Технико-экономическая оценка эффективности привлечения синхронных электродвигателей предприятий к генерации реактивной мощности

УДК 621.311.1:658.26

Технико-экономическая оценка эффективности привлечения синхронных электродвигателей предприятий к генерации реактивной мощности

А.Е. Веселов, А.С. Карпов, В.В. Ярошевич

Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН; Апатитский филиал МГТУ, кафедра электроэнергетики

Аннотация. Приводится методика расчета располагаемой реактивной мощности синхронных электродвигателей, дается оценка экономической целесообразности привлечения синхронных двигателей к генерации реактивной мощности. Рассмотрены результаты расчетов ожидаемых экономических эффектов при различных вариантах использования синхронных двигателей предприятий для компенсации реактивной мощности.

Abstract. Available reactive power calculation procédure of synchronous electric motors has been shown. Economic estimation of synchronous motors used for reactive power generation has been given. Calculation results of expected economic effects of different variants of enterprises' synchronous motors used for reactive power compensation have been considered.

1. Введение

Компенсация реактивной мощности нагрузки на крупных промышленных предприятиях приводит к разгрузке предвключенных питающих сетей от значительных перетоков реактивной мощности, что существенно снижает потери напряжения и улучшает качество электроэнергии в распределительных сетях. В качестве компенсирующих устройств целесообразно использовать конденсаторные батареи, которые являются наиболее экономичным источником реактивной мощности. Однако их применение на целом ряде предприятий Северо-западного региона России, таких, как комбинат "Североникель" (г. Мончегорск), является весьма проблематичным вследствие высокого содержания высших гармоник в питающем напряжении.

Целесообразно рассмотреть возможность использования компенсирующей способности синхронных электродвигателей, имеющихся на промышленных предприятиях, для генерации реактивной мощности в питающую электрическую сеть. В предлагаемой статье рассмотрена проблема привлечения крупных синхронных электродвигателей к решению проблемы компенсации реактивной мощности.

2. Располагаемая реактивная мощность синхронных двигателей

В условиях работы с полной загрузкой и при номинальном напряжении на зажимах синхронный двигатель (СД) характеризуется номинальными значениями активной мощности РСдн, потерь активной мощности АРСдн и располагаемой реактивной мощностью QСдн (в режиме перевозбуждения), которую СД способны выдавать в сеть. Выпускаемые промышленностью СД рассчитаны, как минимум, на работу с "опережающим" значением коэффициента мощности cos фСдн = 0,9 (tg фСдн = 0,484), то есть, способны при номинальной активной нагрузке (коэффициент загрузки в = РСд /РСдн = 1,0) генерировать в питающую сеть реактивную мощность:

Q^u = 0,484  РСД / П,

где п - коэффициент полезного действия двигателя.

Применению СД для компенсации реактивной мощности (КРМ) посвящена обширная литература, в которой, в основном, исследовался вопрос об определении располагаемой реактивной мощности синхронного двигателя - Q^paC„, зависящей от типа и параметров СД, степени активной загрузки в и величины напряжения U на зажимах СД, которое, в общем случае, может быть больше или меньше номинального ин (Сыромятников, 1963; Согомонян, 1967).

Значение коэффициента загрузки в, характеризующего относительную величину потребляемой СД активной мощности, может изменяться на практике от величины порядка 0,05 (режим, близкий к холостому ходу) до 1,1. Относительная величина реактивной мощности может измениться от (-0,6) -режим потребления реактивной мощности, до величины располагаемой реактивной мощности QСдрас„ при рассматриваемых значениях в и напряжения U (Карпов, Солдаткина, 1970).

Отметим, что при неноминальной активной загрузке СД (в < 1) возможно даже некоторое увеличение выдачи реактивной мощности по сравнению со значением, рассчитанным по (1).

Упрощенная методика определения реактивной мощности, генерируемой СД, заключается в следующем: в "Указаниях по проектированию компенсации реактивной мощности в электросетях промышленных предприятий" (Указания по проектированию..., 1986) оценены сочетания граничных значений таких параметров СД, как номинальная активная мощность и частота вращения, а также количество рабочих смен, характеризующих график нагрузки СД, при превышении которых целесообразно полностью использовать реактивную мощность СД, определяемую по формуле:

О = а = а • Р2 + О2 ,

^¿СДрасп ^м СДн ^м Л] СДн 1 *£сДн

где ам - коэффициент допустимой нагрузки СД, зависящий от в (Указания по проектированию..., 1986), 5Сдн - полная номинальная мощность синхронного двигателя.

От синхронных двигателей, не рекомендованных для привлечения к КРМ по экономическим соображениям, может быть, тем не менее, выдана реактивная мощность:

ОСД = РСДн • в • фсдн < ОСДн.

Более точные результаты по оценке выдачи активной мощности от СД могут быть получены в случаях, когда известны его параметры из заводского формуляра. Строгая методика расчета базируется на соотношениях, вытекающих из уравнений Парка - Горева применительно к установившемуся режиму работы СД (Горев, 1950).

Расчетные формулы отличаются для неявнополюсных СД, имеющих одинаковые синхронные реактивные сопротивления по продольной Х^ и поперечной Х9 осям, и явнополюсных, для которых Х^ не равно Хц. К первому типу относятся все СД, которые имеют одну пару полюсов на роторе (п = 3000 об/мин). Ко второму типу относятся СД со скоростью вращения 1500 об/мин и менее.

Приведем расчетные формулы для оценки выдаваемой реактивной мощности синхронного двигателя. Из векторной диаграммы, соответствующей уравнениям Парка - Горева для синхронной машины, следуют нижеприведенные формулы для нахождения ОСдрасп:

1) для неявнополюсных синхронных двигателей

&СДрасп =

SX,

СДн d

* СДн

— ,¡

СДн

Q СДрасп

^°СДрасп I '

I ^ СДрасп

где О'сДрасп - располагаемая мощность, рассчитанная из условия поддержания тока возбуждения СД на предельно допустимом уровне; О"Сдрасп - располагаемая мощность, рассчитанная из условия поддержания тока статора СД на номинальном уровне;

С = 1 + 2  Xd  sin фСДн + Xd2.

Формула (6) показывает, что в качестве располагаемой мощности СД следует принять наименьшее из значений, рассчитанных по (4) и (5).

2) для явнополюсных синхронных двигателей:

с • (Xd -х) fTTTTC^X^XJTTTX'—

J и \¡ ^ ' ^H " ' ''

^ - 2^ [ X + v d ^ ]+ 2^ [X + v d ^ ]2 - 4^ [ q Vd qJ ] _ q U/UB у i 1 q U/UB y 1 (U/Uh)2 j v

-—-2-2-^

^СДн 2 Xq -

(U/Uh )2

, H q

X-2-:-

X - (Xd -X )2

2 q ^ d q s

(U / Uh )2

-p2 cos2 Фсдн ;

d

„ . I <2сДрасп ,

ОСп = Ш1Ы

Х^СДрасп 1 Q //

[¿^ СДрасп

где Q'Сдрасп и Q"Сдрасп рассчитаны для тех же условий работы, что и для неявнополюсных синхронных двигателей;

С =л] 1 + 2Xq • sin фя + Xq2 + Sin фH (Xd - Xq ).

В качестве рассматриваемой мощности здесь также следует принять наименьшее из значений QСДрасп, определенных по (7) и (8).

3. Критерий привлечения синхронных двигателей для генерации реактивной мощности

Основным критерием для выбора рационального режима возбуждения СД и, соответственно, решения вопроса об использовании его располагаемой реактивной мощности являются дополнительные активные потери на генерацию реактивной мощности APq, которые могут быть определены по следующей расчетной формуле:

aPq = D • QcdQ^n + D2 • Qc^/Q^H\ кВт,

где D1 и D2 - расчетные величины, зависящие от параметров конкретного двигателя, кВт. В литературе имеются данные по значениям D1 и D2 только для ограниченного круга двигателей. Они приводятся, например, в (Карпов, Солдаткина, 1970; Справочник по электроснабжению..., 1986).

Формула (10) характеризует функциональную связь потерь с величиной реактивной мощности и ее квадратом, что отражает реальную зависимость активных потерь в статоре и роторе СД при приращении выдаваемой реактивной мощности.

Более наглядной является запись формулы (10) в виде удельных потерь в СД при выработке реактивной мощности:

APq/Q^ [кВт/кВАр] = Dj/Qc^ +

Как видно, APq/Q^ изменяется в зависимости от величины относительной загрузки по реактивной мощности QСд /Qc^K.

