Проектирование схем энергоснабжения промышленного предприятия

Проектирование схем энергоснабжения промышленного предприятия

Министерство образования РФ

ФАГОУ ВПО Российский государственный профессионально - педагогический университет

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

Курсовой проект

по дисциплине «Электроснабжение»

На тему «Проектирование схем энергоснабжения промышленного предприятия»

Выполнил: Гриневич В.В.

Проверил: Машенина Н.В.

Екатеринбург 2011

Содержание

Введение

. Расчет электрических нагрузок низшего напряжения цехов предприятия

. Расчет электрических нагрузок высокого напряжения цехов

. Выбор центра электрических нагрузок предприятия

. Выбор числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций

. Методика выбора числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций

. Расчет питающих сетей

Список использованной литературы

Приложения

Введение

В системах электроснабжения промышленных предприятий и установок энерго- и ресурсосбережение достигается, главным образом, посредством уменьшения потерь электроэнергии при ее передаче и преобразовании, а также применения менее материалоемких и более надежных конструкций всех элементов этой системы. Одним из испробованных путей минимизации потерь электроэнергии является компенсация реактивной мощности потребителей при помощи местных источников реактивной мощности, причем важное значение имеет правильный выбор их типа, мощности, местоположения и способа автоматизации.

Главной задачей проектирования предприятий является разработка рационального электроснабжения с учетом новейших достижений науки и техники на основе технико-экономического обоснования решений, при которых обеспечивается оптимальная надежность снабжения потребителей электроэнергией в необходимых размерах, требуемого качества с наименьшим затратами. Реализация данной задачи связана с рассмотрением ряда вопросов, возникающих на различных этапах проектирования. При технико - экономических сравнениях вариантов электроснабжения основными критериями выбора технического решения является его экономическая целесообразность, т.е. решающими факторами должны быть: стоимостные показатели, а именно приведенные затраты, учитывающие единовременные капитальные вложения и расчетные ежегодные издержки производства. Надежность системы электроснабжения в первую очередь определяется схемными и конструктивными построения системы, разумным объемом заложенных в нее резервов, а также надежностью входящего электрооборудования. При проектировании систем электроснабжения необходимо учитывать, что в настоящее время все более широкое распространение находит ввод, позволяющий по возможности максимально приблизить высшее напряжение (35 - 330 кВ) к электроустройствам потребителей с минимальным количеством ступеней промежуточной трансформации. Основополагающим принципом при проектировании схем электроснабжения является также отказ от "холодного" резерва. Рациональные схемы решения должны обеспечивать ограничение токов короткого замыкания. В необходимых случаях при проектировании систем электроснабжения должна быть предусмотрена компенсация реактивной мощности. Мероприятия по обеспечению качества электроэнергии должны решаться комплексно и базироваться на рациональной технологии и режиме производства, а также на экономических критериях. При выборе оборудования необходимо стремиться к унификации и ориентироваться на применение комплексных устройств (КРУ, КСО и др.) различных напряжений, мощности и назначения.

1. Расчет электрических нагрузок низшего напряжения цехов предприятия

Расчетные нагрузки цехов определяются по средней мощности с учетом корректирующего коэффициента l. Расчетные нагрузки на напряжение ниже 1000 В определяются следующими выражениями:

. Силовые нагрузки на напряжение 1,6 кВ

Р_р.н = λ ^. К_и ^. Р_уст=0.7*2*1600=2240 кВт(1.1)

Q_р.н = Р_р.н ^. tgφ_н=2240*0,62=1388,2 кВАр(1.2)

где Р_уст - установленная мощность силового оборудования цеха, кВт;

К_и - коэффициент использования; l - корректирующий коэффициент;

tgj - соответствует характерному для данного цеха коэффициенту мощности нагрузки. Расчетная активная и реактивная осветительные нагрузки

Р_осв = Р_уд.о ^. F ^. К_с.о=12,4*2,65*0,95=31,22кВт(1.3)

Q_осв = Р_осв ^. tgφ_осв=31,22*0,62=43,84 кВАр(1.4)

где Р_уд.о - удельная осветительная нагрузка Вт/м; F - площадь, м²´10^-3; К_с.о - коэффициент спроса для осветительной нагрузки. Результирующие расчетные нагрузки цеха с учетом потерь в цеховых трансформаторах:

Р_Н∑ = Р_р.н + Р_осв + ∆Р_т=2076,48+31,22+49,85=2157,55кВт (1.5)

Q_Н∑ = Q_р.н + Q_осв + ∆Q_т=11286,89+43,84+249,26=1579.9кВАр(1.6)

∆Р_т = 0,02 ^. S_p =0,02*2492,64=49,85кВт(1.7)

∆Q_т = 0,1 ^. S_p=0,1*2492,64=249,26 кВАр(1.8)

где S_p. - полная расчетная низковольтная нагрузка цеха;

Р_т - активные потери в цеховых трансформаторах, кВт;

Q_т - реактивные потери в цеховых трансформаторах, кВАр.

