Развитие теории и комплексные методы повышения эффективности функционирования электрооборудования горных предприятий
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Правила безопасности при эксплуатации электрооборудования и электросетей на открытых, 974.06kb.
- Развитие организационной культуры в контексте повышения эффективности функционирования, 297.46kb.
- Управление процессами повышения эффективности государственных инвестиций в развитие, 383.31kb.
- Методы и средства повышения качества функционирования ветроэнергетических установок, 245.79kb.
- Методические указания к выполнению контрольной работы, 513.12kb.
- Итоги работ по диагностике электрооборудования схемы выдачи мощности аэс, рекомендации, 7.77kb.
- Ебования к эффективности функционирования предприятий, поскольку только эффективное, 75.24kb.
- Руководящий технический материал ртм москва 2011 г. Аннотация, 1623.28kb.
- Кузнецова Екатерина Викторовна, 217.07kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины "методы анализа режимов электрооборудования электростанций, 153.87kb.
Нормы расхода электроэнергии экскаваторами наиболее точно определяются на основе энергетических характеристик. Нормативные данные по удельным нормам не учитывают расход электроэнергии на прием породы, планировку земполотна, снятие плодородного слоя и другие вспомогательные операции, что приводит к существенному превышению фактических норм электропотребления над плановыми.
В настоящей работе энергетические характеристики экскаваторов рассматривались как корреляционные связи между электропотреблением и определяющим его технологическими факторами.
Таблица 1
Удельные нормы электропотребления отвальных экскаваторов ЭШ-10/70
по статьям расхода электроэнергии
| Статьи электробаланса | Расход электроэнергии, W, кВт ч | Расход электроэнергии, W1 % | Удельная норма электропотребления, ω, кВтч/тыс.м3 |
| Экскавация горной массы | 2870 | 61,82 | 689 |
| Разгрузка составов | 1389 | 29,92 | 334 |
| Прочие операции | 70 | 1,50 | 17 |
| Холостой ход | 314 | 6,76 | 75 |
| Итого | 4643 | 100,0 | 1115 |
Таблица 2
Удельные нормы электропотребления экскаваторов ЭШ-10/70
на строительстве земполотна по статьям расхода электроэнергии
| Статьи электробаланса | Расход электроэнергии, W, кВт ч | Расход электроэнергии, W1 % | Удельная норма электропотребления, ω, кВт ч/тыс.м3 |
| Экскавация горной массы | 1771 | 43,23 | 743 |
| Переэкскавация горной массы | 1194 | 29,14 | 501 |
| Вспомогательные операции | 703 | 17,16 | 295 |
| Холостой ход | 429 | 10,47 | 180 |
| Итого | 4097 | 100,0 | 1719 |
В качестве технологических факторов, главным образом влияющих на электропотребление отвальных экскаваторов, были приняты сменная производительность Пр (тыс.м3) экскаватора при работе по приему породы и сменная производительность Пэ (тыс.м3) экскаватора при экскавации горной массы из приёмной ямы в отвал.
Количественные значения производительностей Пп и Пэ для отвальных экскаваторов и производительностей Пп и Пэ для экскаватора, работающего на строительстве земполотна, были включены как независимые переменные в многофакторные уравнения регрессии. Для экскаваторов типа прямая лопата в качестве энергетической характеристики принята однофакторная регрессивная модель, в которой независимой переменной является общая производительность П экскаватора, тыс.м3. Форма статистической связи между зависимой переменной (электропотреблением W экскаватора) и независимыми переменными (производительностями Пр , Пэ и П) во всех уравнениях регрессии (энергетических характеристиках) была принята линейной. Энергетические характеристики экскаваторов приведены в табл.3.
При расчёте удельного электропотребления на экскавацию горной массы учитываются горно-технологические условия Лучегорского разреза: фактические среднегодовое число часов работы, категория грунта и суммарные годовые производительности экскаваторов.
Таблица 3
Энергетические характеристики экскаваторов
| Тип экскаватора | Энергетические характеристики | Критерий Фишера | Относи- тельная погреш- ность, % |
| ЭШ-10/70 (отвал) | W=1814,1+193,6Пр+556,0Пэ | Fрасч=1,20 | 6,18 |
| ЭШ-13/50 (отвал) | W=3145,9+103Пр+415Пэ | Fрасч=1,84 | 3,8 |
| ЭШ-10/70 (земполотно) | W=262,8+541,7Пп+665,8Пэ | Fрасч=1,33 | 6,3 |
| ЭКГ-8И (вскрыша) | W=512,5+343,6П | Fрасч=1,00 | 0,3 |
Проведен анализ годовых удельных расходов электроэнергии на экскавацию горной массы различных категорий для условий Лучегорского разреза - при различных значениях плотности горной массы, выполненный на основании расчётно-аналитического метода и с помощью энергетических характеристик.
По результатам полученного расчётного годового электропотребления вычислены удельные энергозатраты по различным типам экскаваторов для различных категорий грунтов, а также проведено сравнение полученных удельных энергозатрат с плановыми (регламентированными) нормами, которое показало существенные расхождения между расчётным и плановым удельным электропотреблением (относительная погрешность от 16 до 80 %).
Сравнительный анализ удельных энергозатрат по вскрышным экскаваторам, определенных с помощью энергетических характеристик и на основании расчётно-аналитического метода, показывает незначительное отличие между собой (не более 13,1%).
Исследование режимных параметров и научное обоснование критериев для организации энергосберегающих режимов работы карьерных экскаваторов.
Функционирование системы электроснабжения характеризуется значениями показателей ее состояния, называемыми режимными параметрами.
В той или иной мере в исследованиях режимных параметров горного электрооборудования принимали участие Б. Н. Абрамович, Ю.В. Коновалов, А. А. Буторин, В.П. Бухгольц, В.Л. Скрипка, П. П. Вершинин, А.В. Бугаенко, Н.А. Серебренников, В.И. Гордеев, Ф.Г. Гусейнов, О.С. Мамедяров, Ю.С. Железко, Ф.Ф. Карпов, Л.А. Солдаткина, И.И. Карташев, О.И. Кирилина, Н.А. Клименко, И.Н. Ковалёв, М.А. Осипов, Ю.А. Самохин, Г.В. Красник, Б.И. Кудрин, С.И. Малафеев, В.С. Мамай, А.М. Манилов, В.С. Орлов, А.В. Праховник, В.В. Дегтярёв, И.А. Сыромятников, А.А. Фёдоров, В.Ф. Шумилов, Н.И. Шумилова, В.А. Веников, И.В. Жежеленко и др.
Существующие методы определения расчетных электрических нагрузок дают значительные погрешности в сторону их завышения. На горнодобывающих предприятиях завышение нагрузок составляет от 27 до 350 %. Большинство экспериментальных исследований проводилось по определению отдельных параметров функционирования оборудования. Однако комплексных исследований по одновременной регистрации нескольких режимных параметров практически не проводилось.
В отличие от промышленных предприятий, где всегда существует дефицит в реактивной мощности, на угольных разрезах ее всегда избыток в связи с наличием большого парка экскаваторов с синхронными сетевыми двигателями, работающими в режиме перевозбуждения. Это приводит к значительному перерасходу активной мощности, затрачиваемой на генерацию реактивной и дополнительными потерями активной мощности в распределительных сетях разрезов. Определение фактических значений максимальных и минимальных нагрузок карьерных экскаваторов при экскавации и на холостом ходу, соотношения между потребляемой и рекуперируемой в сеть активной и реактивной мощностями сетевых двигателей и др. дают возможность разработать рекомендации по выбору рационального режима возбуждения синхронных двигателей экскаваторов с целью минимизации потерь мощности в распределительных сетях угольного разреза за счет перераспределения реактивной мощности между ее источниками (синхронными двигателями преобразовательных агрегатов карьерных экскаваторов) и потребителями (асинхронными двигателями и трансформаторами) фидерных линий.
Основные задачи экспериментальных исследований направлены на определение фактических значений в данных условиях эксплуатации различных эксплуатационных параметров горного электрооборудования – режимных параметров. Существует множество технических характеристик (параметров), определяющих техническое состояние электрооборудования.
Для выполнения задач экспериментальных исследований необходимо иметь данные об изменении нескольких режимных параметров. Поскольку исследования являются комплексными, необходима одновременная запись этих параметров. Кроме того, система должна обеспечивать необходимую точность регистрации и длительную непрерывную работу.
Рис. 1. Схема измерения и регистрации режимных параметров электрической сети
Перечисленным требованиям удовлетворяет система на основе серийно выпускаемых Витебским заводом электроизмерительной техники измерительных преобразователей (ИП) в совокупности с многоточечным (12 канальным) регистрирующим прибором типа КСП. Структурная схема системы представлена на рис. 1. Она состоит из подключенных к измерительным трансформаторам тока и напряжения девяти измерительных каналов: активной Р(t) и реактивной Q(t) мощностей, фазных (линейных) токов IА(t) , IВ(t) , IС(t), линейных напряжений UАВ(t) , UВС(t), UСА(t), частоты питающего напряжения fAB(t).
Все преобразователи предназначены для линейного преобразования различных режимных параметров трехфазных трехпроводных цепей переменного тока в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 0-5 мА на нагрузке 0-3 кОм.
В качестве регистрирующего прибора использовался 12-и точечный автоматический потенциометр типа КСПИ-037-ухл 4,2.
Выбор КСПИ обусловлен необходимостью одновременной регистрации девяти параметров - активной и реактивной мощностей, фазных токов, линейных напряжений и частоты. В целях заполнения всех 12-и входов потенциометра, сигнал от измерительного преобразователя активной мощности подается на параллельно подключенные входы I и 9, а реактивной - на входы 2 и 11.
Согласующее устройство - блок входных резисторов, экспериментально подобрано на основе термостабильных резисторов из расчета максимального отклонения указателя по шкале КСП-4 при подаче на входы максимальных сигналов измерительных преобразователей, т.е. 5 мА.
В процессе проведения экспериментальных исследований часто возникали сомнения по поводу достоверности маркировки концов трансформаторов тока и их коэффициентов трансформации. Данное обстоятельство обусловлено тем, что приключательные пункты, к которым производилось подключение системы измерения и регистрации режимных параметров, часто ремонтировались, могли меняться трансформаторы тока, а надписи концов оставлялись прежними. Доступ к этим трансформаторам тока в условиях подключенного к высоковольтной сети приключательного пункта невозможен. Кроме того, не на всех приключательных пунктах имелись трехфазные трансформаторы напряжения типа НТМИ, поскольку для питания защиты и вольтметра достаточно иметь один однофазный трансформатор типа НОМ-6. Поэтому в измерительной системе было предусмотрено использование двух однофазных трансформаторов для получения трехфазной системы линейных напряжений. Подключение двух НОМ-6 производилось с помощью отрезка высоковольтного кабеля типа КШВГ на выводные шпильки масляного выключателя. Для питания автоматического потенциометра и измерительных преобразователей требуется напряжение 220 В, которое также отсутствует на приключательных пунктах; для этой цели изготовлен специальный стабилизированный повышающий трансформатор СН 100/220 В.
С целью корректировки и правильного подключения системы к трансформаторам тока и напряжения были предприняты усовершенствования в системе измерения (установка переключателей П1 – П7, а также фазометра Э500), позволяющие не только менять позицию токов фаз А и С, но и изменять фазы этих токов на 180°.
При работе экскаватора возможны режимы рекуперации как активной, так и реактивной энергии. Поэтому в схеме экспериментальной установки предусмотрен сигнал смещения, который подаётся на вход каналов активной и реактивной мощности потенциометра КСП-4 от двух независимых источников питания, с помощью которых нулевая линия измерения мощностей P и Q смещается на середину диаграммной ленты.
