Основы рационализации электропотребления на промышленном предприятии

Р. Н. Хамитов, А. С. Грицай







                ОСНОВЫ РАЦИОНАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ





Учебное пособие


























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.311
ББК 31.26
     Х18

Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры электроснабжения Омского экономико-энергетического института В. К. Федоров;
д-р техн. наук, профессор кафедры электротехники и электрооборудования Омского института водного транспорта К. В. Хацевский



            Хамитов, Р. Н.


Х18 Основы рационализации электропотребления на промышленном предприятии : учебное пособие / Р. Н. Хамитов, А. С. Грицай. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 100 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1192-9

           Рассмотрены вопросы, связанные с рационализацией электропотребления и энергосбережением на промышленном предприятии, рассматриваются методы расчета электропотребления на оптовом рынке электроэнергии и мощности (на краткосрочном рынке).
           Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника».
УДК 621.311
ББК31.26















ISBN 978-5-9729-1192-9

     © Хамитов Р. Н., Грицай А. С., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ............................................................5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................7
Глава 1. Режимы активной мощности и рационализация электропотребления на промышленных предприятиях........................................8
1.1. Основные понятия, определения и терминология...................8
1.2. Режимы активной электрической мощности на промышленных предприятиях.......................................................10
1.3. Основные аспекты энергосберегающей работы.....................12
1.4. Основные направления и способы решения проблем рационализации электропотребления.................................................14
1.5. Организация энергосбережения на промышленном предприятии......16
1.6. Организационно-технические мероприятия по экономии электроэнергии на промышленных предприятиях.......................................17
1.7. Совершенствование систем контроля, учета и управления режимами электропотребления.................................................22
1.8. Определение эффективности ОТМ по экономии электроэнергии на промышленных предприятиях..........................................30
1.9. Методы анализа электропотребления промышленных предприятий....37
1.9.1. Общие положения.............................................37
1.9.2. Анализ электропотребления по методу коэффициентов и нормам расхода электроэнергии.............................................38
1.9.3. Анализ электропотребления с использованием методов математической статистики..........................................39
1.9.4. Электрические балансы.......................................43
1.10. Прогнозирование, нормирование и планирование электропотребления... 51
Контрольные вопросы................................................58
Глава 2. Методы краткосрочного прогнозирования электропотребления в автоматизированных системах электроснабжения.......................59
2.1. Классификация методов краткосрочного прогнозирования..........59
2.2. Критерии оценки представления результатов моделей краткосрочного прогнозирования электропотребления в системах электроснабжения.....61
2.3. О построении доверительных интервалов в задачах краткосрочного прогнозирования электропотребления в автоматизированных системах электроснабжения...................................................64
2.4. Использование нейронной сети в автоматизированных системах электроснабжения на примере построения краткосрочного прогноза электропотребления ООО «ОМСКАЯ ЭНЕРГОСБЫТОВАЯ КОМПАНИЯ»... 69
2.5. Спектральный анализ ретроспективных данных об электропотреблении в автоматизированных системах электроснабжения.......................76
2.6. Краткосрочное прогнозирование электропотребления автоматизированных систем электроснабжения в режиме на сутки вперед для энергосбытовой
компании методом аппроксимации.....................................80

3

2.7. Исследование методов аппроксимации точек соединения двух несинусоидальных функций дневного и ночного циклов электропотребления для решения задачи краткосрочного прогнозирования электропотребления на сутки вперед..................................................88
Контрольные вопросы...........................................94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................95
Библиографический список......................................96

