Краткое описание технологического процесса

1. Краткое описание технологического процесса

Производственные процессы проектируемого цеха осуществляются в основном, инструментальном, термическом и сварочном отделениях, а также на сборочном участке.

Потребителями основного отделения являются металлообрабатывающие станки средней мощности, к ним относятся: круглошлифовальный, токарно-револьверный, вертикально-сверлильный, токарный полуавтомат, токарный с ЧПУ, горизонтально-проточный, горизонтально-расточный, горизонтально-фрезерный, токарно-винторезный, радиально-сверлильный и другие.

Металлообрабатывающие станки являются трехфазными, по надежности электроснабжения относятся ко второй категории. Устанавливаются стационарно и по площади цеха распределены равномерно.

В проектируемом цехе имеются приемники работающие в повторно-кратковременном режиме – это электроприемники контактной сварки (точечные стационарные, сварочные стыковые, сварочные шовные роликовые, сварочные точечные, сварочные стационарные машины).

Основным технологическим процессом проектируемого в данном курсовом проекте цеха является металлообработка, сварка, термическая обработка, шлифовка, расточка металлических заготовок и сборка металлических конструкций.

Все электроприемники рассчитаны на переменный ток напряжением 380 В промышленной частоты.

Окружающая среда в цехе нормальная, температура не превышает 20-30⁰С. Для удаления технологической пыли, газа и паров, образованных во время производственного процесса и способных нарушить нормальную работу оборудования, в цехе используются семь вентиляционных установок различной мощности.

2. Определение расчетных электрических нагрузок

Определение электрических нагрузок является одним из основных этапов проектирования. По значению электрических нагрузок выбирают электрооборудование и схему системы электроснабжения, определяют потери мощности и электроэнергии. От правильной оценки ожидаемых нагрузок зависят капитальные затраты на систему электроснабжения, эксплуатационные расходы, надежность работы электрооборудования.

Определение максимальных нагрузок производится в два этапа. На первом этапе определяется нагрузка отдельных электроприемников, отдельных цехов и производственных участков, а также всего предприятия.

На этом этапе расчета предполагают отсутствие источников реактивной мощности в СЭС. Результаты первого этапа расчета электрических нагрузок используются как исходные данные для выбора числа и мощности силовых трансформаторов с одновременным определением мощности и мест подключения компенсирующих устройств

Для наиболее точного расчета электрических нагрузок применяют вероятностный метод, к которому относится метод расчетного коэффициента, применяемый для расчета нагрузок промышленных предприятий.

Расчет легко поддается автоматизации с помощью ЭВМ и реализован в программе «ZAPUSK».

Определение расчетных электрических нагрузок на первом этапе производится для выбора силовых трансформаторов цеховой КТП, магистральных шинопроводов. Метод расчетного коэффициента разработан в ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», изложен в «Указаниях по расчету электрических нагрузок» /1/ и производится по нижеизложенной методике.

Для первого этапа расчета нагрузок необходимо разбить электроприемники на характерные категории, т.е. объединить их в группы по сходству режимов работы и близким коэффициентам использования

­  Суммарные номинальные активная и реактивная мощности каждой характерной категории определяется по формулам:

(1)

(2)

где  – активная номинальная мощность электроприемника, кВт;

,  – соответственно номинальные активная и реактивная мощности группы электроприемников, кВт и квар;

 – паспортное или справочное значение коэффициента реактивной мощности электроприемника.

­  Средняя мощность нагрузок каждой категории электроприемников определяется по выражениям:

(3)

(4)

где ,  – соответственно номинальные активная и реактивная мощности за период времени Т, кВт и квар.

­  Средневзвешенные коэффициенты использования и мощности рассчитываются следующим образом:

(5)

(6)

где ,  – соответственно коэффициент использования i-го электроприемника и средневзвешенный коэффициент использования;

 – средневзвешенный коэффициент реактивной мощности.

­  Эффективное число электроприемников по характерной категории определяется по формуле:

(7)

­  На основании рассчитанных параметров и таблицы 1 представленной в /1/ определяется расчетный коэффициент:

;) (8)

где – эффективное число электроприемников;

 – коэффициент расчетной нагрузки.

­  Определяем расчетную мощность по каждой характерной категории:

(9)

(10)

где ,  – соответственно расчетные активная и реактивная мощности, кВт и квар.

