Єлектропотребление електротехнічних систем
Проблеми правильної оцінки єлектропотребления й максимального електричного навантаження підприємств, організацій, установ, житлових будинків завжди були найважливішими для їхнього проектування й експлуатації. Так, при проектуванні необхідно правильно оцінити максимальні розрахункові навантаження як у цілому по об'єкті (для приєднання до енергосистеми), так і на різних рівнях системи внутрішнього електропостачання (трансформаторні підстанції, розподільні пристрої, окремі кабельні лінії). По цих навантаженнях вибирають все електроустаткування, тому вони не повинні бути перевищені в процесі експлуатації. У той же час невиправдане завищення розрахункових навантажень приводить до збільшення вартості електроустаткування. Отже, навантаження повинна бути розрахована як можна більш точно.
Слід зазначити, однак, що на стадії проектування ці розрахункові навантаження не можуть бути отримані по характеристиках технологічного встаткування (єлектроприемников). На це є ряд причин:
а) попередня оцінка навантаження для рішення питань приєднання до енергосистеми повинна бути визначена ще на предпроектной стадії, в умовах мінімуму вихідної інформації, без трудомістких розрахунків;
б) повний перелік єлектроприемников і їхні характеристики можуть бути невідомі або мінятися в процесі проектування;
в) навіть якщо перелік всіх приймачів відомий, то безліч одиниць устаткування (їхнє число важко визначити навіть на об'єкті середньої величини) і розмаїтість режимів їхньої роботи не дозволяють точно визначити створювану ними навантаження в різні моменти часу.
Таким чином, безліч єлектроприемников кожної організації (підприємства) створює електротехнічну систему, характеризуемую узагальненими параметрами електричного навантаження (єлектропотребления).
Для оцінки цього навантаження, з обліком перерахованих вище причин, завжди використовували деякі узагальнені показники, коефіцієнти, питомі навантаження й питомі витрати електроенергії, отримані на аналогічних реальних підприємствах і в організаціях, у процесі їхньої експлуатації. Так, в «Довіднику по електропостачанню й електроустаткуванню» під загальною редакцією А.А.Федорова (в 2 т.; М.: Єнергоатомиздат, 1987) наведені розрахункові питомі навантаження суспільних будинків. Для лікувальних установ дані наступні показники питомого навантаження у кВт на 1 ліжко-місце:
Лікарні хірургічного профілю з харчоблоком 0,7
Хірургічні корпуси лікарень 2,5
Лікарні баклаги з харчоблоками 2,2
Дитячі лікарні з харчоблоками 0,3
Терапевтичні корпуси лікарень 0,45
Терапевтичні корпуси дитячих лікарень 0,3
Для поліклінік даний норматив 0,15 кВт на 1 відвідування в зміну. Удома відпочинку, пансіонати, профілакторії (без їдалень) розраховували на питоме навантаження 0,35 кВт на 1 місце. Аналогічні питомі показники були визначені для підприємств громадського харчування (кВт/місце), магазинів різного профілю й аптек (кВт/м2 торговельного залу), шкіл і ПТУ (кВт/учня), навчальних і лабораторних корпусів вищих і середніх спеціальних навчальних закладів (кВт/м2 корисної площі) і т.д.
Ті ж питомі навантаження, без яких-небудь коректив, рекомендовані Госєнергонадзором РФ в «Тимчасовій методиці проведення енергетичних обстежень адміністративних і суспільних будинків» (затверджена 10 квітня 2001 р.).
Наведений приклад даних по лікарнях викликає ряд питань: чому баклаги лікарні мають значно більший норматив, чим хірургічного профілю? чому терапевтичні корпуси дитячих лікарень мають навантаження в 1,5 рази менше, ніж дорослих? Але, навіть приймаючи ці дані, не можна не враховувати, що вони отримані на початку 1980-х років, більше 20 років тому, і з урахуванням росту енергооснащеності лікарень і інших суспільних будинків, повинні бути переглянуті. А більше нові, достовірні нормативи можуть бути розроблені тільки на основі реальних даних по діючих установах, отриманим у процесі експлуатації.
Відзначимо також, що розрахункове навантаження (максимальна потужність Рм) може бути визначена по загальному єлектропотреблению (наприклад, річному А) об'єкта:
Рм = А / Тм ;
або по питомих нормативах витрати електроенергії Ауд на одиницю продукції або на інший показник роботи установи (на ліжко-місце, на що вчиться або т.п.):
Рм = Ауд ? М / Тм ,
де Тм - річне число годин використання максимуму навантаження; М - річний обсяг випуску продукції або відповідний показник роботи установи- . Число годин використання максимуму навантаження залежить від режиму роботи установи і його характерного графіка навантаження. Таким чином, одержувані в процесі експлуатації дані про загальні й питомі витрати електроенергії також може бути використані в проектуванні електропостачання.
