Коротка характеристика технологічного процесу та технологічних установок_ 5

Міністерство освіти і науки України

Національний університет харчових технологій

Кафедра електропостачання та енергоменеджменту

Курсова робота

з дисципліни: «Електрозбереження у промисловості»

Виконав ст. гр. ЕЛМ-5-5

Вихристенко Д.Ю.

Викладач:

Мащенко О.А.

Київ - 2015

Зміст

Вступ_ 3

Завдання_ 4

1. Коротка характеристика технологічного процесу та технологічних установок_ 5

1.2. Освітлення_ 7

1.2.1. Розгляд енергоефективності від заміни старих ламп на нові 12

1.3. Розрахунок електричних навантажень_ 14

1.3.1. Визначення втрат електричної енергії на об’єкті 17

1.3.2. Складання та аналіз електричного балансу об’єкта_ 18

1.4. Вибір силового трансформатора на головній понижувальній підстанції 20

1.4.1. Розгляд доцільності вимкнення одного трансформатора в години низького навантаження  21

1.5. Вибір доцільного перерізу живлячого кабелю від ТП 0,4 кВ до нашого об’єкту за умови мінімальних приведених затрат_ 32

1.6. Формування графіків навантаження_ 37

1.6.1. Розрахунок середнього добового активного споживання_ 38

1.6.2. Розрахунок максимального навантаження в години контролю максимуму_ 38

1.6.3. Розрахунок коефіцієнта заповнення добового графіка навантаження_ 38

1.6.4. Обсяг споживання електричної енергії за рік. Річний графік навантаження_ 39

1.6.5. Обсяги споживання електричної енергії за рік_ 39

2. Спеціальна частина_ 40

2.1. Характеристика компресора як споживача електроенергії Енергозберігаючі заходи в компресорних установках_ 40

2.1.1. Розрахунок економії електричної енергії під час роботи компресора в холостому ході 49

2.1.2. Розрахунок витоків повітря_ 49

2.2. Характеристика насоса як споживача електроенергії 52

2.2.1. Енергоефективність насосного обладнання для водопостачання_ 52

2.2.2. Основні причини низької ефективності насосів_ 53

2.2.3. Заміна насосів старих типів на нові з більших ККД_ 55

2.2.4. Розрахунок витоків води_ 57

2.3. Вентиляційні системи_ 59

2.3.1. Розрахунки щодо впровадження енергозберігаючих рішень в вентиляційних системах   61

2.4. Компенсація реактивної потужності 64

2.4.1. Економічний ефект від встановлення статичного конденсатора_ 67

2.4.2. Сплата за реактивну потужність_ 69

2.5. Обмеження роботи в холостому режимі асинхронних двигунів_ 70

Вступ

Зарубіжна практика підвищення енергоефективності, показала, що зниження енерговитрат у 3-4 рази – звичайна справа. Не відразу, звичайно, але поступово і в нашій країні є всі можливості для вирішення цієї задачі. Способів енергозбереження в промисловості дуже багато. У енергозбереження є дві головні мотивації: енергія і гроші. Якщо доступ до енергії лімітований, то це додатковий мотив до економії (наприклад, ліміти на використання газу). Але головний стимул – це все-таки гроші. Тому розглядати проблематику енергозбереження краще комплексно: енергозбереження – як один з напрямків скорочення витрат.

Мета курсової роботи – поглибити та систематизувати теоретичні знання з дисципліни "Електрозбереження у промисловості", набути вміння та навички застосування цих знань для розв"язання практичних задач енергозбереження і самостійно працювати з навчально-технічною та довідниковою літературою.

Завдання курсової роботи  полягає в тому, що вона допомагає студентам систематизувати теоретичні знання і практичні навички, визначити найбільш важливі проблеми електрозбереження  в діяльності сучасних підприємств та розробити конкретні заходи щодо їхнього успішного вирішення.

Завдання

Тип обладнання	К-ть	Характеристики обладнання	Основні характеристики електроприводу	Кв	cosφ	tgφ
Штампувальний прес	5		Електрична потужність 24 кВт	0,5	0,65	1,17
Гранулятор	2		Електрична потужність 5 кВт	0,5	0,65	1,17
Локальна витяжна система	4		Електрична потужність 3 кВт	0,65	0,8	0,75
Компресор	2	ПКС-3,5А; 3,5 м3/хв; 0,7 МПа	Електродвигун АИРУ, потужність 30 кВт, 2950 об/хв	0,65	0,85	0,62
Верстати	10		Потужність 3 кВт	0,12	0,4	2,3
Насосна установка ЦНС20-95	2	Напір 110 м, подача 38 м/год	Електродвигун АИР, потужність 17 кВт, 2950 об/хв	0,65	0,85	0,62
Освітлення	15		250 Вт	0,85	0,9	0,484

Витоки 3 шт. – 1 мм, 2 шт. – 5 мм, робота в одну зміну – 8 год. Вартість електроенергії – 1,5 грн/кВт∙год.

1. Коротка характеристика технологічного процесу та технологічних установок

Розвиток технологічних процесів – необхідна умова підвищення ефективності промислового виробництва. При вивченні розвитку технологічних процесів необхідно засвоїти суть поняття «рівень технології», під яким розуміється показник, що оцінює ефективність даної технології. Чим вище рівень технології, тим більше досконалий технологічний процес.

Машинобудування і металообробка – комплексна галузь промисловості, що включає велику кількість спеціалізованих галузей, що виробляють велику кількість різних видів виробів

Галузь промисловості являє собою сукупність промислових підприємств, що характеризуються або єдністю призначення виробленої продукції, або спільністю технологічних процесів (хімічна промисловість), або однорідністю сировини, що переробляється (нафтогазова промисловість). Галузі промисловості можна розбити на наступні комплекси:

·      Паливно-енергетичний комплекс, що включає в себе газову, нафтову, вугільну, нафтопереробну і електроенергетику;

·      Металургія (чорна і кольорова);

·      Хімічна і нафтохімічна промисловість;

·      Машинобудування і металообробка;

·      Лісова, деревообробна і целюлозно-паперова промисловість;

·      Промислові будівельних матеріалів;

·      Легка промисловість;

·      Харчова промисловість.

Виробничий процес – це сукупність всіх дій людей і знарядь виробництва, пов"язаних з переробкою сировини і напівфабрикатів в заготовки, готові деталі, вузли і готові вироби на даному підприємстві. Виробничий процес у свою чергу складається з наступних процесів:

·      Основні – це технологічні процеси, в ході яких відбуваються зміни геометричних форм, розмірів і фізико-хімічних властивостей продукції;

·      Допоміжні – це процеси, які забезпечують безперебійне протікання основних процесів (виготовлення і ремонт інструментів і оснащення; ремонт устаткування; забезпечення виробництва електроенергією, теплом, парою, водою, стисненим повітрям і т.д.);

·      обслуговуючі – це процеси, пов"язані з обслуговуванням як основних, так і допоміжних процесів і не створюють продукцію (зберігання, транспортування, тех. контроль і т.д.). Виробничий процес підприємства включає в себе отримання та зберігання матеріалів, напівфабрикатів, комплектуючих виробів, виготовлення заготовок деталей, різного виду обробки заготовок (механічну, пластичним деформуванням та ін.), Транспортування в процесі в процесі виробництва заготовок і деталей, складальних одиниць, їх зберігання на складах, технічний контроль, складання, випробування, регулювання і забарвлення .

У цехах (підрозділах) основного виробництва предмети праці перетворюються на готову продукцію. Цехи (підрозділи) допоміжного виробництва забезпечують умови для функціонування основного виробництва (інструменти, енергія, ремонт обладнання). Підрозділи обслуговуючого виробництва забезпечують основне і допоміжне виробництво транспортом, складами (зберігання), технічним контролем і т.д.

Таким чином, у складі підприємства виділяються основні, допоміжні та обслуговуючі цехи та господарства виробничого призначення.

У свою чергу цехи основного виробництва (у машинобудуванні, приладобудуванні) поділяються:

·     На заготівельні;

·     Обробні;

·     Складальні.

Цехи (дільниці), організовані за предметно-замкнутому принципом спеціалізації, володіють значними економічними перевагами, так як при цьому скорочується тривалість виробничого циклу в результаті повного або часткового усунення зустрічних або зворотних переміщень, знижуються втрати часу на переналагодження устаткування, спрощується система планування та оперативного управління ходом виробництва.

1.2. Освітлення

Системи освітлення на підприємствах легкої промисловості можуть виявитися серйозним резервом економії електроенергії.

Основні заходи щодо підвищення енергоефективності освітлення наступні:

·      Заміна джерел світла новими енергоефективними лампами при забезпеченні встановлених норм освітленості;

·      Максимальне використання природнього освітлення в денний час і автоматичне керування штучним освітленням залежно від рівня природнього освітлення. Керування включенням освітлення може здійснюватися від інфрачервоних датчиків присутності людей або рухи;

·      Використання сучасної освітлювальної арматур з раціональним світлорозподілом;

·      Використання електронної пускорегулюючої апаратури (ЕПРА);

·      Застосування автоматичних вимикачів для систем чергового освітлення в зонах тимчасового перебування персоналу;

·      Фарбування поверхонь виробничих приміщень і встаткування у світлі тони для підвищення коефіцієнта використання природнього й штучного освітлення.