. Расчет электрических нагрузок высокого напряжения цехов

Высоковольтная нагрузка предприятия Р_р.в рассчитывается отдельно от низковольтной, поскольку она не питается от ЦТП. Величина корректирующего коэффициента уменьшается при увеличении числа электроприемников. Значение коэффициента для силовой нагрузки напряжением ниже 1000В приведены в нормах технологического проектирования. Так как на напряжении 6-10 кВ число приемников, как правило, не велико, то для высоковольтной нагрузки корректирующий коэффициент принимается равным единице, расчетная мощность равна средней мощности, причем коэффициент мощности для синхронных двигателей принимается равным 0,9 и опережающим. В курсовом проекте высоковольтных нагрузок немного, их графики хорошо заполнены (Ки >0.6) и подобны, известен режим работы.

Расчетная активная и реактивная мощность высоковольтного оборудования:

Р_р.в = n ^. Р_ном ^. К_и; (2.1)

Q_р.в = Р_р.в ^. tgφ_в,(2.2)

где n - число рабочих потребителей, К_и - коэффициент использования высоковольтной нагрузки. Полная расчетная высоковольтная нагрузка:

S_р.в = .(2.3)

Таблица 2.1- Определение расчетных нагрузок цехов предприятия

Высоковольтная нагрузка для цеха 2 представлена в табл. 2.2.

Таблица 2.2.-Высоковольтная нагрузка цеха 2.

3. Выбор центра электрических нагрузок предприятия

электрический нагрузка трансформатор подстанция

Главная понизительная подстанция (ГПП) является одним из основных звеньев системы электроснабжения. Поэтому ее оптимальное размещение на территории предприятия имеет большое значение при построении рациональных систем электроснабжения.

Выбор рационального месторасположения ГПП позволяет снизить потери электроэнергии, сократить протяженность электросетей напряжения 6-10 кВ, и тем самым, уменьшить расход проводникового материала. Для этого следует определить центр электрических нагрузок предприятия.

Центр электрических нагрузок предприятия определяется по расчетным нагрузкам Р_pj и Q_pj и их координатам X_j и Y_j: При этом на данном этапе расчета предполагается, что центры электрических нагрузок цехов совпадают с их геометрическими центрами тяжести, т.е. предполагается, что нагрузка в цехах распределена равномерно.

Центр электрических нагрузок (X_ц, Y_ц) предприятия определяется по [3, с.67-68]

X_ц =  Y_ц = (3.1)

где Р_pj - расчетная нагрузка j - го цеха;

X_j, Y_j - координаты расположения j - го цеха на плане предприятия;- число цехов предприятия.

Определение центра реактивных электрических нагрузок выполняется по соотношениям аналогичным (3.1).

Результаты расчета заносятся в табл. 3.1.

Таблица 3.1.- Центр электрических и реактивных нагрузок предприятия.

Центр нагрузок цеха и предприятия является символическим центром потребления электроэнергии цеха (предприятия). Главную понизительную и цеховую подстанции следует располагать в центре или как можно ближе к центру нагрузок, так как это позволяет приблизить высокое напряжение к центру потребления электроэнергии.

Питание реактивных нагрузок осуществляется от конденсаторных батарей, расположенных в местах потребления реактивной мощности (индуктивного характера), перевозбужденных синхронных двигателей или синхронных компенсаторов, которые, как правило, располагаются вблизи мест потребления реактивной мощности.

Неправильный выбор места установки синхронных компенсаторов вызывает перемещение потоков реактивной мощности по элементам системы электроснабжения промышленного предприятия и создает значительные потери электроэнергии.

4. Выбор числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций

Для питания цеховых потребителей служит главным образом комплектные трансформаторные подстанции напряжением 6-10 кВ внутренней (КТП) и наружной (КТПН) установки, их электрооборудование и токоведущие части находятся в закрытых оболочках. Подстанции состоят из трех блоков: вводного устройства напряжением 6...10кВ (шкафы ВВ-1, ВВ-2, ВВ-3 и ШВВ-3), силового трансформатора (марки ТМ, ТСЗ,), распределительного устройства напряжением 0,4 кВ (шкафы КБ-1 ... КБ4, КН-1 ... КН6, КН-17, КН-20, ШНЛ, ШНВ, ШНС). Из этих блоков, поставляемых заводом, собирают подстанцию. Их выполняют как внутрицеховые подстанции, встраиваемые в здание цеха или в пристроенное к нему помещение. Отдельно стоящие подстанции целесообразно при питании от одной подстанции нескольких цехов, во взрывоопасных помещениях, при невозможности размещения их в цехе по технологическим условиям, они наиболее экономичны по капитальным затратам и эксплуатационным расходам.

Наиболее экономичным типом с точки зрения расхода проводникового материала (цветного металла) и потерь электроэнергии в питающих сетях является внутрицеховая трансформаторная подстанция. Располагаются такие подстанции между опорными колоннами, либо около внутренних или наружных стен здания внутри цеха. К недостаткам применяемых внутрицеховых подстанций относится то, что они занимают дефицитную площадь цеха.

Выбор числа и мощности трансформаторной ЦТП обусловлен величиной и характером электрической нагрузки. При выборе числа и мощности трансформаторов следует добиваться экономически целесообразного режима их работы, обеспечения резервирования питания электроприемников при отключении одного из трансформаторов, стремиться к однотипности трансформаторов; кроме того, должен решаться вопрос об экономически целесообразной величине реактивной нагрузки, передаваемой в сеть напряжения до 1 кВ.

Количество цеховых ТП влияет на затраты распределительных устройств 6-20 кВ, внутризаводские и цеховые электрические сети.

Однотрансформаторные подстанции применяются при наличии централизованного сервера и при взаимном резервировании трансформатора по линиям низшего напряжения соседних ТП для потребителей 2 категории, при наличии в сети 380-660 В небольшого количества (20%) потребителей 1 категории при соответствующем построении схемы, а также для потребителей 3 категории при наличии централизованного резерва.

Двухтрансформаторные подстанции рекомендуется применять:

 при преобладании потребителей 1 категории;

 для сосредоточенной цеховой нагрузки и отдельно стоящих объектов общезаводского назначения (насосные и компрессорные станции);

 для цехов с высокой удельной плотностью нагрузки (выше 0,5 - 0,7 кВА/м).

Цеховые ТП с числом трансформаторов более двух экономически нецелесообразны и применяются в виде исключения при надлежащем обосновании: если имеются мощные электроприемники, сосредоточенные в одном месте, если нельзя рассредоточить подстанции по условиям технологии или окружающей среды.

Загрузка цеховых трансформаторов зависит от категории надежности электроснабжения электроприемников, от числа трансформаторов и способа резервирования.

Рекомендуется применять следующие коэффициенты загрузки (К_з) по таблице 4.1

Таблица 4.1- Коэффициенты загрузки трансформаторов на подстанциях

Коэффициенты загрузки в первых двух случаях определены исходя из необходимого взаимного резервирования при выходе из работы одного из трансформаторов с учетом допустимой перегрузки оставшегося в работе трансформатора, резервирующего аварийный. Правилами устройства электроустановок (9) допускается перегрузка одного трансформатора до 140% в аварийном режиме продолжительностью до 5 суток, но не более 6 часов в сутки, т.е. при графиках средней плотности. При выборе схем защиты цеховых трансформаторов предпочтение отдают наиболее простой схеме, обеспечивающей надежную работу трансформаторов. Для контроля за работой трансформаторов и учета потребленной электроэнергии включаются следующие электроизмерительные приборы: вольтметр, амперметр, и расчетные и контрольные счетчики активной и реактивной энергии через соответствующие измерительные трансформаторы.

Расчетные счетчики устанавливаются:

на вводе линии в подстанцию предприятия, если нет связи с другой подстанцией энергосистемы или нет другого потребителя на питающем напряжении;

на высшем напряжении трансформаторов подстанции при наличии связи с другими подстанциями на питающем напряжении или при питании от нее других подстанций;

на низшем напряжении трансформатора, если он на стороне высшего напряжения присоединен через выключатель нагрузки или разъединитель и плавкие предохранители. Контрольные счетчики обычно включают на низшем напряжении, что дешевле. Класс точности расчетных счетчиков не менее 2.0 при включении через измерительные трансформаторы класса 0.5; контрольных счетчиков - не менее 2.5, включаемых через измерительные трансформаторы класса 1.0.

5. Методика выбора числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций

Выбор числа и мощности трансформаторов цеховых ТП производится на основании следующих исходных данных:

1 расчетная нагрузка ЦТП за наиболее загруженную смену, кВА;

2 категория надежности потребителей;

3 величина реактивной нагрузки, кВАр;

4 коэффициент загрузки в нормальном режиме К_з;

5 коэффициент нагрузки в аварийном режиме К_ав;

6 допустимое число типогабаритов трансформаторов.

Следует иметь в виду, что при нагрузки в цехе меньшей 400 кВт целесообразно решить вопрос о ее объединении с нагрузкой рядом расположенного цеха, в остальных случаях (Р_р > 400 кВт) в цехе рационально устанавливать собственную ТП.

Экономически целесообразная мощность трансформатора ТП может быть определена ориентировочно по плотности электрической нагрузки.

Таблица 5.1 - Экономически целесообразная мощность трансформаторов

Экономическая плотность электрической нагрузки определяется по расчетной нагрузке цеха за наиболее загруженную смену и по площади цеха [1, с.102].

σ = = (5.1)

где S_нн - расчетная электрическая нагрузка цеха (или объединённых цехов) за наиболее загруженную смену, кВА;

F_ц - площадь цеха, в котором установлена ЦТП, м².

Величина рассчитана в предположении равномерного распределения электрических нагрузок по площади цеха. Следует иметь в виду, что при единичной мощности трансформаторов более 1000 кВА они не обладают достаточным токоограничивающим действием и поэтому подключаемую к ним низковольтную аппаратуру нужно проверять на термическую и динамическую стойкость к токам короткого замыкания. По указанной причине иногда приходится ограничивать мощность трансформаторов до 1000 кВА. Применение трансформаторов 1600 и 2500 кВА возможно только по техническим требованиям к условиям (в цехах с наличием приемников большой мощности, например электропечей и электроприемников с частными нагрузками, например, сварочных установок), если это не приводит к значительному увеличению капиталовложений в сетевые узлы.

Выбрав по таблице 5.1 экономически целесообразную мощность трансформатора (трансформаторов) определяется необходимое количество таких трансформаторов для питания наибольшей активной нагрузки.

(5.2)

где  - расчетная активная нагрузка данной группы трансформаторов за наиболее загруженную смену от низковольтных потребителей, кВт;

K_з - коэффициент загрузки трансформаторов;_эк - принятая, исходя из удельной плотности нагрузки, номинальная мощность одного трансформатора, кВА.

Экономически оправданная величина реактивной мощности, которую целесообразно передать со стороны 6-10 кВ в сеть напряжением до 1 кВ без увеличения числа и мощности трансформатора ЦТП определяется, как разница между полной мощностью, передачу которой может обеспечить ЦТП, и обязательной к передаче активной мощностью нагрузки, кВАр:

(5.3)

где Q_1Р - наибольшая реактивная мощность, которую целесообразно передавать в сеть напряжения до 1 кВ через трансформаторы;_нт - номинальная мощность трансформаторов цеховой ТП.

Величина Q_1р является расчетной, поэтому в общем случае допустимая реактивная нагрузка трансформаторов Q₁ не равна ей.

Если при этом оказывается, что Q_1р > Q’_р то на ЦТП компенсацию реактивной мощности выполнять не имеет смысла и, следовательно, реактивная нагрузка ЦТП равна расчетной реактивной нагрузке потребителей стороны низкого напряжения.

В противном случае (Q_1р < Q’_р) требуется установка на стороне низкого напряжения ЦТП дополнительных источников реактивной мощности. Чаще всего для этих целей применяются батареи конденсаторов (БК). Мощность устанавливаемых БК может быть определена как

(5.4)

где Q_1Р - наибольшая реактивная мощность, которую целесообразно передавать в сеть напряжения до 1 кВ через трансформаторы;^’_p - суммарная расчетная реактивная нагрузка ниже 1 кВ за наиболее загруженную смену.

По рассчитанному значению Q_бк определяется величина ближайшей стандартной мощности БК.

В случае если установка БК на стороне низкого напряжения ЦТП оказалась целесообразной, необходимо скорректировать величину его реактивной нагрузки:

 (5.5)

где Q^’_бк - реактивная мощность БК, набранная из стандартных установок. При известных значениях величин активной P_p и реактивной Q₁ мощностей, определяющих нагрузку трансформатора, коэффициент загрузки в нормальном и аварийном режимах определяется как:

.(5.6)

Для двухтрансформаторных ЦТП,

(5.7)

Для однотрансформаторных ЦТП коэффициент загрузки в аварийном режиме не определяется. При определении нагрузки линий электропередач, питающих ЦТП необходимо учитывать потери активной и реактивной мощности в трансформаторах:

(5.8)

(5.9)

Нагрузка на стороне высокого напряжения ЦТП определяется из соотношения:

(5.10)

(5.11)

(5.12)

Расчет цеховых трансформаторных подстанций по формулам 5.1…5.12 сведены в таблицу 5.2.

Таблица 5.2. - Расчет цеховых трансформаторных подстанций

Таблица

. Расчет питающих сетей

Сечение кабелей напряжением 10 кВ определяется по экономической плотности тока и проверяется по допустимому току кабеля в нормальном режиме работы с учетом условий его прокладки, по току перегрузки, потере напряжения в послеаварийном режиме и термической стойкости к токам короткого замыкания.

Расчетный ток в кабельной линии в нормальном режиме.

 ,(6.1)

где  - мощность, которая должна передаваться по кабельной линии в нормальном режиме.

Например, при питании однотрансформаторной цеховой подстанции это расчетная нагрузка трансформатора подстанции, при питании двухтрансформаторной подстанции это расчетная нагрузка, приходящаяся на один трансформатор, а при питании распределительного устройства 6-10 кВ это нагрузка, потребляемая одной секцией сборных шин. Для магистральной линии мощность должна определяться для каждого участка путем суммирования нагрузок соответствующих трансформаторов, питающих по данному участку магистральной линии.

Сечение кабельной линии определяется по экономической плотности тока как

(6.2)

где - экономическая плотность тока, зависящая от типа кабеля и продолжительности  использования максимума нагрузки.

По результату расчета выбирается кабель, имеющий ближайшее меньшее стандартное сечение по отношению . При выборе типа исполнения кабеля должны учитываться условия окружающей среды. Для выбранного кабеля по таблицам из справочников находят длительно допустимый ток.

Допустимый ток кабеля с учетом условий его прокладки рассчитывается по формуле

(6.3)

где =0,9 - поправочный коэффициент на число параллельно прокладываемых кабелей:

=1,14 - поправочный коэффициент на температуру среды, в которой прокладывается кабель;

 - число запараллеленных кабелей в кабельной линии;

К_пер=1,25 - коэффициент перегрузки.

Согласно ПУЭ для кабельных линий, прокладываемых по трассам в различных условиях охлаждения, сечения кабелей должны выбираться по участку трассы с худшими условиями охлаждения, если длина его составляет более 10 м. Например, при прокладке кабеля в траншее и кабельном канале цеха коэффициент  берется по температуре цеха не ниже +20…- 25^о С.

Под послеаварийным режимом кабельной линии будем понимать режим, когда выходит из строя одна из двух кабельных линий, питающих потребителей 1-ой и 2-ой категории. При этом нагрузка на линию удваивается, т.е. I_ав = 2I_рк.

Допустимая перегрузка в указанном режиме

(6.4)

где  - коэффициент перегрузки.

Потери напряжения в кабельной линии

(6.5)

где   - расчетные активная и реактивная нагрузки;

,  - удельные активное и индуктивное сопротивления кабеля.

Расчет питающих сетей по формулам 6.1…6.5 сведены в таблицу 6.1.

Таблица 6.1. - Расчет кабельных линий.

Список использованной литературы

1. Данилов Н.И. Энергосбережение. Екатеринбург: Энерго-Пресс, 1999. - 109 с.

. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983.- 208 с.

. Коновалова Л.Л., Рожкова Л.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учеб. пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.- 528 с.

. Кудрин Б.И., Прокопчик В.В. Электроснабжение промышленных предприятий: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1988.- 420 с.

. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций: Справ. Материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989.- 608 с.

. Ристхейн Э.М. Электроснабжение промышленных установок: Учеб. для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1991.- 424 с.

. Рожкова Л.Д., Козулин Б.С. Электрооборудование станций и подстанций. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 648 с.

. Справочник по проектированию электроснабжения / под ред. Ю.Г. Барыбина и др. - М.: Энергоатомиздат, 1990.- 576 с.

. Федеров А.А., Каменев В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий: Учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984.- 576 с.

. Федеров А.А., Стариков Л.Е. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Генеральный план промышленного предприятия