Экономия электрической энергии при эксплуатации оборудования

Экономия электрической энергии при эксплуатации оборудования

В сельском хозяйстве действует огромный парк электродвигателей, насчитывающий 12 млн. единиц общей мощностью 50...60 млн. кВт. Практически все стационарные рабочие сельскохозяйственные машины оснащены электроприводом. По ориентировочным расчетам, на электропривод в сельском хозяйстве еже­годно расходуют 51 млрд. кВт·ч.

Наибольшее распространение получили простые, надежные и дешевые асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. В общем балансе энер­гетических средств в сельском хозяйстве на долю электродвигателей по мощности приходится 16%.

Эксплуатация электродвигателей в сельском хо­зяйстве связана с рядом особенностей. Во-первых, на них оказывает агрессивное действие окружающая сре­да, в особенности в животноводческих помещениях. Известно, что на транспортерах для уборки навоза электродвигатели обычного типа выходят из строя через два...три месяца работы. Во-вторых, не всегда обеспечивается высокое качество подаваемой к элект­родвигателям электроэнергии, в частности допусти­мые отклонения напряжения. Работа же при пони­женном или повышенном напряжении приводит к ус­коренному износу двигателя. Следует отметить, од­нако, что благодаря разукрупнению подстанций и уменьшению протяженности линий электропередачи при концентрации сельскохозяйственного производ­ства этот недостаток ощущается все реже. В-третьих, из-за сезонности процессов или краткосрочности дей­ствия ряда механизмов в течение суток увеличива­ются сроки окупаемости электродвигателей и расхо­ды на их эксплуатацию.

Учет этих особенностей привёл к созданию Спе­циальных сельскохозяйственных электродвигателей. Они предназначены для работы на открытом возду­хе при температуре от -45 до +45°С и относитель­ной влажности до 95%, а также во всех сельскохо­зяйственных помещениях с содержанием в 1 м³ воз­духа до 1,16 г горючей соломистой или хлопьевид­ной пыли, до 0,03 г аммиака, до 0,03 г сероводорода и до 14,7 г углекислого газа. Двигатели устойчиво работают при воздействии струи дезинфицирующего раствора, воды под давлением до 1,5-10^-1 МПа и аэ­розолей при продолжительности экспозиции до 24 ч. Конструктивно они выполнены закрытыми, обдувае­мыми, химовлагоморозостойкими, защищены от по­падания внутрь воды, пыли и инородных предметов, с рабочими машинами соединяются эластичной муф­той, ременной или клиноременной передачей.

Сейчас промышленность освоила выпуск электро­двигателей новой серии 4А. И в этой серии преду­смотрены двигатели сельскохозяйственного назна­чения.

Для привода механизмов мощностью до 4 кВт в сельском хозяйстве применяют электродвигатели се­рии Д, не только имеющие сельскохозяйственную мо­дификацию, но и специально приспособленные для работы в птицеводческих помещениях.

Существуют электродвигатели для привода по­гружных насосов и электростригальных машинок. На­пример, для стригальных машинок предназначены электродвигатели мощностью 120 Вт, рассчитанные на обычную (50 Гц) и повышенную (200 и 400 Гц) частоту. Высокочастотные электродвигатели настоль­ко компактны, что их можно встраивать в ручку ма­шинки.

В электробытовых приборах и для привода неболь­ших вентиляторов используют однофазные электро­двигатели.

Многодвигательный регулируемый электропривод

Обеспечение режимов работы поточных линий приготовления и транспортировки кормов, перера­ботки сельскохозяйственных продуктов, автоматически управляемого отопительно-вентиляционного обору­дования и установок сельскохозяйственного водо­снабжения вызвало необходимость создания много­двигательного регулируемого электропривода. Пред­посылкой послужило то, что электродвигатели во мно­гих случаях органически сливаются с механической частью рабочей машины, а также входят в систему управления технологическими процессами. Это опре­деляет конструкцию и свойства современного элект­ропривода. В нем учитывают как особенности техно­логического процесса и рабочей машины, так и воз­можности (энергетические, эксплуатационные, орга­низационные) обслуживаемого сельскохозяйственного объекта.

Сложные многодвигательные системы с большим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов осуществляют автоматическое управление различными параметрами — производительностью, температурой, уровнем жидкости, влажностью и т. п. В перспективе они будут представлять собою опти­мальную комбинацию взаимосвязанных регулируемых электроприводов, которая обеспечит стабильные ре­жимы работы технологического оборудования при влиянии самых разнообразных факторов.

В сельскохозяйственных электроустановках целе­сообразны различные способы регулирования часто­ты вращения электродвигателей. Его можно произво­дить изменением приложенного напряжения к статору при помощи дросселей, тиристоров, автотрансформа­торов; изменением частоты питающего напряжения; применением многоскоростных двигателей с секцио­нированной статорной обмоткой.

Многодвигательный регулируемый электропривод создает оптимальные режимы работы, обеспечивает повышение к. п. д. установок, экономит электрическую энергию. Многодвигательный регулируемый электро­привод с тиристорным автоматическим управлением применен на агрегате по производству витаминизиро­ванных кормов. Многодвигательный регулируемый электропривод с системой автоматического управле­ния используют при дозировании кормов на комби­кормовых предприятиях, в комплектах электрообору­дования для создания благоприятного микроклимата на животноводческих фермах. В ближайшее время до 50% всех стационарных сельскохозяйственных машин будут выпускать с регулируемым электроприводом.

Загрузка рабочих машин

Для нормального функционирования систем электропривода и автоматизации поточных линий чрезвычайно важно обеспечить максимальное исполь­зование рабочих машин и резкое сокращение, а луч­ше всего полную ликвидацию их холостого хода.

Относительный удельный расход энергии Э_уд, от­несенный к полезной работе машины, определяют так:

,

где k_н = Р_рм/Р_д — коэффициент нагрузки; Р_рм — мощность, по­требляемая рабочим органом машины, кВт; Р_д — номинальная мощность электродвигателя, кВт; η_рм — к.п.д. рабочей машины при полной нагрузке; α — коэффициент, зависящий от типа и конструкции рабочей машины (α = 0,7...0,9); - коэффициент использования рабочей машины; t_M— машинное время, или время полезной работы машины, ч; t_х— время работы на холостом ходу, ч.

Когда машина работает без холостого хода (t_х = 0 и k_т = 1) и полностью загружена (k_н = 1), относитель­ный удельный расход энергии минимальный:

,

Зависимость удельного расхода энергии от нагруз­ки показывает коэффициент

Графическое изображение функции показано на рисунке 2. По приведен­ным кривым можно опреде­лить эффективность повы­шения нагрузки рабочих ма­шин и получаемую в резуль­тате этого экономию энер­гии.

Рисунок 2. Зависимость удельного расхода электроэнергии от нагрузки

Относительные затраты энергии ∆β па производст­во полезной работы при раз­личной нагрузке машины определяют по формуле

,

где - удельные расходы, %.

Абсолютную часовую экономию электроэнергии ∆Э(кВт·ч) подсчитывают по следующему выражению:

Пример. Определить экономию электроэнергии за смену (8 ч) от увеличения загрузки металлорежущего станка с 25 до 60% ( = 25%; = 60%) и при снижении продолжительности хо­лостого хода с 40 до 10% ( = 0,6 и = 0,9). Мощность элект­родвигателя Р_Д = 8 кВт.

По графику (рис. 2) для каждого из режимов нагрузки на­ходим значения коэффициентов:

для = 25% и = 0,6 = 190%;

для = 60% и = 0,9 = 108%.

Определяем ∆β = 190 -108 = 82%. Минимальный удельный расход энергии (при η_рм = 0,8 и α = 0,9)

Отсюда экономия энергии за 1 ч работы кВт·ч

Экономия энергии за 8 ч работы станка Э = 4,4 · 8 = 35,2 кВт·ч.

Для устранения межоперационных холостых ходов станочного оборудования применяют специальные ог­раничители. Устанавливают их там, где холостой ход длится более 10 с. Только при этом обеспечивается экономия электроэнергии. В противном случае мо­жет произойти перерасход энергии. Обычно вопрос о применении ограничителей решают после выполнения расчета, для которого исходными данными являются средняя мощность холостого хода, продолжительность межоперационного времени и число циклов работы.

На расход электроэнергии влияют и условия пуска электродвигателя. Известно, что пусковой ток асин­хронных короткозамкнутых двигателей в 6...7 раз пре­вышает номинальный. В условиях сельского хозяйст­ва тяжесть пуска усугубляется снижением напряже­ния. Причина этого в том, что повышение тока уве­личивает потери напряжения в проводах питающей линии. Естественно, что затяжной пуск двигателя мо­жет вызвать перегрев обмоток и связан с нерацио­нальным расходом энергии.

На практике электродвигатели иногда не имеют полной загрузки. Это происходит при неправильном расчете электропривода и недогрузке рабочей маши­ны. В том и другом случаях увеличивается удельный расход энергии на единицу полезной работы.

Электродвигатели, загруженные менее 45% номи­нальной мощности, целесообразно заменять. При за­грузке более 75% номинальной мощности электродви­гатели не заменяют. В диапазоне 45...75% номинальной мощности замену производят при подтверждении расчетом экономической целесообразности такой опе­рации.

Некоторые рекомендации

Правильная эксплуатация электропривода сельскохозяйственных машин и механизмов — круп­ный резерв экономии энергии. Можно рекомендовать следующие энергоэкономические мероприятия.

Тщательно следить за соответствием параметров электропривода характеристикам рабочих машин.

При загрузке электродвигателя ниже 45% заме­нять его на меньший по мощности.

При загрузке от 45 до 75% целесообразность за­мены устанавливать расчетом.

Сокращать холостой ход электродвигателей. При необходимости использовать ограничители холостого хода.

Применять многодвигательный и регулируемый электропривод, как наиболее экономный по расходу электроэнергии.

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Сельское хозяйство нуждается в огромном ко­личестве теплоты. На производственные и бытовые цели ежегодно затрачивают около 800 млн. т услов­ного топлива.

Крупным потребителем тепла является животно­водство. Например, свиноводческому комплексу на 54 тыс. голов необходимо иметь тепловой центр мощ­ностью 4,6 МВт и другое электрическое оборудова­ние мощностью 1,1 МВт. За год комплекс тратит 3,5 тыс. т условного топлива и 2,5 млн. кВт·ч элект­роэнергии. В перспективе намечено за счет электро­энергии покрывать 22,5% общего баланса энергетиче­ских потребностей сельского хозяйства.

Для получения тепла в последнее время вместо сжигания топлива стали широко применять электри­ческие элементные и электродные водонагревательные установки, электрокалориферы, нагревательные провода. В настоящее время годовое потребление электроэнергии электротермическими установками со­ставляет 20...25 млрд. кВт-ч. Электрические нагрева­тельные устройства имеют ряд преимуществ перед ог­невыми. Они удобны в эксплуатации, почти не тре­буют затрат труда, их легко автоматизировать.

С помощью электрических водогрейных и парообразовательных установок можно снабжать горячей во­дой и паром животноводческие фермы, подогревать воду для полива растений в закрытом грунте, удов­летворять технологическую и гигиеническую потреб­ность в тепле мастерских, гаражей и подсобных пред­приятий. Нагревательные провода могут быть ис­пользованы для обогрева полов в животноводческих помещениях, создания оптимального температурного ре­жима при выращивании молодняка, поддержания не­обходимой температуры в парниках и теплицах. Элек­тротепловые устройства облегчают вентиляцию и сушку зерна (особенно при неблагоприятной погоде), приготовление травяной и сенной муки.

В сельском хозяйстве России сейчас используют примерно 300 тыс. котлов, работающих на жидком и твердом топливе. Их обслуживает более 600 тыс. че­ловек. Перевод этих котлов на электроэнергию может дать большой экономический эффект. Высвободится обслуживающий персонал, повысится производитель­ность, более эффективно будут использоваться топ­ливные ресурсы. Последнее обусловлено возможно­стью вести подогрев воды в ночное время, когда по­требление электроэнергии резко снижается, и акку­мулировать ночью тепловую энергию с последующим расходованием ее днем. Опыт сооружения и эксплуа­тации электрокотлов и электрокотельных в нашей стране накоплен достаточный. Только в Краснояр­ском крае создано более 600 электрокотельных. Дли­тельный опыт эксплуатации подтвердил их преиму­щества и позволил высвободить 2000 человек для пе­ревода на другие сельскохозяйственные работы.

Применение электротепловых установок способст­вует более гибкому регулированию суточного графи­ка нагрузок энергосистем, повышает коэффициент использования мощности трансформаторных подстан­ций, увеличивает пропускную способность распреде­лительных сетей. Особенно это важно для промышленно развитых районов, где ночью потребление энер­гии резко снижается.

По сравнению с другими энергоносителями элект­рическая энергия позволяет снизить затраты туда, повысить его производительность, культуру, техниче­ский уровень, улучшить качество продукции и умень­шить загрязнение окружающей среды.

Электроустановки сопротивления прямого и косвенного нагрева

Электротермические установки по принципу работы подразделяют на аппараты непрерывного и периодического действия. В установках периодиче­ского действия последовательно чередуются опера­ции загрузки нагреваемого материала, нагрева до ко­нечной температуры и выгрузки.

По принципу нагрева установки подразделяют на приборы прямого и косвенного действия, В свою оче­редь, установки косвенного действия отличаются одни от других способом теплопередачи. Есть контактный, конвективный, лучистый и смешанный способы теп­лопередачи.

Электронагрев можно проводить разными способа­ми: сопротивлением, электрической дугой, индуциро­ванными токами, токами электрического смещения, инфракрасным излучением.

К установкам сопротивления прямого электрона­грева относят электродные водонагреватели, паровые котлы и парогенераторы, пастеризаторы, кормозапар­ники, стерилизаторы почвы.

К установкам косвенногоэлектронагрева относят элементные водонагреватели, калориферы, электриче­ские печи, электрообогреваемые полы, инфракрасные обогреватели.

Расход электроэнергии (кВт·ч) на нагрев воды в электродных нагревателях

,

где а₀— среднечасовой расход энергии на покрытие суммарных потерь тепла, кВт·ч; τ — продолжительность работы аппарата, ч; а₁ — полезный расход энергии на нагрей воды, кВт·ч; V — объем рабочей камеры нагревания, м³; t₁ — начальная температура во­ды, °С; t₂— конечная температура воды, °С.

Потери энергии зависят от слоя теплоизоляции ра­бочей камеры водонагревателя. Показателем состоя­ния теплоизоляции может служить температура его корпуса. Теплоизоляцию можно считать удовлетвори­тельной, если корпус снаружи нагрет не выше 20...25^oC.

За последние годы широкое распространение по­лучили электродные водогрейные котлы типа КЭВ, КЭВЗ, ЭЗП. Они предназначены для обогрева поме­щений и получения горячей технологической воды при работе в первичном контуре теплообменник) аппара­та. Открытый водозабор из котлов КЭВ возможен лишь при условии предварительной водоиодготовки или при использовании воды с температурой не вы­ше 60°С. Расход электроэнергии в таких котлах за­висит от качества воды. Номинальная мощность кот­ла рассчитана на воду с удельным электрическим сопротивлением 1000...3000 Ом·см при 20°С. При боль­шем удельном сопротивлении воды мощность котла резко снижается. Например, котел КЭВЗ-0,4 номи­нальной мощностью 25 кВт при использовании воды сопротивлением 5000 Ом-см потребляет всего 5 кВт с соответствующим уменьшением производительности.

С целью рационального и экономного расходова­ния электроэнергии котлы КЭВ агрегатируют с бака­ми-аккумуляторами горячей воды (рис. 3). Котел и бак устанавливают на разных уровнях так, чтобы во­да, нагретая в котле, поступала в бак за счет естест­венной циркуляции.

Рис. 3. Установка с проточным водогрейным котлом и баком-аккуму­лятором горячей воды:

1 — изолирующие вставки; 2 — водогрейный котел; 3 — трубопровод горячей воды; 4 и 8 — вентили;

5 — бак-аккумулятор; 6 — бачок с регулятором уровня;7 — тру­ба от водопроводной сети; 9 — терморегулятор

При использовании бака-аккумулятора удельный расход электроэнергии а (кВт·ч/м³°С)на нагрев воды определяют так:

a = P_cр/G,

где Р_ср — средняя за период нагрева воды в баке мощность котла, кВт; G— производительность котла, м³-°С/ч.

Производительность котла находят по выражению

,

где V— объем бака-аккумулятора, м³; τ — общее время (ч) на­грева воды в баке от начальной t₁ до конечной t₂температуры, °С.

Количество нагретой воды, а следовательно, и вы­бор нагревательных установок должен строго соответ­ствовать действующим нормам (табл. 12).

Таблица 12. Нормы расхода горячей воды и теплоты на молочных фермах

Отопление производственных помещений, в том числе и животноводческих, тепловую обработку кормов, пастеризацию молока, стерилизацию молочной посуды и почвы в теплицах ведут при помощи паро­вых котлов. Эти котлы, как правило, производят пар низкого давления (20...40 кПа) с температурой 105...110°С. Мощность котла Р(кВт) определяют по фор­муле

,

где G— производительность котла, кг/ч; i— теплосодержание пара, кДж/кг; λ — теплосодержание конденсата, кДж/кг.

В практических расчетах суточную потребность пара определяют по удельным нормам расхода (табл. 13).

Таблица 13. Нормы расхода пара на выполнение технологических процессов

В паровых котлах при работе по замкнутому цик­лу с возвратом конденсата для поддержания уровня содержания солей в воде периодически раз в несколь­ко дней проводят продувку. При работе с разомкну­тым циклом без возврата конденсата нарастание кон­центрации солей происходит очень быстро и для нор­мальной работы требуется ежедневная продувка кот­ла. Каждая продувка связана с большими потерями тепла (кДж):

Q = Mi_к ,

где М — количество котловой воды, выбрасываем.ой при продув­ке, кг; i_к — теплосодержание котловой воды, кДж/кг.

Чтобы уменьшить потери энергии, связанные с про­дувками, следует предварительно умягчать воду и от­давать предпочтение режимам замкнутого цикла ра­боты.

В сельском хозяйстве наибольшее распростране­ние получил косвенный нагрев. Установки косвенного нагрева безопасны в эксплуатации, не требуют по­стоянного обслуживания, позволяют легко регулиро­вать мощность нагрева. Нагреватель этих установок представляет собой высокоомное сопротивление, снаб­женное устройствами для электроизоляции, защиты от механического повреждения, крепления и подвода тока. Конструкции нагревателей весьма разнообразны и за­висят, главным образом, от назначения и мощности. Открытые нагреватели применяют в электрических печах, электробрудерах, калориферах, обогревателях почвы в парниках. Закрытые нагреватели имеют ко­жух, защищенный от механических воздействий, на­греваемой среды, воздуха.

Трубчатые электронагреватели (ТЭН) чаще всего изготовляют герметическими. Их применяют в водо­нагревателях, калориферах, установках лучистого на­грева, электрообогреваемых полах и т. п. Промышлен­ность выпускает ТЭНы мощностью от 15 Вт до 15 кВт, развернутой длиной от 250 до 6300 мм, наружным диаметром от 7 до 19 мм, номинальным напряжени­ем от 12 до 380 В, в одно- или трехэлементном ис­полнении. Удельная нагрузка нагревания зависит от его условий работы, материала трубки и наполни­теля (табл. 14).

Таблица 14. Допустимые нагрузки на трубчатые электронагреватели

На практике часто применяют элементные водо­нагреватели-термосы типа ВЭТ и УАП. Водонагрева­тели ВЭТ используют для снабжения горячей водой сравнительно мелких разбросанных потребителей, где особо важны требования к электробезопасности. В во­донагревателях-термосах тепловая изоляция обеспе­чивает длительное поддержание температуры нагре­той воды. Электрическая схема аппарата обеспечива­ет его автоматическое отключение при достижении заданной температуры воды.

Водонагреватели УАП применяют для подогрева воды в системах автопоепияживотных и полива рас­тений в теплицах и парниках. Температура воды под­держивается автоматически.

Трубчатыми нагревателями оснащены проточные водонагреватели типа ЭПВ-2А. Их корпус имеет двой­ные металлические стенки. Производительность ап­парата 120 л/ч при температуре воды 90°С, мощность 12 кВт. Схема автоматики позволяет вести двухпози-ционное регулирование температуры входной воды путем отключения и включения нагревателей.

Наличие совершенной автоматики включения и от­ключения электроводонагревателей с аккумуляцией тепла позволяет планировать их работу по принуди­тельному графику в часы наименьших нагрузок энер­госистемы. Привязка к конкретному технологическо­му процессу дает возможность снизить единичные мощности и повысить коэффицент использования авто­матизированных электроводонагревательных устано­вок.

Выпускаемые промыш­ленностью нагреватель­ные провода ПОСХП и ПОСХВ представляют со­бою стальную оцинкован­ную проволоку диамет­ром 1,1 мм, заключен­ную в полиэтиленовую (ПОСХП) или полихлор­виниловую (ПОСХВ) изо­ляцию с наружным диаметром соответственно 2,2 и 2,9 мм. Оптимальные токи для этих проводов равны соответственно 7,8 и 9,2 А, а удельные мощ­ности — 11 и 16 Вт на каждый метр длины.

В мастерских, на пред­приятиях Госкомсельхозтехники используют различ­ные электропечи сопротивления. Расход электроэнер­гии (кВт·ч) в этих печах

Э = α₀τ + α₁g + α₂ ,

где α₀— среднечасовой расход энергии на покрытие суммарных потерь тепла, кВт·ч; α₁ — полезный расход электроэнергии на нагрев металла за 1 садку, кВт·ч; g — масса садки, т; α₂ — рас­ход электроэнергии на нагрев тары, кВт·ч; τ — продолжитель­ность нагрева, ч.

Снижение удельных расходов электроэнергии на термообработку может быть обеспечено уменьшением тепловых потерь и улучшением теплоизоляции печей, повышением их производительности, рационализаци­ей электрических и технологических режимов работы.

Основные тепловые потери происходят через стен­ки и под печи. Если тепловая изоляция удовлетвори­тельна, то при рабочей температуре 700...800°С тем­пература кожуха печи не должна превышать 40°С, а при рабочей температуре 800...1200°С—50°С (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тепловых потерь печи от температуры ее кожуха:

1 — для кожуха, окрашенного тем­ной краской; 2 — для кожуха, окрашенного алюминиевой краской

Известным резервом экономии энергии является устранение неплотностей в загрузочных дверцах, от­верстиях для термопар, кирпичной кладке и т. п. Этим можно сэкономить за год на одной печи 15...20 тыс. кВт·ч.

Электросварочные установки

Установки электроду­гового нагрева широко используют при электро­сварке. В сельском хозяй­стве электросварочное оборудование нашло рас­пространение в ремонт­ных мастерских и в стро­ительстве.

К основным параметрам электрической дуги отно­сят вольт-амперную характеристику, выражающую за­висимость напряжения от тока (рис. 5). При сварке наибольшее значение имеет область II, когда напря­жение дуги с увеличением тока почти не изменяется. Область III, отличающуюся увеличением напряжения при возрастании тока, используют при сварке под флюсом.

Рис. 5. Статическая вольт-ам­перная характеристика элек­трической дуги

Источниками сварочного тока могут быть свароч­ные трансформаторы напряжением 380/60...75 В, сва­рочные выпрямители, осцилляторы.

При ручной дуговой сварке удельный расход элект­роэнергии (кВт·ч/кг)

,

гдеС — коэффициент, учитывающий потери холостого хода ис­точника питания. При переменном токе и при питании аппарата через сварочный трансформатор и отключении его на холостом ходуС = 1. На постоянном токе C = l,17; U— напряжение сва­рочной дуги, В; k_n— коэффициент наплавки. При электросвар­ке на переменном токе электродами с толстым покрытием k_n= 6...18 г/(А·ч); η — к.п.д. источника питания.

Расход электроэнергии при контактной сварке за­висит от площади поперечного сечения в месте свар­ки (табл. 15).

Таблица 15. Удельный расход электроэнергии при стыковой контактной сварке

Для экономии электроэнергии при сварке важно выбрать правильную технологию проведения работ. Для этого применяют электроды с покрытием, содер­жащим железный порошок. Они позволяют увеличить коэффициент наплавки k_nдо 12...20 г/(А·ч), то есть снизить удельные расходы электроэнергии примерно на 8%.

При большом объеме сварочных работ значитель­ную экономию обеспечивает сокращение холостого хода сварочных агрегатов, что производят специаль­ные ограничители. Как показывает опыт, это меро­приятие обеспечивает на каждую установку эконо­мию электроэнергии в размере 6...20 тыс. кВт·ч в год.