«УДК 620.9 ББК 31.27 С78 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине Методы и средства энергои ресурсосбережения подготовлен в рамках инновационной образовательной программы Создание инновационного центра ...»

2. Уменьшение числа преобразований энергоносителей. Так как каждое преобразование энергии связано с потерями, то чем меньше последовательных преобразований претерпевает энергия, тем выше общий КПД. Например, экономически целесообразна замена сжатого воздуха электроэнергией всюду, где это возможно по технологическим условиям.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -162ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3. Автоматизация энергоснабжающих установок – отопительных агрегатов и бойлерных установок, систем топливо- и электроснабжения.

4. Повышение качества энергоносителей. Изменение параметров энергоносителей (давления, температуры, влажности, сернистости, зольности, показателей качества электроэнергии и т. п.) приводит к ухудшению качества продукции и перерасходу энергоносителей.

Экономия ТЭР путем совершенствования энергоиспользования.

Данные мероприятия могут дать наибольшее снижение потребления ТЭР (до 30 %), но они в основном являются многозатратными.

К этой группе мероприятий относят:

1) организационно-технические мероприятия, связанные в основном с повышением качества технического обслуживания оборудования и его ремонтов;

2) выбор наиболее экономичных энергоносителей. Многие технологические процессы могут выполняться с различными энергоносителями. Поэтому правильный выбор конечного энергоносителя в технологических процессах дает выигрыш, намного больший, чем внедрение энергосберегающих мероприятий в существующих энергорасточительных технологиях.

Правильный выбор энергоносителей актуален и с экологической точки зрения, так как ужесточение требований к выбросам СО2 и других так называемых остаточных газов (N2O, О3, СН4 и др.) приводит к большим затратам на снижение этих выбросов. Особенно актуальна эта проблема для различных видов технологического нагрева;

3) совершенствование действующих технологических процессов, модернизацию и реконструкцию оборудования;

4) внедрение технологических процессов, оборудования, машин и механизмов с улучшенными и энерготехнологическими характеристиками;

5) повышение степени использования вторичных энергоресурсов;

6) утилизацию низкопотенциального тепла.

3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение Оценка качества ЭЭ необходима по целому ряду причин:

как показатель, приведенный в Гражданском кодексе, где сказано об оплате за продукцию в соответствии с её количеством и качеством;

как ресурс, обеспечивающий нормальные условия для всей жизненной деятельности человечества;

как ресурс, обеспечивающий выпуск продукции практически всех отраслей производства, причем нарушение качества ЭЭ может привести не только к кратковременным сбоям производства, но и к её длительному нерациональному расходу.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -163ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение 3.2.1. Показатели качества электроэнергии Качество электрической энергии – степень соответствия параметров электрической энергии их установленным значениям (ГОСТ 23875–88).

Параметр электрической энергии – величина, количественно характеризующая какое-либо свойство электрической энергии. Под параметрами электрической энергии понимают напряжение, частоту, форму кривой электрического тока (ГОСТ 23875–88).

Провал напряжения – внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 Uном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд (ГОСТ 13109–97).

Длительность провала напряжения - интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня (ГОСТ 13109–97).

Частость появления провалов напряжения – число провалов напряжения определенной глубины и длительности за определенный промежуток времени по отношению к общему числу провалов за этот же промежуток времени (ГОСТ 13109–97).

Одним из базовых документов по энергетическим обследованиям является ГОСТ Р 51379–99 «Энергетический паспорт промышленного предприятия топливно-энергетических ресурсов. Основные положения. Типовые формы».

В нем приведены основные составляющее электрического баланса на промышленных объектах:

1. Технологическое оборудование:

электропривод;

электротермическое оборудование (сушилки, прочее).

3. Вентиляционное оборудование.

4. Подъемно-транспортное оборудование.

5. Компрессоры.

6. Сварочное оборудование.

7. Холодильное оборудование.

8. Освещение.

9. Прочие, в т. ч. бытовая техника.

С точки зрения однотипности использования ЭЭ и формулирования требований к качеству ЭЭ приведенную структуру электробаланса потребителей ЭЭ можно привести в следующих характерных группах:

1. Электродвигательная нагрузка (активная и реактивная индуктивная).

2. Электротермическая нагрузка (активная и реактивная).

3. Осветительная нагрузка (активная и реактивная индуктивная).

4. Электросварка (активная).

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -164ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение В указанные группы необходимо добавить группы потребителей:

5. Электротехнологии (активная).

6. Передача электроэнергии (активная и реактивная индуктивная и емкостная).

К каждой из них устанавливаются различные требования к качеству электроэнергии.

Одним из наиболее чувствительных к качеству элементов являются современные микропроцессорные системы управления, однако они также больше влияют на надежность, чем на энергоэффективность, и в дальнейшем влияние на них отклонения параметров качества ЭЭ не рассматривается Энергоснабжающая организация при выдаче технических условий на присоединение выставляет требование: обеспечить качество электроэнергии на границе балансовой принадлежности в соответствии с ГОСТ 13109–97. Но на границе балансовой принадлежности качество энергии может не соответствовать по вине обеих сторон. И в таком случае крайне важно определить, с какой стороны в данную точку поступает некачественная ЭЭ. Как сказано в параграфе 1.4 данного пособия, согласно Гражданскому кодексу, вся продукция должна оцениваться в соответствующем количестве и качестве.

Сформулируем требования к контролю качества:

1. Надо оценивать не качество электрической энергии вообще, а качество определенного количества, например 1000 кВт ч, как нештучной продукции. Отсюда должно получиться и время измерения качества ЭЭ – длина интервала осреднения – время, за которое абонент получит указанные 1000 кВт ч. Хотя, конечно, надо учитывать, что бытовой абонент потребляет это количество электроэнергии почти за год, а крупное промышленное предприятий – за считанные минуты. Однако по ГОСТ [33] оценка качества электроэнергии, ее сертификация, производится по календарному времени – дней в одной точке контроля, без учета, какое количество электроэнергии прошло через эти точки.

Для оценки качества электроэнергии как нештучной продукции необходимо применять термины «проба», «объем пробы», «разовая проба» и «период отбора» [34], т. е. фактически устанавливается объем проверяемой продукции. Но по действующим НТД контроль качества в заданной точке осуществляется в течение не менее 7 дней, практически независимо от величины подачи ЭЭ в этой точке.

Показателями КЭ, непосредственно влияющими на энергосбережение и примененными для указанных выше групп потребителей ЭЭ, являются:

установившееся отклонение напряжения U y ;

длительность провала напряжения tп ;

частота напряжения f.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -165ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение Рис. 3.1. Графическое изображение показателей качества электроэнергии Нормируемые значения погрешностей показателей качества электроэнергии приведены в табл. 3.1, интервалы усреднения результатов измерений показателей КЭ – в табл. 3.2, наиболее вероятные виновники нарушения качества – в табл. 3.3 (ГОСТ 13 109–97). Графическое изображение показателей качества электроэнергии дано на рис. 3.1.

Показатель КЭ, Нормы КЭ Пределы допустимых поединица измерения (пункты ГОСТ 13109–97)грешностей измерений показателя КЭ Установившееся отклонение напряжения U y, % Длительность провала напряжения tп, с Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -166ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение Отклонение напряжения Установившееся отклонение Энергоснабжающая органинапряжения U y Провал напряжения Длительность провала напря- Энергоснабжающая органижения tп Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты.

Нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц соответственно.

Контроль за соблюдением энергоснабжающими организациями и потребителями электрической энергии требований стандарта осуществляют органы надзора и аккредитованные в установленном порядке испытательные лаборатории по качеству электрической энергии.

Контроль качества электрической энергии в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к системам электроснабжения общего назначения проводят энергоснабжающие организации. Указанные организации выбирают точки контроля в соответствии с нормативными документами, утвержденными в установленном порядке.

Периодичность измерений показателей КЭ устанавливают:

для установившегося отклонения напряжения – не реже двух раз в год в зависимости от сезонного изменения нагрузок в распределительной сети центра питания, а при наличии автоматического встречного регулирования напряжения в центре питания – не реже одного раза в год. При незначительном изменении суммарной нагрузки центра питания и неизменности схемы сети и параметров ее элементов допускается увеличивать интервал между контрольными измерениями для установившегося отклонения напряжения;

для остальных показателей – не реже одного раза в 2 года при неизменности схемы сети и ее элементов и незначительном изменении нагрузки потребителя, ухудшающего качество электроэнергии.

Конкретные сроки проведения периодического контроля качества электроэнергии в точках присоединения потребителей к системе электроснабжения общего назначения устанавливаются электроснабжающей организацией в эксплуатационных режимах, соответствующих нормальным схемам или длительным ремонтным схемам сетей общего назначения.

Потребители, ухудшающие качество электрической энергии, должны проводить контроль в точках собственных сетей, ближайших к точкам общеМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -167ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение го присоединения указанных сетей к электрической сети общего назначения, а также на выводах приемников электрической энергии, являющихся источниками кондуктивных электромагнитных помех.

Согласно приказу Минтопэнерго РФ от 4 апреля 1998 г. № 126 при выдаче энергоснабжающей организации лицензии на производство, передачу и распределение ЭЭ должно учитываться наличие выданных сертификатов на качество ЭЭ или заявок на её сертификацию.

В соответствии с РД 153-34.0-15.501–00 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Ч. 1. Контроль качества электрической энергии» обязательными требованиями при сертификации является проверка шести показателей:

1) установившееся отклонение напряжения, 2) отклонение частоты, 3) коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения, 4) коэффициент n-й гармонической составляющей, 5) коэффициент несимметрии напряжений обратной последовательности, 6) коэффициент несимметрии напряжений нулевой последовательности.

Но для выполнения поставленной цели – оценка влияния качества напряжения на энергосбережение – наиболее важными являются два первых показателя.

Одним из приборов для контроля качества напряжения является прибор ЭРИС [35].

Прибор имеет четыре канала для измерения напряжения – фазные напряжения (220 В) или линейные (100 В), и напряжение смещения нейтрали при номинальных значениях Uном, равных 220 В или 100 В, и четыре канала для измерения тока при номинальных значениях Iном, равных 5 А.

Номинальные значения напряжения и тока указаны в паспорте прибора.