Якщо завдання проектування виникають періодично, при будівництві нових або розширенні існуючих об'єктів, то завдання експлуатації вирішуються щодня на тисячах об'єктів. І однієї з таких завдань є визначення максимальних електричних навантажень, загальних і питомих витрат електроенергії на різних рівнях систем електропостачання, на різних тимчасових інтервалах. Мети визначення цих показників різноманітні, умовно їх можна розділити на дві більші групи:
1) для рішення питань із енергопостачальною організацією;
2) для ведення режимів і енергозбереження усередині підприємства.
Розглянемо докладніше кожне із цих напрямків. При укладанні договору з енергопостачальною організацією будь-який споживач (юридична особа - підприємство, організація) зобов'язаний погодити з нею обсяги свого єлектропотребления й максимальну потужність. Споживач заявляє необхідні йому обсяги й потужність по місяцях на рік уперед, а енергопостачальна організація, виходячи зі своїх можливостей і балансів, погоджує ці величини або знижує їх. Таким чином, підписуючи договір енергопостачання, обидві сторони беруть на себе зобов'язання: енергопостачальна організація - подавати електроенергію в передбаченому договором кількості й з дотриманням режиму подачі; споживач - дотримувати режиму споживання й оплачувати електроенергію.
За недотримання режиму споживання, перевищення або заниження договірних обсягів єлектропотребления або заявленої потужності до споживача можуть бути застосовані штрафні санкції. Тому правильне визначення цих величин надзвичайно важливо для споживача. У цей час ця проблема стає ще більш актуальною. Перехід на нові відносини в електроенергетиці, можливість для споживача висновку прямих договорів з незалежними компаніями, що генерують, і єнергосбитовими організаціями, виходу на оптові й роздрібні ринки електроенергії, висновку окремих договорів з єлектросетевими компаніями тільки посилюють вимоги до точності розрахунку показників єлектропотребления. Тимчасові інтервали теж зменшуються й мова може йти вже про тижневі, добові й погодинні заявки споживання електроенергії.
Ще раз підкреслимо, що всі питання прогнозування й заявки обсягів єлектропотребления (потужності навантаження) покладені на споживача. Енергосистема або компанії, що генерують, лише враховують ці обсяги у своїх балансах, використовуючи й інші методи прогнозу режимів своєї роботи, придатні для енергосистеми в цілому. Якщо споживач неправильно оцінив свої параметри єлектропотребления, то він зазнає збитків через штрафні санкції або через покупку електроенергії за завищеними цінами в нерегульованому секторі ринку.
Необхідність дотримання договірних величин єлектропотребления неминуче спричиняє необхідність установлення норм і регулювання режимів споживання електроенергії усередині підприємства (установи), для його окремих підрозділів. Правильне встановлення норм стимулює енергозбереження, дозволяючи знижувати витрати на оплату електроенергії. Способи такого нормування можуть бути різні й визначаються залежно від профілю й режиму роботи установи.
Однак при визначенні показників єлектропотребления як для енергопостачальної організації, так і для внутрішніх цілей, виникає та ж проблема, що й при визначенні розрахункових навантажень на стадії проектування: сучасна установа або підприємство стала складною електротехнічною системою із практично непідраховуваним числом єлектроприемников. Безліч одиниць устаткування й розмаїтість режимів їхньої роботи не дозволяють точно визначити створювану ними навантаження і їх загальне єлектропотребление (навіть при повній інформації про їхню номінальну потужність).
Характерний приклад: проживаючи у квартирі й щомісяця оплачуючи електроенергію, ми приблизно представляємо величину щомісячного єлектропотребления. У той же час спроба скласти повний перелік електроустаткування у квартирі, із вказівкою номінальної потужності, коефіцієнта завантаження й числа годин роботи на місяць викличе непереборні труднощі й зажадає безлічі допущень. Виконавши такий розрахунок на місяць із безліччю спрощень і допущень, ми не зможемо одержати реальну величину єлектропотребления, що показав лічильник. А чи зможемо ми пророчити, на скільки зміниться єлектропотребление за рахунок святкування Нового Року, включення гірлянд і т.д.?
Таким чином, при дослідженні роботи окремого єлектроприемника (двигуна, печі, насоса й т.п.) ми можемо розрахувати його характеристики, КПД, коефіцієнт завантаження, споживану потужність. Але вже розрахунок споживання електроенергії за виділений інтервал часу зажадає інформації про сталість або зміну його навантаження, тривалості роботи при різних навантаженнях. Тому й при розрахунку показників єлектропотребления по об'єкті в цілому (цеху, відділу, організації, підприємству) ми не можемо опиратися на окремі єлектроприемники - занадто багато невизначеної інформації нам буде потрібно.
У той же час на діючих об'єктах, у процесі експлуатації статистичні дані по загальному єлектропотреблению об'єкта вже включають весь спектр режимів роботи встаткування. Фактично це експериментальні дані, отримані в умовах випуску певної кількості продукції. При цьому працювало саме те встаткування й саме в тих режимах, які необхідні для випуску цієї кількості продукції у відповідній кількості. Тому широко поширені статистичні методи одержання залежностей (як правило, регресійних) загальних або питомих витрат електроенергії від обсягу випуску продукції (або від інших факторів, що значно впливають на єлектропотребление), статистичні методи прогнозування єлектропотребления. Такі інженерні завдання постійно зважуються на багатьох підприємствах, при єнергоаудите, енергетичному моніторингу. Одержувані по моделях показники використовуються для планування роботи підприємств і для визначення виробничих показників, до виконання яких повинен прагнути технологічний персонал цехів і підрозділів з метою одержання економії електроенергії.
Підкреслимо, що регресійні моделі, одержувані на одному об'єкті за статистичним даними за ряд інтервалів часу, придатні тільки на цьому ж об'єкті, при незначній зміні умов роботи, і на певний інтервал попередження. Не можна перенести ці моделі на інше підприємство, що випускає аналогічну продукцію, оскільки безліч умов, що виступають у моделі в неявному виді (коефіцієнти регресії), різняться - наприклад состав і режими роботи технологічного встаткування, сировина, сортамент продукції й ін. Це й визначає той факт, що в реальності питомі витрати електроенергії на одиницю однієї й тієї ж продукції можуть різнитися в 2-3 і більше раз. Аналогічно, умови роботи об'єкта, для якого були отримані моделі, постійно міняються, тому регресійні моделі повинні постійно перераховуватися при надходженні нових статистичних даних. Тому в наукових працях такого напрямку важливі не самі рівняння регресії або отримані значення коефіцієнтів, а вибір математичного апарата одержання моделей, вибір видів продукції при байстрюкові виробництві, дослідження факторів, що впливають на залежності, визначення оптимальних обсягів вибірки, періодів попередження й ін.
Однак якщо в промисловості такі методи розрахунку стали досить звичайними, то стосовно до установ і організацій вони розвинені недостатньо. Наприклад, у ході роботи з Міністерством охорони здоров'я РФ з'ясувалося, що ніяких нормативів при визначенні планових показників витрати електроенергії для установ не існує, ліміти єлектропотребления розподіляються міністерством, в основному, за заявками установ. Це приводить до неефективного розподілу бюджетних грошей, оскільки в ряді установ фактичні показники виявляються значно нижче планових, а в інші - навпаки. Тут необхідно було рішення принципове нового завдання - розробка нормативів по групі установ, об'єднаних одною адміністративною системою.
Установи охорони здоров'я в цей час являють собою складні електротехнічні системи, з безліччю одиниць найрізноманітнішого єлектропотребляющего встаткування. І також неможливо оцінити весь состав цього встаткування й все різноманіття режимів його роботи. Спроба виділення якихось характерних приймачів, які визначали б режим єлектропотребления по певних групах установ, не увінчалася успіхом - устаткування многообразно, його кількісний і якісний состав зовсім різний (так, наприклад, потужність широко розповсюджених у лікувальних установах рентгенівських апаратів варіюється від 0,5 до 100 кВт). Найбільш енергоємним є господарське встаткування - насоси, компресори, водонагрівачі, автоклави, сушильні шафи, електричні плити, холодильники й ін. Наявність або відсутність, наприклад, ліфта не позначається визначальним образом на єлектропотреблении, оскільки його потужність у десятки разів менше загальної встановленої потужності єлектроприемников. На состав устаткування й інтенсивність його використання впливає безліч самих різних факторів, формалізувати які не представляється можливим.
Тому завдання нормування й лімітування зважувалися на основі наявної статистики місячного й річного єлектропотребления по установах, отриманої в реальних режимах роботи. Це дозволяє врахувати й енергооснащеність установи, і інтенсивність його роботи, і ряд інших факторів. Состав устаткування в кожній установі міняється поступово, повне переозброєння відбувається рідко, тому єлектропотребление рік у рік змінюється незначно - проявляється стійкість єлектропотребления.
Оскільки состав устаткування не формалізуємо, то визначальними єлектропотребление факторами повинні стати деякі «технологічні» фактори, що визначають розміри й параметри роботи установ. Саме такі завдання вирішуються при статистичному визначенні залежностей. Для установ Мінздраву були обрані 4 основних показники, що відбивають роботу установи, які включені в щорічну статистичну звітність (що особливо важливо, тому що вони добре зрозумілі персоналу і їхньому одержанню не вимагає додаткових трудозатрат). Це число штатних одиниць, кількість ліжко-місць, ліжко-днів і пролікованих хворих. Дані за всіма показниками кожної установи включені в інформаційну базу, що постійно поповнюється. Залежно від розв'язуваного завдання в моделях використовуються ті або інші показники, або їхньої комбінації. Відзначимо, що якщо перші два показники по роках змінюються мало, даючи базову характеристику об'єкта, те два інші характеризують роботу установи саме цього року й впливають на зміні нормативів.
Оскільки установи, підлеглі Мінздраву РФ, займаються різними видами діяльності, то серед них було виділено три основні групи: лікувальні установи, санаторії й органи санепіднагляду. На першому етапі найбільш повна інформація була зібрана по санаторіях, тому розроблялися нормативи єлектропотребления по цій групі. Надалі робота проводилася для лікувальних установ, і тут довелося використовувати інші методи аналізу й нормування, хоча суть підходу залишилася та ж.
Принципово новим тут є те, що всі установи входять в одну систему більше високого рівня - міністерство, що, безсумнівно, впливає на всі об'єкти, хоча б через систему планування й лімітування. Тому сукупність санаторіїв (або лікувальних установ) являє собою співтовариство слабосвязанних і слабовзаимодействующих об'єктів (техноценоз). Зв'язки слабкі, проте вони є.
Для міністерства ідеальним інструментом планування була б норма єлектропотребления на одне ліжко-місце або один ліжко-день. Такий підхід сходить до радянської системи планування й дуже зручний для чиновника. Однак у житті цього бути не може, саме через вплив безлічі факторів, про які говорилося вище. Різні й рівні медичного обслуговування, і розмір установ, і встаткування. Тому можуть бути тільки виділені групи однорідних установ із близькими показниками, і вже для цих груп розроблені моделі єлектропотребления або нормативи (у функції виділених змінних). Для поділу установ на групи використовуються статистичні методи, рангові розподіли, методи класифікації (методи кластер-аналізу). Не можна заздалегідь пророчити чисельний і якісний состав груп - все залежить від розв'язуваного прикладного завдання. Ряд установ не попадають у групи, образуя окремі кластери - це означає, що умови їхньої роботи, устаткування нестандартні, і нормативи для них повинні бути індивідуальні. Саме ці установи повинні в першу чергу піддаватися енергетичним обстеженням (єнергоаудиту) з метою виявлення причин завищеної або заниженої витрати енергії. Неможливість і недоцільність проведення єнергоаудита всіх установ міністерства вимагає виділення саме першочергових об'єктів з більшим потенціалом енергозбереження.
Таким чином, на основі статистичних даних по єлектропотреблению й показниках роботи установ охорони здоров'я вирішені завдання віднесення кожної установи до певної характерної групи, розроблені нормативи єлектропотребления для цих груп однорідних об'єктів. На цій основі міністерством плануються обсяги єлектропотребления установам на майбутній рік або коректуються протягом року. По закінченні року проводиться оцінка витрати електроенергії з урахуванням показників діяльності установи. Нормативи повинні щорічно переглядатися на основі поповнення бази даних.
Вивід. Проблеми визначення параметрів єлектропотребления підприємств і організацій як електротехнічних систем як і раніше актуальні. Вони не можуть бути вирішені раз і назавжди, оскільки самі параметри постійно змінюються під впливом безлічі різних факторів. Складність і різноманіття цих проблем, виникнення нових об'єктів дослідження вимагають рішення нових теоретичних і прикладних завдань, що ставляться до електротехнічних комплексів і систем. Використання традиційних і нових математичних методів не є самоціллю, а служить рішенню цих завдань.