// Электрика. – 2007. – № 4.– С. 36.

 

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ, ОПЕРАТИВНОЕ И ПЛАНИРУЕМОЕ

НОРМИРОВАНИЕ РАСХОДА

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

 

 Б.И. Кудрин

Московский энергетический университет (технический институт)

 

В последние годы обострилась проблема электроснабжения потребителей, что определяется: 1) ожидаемым дефицитом электроэнергии из-за отставания ввода генерирующих мощностей; 2) неизбежным и, по-видимому, опережающим ростом стоимости электроэнергии и углеводородных носителей; 3) существенно (в 2–3 раза) большей энергоёмкостью российской продукции и высокой долей стоимости энергоресурсов в себестоимости; 4) повышенными требованиями к качеству и надёжности электроснабжения в связи с переходом к новым информационным технологиям; 5) относительно большим ростом потребности в электроэнергии сферы услуг и населения (причём, в отличие от 30–50-х годов, сейчас по социальным причинам ограничения будут касаться промышленности, а не населения). Это актуализирует проблемы электроснабжения в части схемных и режимных вопросов, заставляет по-иному [1, 2] прогнозировать, планировать, контролировать и управлять общими и удельными расходами электроэнергии; предполагает организацию энергосбережения на основе закона информационного отбора [3], который может быть представлен схемой техноэволюции (рис. 1).

Проблемы не новы и восходят к началу ХХ века, когда электротехника освоила оборудование, а электроэнергетика начала формироваться как новый вид деятельности. У нас начало электрификации связывают с планом ГОЭЛРО (1920 г.) и решением об индустриализации (1926 г.), когда темпы нового строительства, дефицит электроэнергии, недостаток кадров сформировали базовые принципы создания потребительского электроснабжения [4], внедрили уверенность в возможность всё нормировать (а нормы по-стахановски перевыполнять). Развитие промышленной энергетики объективно привело к тому, что 18 мая 1944 г. постановлением Государственного Комитета Обороны была организована Государственная инспекция по промышленной энергетике и энергонадзору при Наркомате электростанций СССР. Уже в ноябре 1945 г. Госэнергонадзором были выпущены «Инструктивные указания по методике установления и порядку утверждения удельных норм расхода электрической энергии в промышленности», а в 1951 г. утверждены «Правила пользования электрической и тепловой энергией» (переутверждение – 1969 г.).

Рассмотрим концепцию, лежащую в основе расчёта электрических нагрузок (на примере «Временных руководящих указаний» [5], принятых после долгих дискуссий в 50-е годы, а также [6, 7]), нормирования [8–11]; энергосбережения [12, 13]. Покажем, во-первых, что концепция 40-х годов сохранилась, к сожалению, и в ХХI веке (наши примеры – из отчётности 2006 г. и из планов 2007 г.); во-вторых, что этот подход не соответствует изменившемуся миру, делает ошибочными многие решения по электроснабжению и нормированию.

Расчёты электрических нагрузок и нормирование, опирающееся на отдельные электроприёмники (станки, компрессоры и др.), методически возникли вместе с необходимостью знать расчётную мощность Pр для нескольких электроприёмников (первоначально – электроламп), питающихся от одного источника. Тогда их режимы стали описывать коэффициентами загрузки Кз, использования Ки, одновременности Ко, максимума Км, спроса Кс и др. Одновременно начал распространяться статистический подход и было показано [8], что в наиболее общем виде энергетическая характеристика может быть представлена уравнением

Э = аm + bnП ,                                           (1)

где Э – расход электрической энергии за данный отрезок времени, зависящий от вида цеха, пролёта и т. д.; а – постоянная часть расхода электрической энергии, в основном, не зависящая от нагрузки; b – переменная часть на единицу продукции, в основном зависящая от нагрузки; П – размер продукции за соответствующее время; m и n – степенные показатели. Причём m = f(П) и n=Ψ(П), что обосновывалось необходимыми разделениями: освещение, вентиляция, вспомогательные нужды и др. (сейчас это называют постоянной и переменной составляющими норм).

Обширные исследования проводили при выплавке электростали. В частности, в [14] была показана зависимость удельного расхода электроэнергии Aуд от загрузки (рис. 2) и суточной производительности ДСП (рис. 3). Из табл. 1 видно, что Aуд значительно (ценологически) зависит от марки стали и их числа: обычная плавка – 4–5 раз в сутки, скоростная – 11 плавок (25.09.1943 г.), скорая – 13 плавок в сутки (09.10.1943 г. на ГАЗе). При обычных 3–4 плавках в сутки удельный расход электроэнергии составил 1200–1400 кВтч/т (на Горьковском автозаводе – 602–670); при скоростных разливах – 1000 кВтч/т. При суточной выплавке 50 т стали удельный расход составлял 80 % от обозначенных величин, при 25 т – 100 %; при 10 т – 108 %. При ёмкости печи 5 т (мощность S=2250 кВA) время обычной плавки 5 часов (заводы Электросталь, Верх-Исетский, Златоустовский).

1.Значения удельных расходов электроэнергии при выплавке электростали [14]

 

Марка стали

Ауд, кВтч/т, в зависимости от вида плавки

обычная

скоростная

скорая

Углеродистая

1033

697

597

Сталь Годфильда

920

545

516

Жароупорная

609

500

490

 

 

 

 

 

 

Однако в том же 1944 г. заместитель Наркома НКЭС СССР Карасёв И. П., подчеркнув, что «техническое обоснование нормирования энергопотребления является тем главным звеном, без которого борьба коллективов энергетиков, технологов, металлургов, механиков за экономию электричества и тепловой энергии не может быть поднята на высокий уровень» [15], осудил статистический метод, на годы запретив его.

Наиболее полно идеологию НКЭС, новую для того времени (1947 г.), отражает статья Авилова-Карнаухова Б. Н. [16], неоднократно цитируемая. Взятую из неё табл. 2 сравним концептуально со схемой рис. 4, действующей в 2007 г. В обоих случаях представлена основная технология, энергетика (вентиляция и водоотлив – существенные составляющие для шахт и рудников), вспомогательные расходы. Таким образом, подход практически не изменился. Сравнение норм для двух шахт (табл. 3) позволяет увидеть, что по каждой строчке различия велики (во всяком случае негауссовы), а фактическое превышение расхода ставит под вопрос само применение метода.

2. Определение нормы удельного расхода электрической энергии на добычу угля [16]

Элементы

работы

Характеристика потребителя электроэнергии

Характеристика объекта и условий работы

Технологическая норма

I. Удельный расход электроэнергии на добычу 1 т угля

Зарубка угля

Врубовая машина ГТК-3 с баром 1800 мм

Мощность пласта 1,8 м, уголь средней крепости

Мощность пласта 0,8 м, уголь крепкий

0,28 квтч2

 

0,42 квтч2

Бурение по углю

Ручное электросверло ЭР-4

Мощность пласта 1,8 м, уголь мягкий (прослойка)

Мощность пласта 0,8 м, уголь крепкий

0,017

квтч/пог. м

0,075

квтч/ пог. м

Транспорт

Качающийся конвейер

ДК2-15 на деревянных катках

Длина лавы до 90 м, при большей длине конвейера удельный расход удваивается

0,14

квтч

Подъём

Электроподъёмная

установка

Электроподъёмная

установка

Электроподъёмная

установка

Подъём угля

 

Подъём людей

 

Спуск леса и оборудования

5,3

квтч/т·км

2,2–1,33–0,38

квтч/т·км

0,017

квтч/т·км

II. Расход энергии на выемку 1 т породы

Бурение колонковым электросверлом

Колонковое

электросверло типа ЭБК

Порода: глинистые сланцы

0,09

квтч/пог. м

Электровозная откатка

Электровозы II-ГР-2

 

Уклоны средние 0,015

0,52

квтч/т·км

Электровозы II-ТР-3

 

Уклоны средние 0,017

0,26

квтч/т·км

III. Расход электроэнергии на откачку 1 м3 воды

Откачка воды

Центробежные насосы

 

5,2

кВтч/103 м3

IV. Расход электроэнергии на подачу воздуха, отнесённый к 1 т добытого угля

Подача воздуха (при депрессии в среднем 20 мм. вод. ст.)

Центробежный вентилятор

 

0,62

кВтч/103 м3

V. Расходы на вспомогательные нужды, потери в сетях и трансформаторах на 1 т угля

Вспомогательные нужды (мастерские, освещение и пр.)

Станки, освещение поверхности и пр.

 

0,5–1,0

кВтч/т

 

3. Нормы удельного расхода электроэнергии

на 1 т добычи угля по составляющим элементам [16]

Элементы расхода электроэнергии

Шахта им. Октябрьской революции

Шахта

«Нежданная»

квтч

%

квтч

%

1. Добыча угля

Зарубка

0,35

3,10

0,09

1,30

Бурение

0,06

0,50

0,006

0,09

Качающиеся конвейеры

0,14

1,30

0,14

2,00

Перегружатели

0,165

1,50

Ленточные конвейеры

0,52

7,60

Бесконечная канатная откатка

0,65

5,90

Электровозная откатка

0,26

2,35

0,546

8,00

Круговой опрокидыватель

0,01

0,15

Подъём угля

0,8

7,25

Скиповой подъём с паровым двигателем

Подъём людей

0,2

1,80

0,054

0,80

Спуск леса и пр.

0,008

0,07

0,008

0,12

Сортировка угля

1,000

9,000

0,680

10,000

Подземное освещение

0,080

0,700

0,080

1,200

Итого на добычу 1 т угля

3,713

33,47

2,134

31,25

2. Прочие расходы

Извлечение породы

0,780

7,10

0,210

3,10

Водоотлив

2,650

24,00

2,304

33,64

Вентиляция

1,920

17,30

1,070

15,70

Мастерские, освещение поверхности и пр.

1,000

9,13

0,500

7,31

Неучтённые расходы, потери в сетях и трансформаторах

1,006

9,00

0,633

9,00

Итого по прочим расходам

7,356

66,53

4,706

68,75

Общая норма расхода электроэнергии на 1 т добытого угля

11,069

100,00

6,840

100,00

Фактическое потребление

14,83

9,70

Превышение фактического расхода по сравнению с нормами в %

34,0

41,7

 

Подход [16] был обычным. Для определения чистой работы прокатки [10] учитывали содержание углерода, температуру (снижение на 50 °С от 1150 °С увеличивает Ауд на 8 %; на 100 °С – на 35 %), калибровку валков и число проходов, скорость прокатки, плотность графика, трение в подшипниках. Полезную мощность для станков рассчитывали в зависимости от скорости резки, глубины резки, подачи, числа операций, времени обработки. Если холостой ход достигал 50 %, то Ауд увеличивался в 2,1 раза. Для штучного производства (например, паровоз [11]) каждый из 17 станков и производств (кузнечные, литьё и др.) детализировали к единице. Выделяли и составляющую, которая не зависит от производственной нагрузки.

Всё это основывалось на директиве 1945 г. [17], которая в развёрнутом виде была утверждена в 1966 г. Госпланом СССР как «Основные положения по нормированию расхода топлива, электрической и тепловой энергии в производстве». Все промышленные наркоматы обязаны были два раза в году пересматривать действующие удельные нормы. Была принята следующая структура удельных норм расхода электроэнергии: а) технологические; б) цеховые нормы; в) общезаводские. Приведём важные моменты «Основных положений».

Технологические удельные нормы включают расходы электроэнергии, затрачиваемые только непосредственно на проведение технологического процесса или операции, – привод рабочих машин, электронагрев, электролиз, электросварка и т. п. Технологическая удельная норма складывается из расхода электроэнергии на основные и непосредственно с ними связанные физико-химические процессы (полезный расход энергии) и различного рода потерь, обусловленных характером применяемого оборудования (механические потери на трение в машинах, тепловые потери в электропечах, электрохимические потери при электролизе, электрические потери в токоприёмниках и т. п.).

Цеховые удельные нормы включают все расходы энергии, имеющие место в цехе, как на основные производственные, так и на вспомогательные нужды (внутрицеховой транспорт, вспомогательные механизмы, цеховая вентиляция, местное освещение и т. п.). Цеховые удельные нормы расхода энергии устанавливаются как для основных производственных цехов, так и для энергетических и вспомогательных цехов предприятия. Например, на металлообрабатывающих и машиностроительных заводах удельные нормы устанавливаются по литейным, сталеплавильным, электротермическим и механическим цехам, по компрессорным, карбидным, кислородным и газогенераторным установкам и т. д. Для алюминиевых заводов цеховые удельные нормы устанавливаются по глинозёмным и по электролизным цехам, на производство анодной массы, на получение криолита и т. д. Если в цехе основное потребление электроэнергии охвачено технологическими нормами, то все остальные расходы цеха относятся на единицу продукции под названием «вспомогательные расходы». Например, по сталеплавильному цеху при наличии технологической удельной нормы на тонну годной (жидкой) стали или слитков все прочие расходы (краны, вентиляция и пр.) относятся на эту же единицу продукции под названием «вспомогательные расходы».

Общезаводские удельные нормы включают все расходы электрической энергии, имеющие место на предприятии (заводе), в том числе вспомогательные и подсобные нужды, связанные с выпуском продукции, а также потери электроэнергии во внутризаводских сетях. К подсобным и вспомогательным нуждам предприятия относятся расходы электроэнергии на внутреннее и наружное освещение, вентиляцию, отопление, внутризаводской транспорт, компрессорные и насосные установки, ремонтные мастерские, производство подсобных материалов и инструмента и т. п.

Удельная норма расхода энергии должна быть отнесена на натуральную единицу готовой годной продукции, наиболее полно отражающей энергоёмкость производства и соответствующей производственно-материальному учёту. Такие показатели для установления удельных норм, как станко-час, нормо-час, человеко-час и 1000 руб. валовой продукции, являются неудовлетворительными, так как они недостаточно отражают энергетику процессов и объём производства.

На металлообрабатывающих предприятиях с массовым и серийным производством может найти применение метод нормирования электропотребления на отдельные операции или готовые изделия в целом, исходя из объёма подлежащей снятию стружки при соблюдении нормальной технологии, а также нормальных припусков и допусков.

Рациональное нормирование должно базироваться на специальных энергобалансах и экспериментально проверенных энергетических характеристиках оборудования, а также на специальных технических расчётах. Первичной элементарной нормой, которая может быть и должна быть технически обоснована, является технологическая удельная норма на отдельный процесс или операцию. Технологическая удельная норма слагается из полезного расхода энергии и потерь.

Приведённые положения известны всем, имеющим отношение к практике определения общих и удельных расходов. Показав общность подхода к определению параметров электропотребления и нормированию на протяжении 80 лет, возвратимся к рис. 1, чтобы показать и объяснить те изменения, которые произошли в окружающей технической реальности, и предложить новый подход менеджменту (главному инженеру, главному экономисту, главному электрику, начальнику цеха и его помощнику по электрооборудованию, службам контроля и планирования). Лишь используя этот подход, можно получить значимые результаты в снижении энергоёмкости продукции и в улучшении нормирования энергоресурсов.

Упрощённая схема техноэволюции называет три узловые точки, которые определяют научно-технический прогресс и, главное, его темпы. Первая есть область машиностроения, когда на основе научно-исследовательских работ и конструкторско-технологической документации на вид изделия (ЕСКД и ЕСТД по-старому) изготавливалось техническое изделие (электродвигатель, компрессор, холодильник). Это конкретное изготовленное изделие как особь (индивидуальность, индивидуум) получает номер и паспорт (начиная с определённой степени сложности).

В паспорте указаны номинальная (рабочая и др.) мощность, гарантийные обязательства и прочее. Паспортные характеристики обязательны не только для приобретённого вами изделия, но и для всех особей данного вида. Различие видовых параметров при нормальной эксплуатации не должно выходить (в пределе) за рамки нормального распределения. И если срок службы ламп 10000 ч, то ± 5 % ещё может устроить потребителя, а выход из строя после 5000 ч говорит о явном браке. Часовые или иные приёмо-сдаточные испытания не охватывают (да и не могут, что принципиально важно) полностью соответствовать реальным условиям эксплуатации на протяжении всего срока службы изделия-особи. Отметим существенный для эксплуатации факт: обычно вид отмирает (прекращается выпуск) скорее, чем умирает (выводится из эксплуатации) особь-изделие этого вида.

Вторая точка обозначилась в ХХ веке, когда началось строительство заводов и фабрик для выпуска массовой продукции: изделий (характерный пример – Форд); материалов (металлургия, химия); сырья (рудники, шахты). У нас это определило решение об индустриализации. Мировоззренчески принципиально, что завод – не изделие: он невыделяем, и по времени (в отличие от изделия) – вечен; его границы генплан, электрик, технолог, кадры определяют каждый по-своему. Задаваясь расходом воздуха, можно рассчитать компрессор – но нет формулы, определяющей поставщика или вид компрессора – из многих возможных. А это значит, что появление данной марки (вида) неформализуемо в терминах Ньютона-Максвелла.

Тогда мы говорим о сообществе изделий (ценозеcénose, cenosis, coenose), образующих, вместе с технологией, используемыми материалами, выпускаемой продукцией и образующимися отходами предприятие (отрасль); город (регион, страну) в целом. Установление причинно-следственной связи попадания на каждый завод – задача не очевидно решаемая, например, для электродвигателей (их в цехе может быть от 100 до 5000 штук-особей; для крупного завода – от 1000 до 100 тыс. шт.).

Два вида деятельности: 1) сконструировать (изобрести) что-либо и изготовить; 2) запроектировать завод (цех), дом (квартал) и построить, организовав эксплуатацию (функционирование), порождают ещё один вид – оценку работы изделия и оценку производственной деятельности предприятия (третью узловую точку). Оценка составляет сущность информационного отбора, который вначале фиксирует мнение (хорошо или плохо сделано), а затем оформляет документ, который и есть приговор сделанному. Называть цикл техноэволюции законом информационного отбора позволяет устойчивость структуры установленного (и ремонтируемого) оборудования по разнообразию и устойчивость соотношения крупное-среднее-мелкое по ключевому параметру (мощность, расход ресурсов, Ауд).

Разнообразие описывается видовым Н-распределением, имеющим вид гиперболы:

                                    Ω(х) = W0/х1+α ,                                                                                           ,

где W0 – теоретическое значение первой точки (на практике W0 = W1); 0 < α < 1 – характеристический показатель.

Численно уравнение (1) определяет, что 5–10 % всех штук – особей ценоза являются редкими, уникальными, ноевыми группами (кастами), которые охватывают 40–60 % всех видов выборки (генеральной совокупности), классифицируемых на множестве установленного как первая точка W1. Определяются и массовые, унифицированные, саранчёвые группы (касты), охватывающие 40–60 % всего установленного оборудования, каждая из особей-штук которого классифицируется (относится) к одному из 5–10 % видов.

Соотношение крупное-мелкое описывается ранговым по параметру Н-распределением:

    λ (r) = В/rβ  ,

где В – наибольшая величина, например, электропотребления; r – ранг; 0,5 < β < 1,5 – характеристический показатель.

Если всю выборку разбить на 10 децилей, то теоретически первый дециль владеет (потребляет) в 10 раз большими ресурсами, чем последний дециль (иначе ценоз становится неустойчивым).

Руководствуясь изложенными положениями ценологической теории [2, 18], перейдём к практическим выводам. Прежде всего, фактическая схема электроснабжения предприятия в целом (не по названиям подстанций, а по фактически подключённым потребителям) не полностью соответствует существующему на момент принятия решения административно-хозйственному делению (ключевое ценологическое утверждение), поскольку последнее быстро меняется во времени, а схема электроснабжения (подстанции и сети) более консервативна.

Теперь по существу табл. 2, 3 (1947 г.) и табл. 4, 5 (2007 г.)[1]. В табл. 4 приведены расчётные значения Ауд по части видов технологического процесса[2]; в табл. 5 – планируемые по энергетической составляющей в административной единице (рудник). Табл. 2–5 есть, по существу, перечень технологических и вспомогательных расходов, которые определены в соответствии с [17] и наглядно демонстрируются рис. 4 и 5. Это, например, бурение (табл. 2), зарубка (табл. 3), доставка породы (табл. 4), получение гипса (табл. 5).

 

 

4. Удельные технологические нормы расхода электроэнергии по руднику

Наименование агрегата

Паспортная производительность агрегата

Переменная часть удельной нормы

Установленная мощность приводного электродвигателя, кВт

Фактическая производительность агрегата

Потребляемая мощность приводного электродвигателя, кВт

Расчётная удельная норма расхода электроэнергии по паспортной нагрузке агрегата,

кВтч

1

Буровая установка «РИНО»

9,3–46,95

м3

75

46,95

68

1,448349308

Электродвигатель бурения

 

90

 

82

1,746538871

Электродвигатель бурения

 

90

 

82

1,746538871

Электродвигатель маслонасоса

 

18

 

15

0,319488818

Электродвигатель маслонасоса

 

18

 

15

0,319488818

Собственные

нужды

 

4

 

3

0,063897764

Итого удельная норма расхода электроэнергии по буровой установке

5,644302449

10

Электровоз К-14

67,5 м3

90

67,5

80

1,185185185

Электродвигатель компрессора

 

4

 

2,8

0,041481481

Освещение

 

2

 

2

0,02962963

Итого удельная норма расхода электроэнергии на доставку горной массы

0,199138569

19

 

 

Опрокид ОКЭ-1/4,5

280 м3/час

110

280

84

0,3

Собственные

нужды

 

1

 

1

0,003571429

Освещение

 

4

 

2,2

0,007857143

Итого удельная норма расхода электроэнергии на доставку горной массы

0,026776266

21

 

Пластинчатый питатель

270 м3/час

75

270

64

0,237037037

Собственные

нужды

 

2

 

2

0,007407407

Итого удельная норма расхода электроэнергии на доставку породы

0,008636895

23

 

 

 

Породная подъёмная установка

220 м3/час

1300

220

1250

5,681818182

Возбудитель

81,48148148

64

 

58

0,263636364

Маслонасос

 

4,5

 

3,8

0,017272727

Собственные

 нужды

 

15

 

15

0,068181818

Итого удельная норма расхода электроэнергии на подъём породы

0,345203551

29

Рудная подъёмная установка

380

3200

380

2800

7,368421053

Возбудитель

140,7407407

400

 

320

0,842105263

Маслонасос

 

4,5

 

3,8

0,01

Собственные

нужды

 

25

 

25

0,065789474

Итого удельная норма расхода электроэнергии на подъём горной массы

3,14976916

 

 

 

 

 

 

 

5. Планируемые удельные нормы расхода электроэнергии по ГОК на 2007 г.

Наименование продукции

Удельные нормы

Единица

измерения

1

квартал

2

квартал

3

квартал

4

квартал

Год

Добыча руды

кВтч/т

 

 

 

 

 

     Рудник 1

 

41,0

39,0

39,0

41,0

40,0

     Рудник 2

 

44,0

40,5

40,5

44,0

42,3

Переработка руды

кВтч/т

47,6

46,0

46,0

47,4

46,8

Оборотное водоснабжение

кВтч/1000 м3

345,0

345,0

345,0

345,0

345,0

Выработка сжатого воздуха

кВтч/1000 м3 

133,0

145,0

145,0

133,0

139

Утилизация серной кислоты

кВтч/т

43,0

40,0

40,0

43,0

41,5

Установка получения гипса

кВтч/т

26,0

26,0

26,0

26,0

26,0

 

Во всех случаях возникает вопрос – как получены эти величины и проверяемы ли они в любой момент и за любой промежуток времени? Ответ кроется в организации учёта в системе электроснабжения и если за каждым высоковольтным двигателем (аналогично табл. 6) по ПУЭ  должен быть установлен счётчик, обеспечивающий коммерческий учёт (как и на отходящем фидере к трансформаторам 6-10/0,4 кВ по табл. 7), то для электроприёмника 0,4 кВ установка счётчика – исключение. Тогда табличные сведения по подземному, наружному, внутри здания; на вспомогательные, собственные и иные нужды есть нечто не проверяемое, а потому заполнение таких строк с потолка есть некоторая игра, в которой участвуют все энергетики, но которая не способствует оценке подлинного энергосбережения и правильности норм.

6. Разделение нагрузки на условно постоянную и условно переменную части по компрессорной № 1 энергетического цеха

Приводной механизм

Потребитель

электроэнергии

Руст,

кВт

Кс

Недельное потребление, кВтч

Условно

постоянная

часть

Условно переменная часть

зима

лето

Компрессор №1

ДС -16

800

0,51

-

71971,2

68544

Компрессор №2

СДК-2-16-44-10

800

0,76

-

107251,2

102144

Компрессор №3

СДК-2-16-44-10

800

0,75

-

105840

100800

Компрессор №4

СДК-2-16-44-10

800

0,76

-

107251,2

102144

Компрессор №5

СДК-2-16-44-10

800

0,9

-

127008

120960

Компрессор №6

СДК-2-16-44

800

0,77

-

108662,4

103488

Компрессор №7

СДК-2-16-44

800

0,8

-

112896

107520

Компрессор №8

ДСК 260-20-32

625

0,87

-

95917,5

91350

Компрессор №9

МС-324-7/37

592

0,86

-

89808,768

85532,16

Компрессор №10

МС-324-7/37

592

0,6

-

62657,28

59673,6

 

 

7. Разделение нагрузки на условно постоянную и условно переменную части по трансформаторам ЦПП

Место

установки

Трансформатор

Руст,

кВт

Кс

Недельное потребление, кВтч

Iном,

А

Iраб,

А

Условно

постоянная

часть

Условно

переменная часть

зима

лето

зима

лето

Ячейка № 2

ТСВП 160/6

160

0,169

2620

2620

 

 

15,4

2,6

 

ТСВП 250/6

250

0,353

 

 

6590

6592

24,1

8,5

Ячейка № 4

ТСВП 250/6

250

0,257

 

 

4250

4250

24,1

6,2

Ячейка № 11

ТКШВП 320/6

320

0,130

4032

4032

 

 

30,8

4

Ячейка № 6

ТКШТ 200/0,25

200

0,202

 

 

2457

2457

17,3

3,5

Ячейка № 3

ТКШТ 200/0,25

200

0,202

 

 

2457

2457

17,3

3,5

Ячейка № 14

ТКШТ 200/0,25

200

0,202

 

 

2457

2457

17,3

3,5

 

Покажем это на ценологическом анализе годовой отчётности за 2002 г. по форме № 24 – энергетика (утверждена постановлением Госкомстата России от 01.08.2002 г. № 161), который использовал случайную выборку по 48 предприятиям металлургии [19].

В части электробаланса Форма содержит среди показателей следующие строки:

04 – расход: потреблено всего (сумма строк 05 + 06 + 07 +08 + 09) в том числе:

05 – электроаппаратами для технологических процессов (сушка, нагрев, электросварка, электроплавка, электролиз и т. д.);

06 – электродвигателями на двигательную силу;

07 – на освещение производственных помещений;

08 – израсходовано на собственные нужды электростанций;

09 – потери в заводских сетях,  трансформаторных подстанциях и преобразователях.

Ни по одному из пунктов (за исключением 04) нельзя осуществить проверку: нет счётчика, где можно было бы проверить п. 06 или 07. Поэтому разброс значений – на порядки, что необъяснимо (напомним, что все предприятия – одной отрасли). Например, минимальные потери от общего электропотребления 0,005 %, а максимальные – 7,8 % (среднее – 2,9 %). Необъяснимо с физической точки зрения и «метания» одного предприятия по Н-кривой (2) при её построении для каждой из строк. Всё это свидетельствует не только о том, что предприятие заполняет строчки  как «бог на душу положит», но и об отчётной традиции данного предприятия, о том, что в стране смирились с этой формой (заполняемой десятилетиями), и что в стране не проводится представительный анализ формы № 24-Э.

Изложенное позволяет, на первый взгляд, сделать вывод, что следует отказаться от оперирования сведениями (данных), которые нельзя проверить инструментально. Обратимся к примеру. Пусть по проводнику неизменного единичного омического сопротивления и температуры в течение 5 ч протекает рабочий (расчётный) ток Jp= 4 А. Тогда тепловые потери составят Q =J2Rt =42 1 5 = 80 Втч. Теперь каждый интервал времени Δt = 1 ч протекают меняющиеся по величине токи Jp =2, 3, 4, 5, 6 А и, следовательно, Q = 22 + 32 + 42 + 52 + 62 = 90 Втч (хотя среднее значение тока также 4 А). Этот элементарный пример позволяет утверждать, что использование действующих методик для учёта потерь есть удовлетворяющая обе стороны ошибка, поскольку реальный годовой график Jp по всем элементам реальной электрической сети не может быть получен в условиях текущего времени (а ценологически – в принципе невозможен).

Для выяснения границ возможностей расчётов обратимся, во-первых, к рис. 4 и 5, во-вторых, к расчётным коэффициентам, в понимании которых существуют разночтения. Если на вводах указанных объектов установлены контролирующие приборы, то мы приходим к достоверным коммерческим величинам по нагрузке рудника (предприятия) в целом (рис. 6) и по отдельным составляющим: водоотлив (рис. 7), подъёму (рис. 8), сжатому воздуху (рис. 9). При наличии подобных графиков можно отказаться от разбиения расходов на технологию, свет, вентиляцию и др. Все проверяемые таким образом вводы выстраиваются по уровням системы электроснабжения вплоть до второго уровня 24Р (щитов РП-0,4 кВ), если этот уровень административно или территориально выделен (в виде здания или сооружения).

Возможность инструментального учёта позволяет перейти к предельно необходимому уровню нормирования во времени: сменные (суточные) нормы с почасовым контролем расхода электроэнергии в течение суток. При 3-5 минутных интервалах полученная информация об электропотреблении позволяет приступить к управлению электропотреблением (после согласования с технологами возможных изменений в процессах, технологических и ремонтных паузах следует составить перечни механизмов, отключаемых и выключаемых без предупреждения). Все выделенные объекты, имеющие самостоятельные (не перекрывающиеся по электропотреблению) вводы регестрируют и по (2) определяется характеристический показатель β. Площадь под кривой есть общий ресурс – величина электроэнергии (мощности), которая и подлежит распределению на сутки, неделю,[3] месяц, квартал, год.

Существуют ценологические ограничения [2, 18]:

1) устойчиво по общему и удельному электропотреблению ведут себя только первые точки – наиболее крупные потребители (внутри предприятия). Они корреляционно-регрессионным анализом хорошо прогнозируются во времени;

2) основная масса расходующих электроэнергию объектов не сохраняют своих мест на Н кривой (гиперболе), перемещаясь по ней и создавая выбросы и провалы, которые требуют анализа; аномальность какой-либо точки может, конечно, свидетельствовать о снижении электропотребления за счёт проведённых мероприятий, но может быть просто следствием искажённой статистики;

3) каждая точка как объект электропотребления по-разному реагирует на «одинаковые» внутренние и внешние раздражители (резкое изменение температуры воздуха или ограничения на Рм). Тогда строится некоторая кривая поведения этой точки (структурно-топологическая динамика по Фуфаеву [18]), проверяемая по объёму выделенного ресурса.

Таким образом, не разделяя потребление по строчкам [16], технологическим операциям [9. 10], технологически зависимым требованиям к предыдущим процессам [12], следует перейти к сравнительной и временной оценке поведения каждого производства, цеха, отделения, участка, дающего возможность менеджеру принять решение о тенденции энергосбережения, выделяемой административно (технически) единицы.

Обращаясь вновь к табл. 4, 6, 7, подчеркнём. что при распространённом сейчас подходе к расчёту нагрузок и нормированию широко используют известные коэффициенты. проанализируем их смысл.

Коэффициент использования по активной мощности определяется как отношение средней Рср и установленной Ру (которую обычно принимают равной номинальной Рном) мощности:

   Ки = Рср/Ру .                                                                   (3)

Важно разделить понятия  использования и загрузки, по которым есть разночтения: станок используется, но не загружен (по сравнению с номиналом). Для отдельного электроприёмника коэффициент загрузки есть отношение средней загрузки за время включения в течение рассматриваемого времени к номинальной мощности

Кз = Рсв/Ру .                                                                    (4)

Технологи, в частности, используют понятие среднесменной загрузки оборудования, имея в виду рабочую смену. Понятие годового Ки не выводится из сменной загрузки (это же относится и к группе электроприёмников, одинаково называемых). Цех может работать в одну смену, но иметь высокий Ки, такой, что технологически использовать больше эту единицу, группу нельзя.

Коэффициенты использования и загрузки связывает коэффициент включения, который имеет ясный физический смысл для отдельного электроприёмника (1УР) как отношение времени включения электроприёмника tв ко времени его технологического цикла tц [5, 9]:

kв = tв/tц ,                                                                       (5)

и для группы (2УР) как отношение номинальной мощности группы Рном(t) включённых электроприёмников к установленной мощности всех приёмников группы Ру:

Кв = Рном(t)/Ру .                                                           (6)

Коэффициенты в учебной литературе и справочнике приводятся в некоторой отвлечённой форме (при расчёте электрических нагрузок, например – ориентируясь на некоторую «наибольшую смену» [5, 6], которая мифически считалась неизменной на протяжении недели, месяца, года, десятилетия…), а коэффициент, относящийся к насосам, вентиляторам и др., относили ко всем механизмам такого названия. Отметим лишь, что никто из многих авторов справочников не представил обосновывающей статистики (которая базировалась на данных, переданных немецкими учёными в начале индустриализации, распространенных в закрытом виде Гипромезом в 40-е годы, опубликованные в 50-е годы Фёдоровым А. А. [20] и Тяжпромэлектропроектом).

Когда речь идёт об отдельном электроприёмнике (табл. 6), все эти коэффициенты применимы в составе коэффициента спроса (введён в 1891 г.), который как расчётная величина применяется для определения расчётной (рабочей) мощности – как максимально возможной Рм для группы электроприёмников, питающихся от одного источника (табл. 7), т. е. Рр = Рм через коэффициент спроса Рр определяют по-разному:

Рр = КсРу ;    

Рр = Км Кп Ко Кв Ру  ,                                                     (7)

где Км (не стремящийся к единице при увеличении числа электроприемников, хотя это утверждение является основополагающим положением [5, 6]), легко определяется через среднюю нагрузку по году через годовой расход электроэнергии Wгод и числа часов в заданном интервале времени:

                                 Рс = Wгод/Тгод ,                                                                     (8)

что, в свою очередь, даёт для любого интервала времени и любого уровня системы электроснабжения

   Рр = Км Рс .                                                                            (9)

Следовательно, не нужно записывть коэффициент использования в виде

                     Ки = Кз Ко Кв  ,                                                            (10)

чтобы применить (10) к предприятию в целом (на заводских подстанциях 35–330 кВ); к отдельным производствам и цехам (предприятиям), питающимся от центральной распределительной подстанции ЦРП-6(10) кВ; к трансформаторным ТП 3УР (табл. 7); наконец, к отдельным потребителям 2УР, выделяемых схемно и территориально,

Таким образом, для систем электрики использование Кс достаточно для оценки и выполнения ориентировочных расчётов, которые рекомендуется проводить для 3УР и выше (для предприятия – годовой Кс) и которые должны быть проверены только инструментально. При этом должно соблюдаться поверочное условие, что коэффициент спроса уменьшается с увеличением рассматриваемого уровня системы электроснабжения. Здесь сказывается эффект совмещения  Ксв(max) максимумов от уровня к уровню (верхний индекс обозначает номер уровня):

; …; ;                              (11)

 < < < < .                        

