Расчет оптимальной системы электроснабжения предприятия

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет электрических нагрузок ЦПМШ

Расчет электрических нагрузок является одним из первых этапом проектирования системы электроснабжения. Номинальную активную мощность группы приемников (P_ном.гр.) определяют как алгебраическую сумму номинальных мощностей отдельных приемников (P_номi), приведенных к длительному режиму работы по формуле

P_ном.гр. = .

С учетом представленного выражения просуммируем и отразим в таблице 1 нагрузки по отделениям ЦПМШ. Для двигателей повторно-кратковременного режима работы номинальная мощность приводится к длительному режиму по формуле

P_{ном =} P_пасп·,

где P_пасп и ПВ_п - паспортная мощность и продолжительность включения соответственно.

Для характеристики переменной нагрузки приемников электроэнергии за рассматриваемый интервал времени определяют средние нагрузки. Средние активная и реактивная мощности приемника определяют из выражения

P_cp = P_ном·k_и; Q_cp = Q_ном·k_и,

гдеk_и - коэффициент использования, находится по справочным данным [1].

В таблице 2 представлены справочные данные для групп электроприемников и результаты расчетов средней мощности по отделениям цеха.

Таблица 1. Основные нагрузки ЦПМШ

Для определения расчетной мощности используется метод упорядоченных диаграмм, в соответствии с которым расчетную нагрузку приемников электроэнергии сетей определяют по средней мощности и коэффициенту максимума из выражения [1]

Р_р = Р_ср·k_m.

Таблица 2. Расчет нагрузок ЦПМШ

Под эффективным числом приемников группы различных по номинальной мощности и режиму работы приемников понимают число однородных по режиму работы электроприемников одинаковой мощности, которое дает то же значение расчетного максимума, что и группа электроприемников, различных по мощности и режиму работы

n_эф = .

В соответствии с практикой проектирования принимают расчетную реактивную нагрузку Q_P = 1,1·Q_ср при n_эф ? 10; Q_P = Q_ср при n_эф > 10_.

После определения Р_р и Q_р можно определить полную мощность по выражению

, кВ·А.

В таблице 3 представлено эффективное число электроприемников, коэффициенты максимума для всех групп электроприемников и расчетные мощности по отделениям ЦПМШ.

Таблица 3. Расчетные нагрузки ЦПМШ

Суммарная полная мощность ЦПМШ ОАО «НЛМК» составила S_p = 14512 кВ·А, суммарная активная мощность P_p = 12395 кВт, суммарная реактивная мощность Q_p = 7288 кВАр, коэффициент мощности 0,854. Были найдены значения нагрузок ЦПМШ, по результатам которых в дальнейшем можно проводить выбор всех элементов системы электроснабжения.

2. Построение картограммы нагрузок

Основным звеном системы электроснабжения ЦМПШ является главная распределительная подстанция (ГРП) в качестве которой выступает РП-99 и получающая питание от нее РП-99-1, поэтому при построении рациональных систем электроснабжения важным вопросом является оптимальное размещение подстанции на территории промышленного предприятия. Расположение цехов предприятия, определяемое технологическим процессом производства, наносятся на генеральный план, представленный на рисунке 1. В данном случае на генплане ЦПМШ указаны отделения, располагаемые на территории цеха. Картограмма активных нагрузок, представляет собой окружности, площади которых в выбранном масштабе равны расчетным нагрузкам соответствующих отделений цеха. Картограмма нагрузок используется для определения местоположения распределительных подстанций РП-99 и РП-99-1. Радиусы окружностей активной и реактивной мощностей определяют по формулам [1]

где P_i и Q_i - расчетные активная и реактивная нагрузка i-го узла электрических нагрузок; m - масштаб для определения площади круга, 1000 кВт/см².

Исходными данными для определения радиусов окружностей, соответствующие мощностям групп приемников (объектов) на генеральном плане являются расчетные нагрузки, определенные в предыдущей главе. В таблице 4 сведены координаты центров нагрузок электроприемников и посчитанные радиусы окружностей, которые являются исходными данными при построении картограммы нагрузок.

Таблица 4. Исходные данные для построения картограммы нагрузок

На основании данных таблицы 4 найдем координаты условного центра активных (х_а, у_а) и реактивных (х_р, y_р) электрических нагрузок ЦПМШ для РП-99 и РП-99-1.

