Эффективность устройств компенсации реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности в сети предприятия -  расчет эффективности

Приемники и преобразователи электроэнергии, имеющие в конструкции обмотки (электродвигатели, трансформаторы и др.), потребляют не только активную мощность, но и реактивную. При передаче по элементам системы электроснабжения реактивной мощности (РМ), объективно необходимой для преобразования электроэнергии, в них возникают потери активной мощности, за которые расплачивается предприятие-потребитель. Альтернативой дополнительной плате за электроэнергию является установка в сети предприятия источников реактивной мощности (ИРМ).

Компенсация реактивной мощности в сети потребителя позволяет:

• снизить плату поставщику за потребленную электроэнергию;
• уменьшить токовые нагрузки элементов системы электроснабжения (кабельных и воздушных линий, трансформаторов), обеспечив возможность расширения производства;
• улучшить качество электроэнергии за счет уменьшения отклонений напряжения от номинального значения.

Cинхронные электродвигатели для компенсации реактивных нагрузок.

На большинстве промышленных предприятий компенсация реактивных нагрузок может осуществляться за счет перевозбуждения имеющихся синхронных электродвигателей (СД) напряжением 6-10 кВ или путем размещения в сети конденсаторных установок высокого (ВКБ) и низкого (НКБ) напряжения.

Зависимость стоимости годовых потерь электроэнергии в СД З_с, вызванных генерацией ими РМ Q_с , является квадратичной функцией:

З_С = З_1с * Q _с  + З_2с * Q _с2 , руб./кВт.год, (1)

где

 З_1с и З_2с — коэффициенты, определяемые параметрами СД и стоимостью электроэнергии.

Из (1) следует, что потери электроэнергии в СД, обусловленные генерацией ими РМ, минимальны при работе двигателей с небольшим потреблением РМ. Рост выработки РМ сопровождается резким ростом потерь электроэнергии, греющих прежде всего ротор СД. Исследования показывают, что использование низковольтных СД любой мощности, а также высоковольтных СД мощностью ниже 1600 кВт неэкономично.

Следует заметить, что даже при избыточной РМ мощных высоковольтных СД и генераторов собственных станций, позволяющей соблюсти договорные параметры с поставщиком электроэнергии, предприятие не застраховано от неоправданных потерь последней. Замечание характерно для нефтехимических предприятий, обладающих протяженными сетями напряжением 6 кВ и большим числом маломощных понижающих трансформаторов 6/0,4 кВ.

Конденсаторные установки для компенсации реактивных нагрузок.

Конденсаторные установки — более распространенный источник РМ. Более распространены в качестве ИРМ конденсаторные установки. Мощность конденсатора пропорциональна его емкости и квадрату напряжения, поэтому удельная стоимость ВКБ оказывается примерно вдвое меньшей, чем НКБ. Однако постоянная составляющая затрат для ВКБ оказывается выше за счет большей стоимости подключения к сети. Это обуславливает наличие экономических интервалов применения ВКБ и НКБ (рис.1).

Эффективность использования конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

 Затраты на генерацию РМ Q с помощью ВКБ ЗВ и НКБ ЗН являются линейной функцией мощности:

З_В = З_0В + З_1В * Q_В;

 

З_Н = З_0Н + З_1Н * Q_Н,

 

 где

 

З_0В и З_0Н — постоянные составляющие затрат, зависящие от стоимости подключения КБ и устройств регулирования мощности, руб./год;

З_1В и З_1Н — удельные затраты на КБ, зависящие от стоимости КБ, потерь активной мощности в них и от напряжения в узле подключения, руб./квар*год.

Из рис.1 следует, что при необходимости компенсации РМ величиной до Q_ВН следует отдавать предпочтение НКБ, при больших значениях — ВКБ. Например, для предприятия в Самарской области, работающего в две смены и оплачивающего электроэнергию по двухставочному тарифу (С0 = 3839 из табл. на стр. 14), граничное значение Q_ВН = 560 кВАр.

Оно определено для следующих условий:

• сравнивались регулируемые НКБ типа КРМ-0,4 мощностью 150-600 квар и нерегулируемые ВКБ типа КРМ-10 мощностью 450-3150 квар
• стоимость ячейки для подключения ВКБ принята равной 100000 руб.,
• суммарный коэффициент отчислений от капитальных вложений – 0,2,
• потери активной мощности для ВКБ-2,5 Вт/кВАр,
• для НКБ - 4,5 Вт/квар (з0В=29000; з1В=41,1; з0Н=0; з1Н=92,9).

Следует отметить, что значение Q_ВН = 560 квар получено без учета размещения ВКБ и НКБ в сети предприятия. Между точками их подключения, как правило, находятся понижающий трансформатор и питающая его линия (рис. 2).

Подключение конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

В варианте с ВКБ необходимо учитывать затраты, обусловленные дополнительными потерями электроэнергии, вызванными передачей РМ Q_В через трансформатор и линию.Функция данных затрат имеет квадратичный характер и зависит от активных сопротивлений трансформатора и линии. Дополнительные затраты увеличивают стоимость варианта с ВКБ (пунктир на рис. 1) и соответственно значение Q_ВН.