­  Полная расчетная нагрузка определяется по следующему выражению:

(11)

Исходные данные для расчета электрических нагрузок проектируемого цеха с выделением характерных категорий представлены в таблице 2. Где электроприемники цеха разбиваются на однородные по режиму работы группы.

Таблица 2 – Исходные данные для расчета электрических нагрузок

Наименование ЭП	№ на плане	Кол-во	Р ном, кВт	Коэффициенты
				Ки	cos φ	tg φ
Первая характерная категория (станки)
1. Круглошлифовальный	1–6, 59–65	13	28	0,13	0,5	1,73
2. Токарно – револьверный	7–11, 87–91	10	18	0,13	0,5	1,73
3. Вертикально-сверлильный	12–16	5	30	0,13	0,5	1,73
4. Токарный полуавтомат	17–22	6	14	0,13	0,5	1,73
5. Горизонтально-проточный	23–27, 114, 115	7	21	0,13	0,5	1,73
6. Токарный с ЧПУ	28–36	9	14	0,13	0,5	1,73
7. Горизонтально-расточный	37–40, 85,86	6	12	0,13	0,5	1,73
8. Горизонтально-фрезерный	41–53	13	23	0,13	0,5	1,73
9. Токарно-винторезный	54–58, 92–94	8	16	0,13	0,5	1,73
10. Радиально-сверлильный	66–73	8	13	0,13	0,5	1,73
11. Вертикально-фрезерный	74–76	3	15	0,13	0,5	1,73
12. Бесцентро-шлифовальный	77–84	8	44	0,13	0,5	1,73
13. Шлифовальный	95–100	6	23	0,13	0,5	1,73
14. Горизонтально-шлифовальный	101, 102	2	30	0,13	0,5	1,73
15. Вертикально-фрезерный	103–105	3	26	0,13	0,5	1,73
16. Радиально-сверлильный	106,107	2	16	0,13	0,5	1,73
17. Токарный с ЧПУ	110, 111	2	20	0,13	0,5	1,73
18. Токарно – револьверный	112, 113	2	24	0,13	0,5	1,73
19. Токарный полуавтомат	116–118	3	15	0,13	0,5	1,73
20. Плоскошлифовальный	119, 120	2	17	0,13	0,5	1,73
21. Вертикально-фрезерный	121–123	3	18	0,13	0,5	1,73
22. Точильно – шлифовальный	124–128	5	30	0,13	0,5	1,73
Вторая характерная категория (вентустановки)
1. Вентустановка	108,109,129	3	14	0,65	0,8	0,75
2. Вентустановка	142	1	18	0,65	0,8	0,75
3. Вентустановка	162–164	4	15	0,65	0,8	0,75
Третья характерная категория (термические установки)
1. Электромаслянная ванна	130, 131	2	15	0,8	0,9	0,48
2. Нагревательная электропечь	132–134	3	20	0,8	0,9	0,48
Продолжение таблицы 2
3. Термическая печь	135–136	2	50	0,8	0,9	0,48
4. Электротермическая печь	137	1	41	0,8	0,9	0,48
5. Электропечь	138–141	4	32	0,8	0,9	0,48
Четвертая характерная категория (контактная сварка)
1. Точечные стационарные	143–146	4	120	0,35	0,5	1,73
2. Сварочные стыковые	147–151	5	70	0,35	0,5	1,73
3. Сварочные шовные роликовые	152–155	4	60	0,35	0,5	1,73
4. Сварочные точечные	156–158	3	90	0,35	0,5	1,73
5. Сварочные стационарные	159–161	3	40	0,35	0,5	1,73

Нагрузка цеха представлена как трехфазной, так и однофазной нагрузкой. Так, в сварочном отделении имеются однофазные электроприемники, которые считаются специфической нагрузкой. Их расчет производиться в ручную и приводиться в приложении А.

Расчет трехфазных нагрузок приемников электроэнергии напряжением до 1000 В проводится с использованием пакета прикладных программ «ZAPUSK». Расчет по характерным категориям цеха трехфазной нагрузки, приведен в приложении Б.

Осветительная нагрузка рассчитывается методом удельной плотности осветительной нагрузки в программе «ZAPUSK». Результаты расчета всех нагрузок цеха приведены в таблице 3. Результаты расчета осветительной нагрузки приведены в приложении В.

Таблица 3 – Результаты расчета электрических нагрузок

Характерная категория	Р ном, кВт	Рср, кВт	Qср, квар	Рр, кВт	Qр, квар	Sр, кВА	Ip, A
Первая характерная категория (станки)	2730	354,9	613,98	230,69	675,38	713,69	1084,3
Вторая характерная категория (вентустановки)	120	78	58,5	70,2	64,35	95,23	144,7
Третья характерная категория (термические установки)	359	287,2	137,86	287,2	151,64	324,78	493,45
Суммарная трехфазная нагрузка по цеху	3209	720,1	810,34	588,09	891,37	1067,88	1622,483
Однофазная нагрузка				338,43	586,16	676,86	1781,21
Осветительная нагрузка	152,88	145,24	70,29	145,24	70,29	161,35	232,89
ИТОГО по цеху				926,52	1477,53	1744,74

Выбор числа и мощности силовых трансформаторов для цеховых трансформаторных подстанций промышленных предприятий должен быть технически и экономически обоснованным, так как он оказывает существенное влияние на рациональное построение схем промышленного электроснабжения.

Критерием при выборе трансформаторов являются надежность электроснабжения, расход цветного металла и потребная трансформаторная мощность

При сооружении цеховых трансформаторных подстанций предпочтение следует отдавать, комплектным трансформаторным подстанциям (КТП), полностью изготовленным на заводах.

Рассмотрим варианты установки одного и двух трансформаторов на КТП.

Мощность трансформатора определяется по следующему выражению:

кВА (12)

где N – количество устанавливаемых на КТП трансформаторов;

Кз – коэффициент загрузки трансформаторов, равен 0,7 для двух трансформаторов на КТП, равен 0,9 при одном трансформаторе.

Принимаем двухтрансформаторную КТП 1000/10 кВА с силовым трансформатором типа ТМ-1000/10.

Выбираем мощность трансформатора, при установке одного трансформатора:

кВА (13)

Принимаем однотрансформаторную КТП 1600/10 кВА с силовым трансформатором типа ТМ-1000/10.

Определяем наибольшую реактивную мощность, которую целесообразно передать в сеть 0,4 кВ через трансформаторы:

Для КТП с двумя трансформаторами:

 квар

Для КТП с одним трансформатором:

 квар

Определяем мощность низковольтных батарей конденсаторов.

Для КТП с двумя трансформаторами:

квар (16)

Для КТП с одним трансформатором:

квар (17)

Определяем дополнительную мощность низковольтных батарей конденсаторов по условию потерь. Для этого находим расчетный коэффициент γ, зависящий от расчетных параметров К_р1 и К_р2 и схемы питания цеховой ТП, при условии работы предприятия в две смены, используя рис 4.8, 4.9 и табл. 4.6, 4.7.

,

γ = 0,37

Для КТП с двумя трансформаторами:

Для КТП с одним трансформатором:

Определяем суммарную мощность низковольтных батарей конденсаторов:

Для КТП с двумя трансформаторами:

квар (20)

Примем к установке 1*УКЛ (П) Н – 0,38 – 432 – 108УЗ

1*УКЛ (П) 0,38 – 300 – 150УЗ

Для КТП с одним трансформатором:

кар (21)

Примем к установке 1*УКЛ (П) Н – 0,38 – 432 – 108УЗ

1*УКЛ (П) 0,38 – 450 – 150УЗ

Таблица 4 – Данные для расчета потерь в трансформаторах

Параметр	Единица измерения	ТМН-1000/10	ТМН1600/10
SНОМ	кВА	1000	1600
DPХХ	кВт	2,1	2,8
DPК	кВт	11,6	16,5
IХ	%	1,4	1,3
ик	%	5,5	5,5

Для оценки наиболее целесообразного варианта необходимо определить затраты на КТП, по следующим выражениям:

, (22)

где Е – коэффициент дисконтирования, определяемый в зависимости от ставки рефинансирования, устанавливается ЦБ, равный Е=0,12;

К_ТП и К_НБК – стоимость трансформаторной подстанции и конденсаторных батарей соответственно;

С – стоимость потерь электрической энергии в трансформаторах и батареях конденсаторов, равная 0,6 руб./кВт;

α – суммарные ежегодные отчисления на амортизацию, ремонт и обслуживание, принимаемые 0,094;

ΔW_ТР – потери электроэнергии в трансформаторах;

ΔW_НБК – потери электроэнергии в НБК.

