Машиностроение.
Неравномерное распределение электрической нагрузки в течение суток характерно для всего машиностроения. Максимальное потребление электроэнергии приходится на часы пиковой нагрузки энергосистем. В связи с этим число часов использования максимума активной нагрузки по предприятиям за год колеблется от 3100 до 4550, коэффициент неравномерности графика нагрузки составляет 0,178-0,525. Подавляющее большинство предприятий имеет утренний максимум по абсолютной величине больше вечернего. Графики нагрузки предприятий по качеству пиковых и полупиковых зон в течении суток мало различается, что свидетельствует о связи их по режимам электропотребления.
На базе электрификации промышленности происходила концентрация не только энергетических, но и производственных мощностей промышленности. О степени концентрации промышленности можно судить по тому, что число крупных промышленных предприятий с годовым потреблением электроэнергии свыше 20 млн. кВтч составляет 14 % от общего числа предприятий, а потребляют они 68 % электроэнергии, в то же время предприятие с годовым потреблением до 2 млн. кВтч составляют 26 % от общего числа предприятий, а потребляют они всего 3% электроэнергии.
Доля участия электроэнергии в производственных процессах отрасли характеризуется следующим: электрификация силовых процессов к завершению (99,5%); лишь небольшая часть внутризаводского транспорта работает на дизельном топливе. Наряду с использованием электроэнергии для силовых процессов широкое распространение получает электротехнология – применение электроэнергии в процессах тепловой и химической обработки материалов. Увеличивается использование в технологических процессах токов высокой частоты. Начали широко новые технологические процессы с использованием ультразвука, плазмы, лазерного луча, сильного электрического поля. В увеличении доли технологического использования электроэнергии наглядно проявляются такие преимущества электроэнергии, как лёгкая регулируем ость процесса, точность поддержания режима, воспроизводимость результатов обработки, возможность защитить нагреваемые материалы от вредных воздействий среды, гигиеничность и безопасность обслуживания и как следствие этого – повышение качества продукции, обусловленное улучшением свойств термообработанных деталей. Наиболее перспективны современные электротехнологические процессы на базе порошковой металлургии. Приведём основные направления развития электрификации в машиностроении:
- Создание более производительного оборудования;
- Улучшение структуры оборудования, за счёт внедрения оборудования, резко повышающего коэффициент использования металла;
- Механизм вспомогательных ручных работ, занимающий большой удельный вес в отрасли;
- Широкое внедрение методов электроплавки, электронагрева и термообработки материалов, обеспечивающих экономию металла, повышение качества продукции, автоматизацию производства и улучшению условия труда работающих;
- Освоение и внедрение принципиально новых физических и химических приёмов обработки материалов, особенно сверх твёрдых и со сложной конфигурацией.
Первые три направления будут определять в основном дальнейшую динамику потребления электроэнергии на силовые нужды в станкоинструментальной промышленности; остальные направления масштабы и структуру использования электроэнергии на технологические нужды. Потребление электроэнергии на силовые и технологические нужды на предприятиях находят расчётным путём из-за отсутствия соответствующих приборов учёта электроэнергии. Имеющиеся на большинстве предприятий счётчики электроэнергии учитывают на общее потребление электроэнергии по заводу, цеху, участку и, как исключение, по отдельной технологической установке. Сложность раздельного учёта потребления электроэнергии состоит в том, что, во-первых, невозможно установить счётчик электроэнергии у каждой электропотребляющей установки, и во-вторых, иногда даже один электротехнологический объект является потребителем и силовой технологической электроэнергии. Поэтому распределение общего производственного электропотребления на силовые и технологические производства пропорционально мощности установок и числу часов их фактической работы, что не исключает некоторого отклонения расчётных данных от фактического расхода по видам потребляемой электроэнергии.
Основными причинами, обуславливающими малое число часов использования установленных энергетических мощностей, является снижение коэффициента сменности работы оборудования; превышение установленных энергетических мощностей в ряде случаев над необходимыми по технологическим условиям; малое число использования части вновь вводимых электротехнологических установок.