Прибор обеспечивает измерение характеристик, перечень которых приведен в табл. 3.4, в однофазных и трехфазных электрических сетях и системах электроснабжения с заземленной и изолированной нейтралью с номинальной частотой 50 Гц.

Прибор содержит внутренние часы и обеспечивает отображение реального времени (часы, минуты, секунды) и календаря (день, месяц, год). Неточность хода часов не превышает 5 минут за месяц. Питание часов осуществляется от встроенной литиевой батареи CR2032 со временем непрерывной работы не более 3 лет.

Прибор обеспечивает оценку и хранение следующих параметров на интервале разбиения:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -168ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение наибольшие и средние арифметические значения;

наименьшие значения для характеристик, которые могут принимать как положительные, так и отрицательные значения;

верхние и нижние границы интервала, в котором находятся 95 % измеренных значений ПКЭ на завершенном интервале разбиения;

относительное время превышения нормально (Т1) и предельно (Т2) допускаемых значений ПКЭ на интервале разбиения нарастающим итогом.

Интервалы разбиения выбирают из ряда: 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 12 ч.

Прибор обладает внутренней памятью, обеспечивающей хранение информации в течение времени 3–25 мес. для различных интервалах измерения. Время хранения накопленной информации при выключении питания не ограничено. Приборы обеспечивают связь с внешним компьютером по шине RS-232 или RS-485 для передачи текущей и архивной информации (результатов измерения). Модификация шины связи с внешним компьютером меняется только изготовителем.

Виды показателей Наименование измеряемых характеристик Показатели каче- Коэффициент искажения синусоидальности кривой на- KU ства электроэнер- пряжения гии по ГОСТ Коэффициент n-й гармонической составляющей напря- KU(N) Вспомогательные Частота повторений изменений напряжения FUt показатели Глубина провала напряжения Показатели, учи- Коэффициент мощности по n-й гармоники составляютываемые при щей для n от 1 до анализе качества Коэффициент мощности по обратной последовательности Коэффициент мощности по нулевой последовательности искажений (по гармоникам с n от 2 до 40, а также обратной и нулевой последовательности) Полная активная и реактивная мощность по n-й гармо- S(n), P(n), Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -169ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение Прибор обеспечивает обработку входных сигналов (ток, напряжение), преобразованных в цифровой код, по специализированным программам расчета измеряемых величин.

Отклонение напряжения рассчитывают по формуле (ГОСТ 13109–97).

Действующее значение измеряемого напряжения Uy определяют как усредненное на интервале 60 с значение, полученное по не менее чем N измерениям (рис. 3.2, рис. 3.3, рис. 3.4).

Рис. 3.3. Порядок просмотра энергетических характеристик Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -170ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение Рис. 3.4. Порядок работы с прибором при просмотре текущей информации на ГД Качество электроэнергии в условиях научно-технического прогресса [37].

Электродвигательная нагрузка. Большую часть электродвигательной нагрузки составляют асинхронные двигатели, потребляющие активную и реактивную мощность.

Снижение напряжения вызывает увеличение тока ротора, перегрев обмотки ротора и ее преждевременный износ. Работа с понижением напряжения до 0,95 Uном снижает в 1,5 раза срок службы изоляции обмотки двигателя, работающего с номинальной нагрузкой. Срок службы изоляции двигателей, имеющих большие токи холостого хода, в сравнительно меньшей степени зависят от подводимого напряжения.

Повышение напряжения на 1 % (1,01 Uном) приводит к росту реактивной мощности приблизительно на 3 % для трехфазных двигателей мощностью 20–100 кВт, для двигателей меньшей мощности – на 5–7 %.

Влияние изменения приложенного напряжения в пределах + 10 % на основные параметры асинхронного двигателя приведено в табл. 3.5.

Для поточно-транспортных систем снижение напряжения до 0,9 Uном не приводит к уменьшению производительности машин. Но для ряда производств (прокатные станы, металлообрабатывающие станки и др.) снижение напряжения ведет к снижению производительности оборудования, увеличению затрат на производство.

В нефтяной промышленности уменьшение напряжения на зажимах двигателя лебедки и роторного стола по сравнению с номинальным увеличивает продолжительность бурения скважин, что приводит к увеличению затрат. Снижение напряжение на двигателях станков для производства шурупов приводит к ущербу от недоданной продукции. Средняя минутная производительность накатных автоматов, приводимых асинхронным двигателем, при напряжении 1,05 Uном составляет 0,275 кг, а при напряжении 0,9 Uном – 0,236.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -171ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение Наименование параметра КПД при нагрузке Коэффициент мощности при нагрузке Ток статора при 100%-ной нагрузке +11 % Зависит от величины намагничивающего тока Температура при 100%-ной нагрузке +(4–5) °С –(1–2) °С Осветительная нагрузка. Лампы накаливания работают на принципе чистого температурного излучения твердых тел, нагреваемых электрическим током до температуры яркого свечения и рассчитаны на номинальное напряжение. При повышении напряжении на 5–10 % в осветительных сетях в ночные часы в течение года приводит к выходу из строя 300 ламп накаливания из 1000. Изменение напряжения в сети, питающей электролампу, сопровождается изменением и других электрических характеристик лампы – ее мощности, силы тока, световой отдачи, светового потока.

При повышении напряжения U увеличивается световой поток I2, мощность лампы P и световая отдача, но резко снижается срок службы Т. В случае снижения напряжения резко уменьшается световой поток и освещенность рабочей поверхности, что приводит к снижению производительности труда.

Большую часть газоразрядных ламп на промышленных предприятиях составляют люминесцентные лампы и лампы типа ДРЛ. Изменение напряжения влияет на зажигание лампы. При понижении напряжения до 0,94 Uном лампы или не загораются совсем, или их горение сопровождается интенсивным распылением оксидного вещества с катодов лампы. Это приводит к миганию и резкому сокращению срока службы лампы. Повышение напряжения от 1,06 Uном и более вызывает перегорание вспомогательного оборудования (стартеры, дроссели и пр.).

Электросварка. В электросварочных установках снижение напряжения снижает качество сварки. Электротехнология, использующая высокотемпературные процессы, получила большое распространение на предприятиях различных отраслей промышленности.

В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую различают печи сопротивления, индукционные, дуговые печи.

Дуговые электропечи. Основные показатели режима: сила тока печи Iд, мощность дуги Рд, полная мощность печной установки S, активная Р и реакМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -172ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение тивная Q мощности печной установки, мощность электрических потерь Р, электрический КПД э, коэффициент мощности печной установки cos.

Напряжение дуги зависит от напряжения сети. Отклонение напряжения может оказать влияние на любой из периодов плавления. Снижение напряжения оказывает меньшее влияние на протекание процесса в дуговых печах при значительной мощности трансформаторов с большим числом ступеней регулирования вторичного напряжения, переключаемых под нагрузкой, при автоматическом регулировании мощности.

Индукционные установки. В индукционных установках нагреваемое тело помещается в переменное электромагнитное поле, создаваемое специальным токопроводом – индуктором.

Выделяемая в металле энергия зависит от квадрата напряжения, подводимого к индуктору, поэтому отклонение напряжения в сети значительно влияет на количество тепла, выделяемого в металле, а значит, и на скорость прогрева и производительность печи.

Коэффициент мощности cos индукционной печи довольно низкий.

Для повышения cos параллельно индуктору подключают батарею конденсаторов. Емкость конденсаторов зависит от квадрата напряжения питающей сети, поэтому отклонение напряжения будет влиять на режим работы самих конденсаторов и на режим работы питающей сети.

Снижение напряжения, даже в допустимых пределах, ведет к увеличению длительности нагрева (длительности плавки) в печах, что вызывает излишний расход электроэнергии.

Печи сопротивления. В электрических печах сопротивления количество тепла, выделяемого при прохождении тока через проводник, определяется по закону Джоуля – Ленца, т. е. в каждый момент зависит от напряжения и от отклонения напряжения.

Повышение напряжения вызывает уменьшение срока службы нагревательного элемента. Чем больше напряжение, тем выше температура нагревательного элемента, больше скорость его окисления, следовательно, срок службы нагревательного элемента уменьшается.

Работа печей при отклонении напряжения от номинального ухудшается, может иметь место снижение их производительности, а в ряде случаев и сбой технологического процесса. Например:

• На заводе обработки цветных металлов при отжиге заготовок в электрических печах сопротивления общей мощностью 675 кВт при снижении напряжения на 7 % технологический процесс продолжался 5 ч вместо 3 ч при номинальном напряжении. Увеличение времени технологического процесса сопровождалось повышенным расходом электроэнергии и повышением себестоимости продукции. При снижении напряжения на 10 % и более процесс отжига в печах производить было невозможно.

• На электродном заводе в печах графитации имеется период плавного подъема температуры, при котором напряжение в печи регулируется оператором и изменения в питающей сети не влияют на процесс, и период нереМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -173ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение гулируемой части процесса, при котором повышение напряжения в высоковольтной питающей сети ведет к повышению производительности печи.

Проведенные мероприятия по улучшению качества напряжения и применение специальных схем позволили повысить производительность печей на 14–21 % (в зависимости от диаметра загружаемых заготовок электродов).

Одновременно повысился cos за технологический цикл на 0,16–0,24.

Отклонение напряжения существенно влияет на работу сушильных и гладильных машин в текстильном производстве, электрических паяльников на радиотехнических и электронных заводах, при фотофильмопечати.

Влияние отклонения напряжения на работу паяльников: изменение напряжения на +10 % изменяет температуру жала паяльника также на +10 %, что ухудшает качество соединения. Если при Uном усилие разрыва составляет 3,2 кг/мм2, то при U = 1,2 Uном оно равно 2,4 кг/мм2. Это влечет за собой брак продукции. Требования к качеству напряжения для питания электропаяльников, используемых на радиотехнических заводах, особенно при поточном производстве, должны быть более жесткими по сравнению с принятыми в ГОСТ 13109–97.

Для большинства электротермических установок снижение напряжения приводит к уменьшению полезно используемой мощности, ухудшению температурного режима и удлинению технологического процесса, повышению расхода электроэнергии. При значительных снижениях напряжения осуществление термических процессов становится вообще невозможным.

