Электробалансы электротехнических установок

Рассмотрим составление электробалансов электротехнических установок характерных для машиностроительной отрасли промышленности. Необходимо отметить также, что подходы используемые для данной отрасли промышленности могут быть перенесены на электроустановки других отраслевых предприятий, с соответствующей корректировкой расчётных формул.

Электросварочные машины и установки. Нормализованный ЭБ точечных, многоточечных, рельефных и шовных сварочных машин (кВт·ч/точка) можно составить по следующей формуле:

,

где – энергия, полученная сварочной машиной из сети; – энергии, расходуемые на нагрев и плавление металла в объёме ядра, металла, окружающего ядро, и электродов соответственно; – потери энергии в сварочном трансформаторе и во вторичном контуре.

;

;

;

; (13.6)

, (13.7)

где – диаметр свариваемой точки; – толщина свариваемой детали; – теплоёмкость свариваемого металла; – удельный вес металла; – температура плавления; – коэффициент, учитывающий уменьшение температуры окружающего металла; – для низкоуглеродистых сталей; – коэффициент формы электродов ( для цилиндрических, сферических, конических электродов соответственно); – для медных электродов; – вторичный ток сварки; – время сварки; , – активное сопротивление сварочного трансформатора и вторичного контура сварочной машины.

При расчётно-аналитическом методе энергию, полученную сварочной машиной из сети, можно определить по формуле

,

где – полное активное сопротивление сварочной машины ( – активное сопротивление свариваемого участка).

Значения задаются в каталогах сварочных машин, и для различных толщин и марок металлов имеются в справочной литературе.

В условиях эксплуатации фактическая энергия, полученная сварочной машиной,

,

где определяются путём замеров.

Электрические печи сопротивления периодического действия. Нормализованный баланс за цикл работы печи можно составить по выражению

,

где – расход ЭЭ на технологический процесс; – суммарные потери ЭЭ; – удельная теплоёмкость металла; – вес отжигаемого металла; – температура металла в начале и конце нагрева; – количество циклов термообработки.

Потери ЭЭ состоят из тепловых ( ) и электрических ( ). В тепловые потери входят: на нагрев самой печи ( ), от теплопередачи через стенки печи ( ), на тепловые короткие замыкания ( ). В печах сопротивления, питающихся от сети без трансформации, электрические потери малы и их можно не учитывать. При питании печей через понижающие трансформаторы следует учитывать потери в них и в сети от трансформаторов до нагревателей.

(13.8)

где – число слоев кладки печи; – количество циклов отжига; – удельная теплоёмкость материала i-ro слоя; – вес материала i-ro слоя; – начальная и конечная средние температуры i-ro слоя; – удельный тепловой поток через стенки; – расчётная площадь стенки; – время прохождения теплового потока; – температура внутренней поверхности кладки печи; – температура окружающего печь воздуха; – коэффициент теплопередачи конвекцией и излучением от наружной стенки печи к окружающему воздуху; – толщина слоев; – коэффициент теплопроводности материалов слоев.

Величина потерь на тепловые короткие замыкания согласно принимается равной 50% потерь теплопроводностью через футеровку печи:

,

где – потери через свод, стены и под печью.

Дуговые электропечи (ДСП). Суммарное количество ЭЭ, которую потребляет дуговая сталеплавильная печь в период расплавления,

,

где – полезная энергия, идущая на нагрев и расплавление металла, шлака, а также легирующих элементов и вспомогательных добавок; – энергия экзотермических реакций периода расплавления; – суммы тепловых и электрических потерь.

, (13.9)

где к – количество компонентов шихты; – вес компонентов шихты, кг; – температура компонентов шихты соответственно начальная, плавления, выпуска; , – удельная теплоёмкость компонентов шихты до и после температуры плавления соответственно; – скрытая теплота плавления компонентов шихты.

В тепловые потери входят: потери от теплопроводности через футеровку ( ), на излучение через рабочее окно в период расплавления ( ), с газами ( ), с охлаждающей водой ( ).

Электрические потери состоят из потерь в трансформаторе ( ), в «короткой сети» ( ), в электродах ( ).

Тепловые потери:

а) определяются теплопроводностью через футеровку

, (13.10)

где – потери энергии через свод, стенки и днище соответственно;

, (13.11)

где – высота цилиндрической стенки, и определяются по формуле, аналогичной (13.8);

б) определяются потерей энергии на излучение

, (13.12)

где – коэффициент диафрагмирования; – приведённый коэффициент лучеиспускания; – температура металла; – температура окружающей среды; – площадь окна;

в) определяются потерями энергии, которые уходят с газами

,

где – масса проходящего через печь воздуха; – средняя удельная теплоёмкость воздуха; – температура газа, выходящего из печи;

г) определяются потерями энергии, которые уходят с охлаждающей водой

,

где – расход воды; – температура воды на входе и выходе; – удельная теплоёмкость воды.

Электрические потери:

а) определяются потерями энергии в силовом трансформаторе

(13.13);

б) определяются потерями в «короткой сети»

;

в) определяются потерями на электродах

,

где – токи в электродах фаз А, В, С; – сопротивления электродов фаз А, В, С.

Индукционные печи. Суммарная энергия, которую потребляет индукционная печь при работе,

,

где – тепловая энергия зумпфа (расплавленного металла, остающегося в ванне).

Составляющие тепловых потерь такие же, как и в дуговых печах, и определяются по (13.10) – (13.12). Полезная энергия ( ) вычисляется по формуле, аналогичной (13.9).

В электрические потери входят потерн в трансформаторе ( ), в индукторе ( ), в магнитопроводе ( ), в конденсаторах ( ), в токопроводе ( ).

Потери энергии:

- в трансформаторе определяются по выражению (13.13);

- в магнитопроводе ,

где m – число пакетов магнитопровода; – коэффициент дополнительных потерь, обусловленный неоднородностью поля и дефектами изготовления магнитопровода; – сечение пакета; – высота пакета; – плотность электрической стали; – удельные потери в стали; – время прохождения теплового потока;

- в индукторе , где – ток в индукторе;/Си – сопротивление индуктора;

- в конденсаторной батарее , где – мощность батареи; – тангенс угла потерь;

- в токопроводе , где – ток и активное сопротивление соответствующего участка токопровода; п – количество участков токопровода.

Цеховые балансы

Баланс ЭЭ по цеху получают суммированием аналогичных статей расходной части ЭБ питающих шинопроводов (последние образуются балансами технологических агрегатов). В отличие от ЭБ отдельных технологических установок цеховые ЭБ целесообразно составлять как в дифференцированной, так и в структурной форме. Кроме того, требуется учитывать также баланс реактивной энергии, так как его приходная часть формируется частично компенсирующими устройствами, установленными в отдельных цехах, и синхронными двигателями, работающими с опережающим током.

В расходной части цехового ЭБ должны быть учтены статьи, отражающие общецеховое электропотребление осветительными и вентиляционными установками, подъёмно-транспортным оборудованием, а также потери в цеховой сети и цеховых трансформаторах. Если возможно, следует учитывать также расход энергии вспомогательными механизмами и устройствами.

Для примера в табл. 1 приведена приходная часть суточного ЭБ механического цеха завода среднего машиностроения, получающего питание от заводской сети 0,4 кВ по трем силовым и одному осветительному шинопроводу.

В табл. 2 представлена расходная часть ЭБ того же цеха дифференцированной форме. Удобно расход активной энергии рассчитывать по каждому шинопроводу в отдельности, сопоставляя его с приходной частью ЭБ.

В структурной форме ЭБ может быть представлен на основании сведений о характере используемого технологического оборудования и его назначении. Потери (кроме потерь в сети) должны быть разнесены по отдельным видам оборудования. Применительно к рассматриваемому цеху структурный баланс приведен в табл. 3. При составлении структурных ЭБ к силовому оборудованию относят электроприводы самых разнообразных механизмов – прокатных станов, металлообрабатывающих станков, насосов, вентиляторов, каландров, дробилок, мельниц, кузнечно-прессовое и подъёмно-транспортное оборудование, двигатели-генераторыи т.п. В состав электротехнологического оборудования входят: электрические печи и нагреватели, электролизные и электросварочные установки, установки электрохимической и электрофизической обработки материалов.

Табл. 1. Приходная часть суточного ЭБ

Статьи приходной части ЭБ	Электроэнергия
активная, кВт·ч	реактивная, квар·ч
Поступило из сети: по шинопроводу 1 по шинопроводу 2 по шинопроводу 3 по шинопроводу 4 Выработано в цехе: конденсаторными батареями синхронными двигателями	– –	–   –
Итого:

Табл. 2. Расходная часть ЭБ

Статья расходной части ЭБ	Потребление ЭЭ, кВт·ч
шинопровод	всего по цеху
				кВт·ч	%
На основной технологический процесс Потери: постоянные нагрузочные тепловые пусковые в цеховой сети Освещение Вспомогательные нужды (подъёмно-транспортное оборудование, вентиляция) Бытовые нужды	– –	– –   –	–	–   – – –   – –		49,7   29,4 6,3 0,8 0,7 0,9 4,7   6,4 1,1
Итого:

Табл. 3. Структурный баланс цеха

Вид оборудования и статья расхода	Расход ЭЭ
кВт·ч	%
Силовое оборудование Электротехнологическое Подъёмно-транспортное Вентиляция Освещение Бытовые нужды Потери в цеховой сети Неучтённое оборудование		65,2 20,7 4,0 2,4 4,7 1,1 0,9 1,0
Итого: