Формализуемые методы расчета электрических нагрузок

Теория расчета электрических нагрузок, основы которой сложились в 30-е годы, ставила целью определить набор формул, дающих одно­значное решение при заданных электроприемниках и графиках (пока­зателях) электрических нагрузок. В целом практика показала ограни­ченность подхода "снизу вверх", опирающегося на исходные данные по электроприемникам. Существующая теория сохраняет значение при расчете режимов работы небольшого числа электроприемников с известными данными, при сложении ограниченного числа графиков, при расчетах для 2УР.

Формализация расчета электрических нагрузок развивалась в не­скольких направлениях и привела к методам: 1) эмпирическому (ме­тод коэффициента спроса; двухчленных эмпирических выражений, удельного расхода электроэнергии и удельных плотностей нагрузки, технологического графика); 2) упорядоченных диаграмм; 3) статисти­ческому; 4) вероятностного моделирования графиков нагрузки.

Метод коэффициента спроса наиболее прост, широко распространен, с него начался расчет нагрузок. Он заключается в использовании выра­жения (2.17) по известной (задаваемой) величине Р_у и табличным зна­чениям К_с, приводимым в справочной литературе (примеры см. в табл. 2.1):

Величина k_c принимается одинаковой для электроприемников одной группы (работающих в одном режиме) независимо от числа и мощно­сти отдельных приемников. Физический смысл k_c: это доля суммы но­минальных мощностей электроприемников, статистически отражающая максимальный практически ожидаемый и встречающийся режим одно­временной работы и загрузки некоторого неопределенного сочетания (реализации) установленных приемников.

Приводимые справочные данные по k_c и К_и соответствуют макси­мальному значению, а не математическому ожиданию. Суммирование максимальных значений, а не средних неизбежно завышает нагрузку. Если рассматривать любую группу, то становится очевидной услов-

ность понятия "однородная группа". Различия в значении коэффициен­та: 1: 10 (до 1: 100 и выше) неизбежны и объясняются техноценоло-гическими свойствами электрического хозяйства. В табл. 2.2 приведе­ны К_с, характеризующие насосы как группу. При углублении исследо­ваний К _с, например только для насосов сырой воды, также может быть разброс 1: 10.

Правильнее учиться оценивать К_с в целом по потребителю (участку, отделению, цеху). Полезно выполнять анализ расчетных и действитель­ных величин для всех близких по технологии объектов одного и того же уровня системы электроснабжения, аналогичной табл. 1.1. Это позво­лит создать личный информационный банк и обеспечить точность ваших расчетов.

Таблица 2.1. Коэффициенты спроса, использования и мощности для некоторых групп электроприемников

Таблица 2.2. Характеристики групп насосов котельно-вспомогательного оборудования

Метод удельного расхода электроэнергии применим для участков (установок) 2УР, отделений ЗУР и цехов 4УР, где технологическая про­дукция М однородная и количественно меняется мало (увеличение вы­пуска снижает, как правило, удельные расходы электроэнергии А_уд). Максимальная мощность

где М— продукция (т, м³, шт.), выпущенная за учетное время Т.

В реальных условиях продолжительная работа потребителя не означа­ет постоянство нагрузки в точке ее присоединения на более высоком уровне системы электроснабжения. Как статистическая величина А_уд, определяемая для какого-то ранее выделенного объекта по электропо­треблению А и объему М, рассчитывается следующим образом: А_уд = А/М, есть некоторое усреднение на известном, чаще годовом, интер­вале. Поэтому применение (2.27) дает, строго говоря, не максимальную, а среднюю нагрузку. Для выбора трансформаторов ЗУР можно принять Р_с = Р_тах. В общем случае, особенно для 4УР (цеха), необходимо учи­тывать К_м [см. (2.13)] или в выражении (2.27) в качестве Т прини­мать действительное годовое (суточное) число часов работы производ­ства с максимумом использования активной мощности. Например, для метизных цехов при трехсменной работе основных производств оно может быть принято 5200, при двухсменной - 3100, при односменной -1500 ч; для механических мастерских - 3600, котельных - 8300, ком­прессорных — 4100 ч.

Метод удельных плотностей нагрузок близок к предыдущему. Зада­ется удельная мощность (плотность нагрузки) у, и определяется пло­щадь здания F, сооружения или участка, отделения, цеха, например для машиностроительных и металлообрабатывающих цехов у =0,12 ¸ 0,25 кВт/м², для кислородно-конвертерных цехов у =0,16 ¸ 0,32 кВт/м². Расчетная нагрузка Р_тах = yF.

Метод технологического графика опирается на график работы агре­гата, линии или группы машин. Например, график работы дуговой ста­леплавильной печи конкретизируется: указьюается время расплавле­ния, составляющее 27-50 мин, время окисления (20-80 мин), число плавок, технологическая увязка с работой других сталеплавильных агрегатов.

Метод упорядоченных диаграмм применялся для всех уровней си­стемы электроснабжения и вне зависимости от стадии проектирования.

