Особенности расчета срока окупаемости конденсаторных установок компенсации реактивной мощности
На сегодняшний день целесообразность внедрения автоматических установок компенсации реактивной мощности (АУКРМ) ни у кого не вызывает сомнений. Однако, срок окупаемости внедрения установки не всегда определяется правильно, поскольку на него влияет ряд существенных факторов, зачастую не учитываемых как техническими специалистами, так и экономистами.
ООО "Н-ТЭЛ" предлагает Вам рассмотреть совокупность этих факторов для осуществления правильного выбора и заказа АУКРМ, а также максимально точного определения срока окупаемости ее внедрения.
Итак, определяющими факторами величины срока окупаемости являются:
1) Расчеты потерь в проводниках и трансформаторах;
2) Точность регулирования cosφ.
Потери на нагрев в силовых линиях и трансформаторах
При протекании переменного тока в любых проводниках, расход энергии на нагрев проводников определяется величиной их сопротивления и обеими составляющими тока нагрузки, протекающего через этот проводник - как активной, так и реактивной. Иными словами, потери активной мощности на нагрев проводника вызывает как протекание активной энергии по проводнику, так и протекание реактивной энергии. Вместе эти потери составляют непроизводительные затраты электроэнергии, полностью учитываемые счетчиком активной энергии и подлежащие обязательной оплате.
Поскольку активная составляющая потерь определяется установленной активной мощностью потребителя, повлиять на нее, не меняя мощности потребителя и параметров соединительных линий, мы не имеем возможности. Реактивная составляющая потерь определяется величиной cosφ потребителей в системе электроснабжения предприятия, которую мы можем регулировать с помощью АУКРМ. Отсюда следует, что чем меньше доля реактивной энергии, протекающей по проводнику (т.е. - чем ближе cosφ к единице) - тем меньше потери в проводнике при неизменной потребляемой активной энергии - и, соответственно, меньше плата за потребленную активную энергию.
В обмотках трансформаторов физика потерь имеет сходную природу с потерями в кабелях - потери зависят от величины нагрузки трансформаторов и их паспортной мощности короткого замыкания Pк.з.
Для удобства понимания эффективности внедрения АУКРМ введем понятие "экономия затрат от снижения реактивных потерь". Эта величина определяет экономию финансовых средств при оплате потребленной активной энергии с учетом минимизации потребляемой реактивной энергии и обратно пропорциональна квадрату разности двух величин: "cosφ без компенсации" и "cosφ после компенсации".
Из этого следует, что, например, при увеличении cosφ на 10%, активные потери от протекания в трансформаторах, кабелях или воздушных линиях реактивной составляющей тока нагрузки уменьшатся на 20%, а следовательно - и их оплата также на 20%.
Экономия очевидна, однако, как понять - какую часть составляют эти затраты по отношению к общей величине оплаты за реактивную энергию - стоит ли учитывать эти величины? Судите сами.
Расчеты, проведенные специалистами ООО "Н-ТЭЛ" показывают, что, например, для внутрицеховой КТП 1х1000кВА с отходящими алюминиевыми кабелями длиной до 80…120м экономия затрат от снижения реактивных потерь при внедрении АУКРМ и повышении cosφ с величины 0,6 до величины 0,95 может составлять от 10000 до 16000 грн/год. Иными словами, показания счетчика активной энергии будут уменьшаться при увеличении cosφ и позволят за год платить на указанную сумму меньше, чем платили бы без АУКРМ.
Поскольку плата за реактивную энергию без АУКРМ составляет в этом случае 12000…13000 грн в год, то можно сделать вывод, что общая экономия затрат от внедрения АУКРМ может быть в 1,5…2 раза больше экономии за счет только снижения оплаты за реактивную энергию. Естественно, что при этом срок окупаемости уменьшится также в 1,5…2 раза.
Таким образом, расчеты потерь должны выполняться для каждой конкретной системы электроснабжения, поскольку их влияние на срок окупаемости является существенным при выборе и приобретении АУКРМ.
Потери холостого хода трансформаторов
Проблема оплаты потребленной реактивной энергии за холостой ход трансформаторов становится существенной при сочетании следующих условий эксплуатации:
1) Загрузка питающих трансформаторов не превышает 0,3 их номинальной мощности;
2) Счетчики коммерческого учета реактивной энергии установлены на высокой стороне питающих трансформаторов.
Потери холостого хода трансформаторов являются постоянной величиной, не зависящей от нагрузки трансформаторов и определяющиеся только параметрами их магнитопроводов. При 100% трансформаторов нагрузке соотношение активных и реактивных составляющих мощности (т.е. cosφ) колеблется в пределах 0,8…0,9 и определяется cosφ нагрузки. При загрузке трансформаторов 30% и меньше, составляющая потерь холостого хода Qх.х. уже оказывает существенное влияние на общий cosφ нагрузки по отношению к высокой стороне питающих трансформаторов, поскольку неизменна при меньшей активной составляющей, что уменьшает cosφ до величин 0,5…0,6.
Из этого следует, что в системе напряжения 0,4кВ, стандартная АУКРМ, регулятор которой подключается к сети 380В, может поддерживать оптимальный cosφ на уровне 0,95, но из-за Qх.х. трансформатора, сравнимой по величине со "скомпенсированной" мощностью, cosφ на высокой стороне трансформатора будет на уровне 0,8…0,85. И счетчик реактивной энергии, установленный на вводах 6 или 10кВ будет учитывать эту ничем нескомпенсированную реактивную энергию, обуславливая существенные ежемесячные затраты Заказчика.
ООО "Н-ТЭЛ" предлагает оптимальное решение этой проблемы путем применения модификаций регуляторов с возможностью подключения к высокой стороне питающего трансформатора.
Это решение позволяет минимизировать затраты на оплату реактивной энергии вне зависимости от величины загрузки питающего трансформатора или, например, "провалов" в потреблении, вызванных выходными, праздничными днями и т.п. Предварительно проведенные расчеты необходимости применения таких регуляторов, выполненные на основании анализа графиков нагрузки предприятия, также могут существенно уменьшить срок окупаемости внедряемой АУКРМ.
Точность регулирования
Под точностью регулирования понимается способность АУКРМ поддерживать требуемый cosφ в любой момент времени вне зависимости от возмущений в системе. На точность регулирования влияют 2 фактора:
1) Величина минимальной ступени АУКРМ или минимальный шаг регулирования;
2) Быстродействие АУКРМ или временной интервал между произошедшим изменением величины реактивной мощности в системе и реакцией АУКРМ на данное изменение.
На сегодняшний день не существует единой нормализованной методики по выбору минимальной ступени АУКРМ, поскольку на это влияют многие факторы, зависящие от технологического цикла работы предприятия, минимальной мощности наиболее часто выключаемых и отключаемых потребителей, а также особенности работы отдельных электрических устройств и установок.
Практика показывает, что минимальную ступень очень редко определяют на основании опыта эксплуатации системы, коэффициентов участия различных нагрузок и анализов графика нагрузки предприятия, - чаще всего минимальную ступень просто выбирают из того, что предлагают заводы-изготовители. Однако, корректно ли последнее?
Как правило, большинство производителей принимают минимальную ступень в среднем 10% от полной мощности установки, однако это не всегда соответствует реальным условиям работы оборудования, поскольку даже при большой суммарной нагрузке на предприятии, она может в нормальном режиме колебаться в небольших пределах. И если диапазон этих колебаний меньше 70-80% от минимальной ступени установки, то будет иметь место постоянная недокомпенсация, равная по величине в среднем 0,5…1,0 минимальной ступени. Поскольку счетчик реактивной энергии будет ее учитывать, то, например, за месяц эта величина может составлять от 10 до 30% в общей сумме оплаты за реактивную энергию.
Уменьшение шага регулирования и выдержки времени для работы регулирующей ступени может привести к частым включениям/отключениям регулирующей ступени - в 5-10 раз чаще базовых ступеней. А это, в свою очередь к быстрой выработке ресурса контактора регулирующей ступени и необходимости его замены.
ООО "Н-ТЭЛ" предлагает оптимальное решение этой проблемы - применение силовых полупроводниковых ключей вместо контакторов. Это решение позволяет существенно поднять точность регулирования (а значит - предельно снизить оплату за реактивную энергию, обусловленную низкой реакцией ступеней на изменение нагрузки), поскольку быстродействие такой ступени - до 10 циклов В-О в секунду, а эксплуатационный ресурс зависит только от температурного режима работы ключа.
Для получения высоких характеристик АУКРМ достаточно оснастить полупроводниковыми ключами только регулирующие ступени - т.е. получить так называемую "смешанную", контакторно-полупроводниковую установку. Такая АУКРМ с одной или двумя регулирующими ступенями на полупроводниковых ключах будет не более чем на 5-10% дороже обычной полностью контакторной установки.
Рассмотрим экономию от внедрения смешанной установки в сравнении с обычной АУКРМ.
При увеличении быстродействия стандартной установки до максимального значения 1 цикл В-О в течении 1-2 мин точность регулирования повысится, и оплата за "недокомпенсированную" реактивную энергию, естественно, снизится. Однако, затраты на замену контактора регулирующей ступени в среднем каждые 3 месяца, обусловленные высокой частотой включений/отключений ступени, могут составлять от 1000 до 1500 грн в год (стоимость самих контакторов плюс стоимость работ по их замене). В зависимости от условий эксплуатации, эта стоимость может перекрыть экономию затрат от повышения точности регулирования, а при долгосрочной эксплуатации (например - 5 лет) - составить уже существенную сумму в 5000-7500 грн.
Применение полупроводниковой регулирующей ступени позволит устранить все перечисленные недостатки - поднять точность регулирования на порядок выше, чем у обычных установок, а значит - еще более увеличить экономию затрат от высокой точности регулирования, и при этом - полностью устранить отчисления на замену контактора регулирующей ступени. Очевидно, что при 5-летней эксплуатации смешанная установка существенно выигрывает по затратам на ремонт и обслуживание.
- время максимальных потерь, ч;
