Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор и анализ работ по вопросам синтеза оптимальной структуры системы электроснабжения 9
1.1. Метод линеаризации функции расчетных затрат и возможность его использования для оптимизации систем электроснабжения при проектировании 9
1.2. Метод оптимизации цеховой электрической сети 13
1.3. Методы оптимизации систем внешнего и внутризаводского электроснабжения 16
1.4. Методы оптимизации систем внешнего электроснабжения промышленного района 20
1.5. Обоснование темы, цели и задачи диссертационной работы 21
Глава 2. Исследование структурных связей и закономерностей формирования системы электроснабжения промышленного района 32
2.1. Роль, место и особенности системы электроснабжения промышленного района
2.2. Определение численности промышленно-производст-венного персонала
2.8. Определение численности населения промышленного района и его селитебной зоны
2.4. Электрическая нагрузка промышленного района w
2.5. Общая характеристика исходных данных для синтеза структуры системы электроснабжения промышленного района на предпроектной стадии
2.6. Выводы по главе 2
Глава 3. Синтез оптимальной цеховой и внутризаводской электрической сети 53
3.1. Общие положения
3.1.1. Характеристики цеховой электрической сети. Задачи проектирования 54
3.1.2. Исходные данные и основные обозначения 55
3.1.3. Формулировка и обоснование принимаемых допущений 57
3.1.4. Определение суммарной длины цеховой электрической сети 60
3.2. Разработка и исследование экономико-математической модели распределительной цеховой электрической сети 68
3.2.1. Цеховые распределительные сети, выполненные кабельными линиями 66
3.2.2. Цеховые распределительные сети, выполненные ши-нопроводами
3.3. Разработка и исследование экономико-математической модели цеховой магистральной электрической сети
3.3.1. Цеховая магистральная электрическая сеть, выполненная по радиальным схемам
3.3.2. Цеховые электрические сети при магистральной схеме питания ТП
3.3.3. Магистральная цеховая электрическая сеть, выполненная шинопроводом
3.3.4. Цеховые радиальные электрические сети
3.4. Разработка и исследование экономико-математической модели внутризаводской электрической сети 110
3.4.1. Определение оптимального числа магистральных линий, заменяющих радиальные линии
3.4.2. Определение рационального напряжения с применением метода линеаризации функции затрат и интерполяционной теории Лагранжа 119
3.4.3. Оценка оптимального числа ПШ промышленного предприятия 130
3.5. Выводы по главе 3 138
Глава 4. Синтез оптимальной городской электрической сети 140
4.1. Определение суммарной длины петлевой линии до в городской электрической сети 140
4.2. Оптимальная мощность трансформаторной подстанции городской распределительной электрической сети 144
4.3. Определение оптимальной мощности городской подстанции глубокого ввода 150
4.4. Выводы по главе 4 160
Глава 5. Синтез оптимального внешнего электроснабжения промышленного района 162.
5.1. Технико-экономическое сопоставление двух вариантов внешнего электроснабжения промышленного предприятия 62
5.2. Технико-экономическое сопоставление трех вариантов внешнего; электроснабжения промышленного района
5.3. Выводы по главе 5
Основные результаты и выводы по диссертации
Литература. 186
Приложение 194
- Метод линеаризации функции расчетных затрат и возможность его использования для оптимизации систем электроснабжения при проектировании
- Роль, место и особенности системы электроснабжения промышленного района
- Формулировка и обоснование принимаемых допущений
- Определение суммарной длины петлевой линии до в городской электрической сети
Введение к работе
В Сирийской Арабской Республике (САР) после достижения политической независимости были созданы принципиально новые условия для применения планирования как метода преодоления экономической отсталости. Таким образом, планирование предназначено быть наиболее полной формой выражения политики государственного регулирования, направленной на решение общенациональной задачи преодоления экономической отсталости и достижения подлинной самостоятельности.
В ходе исторического развития САР был накоплен большой опыт планирования, включающий составление программ плановых капиталовложений в отдельные проекты, разработку текущих, кратко-и среднесрочных планов развития отдельных отраслей хозяйства, преимущественно содержащих количественные оценки объема капиталовложений в крупные объекты и целые отрасли, а также переход к составлению долгосрочных программ в масштабе всего хозяйства.
В планах экономического развития намечается широкая программа изменения отраслевой структуры производства в направлении ускоренного развития отраслей материального производства, и в первую очередь, промышленного, с целью увеличения их удельного веса в стоимости всего общественного продукта. Это диктуется тем, что САР тщательно проводит изучение природных богатств районов и роста потребности страны в различных видах природного сырья и стремится вовлечь в народнохозяйственный оборот новые его источники.
Важно отметить, что на базе крупных месторождений полезных ископаемых и сельскохозяйственного сырья формируются промышленные узлы и территориально-производственные комплексы, включение которых в план экономического развития имеет важное значение для дальнейшей индустриализации страны. Это в свою очередь, требует все больших затрат на проектирование, строительство и эксплуатацию планируемых объектов.
Расчеты по определению экономической эффективности капитальных вложений, при планировании и строительстве промышленных районов, должны проводиться на всех стадиях и этапах проектирования и строительства.
В силу разнонаправленного и разномасштабного влияния факторов на полные капитальные вложения и объемы поставок основного оборудования, необходимого для строительства и эксплуатации планируемых промышленных районов в диссертационной работе рассматривается вопрос оценки объема капиталовложений на элементы системы электроснабжения (СЭС), исходя из определения ее рациональных параметров на начальных стадиях проектирования, т.к. система электроснабжения является одним из основных влияющих факторов на формирование и развитие промышленного района, в который вкладываются большие материальные и денежные средства. Для того, чтобы эти средства были рационально использованы, следует руководствоваться следующим:
1) применять не только технически правильные, но и экономически целесообразные решения СЭС;
2) минимизировать сроки проектирования и строительства и определить оптимальные сроки полезного использования построенного объекта.
Следовательно, все более остро встает вопрос создания рациональных систем электроснабжения и улучшения качества проектных решений.
Создать оптимальную СЭС промышленного района - значит выбрать оптимальный уровень напряжения, установить рациональное число и мощности трансформаторных подстанций, правильно разместить их по территории предприятий и жилых районов, рационально выбрать конфигурацию схем электроснабжения, т.е. принять верное решение по выбору оптимальных параметров элементов СЭС... "
В самом общем виде процесс проектирования любого объекта, системы может быть представлен состоящим из четырех основных этапов:
1) постановка задачи или так называемое "внешнее проектирование", определение свойств и характеристик будущей системы, ориентировочная оценка стоимости проектирования, производства и эксплуатации будущей системы;
2) синтез проекта, в сущности это формирование вариантов системы из отдельных элементов;
3) анализ вариантов. На этом этапе производится окончательный расчет всех синтезированных элементов системы;
4) выбор наилучшего варианта по одному (в общем случае - нескольким) критерию.
Научно обоснованное создание оптимальных СЭС промышленного района ускорит электрификацию народного хозяйства, повысит ее эффективность и не будет сдерживать рост промышленного производства. Поскольку основные капитальные затраты идут на сооружение линий, подстанций и распределительных устройств, то выбор оптимальных параметров линий, трансформаторных подстанций и РУ - важная народнохозяйственная задача.
Принятый вариант должен быть эффективен не только,для данной отрасли, или тем более предприятий, но и для народного хозяйства в целом. Любое техническое решение должно проводиться в жизнь после того, как оно проверено с точки зрения его экономической целесообразности.
Особенно важно на начальных стадиях проектирования (при минимальной исходной информации) разрабатывать методы комплексной технико-экономической предпроектной оценки систем электроснабжения промышленного района и выявить при этом закономерность формирования структуры систем электроснабжения промышленного района. Необходимо также разрабатывать приближенные способы расчетов и рекомендацїїй, которые дают возможность на первых стадиях проектирования систем электроснабжения наметить 2-3 (заведомо близких к оптимальному) варианта построения сети промышленного района, повысить качество проекта, сократить сроки проектирования, обеспечить в условиях эксплуатации сети минимальные затраты проводникового материала и потери электроэнергии при эффективном использовании капиталовложений в промышленную энергетику, отказаться от выполнения громоздких технико-экономических расчетов (ТЭР), а также определить важнейшие технико-экономические показатели, такие как: капиталовложения, номенклатуру и потребности в определенных видах электрооборудования, годовые эксплуатационные издержки и ряд других.
Внедрение мощных ЭВМ в практику проектирования СЭС дает возможность:
1) провести большой объем вычислительных работ;
2) сравнить множество вариантов;
3) резко повысить производительность труда;
4) выбрать оптимальные параметры элементов систем электроснабжения.
Если говорить конкретно об автоматизации проектирования СЭС, то здесь первоочередной задачей является разработка простых алгоритмов, описывающих отдельные этапы проектирования и весь процесс в целом, и позволяющих создать простые математико-экономические модели распределительной сети как основы оптимизации проектирования.
В диссертационной работе впервые в комплексе рассматриваются задачи разработки математико-экономических моделей оптимизации систем электроснабжения промышленного района на начальных стадиях проектирования с использованием метода линеаризации функции приведенных затрат на элементы СЭС.
Метод линеаризации функции расчетных затрат и возможность его использования для оптимизации систем электроснабжения при проектировании
Систему электроснабжения заводов, фабрик и комбинатов принято делить на внешнее электроснабжение и внутреннее [17,18,19], поэтому в технико-экономических расчетах систем электроснабжения существует тенденция раздельной оптимизации внешнего и внутреннего электроснабжения. Например, определяется рациональное напряжение внутреннего и внешнего электроснабжения.
Можно раздельно оптимизировать систему внешнего и внутреннего электроснабжения, если задаться условием обязательной связи их через трансформаторную подстанцию. Под внутренним электроснабжением понимается распределительная сеть, связываются основные потребители электроэнергии (двигатели, выпрямительные агрегаты и установки, электротермические установки, цеховые подстанции и т.п.) с главными понизительными или распределительными подстанциями. Параметры системы электроснабжения (напряжение, конфигурация, число трансформаторных подстанций) во многом зависят от того, сколько предполагается главных понизительных или распределительных подстанций разместить на территории промышленного предприятия, т.е. возникает вопрос о выборе рационального числа и мест размещения источников питания. Электроснабжение нескольких нагрузок из одного центра возможно осуществить по радиальной, магистральной или смешанной схеме, т.е. возникает вопрос "выбора конфигурации сети системы электроснабжения" . В работах проф.Федорова А.А. [17,18,19] впервые поставлены и решены вопросы выбора рационального напряжения с Іуїочнением его величины в соответствии с интерполяционными методиками Лагранжа и Ньютона, а также вопросы выбора оптимального сечения проводов ижил кабелей по минимуму приведенных затрат. Подстанция (главная понизительная ЗИП, главная распределительная ГРП, цеховая трансформаторная ТП) является одним из основных звеньев системы электроснабжения любого промышленного предприятия. Поэтому оптимальное размещение подстанций на территории промышленного предприятия - важнейший вопрос при построении рациональных систем электроснабжения. В настоящее время имеется ряд математических методов, позволяющих аналитическим путем определить центр электрических нагрузок (ЦЭН) как отдельных цехов, так и всего промышленного предприятия. Первый метод [17,55,56] использует допущение о том, что ЦЭН является центром тіжести фигуры, образованной генпланом предприятия с нанесенной на нем картограммой электрических нагрузок и является приближенным. Второй метод [59], являющийся разновидностью первого, учитывает не только электрические нагрузки потребителей электрической энергии, но и продолжительность ( ТІ ) работы этих потребителей в течение расчетного периода времени.
Третий метод [58], согласно которому рациональное размещение ГПП, ГРП или ТП должно соответствовать минимуму приведенных годовых затрат, предусматривает для определения электрических нагрузок решение системы алгебраических уравнений методом простой итерации.
Все методы нахождения ЦЭН сводятся к тому, что центр электрических нагрузок определяется как некоторая постоянная точка на генплане промышленного предприятия. Как показали исследования, основанные на теории вероятностей [20], такое положение нельзя считать правильным и ЦЭН следует рассматривать как некоторый условный центр, так как определение его еще не решает до конца задачи выбора местоположения подстанций.
Для решения вопроса о наиболее экономичном распределении мощностей по цехам от существующих РП при заданных расстояниях между Ш и цехами [13] предлагается метод линейного программирования.
К основным параметрам системы электроснабжения, подлежащим оптимизации, относятся ее номинальное напряжение и сечение линий. В настоящее время существует ряд методов, позволяющих определять значения этих параметров по критерию минимума расчетных затрат. Однако вопросы выбора напряжения сети и сечения линий решались совместно [27] путем представления дискретной зависимости приведенных затрат нескольких конкурирующих вариантов функцией двух переменных и расчета ее экстремума. Такой подход позволит существенно улучшить проектные решения в области электроснабжения.
Метод критериального анализа нашел свое применение при исследовании систем электроснабжения промышленных предприятий, в тех случаях, когда математические модели с несколькими оптимизируемыми параметрами удовлетворяют условиям каноничности. В.[25] рассматривается использование критериального метода анализа для исследования системы электроснабжения крупного цеха промышленного предприятия при условии, что электропитание цеха выполнено посредством глубокого ввода высокого напряжения, подстанция глубокого ввода находится на границе цеха или на расстоянии Ео їм от него.
В [28] предлагается для построения оптимальной сети использовать метод, разработанный в Новочеркасском политехническом институте, - метод эквизатратных линий, который задачу оптимальной конфигурации сети сводит к построению кратчайшей сети в пространстве со специально сконструированной метрикой.
Роль, место и особенности системы электроснабжения промышленного района
Промышленный район представляет собой сложный организм, соединяющий комплекс объектов различного назначения, характеризующихся продоллсительным формированием и длительным функционированием во времени. К таким объектам относятся как предприятия, определяющие профиль, специализацию промышленного района, его производственно-отраслевую структуру, так и объект», непосредственно удовлетворяющие потребности проживающего в нем населения.
Население данного района относится к следующим группам: градообразующей, состоящей из трудящихся промышленных предприятий градообразующего значения; обслуживающей, состоящей из трудящихся предприятий культурно-бытового обслуживания и административных учреждений данного города; несамостоятельной, состоящей из детей, пенсионеров и лиц, занятых в домашнем хозяйстве.
Для создания взаимоувязанной планировочной структуры промышленного района предусматривается деление территории по видам ее использования на следующие функциональные зоны: для размещения жилых районов, общественных центров, зеленых насаждений общего пользования; промышленной - для размещения промышленных предприятий и связанных с ними объектов; коммунально-складской - для размещения баз и складов, трамвайных депо, гаражей, троллейбусных и автобусных парков и т.п.; внешнего транспорта - для размещения транспортных устройств и сооружений (пассажирских и грузовых станций, портов, пристаней и т.п.). Функциональное зонирование промышленного района схематически показано на рис.2.1.
За основную структурную единицу селитебной зоны принимается микрорайон, на территории которого, кроме групп жилых домов, размещаются учреждения и устройства повседневного обслуживания населения. Пути движения общегородского транспорта не должны пересекать территорию микрорайона. }Килой район формируется на селитебной территории и состоит из микрорайонов, объединяемых общественным центром с учреждениями и предприятиями обслуживания районного значения. Система электроснабжения (СЭС) тлеет особую роль в структуре промышленного района, в котором основными потребителями электроэнергии являются промышленные предприятия, предприятия коммунального хозяйства и сферы обслуживания (общественное питание, торговля, кинотеатры, детские сады, ясли и т.д.), общественные заведения, внутриквартирные потребители и электрифицированный транспорт.
Промышленные потребители являются наиболее энергоемкой группой потребителей электрической энергии. Доля промышленности в суммарном электропотреблении по народному хозяйству составляет 65$ [511. Промышленные предприятия будут основными потребителями электроэнергии и в перспективе. Дальнейший рост электропотребления в промышленности связан с комплексной механизацией и автоматизацией производства, внедрением поточных и автоматических линий и т.п. По городским электрическим сетям напряжением 0,4-20 кВ распределяется около 40$ общего количества вырабатываемой электроэнергии в СССР. Ежегодный прирост электропотребления жилого и общественно-коммунального сектора составляет vоколо 7$. Электропотребление на внутриквартирные нужды составляет в настоящее время около 300 кВт-ч на одного человека в год [36]. Рост электропотребления общественного сектора обусловлен улучшением сферы обслуживания, повсеместным переходом на электропищеприготовление в столовых и ресторанах, ростом протяженности улиц и повышением их освещенности, применением электроводонагре-ва, кондиционирования воздуха, возможно и электроотопления. Основные фонды питающих и распределительных сетей промышленных предприятий (включая подстанции) составляют 3-5$ от основных фондов самих предприятий, в электросетях энергосистем (ЛЭП и подстанции) на передаточные устройства (ЛЭП) приходится около 70$ основных фондов, которые в свою очередь составляют около 40$ всех основных фондов, выделяемых на энергетику в целом. На тепловых электростанциях стоимость силовых установок составляет.30$ общей стоимости основных фондов EI3]. Оптимальным режимом электроснабжения потребителей промышленного района является такой режим, при котором снабжение потребителей электроэнергией производится. бесперебойно в необходимом количестве при надлежащем ее качестве и с наименьшими народнохозяйственными затратами. Режимы работы приемников электрической энергии и характер их суточных графиков нагрузки оказывают прямое влияние на экономические показатели использования установленной генерируемой мощности энергосистемы. Надежность работы энергосистемы зависит, главным образом, от качества и уровня технической эксплуатации установленного оборудования и аппаратуры.
Формулировка и обоснование принимаемых допущений
При проектировании системы электроснабжения предполагаются известными: генеральный план объекта, категории приемников по степени бесперебойности питания и расчетные нагрузки. Первым этапом решения задачи выбора оптимального варианта является составление исходной схемы системы электроснабжения, в которой отражены все возможные варианты ее исполнения при требуемой степени надежности.
Но на. подготовительных этапах проектирования систем электроснабжения промышленных предприятий возникает необходимость в приближенных оценках структуры и основных технико-экономических показателей системы электроснабжения. Основная трудность решения этой задачи обусловлена тем, что проектировщик располагает лишь минимальной исходной информацией, по которой в условиях отсутствия проекта необходимо определить важнейшие характеристики системы электроснабжения. Решение этой задачи применительно к распределительной цеховой электрической сети рассматривается в этом параграфе.
Решение этой задачи в общем виде сформулируется следущим образом: требуется определить оптимальное число распределительных пунктов (РП), которые обеспечивают подключение всех приемников электрической энергии (ЭП) цеха.
Для решения задачи воспользуемся методом линеаризации функции расчетных затрат на типовую группу элементов системы электроснабжения, так как этот метод является одним из возможных способов упрощения математической модели затрат [1,31).
Распределительные пункты ИІ служат необходимыми промежуточными узлами в питающей сети. Разработка цеховых питающих: и распределительных сетей основывается на предварительном определении числа и размещения Ш с разбивкой между ними приемников электрической энергии, которые питаются от РП радиальными линиями. Экономически оптимальное число РП отвечает минимуму целевой функции суммарных приведенных затрат по цеховой сети. С учетом сформулированных в 3.1.3 допущений целевая функция суммарных приведенных затрат (3z ) по цеховой сети имеет вид:
На основании формулы (3.28) были проведены расчеты по программе, блок-схема которой показана на рис.3.2, для различных номинальных мощностей одного приемника и различного среднего удельного числа приемников электрической энергии на I иг площади цеха. Программа составлена на алгоритмическом языке ФОРТРАН и приведена в приложении. При расчете были использованы данные таблицы 3.1, по результатам расчета было построено семейство кривых, представленных на рис.3.3. для Ш типа ПР-9ІІІ (.L = 55 руб.), однако их можно использовать для РЇЇ любого другого типа путем умножения ординат графиков на коэффициент пересчета 1\А = (АПР/АПР)З, значения которого даны в таблице 3.6.
Рассмотрим пример нахождения области экономически целесообразного электроснабжения группы приемников электрической энергии малой мощности, которые размещены в небольшом цехе, находящемся на рсстоянии с от Pnj (рис.3.4) при трех различных схемах питания этих приемников электрической энергии. 1 - приемники электрической энергии питаются от РП-j- радиальными кабельными линиями (рис.3.4) 2 - приемники электрической энергии питаются от Pllg, размещенного у стены цеха и соединены с PHj радиальной кабельной линией, (рис .3.5) 3 - приемники электрической энергии питаются от РПд, размещенного в центре цеха (рис.З.б).
Определение суммарной длины петлевой линии до в городской электрической сети
Схемы внутреннего электроснабжения, предназначенных для питания цеховых трансформаторных подстанций от ІШІ и ЦЕЛ на номинальных напряжениях 6-Ю, 20 кВ. Электроснабжение при этом может осуществляться по радиальным и магистральным схемам различны модификаций.
Преимущества радиальных схем: простота выполнения и надежность эксплуатации, возможность применения простой и надежной защиты и автоматизации. Однако применение радиальных схем электроснабжения увеличивает количество высоковоальтных аппаратов, что в свою очередь увеличивает суммарные затраты.
При распределении электроэнергии по магистральной схеме делают ответвления от воздушной высоковольтной линии на отдельные подстанции или заводят кабельную линию поочередно на несколько подстанций. Такие схемы электроснабжения дают возможность снизить суммарные затраты за счет уменьшения длины питающих линий, уменьшения количества высоковольтных аппаратов и, следовательно, упрощения строительной части подстанции. Особенно выгодно применять эти схемы при питании цеховых трансформаторных подстанций малой мощности, располагаемых вдоль цеха.
Основным недостатком магистральной схемы является меньшая по сравнению с радиальными схемами надежность электроснабжения, так как повреждение магистрали ведет к отключению всех потребителей, питающихся от нее.
За последние годы вместо радиальных линий, питающих цеховые трансформаторы, стали широко применяться магистральные линии с двумя-тремя трансформаторами. Такое решение дает заметную экономию на ячейках масляных выключателей 6-20 кВ при незначительной разнице в надежности электроснабжения [IS]. Несмотря на единство принципов и основных положений, принимаемых при проектировании и сооружении, схемы электроснабжения промышленных предприятий характеризуются большой индивидуальностью, определяемой спецификой производства. Поэтому оценка надежности системы электроснабжения и ее элементов определяется в реальных условиях эксплуатации с учетом воздействия внешних и внутренних факторов, связанных с особенностями среды (загазованностью, влажностью, запыленностью), климатическими условиями, режимами работы и условиями обслуживания.
Различие технологических принципов, климатических условий, местных факторов приводит не только к индивидуальности схемных решений и конструкции оборудования, но и отражается на его эксплуатационной надежности и схеме электроснабжения в целом. Поэтому использование обобщенных средних показателей надежности элементов системы электроснабжения при предварительном и конкретном проектировании предприятий может привести к большим просчетам по следующим причинам: 1. При планировании и предварительном проектировании систем электроснабжения рассматриваются объекты, которые будут введены в действие через 3-5 лет и эксплуатироваться в последующие десятилетия. При этом предусматривается новое оборудование и аппараты, производимые разными странами, информация о надежности которых в условиях эксплуатации в САР еще не известна. 2. Оценка надежности системы электроснабжения промышленного предприятия является сложной, поскольку она, с одной стороны, непосредственно связана с надежностью электрической системы, а с другой стороны, с надежностью технологической схемы. 3. Вопрос о показателях надежности элементов систем электроснабжения является сложным. Дело не только в сложности сбора информации, связанной с многообразием климатических и местных факторов, влияющих на надежность элементов систем электроснабжения, но также и в необходимости сбора большого числа данных за достаточно большой промежуток времени. 4. Отсутствие в САР методики оценки ущерба от перерывов электроснабжения. Исходя из этого и учитывая закономерности развития промышленных предприятий и их систем электроснабжения, можно рекомендовать по экономическим условиям выбрать магистральные схемы питания цеховых трансформаторных подстанций, заменяющих радиальные. Для повышения надежности электроснабжения при питании ЩИ по магистральной схеме применяются различные ее модификации, здесь приводятся некоторые из них. В зависимости от степени надежности питания, схема питания трансформаторной подстанции может быть: 1 - магистральной, одностороннее питание Тії (применима для 3-й категории надежности электроснабжения согласно (рис.3.27). 2 - кольцевой магистральной разомкнутой схемой (рис.3.28). Они получили широкое распространение для электроснабжения потребителей 2-й категории надежности. В случае, когда трансформаторная подстанция имеет два трансформатора, то схемы соединения трансформаторных подстанций выполняются следующим образом: I - схема (рис.3.29) обеспечивает питание потребителей 1-й категории надежности при наличии секционного АВР на стороне 0,4 кВ и 2-ю категорию надежности при наличии секционного рубильника на шинах 0,4 кВ.