4

            ВВЕДЕНИЕ



      Проблема повышения эффективности использования электроэнергии на промышленном предприятии изложена с позиции системного анализа. Данные вопросы регламентируются ФЗ от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Кроме того, рассмотрены вопросы математического моделирования электропотребления с использованием методов математической статистики, способы прогнозирования и нормирования электропотребления. Приведены основные организационно-технические мероприятия по рационализации электропотребления в общепромышленных электроустановках и методика оценки эффективности их внедрения.
      Современные условия развития электроэнергетики в РФ характеризуются, с одной стороны, повышением цен на топливно-энергетические ресурсы для производства электроэнергии, с другой стороны, удорожанием строительства электростанций при применении более высокотехнологического оборудования и ужесточением требований по охране окружающей среды. Основные этапы развития российской электроэнергетики регламентируются Федеральным законом «Об электроэнергетике» № 35-ФЗ от 26 марта 2003 г.
      Развитие оптового рынка электроэнергии создало дополнительные экономические рычаги для его субъектов, которые позволяют наиболее рационально использовать ресурсы и обеспечивать баланс между выработкой электроэнергии и ее потреблением. В настоящее время оптовый рынок электроэнергии РФ представляет собой модель конкурентного рынка, которая включает в себя рынок долгосрочных двусторонних договоров; рынок на сутки вперед; балансирующий рынок. Постановлением Правительства РФ № 529 от 31 августа 2006 г. определены планы развития оптового рынка электроэнергии. Так, доля регулируемых договоров в 2016 году распространяется на тарифную группу «население» и приравненных к ней потребителей. Порядок работы по регулируемым договорам для субъектов оптового рынка электроэнергии определен регламентом регистрации регулируемых договоров купли-продажи электрической энергии и мощности и утвержден Ассоциацией Некоммерческое партнерство «Совет рынка по организации эффективной системы оптовой и розничной торговли электрической энергией и мощностью» (с изменениями от 7 октября 2015 г., 18 ноября 2015 г.). При этом основной объем покупки электроэнергии для энергосбытовых предприятий формируется на конкурентной основе электрогенерирующими предприятиями и гидроэлектростанциями по ценовым зонам.
      Согласно Постановлению Правительства РФ от 31 августа 2006 г. № 530 «Об утверждении Правил функционирования розничных рынков электрической энергии в переходной период реформирования электроэнергетики», определяющему политику взаимодействия электроэнергетических предприятий в России, энергосбытовые предприятия выполняют функции расчетно-кассового центра и осуществляют покупку необходимых объемов электроэнергии на оптовом рынке электроэнергии, а также продажу необходимых объемов электроэнергии потребителям (физическим и юридическим лицам). В европейских странах такая практика

5

сложилась ранее, но отличительной ее особенностью является принадлежность всей сетевой инфраструктуры государству, а наряду с энергосбытовыми предприятиями на рынке представлены обслуживающие организации, которые осуществляют непосредственную работу с потребителями.
     В 2010-2014 годах в РФ наблюдалось активное перераспределение потребителей между энергосбытовыми компаниями, оно было характерно в основном для крупных потребителей, у которых месячный объем электропотребления составлял более 500 000 кВт-часов, поскольку такая величина электропотребления позволяла в значительной степени обеспечить существенную экономическую эффективность за счет построения более точного прогноза электропотребления и возможностей оптового рынка электроэнергии, обеспеченных законодательством. Международная практика показывает, что фундаментом целевой модели является конкуренция при обеспечении надежного энергоснабжения потребителей - именно этот принцип заложен в основе модели розничного рынка электроэнергии в РФ.
     Основным фактором для энергосбытового предприятия при расчете конечной цены электроэнергии для потребителей является стоимость ее приобретения на рынке «на сутки вперед». При этом в коммерческих интересах субъектов оптового рынка электроэнергии является использование и развитие актуальных методик и инфраструктуры - систем автоматизированного контроля и учета электроэнергии, а также использование современного программного обеспечения с единой базой данных, отражающей все бизнес-процессы компании. В РФ цены на балансирующем рынке, как правило, отличаются от цен на рынке «на сутки вперед» на 10-30 % в сторону увеличения, в странах - лидерах по оснащению системами автоматизированного коммерческого учета электроэнергии (Канада, Франция, Германия), где нет проблем со сбором интервальных показаний приборов учета, этот показатель отличается в 2-5 раз, что несет повышенные требования к построению прогностических моделей потребления электроэнергии.
     Действующая модель оптового рынка электроэнергии в РФ определяет правила покупки необходимого объема электроэнергии для субъектов следующим образом: экспертами осуществляется прогноз в режиме «на сутки вперед» с использованием наработанных методик/информационных систем и подается заявка «Администратору торговой системы» на покупку необходимых объемов электроэнергии на рынке «на сутки вперед» на каждый час последующих суток. Стоимость киловатт-часа перебора/недобора от поданной величины рассчитывается по сложившемуся факту - по тарифу балансирующего рынка. В связи с этим, возрастает степень важности процесса краткосрочного прогнозирования необходимых объемов электроэнергии на «рынке на сутки вперед» и формирования плана в среднесрочной перспективе для энергосбытового предприятия.
     Ввиду вышесказанного, каждому субъекту оптового рынка электроэнергии необходимо иметь базу ретроспективных данных и апробированных методологических моделей для построения краткосрочных/среднесрочных прогнозов электропотребления с целью приобретения наибольшего объема электроэнергии на рынке «на сутки вперед» и обеспечения наименьших отклонений от прогнозных величин на «балансирующем рынке». К сожалению, до настоящего времени единой и общепринятой методологической базы не создано. В связи с этим разработ


6

ка методологической базы, рассмотренной во второй главе данного учебного пособия, для создания прогностических моделей на рынке «на сутки вперед» является актуальной задачей.



            УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


ОТМ - организационно-технические мероприятия;
АМ - активная (электрическая) мощность;
БСК - батарея статических конденсаторов;
КТП - комплектная трансформаторная подстанция;
ИИСЭ - информационно-измерительные системы электроэнергии;
ИИУСЭ - информационно-измерительно-управляющие системы электроэнергии;
ТЭР - топливно-энергетические ресурсы;
ТЭК - топливно-энергетический комплекс;
КПИ - коэффициент полезного использования (энергии);
НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы;
ВЭР - вторичные энергетические ресурсы;
КРМ - компенсация реактивной мощности;
ПКЭ - показатель(и) качества электроэнергии;
АСУЭ - автоматизированная система управления энергетикой (энергохозяйством предприятия);
АСУТП - автоматизированная система управления технологическими процессами;
АСКУЭ - автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии, ГБП - граница балансовой принадлежности;
РМ - реактивная мощность;
ПЭО - планово-экономический отдел;
УРЭ - удельный расход энергии;
РП - распределительный пункт;
ТП - трансформаторная подстанция;
ИП - источник питания;
ППЭ - пункт приема электроэнергии;
ГПП - главная пронзительная подстанция;
РПН - регулятор направления под нагрузкой;
ПГВ - подстанция глубокого ввода;
СЭС - система электроснабжения (предприятия);
ЭП - электроприемник;
ФКУ - фильтрокомпенсирующее устройство;
ФСУ - фильтросимметрирующее устройство,
ОРЭМ - оптовый рынок электроэнергии и мощности,
ЭП - электропотребление,
РСВ - рынок «на сутки вперед»,
РОЭТК - регионально обособленный электротехнический комплекс, ИСЭ - изолированная система электроснабжения.


7

Глава 1. Режимы активной мощности и рационализация электропотребления на промышленных предприятиях


            1.1. Основные понятия, определения и терминология


     Прежде всего рассмотрим понятия «экономия энергии», «потери энергии». В соответствии с1-м законом термодинамики, энергия не возникает вновь и не теряется (не исчезает), а переходит из одной формы в другую. Энергии вокруг всегда в изобилии, хотя лишь малая ее часть содержится в форме, пригодной для использования. Ценность конкретной формы энергии определяется ее уровнем, для такого вида энергии как тепло, например - температурой по отношению к окружающей среде. Воздух с t = +30 °C в зимний день можно использовать для отопления, летом он практически бесполезен. Вода с температурой + 4 °C может быть использована для охлаждения, а с t = +50 °C - для отопления, но стоит их перемешать, как полученная смесь будет бесполезной, хотя суммарная энергия смеси не убыла и не потерялась. Поэтому термины «экономия энергии» и «потери энергия» не имеют строгого физического смысла, не являются общепринятыми. В общем случае оценить «полезность» или уровень «полезности» энергии, определить эффективность и способы улучшения ее расходования можно только на основе 2-го закона термодинамики, на основе оценки так называемой «располагаемой работы» - эксергии. Энергия на предприятиях в основном используется в двух видах - механической работы и тепла. Работа является высшей формой, так как ее всю можно превратить в тепло, тогда как обратный процесс невозможен - только часть тепла в замкнутом цикле можно превратить обратно в работу, эта часть и будет энергией. Высока эксергия электроэнергии, так как она практически полностью может быть превращена в механическую работу, тепло и другие виды энергии.
     Энергетический баланс - полное количественное соответствие (равенство) между суммарной подведенной энергией, с одной стороны, и полезной энергией, и потерями энергии, с другой стороны. Это система показателей, отражающая полное соответствие (равенство) между приходом и расходом ТЭР, распределение их между отдельными потребителями, районами потребления и их группами и позволяющая определить эффективность использования энергии в народном хозяйстве или на отдельных участках (в отрасли, районе, на предприятии, установки в процессе, на объекте) [1,2].
     Энергобалансы подразделяются:
     -  по назначению - на плановые и отчетные (фактические);
     -       по видам энергоносителей - на частные (балансы по отдельным видам ТЭР) и свободные;
     -       по объектам изучения - на балансы по отдельным видам оборудования, агрегатов, процессов, по участку, цеху, предприятию, району, отрасли, стране;
     -       по принципам составления - на синтетические, аналитические, рациональные, нормализованные и оптимальные;
     -  на энтропийные и энергетические.


8

     Отчетные (фактические) синтетические балансы показывают распределение подведенных и распределительных внутри предприятия ТЭР и характеризуют фактическое состояние энергохозяйства предприятия. Однако такой баланс на выявляет степени рационального использования энергоресурсов.
     Отчетные (фактические) аналитические балансы отражают характер использования подведенных энергоносителей и определяют полезноиспользуемую энергию и ее потери.
     В зависимости от характера энергетического процесса следует различать виды полезной энергии и то сечение энергетического потока, по которому производится ее количественная оценка поскольку нет достаточно четкого и строгого определения «полезная энергия», рекомендуется принимать для различных технологических процессов различных условные определения полезного использования энергии [2]:
     -  в осветительных установках - по световому потоку ламп;
     -       в силовых и двигательных процессах прямого воздействия - по расходу энергии, необходимой для процесса по теоретическому расчету (иногда определяют по работе на валу двигателя);
     -       в электрохимических и электрофизических процессах - по расходу энергии, необходимой для процесса в соответствии с теоретическим расчетом;
     -       в термических процессах - по теоретическому расходу энергии на проведение эндотермических реакций и расходу энергии на нагрев, плавку, испарение материалов;
     -       в отоплении, вентиляции, кондиционировании, горячем водоснабжении, холодоснабжении - по количеству тепла (холода), полученному потребителем;
     -       при преобразовании, переработке, транспорте и передаче энергии - по количеству ТЭР, получаемых потребителем из системы преобразования, транспорта, передачи.
     Потери ТЭР подразделяются:
     -       по возможности и целесообразности устранения на полные и неустранимые, определяемые принципом технологического процесса и конструкцией оборудования; технически устранимые; экономически целесообразные для устранения;
     -       по месту возникновения - при добыче, хранении, транспортировке и передаче, переработке, преобразовании, использовании;
     -       по физическому смыслу и характеру - потери тепла в окружающую среду с уходящими газами, с уносами материалов, охлаждающими агентами (водой, воздухом и т. п.) технологическим отходами, технологической продукцией, химическим и механическим недожогом и т. п.; потери электроэнергии в ЛЭП, преобразователи, ЭП, трансформаторах ит. п.; потери энергии с утечками через не плотности оборудования и коммуникаций, от усушки и т. п.; гидравлические потери; механические потери (потери трения);

9

     -       по причинам возникновения - пусковые, холостого хода и нагрузочные; вследствие конструктивных недостатков оборудования; вследствие неправильного выбора типа или режима работы, а также неправильной эксплуатации оборудования; из-за некачественного ремонта энергоиспользующего оборудования; из-за брака продукции; из-за отклонения ПЭК на зажимах ЭП от установленных ГОСТ [3].


            1.2. Режимы активной электрической мощности на промышленных предприятиях


     Режим работы по активной мощности системы электроснабжения зависит от режимов работы технологических установок предприятия и питающей энергосистемы. Несмотря на то, что нагрузки энергетических систем складываются из нагрузок большого числа различных потребителей, неравномерность графиков нагрузок энергосистем непрерывно растет из-за быстрого повышения удельного веса бытового, коммунального и сельскохозяйственного потребления, а также роста неравномерности графиков нагрузки ряда машиностроительных предприятий. Задача покрытия переменной части нагрузки для энергосистем в принципе является технически разрешимой, но связана со значительными затратами на сооружение специальных пиковых агрегатов и электростанций, с увеличением расхода топлива. Поэтому стоимость электроэнергии при неравномерном графике будет всегда выше, чем при прочих равных условиях для равномерного графика нагрузок.
     В общем виде неравномерность графика нагрузок может быть выражена числом часов использования максимума нагрузки Тм. Изменение режима работы предприятия, направленное на выравнивание графика нагрузок энергосистемы, приводит к увеличению затрат потребителя.
     В общем виде зависимость затрат предприятия на снижение неравномерности графика нагрузки может быть представлена кривой 1, затрат энергосистемы на производство электроэнергии - кривой 2 и народнохозяйственные затраты на производство и потребление электроэнергии - кривой 3 (рис. 1.1) [4]. Эффект от выравнивания графика нагрузок равен снижению затрат на производство и потребление электроэнергии АЗнх и достигает своего максимума при некотором режиме электропотребления Тм опт. За пределами Тм пр (точка «А» на рис. 1.1) регулировать график нагрузки неэффективно.
     Необходимость регулирования режима электропотребления может возникнуть на предприятии также при недостатке мощности или энергии в энергосистеме и энергообъединении. После использования эксплуатационного резерва на электростанциях и блок-станциях во избежание недопустимых условий работы оборудования электростанций и электрических сетей, для сохранения параллельной работы электростанций и энергообъединений, предотвращения возникновения и развития аварий, ее ликвидаций и исключения неорганизованных отключений потребителей в соответствии с [5] вводятся в действие графики ограничений и отключений потребителей.