Для распределительной подстанции РП-99 координаты центра активных электрических нагрузок будут

Для распределительной подстанции РП-99-1 координаты центра активных электрических нагрузок будут равны

Центры активных нагрузок, а также окружности мощностей изображены на рисунке 1. Найденные координаты условного активных нагрузок не позволяют до конца решить задачи выбора места расположения подстанции, так как в действительности центр электрических нагрузок смещается по территории предприятия. Это объясняется постоянным изменением потребляемой мощности отдельными приемниками в соответствии с графиками их нагрузок. Поэтому изменение координат условного центра нагрузок во времени происходит в пределах зоны рассеяния. Для определения зоны рассеяния центра электрических нагрузок необходимо найти закон распределения центра электрических нагрузок. Распределение случайных координат центра электрических нагрузок происходит по нормальному закону распределения (закону Гаусса-Лапласа)

;

,

где х, y - текущие значения координат; х, у - математическое ожидание или среднее значение; у_x, у_у - среднее квадратическое отклонение; у²_x, у²_у - дисперсия случайных координат;

Пусть начало координат лежит в центре электрических нагрузок

;.

В этом случае функция распределения случайных координат центра электрических нагрузок примет вид

; .

Которая может быть представлена двумерной функцией распределения

.

Зона рассеяния представляет собой эллипс, радиусы которого будет

;.

Вероятность появления нагрузки определяется по выражению

.

Форма эллипса зависит от соотношений

; .

В таблице 8 представлены результаты расчета вероятности появления нагрузки Р_i и остальных исходных данных к построению зон рассеяния. Используя данные таблицы 5 определим радиусы зоны рассеяния для РП-99

Таблица 5. Расчет зоны рассеяния центра электрических нагрузок

Для РП-99-1 радиусы зоны рассеяния составят

По полученным данным строятся зоны рассеяния условного центра нагрузок для РП-99 и РП-99-1, представленные на рисунке 2. Из рисунка видно, что в зону рассеяния попадают и РП-99 и РП-99-1. Поэтому данные распределительные подстанции удобно разместить в здании насосного отделения №2. Месторасположения обеих подстанций следует считать верным.

3. Выбор трансформаторов ГПП

электрический нагрузка трансформатор мощность

Для рационального построения схем электроснабжения предприятия особое значение имеет правильный выбор числа и мощности силовых трансформаторов для главных понизительных и цеховых трансформаторных подстанций, который должен быть технически и экономически обоснованным. При выборе числа и мощности трансформаторов исходными данными являются характеристики нагрузок основных приемников, питающихся от ГПП-4, полученные по результатам расчета нагрузок.

Если на ГПП устанавливаются два и более трансформаторов, то номинальная мощность каждого из них определяется по выражению

S_Нтр ? 0,714·

где S_р - максимальная расчетная полная мощность потребителей, запитанных от данных трансформаторов, кВА; n - количество рассматриваемых трансформаторов.

Считая, что ГПП-4 питает только ЦПМШ, найдем номинальную мощность каждого из трансформаторов на подстанции по выражению с учетом данных таблицы 5.

S_Нтр ? 0,714·, кВ·А.

S_Нтр ? 0,714·, кВ·А.

Выполним расчет двух вариантов установки трансформаторов на ГПП-4. В первом случае расчет проведем для установки на подстанции трех трансформаторов мощностью 10000 кВ·А, во втором для установки электрической системы трансформаторы мощностью 16000 кВ·А.

По справочным данным [2] выбираем для первого варианта установки ТДТН-10000/110, для второго ТДТН - 16000/110. Паспортные данные выбранных трансформаторов представлены в таблице 6.

Таблица 6. Технические характеристики трансформаторов на ГПП-4

Выполним расчет для второго варианта установки, учитывая допустимую перегрузочную способность трансформатора ТДТН - 16000/110. Она зависит от особенностей графика нагрузок, характеризующегося коэффициентом заполнения графика К_з.г.. Определим значение К_з.г. по формуле

гдеS_ср - средняя расчетная нагрузка подстанции за наиболее загруженную смену, S_ср = 7882, кВ·А.

Перегрузочная способность характеризуется коэффициентом загрузки трансформаторов

К_зт = S_р / (S_нт) = 14512/32000 = 0,454,

гдеS_нт - суммарная номинальная мощность трансформаторов, кВА.

Определяем длительную допустимую нагрузку трансформатора

S_доп = 0,3·S_н.т.·(1 - К_з.г.) = 0,3·16000·(1 - 0,454) = 2620, кВ·А.

Находим суммарный коэффициент кратности допустимой перегрузки

µ = 1 + S_доп/S_н.т. + µ_л = 1 + 2620/16000 + 0,15 = 1,314,

гдеµ_л - коэффициент допустимой перегрузки трансформаторов зимой за счет снижения их нагрузки в летнее время, µ_л = 0,15.

Определяем суммарную допустимую мощность 2 трансформаторов при их одновременной работе с учетом систематической перегрузки

S_допУ = µ·УS_н.т = 1,314·32000 = 42040, кВ·А.

Выполним для трансформатора ТДТН-63000/110 аналогичный расчет, результаты которого сведем в таблицу 7. Из результатов расчетов видно, что оба варианта удовлетворяют условию

S_допУ ? S_р.

Таблица 7. Результаты технического расчета трансформаторов ГПП

Для окончательного выбора трансформаторов на ГПП-4 в пункте 8 будет проведен экономический расчет двух вариантов установки с целью нахождения наименьшего значения приведенных затрат на содержание и эксплуатацию. Выполним расчет экономической эффективности проектируемых и реконструируемых электрических схем с учетом, что все новые электросетевые объекты сооружаются единовременно в течение одного года. Следовательно, с учетом данного допущения, не учитывается распределение затрат во времени [23]. Для выбранного оборудования необходимо определить такие технико-экономические показатели, как капитальные вложения и издержки эксплуатации. Для окончательного выбора трансформаторов ГПП-4 проведем экономический расчет двух вариантов установки трансформаторов. Коэффициент загрузки трансформаторов в часы максимума

где суммарная полная мощность цеха; - суммарная номинальная мощность трансформаторов.

Подставляя числовые значения, получим

Приведенные потери мощности определяются оп выражению

где - потери холостого хода; - коэффициент изменения потерь; - ток холостого хода в % от номинального; - потери короткого замыкания; - потери короткого замыкания в % от номинального.

Годовые потери электрической энергии

Подставляя числовые значения в выражение для трансформаторов разной мощности, получим

Капитальные затраты

где - капитальные затраты на один трансформатор.

Эксплуатационные издержки складываются из амортизационных отчислений и расходов на обслуживание элементов сети. Амортизация определяется по формуле

где - коэффициент амортизационных отчислений на трансформаторы.

Стоимость потерь

где - стоимость потерь электрической энергии.

Суммарные годовые расходы

В таблице 8 приведены результаты расчетов экономических показателей по формулам по сравниваемым вариантам электроснабжения.

Таблица 8. Экономический расчет для выбора трансформаторов на ГПП-4

Из приведенного расчета видно, что суммарные приведенные затраты второго варианта меньше суммарных приведенных затрат первого варианта. Так как оптимальному варианту выбора оборудования соответствует наименьшее значение приведенных затрат на содержание и эксплуатацию, то для установки на ГПП-4 выбираем трансформаторы ТДТН-16000/110.

Выбор трансформаторов цеховых подстанций. Для правильного определения числа и мощности цеховых трансформаторов необходимо использовать технико-экономический расчет с учетом перегрузочной способности трансформаторов в нормальном и аварийном режимах, шага стандартных мощностей, экономичных режимов работы трансформаторов в зависимости от графика нагрузки. Представим в таблице 9 отделения цеха, которые питаются от цеховых ТП, и значения коэффициентов мощности, расчетных активных и полных мощностей. Определим рациональную мощность трансформаторов на трансформаторной подстанции ТП-1. С учетом формулы мощность одного трансформатора

Таблица 9. Расчетные мощности цеховых ТП и питаемых от них отделений

По справочным данным [2] выбираем трансформатор ТМ-250/10.

Определим значение коэффициента заполнения графика по формуле

Коэффициентом загрузки трансформаторов с учетом формулы

К_зт = S_р / (S_нт) = 165/500 = 0,33.

Длительная допустимая нагрузку трансформатора по формуле

S_доп = 0,3·S_н.т.·(1 - К_з.г.) = 0,3·250·(1-0,8) = 15, кВ·А.

Суммарный коэффициент кратности допустимой перегрузки

µ = 1 + S_доп/S_н.т. + µ_л = 1 + 15/250 + 0,15 = 1,21.

Определяем суммарную допустимую мощность 2 трансформаторов на ТП при их одновременной работе с учетом систематической перегрузки по выражению

S_допУ = µ·УS_н.т = 1,21·500 = 605, кВ·А.

Аналогично произведем расчет и выбор трансформаторов на оставшихся трансформаторных подстанциях цеха. Сведем результаты расчетов в таблицу 10.

Таблица 10. Результаты выбора трансформаторов цеховых ТП

Из результатов расчетов видно, что выбранные варианты установки трансформаторов на цеховых ТП удовлетворяют условию:

S_допУ ? S_р.

Следовательно, выбор трансформаторов на цеховых ТП выполнен верно.

Экономическое сравнение вариантов электроснабжения цеховых трансформаторных подстанций проводится аналогично. Результаты технико-экономических расчетов по формулам сведены в таблицу 11.

Таблица 11. Результаты экономического расчета для цеховых КТП ЦПМШ

Так как оптимальному варианту выбора оборудования соответствует наименьшее значение приведенных затрат на содержание и эксплуатацию, то для установки на ТП выбираем трансформаторы ТМ-250/6, ТМ-630/6 и ТМ-1000/10 в соответствии с таблицей 11.

Размещено на Allbest.ru