При этом максимальная мощность на каждом уровне меньше суммы максимальных мощностей объектов предшествующего уровня:

 < < < < < Руст.          .                         (12)

Если считать Рр = Рм, то по предприятию в целом (это же относится к цеху и к любому объекту, выделяемому по вводу) произведение коэффициентов максимума по уровням имеет физический смысл коэффициента спроса Кс. Если при шести уровнях Кс = 0,20, то, извлекая корни n-степени (n = 2, 3, 4, 5), получим, что Кс на первом уровне должен находиться на уровне 0,9.

Основой подхода для нормирования должно стать: проведение замеров и устанавление расчётных коэффициенты лишь для главного технологического оборудования и относительно крупных электроприёмников, определяющих электрическую нагрузку объекта (производства, участки). С современных позиций необходимо строить зависимости, опирающиеся только на измеряемые величины, а не на назначаемую «постоянную часть расхода» [8] (см. также табл. 7). В целом выражение (1) может быть подогнано, оперируя показателями m и n, сколь угодно близко к факту. Но такие расходы электроэнергии не могут быть спрогнозированы, поскольку составляющие определяются «на глазок».

Подход Вейца В. И. полезно сравнить с внедрённым на Магнитогорском металлургическом комбинате подходом Никифорова Г. В. [12], где при построении моделей были решены вопросы выбора единицы наблюдений, выделены существенные факторы и выбраны формы зависимостей. В результате анализа автокорреляционных функций предпочтение было отдано суточным наблюдениям. Принята линейная форма зависимости и выбраны следующие факторы: производственные характеристики процесса: х1 – выпуск передельного проката, т; х2 – выпуск экспортной продукции, т; х3 – выпуск товарного проката, т; х4 – количество отгруженного металла, т; х5 – количество прокатанных слябов, шт.; характеристики технологического режима: х6 – коэффициент использования оборудования, ед. (не имеющий отношения к электрическому Ки); х7 – величина относительного обжатия, %; х8 – температура прокатки, град; х9 – длительность перевалки. ч; х10 – ширина слябов, мм; характеристики готовой продукции: х11 – ширина листа, мм; х12 – содержание углерода в металле, %; х13 – длина слябов, м; х14 – средний вес партии, т; выходные показатели процесса: х15 – расход электроэнергии, тыс. кВтч; х16 – расход газа, тыс. м3; х17 – объём производства проката, т; х18 – выпуск некондиционного металла, т. очевидно, что все эти величины бухгалтерски или приборно зафиксированы. Поэтому такие расчёты можно эффективно использовать при управлении энергосбережением.

Изложенное не исключает проведения расчётов потребления электроэнергии отдельным механизмом, оценки его КПД и других параметров на этапе конструирования ( в первой узловой точке техноэволюции). Несомненна необходимость точных и подробных расчётов как при создании новой машины, так и при её ремонте: например, при ремонте машин постоянного тока для восстановления обмоточных данных якоря и магнитной системы по известным паспортным данным (мощность, частота вращения, напряжение, система возбуждения) и размерам сердечника якоря проводят расчёт обмотки якоря с прямоугольным проводом; расчёт заполнения паза якоря и выбор конструкции изоляции; расчёт независимой обмотки возбуждения и др. Заметим здесь, что ценологическая теория говорит, что действующая со времени Орджоникидзе система планово-предупредительного ремонта (ППР) для сегодняшнего количества установленного оборудования фактически (физически) не может быть исполнено, ведёт к раздуванию штатов и лишним трудозатратам по документированию, неэффективному (ложному) обслуживанию и др. Поэтому следует перейти к проверке электрооборудования по состоянию, отказавшись от ППР вообще, и ограничиваясь 10 % ответственного оборудования (эксплуатация называет до 20 %). Для этого по каждой единице следует составлять учётные карточки (рекомендуемая форма – в табл. 8). Но по этим паспортным данным невозможно (и не нужно) рассчитать нормы расхода электроэнергии, электрические нагрузки и другие параметры реального производства, что и было показано выше.

8. Учётная карта электрической машины

 

 

 

 

 

№ п/п

Цех, код цеха

Участок, агрегат

Инвентарный номер

Наименование механизма, агрегата

Тип электрической машины

Режим

Продолжительность включений

Использование

Назначение

Принцип действия

Исполнение

Год установки

Род тока

Габарит

Подшипник с рабочей стороны

Подшипник с нерабочей стороны

2-й подшипник с рабочей стороны

Мощность, кВт

Напряжение, В

Скорость, об/мин

Вес, тн

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

1.                 Схема электроснабжения потребителя на высших уровнях его системы обладает ценологическими свойствами – не совпадает с административным и пространственным делением (структурой) предприятия и устойчива во времени. На эту устойчивость следует опираться при прогнозировании электропотребления, организации нормирования и энергосбережения. Показатели счётчика ввода (отходящего фидера) есть контролируемая величина, и с ней соотносят (а не наоборот) физические производственные или иные величины.

2.                  Менеджерские решения должны опираться на суммарное электропотребление всего подотчётного объекта (участок, цех, производство и др.) без какого-либо первоначального расчётного деления по отдельным потребителям (электроприёмникам, ЩСУ и др.)[4]. Именно эту величину следует оценивать по её месту на кривой Н- распределения, по динамике перемещения во времени, по реакции на изменение внешних условий и внутренних требований. Методический подход [17] не соответствует сегодняшней реальности.

3.                 Расчётный анализ по паспортным данным (с обязательной инструментальной проверкой) для крупных или ответственных технологических агрегатов (линий) обязателен, но лишь для установления отличий от нормального режима, улучшения технологического процесса (выравнивания вольт-амперных характеристик по электролизёрам), результатов энергосбережения и изменения норм технологических, энергетических, механических и др. мероприятий (здесь и подход табл. 4, где паспорта взяты за основу норм, следует считать ошибочным).

4.                 На иерархию схемы электроснабжения по предприятию (производству, цеху, объекту) следует наложить схему установки приборов учёта электроэнергии (коммерческих счётчиков) для определения необходимых расчётных коэффициентов по уровням системы электроснабжения, выявления потерь электроэнергии, оценки их изменения по тем временным интервалам (желательно – сутки по часам), которые позволят определить загруженность основного оборудования и проводников электрических сетей.

5.                 Следует приступить к созданию информационного банка образов (в чём, собственно, и состоит суть ценологической оценки, где параметрам электропотребления за каждые сутки сопоставляется их описание, словесное и в цифрах (технология, метеорология, ремонты, аварии и др. За три года можно создать систему, где каждому дню можно найти аналог (по технологии, погоде и др.), увидеть тенденцию улучшения (ухудшения) функционирования систем электрики, дать базу для разработки реально достижимых норм расхода электроэнергии и оценивать результаты работы по энергосбережению.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кудрин Б. И. Концепция электросбережения в государственных стандартах и её практическая реализуемость // Электрика. 2002. № 1. С. 3–13.

2. Матюнина Ю. В. Электрикам об электрике: первая научная картина мира // Электрика. 2001. № 7. С. 28–41.

3. Кудрин Б. И. Классика технических ценозов. Общая и прикладная ценология. Вып. 31 «Ценологические исследования». Томск: Томский государственный университет – Центр системных исследований, 2006. 220 с.

4. Либерман А. С. Подстанции малой мощности в электроснабжении промышленных предприятий. Ростов на Дону.: Азчерхозиздат, 1937. 306 с.

5. Временные руководящие указания по определению электрических нагрузок промышленных предприятий. М.: Госэнергоиздат, 1961. 27 с.

6. Указания по определению электрических нагрузок в промышленных установках // Инструктивные указания по проектированию электрических установок / Тяжпромэлектропроект. М.: Энергия, 1968. Вып. 6. С. 3–17.

7. Кибернетика электрических систем: Материалы XXV сессии семинара «Электроснабжение промышленных предприятий», Новочеркасск, 15–16 октября 2003 г. / Юж.-Росс. гос. техн. ун-т, Новочеркасск: Ред. журн. «Изв. вузов. Электромеханика». 2004. 116 с.

8. Вейц В. И. Интенсификация производственных процессов и улучшение организации производства как основные факторы экономии энергии // Промышленная энергетика. 1944. № 2–3. С. 1–4.

9. Пресс С. А. О нормировании расхода электроэнергии для металлорежущих станков // Промышленная энергетика. 1945. № 3. С. 7–9.

10. Шпунберг Я. Н. Экономия и нормирование электроэнергии, потребляемой прокатными станами // Промышленная энергетика, 1946. № 1. С. 3–5.

11. Иванов И. И. О методике нормирования удельных расходов электроэнергии // Промышленная энергетика. 1948. № 8. С. 4–9.

12. Никифоров Г. В., Олейников В. К., Шеметов А. Н. Об оптимальных режимах электропотребления в условиях металлургического производства // Электрика. 2002. № 3. С. 9–13.

13. Красиков Е. В., Матюнина Ю. В., Ошурков М. Г., Цырук С. А., Штапаук А. В. Терминологическое обеспечение энергопотребления, энергосбережения, энергоэффективности // Электрика. 2005. № 7. С. 35–48.

14. Аронов Л. И. Скоростные методы электроплавки стали // Промышленная энергетика. 1944. № 1. С. 3–6.

15. Карасев И. П. Экономия электрической энергии – важнейшая народнохозяйственная задача военного времени // Промышленная энергетика. 1944. № 1. С. 1–3.

16. Авилов-Карнаухов Б. Н. Нормирование Aуд при добыче угля на примере шахт треста «Шахтантрацит» комбината «Ростовуголь» // Промышленная энергетика. 1947. № 1. С. 7–9.

17. Инструктивные указания по методике установления и порядку утверждения удельных расходов электроэнергии в промышленности и Положение о согласовании наркоматами и ведомственными с НКЭС СССР установок электронагрева и других электронагревательных приборов во исполнение ГОКО от 15 ноября 1944 г., утверждённого Госэнергонадзором 12 января 1945 г. / Государственная инспекция по промышленной энергетике и энергонадзору при НКЭС СССР // Промышленная энергетика. 1945. № 10, 11. С. 12–13

18. Кудрин Б. И. Техногенная самоорганизация. Для технариев электрики и философов. Вып. 25. «Ценологические исследования». М.: Центр системных исследований, 2004. 248 с.

19. Нифонтов И. Н., Лагуткин О. Е., Ошурков М. Г. Ранговые оценки электропотребления промышленных предприятий // Электрика. 2003. № 12. С. 18–22.

20. Федоров А. А. Справочник электрика промышленных предприятий. М.: Энергия, 1981. 360с.

 


Рис. 1. Упрощённая схема техноэволюции

 

Рис. 2. Изменение удельного расхода электроэнергии в зависимости от загрузки электросталеплавильной печи

 

Рис. 3. Изменение удельного расхода электроэнергии в зависимости от суточной производительности электросталеплавильной печи

 

Рис. 4. Потребление энергоресурсов шахтой

 

Рис. 5. Технологическая схема добычи руды на Тишинском руднике

 

Рис. 6. Совмещённые суточные графики нагрузки по активной мощности рудника

 

Рис. 7. Расчётный график суточной электрической нагрузки главной водоотливной установки

 

 

Рис. 8. График электрической нагрузки подъёмной установки

 

Рис. 9. Суточный график выработки сжатого воздуха



[1] Здесь и далее приведены фрагменты отчётности по энергоаудиту; редакция выражает признательность В. А. Воронину.

[2] Обратим внимание на ошибку, которую яростно преследовал академик-судостроитель Крылов – указывать больше чем три расчётные значащие цифры в инженерии, например 68 : 46,95 = 1,448349308, не следует (сравните с табл. 3).

[3] Достаточно провести сравнение дней недели по особенностям работы за 3 года, тогда, например, понедельников будет 3·52 =156, что даёт достаточно достоверную величину по Гауссу).

[4] В этом случае условное деление табл. 7 не имеет смысла, а равенство Кс ценология отрицает, как и совпадение данных по строчкам табл. 4.