На экономичность работы электроустановок в значительной степени влияют режим эксплуатации электрооборудования и сетей, потери электроэнергии в них и коэффициент мощности электроустановки. Наиболее экономичным режимом можно считать такой режим работы электроустановки, при котором достигается наименьший расход электроэнергии на единицу продукции (тонну нефти или кубический метр газа, перекачиваемых станцией) и наименьшие расходы на ремонт и замену оборудования. Для повышения экономичности работы электроустановок в первую очередь необходимо устранить все явные потери электроэнергии, образующиеся при работе электродвигателей вхолостую или при неполной загрузке, при горении электрических ламп в дневное время, там где это не требуется по условиям производства, в резервных трансформаторах, находящихся под напряжением, в электронагревателях, включенных без надобности. Потери в проводниках (проводах, кабелях, обмотках машин и трансформаторов) при одном и том же сечении проводника пропорциональны квадрату силы тока нагрузки. Токовая перегрузка проводников ведет к резкому увеличению потерь и, наоборот, уменьшение нагрузки ведет к снижению потерь. Это обстоятельство учитывают при выборе режима работы двух параллельных линий (рабочей и резервной), каждая из которых рассчитана на полную нагрузку. Целесообразно включать обе такие линии на одновременную работу, а не держать одну в резерве, а другую под полной нагрузкой. При таком режиме нагрузка каждой линии уменьшится в два раза, а потери в каждой из них — в четыре раза. Отклонение напряжения сети от номинального также неблагоприятно воздействует на режим потребления электроэнергии. При понижении напряжения и неизменной нагрузке электродвигателя увеличивается ток нагрузки в линии, значит, увеличиваются и потери электроэнергии. В электроосветительных установках увеличение напряжения против нормального ведет к быстрому перегоранию электрических ламп.
Рис. 99. Векторные диаграммы активной, реактивной и полной мощности (а), компенсации реактивной мощности синхронным электродвигателем (б), компенсации реактивной мощности конденсаторами для улучшения коэффициента мощности (в)
Понижение напряжения ведет к резкому ухудшению качества освещения и необходимости включения дополнительных светильников, т. е. к дополнительному расходу электроэнергии. Применение электродвигателей недостаточной мощности вызывает его перегрузку, недопустимый нагрев обмоток, резкое увеличение потерь, повреждение изоляции обмоток и, следовательно, повреждение самого двигателя. Перегрев двигателей, работающих во взрывоопасных зонах, может вызвать воспламенение окружающих взрывоопасных смесей со всеми вытекающими последствиями. Неполная загрузка двигателя (т. е. применение двигателя завышенной мощности) приводит к увеличению потребления им из сети реактивной мощности.
Мощность, забираемая электроприемниками из сети, частично преобразуется в механическую и тепловую энергию и расходуется на вращение вала приводимого механизма, нагрев проводов, накаливание нити электроламп, частично же идет на образование электромагнитных полей в обмотках машин, трансформаторов, электромагнитов. Та часть мощности, которая преобразуется в механическую и тепловую энергию, называется активной мощностью, та часть, которая идет на образование магнитных полей, называется реактивной мощностью.
На рис. 99,а изображена векторная диаграмма, па которой гипотенуза представляет собой полную мощность S, забираемую из сети электроприемником, а катеты — активную мощность Р и реактивную мощность Q. Реактивная мощность сама не производит полезной работы. Вместе с тем выработка и передача ее вызывают дополнительные потери активной энергии в проводах и трансформаторах и уменьшают отдачу активной энергии генераторами электростанции. Вследствие этого приходится завышать мощность генераторов, трансформаторов и сечение линий электропередачи. Из векторной диаграммы рис. 99,а.
Q = Ptgφ, (75)
откуда tgφ = Q/P,
где φ — угол сдвига фаз между векторами полной мощности S и активной мощности Р.
Величина tgφ характеризует соотношение между потребляемыми из сети реактивной и активной мощностями. При tgφ<l ,(т. е. при значении угла <р<45°) потребление реактивной мощности из сети меньше потребления активной мощности (Q<P); при tgφ=l (φ=45°) потребление реактивной и активной мощности одинаково (Q=P); при tgφ>l (φ>45°) потребление реактивной мощности превышает потребление активной мощности (Q>P). Таким образом, чем меньше значение tgφ, тем лучше энергетические показатели потребления электроэнергии на объекте (насосной или компрессорной станции или нефтяной базы). Для стимулирования мероприятий по уменьшению потребления реактивной мощности энергоснабжающие организации применяют систему скидок и надбавок к тарифу на электроэнергию за компенсацию потребителями реактивной мощности, получаемой от сети. Скидки и надбавки к тарифу определяются в зависимости от степени компенсации реактивной мощности, оцениваемой коэффициентами
tgφM = Qм/PK,
где Рм — заявленная потребителем мощность, участвующая в максимуме нагрузки энергосистемы, кВт; Qa — оптимальная реактивная нагрузка потребителя в часы максимума активной нагрузки энергосистемы (задается энергоснабжающей организацией), квар; QM — фактическая реактивная нагрузка потребителя, участвующая в максимуме нагрузки энергосистемы, квар.
Шкала скидок и надбавок составлена таким образом, что чем меньше у потребителя tgφм и чем меньше он отличается от tgφэ, задаваемого энергосистемой, тем выше скидка с тарифа, и, наоборот, чем больше tgφM у потребителя и чем больше он задаваемого tgφ3, тем выше надбавка к тарифу. Например, если при заданной энергосистемой величине tgφ3=40, у потребителя окажется такое же значение tgφM=40, то энергосистема делает скидку с тарифа в размере 5%. При значении у потребителя tgφM=30 или tgφM=50 размер скидки уменьшается до 1%. Если у потребителя при том же заданном tgφэ=40 окажется, например, tgφм=0,95, то он платит надбавку к тарифу в размере 20%.
Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные электродвигатели. Неполная их загрузка увеличивает относительную потребляемую реактивную мощность. Для уменьшения потребляемой реактивной мощности необходимо, чтобы все электродвигатели -были полностью загружены в пределах их номинальной мощности. Общее потребление реактивной мощности на предприятии может быть уменьшено применением устройств, генерирующих реактивную мощность в сеть, т. е. компенсирующих ее потребление в электроприемниках. В качестве генераторов реактивной мощности в насосных и компрессорных станциях магистральных нефтепроводов и газопроводов используют синхронные электродвигатели, а на нефтебазах — предназначенные для этой цели силовые конденсаторы.
Синхронные электродвигатели при соответствующем токе возбуждения могут вырабатывать реактивную мощность, которая направляется в питающую сеть. На рис. 99,б векторная диаграмма показывает принцип компенсации реактивной мощности, получаемой от сети, синхронным электродвигателем. До включения синхронного двигателя потребление реактивной мощности определялось отношением
После включения синхронного двигателя в работу общий расход активной мощности увеличился за счет нагрузки двигателя Рсд
а расход реактивной мощности Q1 уменьшился на величину
Новое значение tgφ2 стало
Расход полной мощности определится из геометрической суммы векторов
Силовые конденсаторы потребляют из сети емкостную реактивную мощность Qк, вектор которой по знаку противоположен направлению вектора реактивной намагничивающей мощности Q1 (рис. 99,в), и последняя уменьшается до значения Q2= Q1—QK. В обоих случаях угол φ1 уменьшается до значения φ2. Чем меньше угол φ1, тем меньше значение тангенса φ, тем меньше потребление реактивной мощности из сети. Необходимая мощность компенсирующего устройства определится по формуле
(76)
где Рср — средняя активная нагрузка за рассчитываемый период (сутки, месяц, год); φ1 — средний тангенс угла сдвига фаз за тот же период времени; φэ — тангенс угла сдвига фаз, задаваемый энергосистемой.
Для экономного и рационального расходования электроэнергии энергоснабжающие организации устанавливают каждому предприятию определенную норму (лимит) расхода электроэнергии, которая ограничивает ее расход в пределах, обеспечивающих выполнение производственного плана предприятия. Исходными данными при этом являются нормы удельного расхода электроэнергии на единицу вырабатываемой продукции (в кВт-ч/т, кВт-ч/м3). Нормы устанавливаются по статистическим данным о расходе электроэнергии (в кВт-ч) за определенный период времени (месяц, год) и выработанной (перекаченной) за это время продукции (в т или в м3) на данном или аналогичном предприятии с учетом местных условий. Потребители электрической энергии должны поддерживать экономичный режим работы электроустановок, заданную величину tgφ и, безусловно, соблюдать утвержденные нормы расхода электроэнергии на единицу выработанной (перекаченной) продукции.
Для определения норм и учета расхода электроэнергии все электролинии, питающие данную установку, цех или производство, должны быть снабжены счетчиками расхода активной и реактивной электроэнергии. Экономия электроэнергии может считаться реальной только тогда, когда фактический расход электроэнергии на единицу производимой или перекачиваемой продукции ниже заданного (нормируемого). Контроль за режимом электропотребления, рациональным использованием электрической энергии и надзор за техническим состоянием электрохозяйства осуществляется представителями органов Государственного энергетического надзора.
Промышленные предприятия оплачивают энергоснабжающие организации за пользование электроэнергией по одноставочному и двухставочному тарифу, по установленному прейскуранту. Расчеты по одноставочному тарифу производятся с потребителями с присоединенной мощностью до 100 кВ; по двухставочному тарифу — с потребителями с присоединенной мощностью 100 кВт и более. Двухставочный тариф состоит из основной и дополнительной ставок. Основная ставка предусматривает плату за 1 кВт заявленной потребителем мощности, участвующей в суточном максимуме энергосистемы, или за 1 кВ-А присоединенной мощности, вне зависимости от фактического, количества израсходованной потребителем электроэнергии. Основная плата за заявленную потребителем мощность в киловаттах взимается только с потребителей с собственным годовым максимумом нагрузки не менее 500 кВт. Дополнительная ставка предусматривает плату за каждый отпущенный киловатт X час активной электроэнергии, учтенной расчетным счетчиком.
