Лукутин Б.В. Энергоэффективность преобразования и транспортировки электроэнергии: Учебное пособие - файл n1.doc

Лукутин Б.В. Энергоэффективность преобразования и транспортировки электроэнергии: Учебное пособие
скачать (1525.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1526kb.20.11.2012 08:41скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15


Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Б.В. Лукутин

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И

ТРАНСПОРТИРОВКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ


Учебное пособие

Томск 2000

УДК 658.26:621.32
Лукутин Б.В. Энергоэффективность преобразования и транспортировки электроэнергии: Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. - 100 с.
В учебном пособии рассматриваются процессы преобразования параметров электрической энергии: величина напряжения, род тока, частота, количество фаз, а также процессы преобразования электрической энергии в другие виды: механическую энергию, световую, тепловую. Определяются потери электрической энергии при преобразованиях и транспортировке, коэффициент полезного действия преобразования.

Оценивается влияние качества напряжения в системе электроснабжения на величину электропотребления и потери в системе. Приводятся рекомендации по обеспечению показателей качества, соответствующих требованиям ГОСТ.

Рассматривается возможность применения методов планирования эксперимента для решения задач энергосбережения.

Приводятся сведения о принципах преобразования механической энергии природных возобновляемых источников - ветра, потоков воды в электроэнергию заданного качества.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета
Томского политехнического университета.


Рецензенты:
М.И. Яворский – директор Регионального центра управления энерго-
сбережением, г. Томск

Ю.А. Шурыгин – заместитель директора по научной работе НИИ АЭМ,
г. Томск, профессор, доктор технических наук.

Темплан 2000
 Томский политехнический университет, 2000



ВВЕДЕНИЕ


Процесс потребления электроэнергии сопровождается рядом ее последовательных преобразований, каждое из которых неизбежно сопровождается потерями. Теряется часть электроэнергии и при транспортировке.

Энергоэффективность преобразований электроэнергии и ее транспортировки определяется, с одной стороны, фундаментальными ограничениями, связанными со свойствами материалов и физической природой процессов энергопреображения. С другой стороны, коэффициент полезного действия процессов энергопреобразования, величина потерь электроэнергии зависят от режимов загрузки энергетического оборудования, качества напряжения системы электроснабжения, ее структуры, графиков электропотребления и ряда других факторов.

Следовательно, управление комплексом факторов, влияющих на процессы транспортировки электроэнергии, преобразования ее параметров и преобразование электрической энергии в другие виды энергии, позволяет уменьшить потери до теоретически обоснованного минимума.

Учитывая массовый характер использования электроэнергии в быту и на производстве, сокращение потерь электроэнергии в процессе ее потребления представляет собой важнейшую задачу, даже частичное решение которой позволит добиться существенной экономии энергоресурсов.

Значительное влияние на электропотребление оказывает качество напряжения в системе электроснабжения. Показатели качества напряжения зависят от степени рациональности построения системы электроснабжения, типов электроприемников и режимов их работы, многих других факторов, требующих изучения и оптимизации.

Одним из важнейших методов комплексного решения задач энергосбережения, тесно связанным с качеством напряжения в системе электроснабжения, многими другими факторами, является анализ индикаторов, основанный на методах проведения оптимального многофакторного эксперимента. Возможности теории планирования эксперимента оперировать с многими факторами, имеющими различную физическую природу, различные способы описания, различные диапазоны изменений, позволяют определять количественные характеристики энергосберегающих мероприятий и оптимизировать комплекс рекомендуемых мер, направленных на экономию энергоресурсов предприятия и средств на их оплату.

Перспективным направлением развития электроэнергетики является вовлечение в энергобаланс природных возобновляемых ресурсов, прежде всего ветра и потоков воды. Малые ветро- и гидроэлектростанции позволяют организовать децентрализованное электроснабжение различных объектов. Современные технологии преобразования энергии позволяют создавать эффективные ветро- и гидроагрегаты, генерирующие электроэнергию высокого качества при приемлемых затратах на строительство и эксплуатацию энергоустановок.

Изложение указанных вопросов, изучаемых студентами энергоэнергетических специальностей старших курсов, приведено в учебном пособии, которое может быть полезно также магистрам и аспирантам.

Примеры практических расчетов энергоэффективности в системах электроснабжения приведены в Приложении.

1. Оптимизация потерь электроэнергии в сетях промышленных предприятий


Разветвленная и имеющая большую протяженность электрическая сеть предприятий является источником потерь, составляющих десятки, а иногда и сотни тысяч кВтч в год. Рационализация электросетей может дать существенную экономию электроэнергии.

Потери электроэнергии собственно в системе электроснабжения предприятия можно разделить на:

- потери в линиях электропередачи;

- потери в реакторах, измерительных трансформаторах и др.;

- нагрузочные потери в трансформаторах;

- потери холостого хода в трансформаторах;

- потери в компенсирующих устройствах.

1.1. Потери мощности и энергии в линиях электропередачи


Потери электроэнергии в линиях определяются величиной тока и сопротивления линии. Потери активной мощности в трехфазной линии находятся по формуле

(1)

потери реактивной мощности

(2)

где R, X - активное и реактивное сопротивление линии Ом;

Iм - расчетный ток нагрузки А;

Рм - активная мощность кВт;

Qм - реактивная мощность кВАр;

Uн - напряжение сети В.

Активное сопротивление линии зависит от длины проводника, его сечения и материала, из которого он выполнен. Величина активного сопротивления определяется по формуле

R = rоl, (3)

где l - длина линии км; rо - удельное сопротивление Ом/км, которое находится по справочникам 4 или по выражению

rо = 1000/F, (4)

где  - удельная проводимость, принимаемая для медных проводников 54,4 м/Оммм2; для алюминиевых - 32,2 м/Оммм2;

F - сечение проводника мм2.

Индуктивное сопротивление линии вычисляется как

Х = хо l, (5)

где хо - удельное индуктивное сопротивление Ом/км, определяемое по справочникам 4 или расчетным данным. Удельное индуктивное сопротивление транспонированной трехфазной воздушной линии находится как

(6)

где - среднее геометрическое расстояние между осями проводов; r- радиус проводов; - коэффициент магнитной проницаемости (для провода из цветного металла = 1). Индуктивное сопротивление линии содержит составляющую хо, определяемую конструктивными факторами, и составляющую , которая создается переменным магнитным полем самого проводника.

При расчете токопроводов увеличение их сопротивления за счет поверхностного эффекта и эффекта близости учитывается коэффициентом добавочных потерь: для гибких токопроводов Кд = 1,1-1,2; для жестких симметричных - Кд = 1,2-1,5; для жестких несимметричных токопроводов
Кд = 2,5-3. При прокладке токопроводов в галерее или тоннеле Кд следует увеличивать на 0,2-0,3 за счет потерь в металлических конструкциях.

Реактивная емкостная проводимость воздушных линий обусловлена наличием емкости между проводами и между проводами и землей. Сети промышленных предприятий имеют относительно небольшую протяженность, поэтому емкостная проводимость при расчете потерь электроэнергии не учитывается.

Соотношение между удельными значениями активных и реактивных сопротивлений кабельных линий электропередач в виде графика показано на рис.1. Как следует из кривых на рис. 1, индуктивное сопротивление кабеля почти не зависит от его сечения и в среднем составляет 0,07 Ом/км.

Следовательно, учитывать реактивное сопротивление для проводов и кабелей сечением менее 25 мм2 не имеет практического смысла. Реактивное сопротивление линии сечением от 25 до 70 мм2 следует учитывать в зависимости от конкретных условий и соотношения rо к хо. Для проводников сечением более 70 мм2 индуктивное сопротивление следует учитывать во всех случаях.

На величину потерь мощности в линии электропередач оказывает влияние несимметрия токов и напряжений трехфазной системы.
Коэффициент увеличения потерь мощности в трехфазной сети с неравномерной токовой загрузкой фаз трехпроводной линии определяется выражением:

(7)
где IА, IВ, IС - токи в проводах соответствующих фаз; Iср - среднее значение токов.

Для системы с нулевым проводом коэффициент увеличения потерь мощности равен 1.

(8)

где Rф, RN - сопротивления фазного и нулевого провода.

На практике для характеристики неравенства фазных токов часто используют относительные значения небаланса токов

Iнеб = (Imax - Imin)/Iср,

где Imax - и Imin - максимальное и минимальное значения из трех замеренных значений IА, IВ, IС.

Численные значения коэффициента увеличения потерь Кнер в зависимости от Iнеб для трех случаев:

1) ток третьей фазы равен среднеарифметическому токов других фаз;

2) совпадает с максимальным током;

3) совпадает с минимальным током приведены в табл. 1.

Таблица 1




К нер.из

Кнер

Iнеб

1

2

3

RN/Rф= 1

RN/Rф= 0,5

0,1

1

1

1

1,017-1,022

1,028-1,036

0,2

1,007

1,009

1,009

1,032-1,045

1,052-1,072

0,3

1,013

1,017

1,018

1,068-1,095

1,104-1,132

0,4

1,027

1,033

1,038

1,1-1,131

1,16-1,21

0,5

1,040

1,041

1,053

1,15-1,21

1,24-1,4

0,6

1,060

1,008

1,1








В таблице приведены значения Кнер для системы с нулевым проводом для предельных случаев коэффициента увеличения потерь Кнер из трехфазной трехпроводной линии. Как следует из табл.1, Кнер может достигать величины до 1,4 при значительной несимметрии нагрузки линии.

Потери активной энергии в линии зависят от числа часов использования максимума нагрузки

Эа.л. = Рл кВтч, (9)

потери реактивной энергии

Эр.л. = Qл кВАрч, (10)
где - время потерь, соответствующее времени работы системы с максимальной нагрузкой и равенстве потерь электроэнергии потерям при работе по действительному годовому графику нагрузки.

Следует отметить, что реактивная энергия как работа переменного тока не существует. Реактивный ток обусловлен лишь колебательными процессами обмена энергии между источником электропитания и магнитными полями электроприемников. Однако реактивный ток вызывает активные потери в линиях электропередачи и других элементах системы электроснабжения.

Потери электроэнергии в сети определяются среднеквадратичным значением тока Iск. Среднеквадратичное значение тока зависит от коэффициента формы графика суточной нагрузки

Iск = Кф  Iср,

где Кф - коэффициент формы; Iср - среднее значение тока участка сети. Среднее значение тока легко определить по показаниям счетчика. Значение Кф какой-либо линии может быть приближенно подсчитано по выражению 3

(11)

где Эа - расход активной электроэнергии за время определения коэффициента формы t; Эаm - то же значение за время t = t/m; m - число отметок показаний счетчика в течение времени t. Для электрических нагрузок большинства предприятий Кф = 1,01-1,1. Меньшие значения Кф соответствуют электрическим нагрузкам с большим числом приемников. Для стабильных предприятий Кф определяется 3-5 раз, усредняется и принимается постоянным в пределах месяца или года.

Потери электроэнергии за учетный период (месяц, квартал, год) рекомендуется определять как произведение потерь электроэнергии за одни сутки учетного периода, называемые характерными, на число рабочих суток в учетном периоде (выходные дни считаются отдельно).

Характерные в отношении электропотребления сутки находятся следующим образом:

1) по записям в вахтенном журнале определяется расход электроэнергии за учетный период времени;

2) по найденному расходу электроэнергии за учетный период находится среднесуточный расход электроэнергии;

3) по вахтенному журналу находятся сутки, имеющие такой же или близкий расход электроэнергии, как и полученный среднесуточный расход;

4) найденные таким образом сутки и их действительный график нагрузки принимаются за характерные.

Потери электроэнергии в какой-либо линии за учетный период

(12)

где Тр - число рабочих часов за учетный период; Rэ - эквивалентное сопротивление линии; Iср - среднее за характерные сутки значение тока линии:

(13)

или

(14)

где Эа, Эр - расход активной и реактивной энергии за характерные сутки, кВтч, кварч; cos св - средневзвешенный коэффициент мощности линии;
U - линейное напряжение, кВ; Тр - число рабочих часов за характерные сутки.

При определении реактивных потерь

(15)

где Хэ - эквивалентное реактивное сопротивление линии.

Эквивалентным сопротивлением какой-либо сети называется сопротивление некоторой условной неразветвленной линии, ток которой равен току головного участка сети и потери электроэнергии равны потерям в сети, т.е.

(16)

Определение эквивалентных сопротивлений рекомендуется производить расчетным путем через номинальные значения токов и потерь мощности.

Для неразветвленной линии с сосредоточенной нагрузкой на конце эквивалентные сопротивления определяются по формулам (3), (4), (5).

Для линии с распределенной электрической нагрузкой (рис.2) эквивалентные сопротивления определяют по формулам 3:
(17)

(18)

где n - число электроприемников, подключенных к данной магистрали.







Эквивалентные сопротивления комбинированной схемы питания нагрузок определяются по формулам 3:

(19)

(20)
где Rпл, Хпл – активное и реактивное сопротивление питающей линии;
Ri, Xi - активное и реактивное сопротивление i-ой распределительной линии; Кзi = Рi1 - коэффициент загрузки i-го участка относительно наиболее загруженного, принимаемого за первый.

Формулы (17)-(20) предполагают, что коэффициенты мощности всех участков линии одинаковы.

Таким образом, уменьшить потери электроэнергии и мощности в линиях электропередач можно только уменьшая величину протекающего по ним ток либо уменьшая сопротивления этих линий.

Уменьшить величину тока в линиях можно следующими путями:

1. Использовать все имеющиеся линии электропередач в системе электроснабжения. Нецелесообразно иметь отключенные резервные линии.

2. Максимально снижать реактивную мощность нагрузки путем рационального использования установленной мощности двигателей и трансформаторов и применением компенсирующих устройств. Предпочтение следует отдавать естественному повышению cos, так как на выработку реактивной энергии в компенсирующих устройствах затрачивается активная электроэнергия. Кроме того, часть сетей невозможно освободить от реактивной нагрузки, ввиду нецелесообразности устанавливать компенсирующее устройство около каждого двигателя.

При снижении реактивной нагрузки cos увеличивается, уменьшаются потери электроэнергии, увеличивается пропускная способность электрических сетей и улучшается использование генераторов электростанций.

Потери электроэнергии в распределительных сетях обратно пропорциональны квадрату cos, т.е. резко возрастают при уменьшении коэффициента мощности и достигают минимума при cos = 1.

3. В максимальной степени использовать повышенное напряжение путем установки понижающих трансформаторов вблизи электроприемников и внедрения повышенного напряжения 1140 и 660 В для питания двигателей, механизмов, установок.

Экономия электроэнергии в сети при переводе ее на более высокое напряжение вычисляется по формуле

кВтч , (21)

где

l - длина участка сети, на котором производится повышение напряжения м; Iнн, Iвн - ток в сети при низком и высоком напряжении соответственно А;

Fнн, Fвн - сечение жил проводов в сети низкого и высокого напряжения мм2;  - удельная проводимость участка сети, значение которых для меди и алюминия указаны в выражении (4); Тр - число рабочих часов.

Уменьшение сопротивления линий, связанное с их реконструкцией, достигается путем:

- сокращения протяженности и увеличения сечения кабельных и воздушных линий.

- замены проводов с высоким удельным сопротивлением на проводники с меньшим сопротивлением, например, замена стальных проводов на алюминиевые. Величину сэкономленной электроэнергии при этом можно определить по формуле

кВтч, (22)

где Iск - среднеквадратичное значение тока нагрузки одной фазы А;

l1, F1, 1 - длина м, сечение мм2 и удельная электрическая проводимость участка сети до реконструкции; l2, F2, 2 - то же после реконструкции.

Выполнение электрической сети должно осуществляться с минимальным количеством контактных соединений. Соединение жил и проводов должно выполняться с применением специальных зажимов и муфточек, особенно для разных соединяемых металлов.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации