Методы разработки норм расхода

Основным методом разработки норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии является расчетно-аналитический метод. Кроме того, применяются опытный и расчетно-статистический методы.

Для определения групповых норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии применяется в основном расчетно-аналитический и расчетно-статистический методы, а для определения индивидуальных норм – расчетно-аналитический и опытный методы.

Расчетно-аналитический метод предусматривает определение норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии расчетным путем по статьям расхода на основе прогрессивных показателей использования этих ресурсов в производстве.

Индивидуальные нормы расхода определяются на базе теоретических расчетов, экспериментально установленных нормативных характеристик энергопотребляющих агрегатов, установок и оборудования с учетом достигнутых прогрессивных показателей удельного расхода топлива, тепловой и электрической энергии и внедряемых мероприятий по их экономии.

Под нормативными характеристиками энергопотребляющего оборудования понимаются зависимости удельного расхода топлива, тепловой и электрической энергии от загрузки (производительности) оборудования и других факторов при нормальных условиях его эксплуатации.

Опытный метод разработки норм заключается в определении удельных затрат топлива, тепловой и электрической энергии по данным, полученным в результате испытаний (эксперимента). Он применяется для составления индивидуальных норм, причем оборудование должно быть в технически исправном состоянии, отлаженным, а технологический процесс должен осуществляться в режимах, предусмотренных технологическими регламентами или инструкциями.

В тех случаях, когда не представляется возможным использовать для разработки норм расчетно-аналитический и опытный методы, применяется (как исключение) расчетно-статистический метод. Он основан на анализе статистических данных за ряд предшествующих лет о фактических удельных расходах топлива, тепловой и электрической энергии и факторов, влияющих на их изменение.

Основными исходными данными для определения норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии являются:

§ первичная техническая и технологическая документация;

§ технологические регламенты и инструкции, экспериментально проверенные энергобалансы и нормативные характеристики энергетического и технологического оборудования, сырья, паспортные данные оборудования, нормативные показатели (коэффициенты использования мощности, нормативы расхода энергоносителей в производстве, удельные тепловые характеристики для расчета расходов на отопление и вентиляцию, нормативы потерь энергии и другие показатели);

§ данные об объемах и структуре производства продукции (работы);

§ данные о плановых и фактических удельных расходах топлива и энергии за прошедшие годы, а также акты проверок использования их в производстве;

§ данные передового опыта отечественных и зарубежных предприятий, выпускающих аналогичную продукцию, по удельным расходам;

§ план организационно-технических мероприятий по экономии топлива и энергии.

Первичными нормами, которые должны быть технически обоснованы, являются технологические и общезаводские нормы. При этом расход энергоресурсов на энергоемкие процессы, как правило, определяется расчетным путем, а расходы на неэнергоемкие процессы – силовая нагрузка, освещение, вентиляция, вспомогательные механизмы, подсобные нужды, потери в сетях цеха и др. – можно получить путем проведения специальных замеров и анализа отчетно-статистических данных по энергопотреблению.

В общем виде методика расчета общезаводских удельных норм следующая.

1) Если в цехе для энергоемких производственных процессов установлены технологические нормы, то общецеховая норма может быть определена как

, (5.1)

где е_уд.т – технологическая удельная норма расхода; П_т – плановый выпуск продукции при данном технологическом процессе; П_ц – плановый выпуск продукции цеха; Е_д.ц – все другие расходы энергоносителей в цехе, не включенные в технологические нормы (на механическую обработку, подъемно-транспортное оборудование, вентиляцию, освещение, потери).

Если в цехе несколько технологических норм, то общецеховая норма примет вид

, (5.2)

где n – число технологических потоков с различными удельными нормами.

2) Если на предприятии для всех цехов и участков производства установлены общецеховые нормы, то общезаводская норма может быть определена как

, (5.3)

где е_уд.ц._i – общецеховая удельная норма i-го цеха; П_ц._i – плановый выпуск продукции i-м цехом; Е_д.з – другие, общезаводские, расходы энергоресурсов; П_з – плановый выпуск завода за месяц, квартал или год.

При расчете норм расхода учитываются (а при опытном методе обеспечиваются) следующие производственные условия работы оборудования:

оборудование находится в технически исправном состоянии;

работа ведется в соответствии с заданным технологическим режимом;

должна быть полная (номинальная) загрузка энергетического и технологического оборудования по мощности и производительности.

Удельные нормы расхода энергоносителей должны присутствовать в паспортах всего энергопотребляющего оборудования. При их отсутствии удельные нормы необходимо определять на основании нормализованных балансов энергопотребляющих установок и технологических процессов:

, (5.4)

где Е_п_i – суммарный расход энергоносителя по нормализованному балансу; П_i – выпуск продукции за принятый интервал построения нормализованного баланса.

5.5. Построение нормативных характеристик энергопотребляющих установок и агрегатов

При расчетно-аналитическом нормировании важнейшим показателем является нормативная характеристика энергопотребляющих установок и агрегатов. Многочисленные исследования показывают, что на энергопотребление установок и агрегатов существенно влияет изменение ими выпуска продукции. Поэтому наиболее распространенной энергетической характеристикой является зависимость удельного расхода от изменения производительности. Построить энергетические характеристики установок и агрегатов можно путем анализа большого количества энергетических балансов при изменяющихся условиях производства. Так как такой анализ всегда сложен и длителен, то построение нормативных энергетических характеристик следует проводить на ПЭВМ.

На рис. 5.2 схематически показана программа расчета на ПЭВМ нормативных энергетических характеристик электротермических установок. Структура единообразна и состоит из вызывающей программы и 4–6 подпрограмм.

Расчет полезной энергии, идущей на нагрев металла, происходит в подпрограмме POLZA. Подпрограмма TIME определяет время нагрева отливок до температуры отжига в печах сопротивления или время плавления и перегрева металла в дуговых и индукционных печах. Время может значительно колебаться вследствие различного теплового состояния футеровки печи, действительной мощности установки и мощности тепловых потерь. Подпрограмма расчёта тепловых потерь (TEPLO) определяет энергию, аккумулированную кладкой печи, и энергию, идущую на компенсацию теплообмена с окружающей средой через свод, под, стены и различные отверстия. Для этих целей она многократно вызывает подпрограмму расчёта потерь энергии теплопередачей через многослойную цилиндрическую и плоскую стенки (DQSTN). В подпрограмме DQSTN реализован закон Фурье, при помощи которого итерационным методом производится расчёт потерь энергии через многослойную стенку с числом слоёв до 10. Теплообмен с окружающей средой происходит как излучением, так и конвекцией. В процессе выполнения подпрограммы вычисляются температуры слоёв кладки печи, которые выводятся на печать и позволяют оценить эффективность применяемых теплоизоляционных материалов, а также в списке формальных параметров передаются в подпрограмму TEPLO, где используются для расчета энергии, идущей на аккумуляцию. В подпрограмме расчета электрических потерь (ELECTR) осуществляется расчет потерь энергии во всех элементах сети.

Рис. 5.2. Структурная схема функциональных связей между подпрограммами

Исходные данные для расчета энергобаланса вводятся в виде трех массивов: T, Q, E. Массив данных Т содержит исходную информацию, связанную с технологией работы установки (начальная и конечная температуры загрузки печи, вес компонентов шихты, удельные теплоёмкости компонентов, температуры плавления компонентов и пр., всего до 20 значений). Массив данных Q содержит информацию для теплотехнического расчёта (геометрические размеры слоёв футеровки, отверстий, коэффициенты диафрагмирования, конвекции, степень черноты поверхности кожуха, вес слоев футеровки, коэффициенты для расчета теплоемкости футеровки и т. д., до 50–150 значений). Массив данных Е содержит исходную информацию для расчёта электрических потерь (данные по трансформатору, подводящей сети, короткой сети, размеры индуктора и т. д., всего 10–20 значений).

Выходная информация оформлена в виде таблицы показателей работы печи и статей энергобаланса, выводимой на печать с подробными комментариями. Достоинством программ является то, что они содержат специальную подпрограмму расчета времени нагрева (расплавления) металла, которая обеспечивает им дополнительную гибкость. Программы могут быть использованы при выполнении научно-исследовательских работ для оценки степени влияния на энергетические показатели тех или иных технических и технологических показателей (например, питающего напряжения, мощности установок при переходе на другую отпайку трансформатора, марки металла, толщины футеровки, вида теплоизоляционных материалов и др.). В проектной практике они могут быть применены для обоснования энергетической эффективности предлагаемых конструктивных и технологических решений. В процессе эксплуатации, при разработке обоснованных норм расхода электрической энергии, программы дают возможность построить энергетические характеристики для различного теплового состояния печи и всего многообразия технологических режимов работы. Функциональные возможности программ таковы, что они позволяют также учесть пусковые потери, связанные с межоперационными простоями. Все это способствует обоснованному нормированию и точному прогнозированию расхода электрической энергии на любой планируемый период (плавка, цикл термообработки, смена, сутки, неделя, месяц, год).

Построение нормативных характеристик для дуговых печей, работающих в дуплекс-процессе.На основе программы “Расчет энергетического баланса дуговой печи” построены нормативные характеристики для печей ДЧМ-10, выпускающих три марки чугуна: серый, ковкий, обессеренный. Так как производительность работы часто определяется не возможностями печи, а запросами технологического конвейера, а начальная температура металла зависит от той температуры, с которой он поступил из первичного плавильного агрегата, то в данном случае нормативные характеристики оформлены в виде номограмм. Для каждой марки металла построена зависимость удельного расхода энергии от часовой производительности при различных величинах перегретого металла (рис. 5.3). Анализ характеристик показывает, что даже для печей одного типа норму расхода необходимо устанавливать в зависимости от марки выплавляемого металла с учетом величины его перегрева и производительности работы агрегата.

Рис. 5.3. Зависимость удельного расхода электроэнергии от производительности дуговой печи ДЧМ-10 при дуплекс-процессе для различных температур перегрева: а) обессеренный чугун; б) белый (ковкий) чугун; в) серый чугун

Построение нормативных характеристик для дуговых печей, работающих в режиме плавки металла.При работе дуговой печи в режиме расплавления металла на величину удельного расхода электроэнергии особенно влияют следующие факторы:

1) производительность печи (количество загружаемого в печь металла);

2) температура внутри печи перед началом плавки;

3) начальная температура загружаемой шихты.

Часто производительность печи задается потребностью заливочного конвейера и плавку приходится вести в не полностью загруженной печи. Это приводит к тому, что тепловые потери энергии, не зависящие от величины загрузки, распределяются на меньшее количество металла и удельные расходы энергии возрастают. Удельные расходы энергии (УРЭ) зависят от величины простоя печи между плавками. Простой печи ведет к тому, что уменьшается температура внутри камеры печи и возрастает расход энергии, идущей на аккумуляцию тепла кладкой печи.

УРЭ также зависят от начальной температуры шихты, так как она определяет величину энергии, идущей на нагрев металла, до температуры плавления. На рис. 5.4 показана зависимость удельного расхода электроэнергии от производительности при различных величинах начальной температуры шихты при начальной температуре внутри печи Q_{н п}= 1400 ºС.

Построение нормативных характеристик для индукционных печей. На основе программы “Расчет энергетического баланса индукционной печи” построены нормативные характеристики по индукционным печам автомобильного завода. Индукционные тигельные печи работают, за исключением печей типа GSA-5, в блоке с индукционной канальной печью, и их загрузка равна номинальной. Изменение производительности печей возможно за счет различной величины жидкого металла (зумпфа), оставляемого в тигеле после плавки. На рис. 5.5 приведена зависимость удельного расхода энергии от производительности. Увеличение производительности получено путем изменения величины зумпфа от 90 до 30% загрузки печи. Дальнейшее уменьшение величины зумпфа связано с трудностями ведения плавки.

Построение нормативных характеристик для печей сопротивления. На основе программы “Расчет энергетического баланса печи сопротивления периодического действия” построены нормативные характеристики для печей типа ПЭО, работающих на отжиг различных марок чугуна по индивидуальным температурным графикам. Особое влияние на величину УРЭ оказывают следующие факторы: 1) величина загрузки пода печи, которая определяется маркой чугуна, формой и размерами отливок; 2) тепловое состояние футеровки, которое зависит от величины времени простоя печи после предшествующего цикла отжига.

На рис. 5.6 приведены зависимости удельных расходов электроэнергии от величины загрузки пода печи при различной величине температуры футеровки внутри камеры печи в начале цикла отжига (Q_н _п). Нижние характеристики могут служить в качестве нормативных при отжиге данных марок чугуна, так как снижение температуры от 720–730 до 600 ºС соответствует простою печи около 15 минут. Этого времени вполне достаточно для загрузки печи уже подготовленной тележкой с отливками. Некоторое увеличение удельных расходов электроэнергии происходит при снижении напряжения на нагревателях ниже номинального и при старении нагревательных элементов или выгорании части из них. И то, и другое ведет к уменьшению мощности печи, что увеличивает период нагрева металла, а значит, и растут тепловые потери.

Дуговые сталеплавильные печи.Кроме производительности, одним из основных показателей работы ДСП является удельный расход электроэнергии на тонну жидкого металла. В табл. 5.1 приведены размахи и средние значения УРЭ для всех типов ДСП, работающих на предприятиях России. Как видно из таблицы, с увеличением емкости ДСП удельный расход электроэнергии снижается.

Таблица 5.1. Значения УРЭ для ДСП различной емкости

Емкость печей, т	Мощность печного трансформатора, кВ×А	Пределы изменения w_уд, кВт×ч/т	Среднее значение w_уд, кВт×ч/т

0,5		541–1314 443–602 411–507 505–631
1,0		–
1,5		729–1159 644–1168 728–907
3,0		513–691 591–698 602–707 507–714 603–756 702–717 508–717
		502–746 491–702 602–1070 602–714 417–600 502–603 416–643 602–700 –	– –


		512–707 593–760 717–1021 402–707 – 535–702
		– – – – –
		493–618 402–606
		505–603
		493–555 – –
		493–555
		537–701 537–695
		603–759 694–759
		613–694
		473–651 – 402–713 –
		– 594–691 594–718
		602–627 –
		– 402–717 507–614 551–610
		620–800
		513–521

Индукционные печи и установки. Удельные расходы электроэнергии индукционных печей зависят от вида расплавляемого металла, величины зумпфа, производительности, температуры загружаемой шихты и температуры кладки внутри печи. В табл. 5.2 приведены пределы изменения УРЭ для различных видов расплавляемого металла индукционных печей.

В табл. 5.2 приведены данные по УРЭ для различных установок индукционного нагрева автомобильной промышленности.

Таблица 5.2. Значения УРЭ для различных типов индукционных печей

Типы индукционных печей

ω_уд, кВт×ч/т

Канальные для плавки: меди и ее сплавов алюминия и его сплавов цинка Канальные для перегрева и выдержки: жидкого чугуна жидкой меди и ее сплавов жидкого алюминия Тигельные: для плавки, выдержки и перегрева чугуна для работы в миксерном режиме для плавки алюминия и его сплавов для плавки меди и ее сплавов Тигельные повышенной частоты: для плавки сталей для плавки алюминиевых сплавов

195–280 360–500 90–120 33–54 19–30 27–30 600–800 46–60 555–745 335–400 600–900 590–610

Таблица 5.3. Значения УРЭ для установок индукционного нагрева различной мощностью

Тип нагревателя	Тип индуктора	G, кг	t_н, с	П, шт./ч	ω_уд, кВт×ч/т
ИСОК-300 ИСОК-300 ИСОК-400 ИСОК-400 ИСОК-600 ИСОК-600 ИСОК-750 ИСОК-750 ИСОК-750 ИСОК-750 ИСОК-750 ИСОК-750 ИСОК-750 ИСОК-1000 ИСОК-1000 ИСОК-1500 ИСОК-1500 ИСОК-1500 ИСОК-2000 ИСОК-2000 ИСОК-2000	28/30 38/40 50/53 50/53 65/70 65/70 80/85 50/53 80/85 80/85 65/70 65/70 80/85 110/115 95/100 80/85 80/85 95/100 110/115 125/130 110/115	0,89 1,055 3,125 2,17 3,64 1,6 6,41 2,39 5,69 5,05 2,6 5,94 5,65 9,5 11,46 6,6 4,68 6,64 15,7 27,6 26,11

6. Методы расчета технических потерь электроэнергии

Исторически методы расчета потерь электроэнергии в электрических сетях начали разрабатываться с появлением первых электрических сетей в конце XIX века. Все эти методы основываются на законе Джоуля-Ленца и других электротехнических законах. Различия методов и направления их совершенствования определяются в основном информационной обеспеченностью расчетов потерь электроэнергии - чем выше эта обеспеченность, тем более точные методы расчетов могут применяться.

Расчеты технических потерь электроэнергии и их структуры выполняются для:

• нормирования потерь, выбора и оценки эффективности мероприятий по их снижению;

• расчета и анализа фактических небалансов электроэнергии в электрических j сетях, выявления и локализации коммерческой составляющей потерь, разработки и внедрения мероприятий по совершенствованию учета электроэнергии;

• учета потерь в тарифах на электроэнергию для потребителей, присоединенных к электрическим сетям различных ступеней напряжения: ВН (110 кВ и выше), СН I (35-60 кВ), СН II (1-20 кВ), НН (0,4 кВ и ниже).

Основная цель совершенствования методов расчета потерь электроэнергии на современном этапе - повышение точности и обоснованности результатов расчета.

Главная цель совершенствования - повышение точности и достоверности результатов расчетов потерь и их структуры.

Основные направления совершенствования методов расчетов потерь электроэнергии:

• использование всей имеющейся в электросетевых организациях информации для расчетов потерь;

• учет максимально-возможного количества составляющих технологических потерь электроэнергии;

• максимальное использование возможностей современных вычислительных средств для расчета потерь.

Основными направлениями совершенствования программного обеспечения расчетов потерь электроэнергии являются:

• интеграция разрабатываемых программных средств с базами данных оборудования и параметров электрических сетей, функциональными подсистемами АСУП, АСДУ и АСКУЭ энергосистем и филиалов электрических сетей;

• использование современных человеко-машинных интерфейсов для подготовки данных и выдачи результатов расчетов, их автоматического контроля;

• переход от расчетов потерь к расчету балансов электроэнергии с учетом потерь;

• обеспечение наглядности результатов расчета;

• повышение надежности и устойчивости работы программных средств.

6.1 Определение технических потерь электрической энергии в элементах сети

В зависимости от типа оборудования для определения численных значений суммарных технических потерь электрической энергии, в элементах электрической сети, используются следующие формулы.

Потери электрической энергии в воздушной линии

Суммарные потери электроэнергии в воздушной линии (ВЛ) за расчетный период Т определяются по формуле:

ΔW_вл = ΔW_HBJI+ΔW_K+ΔW_т_y, (6.1.1.)

где AW_H _вл - переменные потери электрической энергии в ВЛ;

ΔW_K - потери электрической энергии на корону ВЛ номинальным напряжением 110 кВ и выше;

ΔW_Ty-потери электрической энергии от токов утечки по изоляторам ВЛ номинальным напряжением 6(10) кВ и выше.

Потери электрической энергии в кабельной линии

Суммарные потери электроэнергии в кабельной линии (КЛ) за расчетный период Т определяются по формуле:

ΔW_кл=ΔW_H_кл+ΔW_из (6.1.2.)

где ΔW_H _кл - переменные потери электрической энергии в КЛ;

ΔW_из - потери электрической энергии в изоляции КЛ.

Потери электрической энергии в трансформаторах

Суммарные потери электроэнергии в двухобмоточных трансформаторах (в том числе в трансформаторах собственных нужд), автотрансформаторах (трехобмоточных трансформаторах, трансформаторах с расщепленной обмоткой) за расчетный период Т определяются по формуле:

ΔW_TP = ΔW_H _тр + ΔW_X, (6.1.3.)

где ΔW_H _тр - переменные потери электрической энергии в трансформаторах; ΔW_x - потери электрической энергии на холостой ход трансформаторов.

Потери электрической энергии в токоограничивающих реакторах

Потери электроэнергии в токоограничивающих реакторах за расчетный период Т являются переменными потерями и определяются разными методами в зависимости от имеющейся информации для расчета.

Потери электрической энергии в остальном оборудовании

Потери электроэнергии в компенсирующих устройствах, шунтирующих реакторах, измерительных трансформаторах тока и напряжения, счетчиках, вентильных разрядниках, ограничителях перенапряжения, устройствах присоединения высокочастотной связи, соединительных проводах и сборных шинах подстанций за расчетный период Т являются условно-постоянными потерями.

Расход электроэнергии на плавку гололеда и на собственные нужды подстанций

Расход электроэнергии на плавку гололеда и на собственные нужды подстанций равны фактическому расходу электроэнергии, определяемому по счетчикам электроэнергии.

6.2 Расчет параметров схемы замещения

Данные для расчетов параметров электрооборудования определяют из паспортных данных электрооборудования или из справочников. Данные для расчетов параметров трансформаторов определяют из журнала испытаний данного трансформатора, при отсутствии таких данных - из справочников.

В зависимости от типа оборудования для определения численных значений параметров оборудования используются следующие формулы

Воздушная линия

Активноесопротивление ВЛ определяется в соответствии с паспортными данными по формуле:

, Ом, (6.2.1)

где – активное удельное сопротивление провода при его температуре 20 ⁰С, Ом/км;

L – длина линии, км;

q – температура провода, ⁰С;

n_Ц – количество цепей, шт.

В формуле (6.2.1) принимается, что при средней загрузке линий ниже экономической плотности тока, температура провода приблизительно равна температуре воздуха.

Реактивноесопротивление ВЛ определяется в соответствии с паспортными данными по формуле:

, Ом, (6.2.2)

где – реактивное удельное сопротивление провода, Ом/км.

Кабельная линия

Активное сопротивление определяется в соответствии с паспортными данными по формуле:

, Ом, (6.2.3)

где r₀ – активное удельное сопротивление кабеля, Ом/км;

L – длина кабеля, км;

n_Ц – количество цепей, шт.

Реактивноесопротивление КЛ определяется в соответствии с паспортными данными по формуле:

, Ом, (6.2.4)

где х₀ – реактивное удельное сопротивление кабеля, Ом/км.