Следует помнить, что СД не является таким же экономичным источником реактивной мощности, как конденсаторная батарея, имеющая относительные потери активной мощности порядка 0,002 кВт/квар или 0,2 % и менее. Потери активной мощности на генерацию реактивной мощности синхронным двигателем APq/Qсд существенно зависят от его номинальных параметров и числа оборотов. Так, например, для двигателей серии СДН напряжением 6 кВ потери при их номинальной загрузке находятся в пределах (0,9-5,4)% (Справочник по электроснабжению..., 1986). Из приведенных в (Справочник по электроснабжению., 1986) зависимостей для различных СД следует, что чем ниже номинальная мощность и число оборотов СД, тем выше потери APq в двигателе на генерацию реактивной мощности.

Так, для быстроходных мощных СД при QСд = Qc^„ характерны соотношения APq /Qc-д < 1,5 %. Для явнополюсных двигателей (n < 3000 об/мин), в особенности малой мощности РСдн < 1000 кВт, характерно APq /Q^ > 1,5 %.

4. Технико-экономическая оценка использования синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности

Рассмотрим применение вышеописанной методики для оценки целесообразности привлечения СД к решению проблемы КРМ на примере одного из промышленных предприятий Северо-запада России. Приведем общие сведения об имеющихся в системе электроснабжения предприятия высоковольтных СД, которые можно привлекать для выдачи в сеть реактивной мощности. Остановимся более подробно на вопросах использования располагаемой реактивной мощности этих СД.

Отметим, что в настоящее время в режиме выдачи в сеть реактивной мощности СД предприятия не работают (cos ф = 1,0).

Расчеты располагаемой реактивной мощности Q^acn высоковольтных СД завода по методике, изложенной выше, дали следующие результаты. При суммарной установленной мощности СД порядка 44,8 МВт величина располагаемой реактивной мощности Q^u^ может достигать значения 17,4 Мвар. В расчетах коэффициент активной нагрузки СД был принят равным типовому усредненному значению в = 0,8, напряжение на зажимах СД принято равным номинальному U = UH.

Однако использование компенсирующей способности СД предприятия связано с определенными издержками на оплату дополнительных потерь активной мощности в СД - ДРСд при генерации ими реактивной мощности. Расчеты показали, что для большинства СД предприятия, имеющих малые номинальные мощности (Рн < 600 кВт) и малооборотных (n < 1000 об/мин), величина относительных

потерь активной мощности ЛРсд (по отношению к QСдPaCn) превышает значение 2 %.

Целесообразно рекомендовать для привлечения к генерации реактивной мощности достаточно мощные и высокооборотные синхронные двигатели предприятия. Их перечень приведен в таблице. Величина QСдрaсn этих двигателей составляет порядка 6,8 Мвар при относительно малых потерях ДРсд = 1,3 %.

Таблица. Располагаемая реактивная мощность синхронных двигателей 6 кВ

№ п/п РТП* Число и мощность СД, кВт п, об/мин QСД рaсn, квар А, кВт О2, кВт АРсд, кВт АРсд, %

1 125 3 Х630 3000 731,8 2,02 3,25 11,1 1,5

2 56 2 Х3500 3000 2710,4 8,2 7,8 23,1 0,9

3 27 1Х1000 375 387,2 6,73 4,92 8,53 2,2

4 27 3 Х200 0 375 2323,2 8,25 7,2 33,6 1,45

5 27 1Х1600 375 619,5 7,32 6,74 10,2 1,64

Итого по предприятию 6,772 Мвар 86,5 1,27

* - распределительная трансформаторная подстанция.

Приведем пояснения расчетов QСдрaсn и ЛРсд, представленных в таблице, на примере СД-1000. Для него располагаемая реактивная мощность определена по формуле

QСДрaсn = 1000  0,8  0,484 = 387,2 квар. При известных значениях Б1 и О2 определяется величина дополнительных активных потерь:

АРсд = О^СД расп^едн) + О^сдрасп^едн)2 = 6,73  387,2/484 + 4,92  (387,2/484)2 = 8,53 кВт и в относительных единицах:

АРсд ^сдрасп = 8,53  387,2  100 % = 2,2 %.

Аналогично определялись и значения расчетных параметров других СД.

Следует отметить, что расчеты QСдрaсn, выполненные по формулам (4-9), дают результаты, практически совпадающие с расчетами QСдрaсn по формуле (3). Таким образом, суммарная величина QСдрaсn рассматриваемых двигателей составляет порядка 6,7 Мвар при относительно малых потерях ДРСд = 1,27 %.

Итак, от высоковольтных синхронных двигателей предприятия теоретически может быть выдана реактивная мощность порядка 6,7 МВАр. При работе этих СД в режиме перевозбуждения только в часы максимума нагрузки энергосистемы (например, 4 часа в сутки) будет на 6,7 Мвар снижено максимальное потребление реактивной мощности, а потребление энергии от энергосистемы уменьшено на:

= QСДz;Tдвкл = 6,7  4  365 = 9,78 млн кварч.,

где QСдz - располагаемая реактивная мощность привлекаемых к КРМ синхронных двигателей, Мвар; Тдвкл - годовое число часов включения синхронных двигателей, час.

Как известно, в 1994 г. в связи с вводом в действие новой "Инструкции о порядке расчетов за электрическую и тепловую энергию", утвержденной Комитетом РФ по политике цен и Минтопэнерго России 30.11.93 г. и "Правил применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной энергии", утвержденных Главгосэнергонадзором 29.12.93 г., Энергонадзор направил всем предприятиям новое приложение от 01.07.94 г. к действующим договорам на пользование электроэнергией.

В соответствии с ним расчеты за потребление реактивной мощности и энергии производились ежемесячно в виде надбавок к тарифам на электрическую энергию в размере 8 % - за 1 квар максимальной реактивной нагрузки и 1 кварч реактивной энергии, потребляемой сверх экономических значений и 12 % - за генерацию реактивной энергии в сеть. За потребление реактивной мощности и энергии в пределах экономических значений, т.е. при Q < QЭ и WQ < WQЭ, указанных в договоре, расчеты было предписано не производить.

Однако в течение последних лет и в настоящее время показатели потребления реактивной мощности и энергии предприятиям со стороны энергосистем не устанавливались, что, в свою очередь, привело к отсутствию должного внимания к проблеме КРМ в распределительных электрических сетях 0,4 кВ и 6-10 кВ промышленных предприятий.

В то же время в связи с ростом экономики регионов и увеличением потребляемых мощностей руководством энергосистем и их подразделений все более активно высказывается мнение о целесообразности возврата к прежней схеме достаточно "жестких" заданий предприятиям по потреблению реактивной мощности и энергии. Это, в свою очередь, должно заставить предприятие использовать в своих распределительных сетях все возможные технические средства компенсации реактивной мощности, в первую очередь, малозатратные. К их числу следует отнести использование компенсирующей способности имеющихся на предприятиях синхронных двигателей.

Проведем технико-экономическую оценку эффективности привлечения СД к КРМ для вышерассмотренного примера в случае наличия заданий со стороны энергосистем показателей потребления реактивной мощности QЭ и энергии WQЭ.

При этом сразу же встает вопрос, не выгоднее ли заплатить энергосистеме за реактивную мощность и энергию, чем платить по более высокому тарифу за дополнительные активные потери в синхронных двигателях. Для ответа следует сопоставить годовые затраты на оплату активных потерь АРсд с годовым эффектом, заключающимся в уменьшении платы за реактивные составляющие мощности и энергии.

Годовые затраты на покрытие дополнительных активных потерь можно оценить по выражению:

3 потЕ = Ьр ' АРсдх ' Т° вл

где Ьр - дополнительная ставка тарифа оплаты активной энергии, руб./кВтч; АРсде - величина активных потерь в синхронном двигателе, кВт.

Уменьшение годовых затрат на оплату потребляемой реактивной энергии из сети энергосистемы:

^псдQ = ЬQ  ЛWQЕ,

где ЬQ - ставка тарифа оплаты реактивной энергии, руб./кварч.

Как показала практика, большинство предприятий в условиях "жестких" заданий по реактивным показателям будет работать с превышением договорных показателей в случае неприятия мер по компенсации реактивной мощности. Таким образом, можно принять, что ЬQ = 0,08  ЬР. Величина AWQЕ представляет собой значение реального превышения потребления реактивной энергии над заданным WQЭ.

Приведем результаты расчетов экономических эффектов для различных вариантов использования компенсирующей способности предприятия. Из таблицы имеем:

- располагаемая минимальная реактивная мощность вышеуказанных СД: QСдрасn = 6,7 Мвар;

- активные потери в этих синхронных двигателях: ЛРсд = 86,5 кВт.

Если привлекать эти СД к генерации реактивной энергии 4 часа в сутки (как отмечалось выше), то они выработают:

AWQ = Qcдрасп  Тсдвкл = 6,7-103  4  365 = 9,8 млн кварч.

При этом при существующих тарифах оплаты:

Ьр = 0,1588 руб./кВтч; ЬQ = 0,0127 руб./кварч.

(данные были получены в отделе главного энергетика завода), годовые затраты на покрытие дополнительных активных потерь составят:

33сдпотЕ = Ьр  АРсд  Текл= 0,1588  86,5  4  365 = 20,05 тыс. руб. Уменьшение годовых затрат на оплату потребляемой реактивной энергии из сети энергосистемы:

AПсдQ = ЬQ  AWQ = 0,0127  9,8-106 = 124,46 тыс. руб.

Таким образом, выработка реактивной энергии от СД только в часы максимума энергосистемы (4 часа в сутки) позволит не только облегчить выполнение условий ДПЭ по экономическим значениям QЭ и WQЭ, но и получить экономический эффект в размере:

Эгод = ^ПсдQ - 3сдпотЕ = 124,46 - 20,05 = 104,41 тыс. руб. в год.

В случае, если часы максимума составляют 5 часов в сутки (как на рассматриваемом заводе с 8 до 10 утра и с 1630 до 1930 вечера), то, соответственно, имеем:

3сдпотЕ = 0,1588  86,5  5  365 = 25,07 тыс. руб.; AПсдQ = 0,0127  12,23-106 = 155,32 тыс. руб.

AWQ = 6,7  5  365 = 12,23 млн кварч;

Годовой экономический эффект составит:

ЭГОД = 155,32 - 25,07 = 130,25 тыс. руб.

Привлекая эти синхронные двигатели к генерации реактивной энергии практически круглосуточно (не менее 8700 час в год), суммарная выработка AWg составит:

AWQ = 6,7  8700 = 58 млн кварч.

При этом имеем:

Зсд„отЕ = 0,1588  86,5  8700 = 119,5 тыс. руб.; АПсдв = 0,0127  58-106 = 1,57 млн руб. Годовой экономический эффект составит величину:

Эгод = 1,57 - 0,119 = 1,45 млн руб. в год. Аналогичные расчеты могут быть приведены также для новых тарифов.

Привлечение СД к генерации реактивной мощности требует проведения относительно несложных организационно-технических мероприятий, включающих некоторые добавления в схемы регуляторов систем возбуждения СД. Необходима схема дистанционного изменения тока возбуждения СД, причем эти изменения могут проводиться персоналом вручную или автоматически при установке контактных часов для гарантированной выдачи Qсд в часы максимума энергосистемы.

Полученные в данном разделе результаты об эффективности привлечения СД к КРМ несколько противоречат сложившимся ранее представлениям по этому вопросу.

Это обусловлено следующими обстоятельствами. В литературе и нормативно-технических документах Энергонадзора экономичность генерирования от СД реактивной мощности обосновывалась снижением результирующих активных потерь мощности как в самом СД, так и, главное, в питающей сети из-за ее разгрузки от реактивных токов. В теории КРМ затраты на оплату реактивной мощности и энергии не учитывались.

В рассмотренном подходе к определению эффективности СД учитывается, что ущербы в питающей сети из-за повышенных потерь уже косвенно отражены в тарифах оплаты энергии, а эффект для предприятия выражается величиной конкретного изменения оплаты электроэнергии после внедрения мероприятий по КРМ.

Отметим также, что рассматриваемый эффект во многом зависит от политики ценообразования, вернее от соотношения цен на активную и реактивную составляющие энергии. При существующей тенденции заметного увеличения платы за реактивную энергию, эффективность привлечения СД к генерации реактивной мощности значительно возрастает.

5. Заключение

Привлечение мощных синхронных электродвигателей для компенсации реактивной мощности позволит решить проблему разгрузки питающей сети промышленных предприятий и существенно улучшить качество электроэнергии. Это техническое мероприятие является малозатратным и связано с несложными усовершенствованиями в схеме регулирования возбуждения двигателей. Приведенные в статье результаты технико-экономических расчетов показали, что при использовании компенсирующей способности синхронных двигателей возможно получение существенных экономических эффектов.

Литература

Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. М., Госэнергоиздат, 435 с., 1950.

Карпов Ф.Ф., Солдаткина А.А. Регулирование напряжения в электрических сетях промышленных

предприятий. М., Энергия, 224 с., 1970. Согомонян С.В. Располагаемая реактивная мощность синхронного двигателя при различных режимах

его работы. Труды ВНИИЭ, вып. 30, с.45-47, 1967. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: в 2-х т. Т.1. Электрооборудование. Под общ.

ред. А.А. Федорова. М., Энергоиздат, 568 с., 1986. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М., Госэнергоиздат, 528 с., 1963.

Указания по проектированию компенсации реактивной мощности в электросетях промышленных предприятий. М., Госэнергоиздат, 64 с., 1986.