Электроснабжение предприятий

Введение

 

Системы электроснабжения (СЭС) отличаются от других технических систем рядом особенностей: огромным (до нескольких тысяч) количеством элементов, дискретностью рядов их номинальных параметров и многофункциональностью некоторых из них, случайным характером электрических нагрузок и внешних воздействий, распределением элементов СЭС по значительным территориям, многокритериальностью функций управления и ограничений на управляющие воздействия.

Современные СЭС должны обеспечивать оптимальные значения множества критериев: экономичность, в том числе и энергосбережение, надежность, качество электроэнергии, электробезопасность и ряда других. Причем, каждый из перечисленных критериев оптимальности имеет еще и ряд показателей.

Тем не менее, накоплен огромный опыт решения частных задач оптимизации. К ним относятся, как бы, слабо связанные между собой задачи, которые с точки зрения математики могут быть подвержены некой декомпозиции (расчленению): расчет электрических нагрузок, выбор рациональных напряжений линий электропередач, выбор мощности трансформаторов подстанций и т.п. Причем, частные задачи оптимизации СЭС решаются разнородно в различных отраслях: системообразующие сети, районные, городские, промышленные, сельские.

Решение частных задач оптимизации выполняется двумя способами: аналитическим и статистическим. При аналитических решениях, как правило, принимается ряд допущений, существенных и правомерных для рассматриваемой отрасли. Статистические методы используют накопленный опыт проектирования и эксплуатации систем. Результатом накопленного опыта являются многочисленные отраслевые инструкции и нормативные документы, иногда противоречивые по своему содержанию и физической сущности явлений. Следует отметить, что в связи с развитием вычислительной техники, математических основ решения, линейных и нелинейных, непрерывных и дискретных задач оптимизации, частных методик оптимизации, алгоритмов и программ более строгого учета влияющих на оптимизацию СЭС факторов, указанные два подхода к оптимизации СЭС постепенно сливаются, дополняя друг друга.

В проекте приводится попытка оптимального проектирования электроснабжения промышленного предприятия на основе существующих нормативных документов, как базы накопленного интеллектуального, эксплуатационного, организационного и технологического опыта предыдущих поколений энергетиков.

 

Характеристика среды производственных помещений ЭТЦ. Категории электроприемников по степени бесперебойности электроснабжения

Характеристики внешней среды (температура, влажность, наличие взрыво- или пожароопасных зон) могут влиять не только на конструктивное исполнение РП, ПТ или СП но и на выбор марок и сечений проводов, кабелей и защитной аппаратуры. Производственный процесс на проектируемом ЭТЦ характеризуется наличием горючей пыли и волокон текстильных материалов, образующих пожароопасные смеси. Некоторые из отделений ЭТЦ могут быть отнесены к жарким и влажным помещениям. Характеристика среды основных производственных помещений по цехам фабрики представлена в таблице 2. При детальной проработке сетей 0,4 кВ характеристика отделений ЭТЦ и их участков может быть уточнена.

Перерыв электроснабжения электроприемников основного производства ЭТЦ приводит к массовому недоотпуску продукции и простою людей. Нет опасности для жизни людей, угрозы для безопасности государства, значительного материального ущерба, расстройства сложного технологического процесса, нарушения функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения. Электроприемников основного производства можно отнести ко второй категории.

Классификация основной доли электроприемников в отделениях электро-технологического цеха по бесперебойности электроснабжения приведена в таблице 1.

Таблица 1 Характеристика внешней среды производственных помещений ЭТЦ и бесперебойности электроснабжения основных производств.

