Расчет срока окупаемости и эффективность применения автоматических установок компенсации реактивной мощности УКРМ

Конденсаторные установки 0,4 кВ под заказа за 5 дней

от 11 299 грн

Калькулятор расчёта мощности
конденсаторной установки 0,4 кВ

На современных промышленных предприятиях внедрение энергосберегающих программ является важнейшей составляющей стратегии повышения их конкурентоспособности. Особое внимание следует при этом уделить вопросам экономического обоснования целесообразности внедрения отдельных составляющих таких программ, среди которых можно выделить автоматические установки компенсации реактивной мощности (УКРМ). В данной статье предлагается проанализировать один из важнейших экономических показателей проектной оценки – срок окупаемости внедрения УКРМ. При расчете этого показателя специалисты ЭлектроКонтроль.com.ua  предлагают учитывать помимо экономических аспектов также и технические особенности внедряемых УКРМ, а именно:

• величину потерь в проводниках и трансформаторах;
• потери холостого хода трансформаторов;
• точность регулирования cosφ.

Величина потерь на нагрев в трансформаторах и силовых линиях может быть обусловлена как протеканием активной энергии по проводнику, так и протеканием реактивной энергии. В совокупности эти расходы энергии на нагрев проводников составляют непроизводительные затраты электроэнергии, которые целиком отражаются на счетчике активной энергии предприятия и, следовательно, должны быть оплачены в установленном порядке.

Потери на нагрев в проводниках, обусловленные протеканием активной энергии, невозможно скорректировать без изменения установленной на предприятии активной мощности и применяемых параметров соединительных линий. В свою очередь, реактивная составляющая потерь может быть скорректирована при помощи конденсаторных установок УКРМ. Поэтому наиболее простым способом уменьшения расходов на оплату потребляемой активной энергии является снижение доли реактивной энергии, протекающей в проводнике (стремление cosφ к единице), что уменьшает потери в проводнике при прежнем уровне потребляемой активной энергии.

Физическая природа потерь на нагрев в обмотках трансформаторов схожа с рассмотренной выше ситуацией потерь энергии в проводниках. Потери энергии в трансформаторах зависят от величины их нагрузки и паспортной мощности короткого замыкания.

В качестве показателя, отражающего эффективность внедрения батарей конусных конденсаторов (УКРМ), предлагаем использовать термин "экономия затрат при снижении реактивных потерь". Эта величина раскрывает сумму экономии денежных средств на оплату потребленной активной энергии после минимизации реактивной составляющей потерь энергии с помощью компенсаторов реактивной мощности (УКРМ), она обратно пропорциональна квадрату разности двух величин: "cosφ до компенсации" и "cosφ после компенсации".

Иными словами, обеспечив увеличение cosφ на 10 %, потребитель снижает потери на нагрев в проводниках и трансформаторах за счет реактивной составляющей на 20 %, уменьшая тем самым сумму затрат на оплату потребляемой энергии также на 20 %.

Проведенные специалистами ЭлектроКонтроль.com.ua  расчеты свидетельствуют о том, что величина годовой экономии от внедрения УКРМ может достигать 15 тыс. грн. и более. К примеру, после внедрения системы автоматической  компенсации реактивной мощности (АКУ) на внутрицеховой комплектной трансформаторной подстанции 1×1000кВА с отходящими алюминиевыми кабелями длиной до 120 м экономия затрат при снижении реактивных потерь за счет повышения cosφ с 0,6 до 0,95 составила порядка 10-16 тыс. грн. в год. Принимая во внимание тот факт, что до внедрения УКРМ расходы на оплату реактивной энергии составляли 12-13 тыс. грн. в год, можно сделать вывод, что суммарная экономия затрат на оплату электроэнергии от внедрения УКРМ может в 1,5-2 раза превышать экономию за счет только снижения оплаты за реактивную энергию. При этом соответствующим образом сокращается срок окупаемости УКРМ.

Исходя из приведенной взаимосвязи между величиной потерь энергии и сокращением срока окупаемости внедряемой установки, настоятельно рекомендуем осуществлять расчеты потерь в проводниках и трансформаторах для каждой конкретной системы электроснабжения в процессе обоснования целесообразности внедрения УКРМ.

Еще одна причина, вызывающая непроизводительные затраты на реактивную энергию – потери холостого хода трансформаторов. Указанная проблема возникает при сочетании приведенных условий эксплуатации:

• загрузка питающих трансформаторов составляет менее 30 % их номинальной мощности;
• счетчики учета реактивной энергии установлены на высокой стороне питающих трансформаторов.

Потери холостого хода трансформаторов неизменны. Нагрузка трансформаторов не оказывает влияния на эти потери, которые определяются лишь параметрами магнитопроводов трансформаторов. Если трансформаторы загружены на полную (100 % загрузка) мощность, то соотношение активных и реактивных составляющих мощности (cosφ) колеблется в интервале 0,8…0,9. Если же загрузка трансформаторов составляет менее 30 %, то cosφ снижается до уровня 0,5…0,6 и возрастает влияние на него потерь холостого хода, поскольку на фоне уменьшающейся активной составляющей мощности составляющая потерь холостого хода остается константой.

В системе напряжения 0,4 кВ стандартная УКРМ, регулятор которой подключается к сети 380 В, способна поддерживать оптимальное соотношение активных и реактивных составляющих мощности на уровне 0,95. Однако зачастую потери холостого хода трансформатора по величине сравнимы со "скомпенсированной" мощностью, поэтому реальный cosφ на высокой стороне трансформатора будет колебаться в диапазоне 0,8…0,85. А счетчик реактивной энергии будет учитывать эту ничем не скомпенсированную энергию, порождая непроизводительные затраты на оплату реактивной энергии у потребителя.

Выход из такой ситуации специалисты ЭлектроКонтроль.com.ua  видят в применении модификаций регуляторов с возможностью подключения к высокой стороне питающего трансформатора, что позволит минимизировать расходы на оплату реактивной энергии независимо от степени загрузки питающего трансформатора, а также наличия "провалов" в потреблении, связанных с выходными, праздничными днями и проч. При обосновании целесообразности применения указанных регуляторов, способных снизить затраты на электроэнергию и, следовательно, сократить срок окупаемости внедряемых УКРМ, используется анализ графиков нагрузки предприятия.

Еще одна техническая характеристика, влияющая на срок окупаемости УКРМ – точность регулирования, т.е. способность поддерживать необходимое соотношение активных и реактивных составляющих мощности (cosφ) в любой момент времени независимо от наличия возмущений в системе. Факторы, оказывающие влияние на точность регулирования:

• величина минимальной ступени УКРМ или минимальный шаг регулирования;
• быстродействие УКРМ, т.е. промежуток времени между возникшим изменением величины реактивной мощности в системе и откликом УКРМ на это изменение.

Стандартизированная методика выбора минимальной ступени УКРМ отсутствует на сегодня. Однако следует учитывать влияние на такой выбор множества факторов, среди которых технологический цикл работы предприятия-заказчика, минимальная мощность потребителей электроэнергии, наиболее часто подключаемых к УКРМ, особенности эксплуатации используемых электрических устройств и установок.

К сожалению, на практике предприятие-заказчик редко анализирует графики своей нагрузки, коэффициенты участия различных нагрузок либо базируется на опыте эксплуатации системы при обосновании минимальной ступени УКРМ, удовлетворяясь выбором из того, что предлагают производители.

Наиболее часто заводы-изготовители принимают минимальную ступень УКРМ на уровне 10 % от полной мощности установки, что не всегда отвечает объективным условиям ее эксплуатации. Вполне реальна ситуация, когда при значительной суммарной нагрузке на предприятии существенных колебаний нагрузки в нормальном режиме не наблюдается. Если же диапазон имеющихся колебаний составляет менее 80 % от минимальной ступени УКРМ, то возникнет постоянная недокомпенсация, составляющая от 50 % до 100 % минимальной ступени. Нескомпенсированный расход энергии будет учитываться счетчиком реактивной энергии, что может увеличить ежемесячные затраты на оплату энергии приблизительно на 10 %.

С другой стороны, уменьшение шага регулирования и повышение быстродействия УКРМ может повлечь за собой резкое учащение включений/отключений регулирующей ступени – до 5-10 раз в сравнении с базовыми ступенями. Это, в свою очередь, будет способствовать быстрой выработке ресурса контактора регулирующей ступени с необходимостью его замены.

Оптимизировать точность регулирования УКРМ специалисты ЭлектроКонтроль.com.ua  предлагают путем замены части контакторов силовыми полупроводниковыми ключами. Повышение точности регулирования позволит существенно снизить оплату за реактивную энергию, расход которой вызван низкой реакцией ступеней на изменение нагрузки. Эффект достигается благодаря высокому быстродействию регулирующей ступени на полупроводниковых ключах (до 10 циклов включений/отключений в секунду) и значительному эксплуатационному ресурсу, который зависит лишь от температурного режима работы ключа.

Усовершенствование характеристик УКРМ достигается путем оснастки полупроводниковыми ключами ее регулирующих ступеней. Получаемая в результате установка является контакторно-полупроводниковой или "смешанной". Стоимость "смешанной" УКРМ с 1-2 регулирующими ступенями на полупроводниковых ключах превышает стоимость полностью контакторной установки не более чем на 5-10 %, а обеспечиваемая экономия является существенной.

Рассмотрим пример: увеличение быстродействия полностью контакторной установки до максимального значения (1 цикл включений/отключений в 1-2 минуты) позволит повысить точность регулирования и соответственным образом уменьшить оплату за "недокомпенсированную" реактивную энергию. При этом расходы на замену контакторов регулирующей ступени (стоимость контакторов и оплата работ по их замене) предприятие будет нести примерно раз в 3 месяца, поскольку высокая частота включений/отключений ступени повлечен за собой выработку ресурса контактора. Сумма описанных расходов может достигать в среднем 1-1,5 тыс. грн. в год. На непродолжительном отрезке времени экономия затрат на оплату энергии в результате повышения точности регулирования еще сможет покрывать расходы на частую замену контакторов регулирующей ступени, но при долгосрочной эксплуатации УКРМ (например, в течение 5 лет) сальдо будет уже отрицательным.

Применение регулирующих ступеней на полупроводниковых ключах позволит не только усовершенствовать точность регулирования, увеличив ее на порядок в сравнение с обычными установками, но при этом также полностью исключить расходы на замену контактора регулирующей ступени. Отсюда следует неоспоримое преимущество "смешанных" установок перед обычными по затратам на ремонт и обслуживание при долгосрочной эксплуатации УКРМ.

Таким образом, для получения наиболее точного прогноза эффективности внедряемой установки компенсации реактивной мощности УКРМ и расчета реального срока ее окупаемости целесообразно учитывать вышеизложенные технические аспекты работы установки и особенности системы электроснабжения предприятия.