При нахождении электрических нагрузок в сетях напряжением до 1 кВ (силовые шкафы, магистрали, шинопроводы 2УР) рекомендовал­ся следующий порядок расчета:

по расчетному узлу суммируются число силовых электроприемни­ков и их номинальные мощности (отдельно работающих электропри­емников и резервных);

суммируются средние активные и реактивные нагрузки рабочих электроириемников;

находится групповой коэффициент использования данного расчет­ного узла и его средневзвешенный коэффициент мощности;

рассчитывается эффективное число электроприемников узла;

по справочным кривым или табличным значениям определяются коэффициенты максимума и максимальная силовая нагрузка расчет­ного узла;

при наличии в данном расчетном узле электроприемников с практи­чески постоянным графиком нагрузки устанавливается суммарная номинальная мощность и средняя нагрузка этих электроприемников;

находится расчетная силовая нагрузка по узлу в целом суммирова­нием максимальных нагрузок электроприемников с переменным графи­ком и средних нагрузок электроприемников с практически постоян­ным графиком;

определяется расчетный ток линии.

Средние и максимальные нагрузки на стороне напряжением до 1 кВ трансформатора в целом (ЗУР) рассчитываются аналогично с добавле­нием осветительных нагрузок и мощности статических конденсаторов.

Электрические нагрузки отдельных узлов системы электроснабже­ния в сетях напряжением выше 1 кВ (находящиеся на 4УР, 5УР) реко­мендуется определять аналогично:

суммируются номинальные мощности всех установленных силовых электроприемников до 1 кВ и выше, питаемых данными РП, ГПП, их средние нагрузки и К_и;

выбирается номинальная мощность наибольшего электроприемника;

определяется эффективное число электроприемников n_э, К_тах, cosj, P_max, Q_max.

записываются ниже данных по другим приемникам данные об электроприемниках напряжением выше 1 кВ с практически постоянным графиком нагрузки;

суммируются отдельно осветительные нагрузки и реактивные поте­ри в силовых трансформаторах;

подводятся общие итоги средних и максимальных силовых нагрузок, осветительных нагрузок и потерь в трансформаторах. Результаты расче­тов сводятся в таблицу.

Расчетная максимальная нагрузка группы электроприемников Р_тах = К_м К_и Р_ном = К_м, Р_см, где Р_ном — групповая номинальная мощность (сумма номинальных мощностей, за исключением резервных по расче­ту электрических нагрузок); р_см — средняя Активная мощность за наиболее загруженную смену.

Для группы электроприемников одного режима работы (см. табл. 2.1) средние активная и реактивная мощности определяются как:

Р_см = К_и Р_ном; Q_см = Р_см tgj, где tgj соответствует средневзвешен-

ному cos j. При наличии в группе электроприемников, режимы работы, которых различаются (например, вентиляторы, станки для механиче­ской обработки металла, печи сопротивления), учитываются все строч­ки и по всем / подгруппам производится суммирование:

Коэффициент максимума активной мощности k_m определяют по справочным таблицам, упрощенный вариант которых представлен в табл. 2.3, или по кривым, где представлена зависимость k_m от группо­вого коэффициента К_и и п_э.

Эффективное (приведенное) число электроприемников — это такое число однородных по режиму работы электроприемников одинаковой мощности, которое дает то же значение расчетного максимума Р_max, что и группа электроприемников, различных по мощности и режиму работы:

При числе электроприемников в группе четыре и более допускается принимать n_э равным п (действительному числу электроприемников) при условии, что отношение номинальной мощности наибольшего электроприемника P_{ном тах} к номинальной мощности меньшего P_{ном min} имеет вид т = ( P_{ном тах} / P_{ном min}) < 3. При определении

Таблица 2.3. Зависимость коэффициента максимума К_м от эффективного числа приемников п_э при различных коэффициентах использования К_и

значения т допускается исключать мелкие электроприемники, сум­марная мощность которых не превышает 5% номинальной мощности всей группы.

Когда m>3 и K_и>0,2, n_э = 2Р_ном/Р_{ном max}, где р_ном -суммарная номинальная мощность группы электроприемников. В тех случаях, когда п_э > п, следует принимать п_э = п.

При п_э > 200 и любых значениях K_и, а также при К_и > 0,8 и любых значениях п расчетную нагрузку допускается принимать равной сред­ней за наиболее загруженную смену (К_м = 1).

Для электроприемников длительного режима работы с практически постоянным графиком нагрузки, у которых К_и > 0,6, k_b» 1 и коэф­фициент заполнения графика нагрузки за наиболее загруженную смену К_{зп. см} ³ 0,9 коэффициент максимума принимается равным единице.

Если более 75% установленной мощности расчетного узла составляют электроприемники с практически постоянным графиком нагрузки (насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.), то Р_тах - р_см.

Реактивная максимальная мощность группы электроприемников с различными режимами работы Q_max ⁼ К_м Q_см.