Если для условий предыдущего примера принять мощность трансформатора 1000 кВ·А, то дополнительные удельные затраты на передачу РМ составят 0,0422 руб./квар·год, что делает предпочтительным вариант установки НКБ при любой ее мощности, независимо от параметров линии. В целом задача выбора оптимального варианта размещения ИРМ в сети промышленного предприятия достаточно сложна, и результат ее решения определяется конкретным набором технико-экономических параметров сети и ИРМ, а также стоимостью электроэнергии.

Экономию электроэнергии и срок окупаемости при применении конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности можно рассчитать.

Приближенную оценку значений годовой экономии электроэнергии ΔЭ от установки ИРМ мощностью Q_КУ и срока его окупаемости Т_ОК можно получить, используя так называемый экономический эквивалент РМ К, который ориентировочно равен 0,02 при питании генераторным напряжением, а также 0,05, 0,08 или 0,12 при питании через одну, две или три ступени трансформации, соответственно:

ΔЭ = К * Q_КУ * T , кВт*ч/год, (2)

Т_ОК = К_КУ /( Сср * ΔЭ ), лет, (3)

где

 

 К_КУ — стоимость конденсаторной установки в рублях;

Сср — из таблицы (для одноставочного тарифа принимается равным c).

 

Например, для НКБ мощностью 400 квар, стоимостью 160000 рублей для предприятия с одной ступенью трансформации годовая экономия энергии и срок окупаемости составят:

ΔЭ = 0,05 · 400 · 5000 = 100000 кВт·ч;

Т_ОК = 160000/(0,77 · 100000)= 2,1 года.

 

Для того же предприятия, работающего в три смены, срок окупаемости составит 1,2 года.

Более точные значения ΔЭ и Т_ОК можно получить при наличии параметров сети выше точки подключения ИРМ и суточных графиков реактивных нагрузок.

Для нашего примера (рис.2) определим дополнительные потери активной мощности ΔР в трансформаторе и кабельной линии длиной 400 м сечением 50 мм2.

Допустим, до установки НКБ трансформатор имел нагрузки

Р=700 кВт,

Q1=500 квар,

S1= 860 кВ·А,

коэффициент загрузки К_З1=0,86.

После установки НКБ

Q2=100 квар,

S2=707 кВ·А,

К_З2=0,707.

Ток трансформатора и линии:

I₁=860/(10,5·1,73)=47А,

I₂=707/(10,5·1,73)=39А.

 

Дополнительные потери мощности в кабеле:

 

ΔР_К=3·R_К·(I₁²- I₂²)=3·0,248·(472-392)=0,52кВт.

 

Дополнительные потери мощности в трансформаторе ΔРт зависят от его нагрузочных (ΔР_Кз) потерь:

 

ΔР_Т= ΔР_КЗ ·(К_З1²- К_З2²)=10,6 ·(0,862-0,7072)=2,54 кВт.

Суммарные потери мощности:

ΔР = ΔР_К+ ΔР_Т =3,06 кВт.

Экономия электроэнергии за год составит:

ΔЭ=3,06·5000=15300 кВт·ч.

Увеличение пропускной способности трансформатора и кабеля можно учесть соответствующими долями их стоимости.

 

Для трансформатора ТСЗ:

 

ΔК_Т=К_Т(S₁- S₂)/ S₁=500000·(860-707)/860=88953 руб.

 

Для кабеля с длительно допустимым током I_Д=130А:

ΔК_К=К_К(I₁- I₂)/ I₁=62000·(47-39)/130=3815 руб.

Срок окупаемости НКБ:

Т_ОК =(К_КУ- ΔК_Т - ΔК_К)/(С_ср· ΔЭ)= (160000-88953-3815)/(0,77·15300) =5,7 года.

 

Данная оценка дает пессимистичный срок окупаемости, который реально оказывается меньшим за счет:

• уменьшения потерь электроэнергии в неучтенных элементах сети, например, в трансформаторе ГПП;
• устранения возможных надбавок к тарифу на электроэнергию за потребление РМ, превышающее договорные значения;
• улучшения качества электроэнергии (увеличение срока службы ламп, сокращение потерь мощности в асинхронных двигателях и др.);
• повышения за время окупаемости тарифа на электроэнергию.

Стоимость электроэнергии без конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

Срок окупаемости, полученный по выражениям (2) и (3), можно считать оптимистичным. Применение регулируемых ИРМ не только снижает неоправданные потери электроэнергии за счет устранения перекомпенсации реактивных нагрузок в сети, но и способствует экономичному режиму работы электроприемников.

Местное регулирование напряжения с помощью ИРМ оказывается эффективным только для НКБ, включаемых за большим индуктивным сопротивлением понижающих трансформаторов. Так, для изменения напряжения на один процент от номинального значения необходимо за трансформатором 1000 кВ·А изменить РМ на 180 квар, за трансформатором 1600 кВ·А - 240 квар, за кабельной линией 0,38 кВ длиной 100 м - 240 квар, за кабельной линией 10 кВ длиной 1000 м - 12500 квар.

Параметры регулируемой НКБ — количество и мощность ступеней регулирования, мощность нерегулируемой части — определяются суточным графиком потребления РМ. Таким образом, приведенные инженерные методики помогут энергетикам предприятий оценить в первом приближении эффективность одного из самых распространенных энергосберегающих мероприятий - компенсации реактивной мощности.