Так само варто звернути увагу на наступні заходи щодо енергозбереження для освітлюваних установок:

1. Заміна наявних світильників більш ефективними.

У таблиці нижче приводиться можлива економія електричної енергії при заміні менш ефективних джерел світла більш ефективними.

Таблиця 1

* При зниженні нормованої освітленості для ЛР на одну ступінь відповідно до норм освітлення.

2. Заміна пускорегулюючої апаратури.

Використання в комплекті люмінесцентних джерел світла замість стандартної пускорегулюючої апаратури (ПРА), електромагнітної ПРА зі зниженими втратами підвищує світловіддачу комплекту на 6÷26%, а електронної ПРА (ЕПРА) – на 14÷55%.

Таблиця 2

№ п/п	Тип лампи	Тип ПРА	Коефіцієнт втрат у ПРА
1	ЛБ	Звичайна електромагнітна	1,22
2	ЛБ	Електромагнітна зі зниженими втратами	1,14
3	ЛБ	Електронна	1,10
4	КЛ	Звичайна електромагнітна	1,27
5	КЛ	Електромагнітна зі зниженими втратами	1,15
6	КЛ	Електронна	1,10
7	ДРЛ, ДРИ	Звичайна електромагнітна	1,08
8	ДРЛ, ДРИ	Електронна	1,06
9	ДнаТ	Звичайна електромагнітна	1,10

3. Комбіноване освітлення

Застосування комбінованого (загального + локалізованого) освітлення замість тільки загального освітлення дозволяє одержати економію електричної енергії.

Таблиця 3

Частка допоміжної площі від повної площі приміщення, %	Економія електричної енергії, %
25	20÷25
50	35÷40
75	55÷65

Для приміщень площею більш 50 м² слід застосовувати автоматичні пристрої регулювання штучного освітлення залежно від природньої освітленості приміщення. Системи автоматичного керування (САУ) дозволяють робити регулювання яскравості джерела світла (ЛЛ, КПЛ) від 100% до 0%. Система автоматичного регулювання повинна бути продубльована ручним керуванням освітлення.

4. Автоматичне керування освітленням

Економія електроенергії при впровадженні автоматичного керування освітленням може бути оцінена за допомогою табл. 4.

Таблиця 4

№ п/п	Рівень складності системи автоматичного керування освітленням	Економія електроенергії, %
1	Контроль рівня освітленості й автоматичне  вмикання й вимикання системи освітлення  при критичному значенні освітленості	10÷15
2	Зональне керування освітленням (вмикання й вимикання освітлення дискретно, залежно від зонального розподілу природної освітленості)	20÷25
3	Плавне керування потужністю й світловим потоком світильників залежно від розподілу природної освітленості	30÷40

5. Використання КЛЛ для внутрішнього освітлення

Економічні компактні люмінесцентні лампи (інтегральні - з ЕПРА, вбудованим у різьбовий цоколь) призначені для використання в адміністративних приміщеннях. У табл. 6 приводиться порівняння компактних люмінесцентних ламп (КЛЛ) з лампами розжарювання. З таблиці  видне, що використання КЛЛ замість ЛР при тому ж світловому потоці дозволяє суттєво знизити споживану потужність. КЛЛ випускаються з таким же цоколем, як у ламп розжарювання, що дозволяє легко заміняти ними лампи розжарювання.

Таблиця 5

6. Використання систем керування освітленням

Істотну економію витрати електроенергії на освітлення можна одержати за допомогою раціональної системи керування освітленням. Такі системи здійснюють включення або відключення освітлювальних приладів при наступних умовах:

·   залежно від рівня природньої освітленості приміщень (наприклад, по сигналах фотореле);

·   при досягненні певного часу доби (наприклад, по сигналах таймерів);

·   при натисканні людиною кнопок керування (наприклад, входячи в під"їзд, людина натискає кнопку, що дає сигнал на включення освітлення, відключення освітлення здійснюється автоматично через заданий інтервал часу);

·   при вступі сигналів від датчиків присутності.

Системи керування освітленням дуже поширені за рубежем. При їхньому впровадженні слід ураховувати, що вони ускладнюють освітлювальні мережі й у багатьох випадках знижують термін служби деяких типів ламп. Наприклад, кожне включення люмінесцентної лампи знижує строк її служби приблизно на дві години. Термін служби ламп розжарювання при числі включень близько 2500 годин практично не міняється. При більшім числі включень ЛР можна застосувати системи плавного пуску, що запобігають кидки струму в нитці накалювання лампи при її включенні, коли матеріал спирали має низьку температуру й електричний опір його мале.

1.2.1. Розгляд енергоефективності від заміни старих ламп на нові

Система освітлення об’єкту складається з 15 світильників СЗПР із ртутними лампами високого тиску ДРЛ-250. Середньодобова тривалість увімкнення стану ламп внутрішнього освітлення становить 3 годин (об’єкт працює в одну зміну по 8 годин).

Розрахуємо кількість споживаної енергії нашими лампами.

Потужність світильника, укомплектованою ртутною лампою ДРЛ-250 та пуско-регулючою апаратурою (далі ПРА):

де  – коефіцієнт зносу, що вказує на застарілість освітлюваних пристроїв та їх забрудненість, ;

коефіцієнт потужності – .

Кількість споживаної електроенергії 15-ма світильниками за рік за середньодобової тривалості роботи 8 годин.

де .

В грошах:

Замінюємо світильники з лампами ДРЛ на світильники ISK18-04 з світлодіодними лампами, що споживають менше енергії але не поступаються параметрами світловіддачі.

Потужність світлодіодного світильника ISK18-04 та ПРА:

де коефіцієнт потужності – .

Кількість споживаної електроенергії 15-ма світильниками за рік за середньодобової тривалості роботи 8 годин.

де .

В грошах:

Економія від заміни старих ламп на нові, більш економних, становитиме:

Отже, тепер ми можемо визначити термін окупності після заміни ламп:

де K – ціна однієї нової світлодіодною лампи з врахуванням монтажу, K=1300 грн/шт.

1.3. Розрахунок електричних навантажень

Проводиться розрахунок електричних навантажень об’єкта згідно з варіантом завдання. Результати  розрахунків заносяться в таблицю 6.

У відповідності з режимом роботи всю групу електроприймачів ділимо на 2-ві підгрупи:

- електроприймачі, що працюють зі сталим графіком;

- електроприймачі, що працюють зі змінним графіком.

Визначимо середню максимальну потужність для штампувального пресу:

де  – коефіцієнт використання, для штампувального пресу дорівнює 0,5;

 оскільки cosφ = 0,65.

Визначимо сумарну номінальну потужність електроприймачів, що працюють зі змінним графіком:

Визначимо середні максимальні активні та реактивні потужності електроприймачів, що працюють за змінним графіком навантаження:

Коефіцієнт використання електроприймачів, що працюють за змінним графіком:

Ефективна кількість всіх електроприймачів, що працюють за змінним графіком:

Коефіцієнт максимуму можна визначити на основі математичної моделі кривих, за формулою:

Тоді розрахункова активна потужність дорівнює:

Оскільки n_e = 13,02 > 10, то реактивна складова визначається так:

Повна розрахункова потужність:

 кВ∙А

Визначимо кількість електричної енергії, яка була використана на протязі року усіма споживачами змінного графіку навантаження, знаючи, що: кількість робочих днів в році – 250 днів; робота в одну зміну – 8 год; вартість електроенергії, С₀ = 1,195 грн/кВт∙год.

де

В грошах:

	Найменування	К-ть	Рвст, кВт	Рном, кВт	Кв	cosф	tgф	Рсм, кВт	Qсм, кВт	ne	kмакс	Рр, кВт	Qр, кВт	Sр, кВт
1	Штампувальний прес (~)	5	24	120	0,5	0,65	1,17	60	70,2
2	Гранулятор (~)	2	5	10	0,5	0,65	1,17	5	5,85
3	Вертати (~)	10	3	30	0,12	0,4	2,29	3,6	8,24
4	Компресор (-)	2	30	60	0,65	0,85	0,62	39	24,18
5	Локальна витяжна система (-)	4	3	12	0,65	0,8	0,75	7,8	5,85
6	Насосна установка (-)	2	17	34	0,65	0,85	0,62	22,1	13,70
	Всього змінних	25	82	266	0,52	0,73	0,93	137,5	128,03	13,02	1,31	179,93	128,03	220,83
7	Освітлення (-)	15	0,25	3,75	0,85	0,9	0,484	3,19	1,543
	Всього постійних	15	0,25	3,75	0,85	0,90	0,484	3,19	1,543			3,19	1,54	3,54
	Всього змін. та постій.	40	82,25	269,75	0,52	0,74	0,921	140,69	129,57			183,12	129,57	224,32

Таблиця 6

1.3.1. Визначення втрат електричної енергії на об’єкті

Оскільки відомо, що коефіцієнт навантаження – це комплексний показник, котрий характеризує втрати енергії в електромережі, обумовлений фазовими і нелінійними спотвореннями струму і напруги в навантаженні, тоді ми можемо розрахувати втрати в технологічному обладнанні нашого об’єкта.

де k_e – економічний еквівалент реактивної потужності, що вказує скільки кВт активної енергії втрачається при проходженні по мережам 1 квар реактивної енергії.

В грошах:

1.3.2. Складання та аналіз електричного балансу об’єкта

Таблиця 7

Статті балансу	Обсяги електроенергії, кВт·год	% відношення
до загального обсягу	до обсягів за напрямками споживання
1. Надходження, у тому числі:	366243,23	100
1.1. Від енергетичної системи	366243,23	100
1.2. Від власних потреб	-	-
2. Розподіл, всього	366243,23	100
3. Кінцеве споживання, всього, у тому числі:	366243,23	100
3.1. Технологічні процеси, всього, у тому числі:	339453,88		92,68
3.2. Освітлення і вентиляція виробничих підрозділів	26789,34		7,32
4. Втрати потужності	3662,43	1

Зобразимо баланс об’єкту у відсотковому відношенні на круговій діаграмі (рис.1).

Рис.1 Електричний баланс об’єкту.

Енергобаланс підприємства характеризує співвідношення кількості отриманої та витраченої підприємством енергії. Отримана частина його відображає ресурси енергії за її видами: механічна енергія, вироблена первинними двигунами, і електрична енергія, отримана зі сторони. Витрачена частина показує основні напрямки витрати енергії – механічна і електрична енергія, спожита на виробничі потреби, в тому числі на механічну силу і на електротехнічні процесі.

Дані енергобалансу служать основою для розрахунку низки показників. Тоді, відношення енергії, отриманої від електроцентралей і енергосистем, до всієї кількості енергії, спожитої на підприємстві (коефіцієнт централізації електропостачання), показує, яка частина спожитої електричної енергії вироблена на спеціалізованих енергетичних підприємствах, де вона виробляється з найменшими витратами. У народно-господарському масштабі визначається коефіцієнт централізації виробництва електричної енергії, що є відношенням електричної енергії, виробленої електростанціями загального користування і блок-станціями, до загальної кількості виробленої в країні електричної енергії

1.4. Вибір силового трансформатора на головній понижувальній підстанції

Сумарна активна розрахункова потужність на нашому об’єкті, згідно з розрахунків складає Р_роз = 183,12 кВт, а додаткове навантаження Р_{роз.дод} = 400 кВт (для всіх варіантів).

Виходячи з умов допустимого перевантаження трансформатора при аварійних режимах, визначаємо його номінальну потужність

де  – кількість трансформаторів на ТП;  – коефіцієнт завантаження трансформатора ГРП (=0,85÷0,9);  – сумарна розрахункова потужність ().

За табл. 3.5 [3] вибираємо два трансформатори типу ТСЗ-400/10

Sтр.н=	400	кВА	∆Рк=	5,4	кВт
Uн.вн=	10	кВ	∆Рх=	1,3	кВт
Uн.нн=	0,4	кВ	Uк=	5,5	%
іх=	3	%

Вартість трансформатора – 72 тис. грн

1.4.1. Розгляд доцільності вимкнення одного трансформатора в години низького навантаження

Задамося графіком навантаження споживачів нашого об’єкту протягом восьми годинної зміни (табл.8).

Таблиця 8

	Години
1	2	3	4	5	6	7	8
Ступені, %	10	28	55	40	22	85	100	20
Потужність, кВА	58,31	163,27	320,72	233,25	128,29	495,65	583,12	116,62

Побудуємо графік згідно з отриманих значень потужності (Рис.2).

Рис. 2 Графік навантаження споживачів об’єкту

Як видно з графіку, перші п’ять годин навантаження складає менше 50%, тому доцільно в цей проміжок часу другий трансформатор відключити.

Розглянемо можливість відключення другого силового трансформатора при малих навантаженнях і економічний ефект від цього.

Для двотрансформаторної підстанції з трансформаторами ТСЗ-400/10 визначити:

- аналітично та графічно навантаження S_нав, за якого доцільно перейти з двох трансформаторів на роботу одним трансформатором за зміни навантаження підстанції від 0 до S_ном.тр з метою зменшення втрат у трансформаторах;

- кількість електроенергії, яку трансформатори відбирають із мережі ВН згідно з графіком навантаження протягом року;

- річні втрати електроенергії та їх вартість на цій підстанції без урахування та з урахуванням витрат реактивної енергії, яку споживають трансформатори із мережі електросистеми, для двох режимів їх роботи за даним графіком навантаження: без комутації та з комутацією трансформаторів залежно від зміни навантаження;

- річні витрати реактивної енергії за режиму роботи трансформаторів із комутацією  та без комутації залежно від зміни навантаження, а також вартість витрат.

Вихідні дані занесемо до таблиці 9.

Таблиця 9

Тип ТР	Uвн, кВ	Uнн, кВ	tgφ2	cosφ2	Тривалість ступенів навантаження добового графіка
Т1	Т2
ТСЗ-400/10	10	0,4	1	0,7071	5	3

1. Визначимо навантаження, за якого втрати активної потужності під час роботи одного трансформатора дорівнюють втратам потужності під час роботи двох трансформаторів:

Маючи значення S_нав, визначимо потужності першого та другого ступеня добового графіка навантаження підстанції:

Для визначення навантаження, за якого втрати активної потужності в одному та двох трансформаторах однакові, вирахувати втрати активної потужності залежно від навантаження трансформаторів S_І і побудувати графіки ∆Р₁ = f(S_І) і ∆Р₂ = f(S_І) в одній системі координат.

Наведемо приклад розрахунку для визначення втрат активної потужності під час роботи одного ∆Р₁ та двох ∆Р₂ трансформаторів для навантаження S_І = 138,78 кВА.

Коефіцієнт завантаження трансформаторів:

одного –
двох –

Втрати активної потужності під час роботи трансформаторів:

одного –

двох –

Результати решти розрахунків наведено в табл.10

Табл.10

Sнав, кВт	0	57,143	114,286	171,429	228,572	285,715	342,858	400
β1	0	0,143	0,286	0,429	0,571	0,714	0,857	1,000
β2	0	0,071	0,143	0,214	0,286	0,357	0,429	0,500
∆Р1	1,3	1,410	1,741	2,292	3,063	4,055	5,267	6,700
∆Р2	2,6	2,655	2,820	3,096	3,482	3,978	4,584	5,300

Згідно з даними табл.10 на рис.3 зображено графік залежності ∆Р₁=f(S₁) і ∆Р₂=f(S₁). Точка їх перетину відповідає навантаженню S_нав, кВА, за якого втрати активної потужності, кВт, під час роботи одного і двох трансформаторів однакові, а саме:

S_нав ≈ 285,72;

∆Р₁ ≈ ∆Р₂ ≈ 3,9.

Результати, отримані графічним шляхом, збігаються з розрахунковими даними.

Рис.3. Графік втрат активної потужності в трансформаторах.

Трансформатори електропідстанції згідно з графіком (рис.3) можуть працювати за двома варіантами:

- коли незалежно від навантаження підстанції працюють обидва трансформатори і втрати активної потужності в трансформаторах будуть змінюватися за залежністю ∆Р₂=f(S₁) (див. рис.3);

- коли залежно від добового графіка навантаження обслуговуючий персонал підстанції комутує роботу трансформаторів: від 0 до 5 год працює один трансформатор, а від 5 до 8 год – два трансформатори. Тоді втрати активної потужності в трансформаторах будуть визначатись залежністю, позначеною пунктиром (див.рис.3).

2. Визначимо кількість електроенергії активної потужності, кВт·год, яку трансформатори відбирають із мережі електропостачальної компанії згідно з графіком на рис.1 протягом року для споживачів низької напруги:

де m – кількість ступенів добового графіка навантаження підстанції; S_і,  – потужність, кВА, та тривалість, год, і-го ступеня навантаження.

Для умов завдання

3. Втрати електричної енергії під час роботи двох трансформаторів підстанції без комутації протягом року (Т= 2000 год, або 250 днів), визначимо згідно виразу:

З урахуванням добового графіка навантаження підстанції отримаємо:

Річна вартість втрат електроенергії під час роботи двох трансформаторів протягом усього року становить

Втрати електроенергії по підстанції за рік, коли один із трансформаторів комутується залежно від навантаження, кВт·год, визначимо із виразу

де  – втрати електроенергії і одному трансформаторі під час його роботи з 0 до 5 год;  – втрати  електроенергії, у двох трансформаторах під час їх роботи з 5 до 8 год.

Вартість втрат у режимі з комутацією трансформаторів становить

Таким чином, при комутації трансформаторів залежно від їх завантаження втрат електроенергії зменшуються на

а прибуток становить ∆Е = Ц₁ – Ц₂ = .

Втрати електроенергії зменшуються порівняно із режимом роботи трансформаторів без комутації на

4. Втрати в трансформаторах електроенергії активної потужності з урахуванням споживання трансформаторами реактивної електроенергії із мережі електросистеми визначаються виразом з використанням приведених затрат потужностей холостого ходу та короткого замикання, а саме:

де  – приведені втрати активної потужності холостого ходу трансформатора з урахуванням витрат реактивної потужності Q_хх.

де К_е = 0,05 кВт/квар – економічний еквівалент реактивної потужності;

де І_хх% – струм холостого ходу трансформатора;

де  – приведені втрати активної потужності, кВт, досліду короткого замикання з урахуванням витрат реактивної потужності Q_к, квар,

де U_к% - напруга короткого замикання.

Для конкретних умов завдання втрати електроенергії активної потужності під час роботи двох трансформаторів типу ТДЦ-125000/110 за графіком (див.рис.1) протягом року з урахуванням споживання реактивної енергії із мережі будуть

Вартість втрат електроенергії за рік становить

Втрати електроенергії , кВт·год, для режиму роботи підстанції, коли один із трансформаторів комутується залежно від навантаження, з урахуванням витрат реактивної енергії, яку споживають трансформатори із мережі, визначаються аналогічно із застосуванням значень  та :

Вартість втрат електроенергії за рік становить

Як бачимо, втрати електроенергії активної потужності з урахуванням споживання трансформаторами реактивної енергії значно збільшуються порівняно із розрахунками втрат без урахування споживання реактивної енергії із мережі. Так, у режимі комутації трансформаторів різниця становить

або

припадають на мережі електросистеми, а саме від джерел живлення до трансформаторів підстанції.

5. Визначимо витрати W_р і вартість витрат П_сум електроенергії реактивної потужності, що споживається трансформаторами із мережі електросистеми за рік без комутації і з комутацією їх роботи залежно від навантаження.

Витрати реактивної енергії в режимі, коли трансформатори працюють без комутації незалежно від добового графіка навантаження цілий рік W_1р, знайдемо із виразу

Витрати реактивної енергії в режимі, коли трансформатор комутується залежно від графіка добового навантаження W_2р, квар·год, з метою оптимізації втрат електроенергії активної потужності визначимо втрати електроенергії по підстанції за рік, коли один із трансформаторів комутується залежно від навантаження:

де  – втрати реактивної електроенергії і одному трансформаторі під час його роботи його згідно з графіком (рис.1) від 0 до 5 год, квар·год;  – втрати реактивної енергії в двох трансформаторах під час їх роботи з 5 до 8 год.

При комутації трансформаторів витрати електроенергії реактивної потужності також зменшуються порівняно з режимом без комутації на

або

при комутації трансформаторів витрати електричної реактивної потужності зменшуються порівняно з режимом без комутації на 13344,91 квар·год.

Плата за реактивну енергію знайдемо як суму двох складових

де П₁ – основна плата за споживання реактивної енергії; П₂ – додаткова плата, яка стимулює застосування засобів компенсації реактивної потужності.

Для режиму, коли обидва трансформатори працюють згідно з добовим графіком навантаження протягом усього року,

де С_норм = 1 – коефіцієнт заохочення, який стимулює застосування засобів компенсації реактивної потужності; К_ф = 1,5625 – розрахунковий табличний коефіцієнт при tgφ₂ = 1.

При комутації одного трансформатора залежно від графіка добового навантаження за рік роботи підстанції

У режимі комутації одного трансформатора на підстанції порівняно з режимом без комутації маємо річну економію по витратах реактивної енергії ∆Е_р = П_Σ1 – П_Σ2 в розмірі

З урахуванням зменшення втрат активної електроенергії в трансформаторах економія від впровадження режиму комутації трансформаторів становить

Результати розрахунків подамо у вигляді табл.11.

Таблиця 11

Найменування показника	Показники
без урахування	з урахуванням
споживання трансформаторами реактивної енергії із мережі електросистеми
без комутації	з комутацією	без комутації	з комутацією
W	кВт·год	241827,5114	241827,5114	241827,5114	241827,5114
∆W	кВт·год	7825,84	6607,087185	10760,72994	8874,734574
(∆W/W)·100%	3,24	2,73	4,45	3,67
грн	11738,76	9910,630777	16141,09492	13312,10186
Wр	квар·год	-	-	58697,8552	45352,94779
грн	-	-	6878,65	5314,80
Затрати (З) на електро-енергію в трансформаторах	без компенсації реактивної потужності	грн	11738,76	9910,630777	23019,75	18626,90
з компенсацією реактивної потужності	грн	11738,76	9910,630777	11738,75578	9910,630777

1.5. Вибір доцільного перерізу живлячого кабелю від ТП 0,4 кВ до нашого об’єкту за умови мінімальних приведених затрат

Оберемо живлячий кабель від ТП 0,4 кВ до нашого об’єкту і розглянемо економічний ефект від зміни перерізу кабеля.

Визначимо оптимальний переріз чотирижильного кабелю типу YAKXS завдовжки 50 м для живлення нашого об’єкту розрахунковою потужністю 583,12 кВт при напрузі 0,4 кВ. Кількість годин використання максимуму навантаження Т_макс – 700 год, спосіб прокладання кабелю – в траншеї. Відстань між кабелями – 100 мм, фактична температура середовища відповідає нормованій.

Отже, маємо такі вихідні дані:

Р_роз = 583,12 кВт; U_ном = 0,4 кВ; L = 50 м; ρ = 0,031 Ом·мм²/м; Тмакс = 700 год; j_ек = 1,6; γ = 150 коп/кВт·год.

1. Вибір перерізу кабелю за умови, що I_доп ≥ I_ном.

Визначимо номінальний розрахунковий, що проходить по кабелю до об’єкта:

Знайдемо стандартний переріз для першого варіанта розрахунку S_ст1, використовуючи значення номінального струму двигуна. Для живлення двигуна беремо кабель 3хYAKXS-4х185 за умови, що I_доп ≥ I_ном з довготривало допустимим струмом І_{доп.сум} = n·К·І_доп, де n – кількість кабелів, n=3; К – поправочний коефіцієнт на кількість працюючих кабелів, К=0,85, I_доп = 3·340·0,85 = 867 А, що більше номінального – 841,66 А.

Опір кабельної лінії визначимо із виразу

Втрати електроенергії в кабелі ∆W під час роботи об’єкта протягом року за Т_роб = 8∙250=2000 год знайдемо для нормального режиму роботи двигуна у разі завантаження його на 80%.

де I_норм – струм нормального режиму роботи

Вартість втрат електроенергії становить

Вартість кабелю YAKXS стандартним перерізом 185 мм² і монтажних робіт K₁ при прокладанні кабелю в траншеї визначимо з виразу:

де n – кількість кабелів; К₀ = 203,6 тис.грн/км

Приведені затрати, грн, визначимо з виразу, підставивши відповідні значення величин:

де р – банківський відсоток ефективності капіталовкладень – 0,1; Е_а – відрахування на амортизацію – 0,063; Е_п.р – відрахування на поточний ремонт і виплату заробітної плати – 0,03.

Збільшимо переріз та порахуємо зведені витрати:

Опір кабельної лінії визначимо із виразу

Втрати електроенергії в кабелі ∆W під час роботи об’єкта протягом року:

Вартість втрат електроенергії становить

Вартість кабелю YAKXS стандартним перерізом і монтажних робіт при прокладанні кабелю:

де n – кількість кабелів; К₀ = 203,6 тис.грн/км

Приведені затрати:

Збільшимо переріз ще та порахуємо зведені витрати:

Опір кабельної лінії визначимо із виразу

Втрати електроенергії в кабелі ∆W під час роботи об’єкта протягом року:

Вартість втрат електроенергії становить

Вартість кабелю YAKXS стандартним перерізом і монтажних робіт при прокладанні кабелю:

де n – кількість кабелів; К₀ = 299 тис.грн/км

Приведені затрати:

Результати подальших розрахунків наведені в табл.12.

Таблиця 12

Тип кабелю	Sст, мм.кв	К-ть кабе-лів	Sст.сум, мм.кв	К0, тис. грн/км	К, тис. грн	W, кВт*год	С, тис. грн	З, тис. грн
3хYAKXS-4х185	185	3	555	203,6	30,54	7597,63	11,40	17,29
4хYAKXS-4х185	185	4	740	203,6	40,72	5689,9	8,55	16,41
4хYAKXS-4х240	240	4	960	299	59,8	4393,18	6,6	13,63

Згідно з даними табл.5 мінімальні приведені затрати відповідають живленню об’єкта 4 кабелями стандартними перерізами 240 мм², тобто 4хYAKXS-4х240 сумарним стандартним перерізом 960 мм² і тому даний сумарний переріз буде оптимальним. За цих умов оптимальна величина економічної густини струму, А/мм², становить

що значно менше значення економічно вигідної густини струму з ПУЕ, jек = 1,6.

Терміни окупності капітальних витрат при впровадженні оптимального варіанта вибору кабелю для живлення обєкта, що відповідає мінімуму приведених затрат становлять:

На рис.4 показано графік залежності приведених затрат від сумарного стандартного перерізу кабелю З = f(S_ст.сум), який також підтверджує, що оптимальним буде переріз S_{ст.опт.сум} = 960 мм².

Рис.4 Відношення зведених затрат до обраного перерізу

1.6. Формування графіків навантаження

Побудова графіків електричних навантажень цеху

Задаємося типовим графіком навантажень для машинобудівного цеху (рис.5). Попередньо задамося параметрами ступенів навантаження табл.13.

Таблиця 13

Для однієї зміни - 8 год.
Добове навантаження цеху
Ступінь	Рр,%	Рр, кВт	Тступ.г, год	Тступ.д, діб	Рр∙Тступ
1	35	204,09	1	250	51023
2	75	437,34	1	250	109335
3	85	495,65	1	250	123913
4	100	583,12	1	250	145780
5	55	320,72	1	250	80179
6	90	524,81	1	250	131202
7	65	379,03	1	250	94757
8	45	262,40	1	250	65601

Рис.5. Добовий графік навантаження для однієї восьми годинної зміни

1.6.1. Розрахунок середнього добового активного споживання

Визначимо середнє значення споживаної потужності за добу:

де  – час дії кожного ступеня протягом доби, год;  – потужність кожної ступені, кВт,  – сумарна розрахункова потужність, кВт.

1.6.2. Розрахунок максимального навантаження в години контролю максимуму

де  – середнє споживання електроенергії протягом доби.

1.6.3. Розрахунок коефіцієнта заповнення добового графіка навантаження

Коефіцієнт заповнення графіка навантаження (розглядають окремо коефіцієнт заповнення ранкового та вечірнього максимуму):

де  – коефіцієнт заповнення ранкового та вечірнього максимуму.

Так як, максимум припадає на ранок (8-11 год), то будемо розраховувати коефіцієнт заповнення тільки для ранкового максимуму:

1.6.4. Обсяг споживання електричної енергії за рік. Річний графік навантаження

Побудуємо річний графік навантаження нашого об’єкту (рис.6).

Рис.6. Річний графік навантаження

1.6.5. Обсяги споживання електричної енергії за рік

Визначаються обсяги споживання енергії за рік, враховуючи показники добового навантаження електрообладнання та графіка технологічного навантаження за добу.

Розрахуємо обсяг споживаної електричної енергії за добу:

Розрахуємо обсяг споживаної електричної енергії протягом року:

де  – кількість годин споживання протягом року, оскільки  годин.

2. Спеціальна частина 2.1. Характеристика компресора як споживача електроенергії Енергозберігаючі заходи в компресорних установках

Виробництво стисненого повітря – це вкрай неефективний процес. Близько 90% електроенергії, яка витрачається на виробництво стисненого повітря, втрачається у вигляді тепла. Менше 10% витраченої електроенергії перетворюється у корисну. Недосконала конструкція і витоки повітря з трубопроводів розподілення призводять до подальшого зниження ефективності ще на 30-50%.

Як правило, на українських підприємствах використовуються розміщені на спільній компресорній станції об’ємні поршневі компресори для централізованої подачі стисненого повітря трубопроводами в будівлі і на окремі виробничі лінії. Продуктивність компресорів контролюється, зазвичай, за допомогою підпружиненого запобіжника клапана. Це призводить до того, що споживання електроенергії компресорами не змінюється навіть тоді, коли відпадає необхідність подачі стисненого повітря на короткий або тривалий період часу. Клапан просто випускає повітря в атмосферу, у той час як компресор продовжує працювати. Існує також проблеми чистоти стисненого повітря. На деяких виробництвах (наприклад, у харчовій промисловості) досить актуальною є проблема подачі стисненого повітря без домішок води й олив.

На рис.7 наведена типова схема мережі стисненого повітря на підприємстві.

Для систем стисненого повітря, як і для інших систем, які використовують енергоносії, є характерними три підсистеми:

-         виробництво стисненого повітря;

-         транспортування і розподілення;

-         споживання.

Рис. 7. Схема системи стисненого повітря

Елементи системи:

1 – всмоктуваний повітряний фільтр;

2 – компресори;

3 – охолоджувач на виході;

4 – мастиловологовідділювач;

5 – повітроприймач;

6 – додаткова сушарка повітря;

7 – розподільча мережа;

8 – пневмоінструмент.

Згідно вихідних даних для проведення енергетичних заходів була дана наступна компресорна установка (табл.14):

Таблиця 14

Позначення	Тиск кінцевий надлишковий, кгс/см2	Продуктивність за умовами всмоктування, м3/хв	Продуктивність по стисненому повітрю, м3	Потужність двигуна, кВт	Частота обертання, об/хв	Об’єм ресивера, л	Вага, кг	Габаритні розміри, мм
ПКС-3,5 А	7,0	3,5	0,045	30	1470		600	1630х890х1070

Орієнтовна ціна – 49 980,00грн.

Компресори ПКС-3,5А призначені для виробництва і отримання якісного стисненого повітря і забезпечення цим стисненим повітрям різних пневмоінструментів і механізмів в промисловості і виробництві, а також у будівництві та ремонті при проведенні будівельно-монтажних, дорожніх і ремонтних робіт.

Шукаючи альтернативну заміні даному устаткуванню, я розглядав можливість встановлення установок від відомої німецької фірми Kaeser, далі УКВШ (Сумський завод), на останок ALMiG.

Дізнавшись, що для харчової промисловості можуть використовуватись усі види компресорів [4], зокрема, для цукрової промисловості, що мене і цікавило, я зрештою зупинився на компресорі КТ-6.

Отже, мною була обрана модель КТ-6, що більш продуктивніший від заданої.

Зведемо її параметри до наступної таблиці 15:

Таблиця 15

Позначення	Тиск кінцевий надлишковий, кгс/см2	Продуктивність за умовами всмоктування, м3/хв	Продуктивність по стисненому повітрю, м3	Потужність двигуна, кВт	Частота обертання, об/хв	Об’єм ресивера, л	Вага, кг	Габаритні розміри, мм
КТ-6	9,0	5,3	-	22	440	-	600	1255х760х1050

Режим роботи при тиску нагнітання ПВ, %, – (5 кгс/см² – 50%; 9 кгс/см² – 100%).

Орієнтовна ціна – 50 800,00грн.

Застосування даних компресорів:

-       На промислових об’єктах;

-       В ремонтно-механічних виробництвах;

-       В автосервісних майстернях;

-       В будівельних, дорожніх та інших виробництвах.

Установки автоматизовані. Система автоматики забезпечує підтримку робочого надлишкового тиску в межах 5,0-9,0 кгс/см².

Електричне живлення установок здійснюється від трифазної мережі змінного струму напругою 380 В, частотою 50 Гц.

Переваги:

-       Компактність конструкції;

-       Висока надійність і безпека в експлуатації;

-       Наявність ресиверів (повітрозбірників);

-       Мала енергоємність;

-       Можливість безперервної роботи;

-       Невисокі експлуатаційні витрати.

Загальна таблиця компресорі з параметрами (табл.16).

Таблиця 16

Позначення	Тиск кінцевий надлишковий, кгс/см2	Продуктивність за умовами всмоктування, м3/хв	Продуктивність по стисненому повітрю, м3	Потужність двигуна, кВт	Частота обертання, об/хв	Об’єм ресивера, л	Вага, кг	Габаритні розміри, мм
ПКС-3,5 А	7,0	3,5	0,045	30	1470	-	600	1630х890х1070
КТ-6	9,0	5,3	-	22	440	-	600	1255х760х1050

К_в= 0,65; cosφ=0,85; tgφ=0,62.

Розрахуємо економічну ефективність від впровадження даного заходу

1) Річне споживання електроенергії:

За рік новий компресор при роботі 8 год/добу в одну зміну споживатиме наступну кількість енергії:

де Р – потужність двигуна, кВт;

К_в – коефіцієнт використання (за умовою становить 0,65);

t – тривалість роботи установки протягом доби (за умовою 8 год);

 – кількість робочих днів в році.

За рік застарілий компресор потужністю 30 кВт споживає наступну кількість енергії:

За даним показником спостерігається економія, але також слід врахувати, що продуктивність нового компресора дещо вища ніж у старого.

2) Використання холодного зовнішнього повітря для живлення компресора:

Ефектом від впровадження даного заходу є енергозбереження і скорочення витрат, що йдуть на виробництво стисненого повітря, а також простота установки.

У багатьох випадках головна компресорна установка розміщується поряд з основними споживачами стиснутого повітря з метою зниження втрат при його транспортуванні по трубопроводах. Внаслідок цього компресорні установки часто знаходяться в підземних або внутрішніх приміщеннях виробничих об’єктів. При цьому, як правило, доступ свіжого зовнішнього повітря приміщень, температура яких зазвичай перевищує температуру зовнішнього повітря. Згідно із законами термодинаміки, стиснення теплого повітря вимагає більших затрат енергії, ніж холодного. У технічній літературі наголошується, що кожні 5°С підвищення температури на вході компресора вимагають збільшення споживаної потужності приблизно на 4%.

Тому зниження енергоспоживання може бути досягнуте за допомогою простої організації живлення компресора зовнішнім повітрям, особливо в зимовий період, коли в багатьох районах різниця між температурою зовнішнього повітря і температурою у приміщеннях може перевищувати 5°С у декілька разів. Підведення зовнішнього повітря до компресора загалом може бути організовано за допомогою повітроводу.

Залежно від довжини останнього, може знадобитися установка додаткового вентилятора, енергоспоживання якого має бути враховане при плануванні даного заходу. Повітрозабірна установка повинна знаходитися на північній стороні об"єкту або, принаймні, в місці, яка більшу частину часу знаходиться в тіні.

Оскільки при роботі компресора утворюється значна кількість тепла, в компресорних установках завжди спостерігається підвищена температура незалежно від того, чи організована утилізація цього тепла. Досить часто температура повітря в компресорних установках навіть у зимовий період досягає 30-35°С. Чим більше різниця між температурою в приміщенні і температурою зовнішнього повітря, тим більше потенціал енергозбереження. При цьому слід мати на увазі, що об"єми енергозбереження пропорційні часу роботи компресора.

Зниження температури повітря, що поступає в компресор, за рахунок холодного зовнішнього повітря можливо практично в будь-яких умовах. Інколи досить виконати в зовнішній стіні круглий отвір, з"єднавши його з компресором за допомогою повітроходу. Якщо розташування компресорної установки робить подачу зовнішнього повітря неможливою, слід поліпшити її вентиляцію. Згідно з оцінками, подібні заходи застосовуються в 50% випадків. Організація подачі холодного зовнішнього повітря не спричиняє за собою значних витрат, оскільки атмосферне повітря є безкоштовним, і пов"язана з такими економічними перевагами, як скорочення часу роботи компресорів або споживана ними електрична потужність.

За рік компресор потужністю 22 кВт споживає наступну кількість енергії:

При зниженні температури споживання повітря на 5°С спостерігається зниження енергоспоживання до 4%. Таким чином щорічне енергоспоживання складає:

Простий термін окупності проекту складе:

де вартість монтажу нового компресора складає 12%.

3) Централізована система управління системою стисненого повітря:

За даними дослідження в рамках проекту SAVE, оснащення існуючих систем стиснутого повітря сучасними системами управління є заходом, що реалізується і є економічно ефективним для 20% існуючих систем. Використання складних систем управління повинне розглядатися як таке, що відповідає сучасному рівню розвитку технологій.

Найбільші об"єми енергозбереження можуть бути досягнуті у тому випадку, коли установка сучасної системи управління планується на етапі проектування системи стиснутого повітря разом з вибором компресорів або в процесі модернізації системи, що передбачає заміну основного устаткування (в т.ч. компресорів). У цьому випадку слід приділити увагу вибору центрального керуючого пристрою і контролерів окремих компресорів, що володіють сучасними, розвиненими і взаємно сумісними комунікаційними функціями.

Внаслідок тривалого терміну служби систем стиснутого повітря цей оптимальний сценарій не завжди є реалістичним, але оснащення існуючої системи центральним керуючим пристроєм і навіть – за відсутності прогресивнішої альтернативи – підключення до нього старих компресорів з використанням реле з плаваючим контактом може забезпечити значне енергозбереження.

Економічна ефективність оснащення проектованої системи стиснутого повітря централізованою системою управління залежить від ряду чинників, включаючи часовий графік споживання, тип компресорів, протяжність кабелів. Згідно з оцінками, середній об"єм енергозбереження в результаті використання такої системи складає 12 %. В разі додавання централізованої системи управління до діючої системи існують додаткові чинники невизначеності, наприклад, проблеми, пов"язані з інтеграцією застарілого обладнання.

Отже, розрахуємо ефективність від реалізації даного заходу.

Затрати складають: загальні затрати на впровадження системи складають приблизно 40000 грн. За рік компресор потужністю 22 кВт споживає 57200 кВт∙год електроенергії.

Очікувана економія електроенергії складає:

Простий термін окупності проекту складе:

Підіб’ємо підсумки застосування МЕЗів у наступній таблиці 17.

Підсумок заходів енергозбереження електричної частини

Таблиця 17

Назва ЗЕЗу	Економія	Термін окупності, роки
Одиниця енергії, кВт∙год	Грошова одиниця, грн
Використання холодного зовнішнього повітря для живлення компресора	57200	82368	8 місяців
Централізована система управління системою стисненого повітря	57200	75504	6 місяців

2.1.1. Розрахунок економії електричної енергії під час роботи компресора в холостому ході

Компресор працював на 30% у холостому ході протягом 20% часу від загального часу роботи на протязі року.

Отже, спожита енергії під час роботу в холостому режимі складе:

В грошах:

Тоді, економія від роботи в холостому режимі складе:

де

Економія під час роботи компресора в холостому ході склала більш ніж два рази.

2.1.2. Розрахунок витоків повітря

Розрахунок витоків через отвір пошкодження будемо проводити за допомогою розрахункової таблиці 18:

Таблиця 18

Діаметр отвору пошкоджень d, мм	Тиск в трубопроводі
4 бар	6 бар	8 бар	10 бар
Витрата витоків, л/с	Потужність, кВт	Витрата витоків, л/с	Потужність, кВт	Витрата витоків, л/с	Потужність, кВт	Витрата витоків, л/с	Потужність, кВт
1	0,7	0,2	1	0,3	0,3	0,5	1,6	0,7
5	18	4,6	26	8	33	13	40	17
10	73	18	103	33	132	50	161	69

Згідно з вихідними даними тиск в системі становить – 7,0 Атм, сумарний переріз отворів пошкоджень за умовою становить 13 мм².

Отже, знайдемо діаметр отвору, знаючи його переріз:

Тоді, знаючи точний діаметр пошкоджень, використовуючи метод інтерполяції можемо знайти кількість витоків повітря л/с:

Використовуючи метод лінійної інтерполяції маємо:

Тобто, g_вит = 24,14.

Отже, розрахункові витоки через отвір діаметром 4,07 мм при тиску 7 Атм, складають 24,14 л/с.

Розрахуємо річні витоки:

Т = k_днів ∙ Т_змін = 250 ∙ 8 = 2000 год.

де k_днів – кількість робочих днів в році, k_днів =250 днів.

Витоки: 3шт. – 1 мм², 2 шт. – 5 мм², робота в одну зміну – 8год;

 – величина витоку через отвір пошкодження, мм;

 – площа отвору пошкодження, мм².

Знаючи точний діаметр пошкоджень, використовуючи метод інтерполяції можемо знайти кількість використаної енергії під час витоків:

Використовуючи метод лінійної інтерполяції маємо:

Тобто, W_вит = 8,16.

Отже, розрахункове значення діючого значення спожитої потужності при витоках становить 8,16 кВт.

Розрахуємо річні втрати потужності при витоках:

2.2. Характеристика насоса як споживача електроенергії 2.2.1. Енергоефективність насосного обладнання для водопостачання

Загальне споживання енергоресурсів в чималому ступені залежить від насосного обладнання. ККД насосної станції часто виявляється нижче ККД встановлених на ній окремих насосів. Причина низької енергоефективності полягає в невідповідності робочих характеристик обладнання і системи в цілому, а також у неправильному управлінні нею. Для підвищення ефективності підприємства необхідно знизити вартість експлуатації насосного обладнання, підвищити його надійність і довговічність. Таким чином, потрібно модернізація обладнання з урахуванням всіх особливостей технологічних процесів, що протікають в системі.

Аналіз поточної ситуації

За різними оцінками до 20-25% світового споживання усієї вироблюваної електроенергії припадає на насосне обладнання. У деяких галузях цей показник сягає 50% і більше. До таких галузей поряд з нафтовидобувної, нафтопереробної, хімічної, целюлозно-паперової промисловості відноситься галузь водопостачання та водовідведення, де до 85% витрат на експлуатацію насосного обладнання складають витрати на електроенергію.

Оскільки зниження енергоспоживання для організацій ЖКГ є пріоритетним завданням, економічна ефективність водопровідно-каналізаційного господарства в цілому безпосередньо пов"язана з використанням насосного обладнання. У даній статті розглядаються основні способи зниження енергоспоживання в насосних системах.

Сформована до теперішнього часу практика свідчить про вкрай неефективну експлуатацію насосного обладнання. Нерідкі випадки, коли ККД насосних систем не перевищує 10-20%, в той час як ККД встановлених у них насосів становить 60-90%.

Основними причинами неефективної експлуатації насосного устаткування є:

• установка таких насосів, у яких показники напору і подачі перевищують вимоги системи;

• регулювання режиму роботи насосів шляхом дроселювання (за допомогою дросельної засувки);

• знос устаткування.

2.2.2. Основні причини низької ефективності насосів

Розглянемо вплив основних елементів насосної системи на її ефективність. Оскільки в межах статті описати різноманіття насосних систем неможливо, уявімо, що в найзагальнішому вигляді насосна система складається з насоса, трубопроводів, запірної регулюючої арматури, всмоктуючого і напірного резервуарів, як показано на рис. 8.

Рис.8 Узагальнена схема насосної установки

Кожен з елементів системи має свої гідравлічні характеристики.

Характеристика системи включає дві складові: статичний напір і динамічний напір (втрати на тертя). У загальному вигляді характеристика системи описується наступною залежністю:

Статичний напір (Н_стат.) характеризується геометричною висотою, на яку необхідно підняти рідину. Іноді до величини статичного напору додається величина різниці тисків у приймальному і напірному резервуарах.

Втрати на тертя (Н_тертя) – це сукупність всіх виникаючих в системі втрат при русі рідини (тертя в трубопроводах, втрати в трубопровідної арматури і т.д.) залежно від значення витрати. У загальному вигляді втрати на тертя визначаються за формулою:

де Q² – величина витрати; k – коефіцієнт пропорційності.

Типова характеристика відцентрового насоса, найбільш часто вживаного в системах водопостачання, наведена на рис. 9.

Рис.9 Характеристики насосу та системи. Режими роботи насосу

Як правило, на напірно-витратній характеристиці насоса вказують його робочий діапазон, тобто область режимів роботи, що гарантують його максимальну надійність і найбільш високий ККД. Робоча точка встановленого в системі насоса визначається перетином його характеристики з характеристикою системи. Ця точка повинна знаходитися в робочій області характеристики насоса (точка 1, рис. 9).

При дотриманні цієї умови ККД насоса досягає максимуму. Робота насоса в допустимому діапазоні також забезпечує його надійність, в той час як робота на нерозрахованих режимах характеризується низьким ККД (точки 2 і 3, рис. 9).

2.2.3. Заміна насосів старих типів на нові з більших ККД

Розглянемо приклад заміни двох насосів ЦНС(г)38-110 з електро-двигуном АИРУ 100L2, на насоси Grundfos CR 45 з встановленням системи автоматичного управління приводами НС.

Система автоматичного управління насосною установкою призначена для автоматичного, економічного управління електроприводами насосної установки різного призначення, типу і потужності з одним або декількома насосами. Така система виконує функції плавного, безударного пуску і зупинки, регулювання технологічних параметрів за допомогою зміни в автоматичному режимі частоти обертання приводного електродвигуна, сигналізації, діагностики, захисту, місцевого і дистанційного керування, управління допоміжними електроприводами,а також забезпечує струмовий захист і захист від перевантаження основних і допоміжних приводів насосної установки, захист від заклинювання двигуна насоса.

Впровадження системи автоматичного управління насосною установкою дає можливість забезпечити надійність роботи насосної установки, регулювати технологічні параметри, що дає змогу знизити витрати електроенергії.

Пропонується впровадити систему автоматичного управління для двох підкачуючих насосів.

Вихідні дані:

Таблиця 19

Марка	ЦНС(г)38-110	Grundfos CR32-9-2
Потужність двигуна, Р, кВт	17	18,5
Напір, Н, м	110	285,53
Подача, Q, м3/год	38	38
ККД насосу, %	0,67	0,78
ККД двигуна, %	0,857	0,91
Напруга живлення, В	380	380
cosφ	0,65	0,86
Маса, кг	239	180

Приводи мережевих насосів  працюють 2000 год/рік. В такому випадку економія електроенергії становитиме:

Середня потужність, що споживається двигуном:

Теоретична потужність, що споживається двигуном з урахуванням зменшення ККД внаслідок старіння НС:

Тоді річна економія грошових витрат розраховується:

де  b – тариф на електроенергію, b = 1,5 грн/кВт∙год.

Вартість насоса Grundfos CR-32-9-2 становить 12000 грн, роботи по встановленню насоса становить приблизно 12% від суми, в грошовому еквіваленті –  13440грн. Вартість частотного регулятора становить 10000 грн. Розраховуємо простий термін окупності:

де К – витрати на впровадження заходу, грн.

Розрахуємо уточненій термін окупності:

де   – залишкова вартість двох старих НС с відрахуванням на їх демонтаж. Вартість коштів від продажу двох старих двигунів становить 7000, демонтаж становить 12% від загальної суми, тоді =7000∙0,88=6160 грн.

Впровадження при таких техніко-економічних показниках можна вважати доцільним.

2.2.4. Розрахунок витоків води

Розрахунок витоків через отвір пошкодження будемо проводити за допомогою розрахункової таблиці:

Таблиця 20

Тиск в системі (Атм)	Витоки води через отворі перерізом 1 мм2(л/год)
2	33
3	47
4	56
5	66
6	75
7	81
8	88
9	94
10	100

Згідно з вихідними даними тиск в системі становить – 10,79 Атм, отже витоки через отвір перерізом 1 мм² становлять 100 л/год, або 0,1 м³/год.

Розрахуємо витоки:

Т = k_днів ∙ Т_змін = 250 ∙ 8 = 2000 год.

де k_днів – кількість робочих днів в році, k_днів =250 днів.

Витоки: 3шт. – 1 мм², 2 шт. – 5 мм², робота в одну зміну – 8год;

 – величина витоку через отвір пошкодження, м³;

 – площа отвору пошкодження, мм²;

 – витоки через отвір перерізом 1 мм², що становлять 0,1 м³/год.

2.3. Вентиляційні системи

Споживання енергії вентиляційними системами (рис.10) становить значну частину від загального споживання на підприємстві.

Як правило, ці системи є елементами технологічних установок і засобом забезпечення у виробничих приміщеннях необхідних санітарно-гігієнічних умов. У той самий час, ці системи значно впливають на споживання енергії системами опалення й охолодження будинків.

Можна припустити, що в зв’язку з прийняттям нових стандартів з кліматичних умов всередині виробничих та інших будівель, у майбутньому буде встановлюватися все більша кількість вентиляційних систем.

Споживання енергії працюючими вентиляторами дуже просто оцінити виходячи з часу їхнього наробітку. Однак загальне споживання енергії з урахуванням нагрівання повітряного потоку бути істотним.

До початку робіт з енергозбереження слід розглянути наявне навантаження. Потрібно з’ясувати, яка реальна потреба у вентиляції, чи змінилася ця потреба з того моменту, коли конструювалися і споруджувалася вентиляційна система. Потім доцільно визначити параметри основного навантаження: теплове навантаження, вологість, а також наявність викидів різних газів у вентильованому приміщенні, присутність у повітрі твердих часток і т.ін.

Елементи системи:

1 – шибер;

2 – фільтр;

3 – витяжний вентилятор;

4 – нагнітальний вентилятор;

5 – теплообмінник;

6 – охолоджувальна поверхня;

7 – нагрівальна поверхня;

8 – зволожувач.

Рис.10 Схематичне зображення системи вентиляції

Розглянемо типові можливості енергозбереження:

1. Модифікація основного і допоміжного електроустаткування.

Іноді теплове навантаження або, наприклад, деякі гази, що генеруються одним якимось пристроєм у вентильованій зоні вимагають майже всієї продуктивності вентиляційної системи. Модифікуючи такий пристрій або процес, можна одержати деякі переваги як в ефективності самого технологічного процесу, так і виграти за рахунок підвищення ефективності вентиляції.

2. Скорочення тривалості відчиненого стану дверей.

Під час охолодження або нагрівання будинків за допомогою вентиляційних систем великі втрати можуть виникнути внаслідок інфільтрації зовнішнього повітря. Використовуючи можливості створити закриті перехідні камери на дверях, застосовуючи пластикові завіси або інші пристрої, можна ці втрати значно скоротити.

3. Блокування вентиляторів повітряних завіс з механізмом відкривання воріт.

У випадку блокування вентиляторів теплових завіс із механізмами відкривання воріт теплова завіса вмикається автоматично і працює протягом відкритого стану воріт, а після закривання їх завіса вимикається.

2.3.1. Розрахунки щодо впровадження енергозберігаючих рішень в вентиляційних системах

Заміна вентиляторів старого типу з низьким ККД вентиляторами нового типу дає економію електричної енергії.

За умовою відомо, що в нас встановлена локальна витяжна система в кількості 4 шт. та номінальною потужністю споживання 3 кВт. Старий вентилятор марки ВЦ-4-75 №5 має такі параметри (табл.21):

Таблиця 21

Тиск, H, Па	250-700
Продуктивність, Q, м3/год	3000-6000
ККД вентилятора, %	70
Двигун марки	АИР-100S4 - 3 кВт
ККД двигуна, %	81,4

Отже, розрахуємо споживану потужність протягом року без впровадження енергозбереження:

де Q – продуктивність вентилятора, м³/с; H – тиск вентилятора, кгс/м²;  – ККД старого вентилятора;  – ККД старого двигуна;  – ККД мережі.

Оскільки вентилятор та двигун далеко не нові, відповідно їх ККД дещо знизився з роками, тоді до формули доцільно внести також коефіцієнт зносу, k_знос = 1,25.

За аналогічною формулою знайдемо спожиту потужність протягом року після заміни вентилятора на новий ВЦ-4-75 №3,15 з більшим ККД (табл.22) але зі старим двигуном:

Таблиця 22

Тиск, H, Па	200-1200
Продуктивність, Q, м3/год	1500-6000
ККД вентилятора, %	81

Знайдемо спожиту потужність після заміни вентилятора та двигуна на новий. Параметри нового двигуна занесемо до таблиці 23.

Таблиця 23

Двигун марки	АИР-100S4 - 3 кВт
ККД двигуна, %	81,4

Порівнявши результати можемо дійти висновку, що після заміни вентилятора та двигуна на нові, споживання електричної енергії значно зменшується.

Прорахуємо ще споживання електричної енергії після впровадження частотного регулювання:

де  – коефіцієнт, що відповідає 40% економії при впровадженні частотного регулювання.

Отже, тепер можемо прорахувати все в грошах.

Без впровадження енергозберігаючих рішень:

Після заміни вентилятора на новий:

Після заміни вентилятора та двигуна на новий:

Після впровадження частотного регулювання:

Отже, економія коштів від впровадження енергозберігаючих рішень складатиме:

Заміна вентилятора:

Заміна двигуна:

При впровадженні всіх рішень:

Визначимо термін окупності при впровадженні енергозберігаючих рішень:

Термін окупності при заміні вентилятора:

де вартість вентилятора складає, K = 1397 грн; монтаж 12% від загальної суми вартості вентилятора.

Термін окупності при заміні вентилятора та двигуна:

де вартість двигуна складає, K = 3500 грн.

Термін окупності при впровадженні всіх енергозберігаючих рішень:

де вартість впровадження частотного регулювання складає, K = 10 тис.грн; встановлення 12% від загальної ціни.