Наименование цеха	Характеристика среды	Категория по бесперебойности электроснабжения основного производства
1	2	3
1. Механическое отделение	Нормальная	II
2. Заготовительно-сварочное отделение	Нормальная	III
3. Термическое отделение	Жаркая	II
4. Кузнечное отделение	Жаркая	II
5. Гальваническое отделение	Химически-активная	II
6.Подсобное отделение (душ, раздевалка)	Нормальная	II

 

Определение расчетных электрических нагрузок. Расчетная нагрузка электротехнологического цеха

Расчет электрических нагрузок электротехнологического цеха (ЭТЦ) на шинах 0,4 кВ цеховых ТП выполняем по методике действующих нормативных документов. По причине большей доступности, расчетные коэффициенты электропотребления будем принимать по справочной литературе. За расчетную нагрузку на шинах 0,4 кВ цеховых ТП принимаем максимальную нагрузку суточного графика за наиболее загруженную смену, продолжительностью  ч, где = 2,5 ч - постоянная времени нагрева для цеховых трансформаторов.

Расчет выполняем с использованием существующей статистики по индивидуальным коэффициентам использования  силового электрооборудования за наиболее загруженную смену, и коэффициентам расчетной мощности  для цеховых трансформаторов. Результаты расчетов сводим в стандартную табличную форму Ф636-92 (табл.3) .

В таблице 2 приведены количество электроприемников по отделениям, номинальная (установленная) мощность одного и группы ЭП.

Таблица 2 - Ведомость электрических нагрузок электротехнологического цеха

Наименование ЭП	Количество n	Номинальная (установленная) мощность, кВт
		одного ЭП, pн		общая, Pн
1.Механическое отделение
Токарно-винторезный станок, 1К62	7	11,125		77,875
Токарно-винторезный станок, 1Б61	2	4,625		9,25
Токарно-винторезный станок, 1А616П	2	4,6		9,2
Токарно-винторезный станок, 163	1	15,125		15,125
Токарно-револьверный станок, 1П326	2	5,475		10,95
Долбёжный станок, 7А420	1	3,8		3,8
Поперечно-строгальный станок, 7М37	3	11		33
Универсально-фрезерный станок, 6Н81	2	6,325		12,65
Горизонтально-фрезерный станок, 6М80Г	3	3,525		10,575
Вертикально-фрезерный станок, 6М12П	1	12,925		12,925
Зубофрезерный станок, 5К301	5	0,725		3,625
Круглошлифовальный станок, 3А164	1	19,45		19,45
Внутришлифовальный станок, 3Б250	2	10,225		20,45
Вертикально-сверлильный станок, 2А125	5	2,925		14,625
Радиально-сверлильный станок, 2А55	1	6,925		6,925
Настольно-сверлильный станок, 2А106	1	0,6		0,6
Координатно-расточный станок, 2А450	4	6,52		27,7
Универсально-заточной станок, 3641	6	1,25		7,5
Кран-балка электроподвесная, 2т	2	4,85		9,7
Вентилятор	3	7		21
2.Заготовительно-сварочное отделение
Отрезной станок с ножовочной пилой, 872А	1	1,95		1,95
Ножницы, Н474	3	7		21
Пресс правильный, ПА415	1	14		14
Пресс листогибочный, 4135	1	15,7		15,7
Настольно-сверлильный станок, НС-12А	3	0,6		1,8
Обдирочно-шлифовальный станок, 3М634	4	2,8		11,2
Пресс кривошипный, К217	2	10		20
Радиально-сверлильный станок, 2А55	3	6,925		20,775
Трубоотрезной станок, С- 246А	2	2,8		5,6
Преобразователь сварочный, ПСО-500	4	28		112
Машина электросварочная шовная, МШМ-25М	2	25кВА		50кВА
Трансформатор сварочный, СТН350	2	25кВА		50кВА
Кран мостовой электрический, 5т	1	24,2		24,2
Вентилятор	4	10		40
Наименование ЭП	Количество n	Номинальная (установленная) мощность, кВт
		одного ЭП, pн	общая, Pн
3.Термическое отделение
Электропечь сопротивления шахтная со щитом управления, ПИ31 ЩУ-12	3	24	72
Шкаф электрический сушильный, Щ-0,5	2	1,1	2,2
Электропечь сопротивления камерная со щитом управления, М-15 ЩУ-12	1	15	15
Электропечь сопротивления двухкамерная со щитом управления и печным трансформатором (850-1300ºС), ОКБ-194А ЩУ-12 ТПТ-350	2	19	38
Электропечь-ванна со щитом управления и печным трансформатором (1300ºС), СП-60/15 ЩУ-12 ТПТ-350	1	22	22
Муфельная печь, П-6	4	2,2	8,8
Вентилятор	1	2,8	2,8
Вентилятор	3	7	21
4.Кузнечное отделение
Молот пневматический ковочный, МБ412	2	10	20
Горн двухогневой коксовый	1	0,8	0,8
Вентилятор дутьевой	1	1,2	1,2
Обдирочно-точильный станок, 3М634	1	2,8	2,8
Электропечь сопротивления камерная со щитом управления ( 915ºС ) Н-45 ЩУ-13	2	45	90
Печь нагревательная камерная	1	-	-
Вентилятор	2	4,5	9
Кран-балка электрическая подвесная, 2т	1	4,85	4,85
5.Гальваническое отделение
Селеновый выпрямитель 2000/1000А, 6/12В , ВСМР	3	22	66
Сушильный шкаф электрический	1	10	10
Полировочный станок двухшпиндельный, С-42А	1	3,2	3,2
Вентилятор	2	4,5	9
Итого ЭТЦ:	131	0,6/45	1069

Группируем электроприемники ЭТЦ по характерным режимам электропотребления: с одинаковыми коэффициентами использования  и коэффициентами мощности .

Например, для печей из термического отделения по справочнику находим = 0,8  = 0,9. Их значения заносим в графы 5,6 таблицы 3.

Суммируем установленную мощность группы печей:

где  количество печей в термическом отделении;

 номинальная мощность электроприемников.

Результат заносим в графу 4 таблицы 3.

Определяем минимальное и максимальное значения  номинальной мощности отдельных электроприемников. Результат заносим в графу 3.

В графах 7 и 8 построчно вычисляем расчетные величины  и  (средние нагрузки). Например, для станков находим (формула 2):

где  – коэффициент реактивной мощности соответствующий ;

– суммарная установленная мощность всех металлорежущих станков цеха по всем отделениям, вычисленная по формуле (1).

Определяем средневзвешенный коэффициент использования по ЭТЦ в целом:

Заносим полученное значение средневзвешенного коэффициента использования в итоговую строку 5, таблицы 3.

При значительном числе ЭП на шинах цеховой трансформаторной подстанции ЭТЦ (n = 131, табл.3) эффективное число электроприемников  будем определять по упрощенной формуле:

где – принимаем по итоговой строке столбца 4, таблицы 3;

– номинальная мощность наибольшего электроприемника в цехе ЭТЦ, по итоговой строке столбца 3, таблицы 3.

Если найденное по упрощенному выражению число  окажется больше n, то следует принимать = n. Если , где  - номинальная мощность наименее мощного ЭП группы, также принимается = n .

Таблица 3 Расчет электрических нагрузок ЭТЦ на шинах 0,4 кВ трансформаторов цеховых ТП (форма Ф636-92

Исходные данные						Расчетные величины			Эффективное число ЭП	Коэффициент расчетной нагрузки	Расчетные нагрузки			Расчетный ток, А
по заданию технологов				по справочным данным		активная, кВт ∑Pнkи	реактивная, квар ∑Pнkиtgφ	nPн2			активная, кВт	реактивная, квар	полная, кВА
Группа ЭП	Количество n	Номинальная (установленная) мощность, кВт		коэффициент использования	коэффициент реактивной мощности
		одного ЭП, pн	общая, Pн
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1.  Механическое отделение
Станки	49	0,6/19,45	296,4	0,14	0,65	41,5	48,55
Кран-балки	2	4,85	9,7	0,25	0,5	2,43	4,12
Вентиляторы	3	7	21	0,65	0,8	13,65	10,24
Итого по 1 отделению:	54	0,6/19,45	327,1			57,58	62,91		33	0,75	43,2	47,2	64	107
2.  Заготовительно-сварочное отделение
Станки	13	0,6/6,925	41,33	0,14	0,65	5,79	6,77
Ножницы (прессы)	7	7/15,7	70,7	0,6	0,75	42,42	37,33
Кран-балки	1	24,2	24,2	0,25	0,5	6,05	10,47
Сварочные аппараты	8	12,5/28	162	0,3	0,5	48,6	84,08
Вентиляторы	4	10	40	0,65	0,8	26	19,5
Подсобное помещение	10	0,6/3,0	6	0,5	0,85	3	1,86
Итого по 2 отделению:	43	0,6/28	344,23			131,86	160		24	0,85	112,1	136	176	267
3.  Термическое отделение
Печи	13	1,1/22	158	0,8	0,9	126,4	60,67
Вентиляторы	4	2,8/7	23,8	0,65	0,8	15,47	11,6
Итого по 3 отделению:	17	1,1/22	181,8			141,87	72,27		16	0,9	128	65	144	218
4.  Кузнечное отделение
Станки	1	2,8	2,8	0,14	0,65	0,39	0,46
Ножницы (прессы)	2	10	20	0,6	0,75	12	10,56
Печи	4	0,8/45	90,8	0,8	0,9	72,64	34,87

Перечисленные условия для ЭТЦ, как узла нагрузки, выполняются. Кроме того, полученное значение эффективного числа электроприен6иков должно быть округлено, до ближайшего меньшего целого значения. Окончательно принимаем:

Для значений  по таблице 4 находим коэффициент расчетной нагрузки на шинах 0,4 кВ .

Находим расчетные нагрузки трансформаторов ЭТЦ:

где  – суммарное расчетное значение (средняя нагрузка) на шинах 0,4 кВ цеховой трансформаторной подстанции.

Таблица 4 - Значения коэффициентов расчетной нагрузки на шинах НН цеховых трансформаторов и для магистральных шинопроводов напряжением до 1 кВ

	Коэффициент использования
	0,1	0,15	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7 и более
1	8	5,33	4	2,67	2	1,6	1,33	1,14
2	5,01	3,44	2,69	1,9	1,52	1,24	1,11	1
3	2,94	2,17	1,8	1,42	1,23	1,14	1,08	1
4	2,28	1,73	1,46	1,19	1,06	1,04	1	0,97
5	1,31	1,12	1,02	1	0,98	0,96	0,94	0,93
6-8	1,2	1	0,96	0,95	0,94	0,93	0,92	0,91
9-10	1,1	0,97	0,91	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
10-25	0,8	0,8	0,8	0,85	0,85	0,85	0,9	0,9
25-50	0,75	0,75	0,75	0,75	0,75	0,8	0,85	0,85
Более50	0,65	0,65	0,65	0,7	0,7	0,75	0,8	0,8

Реактивная нагрузка на шинах 0,4 кВ ЭТЦ определяется:

 

где  – суммарное расчетное значение (средняя реактивная нагрузка) на шинах 0,4 кВ цеховой трансформаторной подстанции

Полная мощность и расчетный ток без учета компенсации реактивной мощности равны:

Результаты расчета полной мощности и расчетного тока записываем в графы 14, 15 итоговой строки таблицы 3.

Расчет нагрузки осветительных установок

Тип источников света принимаем исходя из условий среды в производственных помещениях. В помещениях с нормальной средой принимаем к установке люминесцентные лампы, как более экономичные, в помещениях с жаркой, пыльной, влажной, пожароопасной и взрывоопасной средой – лампы накаливания.

На стадии технико-экономического обоснования электрические нагрузки осветительных установок найдем упрощенно, по удельной установленной мощности светильников на квадратный метр освещаемой поверхности и коэффициентам спроса освещения. Удельные нагрузки освещения примем по справочнику.

Например, для помещения №1, механическое отделение по генплану, находим  м². Удельную нагрузку освещения принимаем равной15 Вт/м². Коэффициент спроса осветительных установок для механического отделения, как и для производственных зданий, состоящих из нескольких отдельных помещений, составляет 0,85. Принимаем к установке светильники с лампами люминесцентного освещения, с встроенными конденсаторами для повышения коэффициента мощности до 0,9 .

Активная установленная мощность освещения равна:

Расчетные нагрузки освещения:

где соответствует коэффициенту мощности cos

Для остальных отделений расчеты выполняем аналогично и сводим их в таблицу 5.

Таблица 5 - Расчетные нагрузки осветительных установок

№ п/п	Наименование цеха	Площадь, F, м2	Источник света	Коэффициент спроса, kс.о	Коэффициент мощности, cos	Нагрузки
						удельная, pу.о, Вт/м2	установленная, Pу.о, кВт	расчетные
								активная, Pр.о, кВт	реактивная, Qр.о, квар
1	Механическое отделение	2000	Люминесцентные	0,85	0,9	15	29,25	24,86	11,93
2	Заготовительно-сварочное отделение	1900	Люминесцентные	0,6	0,9	18	16,2	9,72	4,66
3	Термическое отделение	800	Накаливания	0,85	1	14	12,6	10,71	0
4	Кузнечное отделение	800	Накаливания	0,85	1	19	17,1	14,54	0
5	Гальваническое отделение	400	Накаливания	0,85	1	17	12,75	10,84	0
6	Подсобное отделение	100	Люминесцентные	0,6	0,9	15	1,5	0,9	0,43

Выбор количества и мощности силовых трансформаторов ТП

Определяющими факторами при выборе единичной мощности трансформаторов ТП 10/0,4 кВ являются затраты на питающую сеть 0,4 кВ, потери мощности в этой сети и в трансформаторах, затраты на строительную часть ТП. Для точного учета перечисленных факторов необходимо выполнять вариантные технико-экономические расчеты, однако, трудоемкость таких расчетов неимоверно высока, так как требует детальных расчетов, более чем в десятке вариантов, внешнего, внутреннего электроснабжения и, по крайней мере, питающих сетей 0,4 кВ. Исследованиями многочисленных авторов установлено, что приближенной оценкой перечисленных параметров оптимизации является некий обобщенный параметр – плотность нагрузки на той территории, по которой предполагается прокладка ЛЭП 0,4 кВ.

По рекомендациям, в цехах с более, или менее равномерно распределенной нагрузкой со сравнительно мелкими потребителями, допускается при определении единичной мощности трансформаторов ТП 10(6)/0,4 кВ пользоваться следующими критериями при напряжении питающей сети 0,4 кВ:

.

Плотность нагрузки 0,4 кВ:

 

где  активная силовая и осветительная нагрузки ЭТЦ;

 реактивная силовая и осветительная нагрузки ЭТЦ;

 полная расчетная нагрузка ЭТЦ с учетом освещения;

 площадь ЭТЦ.

Занесем полученные результаты в таблицу 6.

Таблица 6 - Плотность нагрузки 0,4 кВ по отделениям цеха.

№ цеха	Наименование	Pр, кВт	Pр.о, кВт	Qр, квар	Qр.о, квар	Sр, кВА	F,	σ, кВА/
1	Механическое отделение	43,2	25,5	47,2	12,24	91	2000
2	Заготовительно-сварочное отделение	112,1	21,42	136	10,25	198	2000
3	Термическое отделение	128	9,52	65	0	152	800
4	Кузнечное отделение	85,6	12,92	48,7	0	110	800
5	Гальваническое отделение	32,1	5,78	40,4	0	55,4	400
	Общая нагрузка:	344	75,14	293	22,49	525	6000	0,1

Исходя из плотности нагрузки по ЭТЦ 0,1 кВА/м², можно принять единичную мощность трансформаторов ТП, равной: