Введение к работе
Актуальность проблема. ІІа 'современном этапе развития отечественной электроэнергетики необходим форсированный переход к энергосберегающим технологиям и эффективным способа!.! снижения потерь электрической мощности и энергии, сокращающим потребность в нових генерирующих мощностях. Большие масштабы электропотребленпя в про-шиленности и растудиіі технический уровень производства выдвинули в электроэнергетике комплекс вопросов, связаідшх с оптимизацией параметров систем электроснабжения (СЭС) промысленных предприятий п направленных на выравнивание графиков нагрузок потребителей и улучшение качества электрической энергии. Для отрасли строительных материалов особенно характерно увеличение электрической мощности на единицу объема продукции, которое при сохранении количества обслуживающего персонала повышает производительность труда и сплетет себестоимость производства, Электронагрев по сравненіпо с широко распростра-ношшї.і пламенным нагревом обеспечивает большие концентрации энергии в ограниченном объеме, что позволяет достичь высоких температур и скоростей нагрева, дает возможность регулировать темторзтуру в широком дизпазоне и получить точное распределение температур по объо-му. Это обеспечивает больауга стабильность технологических процессов. При электронзгреве отсутствуют продукты сгорания, загрязняиднэ конечны" продукт. Поэтому перечень отраслей, в которых используется электронагрев, непрерывно распиряотся. К таким отраслям следует отнести и производство строительных материалов, гдо элоктронагрев успешно замештет традиционные пламешшо и паровые зидн нагреаа. Рэ-жиш работы и регулирования электротермических установок таковы, что как потребитель электроэнергии они представляют собой нелинейную нагрузку, оказывающую электрическое и шгнптноо влияние на работу системи электроснабжения. На нужды электротехнологии расходуется около трети всей производимой электроэнергии п ее доля непрерывно растет. Это делает весьма актуальным ранение задач рациональной организации электроснабнония мощных элоктротохнологпческнх установок. К таким задачам относятся: обеспечошіе стабильности рзннмов работы элоктротехнологичоских установок, выбор рациональных схем электроснабжения, оптимизация режимов электропотребленпя, снижение расходов электроэнергии и, что является особенно закішм з послод-ноо время, іюпіпаенио качества электроэнергии.
В настоящей работе на примере мощных электрических почей сопротивления непрорывного дойсгвня для обжига керамических изделий расомзтрпяаптоя возмозскые пути и метода удушения электроснабжения
- 4 -электротехнологических установок.
Современные электрические пэчи сопротивления снабжаются системами регулирования температуры пли мощности. В качестве таких устройств в последнее время широко используются тиристорные регуляторы напряжения. Непрерывные многозонные электрические печи сопротивления для обжига керамических изделий включают в себя более десяти зон суммарной мощностью более 3S0 МВт, имеют соответственно 'более десяти тиристорних регуляторов и представляют собой мощную нелинейную многоканальную нагрузку. Организация электроснабжения такого потребителя вызывает значительные трудности.
Выполняя свое основное назначение, тиристорные установки вместе с тем загружают электрические сети значительной реактивной мощностью и токами высших гармоник, что ухудшает экономичность и надежность работы всей системы электроснабжения.
Проведение технических мероприятий по снижению высших гармоник и выравниванию графиков нагрузок потребителя в системах электроснабжения промышленных предприятий возможно на базе научно обоснованных и экспериментально проворенных методов их расчета и с наибольшей эффективностью может быть достигнуто уже на стадии проектирования системы электроснабжения.
Работа по исследованию графиков электрических нагрузок, высших гармоник и созданию инженерных методик их расчета ведутся Московским энергетическим институтом, Мариупольским металлургическим институтом, ЗНЖЫ Тяжпромэлектропроект, ЗНИ51Э, Алма-Атинским энергетическим институтом, Павлодарским индустриальным институтом и др. Но эти работы посвящены в основном системам электроснабжения крупных металлургических п машиностроительных предприятий, а также общим вопросам подхода к данной проблеме. Предприятия пром-стройматориалов имеют свои особенности и для применения разработанных методик требуется проведение дополнительных как экспериментальных, так и теоретических исследований.