В соответствии с практикой проектирования принимают Q_max = 1,1 Q_см при n_э < 10; Q_max = Q_см при n_э > 10;

Метод оказался громоздким, трудным для понимания. Применение его на высших уровнях привело к большим ошибкам в расчетах. Не­определенность и неполноту исходной информации метод преодолева­ет допущениями: электроприемники одного названия имеют одинако­вые коэффициенты, выделяются резервные двигатели по условиям электрических нагрузок, коэффициент использования считается не­зависимым от числа электроприемников в группе, выделяются элект­роприемники с практически постоянным графиком нагрузки, исклю­чаются из расчета наименьшие по мощности электроприемники. Ме­тод не дифференцирован для различных уровней системы электроснаб­жения и для различных стадий выполнения (согласования) проекта. Коэффициент участия в максимуме на высших ступенях лишь допус­кался, а не являлся обязательным; коэффициент максимума активной мощности принимался стремящимся к единице при увеличении числа электроприемников (фактически это не так, k_m определяется из табл. 1.3). Внедрение поточного производства и его автоматизации не привело к возрастанию численных значений коэффициента спроса и продолжительности использования максимума.

Статистическое определение р_см для действующих предприятий осложняется трудностью выбора наиболее загруженной смены (пере­нос начала работы разных категорий работников в пределах смены, четырехсменная работа и др.). Проявляется неопределенность при изме­рениях (наложение на административно-территориальную структуру).

Ограничения со стороны энергосистемы ведут к режимам, когда мак­симум нагрузки Р_тах встречается в одной смене, в то время как расход электроэнергии больше в другой. При определении Р_р нужно отказать­ся от р_см, исключив промежуточные расчеты.

Ошибки накапливаются от уровня к уровню. Происходит простое суммирование мощностей и коэффициентов в соответствии с выра­жениями (2.28) и (2.29), хотя электроприемники оказываются из разных групп. Но простое суммирование здесь недопустимо, так как многие из групп приемников совместно не работают: если поворачи­вается конвертер, не работает дымосос; если ремонтируется конвер­тер, то сталь не разливается.

Подробное рассмотрение недостатков метода вызвано необходи­мостью показать, что расчет электрических нагрузок, опирающийся на классические представления об электрической цепи и графиках на­грузки, теоретически не может обеспечить достаточную точность.

Статистические методы расчета электрических нагрузок представ­ляют попытку преодоления недостатков метода упорядоченных диаграмм. Учитывается, что даже для одной группы механизмов, ра­ботающих на данном участке производства, коэффициенты и показате­ли меняются в широких пределах. Например, коэффициент включения для неавтоматических однотипных металлорежущих станков меняется от 0,03 до 0,95, загрузки К_з от 0,05 до 0,85.

Задача нахождения максимума функции Р_р на некотором интервале времени практически осложняется тем, что от 2УР, ЗУР, 4УР питаются электроприемники и потребители с различным режимом работы. Ста­тистический метод основывается на измерении нагрузок линий, пи­тающих характерные группы электроприемников, без обращения к режиму работы отдельных электроприемников и числовым характе­ристикам индивидуальных графиков.

Метод использует две интегральные характеристики: генеральную среднюю нагрузку Р_ср и генеральное среднее квадратичное отклонение где дисперсия DP берется для того же интервала осреднения. Максимум нагрузки определяется так:

где b - статистический коэффициент, зависящий от закона распреде­ления и принятой вероятности превышения графиком нагрузки P(t) уровня Р_тах; или, при введении коэффициен­та формы . Так как стандарт группового графика непосредственно зависит от коэффициента формы, то выяв­ляются недостатки, связанные с необходимостью иметь данные о гра­фиках нагрузки. Для отказа от графиков производят измерения (за-

пись) максимальных нагрузок ежедневно за квартал (или выбирают другие периоды). Затем методами математической статистики опреде­ляют Р_ср (как математическое ожидание) и дисперсию (как центральный момент второго порядка).

Значение b принимается различным. В теории вероятности часто ис­пользуется правило трех сигм: Р_тах = Р_ср ± Зs, что при нормальном распределении соответствует предельной вероятности 0,9973. Вероят­ности превышения нагрузки на 0,5% соответствует b = 2,5, для b = 1,65 обеспечивается 5%-ная вероятность ошибки.

Статистический метод является надежным методом изучения нагру­зок действующего промышленного предприятия, обеспечивающим относительно верное значение заявляемого промышленным пред­приятием максимума нагрузки Р_{тах 3} в часы прохождения максимума в энергосистеме. При этом приходится допускать гауссово распределе­ние работы электроприемников (потребителей).

Метод вероятностного моделирования графиков нагрузки предпола­гает непосредственное изучение вероятностного характера последова­тельных случайных изменений суммарной нагрузки групп электропри­емников во времени и основан на теории случайных процессов, с по­мощью которой получают автокорреляционную [см. (2.7)], взаимно корреляционную (2.8) функции и другие параметры. Исследования графиков работы электроприемников большой единичной мощности, графиков работы цехов и предприятий обусловливают перспективность метода управления режимами электропотребления и выравнивания графиков.

Поиск по сайту: