Проектирование энергоэффективных систем генерации электростанций

Энергоэффективность электростанций: вызовы и решения

Энергоэффективность электростанций жизненно важна для поддержания минимального уровня потребления внутри объекта. Энергоэффективность — это эффективное средство оптимальной настройки внутренних систем управления для использования только необходимой мощности без потерь. В статье рассматриваются проблемы при проектировании объекта и причины, по которым достижение энергоэффективности — нетривиальная задача.

Основные вызовы электротехнического проектирования

Проектирование для энергоэффективности на электростанциях имеет множество вызовов — от технических до организационных. Те, что касаются электротехники, включают:

• Электротехническое проектирование часто задействуется последним после механических и систем управления. Это оставляет мало времени для полноценной интеграции энергоэффективного дизайна, что негативно сказывается на общей эффективности. Вся внутренне потребляемая энергия через электрическую систему используется неэффективно.
• Силовая система определяется первой. Это накладывает дополнительные ограничения на время, которое электроинженеры могут уделить концептуальным исследованиям, важным для внутренних операций электростанции. Концептуальные исследования обычно дают лучшую возможность понять влияние базовых изменений в проекте, направленных на повышение энергоэффективности.

Исследования качества энергии для энергоэффективности включают:

• Анализ нагрузки
• Анализ распределения мощности и падения напряжения
• Анализ пуска двигателей
• Анализ короткого замыкания

Анализ нагрузки

Анализ нагрузки — один из самых важных инженерных этапов для повышения энергоэффективности. Сбор информации и данных о всех нагрузках, с которыми столкнется силовая система, — первый шаг к проектированию. Это означает понимание критических нагрузок, циклов работы, сезонных вариаций и требований к пуску. Эти данные обычно поступают от команд механического и управляющего проектирования. Из-за фрагментации поставщиков составление детального списка нагрузок никогда не является легкой задачей. Для проектов без актуальных данных можно консультироваться с аналогичными прошлыми проектами как ориентиром.

Анализ нагрузки должен начинаться с квантования максимальной рабочей нагрузки на основе реальных нагрузок и коэффициентов загрузки. Завышенные значения от производителя могут привести к избыточному размеру питания. Анализ также должен учитывать количество нагрузок в системе.

Анализ распределения мощности и падения напряжения

Напряжения системы электростанции однозначно влияют на энергоэффективность. Выбор более высокого напряжения шины там, где это возможно, снижает омические потери за счет более низких уровней тока по сравнению с шинами низкого напряжения. Выбор среднего напряжения вместо низковольтных приводов и двигателей снижает омические потери в силовом оборудовании приводов. Двигатели и трансформаторы, рассчитанные на более высокие уровни напряжения, в конечном итоге имеют более высокий КПД. Таким образом, более высокие напряжения шины позволяют проектировщику указывать меньше, но более крупные трансформаторы и повышать общую энергоэффективность системы.

Анализ пуска

Двигатели с мягкими пусками потребляют во время пуска ток, значительно превышающий номинальный рабочий ток. Высокие требования к крутящему моменту при пуске увеличивают нагрузку на силовую систему, что ведет к переразмеру компонентов и, как следствие, к дополнительным расходам на более низкую непрерывную рабочую эффективность. Понимание требований к пуску двигателей помогает в проектировании соединительных компонентов без переоценки параметров, то есть проектировании для точных рабочих условий для правильного подбора компонентов.

Анализ короткого замыкания

Основная цель анализа короткого замыкания — гарантировать, что выключатели не будут перегружены при условиях короткого замыкания. Выключатели должны быть способны переносить нормальный нагрузочный ток и прерывать токи короткого замыкания. Если выключатели должны прерывать ток выше своего номинала прерывания, могут последовать разрушительные последствия. Обеспечение того, что номинальный ток и прерывающий рейтинг находятся в разумных пределах, улучшит шансы на предотвращение повреждений системных компонентов.

Важность правильного подбора размера оборудования и проектирования шин

Правильное балансирование нагрузок по шинам улучшит качество энергии и энергоэффективность. На электростанциях имеется множество источников питания, и правильное балансирование приведет к оптимизации размеров компонентов силовой системы и снижению требований к пуску для каждой шины.

Правильный анализ даст оптимальные размеры выключателей и кабелей. Неверный подбор размеров компонентов может иметь последствия как для энергоэффективности, так и для защитных функций. Понимание того, что недостаточный сечение кабелей имеет большие потери, важно для определения размера кабеля.

Некоторые рекомендации по подбору медных шин:

• Увеличение поперечного сечения для снижения энергетических потерь
• Удвоение площади поперечного сечения проводника сокращает сопротивление пополам и снижает потери практически в два раза
• Первые несколько приращиваний размера выше минимально допустимого дают существенную разницу в потерях, но с каждым последующим приращением возврат уменьшается
• Выбор нескольких шин однopolюсной шины — еще один вопрос, который инженер-проектировщик должен учитывать для достижения более низких системных потерь

Шины — долгоживущие компоненты станции, что придает их эксплуатационным энергозатратам больший вес в расчете жизненного цикла. Для правильного выбора шины требуется понимание падения напряжения, тока короткого замыкания и скин-эффекта, с которыми система сталкивается во время нормальной работы.

Проектирование правильной компоновки кабельных систем электростанции

Физическая компоновка компонентов силовой системы, длина и диаметр кабелей должны выбираться для минимальных потерь. Потери мощности в кабелях электрических систем — это растрата энергии. Потери также включают потери в коммутационных аппаратах и других токоносящих устройствах, таких как цепи управления и защиты. Рекомендации по снижению потерь:

• Централизованное размещение нагрузочного центра для трансформаторов, коммутационных аппаратов для:
  • Сокращения длины кабельных линий
  • Снижения потерь и падений напряжения
• Сокращение длины шин и отводов для:
  • Уменьшения расстояния между вспомогательным блоком трансформатора и генератором
• Увеличение диаметра кабелей меньшего сечения на один или максимум два размера для получения преимуществ:
  • Снижения омических потерь
  • Большего количества кабелей меньшего количества различных размеров сокращает отходы при монтаже и обеспечивает лучшие условия (минимальные заказные партии)

Основное оборудование размещается до определения связей между ними. Выбор дизайна с наименьшим допустимым диаметром кабелей для снижения первоначальной стоимости материалов ведет к гораздо более высоким эксплуатационным затратам на протяжении всего срока службы.

Определение проекта кабеля

Определение поперечного сечения кабелей между взаимосвязанными нагрузками должно рассчитываться в отношении рабочих условий и длины кабеля. Факторы, влияющие на поперечное сечение кабеля:

• Допустимая нагрузка в нормальных условиях с учетом температуры окружающей среды и методов прокладки
• Тепловая стойкость к короткому замыканию
• Допустимое падение напряжения вдоль кабельной линии в нормальных условиях и при пуске
• Реакция защитного устройства при перегрузках и минимально возможном токе короткого замыкания для прерывания опасных напряжений

Планирование маршрутов кабелей

Маршрутизация кабелей в сложных объектах, электростанциях и распределительных пунктах требует огромной работы со стороны инженеров и планировщиков. Она предполагает расстановку кабелей для обеспечения кратчайшего пути между их начальной точкой и конечным пунктом назначения, при этом гарантируя, что определенные комбинации не неблагоприятно влияют друг на друга.

Компьютерное проектирование (CAD) широко используется как средство разработки и инженерной реализации правильной компоновки компонентов и кабелей. Объекты электростанций требуют огромной осторожности при разработке полностью функционального и энергоэффективного потока.

E3.3D Routing Bridge

E3.3D Routing Bridge позволяет легко прокладывать пути с полной интеграцией с механическими CAD-системами. Определение длины провода, диаметра и стандартов для выбора кабеля между взаимосвязанными компонентами никогда не было так простым.

Для достижения лучшего дизайна Zuken разработала связи между E3.series и всеми основными поставщиками MCAD (механический CAD), позволяя создавать полностью интегрированные дизайн-модели. Используя E3.3D Routing Bridge, схемотехническая и соединенческая информация из E3.series может интерфейсироваться со всеми основными MCAD-системами. Возможности включают:

• Передачу информации о компонентах в MCAD (разъемы, контакты, сплавы)
• Двусторонний обмен данными с MCAD
• Проверку на коллизии (clash detection) в MCAD
• Проверку радиуса изгиба проводов
• Автоматический расчет длины проводов и сегментов в MCAD
• Автоматическое создание производственной документации в E3.Formboard

E3.Schematic

Проектирование и документирование систем электрического управления, включая принципиальные схемы, планы клемм и ПЛК. Помогает предотвращать ошибки при проектировании, чтобы можно было разрабатывать системы для лучшего энергоэффективного дизайна. Простой интерфейс drag-and-drop экономит время на проектировании связей и компонентов, так что больше времени можно уделить эффективности станции и меньше — разработке продукта. Легко интегрирует работу через множество платформ для интеграции между механическим и электротехническим проектированием. Это дает преимущества для разработки дизайна электроинженерам, когда механические и системы управления спроектированы раньше электротехнических соображений. E3.Schematic предлагает следующие функции для облегчения фазы проектирования:

• Эффективное создание и документирование электрических схем
• Предотвращение ошибок с помощью встроенных правил проектирования
• Возможность инженеров проектировать с огромной библиотекой предварительно спроектированных, предварительно одобренных и протестированных компонентов
• Проектирование с drag-and-drop
• Легкое соединение электрических компонентов
• Автоматическая нумерация проводов
• Предварительное определение собственных подсхем
• Управление клеммами по нескольким листам с интеллектуальным программным дизайном
• Генерация проектной документации простыми однократными шагами

Есть ли способы, которыми ваш объект мог стать энергоэффективным? Прокомментируйте, что вы хотели бы улучшить.