Для оценки изменений показаний измерительных преобразователей при различных вариантах их подключений к трансформаторам тока и напряжения были приведены теоретические исследования и построены графики изменения активной и реактивной мощностей в зависимости от угла сдвига фаз между током и напряжением в соответствии с принятой системой векторных диаграмм токов и напряжений. Результирующий график зависимостей Р=f(φ) представлен на рис.2. Эти графики наглядно демонстрируют, как могут изменяться показания активной мощности при правильной фазировке трансформаторов токов и напряжений и при ошибочных сочетаниях сопряженных векторов токов и векторов напряжений [
], а также при шунтировании одного из токов при предполагаемом (или измеренном с помощью фазометра) значении угла φ (или cosφ).В диссертации приведена подробная методика определения соответствия измеряемого значения активной мощности Р фактическому, которое должно определяться по формуле:
, т.е. проведения многопараметрических экспериментальных исследований режимных параметров горного электрооборудования в условиях ограниченной информации о параметрах и схемах включения трансформаторов тока и напряжения.
Рис.2. График зависимостей Р=f(φ) фазных токов и линейных напряжений
Полученные в результате экспериментов регистограммы режимных параметров высоковольтных электроприёмников подвергались ручной обработке для набора в массив данных. Для облегчения обработки соседние точки каждого режимного параметра соединялись разноцветными линиями, таким образом, дискретные графики преобразовывались в непрерывные. Фрагмент таких преобразованных регистограмм представлен на рис.3. Подобные регистограммы получены для экскаваторов типов ЭШ-20/90, ЭШ-15/90А, ЭШ-10(11)/70, ЭКГ-8И, ЭКГ-5А.
Рис.3. Фрагмент регистограммы режимных параметров
экскаватора ЭШ-10/70
Для набора массива данных использовались наиболее характерные отрезки регистограмм, отображающие соответствующие режимы работы экскаваторов: «работа», «холостой ход», «шагание». Набранный массив представляет собой представительную выборку, обеспечивающую допустимое отклонение среднего арифметического значения режимного параметра в пределах ±3 %.
Массив представляет собой матрицу, в которой строки соответствуют текущим значениям параметров в конкретные моменты времени. В ходе проведения эксперимента также проводились дополнительные измерения с целью определения зависимости потребляемого тока I1 от различных токов возбуждения синхронных двигателей карьерных экскаваторов.
Результаты обработки экспериментальных данных для различных режимов работы карьерных экскаваторов переданы для практического использования на разрезы ОАО «Приморскуголь» и р/у «Лучегорское». Результаты обработки экспериментальных данных свидетельствуют о том, что фактические нагрузки экскаваторов отличаются от номинальных всегда в меньшую сторону от 25 до 50%. Т.е. можно говорить, что установленная мощность главных приводов экскаваторов значительно недоиспользуется. Однако режим возбуждения синхронных двигателей (СД) устанавливается как для номинального режима, что приводит к завышенной генерации реактивной мощности (РМ) и связанным с этим потерям активной мощности. В этой связи возникает необходимость установки токов возбуждения СД в зависимости от их фактических активных нагрузок и потребного количества в РМ на каждой фидерной линии.
При использовании СД в промышленности как источников РМ решаются следующие задачи: стабилизация напряжения, минимизация потерь электроэнергии, поддержание оптимального уровня коэффициента мощности в часы максимума активной нагрузки. Использование СД для стабилизации напряжения рационально при кратковременных набросах индуктивной мощности смежных приемников, когда допустимы кратковременные перегрузки по току ротора. При этом должен быть достигнут положительный эффект, связанный снижением воздействия СД на осветительную сеть или электроприемники, изменение напряжения которых сказывается на производительности труда. Для открытых горных работ эта проблема не является актуальной. Использование реактивной мощности СД для снижения потерь в распределительных сетях рассматривается в двух аспектах: определения реактивной мощности СД в часы максимума нагрузки энергосистемы для обеспечения предприятием контролируемой реактивной мощности в соответствии с договором на обеспечение электроэнергией и регулирование возбуждения при изменении собственной активной и смежной реактивной нагрузок. В настоящее время на угольных разрезах Дальнего Востока вопрос о поддержании оптимального коэффициента мощности не стоит в связи с проведением расчетов за электроэнергию по одноставочному тарифу. Что же касается оптимизации возбуждения СД в зависимости от их фактической активной и смежной реактивной нагрузок, то эта проблема является очень актуальной. Однако следует учитывать, что эффективность автоматического регулирования тока возбуждения может оказаться весьма малой при высокой эффективности использования СД как источника реактивной мощности. Как показывают исследования, экономическая целесообразность автоматического регулирования реактивной мощности в зависимости от смежной нагрузки возникает при суммарной активной мощности смежной нагрузки выше 1-5 МВт. На угольных разрезах индуктивная нагрузка на одном фидере с СД не достигает таких значений. Также следует учитывать, что минимум потерь СД достигается при постоянной реактивной мощности, если нагрузка на валу изменяется не менее чем на 50%. Нагрузка на валу СД карьерных экскаваторов резкопеременная, изменяется в широких пределах. Таким образом, для СД карьерных экскаваторов применять автоматическое регулирование тока возбуждения нецелесообразно. Достаточно устанавливать ток возбуждения в соответствии с требуемой от двигателя реактивной мощностью, используя режим пониженного возбуждения.
Для выбора рационального режима возбуждения необходимо иметь U-образные и рабочие характеристики синхронных двигателей. U -образная характеристика представляет собой зависимость тока статора от тока возбуждения при постоянных частоте, напряжении на выводах и полезной мощности на валу двигателя т.е. I1= f (IB) при Р1, U1, f1 = const.
Рабочие характеристики синхронных двигателей могут быть получены на основании U -образных и представляют собой зависимости различных параметров двигателя (мощностей полной и реактивной, тока статора, cosφ) от потребляемой активной мощности при различных токах возбуждения. Рабочие характеристики дают возможность выбора режима возбуждения в зависимости от фактических нагрузок синхронных двигателей при условии генерации требуемой реактивной мощности.
Справочные данные по синхронным двигателям также не содержат сведений для построения U -образных характеристик (в частности, значения синхронного индуктивного сопротивления х и ЭДС обмотки статора Е0). Вследствие этого возникает необходимость в разработке методики построения U -образных характеристик теоретическим путём на основании паспортных данных синхронных двигателей.
На основании известных выражений из теории электрических машин необходимые значения х и Е0 можно определить графическим методом (рис.4) и с помощью ЭВМ. В диссертации разработана методика определения индуктивного сопротивления х и построения U- образных характеристик как графическим методом, так и с помощью микроЭВМ.
Примеры построения U – образных и рабочих характеристик представлены на рис.5 и 6.
Графики рис.5 – 6 позволяют решать задачи по выбору режима работы синхронных двигателей как при отсутствии автоматических регуляторов, так и определения задающего воздействия для системы автоматического регулирования тока возбуждения. В частности, задачу определения тока возбуждения для фактических нагрузок в режимах «работа» и «холостой ход» таким образом, чтобы обусловить необходимую генерацию реактивной мощности. Либо определять, насколько изменится электропотребление экскаватора в одних и тех же условиях при изменении тока возбуждения. Например, из рис.5 видно, что при фактической нагрузке Рис.4. Определение индуктивного сопротивления х и Е0 и построение U-образной характеристики графическим методом
Рис.5. U-образные характеристики синхронного двигателя экскаватора ЭШ-20/90
Рис.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя экскаватора ЭШ-20/90
1250 кВт, зафиксированной при экспериментальных исследованиях, потребляемый ток изменяется от 125 до 175 А при изменении тока возбуждения от 230 до 270 А, при этом генерируемая реактивная мощность увеличивается от 370 до 1325 квар, т.е. изменение тока возбуждения на 17% вызывает изменение электропотребления на 40%. Если бы этот экскаватор работал при своей номинальной нагрузке (2500 кВт), то изменение электропотребления было бы не столь существенным – от 243 до 260 А, т.е. на 7%.
В работе введено понятие «совмещенного режима», при котором нагрузка активная и реактивная определяется из годового двухступенчатого графика с периодами работы в режимах «работа» Рр tp и «холостой ход» Рхх tхх.
Как показывают исследования электропотребления экскаваторов в структуре энергобалансов, холостой ход вместе со вспомогательными операциями занимает от 10 до 25% общего рабочего времени. Поэтому можно полагать txx ≈ 0,2 tp. В этом случае среднепотребляемая годовая активная нагрузка синхронного двигателя в совмещенном режиме работы РС = (РР + 0,2 РХХ)/1,2. При установке во время сезонных наладок тока возбуждения неизменным как для режима «работа» так и для режима «холостой ход», фактическая нагрузка пересчитывается по этому выражению и для РС находится ток возбуждения, который обеспечит в среднем за год либо нулевое потребления реактивной энергии, либо необходимую генерацию реактивной мощности, требуемую для компенсации индуктивной нагрузки в данной линии.
Таким образом, для повышения эффективности функционирования карьерных экскаваторов, необходимо иметь сведения о фактических нагрузках (активных и реактивных) электроприёмников данного фидера и режиме их работы (соотношении времени работы и холостого хода – двухступенчатом графике). В диссертации разработана методика определения экономической эффективности от оптимизации режима возбуждения сетевых двигателей карьерных экскаваторов для двухступенчатого графика нагрузки при условии отсутствия затрат на генерацию излишней реактивной мощности. Разработан алгоритм вычисления. По предложенной методике произведен расчет ожидаемого экономического эффекта от рационализации режима работы синхронных двигателей шести типов экскаваторов. В расчете использовались фактические нагрузки в режимах «работа» и «холостой ход», полученные в результате экспериментальных исследований в условиях разрезов «Павловский-2» ОАО «Приморскуголь» и «Лучегорский». Рассчитанный суммарный годовой экономический эффект только по шести типам экскаваторов при расчёте за электроэнергию по двухставочному тарифу составляет 244692 рублей (цены 2002 года), причем достигается такой эффект простым организационным мероприятием - изменением установки тока возбуждения на синхронных двигателях. Для экскаваторного парка только одного Лучегорского разреза, содержащего синхронные двигатели (это 40 экскаваторов из 53), годовой эффект может составить при двухставочном тарифе 1631280 рублей. Дополнительный эффект может быть получен за счет рационального перераспределения реактивной мощности между синхронными и асинхронными двигателями, подключенными к одной фидерной линии.
Известно, что передаваемые потребителям нагрузки по реактивной мощности необходимо покрывать так же, как и нагрузки по активной мощности, причем вместе с возникающими при их передаче потерями активной мощности в сетях. При этом возникают неблагоприятные технико-экономические последствия, решения которых являются комплексной, многосторонней проблемой. Учитывая специфические режимы распределительных сетей открытых горных работ уместно рассмотреть упрощенные варианты решения некоторых вопросов данной проблемы. Рассматривая синхронные двигатели как генераторы реактивной мощности, целесообразно решать задачу недопущения дефицита либо избытка реактивной нагрузки при минимуме приведенных затрат на ее генерацию и распределение. Оптимальное распределение реактивной нагрузки между ее источниками необходимо рассматривать для фактических нагрузок активной мощности синхронных двигателей. В диссертации предлагается методика распределения реактивных нагрузок в распределительных сетях, электрически связанных между собой, при условии минимальных потерь активной мощности при генерации реактивной синхронными двигателями и ее канализации к индуктивным потребителям.