотребления. Первое связано с совершенствованием тарифов на электроэнергию, широким использованием собственных электро­станций, в т. ч. и малой энергетики, регулированием графиков электрических нагрузок предприятия. Второе направление определяется: разработкой научно обоснованных прогрессивных норм расхода электроэнергии и прогнозных мо­делей, учитывающих основные факторы, влияющие на электропотребление;

18.4. Комплексный подход к сокращению электропотребления

553

«

о

о, о х т о

1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

0,02

1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

«

о

0,02

п

1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Годы

Рис. 18.7. Перекрестное субсидирование за рубежом:

1 — данные для промышленности; 2 — бытовые потребители

использованием оперативного контроля электропотребления; применением современных электротехнологий; модернизацией электрооборудования с ис­пользованием современных средств управления.

Обоснование тарифов остается важным вопросом, от решения которого за­висит конкурентоспособность продукции. Пока потребители оплачивают эле­ктроэнергию по одноставочному (в том числе дифференцированному) или

554 Глава 18. Энергосбережение на промышленных предприятиях

двухставочному тарифам. Для промышленных потребителей с присоединен­ной мощностью свыше 750 кВА применяются двухставочные тарифы — пла­та за 1 кВт заявленного максимума нагрузки и за 1 кВтч потребляемой элек­троэнергии, т. е. за расчетный период плата определяется по уравнению

С = ^С, + W_mmC₂, (18.7)

где Р₃ — величина заявляемой мощности за расчетный период (месяц), кВт; С, — стоимость 1 кВт заявленной мощности, руб./кВт; W_nom — потребленная электроэнергия за расчетный период, кВтч; С₂ — тариф потребляемой элект­роэнергии, руб./кВтч.

Более гибкими считаются дифференцированные по зонам времени тарифы на электроэнергию. Для потребителей, рассчитывающихся по одноставочно-му тарифу, применяется дифференцированный тариф по двум зонам суток (дневной и ночной). Для промышленных потребителей используются диффе­ренцированные по трем зонам суток (пиковый, полупиковый и ночной) та­рифные ставки на электроэнергию. В этом случае плата за электроэнергию определяется по формуле

^с = ^wn^c„ + ^wS-_m + КС_Н, (18.8)

где W_n и W_m — пиковое и полупиковое потребление электроэнергии в рабочие дни расчетного периода, кВтч; С„, С_т, С_н — тарифы пикового, полупикового и ночного потребления электроэнергии за расчетный период, руб.ДкВтч); \У_Н — ночное электропотребление в рабочие дни расчетного периода с учетом расхода электроэнергии в субботние, выходные и праздничные дни.

Сокращение электропотребления из энергосистемы достигается: оптимиза­цией режимов электропотребления, снижением максимумов активной и реак­тивной мощности предприятия, внедрением мероприятий по выравниванию графиков нагрузки. В связи с неравномерным характером графика нагрузок появляется необходимость регулирования электропотребления в часы макси­мума нагрузок энергосистемы путем изменения режима работы потребителей для снижения максимальной получасовой мощности предприятия. На рис. 18.8 приведены регулируемый график в часы (9—11 и 20—23 часа) про­хождения максимума нагрузки в энергосистеме одного предприятия 1 и пол­ностью регулируемый график 2 нагрузки другого (полезно оценить регулиро­вочные возможности и возможное снижение платы за электроэнергию).

Поскольку возможности регулирования у каждого цеха (агрегата) различ­ны, все потребители-регуляторы условно можно разделить на следующие группы:

1) технологический процесс одинаков для каждого цикла (смены), но из­менением времени начало—конец цикла можно максимальной нагрузкой уй­ти с часов прохождения максимума на время, где допустима вдвое большая

18.4. Комплексный подход к сокращению электропотребления 555

180000 160000

н 140000 -I

«

120000 -

£ 100000

э

о

^S 80000 -I

60000 -40000 -

п 1 —i 1 1 т

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Время

Рис. 18.8. Суточный график потребленной электрической мощности

2. технология непрерывна и несдвигаема, но продукция различна по элек­троемкости, а сам процесс регулируем по интенсивности;

3. технология допускает прерывание (остановку) такую, что экономия оп­латы за электроэнергию перекрывает существенно некоторые неудобства;

4. цеха свободны от технологических ограничений на снижение нагрузки.

Принципиально к решению задачи управления нагрузкой комбината на ко­роткое время могут быть привлечены агрегаты насосных и компрессорных станций, паросилового цеха. Наибольшее предпочтение в металлургии, напри­мер, отдано прокатным цехам и ДСП с их высокой концентрацией нагрузок, значительными регулирующими возможностями по мощности, высокой квали­фикацией и дисциплиной технологического и электротехнического персонала.

Рассмотрим теоретическую сторону регулирования. Полезна оценка значе­ния Р_3(тах) при регулировании на всех уровнях системы электроснабжения. Электропотребление А определяется значением энергии W, затрачиваемой на полезную работу и потери при передачи от /-го элемента к (Ж)-му мгновен­ной мощности потока энергии Р_И+1 на некотором интервале времени х:

_{w,% = 'i k/-(')k}

(18.9)

Снижение электропотребления предполагает анализ P_ii+l(t) для каждого электроприемника 1УР и анализ потерь в каждом из элементов на каждом из уровней системы электроснабжения (особенно в трансформаторах и линиях). Полагая неизменной полезную энергию, определяемую технологией, и поте­ри, можно говорить о регулировании электропотребления как планируемом изменении (задаваемом в режиме реального времени) значений А и Р_тах, цель которого — снижение заявленного максимума.

556 Глава 18. Энергосбережение на промышленных предприятиях

С точки зрения субъектов электроэнергетики снижение ^(пих) означает выравнивание у них графика нагрузки, что в результате может привести к от­казу от строительства части генерирующих мощностей. Фактически экономия инвестиций составляет 400-1000 дол./кВт. Для потребителей регулирование означало уменьшение оплаты от 50 до 500 руб./кВт.

Число часов использования среднегодовой установленной мощности элек­тростанций страны составляет 5100-5200, изменяясь незначительно с середи­ны 50-х годов. Это ниже, чем число часов использования максимума для промышленных предприятий, работающих в три смены (для крупных метал­лургических предприятий 6900-^7000 ч), и означает, что промышленность в целом уже сейчас обеспечивает улучшение работы энергосистем, особенно ба­зовой ее части — крупных агрегатов ТЭС и АЭС.

Будем считать, что годовое А_Г = P_maxT_max [см. (3.12)] и суточное А_с = 24Р_с [см. (3.11)] электропотребление не зависят от регулирования, т. е. энергия для функционирования предприятия W = const. Происходит перераспределение потребляемой энергии в течении суток. Обратимся к суточному графику на­грузки предприятия (рис. 18.9, а) и выделим: ночную зону; утренний Р_тт и вечерний Р_тахв максимумы, совпадающие с временем прохождения максиму­ма в энергосистеме Р_с < Р_тту < Р_тахъ = Р_тлхв; дневную зону, равную средней нагрузке Р_с.

Пусть на предприятии имеется возможность отключать энергоемкие агре­гаты в часы прохождения максимума, но включать их в дневные и ночные ча­сы так, чтобы при выполнении производственной программы суточное элек­тропотребление не менялось. Для тех же зон график изменяется (рис. 18.9, б): А_с = const (площадь под графиком), Р_с > P_maxy = P_{max B}. Снижение заявленно­го максимума (и оплаты) возможно, если такое регулирование будет осуще­ствляться на протяжении года (квартала). Переходя к условному годовому гра­фику, имеем А_г= 8760Р_С = P_maJ_max = const.

Если P_max снижается и становится меньше средней {Р'_тах ** ^с)> ^{то П}Р^{И по}~ стоянном электропотреблении растет Т_тах, которое становится больше числа часов в году, Т'_тах > 8760. Известны предприятия, в отношении которых осу­ществлялось систематическое принудительное регулирование Р_тах, например отключение на 1—2 ч ферросплавных печей. Максимальное зарегистрирован­ное число часов использования максимума составило для одного из заводов ферросплавной подотрасли Т_тах = 14961 ч при Р_тахз = 108 МВт. На рис. 18.9, в графически показан результат принудительного регулирования с доведением ^Т«т Д° ¹²⁰⁰° ч/гОД- Имеется в виду, что Р_тахТ_тах = Р_СТ_Г= PLJ™* ^{и что} первый прямоугольник деформирован аналогично «а», а третий — «б».

Тарифная политика, направленная на энергосбережение и отстаиваемая потребителем, должна предусматривать: прозрачность тарифа для понимания путей сокращения затрат; исключение перекрестного субсидирования; отра­жение в тарифах специфики регионов, потребителей и производителей энер­горесурсов; совмещение интересов субъектов электроэнергетики и потребите­лей на основе равенства интересов; наличие льгот в тарифах для развития

18.4. Комплексный подход к сокращению электропотребления

557

1		гтах в
	*таху
	1
	' '		L	-*-

16 24 Г,ч

^тах, МВт 120

i			"max в
	^таху У
	^таху _1	•	* тахв "-»-

8 16 24 Г,ч

б

max ^ max

л мпах 'г

80

А=Р_СТ_Г

max 'max

40

А = const

А = Р' 7"

л х max * m

6000

в

8760

12000 t, ч

Рис. 18.9. Принципы регулирования нагрузки на 6УР:

а — естественный график суточной нагрузки; б — принудительное регулирование графика на­грузки; в — упрощенный годовой график для предприятия при А = const; T_<m — число часов ис­пользования максимума; 7_Г — число часов в году; P'_mm — принудительное снижение (заявленно­го) максимума в часы прохождения максимума в системе; 7^ — условное годовое число часов использования максимума

утилизации вторичных энергетических ресурсов и сокращения выбросов пар­никовых газов.

Анализ вводимых в России энергетических мощностей, ориентированных прежде всего на выработку электрической энергии, показывает, что резко упал спрос на крупные турбогенераторы и начинается рост производства ге­нераторов небольшой мощности. Перспективней стала малая энергетика от единиц киловатт до электростанций единичной мощностью 0,5—30 МВт. В ка­честве примера можно привести турбодетандерные агрегаты (ТДА), использу­ющие энергию сжатого природного газа. Они позволяют более чем в два ра­за сократить расход топливных ресурсов по сравнению с традиционными технологиями, обеспечить низкую себестоимость вырабатываемой электро­энергии, сократить выбросы в атмосферу. Такие электростанции требуют меньшие капиталовложения по сравнению с крупными ТЭЦ, что достигается благодаря отказу от сооружения систем циркуляционного водоснабжения, удешевлению электрической части, упрощению оборудования тупбиннот пр-

558 Глава 18. Энергосбережение на промышленных предприятиях

ха, тепловой схемы и снижению стоимости техобслуживания (достигает 35—55 %); снижению удельных расходов топлива; существенному уменьше­нию срока окупаемости при ускорении сроков ввода систем в эксплуатацию (2-3 года). Ценовые показатели приведены на рис. 18.10.

Применение малой энергетики требует определенной реконструкции сис­темы электроснабжения. Возникает ряд технических проблем, связанных с ог­раничением возможных токов КЗ, обеспечением селективности действия ре­лейной защиты, обеспечением динамической устойчивости генераторов при КЗ в распределительной сети 10 (6) кВ, повышением качества электроэнер­гии. Возможны два режима работы генераторов малых электростанций: парал­лельный с энергосистемой и автономный — на специально выделенную нагрузку. Параллельный режим способствует повышению качества электро­энергии (частота, уровень и колебания напряжения, симметрия напряжения и токов по фазам статора генератора). В автономном режиме поддержание тре­буемых показателей качества электроэнергии часто бывает затруднено. В па­раллельном режиме возможна продажа избыточной электроэнергии другим потребителям.

Однако параллельный с энергосистемой режим работы генераторов характе­ризуется большими токами КЗ на шинах РУ 10(6) кВ, что требует реконструк­ции сети 10(6) кВ, релейных защит, дополнительных капитальных затрат. На практике необходимо предусматривать возможность работы в обоих режимах.

Большие потенциальные возможности для сокращения электропотребле­ния имеются в сфере различных технологических режимов и способов их ре­гулирования, а также электрического освещения. Очень часто технологичес­кие агрегаты не отключают из-за целого комплекса ограничений, связанных: с нормируемым количеством пусков привода или агрегата ввиду их тяжести; с экстремальными нагрузками при пусках ввиду отсутствия специальных сис­тем управления режимами пуска; с значительными капитальными затратами

277,08	278,9	290 . 119,59	349,38 I35fi2j	430 1 / 171,43
100,59	113,8

С, руб/МВтч 500

400

300

200-100 ■

" 1996 1997 1998 1999 2000 Годы

Рис. 18.10. Ценовые показатели электроэнергии:

1 — себестоимость электроэнергии, выработанной станциями ОАО «ММК»; 2 — стоимость покуп-

unu anok-тппчирпгии пт «Челябэнеого»

18.5. Совершенствование работы общепромышленных систем и оборудования 559

для внедрения устройств регулирования. Это относится и к электроприводам вспомогательных механизмов с вентиляторной нагрузкой, выполненных на двигателях переменного тока, пока нерегулируемых.

Отсутствие возможности регулирования скорости механизмов не позволя­ет обеспечить режим рационального энергопотребления при снижении техно­логических нагрузок. Поэтому появилась необходимость в реконструкции электроприводов переменного тока. Учитывая высокую стоимость реконст­рукции регулируемых электроприводов, целесообразно выделить три уровня регулировочных возможностей:

1. реализация управляемого пуска («мягкий пуск») с ограничением дина­мических моментов и пусковых токов, что позволяет производить отключения в результате вынужденных и плановых простоев;

2. создание ступенчатого регулирования скорости, обеспечивающего эко­номичные режимы работы;

3. плавное регулирование частоты вращения двигателя с высокой точнос­тью и в широком диапазоне.

Первые два уровня могут дать ощутимый эффект при незначительных за­тратах и использовании тиристорных преобразователей постоянного тока, ос­вобождаемых в результате реконструкции ряда цехов.