10

Рис. 1.1. Затраты на производство и потребление электроэнергии:
1 - затраты потребителей; 2 - затраты энергосистемы; 3 - народнохозяйственные затраты на выборку и потребление электроэнергии

      Энергосистемы совместно с потребителями составляют:
      1)      графики ограничения потребления электроэнергии при недостатке топлива и гидроресурсов в энергосистеме или энергообъединении. Они предусматривают сокращение потребления электроэнергии на величину до 25 % суточного лимита с разбивкой на 5 равных очередей (режимов);
      2)      графики ограничения потребления электрической мощности при недостатке мощности в энергосистеме или энергообъединении. В них предусматривается снижение электрической мощности на величину до 20 % от заданного предельного потребления электрической мощности в часы максимальных нагрузок с разбивкой ограничиваемой мощности на10 равных очередей (режимов);
      3)      графики отключения электроэнергии, которые применяются при угрозе возникновения аварии в результате образовавшегося недостатка электрической мощности, а также снижения частоты и напряжения, когда нет времени на введение графика ограничения электрической мощности.
      Они разрабатываются в размере 20 % заданного предельного потребления электрической мощности в часы максимальных нагрузок с разбивкой величины суммарной отключаемой мощности на 10 равных очередей. В данные графики не включаются потребители особой группы первой категории.
      Ограничения по мощности и электроэнергии приводят к отклонению режима технологических установок и возникновению у предприятий ущерба. При составлении графика разгрузки предприятия необходимо иметь техникоэкономические и энергетические характеристики технологических установок -зависимости ущерба от потребляемой мощности:
у = f(Pp при 0 < Pj< PHⱼ,

11

где Phj - номинальная мощность, при которой обеспечивается выпуск планового количества продукции установленного качества.
     Если функции у = f(Pj) являются непрерывными и не зависят от длительности ограничения электропотребления, то графики разгрузки составляются по ряду методик, например по методике [6].
     Если функции у = f(Pj) имеют разрывы и зависят от длительности ограничения электропотребления, то графики разгрузки предприятия могут составляться по методикам, применительно к предприятиям нефтегазового комплекса, например по методике [7].
     При нормальном электроснабжении предприятия (без ограничений) - режим электропотребления должен устанавливаться с учетом наиболее эффективного использования электроэнергии при выпуске планового количества продукции установленного качества. Для выдерживания режима потребления электроэнергии на предприятиях составляются специальные мероприятия (графики) по регулированию электрической мощности в часы максимальных нагрузок энергосистемы.
     В первую очередь в этот график включается периодически работающее оборудование, но за счет такого регулирования, как показывает опыт, удается снизить потребление мощности не более чем на 1-3 %. Для большинства предприятий, как правило, возможно использование так называемых потребителей-регуляторов. Это обычно электроемкие агрегаты (компрессоры, вентиляторы, насосы, электрические печи и т. п.), которыми можно в значительной степени регулировать график нагрузки предприятия, Выбор потребителей-регуляторов и график их работы производятся на основе проведения техникоэкономических расчетов. Методы расчета оптимального режима потребления АМ, приведенные в [8, 9], требуют большого числа измерений по контролю режима как отдельных ЭП (наиболее электроемких, включая потребители-регуляторы), так и групп ЭП - потребителей (агрегатов, технологических линий, цехов, производств, предприятий). Для проведения обработки результатов измерений, расчетов, выбора режимов электропотребления и управления ими на базе электронной измерительной техники и ЭВМ создаются специальные информационно-измерительные и информационно-измерительно-управляющие системы. Вопросы рационализации электропотребления и создания вышеуказанных систем в настоящее время решены в полном объеме не на всех предприятиях.

...


            1.3. Основные аспекты энергосберегающей работы


     Основные принципы, определяющие подход к реализации энергосберегающей работы на предприятии, можно сформулировать следующим образом [10].
     Первый принцип заключается в том, что сбережение энергии рассматривается как экономическая категория, оно должно осуществляться везде, где затраты на сбережение оказываются меньшими, чем затраты на добычу и перера

12