Уровень потерь энергии в машиностроении определяется двумя группами факторов. К первой группе факторов относятся конструктивные особенности находящегося в эксплуатации оборудования, правильный разбор по мощности, производительности, типу; уровень потерь здесь зависит в основном от того, насколько оборудование отвечает современным требованиям и правильно ли оно выбрано. Ко второй группе относятся организационные факторы процессов производства и потребление различных видов энергии, загрузка оборудования.
Повышение производительности труда и внедрение новых технологических процессов и оборудования в большой мере зависят от обеспечения производства энергией, правильного выбора энергоносителей, степени их использования.
На многих предприятиях ещё практикуется разработка технологических режимов, не учитывающих альтернативные варианты с меньшими расходами энергоресурсов. Значительную экономию энергии можно получить в промышленности путём небольшого усовершенствования технологии и прежде всего на основе рациональных методов и режимов эксплуатации технологического оборудования. По экспертным оценкам, такая экономия практически без капитальных затрат может составить около 15 % от стоимости потребляемой энергии.
Эффективное использование энергии до настоящего времени не входило в число главных факторов при выборе основного технологического оборудования. Например станки выбирали, как правило, исходя из условий обработки деталей наибольших размеров. Это приводило к недогрузке станочного парка, повышению удельного веса потерь холостого хода и перерасходу энергии. Приведение мощности привода технологического оборудования в соответствие с его фактической загрузкой освобождает большие резервы экономии энергии.
Эффективность использования энергии на предприятии зависит от уровня механизации и автоматизации производственных процессов. Актуальной задачей в области экономии энергии на предприятии является осуществление комплексной механизации и автоматизации производства, создание автоматических линий, участков и автоматизированных предприятий.
Снижение удельных расходов энергии на предприятии достигается переворотом ряда процессов высокотемпературного нагрева за счёт электроэнергии, улучшением технико-экономических показателей агрегатов, потребляющих различные виды энергии и топлива, за счёт укрупнения их единственных мощностей, интенсификации процессов нагрева и горения, изменение структуры потребления топлива в технологических аппаратах и изменения технологии производства.
Одной из постоянно возникающих задач при этом является определение экономической эффективности замены устаревшего энергетического оборудования. Анализ показал, что наиболее эффективными являются такие виды энергетического оборудования, которые окупаются в нормативный срок за счёт экономии энергии и топлива, обеспечивают высокую надёжность энергосбережения и приводят к снижению себестоимости.
С энергетической точки зрения желательно, чтобы число преобразования энергии на предприятии было минимальным, т.т. всякое преобразование энергии связано с её потерями. Чем меньше преобразований претерпевает энергия на предприятии, тем выше общий КПД энергоиспользования предприятия.
В современных условиях всё возрастающий эффект экономии топливно-энергетических ресурсов достигается путём проведения различных экономико-организационных мероприятий на предприятиях.
Рассмотрим основные направления экономии электроэнергии на предприятиях машиностроения :
1. Совершенствование и рационализация технологических процессов. Потери электроэнергии, вызванные нерациональной технологией и организацией производства, в ряде случаев могут превышать потери энергетических процессов и даже полезный расход энергии. Так, применение на машиностроительных предприятиях индукционного способа термообработки деталей и закалки их токами высокой частоты вместо термообработки в печах сопротивления позволяет в 2-3 раза сократить расход электроэнергии.
2. Внедрение прогрессивных технологических режимов и методов работы оборудования. Сюда следует отнести повышение скорости резания на станочном оборудовании, сокращение числа припусков при прокате, введение оптимальных температурных режимов при электронагреве, термообработке металлов. Исследования показывают, что увеличение скорости резания на станках с 50 до 200 м/мин снижает расход электроэнергии на 17 %, а применение скоростных плавок при оптимальном режиме в сочетании с организационными мероприятиями на 20-30 % сокращает удельный расход электроэнергии.
3. Улучшение качественных характеристик используемого оборудования. Анализ энергобалансов электротермических печей, которые являются самыми энергоёмкими электроустановками показывает, что потери теплоты через поверхность составляют около 48 % от всей потребляемой электроэнергии. Соответственно резервы экономии здесь чрезвычайно велики.
4. Совершенствование конструкций промышленных зданий и сооружений. Опыт зарубежной энергетики показывает, что только за счёт применения таких очевидных мероприятий, как усиление теплоизоляции зданий, устройство уплотняющих окон и дверей, рациональное сокращение площади окон и т.д., можно значительно снизить (до 50%) потребление энергии на отопление и кондинцирования промышленных зданий и сооружений.
5. Внедрение прямого технологического использования электроэнергии Наибольший эффект от применения электроэнергии достигается в том случае, когда электроэнергия используется непосредственно на выполнение технологической операции.
6. Уменьшение объёма металла, спиленного при обработке. В результате замены механической обработки ковкой и штамповкой, а также точным литьём за счёт уменьшения обработки резанием удельный расход электроэнергии сокращается на 15-20%.
Согласования мощности двигателей станков только по их номинальным нагрузкам недостаточно. При согласовании необходимо учитывать режим работы и характеристики двигателя и привода.при уменьшения нагрузки снижается КПД электродвигателя и рабочей машины и увеличивается расход электроэнергии.
7. Замена асинхронных двигателей синхронными. Это мероприятие может осуществляться без предварительных технико-экономических расчётов. Основными достоинствами синхронных двигателей, кроме выдачи в сеть реактивной мощности, являются более высокий КПД (по сравнению с асинхронными) – на 1-3% выше и меньшая чувствительность к изменению напряжения в сети.
8. Установка ограничителей холостого хода на станках всегда оправдана экономией электроэнергии, если по технологической операции время составляет 10 с и более.
9. Рационализация структуры режимов и эксплуатации осветительных установок. Замена ламп накаливания люминесцентными и ртутными, содержание светильников в чистоте, автоматизация включения и отключения освещения могут принести ощутимую экономию электроэнергии, расходуемой на освещение, составляет на машиностроительном предприятии до 10%.
Практическая реализация перечисленных направлений экономии электроэнергии на предприятиях машиностроения возможна на основе полного внутриотраслевого хозрасчёта, способствующего личной заинтересованности технологов, экономистов, энергетиков и организаторов производства в их внедрении.
Цветная металлургия.
Цветная металлургия – одна из ведущих отраслей тяжёлой промышленности, характеризующаяся значительными затратами энергетических ресурсов. В настоящее время цветная металлургия потребляет около 15% от всей электроэнергии, расходуемой в промышленности. Причём 93% электроэнергии поступает от энергетических систем , а 7% от собственных источников.
Особенно энергоёмкими является производство аммония, магния, меди, никеля и цинка. На получение этих металлов расходуется 85% всех энергоресурсов, потребляемых цветной металлургией. Постоянный рост электропотребления связан с заменой процессов, основанных на прямом использовании топлива, электротехнологическими, дальнейшей электрофикацией и автоматизацией производственных процессов. Возрастает одиночная мощность агрегатов питания электротехнологических установок. Создан опытно-промышленный полупроводниковый агрегат питания серий электролизеров для алюминия типа ДВ1 на выпрямленный ток 63 кассовый аппарат и напряжение 850 кВ, т.е. выходной мощностью 53000 кВт.
Для получения цветных металлов наиболее распространён электролизерный способ, который требует расхода большего количества электроэнергии на единицу продукции. Так при получении алюминия, удельный расход электроэнергии колеблется от 15000 до 20000 кВтч/т, в зависимости от прогрессивности принятой технологии.
Проведённая в 60-ых годах модернизация преобразовательных подстанций серий электролизеров, за счёт замены ртутных, электромеханических и электромагнитных преобразователей полупроводниковыми агрегатами питания позволила увеличить КПД, уменьшить значительно затраты на обслуживание и улучшить условия труда. Экономический эффект составил от 2 до 10 руб. на 1 кВт установленной мощности полупроводникового выпрямительного агрегата. Создание в дальнейшем автоматизированных систем позволило применить не стационарные режимы работы серий электролизеров, а следовательно, оптимизировать режим технологии получения цветных металлов.
Однако внедрение полупроводниковых агрегатов питания и автоматизированных тиристорных систем требует нового подхода к проектированию и эксплуатации систем энергоснабжения. Без этого существенно снижаются показатели качества электроэнергии (наблюдаются отклонения, колебания, несимметрия и искажение формы напряжения в сетях 6-10 кВ). Это ведёт к увеличению потерь электроэнергии в системах электроснабжения, уменьшению надёжности электрооборудования и кабельных линий в основном за счёт содержания недопустимого условия гармонических составляющих напряжения. Несинусоидальность формы кривой напряжения 6-10 кВ имеются во всех системах электроснабжения предприятий цветной металлургии с электролизерным производством, экспериментальные исследования и теоретические расчёты показывают, что в существующих системах электроснабжения на шинах переменного тока преобразовательных подстанций значение коэффициента несинусоидальности напряжения превышает допустимое в 1,5-2 раза. Полупроводниковые агрегаты питания мощных серий электролизеров алюминия влияют на форму в сетях напряжением 110-220 кВ внешних систем электроснабжения.
Следует также отметить, что кроме тех неприятных явлений, о которых говорилось ранее, несинусоидальность кривой напряжения вызывает увеличение в 2-3 раза тока кз в системах электроснабжения в изолированной нейтралью, по сравнению с расчётным током синусоидальном напряжении, что резко понижает надёжность работы кабельных линий 6-10 кВ.
Экономия энергии в цветных металлах путём электролиза можно достичь как за счёт повышение КПД технологического процесса, так и за счёт совершенствования систем электросбережения серий электролизеров. Это возможно за счёт применения следующих способов:
- Замены преобразовательных агрегатов на подстанциях на современные;
- Использование электрических схем преобразователей и систем электроснабжения, обеспечивающих минимальное искажение формы кривой напряжения.
- Применение методов регулирования, обеспечивающих высокий коэффициент мощности.
Эти способы должны учитываться как при проектировании системы электроснабжения, так и в процессе их эксплуатации.
Ряд отечественных предприятий цветной металлургии подтвердил технико-экономическую целесообразность внедрения САЛАП для электролиза цветных металлов. При электролизе меди и цинка экономический эффект на один агрегат в год составляет 200-400 тыс. руб., а при электролизе кадмия – 200 тыс. руб.
Применение для электролиза постоянного тока требует использования средств выпрямления и регулирования. Современные выпрямители, особенно при условии регулирования выходного напряжения, обладает относительно низким коэффициентом мощности. Для его увеличение и следовательно уменьшения котлов ЭЭ применяют статические компенсирующие устройства и батареи конденсаторов. Последние весьма чувствительны к наличию и амплитуды высших гармонических в кривой напряжения. Могут возникать опасные резонансные явления на отдельных гармонических составляющих, которые приводят к выходу из строя конденсаторов, т.т. прекращается компенсация реактивной мощности.
Если принять, что на выходе выпрямителя имеется идеальный ток, т.е. в цепь постоянного тока включен реактор с бесконечно большой индуктивностью, то первичный ток выпрямителя будет предоставлен в виде кривой, имеющий ступенчатую прямоугольную форму. Это ток можно предоставить в виде в виде суммы гармонических, в которые входит первая основная гармоническая, имеющая ту же частоту, что и напряжение, и внешние гармонические имеющие частоты, кратные основной.
В действительности имеется процесс коммутации вентилей, фазное регулирование напряжения на входе выпрямителя, а симметрия питающего напряжения, а так же вся асимметрия питающих проводов, поэтому в кривой первичного тока могут иметь место и другие гармонические составляющие.
Амплитуды гармонических составляющих в сети питания зависят как от амплитуды гармонических первичного тока, так и от схемы электроснабжения.
