Экономика и управление качеством энергии - Качество напряжения и работа основных электроприемников

Отклонения напряжения влияют на работу осветительных ламп и асинхронных двигателей, которые составляют значительную часть электроприемников промышленных предприятий. При отклонениях напряжения имеет место изменение главнейших характеристик ламп накаливания — их мощности, силы тока, световой отдачи, светового потока. Это может быть представлено в следующем виде [40]:

При понижении напряжения на 2,5—5,0% от номинального значения световой поток ламп накаливания уменьшается на 10—18%, и срок службы лампы несколько удлиняется. Понижение напряжения на 10% приводит к уменьшению потока более чем на 30% и к значительному уменьшению освещенности рабочих мест. Последнее вызывает снижение производительности труда и ухудшение качества продукции.
В работе [44] отмечается, что в осветительных установках машиностроительных предприятий при отклонениях напряжения в пределах ±10% величина ущерба может составлять от 10 до 30 руб/кВт-ч. Понижение качества напряжения может также сказываться на эффективности работы асинхронных двигателей. При понижении напряжения против номинального на 5—15% на зажимах ряда обследуемых  асинхронных двигателей мощностью от 4,5 до 75 кВт при номинальном  скольжении от1 до 2% и при кратности максимального вращающего момента по отношению к номинальному, равной двум, было установлено уменьшение частоты вращения двигателя от 0,2 до 1,6%.

Рис. 2. Зависимость потерь активной мощности в асинхронных электродвигателях от отклонений напряжения при различных коэффициентах загрузки т.

Как показывают исследования, при понижении напряжения асинхронных двигателей уменьшается к.п.д. и происходит интенсивное старение изоляции. Повышение напряжения, приводит к перегрузке обмотки статора и увеличению потребления мощности двигателя.
Следует обратить внимание на значительное изменение пускового и максимального моментов асинхронных двигателей при понижении качества напряжения. Так, при отклонениях напряжения на ±10% от номинального момент изменяется соответственно на ±21% и на — 19%. Отклонения напряжения на выводах асинхронного электродвигателя вызывают изменение активных потерь и потребляемой реактивной мощности.
Как видно из рис. 2, изменения активных потерь при отклонениях напряжения в пределах —5-10% Uном невелики (не более 0,03 ΔΡном), однако они оказываются того же порядка, что и потери в питающих сетях.
Для двигателей средней мощности изменение напряжения на 1 % влечет за собой изменение потребляемой реактивной мощности на 3% [35]. Отклонения напряжения оказывают существенное влияние на работу автоматизированного электропривода. Так, при снижении напряжения на одном машиностроительном предприятии до величины 0,95 Uном ущерб в механозаготовительном производстве составил 5,4 тыс. руб. в год при стоимости всех выпускаемых на рассматриваемом участке изделий 109 тыс. руб. в год, т. е. 5,6% [51].
Исследования Г Я. Вагина позволили установить абсолютную величину ущерба для металлорежущих станков (0,1— 6 руб/кВт-ч) при отклонениях напряжения ±10% [44]. Отклонения напряжения оказывают влияние и на высокотемпературные процессы, вызывая увеличение длительности плавки в печах, перерасход электроэнергии, а в печах сопротивления при этом снижается производительность и может иметь место брак продукции.
Понижение напряжения отражается на производительности печей графитации, приводит к ухудшению качества графитируемой продукции и удорожанию ее себестоимости. Интересно, что это влияние имеет место не в период плавного подъема
температуры в керне печи, а после того, как загруженная печь продукция достаточно нагрелась.
Как отмечает Г. М. Коваленко, поддержание оптимального уровня напряжения на высоковольтных выводах печных трансформаторов является важным резервом повышения производительности печей графитации, так как позволяет повышать выпуск продукции на тех же производственных площадях [53]
Отклонения напряжения от номинального отрицательно сказываются и на работе установок фотофильмпечати, сушильных гладильных машин. Так, на одном текстильно-галантерейно предприятии при снижении напряжения в среднем за год н 2,6% имел место ущерб около 14 000 руб. в год [45].
Для электротермических установок (печи сопротивления дуговые печи) машиностроительных предприятий ущерб при наличии отклонений напряжения в пределах ±10% может составлять 6—20 руб. кВт-ч (44]. В печах сопротивления, используемых для производства абразивных материалов, при понижении напряжения сети от 6,3 до 6,0 кВ мощность снижается от 2 до 4,5%. Это увеличивает рост тепловых потерь, снижает часовую производительность на 2,5% и увеличивает удельный расход электроэнергии на 2% [44].
Таблица 6

Большое значение имеет поддержание необходимого уровня напряжения для электролизных установок, в частности при производстве алюминия, магния и каустической соды. Наличие длительных отклонений напряжения при этих процессах вызывает уменьшение оптимальной величины тока, а следовательно, повышение удельных расходов электроэнергии, снижение производительности электролизных ванн и удорожание выпускаемой продукции.
Обследование одного алюминиевого завода показало (табл. 6), что качество напряжения является важным экономическим фактором при производстве алюминия.
Работы [44, 75], проведенные Ф. Г Гусейновым (Азербайджанский НИИ энергетики, отделение), показали, что понижение напряжения до 95% от номинального значения приводит к снижению производительности электролизной установки на 4%. Кроме того, часто наблюдается ускоренный износ электродов. При отклонениях напряжения более 1,05 Uном может происходить перегрев ванн электролизных установок и ухудшение условий протекания технологического процесса.

Колебания напряжения вызываются в основном работой отдельных электроприемников и связаны с потреблением реактивной мощности. Они могут возникать при включении мощных асинхронных двигателей, электросварочных аппаратов, дуговых сталеплавильных печей вентильных преобразователей. Вентильные преобразователи обладают низким коэффициентом мощности и при резкопеременном характере нагрузки (прокатные станы) вызывают колебания напряжения до 20% на шинах 10 кВ и до 5% на шинах 110, 220 кВ.
Профессор А. А. Тайц считает, что при ионном или тиристорном приводе создаются наиболее неблагоприятные условия, так как в этом случае электродвигатели постоянного тока прокатных станов питаются через управляемый выпрямитель непосредственно от сети переменного тока. В связи с этим набросы мгновенно передаются в сеть переменного тока без демпфирования массами машинного преобразователя. Мощности дуговых печей постоянно увеличиваются и в настоящее время достигают 100—125 МВ-А в единице. Возрастают и колебания напряжения, вызываемые колебаниями мощности при включении таких потребителей, причем дуговые электропечи дают набросы нагрузок в 3—3,5 раза больше номинальной. Набросы реактивной мощности могут превышать величину 100 000 квар, а частота колебаний напряжения для различных прокатных станов характеризуется величиной 100—1000 колебаний в час.
Колебания напряжения оказывают влияние на работу осветительных ламп, которые в этом случае меняют свои главнейшие характеристики, вызывают повышенную утомляемость работающих, снижают производительность труда. При наличии колебаний напряжений в электросетях промышленных предприятий с установками высокочастотного нагрева, индукционными печами, сварочными машинами может иметь место ущерб в виде брака продукции, повреждений оборудования, останова электрооборудования, ухудшения качества сварки (особенно точечной). Установлено, что в ряде случаев колебания напряжения на машиностроительных предприятиях, имеющих сварочные машины, могут достигать 20—25% [44].
Колебания напряжения, возникающие на крупных металлургических заводах, оказывают влияние не только на работу своих электроприемников, но и на устойчивость энергосистемы и экономичность отдельных электростанций. Большое значение имеет постоянство напряжения для бытовых потребителей (телевизоры, радиоприемники). Из-за значительных колебаний напряжения в телевизорах приходится устанавливать стабилизаторы  напряжения. Лишь в 1971 —1975 гг. их было изготовлено около 20 млн штук на общую мощность 30 млн. кΒ·А. Следует иметь в виду, что на изготовление стабилизаторов расходуются дефицитные материалы и сами они являются источниками потерь электроэнергии [87].
Изучение причин возникновения колебаний напряжения и последствий их влияния на работу электроприемников промышленных предприятий, городских сетей и оборудования энергосистем в настоящее время Проводится в больших масштабах, однако в меньшей степени, чем исследования других показателей качества электроэнергии. Особое внимание при исследовании колебаний напряжения должно быть уделено изучению характеристик случайных процессов, связывающих частоту и амплитуду колебаний, а также разработке методики технико-экономической оценки ущерба, возникающего у потребителей и в энергосистеме при колебаниях модуля и фазы напряжения.

 Несимметрия напряжения имеет место при неравномерном распределении несимметричной нагрузки потребителей по фазам. Основными электроприемниками, которые могут создавать несимметрию напряжения, являются дуговые и индукционные печи, сварочные агрегаты, машины контактного нагрева, осветительные установки. Исследования последних лет показывают, что значительная несимметрия напряжения наблюдается на предприятиях, имеющих индукционные и дуговые печи, электротермические установки и вентильные преобразователи. Так, на одном электродном заводе при работе электротермических установок наблюдалась несимметрия напряжений; коэффициент несимметрии достигал 18%. На машиностроительных предприятиях наибольшую несимметрию напряжения создают дуговые и индукционные печи (от 1 до 3%) при напряжении 35 кВ и от 1 до 4% —при напряжении 6 и 10 кВ. Сварочные машины и машины контактного нагрева создают несимметрию напряжения в сети 0,4 кВ до 4% при одновременной работе нескольких машин. В электрических сетях предприятий целлюлозно- бумажной промышленности также имеет место несимметрия напряжений при питании сетей предприятий от тяговых подстанций энергосистемы. Появлению несимметрии способствует широкое внедрение тиристорных преобразователей для приводов бумаго- и картоноделательных машин, суперкаландров и других механизмов. Результаты исследований качества электроэнергии на предприятиях этой отрасли показали наличие отклонений напряжения от —6 до +8% от Uном и несимметрии напряжения — коэффициент несимметрии достигал 4% [44].
Наличие несимметрии напряжения в электрических сетях ухудшает режим работы выпрямителей, снижает эффективность использования регулирующих и компенсирующих установок. В энергосистемах несимметрия токов влечет за собой появление очагов местных перегревов роторов синхронных генераторов; в линиях электропередач и трансформаторах несимметрия снижает пропускную способность трехфазной системы, а также увеличивает перегрев трансформаторов.
Так, в работе [35] отмечается, что на целлюлозно-бумажных комбинатах несимметрия напряжений сказывается на генераторах ТЭЦ; несимметрия токов достигает 10% и почти удваивается при максимальной несимметрии напряжений. Если такие явления возникают в период максимальных активных нагрузок ТЭЦ, когда возможность снижения реактивной нагрузки турбогенераторов ТЭЦ отсутствует, то возникает интенсивный нагрев активных частей машин, иногда сверх допустимых пределов.
Несимметрия напряжения сказывается также на режимах работы асинхронных электродвигателей, которые перегреваются; вследствие повышения напряжения на одной или двух фазах увеличивается аварийность в кабельных сетях и батареях конденсаторов. Например, при работе электродвигателя с номинальным вращающим моментом и коэффициенте несимметрии напряжений, равном 4%, срок службы изоляции его сокращается почти в 2 раза только за счет дополнительного нагрева; при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов, равном 0,1, срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16%.

Из всех показателей качества электроэнергии наибольшее внимание в последнее время уделяется несинусоидальности напряжения. Со времени проведения третьего Всесоюзного совещания по качеству электроэнергии (Баку, 1973 г.) в области исследования высших гармоник в сетях промышленных предприятий получены интересные результаты. Здесь следует отметить работу профессора И. В. Жежеленко «Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий», в которой обобщены и систематизированы вопросы генерирования и распределения высших гармоник, а также предложены методы расчета гармоник и силовых фильтров для минимизации гармоник.
В настоящее время считается общепризнанным, что несинусоидальность напряжения вызывается работой дуговых печей, сварочных машин, преобразователей тока и частоты, люминесцентных ламп и т. д. В сетях предприятий черной и цветной металлургии в наибольшей мере проявляется несинусоидальность напряжения в начальной стадии плавки — в период расплавления.
В работе [66] отмечается, что при испытании ионного привода блюминга 1150 имели место изменения действующих значений высших гармоник от 14,7 до 29,0% при различных режимах работы; действующие значения токов высших гармоник в сетях 6—10 кВ достигали значений до 25% от тока основной частоты.
На машиностроительных предприятиях коэффициент несинусоидальности лежит в пределах 1—7% при напряжении 35 кВ и 1—8% — при напряжении 6 и 10 кВ.
Сварочные машины генерируют гармоники 3-, 5-, 6-, 9-го порядков. Коэффициент несинусоидальности в сетях 0,4 кВ для сварочных машин достигает 7%. Преобразователи тока и частоты генерируют гармоники 5-, 7-, 11-, 13-го порядков. Коэффициент несинусоидальности для сетей 6—10 кВ, питающих эти преобразователи, не превышает 5%. Люминесцентные и дуговые лампы создают высшие гармоники 3-го, 5-го и 7-го порядков. Коэффициент несинусоидальности в этом случае достигал 2%.
Исследование показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения нефтехимического предприятия выявило, что в сети 0,4 кВ коэффициент несинусоидальности напряжения достигает 10—14%.
Наличие высших гармоник напряжения и тока оказывает влияние на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи, что вызывает народнохозяйственный ущерб. Возникают дополнительные потери мощности и энергии в электрооборудовании, ухудшается или становится невозможной работа конденсаторных батарей, сокращается срок службы изоляции электрических машин и кабелей, увеличивается погрешность индукционных счетчиков. Имеются случаи воздействия высших гармоник на генераторы электрических станций. Проникновение высших гармоник в системы автоматического регулирования приводит к ухудшению качества переходных процессов. Воздействие высших гармоник на системы импульсно-фазового управления вентильными преобразователями может привести к возникновению гармонической неустойчивости [34].
Для минимизации гармоник используются различные способы: введение тока тройной частоты в цепь вентильных преобразователей; увеличение числа фаз вентильных преобразователей; установка силовых фильтров. Наиболее перспективным следует признать применение силовых фильтров высших гармоник, установка которых в большинстве случаев может быть эффективной. Так, эффект от применения резонансных фильтров для одной из энергосистем страны составил около 270 тыс. руб. в год, а срок окупаемости — 1,6 года [82].

Качество тепловой энергии характеризуется стабильностью таких параметров, как давление и температура. Требования к качеству тепловой энергии дифференцированы по теплопотребляющим процессам: 1) силовые; 2) средне- и низкотемпературные технологические; 3) отопление и вентиляция.
Силовые процессы происходят в таких установках, как мо- оты, прессы, паровые машины прокатных станов и др. Важнейшим показателем для этих установок является поддержание явления пара, заданного технологическим процессом.
К среднетемпературным относятся процессы, которые потребляют тепловую энергию в виде пара в интервалах температур от 100 до 300—350° С. Низкотемпературные процессы осуществляются при потреблении тепловой энергии (горячая ода) с температурой ниже 100° С. Каждый потребитель пара ли горячей воды работает экономично, если параметры теплоносителя соответствуют нормам и технологическим требованиям.
Исследования, проведенные сотрудниками энергетического Факультета Ленинградского инженерно-экономического института им. П. Тольятти, показали, что качество тепловой энергии а ряде предприятий не соответствует нормам, и это вызывает дополнительные затраты [45]. Установлено, что качество тепловой энергии существенно изменяется как в течение часа, суток, недели, так и по сезонам года. Так, на машиностроительном заводе имело место понижение давления пара, получаемого на ТЭЦ, на 1,1 ата. Это оказало влияние на работу ряда потребителей. Причинами снижения параметров отпускаемого ТЭЦ пара явились рост нагрузок, дефицит мощности котельной увеличение потерь давления пара в тепловой схеме ТЭЦ.
Понижение параметров теплоносителя по сравнению с нормальным приводит к изменению величины подводимой мощности и, как следствие, снижает производительность теплопотребляющего оборудования, что приводит к недовыпуску продукции, в ряде случаев — к ухудшению энергоиспользования, увеличению энергетических потерь и удельных расходов на единицу продукции.
Отклонение начального давления пара от номинального оказывает влияние на производительность и экономичность работы силовых установок.
Понижение и колебания давления оказывают большое влияние на производительность потребителей пара: прессов, паровых машин, прокатных станов и молотов.
Так, при понижении давления у паровой машины прокатного стана увеличивается количество проходов и, следовательно, продолжительность прокатки. На одном машиностроительном предприятии имело место понижение давления в паропроходе паровой машины прокатного стана до 5,2 ати. Этого было остаточно для прокатки углеродистых сталей, но для легированных сталей требуется более высокое давление — 6,5 ати. Работа стана при прокатке углеродистых сталей с давлением 2 ати привела к увеличению продолжительности проката на 3%, а снижение производительности стана составило 10%.
В сортопрокатном цехе в результате снижения давлен пара имелось уменьшение производительности — около 3 в год. Наличие колебаний давления в диапазоне ±10% в конечном цехе приводило к снижению производительности мостов на 14%. После проведения мероприятий по повышению качества поставляемого пара только по этим трем цехам экономия составила более 300 тыс. руб. в год.

Отклонения температуры пара (в частности, при ее снижении) вызывают снижение работоспособности и увеличение потерь пара, что сказывается на внутреннем относительном к. п. Ниже показана зависимость перерасхода пара при работе паровых молотов от изменения температуры:

Как видно, при снижении температуры на 5° С имеет мес увеличение расхода пара на 0,8% по отношению расхода па при температуре 240° С. С другой стороны, повышение темпер туры перегрева пара для силовых потребителей вызывает сокращение расхода пара, что положительно сказывается на рабо оборудования, но вызывает термическую неустойчивость смазочных и набивочных материалов (250—270°С).

Отклонения температуры и давления оказывают существенное влияние на производительность и экономичность технологических установок. Так, скорость вулканизации резиновой изоляции и защитного шланга электрических кабелей в агрегате непрерывной вулканизации при каждом повышении темпер туры процесса на 10° С удваивается. При вулканизации резиновой обуви повышение давления в паровых регистрах в пределах 9,9 ати и выше на время не более 10 мин. уменьшает время вулканизации на 5 мин. Понижение давления пара в пар подогревателях в пределах 8,5±0,4 ати в воздушной или пар вой фазах на 10 мин. и более увеличивает время вулканизат на 5 мин. При дальнейшем понижении давления пара 7,5±0,5 ати на 10 мин и более время вулканизации увеличивается на 10 мин. При обследовании технологического процесса вулканизации было выявлено, что отклонение давления от нормы в большую и в меньшую сторону может приводить к браку продукции, снижает производительность установки эффективность работы персонала.
Приведенный материал позволяет сделать вывод о важности поддержания надлежащего качества тепловой энергии у ряда тепловых потребителей. С. другой стороны, требования, предъявляемые к качеству параметров тепловой энергии потребителями тепла, различны и зависят от технологического процесс вида энергооборудования. В связи с этим важное значение имеет исследование таких вопросов:

1. Выявление установок и процессов, существенно зависящих от качества тепловой энергии.
2. Установление главного параметра (давление, температура), оказывающего большое влияние на изменение технико-экономических показателей энергооборудования и процесса в целом.
3. Разработка норм на показатели качества тепловой энергии, дифференцированных по отраслям производства.
4. Введение допустимых отклонений показателей качества теплоэнергии от установленных норм.
5. Разработка методики определения экономического ущерба при работе энергетического и технологического оборудования с пониженным качеством тепловой энергии.

Качество топлива* характеризуется рядом показателей,** которые регламентируются в соответствии с его (топлива) видом, составом и свойствами.
Отклонения и колебания качества топлива, используемого на электростанциях или в промышленных установках, приводят к снижению надежности и экономичности работы энергооборудования, вызывая народнохозяйственный ущерб. Ущерб может достигать значительных величин, так как в настоящее время более 35% топлива, потребляемого в стране, используется тепловыми электростанциями для производства электрической и тепловой энергии.
По виду топливо подразделяется на жидкое, газообразное и твердое.
На электростанциях страны преобладающее место в структуре потребления топлива занимают твердые топлива (уголь, торф, сланцы) — около 50% по данным 1975 г.
Изменение структуры потребления топлива на электростанциях характеризуется увеличением доли кузнецких и экибастузских углей, значительным увеличением доли мазута (с содержанием серы 5—6%) и увеличением доли газа. В этой связи вопросы повышения качества топлива и его использования на ТЭС имеют важное народнохозяйственное значение.

* На примерах исследований, проведенных кафедрой экономики и организации планирования и управления энергетикой Ленинградского инженерноэкономического института им. П. Тольятти.

** См. гл. 1, табл. 1 данной книги.

В настоящее время важную роль стала играть .нестабильность качества сжигаемого топлива, т. е. кратковременные (в течение суток) колебания качественных показателей угля, поступающего в топку. В среднем на электростанции поступает от 50 до 70% угля с зольностью выше расчетной. При этом на многих ТЭС показатели отличаются от проектных в худшую сторону, что видно из табл. 7, где приведены данные колебаний качественных показателей донецких и кузнецких углей, использованных на мощных электростанциях.

Следует отметить, что нестабильность качества топлива затрудняет, а в ряде случаев делает просто невозможной работу автоматического регулирования и тем более применение управляющих вычислительных машин.
Из изложенного вытекает, что качество электроэнергии, тепловой энергии и топлива является социально-экономической категорией, а поддержание надлежащего качества энергии представляет собой актуальную задачу, решение которой имеет  важное народнохозяйственное значение. Для решения этой задачи могут быть использованы различные пути и способы повышения качества энергии.