Для двухтрансформаторной КТП:

Активные потери мощности в трансформаторе

кВт (23)

Потери электроэнергии в трансформаторе:

ΔW_ТР=Р_ТР ∙ Т_Г = 15,57 ∙ 8760=136393,2 кВт∙год; (24)

Потери электроэнергии в НБК:

кВт∙год,

где p_НБК.уд – удельная величина потерь в НБК, равная 0,003 кВт/квар.

Таблица – 5 Стоимость оборудования

ТМН-1000/10, тыс. руб	ТМН1600/10, тыс. руб.	УКЛ (П) Н – 0,38–432–108УЗ тыс. руб.	УКЛ (П) 0,38–300–150УЗ, тыс. руб.	УКЛ (П) 0,38–450–150УЗ, тыс. руб.
28,75	31,07	3,64	2,355	3,385

Таким образом, затраты равны:

тыс. руб. (25)

Аналогичный расчет произведем для однотрансформаторной КТП:

кВт (26)

ΔW_ТР =Р_ТР ∙ Т_Г = 17,37 ∙ 8760= 152248,8 кВт∙год (27)

кВт∙год,

Таким образом, затраты равны:

тыс. руб. (29)

При сравнении двух вариантов очевидно, что затраты на КТП с двумя трансформаторами меньше, чем на КТП с одним трансформатором. Поэтому к установке принимаем двухтрансформаторную КТП с трансформатором ТМ – 1000/10.

Расчет центра электрических нагрузок

При проектировании, с целью определения места расположения цеховой КТП строится картограмма нагрузок. Картограмма представляет собой размещение на генеральном плане цеха окружностей, площадь которых равна в выбранном масштабе расчетным нагрузкам.

Для определения координат ЦЭН на конкретный момент времени, график электрических нагрузок представляют ступенчато, при этом каждая ордината определяется как отношение к максимальной мощности группы электроприемников:

(30)

(31),

где K_i – относительная мощность i-ой группы электроприемников в k-й час суток;

P_i – максимальная мощность i-ой группы электроприемников.

По найденным ЦЭН для каждого часа суток определяется математическое ожидание ЦЭН, среднеквадратическое отклонение и коэффициент корреляции.

(32)

(33)

Среднеквадратическое отклонение:

(34)

(35)

Коэффициент корреляции:

В течение суток ЦЭН смещаются по территории охваченной эллипсом, который и характеризует зону рассеяния ЦЭН.

Для того, чтобы построить эллипс зоны рассеяния ЦЭН необходимо определить угол поворота осей эллипса, относительно выбранной системы координат и полуоси эллипса рассеяния ЦЭН.

Угол поворота осей эллипса:

(36)

Полуоси эллипса рассеяния центров:

(37)

(38)

На основании расчетных значений математического ожидания условного центра нагрузок, координат полуосей и угла поворота осей строится эллипс рассеяния нагрузок. Место расположения источника питания (КТП) выбирается в наиболее удобной его точке. В этом случае высшее напряжение будет максимально приближено к центру потребления электроэнергии, а распределительные сети будут иметь минимальную протяженность. Если по какой-либо причине (технологической, архитектурной и др.) эллипс рассеяния попадает на территорию цеха и нельзя расположить источник питания в зоне рассеяния нагрузок, то его смещают в сторону внешнего источника питания. Данные для построения эллипса приведены в таблице 6.

Расчет радиусов картограммы электрических нагрузок цеха, координат ЦЭН и эллипса рассеяния нагрузок произведен пакетом программ «MathCad 11» фирмы MathSoft и приведен в приложении Г.

Таблица 6 – Данные для построения эллипса рассеяния нагрузок

QX, см	QY, см	σX0	σY0	KK	α, о	X, см	Y, см
10,62	7,25	4,59	3,33	0,72	32,83	12,99	4,9

На основании расчетных данных строится эллипс зоны рассеяния с центром в точке О(10,62; 7,25), углом поворота осей равным 32,83^о относительно выбранной системы координат и откладываются рассчитанные значения полуосей эллипса.