Широко распространенный способ обеспечения 12-фазного режима выпрямления – соединения фазной вентильной обмотки, каждого преобразования трансформатора в звезду, а другие колбвины в треугольник. При таком исполнении трансформаторы преобразователи, установившийся на подстанциях, унифицированы. Для достижения числа фаз схемы выпрямления более 12, следует применять фазоповоротные трансформаторы и различные сочетания сетевых линий, вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов. Однако все эти решения изменённой конструкции трансформаторного оборудования и влияет но его технико-экономические показатели, т.е. увеличивается стоимость трансформатора, а следовательно и потери энергии в нём. Поэтому, как показывают расчёты минимумы приведённых годовых затрат достигаются при 6-ти фазной схемы выпрямления. С учётом работы статических компенсаторов целесообразным является использование 12-ти и 24-ёх фазных схем выпрямления.
Коэффициент мощности полупроводниковых преобразовательных агрегатов электролизеров уменьшается за счёт нарушения работы системы управления реакторами насыщения. В процессе работы происходит перераспределение нагрузки между выпрямительными мостами одного и того же агрегата, причём отдельные выпрямительные мосты перегружаются за 70% и более. Это резко увеличивает угол коммутации, в результате чего cos j уменьшается на 0,65-0,80.
Уменьшение cos j определяется случайными процессами происходящими в процессе работы агрегата. Проведённые исследования показывают, что в случае частичного регулирования агрегатов получаем следующую вероятность состояния работы агрегата с Км³0,09-13% времени, с 0,91 >Км>0,7-68% времени м. с Км Поэтому рекомендуется регулярно (не менее одного раза в три года) проводить полную проверку оборудования и систем автоматического регулирования. В этом случае получим следующую вероятность составления работы агрегатов с Км ³ 91-18% времени, с 0,91>Км>0,7-81% времени и с Км Проведение такой части проверок агрегатов нецелесообразно, так как они требуют остановки агрегата, что значительно снижает эффективность их использования.
Внедрение полной принудительной проверки агрегатов, управляемых реакторами насыщения, повышает средневзвешенный Км на 0,14, а в расчёте обратного тока по 0,11. Наиболее совершенным является совмещения преобразователя и силового трансформатора. Такие агрегаты типа РЕК ТИФОМЕР всё шире применяется за рубежом при электролизе цветных металлов.
Потери энергии в системе питания электролизеров можно уменьшить, если питать их сглаженным выпрямленным током.
Текстильная промышленность.
Характерными особенностями технологического процесса текстильного производства является: его многоступенчатость, различная энергоёмкость технологического оборудования, большое количество факторов, влияющих на него, широта ассортимента сырья, полуфабрикатов и 8готовой продукции. Поэтому удельное энергопотребление на каждом данном производстве, являясь сложной функцией многих переменных, может резко изменяться при одних и тех же значениях общего объёма выпускаемой продукции. Эти факторы усложняют нормирование и учёт расхода электроэнергии, что приводит к завышению норм расхода по сравнению с достигнутым уровнем, истинных затрат электроэнергии на 1 продукцию, бесконтрольного расходования электроэнергии. Следует иметь ввиду, что нормирование необходимо осуществлять в натуральном выражении.
Анализ структуры электропотребления в текстильной промышленности показывает, что основная его доля приходится на производство хлопчатобумажных тканей.
Прядильное и ткацкое производство используют в основном асинхронные двигатели. Правильно спроектированный и эксплуатируемый электропривод коренным образом изменяет условия работы повышая производительность труда, улучшая качество продукции и облегчая труд рабочего.
Современно прядильное производство характеризуется переходом к автоматизации производства прядей. Техническое перевооружение текстильной промышленности осуществляется на базе широкого внедрения высокопроизводительных пневмомеханических машин (ППМ) и бесчелночных ткацких станков.
Краткие выводы.
Нормирование электропотребления высчитанное на базе научно-обоснованного электробаланса является важнейшим фактором, планирования номинального расхода, выбора средств и способа экономии, а также организации контроля за потребляемой электроэнергией.
Регулирование напряжения частей на выводах промышленных установок осуществляемое на основе современных тиристорных регуляторов позволяет наиболее экономичным способом автоматизировать управление технологическими процессами промышленных производств.