Объектом настоящего исследования являлись системы электроснабжения производств стройматериалов. Современные предприятия промстройматериалов относятся к числу энергоемких. Особенно выделяются заводы керамических изделий и стройполимеров, оснащенные высокопроизводительным оборудованием: печами сопротивления, шаровыми, сырьевыми мельницами, вращающимися печами, глубинными насосами большой мощности. Установленная электрическая мощность прием-никое электрической энергии таких предприятий составляет
30*70 МВт, максимальная потребляемая мощность - 20+60 МВт, а годовое потребление электроэнергии (60-70 % установленной мощности) приходится на долю процессов обжига, дробления и помола. С этой точки зрения электроснабжение производства промстройматериа-лов представляет собой сложный комплекс приемников электрической энергии, в значительной мере объединенных единым непрерывным технологическим процессом производства, во многом определяется сочетанием систем внешнего и внутреннего электроснабжения с технологическим резервированием.
Диссертационная работа входила в общий кошиокс научно-исследовательских работ, связанных с экономией электроэнергии, возглавляемых МЭИ в соответствии с координационным планом работ по решению научно-технических проблем 0.01.II.03.
Целью настоящей работы являлось исследование особенностей режимов работы систем электроснабжения предприятий промстройма-териалов на примере Казахстана для дальнейшей их рационализации в условиях ограничения энергетических ресурсов и соответствующей их экономии. Особое внимание уделялось вопросам оптимизации графиков электрических нагрузок и разработке вероятностной методики расчета высших гармоник токов и напряжений, а также выбору устройств подавления их в системах электроснабжения предприятий, имеющих в составе приемников электроэнергии тиристоріше рогуляторн, подключенные разным способом в узлах электрической сети.
В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведен анализ современных промышленных предприятий пром-стройматериалов с целью выявления специфических требований к их системам электроснабжения. Особое внимание уделено перспективным предприятиям - Целиноградскому керамическому комбинату, имеющему передовую технологию изготовления строительных керамических материалов.
-
Разработаны рекомендации по составлению рациональных графиков отключения с минимальным ущербом приемников электроэнергии в условиях дефицита мощности в энергосистеме, адаптированные к конкретным предприятиям.
-
Разработаны методики и проведены экспериментальные исследования по определению уровня высших гармоник токов и напряжений в системах электроснабжения предприятий стройматериалов, имеющих в цехах многозонше электропечи с тиристорними регуляторами;
даны предложения по подавлению высших гармонических.
4. Проведены экспериментальные исследования в системах
электроснабжения предприятий промстройматериалов по определению
графиков нагрузок (потребляемой мощности и энергии), содержанию
и уровню высших гармонических токов и напряжений с дальнейшей
статистической обработкой полученных данных.
-
Разработаны методики: для определения оценки ущербов при ограничениях потребляемой мощности и энергии, а также значений высших гармонических токов и напряжений, построения автоматизированных систем контроля и управления электропотреблециеи предприятия.
-
Проведана работа по промышленному внедрению результатов исследований и полученных рекомендаций по рационализации систем электроснабжения предприятий промстройматериалов в эксплуатационную и проектную практику.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Сформулированы особые требования к системам электроснабжения предприятий промстройматериалов.
-
Предложена математическая модель с помощью которой южно комплексно решить вопросы составления графиков отісзіпчения приемки ков электроэнерги?. в условиях дефицита мощности в энергосистеме при наименьшем ущербе для предприятия.
-
Предложена математическая модель расчета значений высших гармонических токов и напряжений в системах электроснабжения керамических комбинатов, содержащих большое число многозонных печей сопротивления с тиристорними регуляторами напряжения, основанная на представлении гармоник тока п наполнения двухмерными случайными величинами.
-
На основе оригинальной методики проведения экспериментов в системах электроснабжения предприятий промстройматериалов и результатов этих экспериментов подтверждена правильность предлагаемой математической модели расчетов высших гармонических.
-
Разработан алгоритм и программа для ЭНД, позволяющая опр< делять значения гармонических составляющих токов и напряжений прі большом числе многозошшх печей сопротивления в системах электроснабжения комбинатов керамических строительных материалов.
-
Созданы новые оригинальные печи для обжига керамических изделий, электрические схемы которых при наличии тиристорних per; ляторов позволяют подавлять высшие гармонические.
Методи исследований: исследования проводились с использованием теории вероятностей и математической статистики, спектрального анализа, численных методов, методов математического моделирования. Результаты расчетов подавервдаїш экспериментальными исследованиями в системах действующих предприятий и проверены на физической модели.
На зашиту выносятся следующие положения:
1. Электроснабжение предприятий промстроймэтериалов по срав
нению с другими промышленными предприятиями обладает следующими
особенностями:
потребление энергии обусловливается непрерывной круглосуточной технологией производства основных стройматериалов;
в графике потребления электроэнергии предприятиями нет ярко выраженных максимумов нагрузки;
технология производства стройматериалов допускает кратковременные перерывы в электроснабжении (до нескольких минут).
Длительные перерывы ведут к значительному ущербу;
отдельные участки имеют технологические накопители, поэтому при ограничении мощности следует отключать такие участки;
применение большого числа электрических печей сопротивления на керамических комбинатах с тиристорними регуляторами напряжения потребовало разработки методики определения гармонических составляющих тока и напряжения, значений коэффициентов мощности и несинусоидальности.
-
Алгоритм управления электроснабжением пррмпродприятия, обеспечивающий минимальный ущерб в условиях ограничения электрической мощности и энергии и ее минимальный технологический расход.
-
Система управления тиристорними регулятораші многозонішх электрических печей сопротивления, обеспечивающая подавление высших гар.клшчоских тока и напряжения и обеспечивающая коэффициенты мощности и эффективности, близкими к единица.
-
Методика проведения экспериментальных исследований в системе электроснабжения предприятий стройматериалов.
-
Рекомендации по проектированию систем электроснабжения новых предприятий стройматериалов и по модернизации существующих.
Достоверность научных результатов и теоретических положений в работе основаны на корректности исходных посылок и используемых математических моделей. Правильность аналитических выражений, позволяющих опредшшть расчетные значения ущербов для предприятий подтверждаются результатами экспериментов и эксплуатации на конкрэт-
них предприятиях.
Практическая ценность работы и реализация результатов работы. Разработанные методики внедрены в проектных институтах Гппростроп-материалов, ШО Строймашкерамика, Целиноградском керамическом комбинате и др. промышленных предприятиях строительных материалов. Эффективность их использоваїшя подтверкденэ актами внедрешія и отчетами научно-исследовательских работ. Материалы диссертации используются в учебном процессе Целиноградского инженерно-строительного института при подготовке студентов по специальности 10.04 "Электроснабжение".
Основное содержание работы опубликовано в 27 печатных работах, в которые воаш! одна монография, 19 статей, тезисы докладов на конференциях, два авторских свидетельства. Материалы диссертации вошли в 5 отчетов по научно-исследовательским работам.
Основное содержание работа докладывалось: на 71 и УП Всесоюзных конференциях "Электроснабжение промпредприятий и качество электрической энергии", Алма-Ата 1981 и 1983 гг.; на Всесоюзной конференции "Электротормия-91", Алма-Ата 1991 г.; школе-семинаре "Технологические процессы в промышленности стройматериалов", г. Пушкин Ы.0. 1992 г.; школе-семинаре "Применение микропроцессорной техники, систем КТС "Энергия" и "Модам" по организации коммерческого и технического учета энергии на предприятиях", г. Верхне-Невъянск Свердловской обл., 1992 г.; на кафедре ЭПП МЭИ, г. Москва, 1986-1992 гг.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, десяти глав, еаключения и прилояенпя с методиками расчетов, результатам экспериментов и актами о внедрении. Диссертация содержит 352 страниц основного текста, 79 иллюстраций, 37 таблиц и список использованной литературы, включающей 163 наименования.