При электролизных процессах, в частности при производстве алюминия, магния, каустической соды, длительное снижение напряжения вызывает уменьшение оптимальной величины тока, что снижает производительность электролизных ванн и вызывает удорожание выпускаемой продукции. Снижение напряжения до 0,95 Uном приводит к снижению производительности электролизной установки (производство хлора и каустической соды) на 4 %.

Кроме того, при этом происходит ускоренный износ электродов.

При напряжении менее Uном возможен экономический ущерб, включающий:

затраты на дополнительную мощность установки (ввиду изменения производительности);

затраты на дополнительную электроэнергию;

затраты на дополнительные электроды, а при осуществлении мероприятий по повышению напряжения – затраты на регулирующие устройства (источники реактивной мощности, трансформаторы с РПН и т. д.).

Повышение напряжения до 1,05 Uном и выше приводит к недопустимому перегреву ванн электролиза и ухудшению условий протекания процесса.

Колебание напряжения. Наличие колебаний в осветительных сетях приводят к миганию ламп, т. е. резким изменениям светового потока, отражающимся на зрительном восприятии людей. При частых миганиях появляется повышенная утомляемость, снижается производительность труда, увеличиваются случаи травматизма.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -174ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение В технологическом процессе производства глинозема колебания напряжения ведут к браку продукции. Глубокие посадки напряжения полностью расстраивают печи кальцинации глинозема, отрицательно сказываются на работе сгусителей и мешалок.

Работа дуговых сталеплавильных печей вызывает резкие колебания.

Для снижения колебаний напряжения возможно включать дроссельное сопротивление на стороне высшего напряжения печного трансформатора.

Машины контактной сварки большой мощности вызывают колебания напряжения в сети. На автомобильном заводе колебания напряжения на шинах 0,4 кВ подстанции, питающей многоточечные машины контактной сварки, были в пределах от +7,5 до –10 %, а на шинах подстанции, питающих стыковые машины, – от +7,5 до –10 %.

Несимметричность нагрузок. Характерным для предприятий является то, что в промышленных электроустановках находят все большее применение однофазные приемники (крупные электропечи, электронные аппараты, осветительные приборы), что вызывает несимметричный режим питания.

Несимметрия токов влечет за собой появление очагов местных перегревов роторов синхронных генераторов, нежелательные вибрации их отдельных узлов. В линиях электропередачи и трансформаторах несимметрия снижает пропускную способность трехфазной системы. Несимметрия токов обусловливает несимметрию напряжения, которая в свою очередь приводит к возникновению дополнительных фазных и междуфазных напряжений. Это отрицательно влияет на работу асинхронных двигателей, ухудшает режим работы выпрямителей, делает менее эффективным использование регулирующих и компенсирующих установок. При этом возможны дополнительные потери энергии в сетях.

Дополнительный нагрев вызывает усиленное старение изоляции, а зачастую и аварийный выход машины из работы. Важно отметить, что в несимметричных режимах возможен перегрев трансформаторов и снижение его мощности.

Встречающиеся величины несимметрии оказывают заметное влияние на потери активной мощности в двигателе и на срок его службы. Ежегодный ущерб при работе асинхронного двигателя с несимметричным напряжением может достигать 10–15 % от приведенных затрат на этот двигатель при работе его с симметричным номинальным напряжением.

Включение крупных однофазных промышленных электропечей вызывает в сетях промышленных предприятий несимметрию напряжения, достигающую 10–12 %.

Симметрирование тем более целесообразно, чем больше мощность однофазной нагрузки, чем больше сопротивление линии, чем дороже электрическая энергия и чем дешевле само симметрирующее устройство.

Для симметрирования напряжения используются батареи конденсаторов поперечно-емкостной компенсации.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -175ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение Несинусоидальность напряжения. Причиной несинусоидальности напряжения и тока в сети является нелинейность отдельных элементов сети.

К источникам высших гармоник в первую очередь относят выпрямительные установки, а также дуговые электропечи. Наличие электрической дуги при работе сварочных аппаратов, как и при работе электропечей, приводит к генерированию в сеть высших гармоник. В электрических сетях, питающих металлургические заводы с регулируемыми вентильными приводами, уровень гармоник напряжения значительно превышает допустимые нормируемые пределы. Рекомендуется в сетях промпредприятий предусматривать компенсацию 1-й и 3-й гармоник.

Несинусоидальность редко встречается без совместного действия других факторов. Часто несинусоидальность и несимметрия происходят совместно, поэтому целесообразно рассматривать всю совокупность влияющих факторов. Это даст возможность выявить взаимосвязь показателей качества электроэнергии и оценить их влияние на экономичность работы электрооборудования.

Высшие гармоники.

Высшие гармоники вызывают:

дополнительные потери ЭЭ в сетях, электродвигателях;

паразитные поля и моменты в синхронных и асинхронных двигателях, которые ухудшают механические характеристики и КПД электрических машин;

ухудшение коэффициента мощности электроприемников;

погрешности измерений индукционных счетчиков ЭЭ, которые приводят к неполному учету электроэнергии;

нарушение работы вентильных преобразователей при высоких уровнях высших гармоник.

Одним из важнейших вопросов при оценке влияния качества является решение проблемы определения вкладов энергоснабжающей организации и потребителя в искажении качества. Кроме того, имеет большое значение и порядок определения качества электроэнергии, а именно объем пробы.

При выдаче технических условий на присоединение нового потребителя к сетям энергоснабжающая организации требует от будущего потребителя, чтобы его электроустановки не ухудшали качество ЭЭ.

Кроме того, в процессе эксплуатации в точке общего присоединения по Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителя требуется не реже одного раза в два года проверять качество электроэнергии. При отклонении параметров качества от допускаемого (кроме частоты, за которую всегда отвечает энергоснабжающая организация) возникает вопрос определения долевого участия энергосистемы и потребителя в ухудшении качества электроэнергии в общей точке электрической сети. Один из вариантов Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -176ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение решения данной проблемы – определение коэффициента долевого участия (КДУ) – предложен в изобретении АС № 1715146А. Существовавший ранее способ определения КДУ определял мгновенное значение КДУ и без учета допустимых по ГОСТ 13109–97 колебаний напряжения.

Базовое определение долевого участия энергосистем и потребителя выполняется расчетом долевого участия bэ по формуле а для потребителя bп – по формуле где I v, U v, v – ток, напряжение v -й гармоники, угол между ними; Z v – сопротивление энергосистемы току гармоники.

Но в этом случае рассчитывают мгновенные значения коэффициентов долевого участия, а не на заданный период, в течение которого все режимные параметры – токи, напряжения – могут меняться. Не учитывается также наличие отдельных гармоник, регламентируемых ГОСТ 13109–97.

Уточнение приведенных расчетных формул выполняют с помощью выяснения физической картины ухудшения качества.

Методика расчета заключается в следующем:

измеряют напряжение -й гармонической составляющей и угол сдвига между током и напряжением -й гармонической составляющей в общей точке электрических сетей;

задают контролируемый период времени;

измерения U и производят периодически в течение заданного периода времени;

по измеренным значениям вычисляют совместную дифференциальную функцию распределения Р(, U).

В результате чего коэффициенты долевого участия рассчитывают по формулам:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -177ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение где Uд, Uм – допустимое и максимальное значения напряжении -й гармонической составляющей.

При реальных соотношениях активных и реактивных сопротивлений ветвей электрической сети напряжение гармонических составляющих U в узлах электрической сети в большей степени зависит от реактивной составляющей, чем от активной составляющей мощности S, поэтому при определении направления мощности искажения целесообразно принять знак ее реактивной составляющей. Реактивная составляющая положительна, если угол между направлением гармоники U и мощностью гармоники S изменяется от 0 до 180°, и отрицательна, если этот угол изменяется от 180 до 360°.

Учитывая, что модуль вектора мощности гармоники значительно меньше вектора тока гармоники, значительно проще определять угол меду током и напряжением гармоники, а не угол между мощностью и напряжением гармоники. При положительной реактивной составляющей мощности гармоники угол изменяется от 180 до 360°, при отрицательной – от 0 до 180°.

Совместная дифференцированная функция распределения Р(, U) представляет собой вероятность того, что угол между током и напряжением принимает значение, в то время как напряжение гармоники принимает значение U.

Совместная дифференциальная функция распределения, определенная за заданный период времени, в полной мере характеризует уровни напряжения U во временной связи с величинами угла, определяющего направление мощности искажения. Такая временная связь дает возможность разделить значения Р(, U) при уровнях U, превышающих и не превышающих требования ГОСТ 13109–87. Значения Р(, U) в случаях, когда существует переток мощности искажения, но требования ГОСТа выдерживаются, в расчете КДУ не используются.

Таким образом, результат выражения (3.3) представляет собой сумму значения Р(, U) при значениях U, превышающих максимально допустимые (U > Uд) и при положительном направлении мощности искажения (180 < < 360), т. е. когда мощность искажения напряжения из сети энергосистемы поступает в сеть потребителя.

Результат выражения (3.4) представляет собой сумму Р(, U) при значениях U, превышающих максимально допустимые (U > Uд), и при отрицательном направлении мощности искажения, т. е. при ее перетоке из сети потребителя в сеть энергосистемы (0 < < 180).

Нельзя также ограничиваться требованием к потребителям только поддерживать значение коэффициента мощности электроустановок не ниже 0,9.

В настоящее время при внедрении на ряде предприятий электронно-ионной и полупроводниковой аппаратуры в распределительных электрических сетях имеет место нарушение нормативов качества электроэнергии. В связи с этим расположенные рядом с такими предприятиями другие потребители терпят ущерб, но не по вине энергоснабжающих организаций, а из-за соседних потребителей, что следовало бы учесть в финансовых расчетах за пользование Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -178ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение электрической энергией. Таким образом, при создании системы материального стимулирования поддержания качества электрической энергии необходимо рассмотреть различные ситуации взаимоотношений энергоснабжающей организации и потребителей за обеспечение нормативных показателей.

Целесообразно разделить по показателям качества электроэнергии материальную ответственность энергоснабжающих организаций и потребителей за обеспечение нормативных показателей.

На энергоснабжающую организацию следует возложить материальную ответственность за поддержание тех нормируемых значений частоты и напряжения с допустимыми пределами отклонений по ГОСТу, которые зависят непосредственно от энергоснабжающей органиазции. В основном к этим показателям относятся отклонения и колебания частоты, а также отклонения напряжения.

Такие показатели качества электроэнергии, как несинусоидальность формы кривой напряжения, несимметрия напряжений основной частоты и колебания напряжения, должны поддерживаться в пределах допустимых нормативов соответствующими потребителями. Следует побуждать их к этому мерами соответствующей материальной ответственности.

Настало время разработать соответствующую шкалу скидок и надбавок к действующим тарифам на электроэнергию.

Для этой цели необходимо:

1) знать усредненные величины ущерба, наносимого отдельным отраслям промышленности отклонением того или иного показателя качества электроэнергии от нормативов;

2) на основе технико-экономического обоснования выбрать систему материального воздействия при пользовании электроэнергией с учетом ее качества.

Возможно, что окажется целесообразным определить функциональную или корреляционную зависимость оценки выполнения плана прибыли от степени выполнения качественных показателей и на основе этой зависимости установить «цену» каждого процента улучшения качества продукции. При этом могут быть использованы классические методы оптимизации.

Пусть, например, энергосистема при реализации электроэнергии промышленному предприятию с соблюдением установленного ГОСТом качества имеет удельную прибыль (с 1 кВт · ч) в размере С. В реальных условиях качество электроэнергии как случайная величина может принимать различные значения, часто выходящие за пределы норм ГОСТа. Пусть показатель качества х – математическое ожидание этой случайной величины U. Известно также, что плотность распределения величины х задана функцией f(x; v); вероятность того, что показатель качества находится между х и х + dх, есть f(x; v)dх.

По условиям задачи отклонение качества не должно выходить из допустимого интервала х1 х х2, если x x1 или x x2, то у потребителя возникает удельный ущерб соответственно y1 и y 2. Предполагается, что ущерб Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -179ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение возникает по вине энергосистемы из-за отпуска электроэнергии пониженного качества, поэтому энергосистема возмещает ущерб предприятию.

Требуется определить, при каком математическом ожидании качества электроэнергии прибыль у энергосистемы будет максимальной.

Пусть W – количество электроэнергии, отпускаемое энергосистемой потребителю; p1 – вероятность того, что показатель качества электроэнергии окажется меньше x1 ; p2 – вероятность того, что показатель качества электроэнергии с показателем качества, отличным от ГОСТа и вызывающим ущерб у потребителя. Тогда где В данном случае ожидаемая прибыль для энергосистемы составит:

где С W – прибыль энергосистемы, соответствующая реализации электроэнергии с качеством по ГОСТу.

Отметим, что величина ущерба может быть возмещена энергоснабжающей организацией как отчисление из прибыли непосредственно или же в госбюджет.

Максимум прибыли можно найти, решив уравнение При распределении величины x по нормальному закону будем иметь:

Производя соответствующие преобразования, можно найти значение математического ожидания качества электроэнергии:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -180ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение при котором будет иметь место максимум прибыли.

При разработке шкалы скидок и надбавок за качество электрической энергии должны быть учтены особенности энергопроизводства и в первую очередь его непрерывность и тесная связь во времени процессов производства и потребления энергии, невозможность выработки продукции «на склад».

В основу разработки шкалы скидок и надбавок за качество электроэнергии, отпускаемой энергоснабжающей организацией промышленным предприятиям, может быть положен принцип понижения или повышения стоимости 1 кВт · ч электроэнергии, учитываемой активными счетчиками в точке раздела между энергоснабжающей организацией и предприятиями (дополнительная часть тарифа).

Так, если промышленное предприятие в точке раздела имеет показатели электрической энергии, соответствующие нормам, то она платит за каждый учтенный счетчиком кВт · ч по установленному тарифу – Т/коп./ кВт · ч. Если же предприятие получает электрическую энергию пониженного качества по сравнению с установленными нормами, то предприятие платит за каждый кВт · ч, учтенный счетчиком, по сниженному тарифу – На практике может быть такая ситуация, когда промышленное предприятие потребляет электроэнергию надлежащего качества, но само является виновником ухудшения качества электроэнергии для соседних потребителей.

В этом случае энергоснабжающая организация взимает с потребителя плату за электроэнергию по повышенному тарифу – Т n, где n > 1.

При разработке шкалы скидок и надбавок за поддержание надлежащего качества электроэнергии необходимо иметь функцию поощрения, которая выражала бы связь между размерами поощрения и величиной стимулирующего показателя.

По характеру связи между стимулируемым показателям и поощрением различают односторонние и двухсторонние функции поощрения. Двухсторонним функциям поощрения свойственно как начисление поощрения при возрастании стимулирующего показателя, так и удержание поощрения при отрицательных значениях прироста. Именно такая функция поощрения может быть применена для стимулирования повышения показателей качества электрической энергии.

Функции поощрения должны отвечать и некоторым ограничениям, которые могут быть представлены следующими неравенствами:

1) 0 < y < x, т. е. поощрение должно быть меньше всего эффекта и больше нуля;

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -181ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.2. Влияние качества электроэнергии на энергосбережение 2) 0 < < 1, т. е. доля поощрения в приросте эффективности произdx водства должна быть меньше единицы и больше нуля;

2) мощные ( S уд = 400–700 кВ · А/т);

3) средней мощности ( S уд = 200–400 кВ · А/т).

Применение сверхмощных печей позволяет снизить время плавления металла tпл и соответственно удельные расходы электроэнергии. Зависимость времени плавления и удельных расходов электроэнергии от удельной мощности для ДСП емкостью 100 т представлена в табл. 3.14.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -210ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Из табл. 3.14 видно, что с увеличением S уд печных трансформаторов от 400 до 750 кВ А/т tпл сокращается примерно вдвое, а уд – на 11 %. ДалькВ А/т дает значительно меньший эфнейшее возрастание S уд до фект: tпл уменьшается на 28%, а уд – на 3 %. Поэтому для каждой ДСП в зависимости от условий эксплуатации следует выбирать оптимальную мощность печных трансформаторов, превышение которой нецелесообразно как по технологическим, так и экономическим соображениям. Так, для ДСП емкостью 100 т оптимальная мощность печного трансформатора равна 72 МВ А.

Средний цикл плавки в сверхмощных печах состоит из следующих операций:

1) заправка печи, загрузка первой бадьи лома, перепуск и смена электродов (около 20 мин);

2) плавление шихты с учетом внутриоперационных пауз (около 55 мин);

3) окислительный период: нагрев и обезуглероживание металла (около 15 мин);

4) выпуск металла из печи (около 5 мин).

Продолжительность операций можно сократить интенсификацией технологических периодов плавки и организационных мероприятий, направленных на уменьшение длительности внутри- и межплавочных простоев. Так, для сокращения времени плавления шихты под током широко используют подачу газообразного кислорода в рабочее пространство печи, топливнокислородные горелки, располагаемые на стенах печей между электродами и в рабочем окне. Дальнейшее сокращение продолжительности плавления на 5–10 мин обеспечивается предварительным подогревом лома за счет тепла отходящих из печи газов. Время окислительного периода плавки можно сократить, повышая мощность дуг, строго сочетая скорость обезуглероживания со скоростью нагревания металла при помощи АСУ технологического процесса и понижая температуру выпускаемой из печи стали при дополнительном подогреве ее вне печи в печах-ковшах.

Технология выплавки стали с оставлением в печи 15–20 % жидкого металла и всего конечного шлака позволяет сократить продолжительность межплавочных простоев примерно в 2 раза, выпуск стали через углубленное или расположенное в подине печи отверстие отсекает печной шлак, сокращает время выпуска до 1–3 мин.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -211ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Одновременно с сокращением продолжительности плавок в сверхмощных печах уменьшается и удельный расход электроэнергии, составляющий при использовании небольшого количества кислорода и 90–100 % лома в шихте около 480–520 кВт · ч на 1 т жидкой стали. В печах, перерабатывающих металлизированные окатыши, удельный расход электроэнергии существенно выше, что связано с восстановлением оксидов железа этого сырья и большим количеством образующегося шлака. Уровень расхода 510–520 кВт · ч на 1 т стали был достигнут отдельными нашими печами средней удельной мощности, использовавшими большое количество кислорода по ходу плавки или переплавлявшими легированные отходы. В последнем случае расход энергии на процесс плавления меньше, так как суммарная энергия химических реакций в период плавки значительно больше, чем на обычном ломе.

На отдельных заводах, использовавших обычный лом в количестве до 10 %, удельный расход электроэнергии в период плавления существенно снижался в результате применения большого количества кислорода, подаваемого через трубку в рабочее пространство печей, через стеновые топливно-кислородные горелки (на иностранных фирмах) или сводовые фурмы (на отечественных заводах). Судя по нашим и западноевропейским данным, кислород, подаваемый в печь в период плавления, снижает уд за этот период плавки в размере 3,0–3,5 кВт · ч на 1 м3 использованного кислорода.

Предварительный подогрев загружаемого в печь лома отходящими от нее газами сокращает количество тепла, необходимого для плавления шихты, на 35–40 кВт · ч/т.

Применение печей-ковшей для дополнительного подогрева стали, выпущенной из ДСП, позволяет снизить уд на 5–20 кВт · ч/т.

Расход электроэнергии в ДСП зависит также от электрических режимов работы печей. Регулировать электрический режим печи можно, изменяя либо питающее напряжение, либо длину дуги, а следовательно, и ее ток.

Первый способ регулирования осуществляется переключением обмотки высокого напряжения печных трансформаторов, он применяется только несколько раз за плавку при изменении протекающего в печи процесса. Второй способ позволяет регулировать режим работы печи непрерывно и плавно, поднимая и опуская электроды с помощью системы автоматического управления, поддерживающей на заданном уровне ток и мощность печи. При непрерывном регулировании режима печи по току важно знать электрические характеристики печи – зависимости от тока полной ( Sп ), активной ( Pп ), реактивной ( Qп ) мощностей, мощности ( Pд ) и напряжения (U д ) дуги, электричеМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -212ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ских ( Pэл ) и тепловых ( Pт ) потерь, КПД ( эл ) и коэффициента мощности ( cos п ).

Электрические характеристики строят на основе схем замещения печных установок, они позволяют оценить целесообразность работы печи в том или ином режиме и выбрать соответствующий ток, на который надо настроить систему автоматического регулирования. Однако для определения оптимальных режимов печи одних электрических характеристик недостаточно.

Дуговая печь – это технологический агрегат, характеризуемый удельным расходом электроэнергии и производительностью. Причем режим с минимальным удельным расходом электроэнергии не совпадает с режимом максимальной производительности. Для выяснения связей этих режимов необходимо построить дополнительно рабочие характеристики ДСП, т. е. зависимости удельных расходов уд, времени плавления tпл, производительности печи Gп и полного КПД печи п от тока (рис. 3.7).

Рабочие характеристики печи строят для периода расплавления металла, так как этот период является определяющим для всех ДСП. Как видно из рис. 3.7, возможные пределы рабочих режимов печи уже, чем электрических.

Это объясняется тем, что печь может работать лишь тогда, когда ее активная мощность не меньше, чем сумма ее тепловых и электрических потерь, что соответствует токам I p min и I p max. Кривая удельного расхода электроэнергии уд имеет минимум при токе I опт. э, при этом же токе получается и максимум КПД печи п. Таким образом, I опт. э определяет оптимальный режим работы печи по энергетическим характеристикам. Кривая производительности печи Gп достигает максимума при токе I max пр, который соответствует максимуму мощности дуг. Этому же току соответствует минимум кривой времени расплавления tпл. Следовательно, I max пр соответствует режиму максимальной производительности печи. Из рис. 3.7 следует, что оптимальный режим по энергетическим характеристикам наступает при токе, меньшем, чем ток, соответствующий максимальной производительности. Поэтому, если предприятие работает в условиях дефицита электроэнергии, то, очевидно, надо ориентироваться на оптимальный энергетический режим и поддерживать ток I опт. э, а если выплавлять максимум металла, то определяющим можно принять режим максимальной производительности и поддерживать ток I max пр.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -213ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Рис. 3.7. Рабочие и электрические характеристики дуговой печи Снижение тепловых потерь в ДСП можно получить увеличением стойкости футеровки, улучшением качества футеровки, окраской наружных поверхностей кожуха печи алюминиевой краской, изготовлением конической футеровки с соответствующим изменением кожуха печи, снижением потерь тепла с охлаждающей водой, уменьшением потерь тепла с отходящими газами, уменьшением потерь тепла излучением через окна и отверстия печи, сокращением простоев печи.

Стойкость футеровки может быть повышена за счет применения высококачественных футеровочных материалов, выбора и поддержания оптимальной высоты свода над уровнем металла в период рафинирования, Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -214ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ уменьшения продолжительности рафинирования, осуществления скоростных ремонтов теплоизоляции стен, применения на крупных ДСП взамен футеровки водоохлаждаемых панелей.

Для футеровки стен и сводов ДСП применяют в основном магнезиотохромитовые огнеупоры. Толщина футеровки стен и сводов зависит от вместимости печей. Увеличение толщины этих элементов футеровки нерационально, так как в этом случае значительно увеличиваются скорость износа и удельный расход огнеупоров. Иначе обстоит дело с конструкцией подины.

Тепло, теряемое через подину, отнимается от нагретой и расплавленной шихты, т. е. теряется часть полезной энергии, идущей на расплавление шихты.

Поэтому подину теплоизолируют от металлического днища слоем асбеста, шамотного порошка и шамотного кирпича.

Наибольшее влияние на величину тепловых потерь крупных ДСП оказывает длительность цикла плавки tц.п, поэтому при сокращении tц.п на современных мощных ДСП вместительностью 100–150 т до 1,0–1,5 ч доля тепловых потерь снижается до весьма малых значений. Этому способствует и замена большей части футеровки стен и свода водоохлаждаемыми панелями.

Водоохлаждаемыми панелями заменяют до 80 % площади боковой поверхности стен и до 90 % площади поверхности свода.

В энергобалансе ДСП потери тепла с отходящими газами составляют в среднем 15–17 %. Кроме того, удаление и очистка газов требуют дополнительных энергетических затрат, увеличивающих расход электроэнергии на выплавку стали на 10–12 %. Снижение потерь тепла с уходящими газами может быть получено главным образом путем эффективного использования химической энергии оксида углерода и водорода в рабочем пространстве ДСП и сокращения подсосов в него холодного воздуха, который увеличивает не только потери тепла, но и окисление графитированных электродов. Минимум подсосов обеспечивает такой оптимальный гидравлический режим рабочего пространства ДСП, при котором на уровне порога рабочего окна поддерживается статическое давление газов, близкое к атмосферному, а под сводом – избыточное давление (15–20 Па), зависящее от высоты рабочего пространства и температуры газов. Для дожигания горючих газов необходимо использовать не воздух, а кислород. Расход электроэнергии на газоудаление определяется общим объемом запыленных газов SF, поступающих на газоочистку. Этот обьем зависит как от вместимости ДСП, так и от степени интенсификации процесса и конструктивного исполнения системы газоудаления. Наиболее простыми являются системы без принудительного отсоса газов из рабочего пространства. В этом случае все газы выбрасываются из ДСП в атмосферу цеха и улавливаются вытяжными коллекторами, расположенными в местах выбросов вблизи электродных отверстий и над рабоМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -215ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ чим окном ДСП, либо общим зонтом, тесно охватывающим весь свод. Такие системы нашли широкое применение на малых ДСП емкостью 3–12 т.

На ДСП средней и большой емкости устанавливают системы принудительного отсоса газов через дополнительное отверстие в своде и сводовой патрубок. Общее количество газов Vi, которое такие системы отсасывают и подают на газоочистку, зависит не только от Vi, но и от способа охлаждения газов и объема неорганизованных выбросов. Объемы газов Vi и энергетические затраты на их транспортировку и очистку можно сократить в 2,0–2,5 раза и более, если их охлаждать не только смешиванием с наружным воздухом, но и в специальных теплообменниках-охладителях.

Наиболее эффективным является использование тепла отходящих газов для предварительного подогрева металлошихты перед плавкой или в энергетических целях, например для получения перегретого пара.

Основные элементы, влияющие на электрические потери, – печной трансформатор и вторичный токопровод. Величины потерь зависят от силы тока I п и конструктивных параметров вторичного токопровода. Участками вторичного токопровода ДСП являются трансформатор с выводами, шинный пакет, гибкие кабели, подвижные башмаки, токоведущие трубошины электродержателей, электродержатели, часть графитированных электродов от верхнего уровня электродержателей до рабочей поверхности свода и контактные соединения между перечисленными элементами. Размеры участков вторичного токопровода зависят от взаимного расположения ДСП и трансформатора, конструкции механизмов поворота свода и наклона печи, а также от диаметра кожуха печи. Для уменьшения потерь электроэнергии необходимо иметь минимальную длину участков вторичного токопровода и рациональную площадь поперечного сечения его элементов при допустимой плотности тока в элементах вторичного токопровода:

медные шины при площади сечения пакета на фазу до 5000 мм2 – 1,5–2 А/мм2, свыше 5000 мм2 – 1–1,5 А/мм2;

медные гибкие кабели при площади сечения на фазу до 4000 мм2 – 1,8–2,5 А/мм2, выше 4000 мм2 – 1,2–1,8 А/мм2;

медные водоохлаждаемые трубы – 4–6 А/мм2.

Значительное влияние на активное и индуктивное сопротивления, а также КПД и коэффициент мощности ДСП оказывает схема короткой сети.

Простейшей является схема треугольник на ошиновке трансформатора, звезда на электродах. Однако эта схема имеет большое индуктивное сопротивление и несимметричное распределение нагрузки по фазам, поэтому применяется на печах малой емкости (до 20 т). Значительно лучшие показатели имеют схемы короткой сети – несимметричный треугольник на электродах и симметричный треугольник на электродах с четвертым рукавом. Эти схемы обладают следующими достоинствами: уменьшается среднее активное соМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -216ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ противление печной установки в 1,2 и в 1,5 раза; уменьшается индуктивное сопротивление в 1,1 и 1,4 раза соответственно; уменьшается несимметрия токов по фазам; сокращается длительность плавки на 10–15 %; уменьшается удельный расход электроэнергии на 9–10 кВт · ч/т.

Для уменьшения длины гибких водоохлаждаемых кабелей целесообразно такое взаимное расположение печи и трансформатора, при котором выводы средней фазы трансформатора или трансформатор в целом сдвинуты относительно сливного носка, что сокращает длину кабелей на 0,8–1 м. Длина гибких кабелей зависит также от расстояния между ДСП и трансформатором, которое определяется конструкцией механизма поворота свода и минимально допустимым радиусом изгиба кабелей, от высоты подъема электродов и траектории перемещения подвижных башмаков электродержателей при наклоне печи для слива металла, от радиуса опорных сегментов механизма наклона, от конфигурации откосов ванны, определяющей минимальный угол наклона ДСП, необходимый для полного слива металла. Правильный выбор этих взаимосвязанных конструктивных параметров позволяет существенно сократить длину гибких кабелей, их электрическое сопротивление и потери электроэнергии. При конструировании вторичного токопровода следует учитывать, что в металлоконструкциях, находящихся вблизи от проводников, вследствие электромагнитной индукции возникают вихревые токи. Для устранения дополнительных электрических потерь из-за перемагничивания массивные металлоконструкции, окружающие токопровод, следует изготовлять из немагнитных материалов или удалять проводники от металлоконструкций на расстояние не менее 0,4–0,5 м.

Важнейшим элементом вторичного токопровода является корпус электродержателя. Потери в электрическом контакте электродержатель – электрод достигают в некоторых случаях 2–6 % активной мощности ДСП. Выделяющаяся в контакте тепловая энергия нагревает электродержатель, что ухудшает состояние контактной поверхности и увеличивает его электрическое сопротивление. Это ведет к дальнейшему росту температуры и выходу электродержателя из строя. Электрические потери в электродержателе зависят от материала контактных щек, усилия зажима электрода, формы и состояния контактных поверхностей. При замене стали на медь падение напряжения и электрические потери в контакте снижаются во много раз, а при увеличении контактного давления с 0,5 до 2 МПа – в 2 раза. Для обеспечения минимальных электрических потерь усилие зажима электрода в электродержателе должно обеспечивать контактное давление 2–3 МПа. Для уменьшения контактных сопротивлений необходимы тщательная зачистка контактной поверхности, смазывание тонким слоем технического вазелина или аналогичной смазкой для предохранения от окисления, применение пружинных шайб.

Для современных 100-тонных ДСП характерно следующее распределение потерь электроэнергии по участкам вторичного токопровода: трансфорМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -217ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ матор – 8–13 %, шинный пакет – 4–8 %, гибкие кабели – 13–20 %, токоведущие трубы и электродержатели – 8–10 %, электроды – 56–59 %.

Руднотермические печи (РТП). В настоящее время на промышленных предприятиях эксплуатируются РТП мощностью от 1 до 100 MB · А. Эти печи также являются крупными потребителями электроэнергии. Основные факторы, влияющие на электропотребление РТП, аналогичны приведенным выше для ДСП. Наиболее значащий фактор – выбор оптимальных режимов работы печей, который производится по электрическим и рабочим характеристикам печи. Оптимальный режим работы РТП может выбираться по минимуму стоимости шихты, по минимуму расхода электроэнергии или по максимуму производительности. Выбор этих оптимальных режимов осуществляется с помощью ЭВМ и автоматического регулятора мощности печи.

Индукционные печи и установки. Индукционный нагрев и плавка металлов широко используются в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности. Индукционный нагрев токами промышленной частоты (50 и 60 Гц) применяется для сквозного нагрева металлов при прокатке, ковке и штамповке. Мощности этих установок достигают МВт. Индукционные установки высокой частоты от 100 до 1 млн Гц применяются в термических, прокатных, трубопрокатных производствах для термообработки деталей, сварки труб, выращивания монокристаллов и т. д. Мощность этих установок достигает 10 МВт. Индукционные печи для плавки металлов по принципу действия делят на канальные и тигельные. Канальные печи применяются для плавки меди, латуни, цинка, алюминия. Они имеют мощность до 4000 кВ · А и работают на промышленной частоте 50 и 60 Гц. Тигельные печи применяют для плавки чугуна, алюминиевых и медных сплавов.

Они имеют мощность до 20000 кВА и работают как на промышленной, так и на повышенной частотах – 500, 1000 и 2400 Гц. В последние годы наметилась тенденция применения индукционных канальных и тигельных печей для плавки электростали.

Удельные расходы электроэнергии в индукционных печах зависят от производительности, температуры загружаемой шихты, температуры кладки печи, величины зумпфа (жидкого металла, оставляемого в печи после плавки), тепловых и электрических потерь. На рис. 3.8, рис. 3.9, рис. 3.10 представлены зависимости уд от начальной температуры шихты, величины зумпфа и температуры кладки печи.

При выборе типа индукционных печей следует учитывать, что при одной и той же марке расплавляемого металла уд индукционных канальных печей в 1,5–2 раза ниже, чем тигельных. Это объясняется значительным сниМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -218ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ жением тепловых и электрических потерь в канальных печах. Процентные соотношения различных статей ЭБ видны из табл. 3.15.

Рис. 3.8. Зависимость удельного расхода электроэнергии от величины начальной температуры шихты: 1 – печь LFD-50; 2 – печь LFD-25; 3 – печь GSA- Рис. 3.9. Зависимость удельного расхода электроэнергии от величины зумпфа:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -219ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Рис. 3.10. Зависимость удельного расхода электроэнергии от начальной температуры внутри камеры печи: 1 – печь LFD-50, 2 – печь LFD-25, 3 – печь GSA- Статья расхода На технологический процесс Аккумуляция кладкой 60,04/9,46 0/0 0/0 12,84/10,69 9365/1,54 108/3, Потери тепловые: 66,65/10,46 8,32/9,94 93,52/14,44 13,82/11,6 11,35/18,64 716/22, через под 4,28/0,62 2,08/2,49 19,57/3,02 0,3/0,25 24,8/0,41 6,5/0, через стены 35,56/5,52 3,73/4,45 65,32/10,09 8,48/7,14 551,2/9,05 257/8, Потери электрические: 183,64/28,74 6,58/7,05 55,9/8,63 52,55/44,28 1313/21,56 591/18, в индукторе 123,45/19,32 4,66/5,56 42,09/6,5 22,62/18,98 11,36/18,66 463/14, в конденсаторах 0,13/0,02 0,32/0,39 3,0/0,46 0,09/0,08 103,2/1,7 58,7/1, в магнитопроводе 0,05/0,01 0,17/0,2 0,84/0,12 0/0 14,2/0,23 12,2/0, Итого Примечание: АЯКС, ИСТ-0,16 – индукционные тигельные печи повышенной частоты; LFD-12, ИЧТ-6 – индукционные тигельные печи частотой 50 Гц; LFR-20, LFR-45 – индукционные канальные печи частотой 50 Гц.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -220ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Электропечи сопротивления. По технологическому назначению печи сопротивления можно разделить на три группы:

1) термические печи для различных видов термической и термохимической обработки черных и цветных металлов, стекла, керамики, металлокерамики, пластмасс и других материалов;

2) плавильные печи для плавки легкоплавких цветных металлов и химически активных тугоплавких металлов и сплавов;

3) сушильные печи для сушки лакокрасочных покрытий, литейных форм, металлокерамических изделий, эмалей и т. п.;

По характеру работы печи сопротивления разделяют на печи периодического и непрерывного действия. Мощность печей от 5 до 10000 кВт.

Основными путями снижения удельных расходов являются: снижение тепловых потерь и улучшение теплоизоляции; повышение производительности печей; уменьшение потерь на аккумуляцию тепла и предварительный нагрев изделий; оптимизация и автоматизация электрических и технологических режимов работы печей.

Как видно из табл. 3.16, определяющую роль в расходной части ЭБ играют тепловые потери, доходящие до 75 %, поэтому их снижение является важнейшим фактором экономии электроэнергии. Снизить тепловые потери можно путем улучшения тепловой изоляции, герметичности и уменьшения времени простоя печей. Для тепловой изоляции печей сопротивления следует использовать ультралегковес в сочетании с асбовермикулитовыми плитами.

Показателем тепловой изоляции печей служит температура кожуха печи. Тепловую изоляцию считают удовлетворительной, если при рабочей температуре печи 700–800 °С температура кожуха печи не выше 30–40 °С и при рабочей температуре 800–1200 °С – не выше 40–50 °С. Печи, работающие периодически, могут полностью остывать между отдельными циклами, поэтому для таких печей следует применять легкие и эффективные огнеупорные и теплоизоляционные материалы. От 10 до 15 % электроэнергии, потребляемой печью, идет на нагрев жароупорных поддерживающих деталей (поддонов, тележек и др.). Необходимо по возможности сокращать массу и размеры этих деталей.

Удельные расходы электроэнергии уд и производительность печей П можно определить по следующим выражениям:

для печей периодического действия для печей непрерывного действия Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -221ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ где Wпотр – электроэнергия, потребленная печью; G – масса единовременной загрузки печи; L – длина электропечи; m – масса загрузки на участке печи длиной 1 м; tц – время цикла плавления. Из выражений (3.16), (3.17), (3.18) видно, что снизить расходы электроэнергии можно также путем увеличения производительности печей и уменьшения цикла термообработки. Табл. 3. иллюстрирует зависимость уд и КПД печей сопротивления от производительности. Увеличение производительности электропечи сопротивления возможно лишь тогда, когда она обладает известным запасом мощности.

Статья расхода На технологический процесс 2884/24,03 3417/27,8 1779/26,45 167,7/37,03 296,1/67,41 19,91/59, Потери тепловые: 8818/73,48 8590/69,88 4933/73,34 197,2/43,54 64,5/14,6 13,4/40, через стены 990/8,25 1423/11,58 355/5,28 62,8/13,84 21,2/4,83 1,98/5, тепловые короткие замыкания 967/8,05 1298/10,56 342/5,08 56,5/12,46 18,6/4,24 4,47/13, Примечание: ПЭО – печи периодического действия; Ц-70, Бирлек, АСБ – печи непрерывного действия.

Наличие такого запаса можно проверить сравнением фактической производительности печи с максимально возможной. В действующей печи с авМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -222ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ томатическим регулированием температуры легко опытным путем приближенно определить, близка ли фактическая производительность к максимальной. Если во второй половине нагрева печи происходят частые отключения и период отключенного состояния велик (50–70 % общего времени), то печь используется недостаточно, ее производительность может быть увеличена.

Наоборот, если период отключенного состояния печи невелик, а в печи периодического действия отключения наступают лишь в конце периода нагрева, то производительность ее близка к максимальной и без увеличения мощности не может быть повышена.

Снизить удельные расходы энергии на 15–20 % можно за счет использования теплоты нагретых деталей (рекуперации энергии). Рекуперация энергии достигается установкой рядом с печью рекуперативных футеровочных колодцев или камер, в которые помещают горячую и холодную загрузку и где происходит процесс теплопередачи от горячих изделий к холодным.

Организационно-технические мероприятия по экономии электроэнергии в электросварочных установках (ЭСУ) можно условно разделить на две основные группы: технологические и энергетические. Наибольшие возможности экономии электроэнергии имеются в технологии сварочного производства, и только 20–30 % дают энергетические мероприятия. Основные мероприятия по снижению удельных расходов электроэнергии на сварку:

оптимальный выбор способа сварки;

совершенствование технологии электросварки;

снижение электрических и тепловых потерь;

устранение холостого хода сварочных агрегатов.

Оптимальный выбор способа сварки. Здесь возможны следующие пути:

замена ручной дуговой сварки на переменном токе автоматической под флюсом (позволяет получить 5–7 % экономии электроэнергии);

переход от ручной электросварки на постоянном токе к полуавтоматической в среде углекислого газа (уменьшает удельный расход электроэнергии в 2–2,5 раза);

замена ручной дуговой электросварки точечной контактной (уменьшает уд в 2–2,5 раза);

замена дуговой электросварки на шовную контактную (снижает расход электроэнергии на 15 %);

перевод ручной дуговой сварки с постоянного тока на переменный (уменьшает расход электроэнергии в 2–3 раза).