Экономическая эффективность использования синхронных двигателей в значительной мере определяется системой возбуждения. Использование современных тиристорных и бесщёточных возбудительных устройств позволяет не только повысить КПД двигателя, но и автоматизировать управление системы возбуждения как в режиме нормального возбуждения, так и режимах форсированного возбуждения и гашения поля.
Технологические процессы непрерывных производств должны обладать устойчивостью по отношению к кратковременным перерывам электроснабжения, обусловленным работой релейной защиты и автоматики системы электроснабжения. Устойчивость технологических процессов обеспечивается реализацией самозапуска электродвигателей технологических механизмов. Выборы средств и способов успешного самозапуска электродвигателей предотвращают срывы технологических процессов производств и исключает режимы нерационального потребления, вызванные этими срывами.
Повышение КПД и cjs j асинхронных двигателей с фазным ротором можно достигнуть переводом их в синхронные режимы.
Наибольшей экономической эффективностью обладает схема синхронизации при последовательном возбуждении роторной обмотки от обмотки статора.
Резервы экономии электроэнергии на отраслевом уровне народного хозяйства могут быть реализованы на основе полного внутриотраслевого хозрасчёта, способствующего личной заинтересованности технологов, экономистов, энергетиков и организаторов производства в их использовании.
Для того, чтобы экономить электроэнергию необходимо прежде всего знать, на какие цели и в каком количестве она расходуется. Определение статей расхода электроэнергии и является основной задачей составления электробаланса промышленного предприятия.
Ежегодное составление электробаланса позволяет наблюдать за результатами мероприятий по рационализации электрохозяйства промышленого предприятия. Так, например, анализирую изменение общего и удельного расходов электроэнергии на производство сжатого воздуха, можно сделать выбор о рационализации мероприятий, проводимых в компрессорных установках с целью уменьшения расходов электроэнергии.
Электробаланс промышленного предприятия должен состоять из приходной и расходной частей (активной и реактивной мощностей). В приходную часть включается электроэнергия полученная от энергосистемы или от сетей других потребителей, а также выработанная электрическими установками предприятия (генераторы промышленных ТЭС и ГЭС, СК и конденсаторы). Приходную и расходную часть составляют по показаниям счётчиков активной и реактивной энергии. Приходная часть электробаланса составляется для активной энергии (по промышленному предприятию, по цехам предприятия, по отдельным энергёмким агрегатам, по особому указанию главного энергетика предприятия или инспекции энергосбыта) и для реактивной энергии (по промышленному предприятию, по цехам предприятия, по отдельным энергёмким агрегатам, по особому указанию главного энергетика предприятия или инспекции энергосбыта).
Расходная часть электробаланса активной электроэнергии должна быть разделена на следующие статьи расхода:
1. Прямые затраты электроэнергии на основную технологическую продукцию с выделением полезного расхода электроэнергии на выпуск продукции без учёта потерь в различных звеньях энергоёмкого технологического оборудования (электрические печи, компрессорные и насосные установки, прокатные станы и другие крупные потребители электроэнергии).
2. косвенные затраты электроэнергии на основной технологический процесс в следствии его несовершенства или нарушения технологических форм (влажная шихта, недогрев слитков при прокате и т.п.).
3. затраты электроэнергии на вспомогательные нужды (вентиляция помещений цехов, цеховой транспорт, освещение и т.п.).
4. потери электроэнергии в элементах систем электроснабжения (линиях, трансформаторах, реакторах, компенсирующих устройствах и двигателях).
5. Отпуск электроэнергии сторонним потребителям (столовые, клубы, посёлки, городской электрический транспорт т.п.)
Наличие всех пяти статей расхода электроэнергии при составлении электробаланса не является обязательным.
Когда существующая схема учёта расхода электроэнергии не позволяет выделить отдельных потребителей (например, питание от общих цеховых шин электрокранов и технологического оборудования), необходимо сделать соответствующее примечание в общих замечаниях по электробалансу. Удельный расход электроэнергии в электробалансе должен быть отнесён на единицу продукции, сопоставляемую с соответствующими показателями других цехов и заводов.