2.4. Компенсація реактивної потужності

Компенсування реактивної потужності є складовою частиною комплексу організаційно-технічних заходів щодо регулювання режимів електроспоживання й обмеження максимумів навантаження  на промислових підприємствах.

Реактивна потужність визначається за синусоїдної напруги мережі живлення в такий спосіб:

- У випадку однофазних навантажень – як добуток діючих значень прикладної напруги і першої гармоніки споживання струму на синус кута зміщення між ними;

- У випадку трифазних навантажень – як алгебраїчна сума фазних реактивних потужностей.

Потреба в реактивній потужності зазвичай перевищує можливості її покриття генераторами на електростанціях, оскільки дуже велика частина промислових навантажень – це споживачі реактивної потужності.

Основними споживачами реактивної потужності на підприємствах є:

·     асинхронні двигуни (45-65%);

·     електропічні установки (85);

·     вентильні перетворювачі (10%);

·     трансформатори всіх ступенів трансформації (20-25%).

Практично всі показники якості електроенергії за напруги залежать від обсягів споживання реактивної потужності промисловими навантаженнями.

Зниження споживання реактивної потужності, тобто збільшення коефіцієнта потужності дозволяє:

- знизити діюче значення споживаного струму і зменшити переріз передавальних елементів мережі;

- зменшити повну потужність і знизити встановлену потужність трансформаторів, а так само і їх кількість;

- скоротити втрати активної потужності і зменшити потужність генераторів на електростанціях.

У табл.22 наведені дані, що ілюструють, як зміни cosφ позначаються на втратах електроенергії.

Таблиця 24

Попередній cosφ	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7	0,8
Новий cosφ	0,8	0,9	0,8	0,9	0,8	0,9	0,9
Зниження струму, %	37,5	44,5	25	33	12,5	22	11
Зниження втрат електроенергії, %	61	69	43,5	55,5	23	39,5	21

Сутність будь-яких заходів щодо зниження споживаної реактивної потужності полягає в обмеженні впливу електроприймача на живильну мережу за допомогою впливу на сам електроприймач.

Типові можливості енергозбереження.

1. Підвищення завантаження технологічних агрегатів за потужністю:

·      збільшення завантаження асинхронних двигунів (збільшення робочого струму асинхронних двигунів підвищує коефіцієнт потужності);

·      перемикання обмоток недовантажених асинхронних двигунів від трикутника до зірки знижує потужність двигуна в 3 рази, і це цілком доцільно робити у випадку завантаження до 40%;

·      потужність трансформаторів повинна вибиратися близькою до необхідного навантаження.

2. Підвищення завантаження технологічних агрегатів за часом, у тому числі застосування обмежувачів неробочого (холостого) ходу асинхронних електродвигунів і зварювальних агрегатів.

3. Заміна асинхронних двигунів синхронними.

4. Заміна, перестановка і вимкнення мало завантажених технологічних агрегатів, наприклад трансформаторів, завантажених менш ніж на 30% номінальної потужності.

Технічні засоби компенсації реактивної потужності вибираються після ретельного техніко-економічного аналізу в зв’язку з високою їх вартістю і складністю. Природно, компенсація реактивної потужності повинна здійснюватися до економічно виправданого рівня.

Під час розроблення заходів щодо зниження реактивної потужності спочатку необхідно знизити реактивність споживачів і тільки потім розглядати технічні способи її компенсації.

Приклади технічних заходів компенсації реактивної потужності:

·     обертові компенсатори (синхронні двигуни полегшеної конструкції без навантаження на валу);

·     комплексні конденсаторні батареї;

·     статичні компенсатори (наприклад, керовані реактори або конденсатори, що комутуються);

·     тиристорні джерела реактивної потужності.

Найбільший економічний ефект досягається при розміщенні заходів компенсації в безпосередній близькості від електроприймача.

Індивідуальна компенсація найефективніша і найдоцільніша у потужних електроприймачів, але вона супроводжується вимкненням компенсую чого пристрою з вимкненням споживача.

2.4.1. Економічний ефект від встановлення статичного конденсатора

Розглянемо економічний ефект від встановлення статичного конденсатора ємністю Q_с (квар) на одному з трансформаторів ТП (централізовано), розрахункові дані:

·     Активна потужність – 583,12 кВт;

·     Реактивна потужність споживача – 414,02 квар;

·     Повна потужність споживача – 715,15 кВА;

·     Коефіцієнт потужності в даний момент – 0,71;

·     Трансформатор – ТСЗС-630/10; U_н=10/0,4 кВ;

·     Кількість робочих годин за рік – 2000 год/рік;

де розрахункові активна, реактивна потужності по цеху складають:

коефіцієнт потужності складає:

Додатково, ще 400 кВт до сумарного активного навантаження, як вказано за умовою, тоді потужності складатимуть:

Отже, встановлюємо статичний конденсатор стандартної ємності 402 квар.

Нова реактивна потужність:

Нова повна потужність:

Новий коефіцієнт потужності:

Скорочення втрат:

де  і , А – повні струми на даний момент і після встановлення конденсатора:

а загальний опір становить

де  та  – опори кабелю та трансформатора:

Зменшення втрат:

Економія електроенергії за рік:

де T – це кількість робочих годин за рік.

Термін окупності:

де

K – це вартість конденсатора враховуючи також всі витрати на перевезення та встановлення K=40 тис.грн.

2.4.2. Сплата за реактивну потужність

Де, реактивна розрахункова потужність складає Q_р = 414,02 квар, час роботи на протязі року враховуючи роботу в одну зміну становить 2000 годин.

Отже, вартість спожитої реактивної енергії при відсутності компенсації становитиме:

де  – вартість електричної енергії, грн/кВт∙год;  – економічний еквівалент реактивної потужності,  кВт/квар.

Вартість спожитої реактивної енергії після компенсації становитиме:

2.5. Обмеження роботи в холостому режимі асинхронних двигунів

При відсутності корисного механічного навантаження асинхронний двигун все ж таки споживає з мережі реактивну потужність і в двигуні і елементах системи електропостачання мають місце втрати енергії. У зв"язку з цим з метою енергозбереження може бути виконано відключення двигуна від мережі на час його холостого ходу.

Підставою для прийняття такого рішення є зіставлення втрат енергії за час роботи двигуна на холостому ходу з втратами енергії, які матимуть місце при новому включенні двигуна в роботу. Якщо втрати енергії при пуску двигуна менше втрат енергії за час його холостого ходу, то відключення забезпечить енергозбереження в електроприводі, і навпаки.

Для ряду споживачів час роботи асинхронних двигунів на холостому ходу досягає 50-60% усього часу роботи. Якщо час роботи двигуна на холостому ходу досить великий, то доцільно на цей час відключати його від мережі. Споживання активної і особливо реактивної енергії при цьому значно зменшиться. При використанні обмежувачів холостого ходу підрахунок економії електричної енергії буде мати вигляд наступного.

Розглянемо на прикладі верстату кількість спожитої електричної енергії під час роботи в холостому режимі.

Номінальна потужність, Р_ном = 3 кВт; кількість верстатів, n =10 шт; коефіцієнт використання, k_в = 0,12.

Розрахункова потужність усіх верстатів становить:

Потужність холостого ходу:

Кількість спожитої електричної енергії під час роботи в холостому ході:

де  – час роботи в холостому режимі, .

Вартість спожитої електричної енергії під час роботи в холостому режимі:

Список літератури

1. «АБИАНА», Продукция: Насосы «GRUNDFOS», - Технические характеристики // http://www.abiana.ru – 2015.

2. «СПЕЦПРОМТЕХ», Промышленное оборудование: Компрессоры ПКС, - Технические характеристики // http://specteh.org.ua – 2013.

3. «Remeza Air Compressors», Промислові компресорні установки та станції: Поршневі компресори серії Remeza, - Технічні параметри // http://www.remeza.com – 2014.

4. «FRUNZE», Промислове обладнання: Компресорні установки та станції, - Технічні параметри // http://www.frunze.com.ua – 2015.

5. «KABLESSKLEP», Силові кабелі: Силові кабелі серії YAKXS, - Технічні параметри // http://www.kablesklep.pl – 2015.

6. «ТЄГУЛ», Світлодіодні освітлювачі: Промислові світлодіодні освітлювальні установки, - Технічні параметри // http://tegur-led.com.ua – 2013.

7. «ІВЄЛСІ», Світлодіодні освітлювачі: Промислові світлодіодні освітлювальні установки, - Технічні параметри // http://ivelsy-led.com.ua – 2013.

8. ООО «СІСТЕМАКС», Промислове обладнання: Промислові вентиляційні установки, - Технічні параметри // http://systemax.com.ua – 2013.

9. «ЭЛЕКТРОМОТОР», Промышленное оборудование: Электродвигатели АИР, - Технические характеристики // http://electronpo.ru – 2009.

10. Б.Н. Неклепаев, И.П. Крючков. Электрическая часть электростанций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.

11. В.Є. Шестеренко, О.В. Шестеренко. Електропостачання промислових підприємств. Посібник для курсового та дипломного проектування. – Київ, 2013. – 424 с.: іл. Табл.

12. Г.Г. Пивняк, Г.К. Вороновський, А.А. Маліновський. Енергетичний аудит з прикладами та ілюстраціями: Навчальний посібник. – Київ: Освіта України, 2009. – 438 с.