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -223ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ При контактной сварке наиболее экономичной является точечная, поэтому расширение применения точечной сварки дает большую экономию электроэнергии.

Совершенствование технологии электросварки возможно за счет:

использования электродов с покрытием, в которое введен железный порошок (позволяет увеличить силу сварочного тока, повысить производительность и снизить удельные расходы электроэнергии на 8–12 %);

применения присадки в виде металла в порошке (при сварке под флюсом уд снижается на 30–40 %);

применения электрошлаковой сварки при сварке металлов большой толщины;

ведения контактной сварки на жестких режимах;

правильного выбора режима работы.

Точечную и рельефную сварку изделий можно производить на мягких и жестких режимах. Расчеты показывают (табл. 3.18), что при сварке на жестких режимах (повышенный ток, но уменьшенное время сварки) расходы электроэнергии снижаются в 1,5–4,0 раза. Поэтому при выборе режимов сварки надо ориентироваться на жесткие.

На потери электроэнергии в электросварочных установках значительное влияние оказывают коэффициент загрузки k3 и активное сопротивление сварочного контура R2. Оптимальный коэффициент загрузки k з.опт электросварочной установки, соответствующий максимуму электрического КПД, равен где Рхх, Ркз – потери холостого хода и короткого замыкания.

Если учитывать только электрические потери, то для всех типов сварочных установок k з.опт = 0,2–0,3. Работа электросварочных установок с указанными k з.опт является явно не оптимальной, поэтому при выборе k з.опт необходимо учитывать и тепловой КПД. Установлено, что оптимальный коэффициент загрузки зависит от отношения Rд / Z м и cosкз, где Rд – активное сопротивление свариваемых деталей; Z м – полное сопротивление сварочной машины (рис. 3.11). Для сварки изделий из стали можно рекомендовать следующие k з.опт : 0,5–0,8 – точечные подвесные; 0,65–1,5 – многоточечные;

0,7–0,8 – шовные.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -224ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Рис. 3.11. Зависимость оптимального коэффициента загрузки Внедрение ограничителей холостого хода сварочных преобразователей и трансформаторов дает экономию электроэнергии 15–20 % на каждой установке.

Наряду с перечисленными мероприятиями можно также рекомендовать:

замену контактных однофазных машин переменного тока машинами постоянного тока, позволяющую экономить электроэнергию за счет уменьМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -225ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ шения мощности машин и индуктивного сопротивления вторичного контура;

периодическую проверку сопротивления вторичных контуров и состояния их контактов, особенно у подвесных сварочных машин;

применение электрошлаковой сварки для соединения деталей толщиной более 30–40 мм вместо дуговой сварки.

Основным элементом, определяющим эффективное использование электроэнергии, являются электролизеры. Рассмотрим факторы, влияющие на эффективное использование электролизеров, на примере получения первичного алюминия. Эффективность ведения электролизного процесса (%) оценивается величинами выхода по току Вт и по энергии Вэ :

где qф – фактическое выделившееся количество вещества; qт – количество вещества, которое должно выделиться теоретически по закону Фарадея;

qэх – электрохимический эквивалент; U в – напряжение на ванне.

Термин «выход по энергии» обозначает количество алюминия, выделяемое 1 кВт · ч электроэнергии постоянного тока. «Выход по току» зависит от ряда факторов: температуры электролита, плотности тока, расстояния между электродами и состава электролита. Так как выход по энергии находится в прямой зависимости от выхода по току, то, очевидно, на выход по энергии влияют эти же факторы и в такой же мере.

Влияние температуры. Растворение металла в расплавленном электролите (и вытекающие отсюда потери металла на аноде) – главная причина отклонения выхода металла от теоретических значений при электролизе расплавленных солей. Обычно средняя температура при электролизе криолитноглиноземных расплавов составляет 950 °С. С повышением температуры выход по току падает вследствие большой степени взаимодействия уже полученного алюминия с электролитом. Одновременно увеличивается интенсивность циркуляции электролита, вызываемая конвекцией и приводящая к тому, что растворенный металл (ионы А1+ и Na+) быстрее уносится в анодное пространство и к поверхности электролита. Все это увеличивает потери алюминия и снижает выход по току (по энергии) при повышении температуры (рис. 3.12). Следовательно, электролиз надо вести при оптимальной температуре. Снижение температуры также нежелательно, так как ведет к значительному повышению вязкости электролита, запутыванию в нем металла, а значит, и к потерям металла.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -226ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Рис. 3.12. Зависимость выхода по току от температуры электролита (а), плотности тока (б), расстояния между электродами (в) и состава электролита (г) Влияние плотности тока. Плотность тока оказывает существенное влияние на выход по току при электролизе расплавленных солей. В алюминиевой ванне различают три вида плотности тока: анодную jа – в сечении анода, катодную jк – в сечении катода (зеркала металла) и среднюю jср – в сечении электролита, jср = ja jк.

Анодная плотность тока несколько выше катодной. При неизменных других условиях процесса с увеличением катодной плотности тока повышается выход по току при электролизе расплавленных солей и наоборот. Главной причиной снижения выхода по току при электролизе расплавленных солей являются потери металла в результате его растворения в электролите.

Абсолютная величина этих потерь определяется такими факторами, как состав и объем электролита, температура электролита и др. С возрастанием катодной плотности тока количество металла, выделяющегося на катоде, увеличивается пропорционально плотности тока, а потери металла остаются практически постоянными, поэтому выход по току возрастает по кривой, приближающейся к Вт = 100 % (рис. 3.12, б). Однако так обстоит дело только в том случае, если в электролите присутствуют катионы одного металла. В криолитно-глиноземных расплавах имеются катионы двух металлов (А13+ и Na+), поэтому при определенной катодной плотности тока на катоде начинаМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -227ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ется разряд катионов и второго металла (натрия). От этого выход по току основного металла (алюминия), начинается с точки «а» (рис. 3.12, б), падает, так как при дальнейшем повышении катодной плотности токов все в большей и большей степени разряжаются катионы второго металла. С уменьшением катодной плотности тока удельная величина потерь металла возрастает, а выход по току снижается. В итоге может наступить момент, когда при определенной плотности тока количество выделяющегося на катоде металла станет по абсолютной величине равно его потерям, т. е. выход по току станет равным нулю, несмотря на идущий электролиз.

Влияние междуполюсного расстояния. Приведенные выше данные о влиянии плотности тока относятся к случаю, когда междуполюсное расстояние (расстояние между электродами) постоянно, а изменяется лишь плотность тока. В алюминиевой ванне междуполюсное расстояние – это расстояние между нижней поверхностью (подошвой) анода и поверхностью (зеркалом) расплавленного алюминия на подине ванны (1 см). С увеличением расстояния между электродами перенос растворенного металла от катода к аноду диффузией и конвекцией затрудняется вследствие увеличения пути прохождения металла. Благодаря этому с увеличением междуполюсного расстояния абсолютные потери его возрастают, и при сильном сближении анода и катода выход по току может оказаться равным нулю (рис. 3.12, в). Из сказанного следует, что увеличение как плотности тока, так и междуполюсного расстояния приводит к увеличению выхода по току. Поэтому для повышения производительности ванны выгодно увеличивать плотность тока и междуполюсное расстояние. Однако как то, так и другое приводит к увеличению напряжения на ванне.

Напряжение на промышленной ванне (без учета потерь в токоподводящей системе) определяется следующим выражением:

где Еп – противоЭДС; – удельное сопротивление электролита.

Из формулы (3.20) следует, что U в растет с увеличением l и jср. Повышенное значение U в – причина увеличения расхода электроэнергии на единицу получаемого металла. Поэтому выбор той или иной плотности тока и величины междуполюсного расстояния приобретает большое значение при проектировании новых электролизеров.

Влияние состава электролита. Практика электролиза криолитноглиноземных расплавов показывает, что наиболее высокие значения выхода по току получаются в том случае, когда криолитовое отношение (зависимость выхода по току от состава электролита) в электролите меньше трех.

Криолитовое отношение можно представить в общем виде кривой (рис. 3.12, г), где максимум выхода по току приходится на электролит с криолитовым отношением 2,6–2,8, при котором условия электролиза наиболее благоприятны: в щелочных электролитах выход по току падает вследствие разряда части ионов Na+ на катоде, а в очень кислых – из-за повышенного Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -228ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ их удельного электрического сопротивления, что вызывает необходимость работы при меньшем междуполюсном расстоянии. Вводя в электролит электропроводные компоненты, например NaCl или LiF, можно увеличить междуполюсное расстояние (без повышения напряжения ванны), что также способствует повышению выхода по току. Применяются и смешанные солевые добавки, например MgF2+NaCl, которые обладают еще более благоприятными свойствами, чем каждый компонент в отдельности.

Кроме выхода по току интенсификация процесса электролиза может быть достигнута:

1) снижением греющего сопротивления в результате увеличения ширины анодов, увеличением сечения катодных стержней и анодных штырей; повышением электропроводности подовых блоков путем применения добавок графита; уменьшением частоты и длительности анодных эффектов;

2) понижением междуполюсного расстояния до определенного предела, при котором еще сохраняется высокое значение выхода по току; повышением удельных потерь тепла за счет увеличения частоты обработок, повышения уровня металла, применения кожухов с днищами;

3) уменьшением удельного сопротивления электролита вследствие применения более электропроводных солей;

4) понижением ЭДС поляризации за счет применения более активных углеродистых материалов, снижающих анодное перенапряжение.

Для электролизеров большой мощности с верхним подводом тока особенно актуальна задача снижения сопротивления анода путем улучшения технологии анода и подбора соответствующих составов анодной массы.

Удельный расход электроэнергии и производительность – главные техникоэкономические показатели работы электролизера. Удельный расход электроэнергии определяется по следующему выражению:

Из уравнения (3.21) следует, что удельный расход электроэнергии складывается из трех частей: расхода на разложение глинозема, компенсации потерь тепла и потерь электроэнергии в ошиновке. Если первая часть практически не меняется, то вторая зависит от соотношения удельных потерь тепла и удельной производительности электролизера. При неизменных потерях тепла удается за счет тех мероприятий, о которых упоминалось выше, повысить производительность электролизера, а это приводит к уменьшению удельного расхода энергии. Интенсификация электролиза только за счет увеличения потерь тепла приводит к повышению уд. Однако увеличение уд из-за прироста величины теплопотерь может быть компенсировано за счет третьего слагаемого правой части уравнения (3.21) путем понижения величины наружных сопротивлений. Понижение удельных потерь тепла в результате утепления электролизеров приводит к уменьшению удельной производиМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -229ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ тельности, но уменьшается и общий удельный расход энергии. Путь – снижение потерь тепла, малых плотностей тока и повышенных капитальных затрат на сооружение электролизеров – выгоден при высокой стоимости электроэнергии.

Из всех потребляемых энергоресурсов на машиностроительных предприятиях около 30 % расходуется на чисто технологические процессы и около 70 % – на ТЭЦ, котельные, вентиляцию, освещение, выработку сжатого воздуха, внутризаводской транспорт и прочие вспомогательные нужды.

Энергоемкими производствами в машиностроении являются: кузнечное, литейное, термическое и гальванопокрытий. Сложность энергосбережения на машиностроительных предприятиях заключается в большой номенклатуре выпускаемой продукции и отсутствии удельных норм расхода энергоресурсов на выпуск продукции. Поэтому показателями эффективности использования энергоресурсов для предприятий машиностроительного комплекса могут стать следующие:

1) энергоемкость продукции эн.п (кг у. т./руб.);

2) электроемкость продукции эл.п (кВт · ч/руб.);

3) теплоемкость продукции т.п (ГДж/руб. или Гкал/руб.);

4) топливоемкость продукции топ.п (кг у. т./руб.).

Эти показатели определяют по выражениям:

где Вг – полное годовое потребление топлива и всех видов энергии в пересчете на условное топливо, кг у. т. год; Wэл.г – годовое потребление активной мощности, кВт · ч/год; Qг – годовое потребление тепловой энергии, ГДж/год или Гкал/год; Bтг – полное годовое потребление всех видов топлива, кг у. т. год; Ц г.п – стоимость годового выпуска продукции, руб./год.

Аналогичные показатели применяются и в зарубежной практике.

В табл. 3.19 приведены значения эн.п, эл.п, т.п, топ.п для ряда обследованных машиностроительных предприятий. Как видно из этой таблицы, наиболее энергоемкими являются предприятия, связанные с оборонными заказами.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -230ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ На предприятиях с полным технологическим циклом наибольшего снижения расходов энергоресурсов можно добиться в металлургическом, электротермическом производствах и в производстве сжатого воздуха и кислорода. На предприятиях с неполным технологическим циклом, но имеющих литейное производство, основное внимание следует уделять энергосбережению в литейных и термических цехах и при выработке сжатого воздуха и кислорода.

Наименование предприятия Инструментальный Завод дорожных Судостроительный Завод химического Для данных заводов показателями эффективности использования энергоносителей должны являться удельные расходы на единицу выпускаемой продукции.

На машиностроительных предприятиях с большим количеством металлообрабатывающих станков значительной экономии электроэнергии можно добиться следующими мероприятиями:

1) уменьшением припусков и изменением формы заготовок с приближением их к форме готового изделия;

2) изменением способов обработки изделий, например заменой токарной обработки высадкой, переводом обработки изделий со строгания на скоростное фрезерование и т. д.;

3) применением многошпиндельных станков вместо одношпиндельных для сверления отверстий;

4) выполнением фрезерных работ с установкой на одном станке нескольких фрез;

5) увеличением загрузки или заменой недогруженных электродвигателей двигателями меньшей мощности;

6) изменением параметров резания.

Удельный расход электроэнергии на одну операцию можно выразить следующей формулой:

где Рхх – мощность холостого хода, кВт; Т м – машинное время, с;

Т всп – вспомогательное время, с; Рпол – полезная мощность, расходуемая на покрытие нагрузочных потерь и обработку металла за период Т м.

где k – коэффициент, учитывающий нагрузочные потери; c – коэффициент, учитывающий обрабатываемый материал; S – подача; – глубина резания;

V – скорость резания; x и y – постоянные коэффициенты для данного материала (для большинства сортов сталей x = 0,175, y = 1 ; для чугуна x = 0,75, y = 0,93 ).

Из выражений (3.22), (3.23) видно, что снизить уд можно за счет уменьшения Т м и Т всп, а также за счет увеличения скорости подачи S.

Поскольку технологические процессы в литейных, термических и кузнечных цехах могут осуществляться с различными энергоносителями, то правильный выбор энергоносителя имеет важное значение для их экономии.

В табл. 3.20 приведена возможная экономия топлива в литейных, кузнечных и термических цехах при внедрении энергосберегающих мероприятий.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -232ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Энергосберегающие мероприятия Обогащение дутья кислородом при плавке чугуна в вагранках Кокс – 4–5 % Применение рекуперативных радиационных теплообменников Кокс – 8–10 % для нагрева дутья до 500–550 С Дожигание отходящих газов в вагранках с двухрядным располо- Кокс – до 30 % жением фурм Предварительный подогрев шихты в загрузочных бадьях за счет Кокс – 10–15 % теплоты отходящих газов Замена существующих вагранок индукционными печами для Кокс – 0,112 тыс.

Внедрение вибраторов для снятия напряжения в отливках 730 т у. т./год Внедрение комплексов вагранок с механизацией набора, взвеши- 2,5 тыс т у. т./год Изготовление крупногабаритных стержней (массой до 120 кг) 240 кг т у. т. отливок в нагреваемой оснастке Внедрение оборудования для изготовления горючих брикетов из Кокс – 12–15 % отходов линейного кокса Изготовление поковок на ковочном комплексе 2500 0,6 тыс. т у. т./год Изготовление поковок на автоматизированных ковочных ком- 170 т у. т./год Применение систем автоматического регулирования нагрева металла Топливо – 15–25 % Применение новых тепловых схем отопления (с рециркуляцией Топливо – 20–30 % продуктов сгорания; импульсной системой отопления; с внешней рециркуляцией; со сводовым отоплением плоскопламенными горелками) Внедрение схем ступенчатого (комплексного) использования те- 1–2 тыс. т у. т./год плоты отходящих газов нагревательных и термических печей для низкотемпературной термообработки, сушки или нагрева воды Внедрение сушильных установок с термокаталитической очист- Топливо – до 20 % кой отбросных газов и дожиганием отработанного растворителя Применение волокнистых огнеупорных футеровок в нагрева- 10–15 т у. т./год тельных и термических печах Подогрев воздуха до 250–300 С в рекуператорах термических печей Топливо – до 12–15 % Подогрев воздуха до 400–650 С в рекуператорах нагревательных Топливо – до 35 % печей Подогрев воздуха до 600–800 С в рекуперативных горелках Топливо – до 20–30 % Использование печей аэродинамического подогрева (ПАП) для Топливо – 30 % термообработки цветных металлов и сушки изделий Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -233ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ 3.5. Машиностроение и металлообработка Рис. 3.13. Распределение источников возможной экономии металла Рис. 3.14. Распределение источников возможной экономии Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -234ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В машиностроительной промышленности широко используется сжатый воздух; системы получения и снабжения сжатым воздухом тоже имеют значительную энергоемкость.

Большую экономию тепловой энергии можно получить в системах отопления цехов и складов машиностроительных предприятий за счет отказа от традиционных методов отопления с помощью радиаторов и калориферов и перехода на инфракрасный газовый обогрев. Высота корпусов машиностроительных предприятий достигает 30 м. При существующем отоплении большая часть теплоты в таких цехах уходит под крышу и бесполезно теряется.

При инфракрасных обогревателях, устанавливаемых под потолком, тепловая энергия передается моментально и непосредственно полу, стенам, предметам и самим работающим. Другими словами, отпадает необходимость нагревать воздух всего цеха (помещения), за счет чего можно экономить 50–60 % тепловой энергии.

Являясь основным потребителем материальных ресурсов, отечественное машиностроение располагает огромными резервами их экономии. Особенно значительны здесь возможности совершенствования методов и средств снижения расхода металла – самой весомой по значимости составляющей всех затрат ресурсов, потребляемых машиностроением. Комплексная работа по экономии и рациональному расходованию металла охватывает следующие направления:

улучшение химического состава и физико-механических свойств металлов;

расширение сортамента высокоэффективных и экономичных профилей проката; развитие порошковой металлургии; снижение массы машин и оборудования;

повышение точности заготовок; снижение и использование отходов металлов при металлообработке; улучшение потребительских свойств продукции; применение неразрушающих методов контроля; внедрение современных заменителей металлов, а также повышение надежности изделий; защита металлических составных частей изделий от коррозии; сохранение техники в сфере эксплуатации; снижение расхода запчастей и улучшение использования техники по назначению. Однако явно недостаточная эффективность работ рационального использования металла явилась основой проведения анализа источников возможной экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов в целях активизации научно-исследовательских, проектных и организационнотехнических разработок в сферах наибольшего сосредоточения ресурсов экономии. Результаты анализа позволили ориентировочно установить проценты возможной экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов (рис. 3.13).

Комплексную работу по экономии топливно-энергетических ресурсов ведут на основе факторов, определяющих назначение изделия, т. е. вид энергопотребления. Для изделий, потребляющих топливо, – производство энергии, продукции, выполнение каких-либо работ, достижение полезного эффекта. Для изделий, потребляющих энергию, – факторы те же, только вместо назначения производства энергии ее преобразование. Для изделий, участвующих в передаче и распределении энергии, следует различать: передачу, распределение электроэнергии, преобразование ее параметров; передачу, Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -235ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ распределение и преобразование тепловой энергии; передачу механической энергии. Анализ источников возможной экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) позволяет рекомендовать схему их распределения в процентах и указать, за счет чего можно экономить ТЭР (рис. 3.14).

3.6. Утилизация отходов при потреблении энергоресурсов В большинстве отраслей промышленности при производстве различных видов продукции и энергии в зависимости от качества перерабатываемого сырья и применяемой технологии образуется большое количество пылей и химических веществ: оксидов серы, азота, углерода, соединений фтора, свинца, мышьяка, селена, пестицидов, органических продуктов и радиоактивных элементов.