Indicatori caracteristici pentru stabilirea necesarului de energie electrica al consumatorilor (energia activa)

1. Puterea activa

Una din problemele deosebite, care preocupa furnizorii de electricitate la aparitia noilor consumatori consta în evaluarea (estimarea) cât mai apropiata de necesarul real al energiei electrice pe care o vor solicita acestia în viitoarele etape de functionare.

O determinare cât mai apropiata de viitorul consum real prezinta o serie de avantaje tehnico-economice 444e43e privind în mod deosebit, dimensionarea corecta, fara exagerari, dar si pentru valori mai reduse decât cele reale, a tuturor instalatiilor de alimentare, atât a celor din exteriorul incintei consumatorilor, cât si a celor de distributie proprii. Rezolvarea acestei probleme conduce la o substantiala reducere a investitiilor atât în cazul supraevaluarilor, cât si în cazul subevaluarilor, când apar necesare lucrari suplimentare fata de cele initiale, asigurându-se în acelasi timp conditii optime de functionare pentru consumatori.

Pentru rezolvarea corecta a acestor probleme este necesar un volum de informatii foarte mare, atât în legatura cu aspectele interne ale consumatorilor, precum si din exterior, privind alti consumatori aflati deja în functiune, din acelasi sector economic si domeniu de activitate. De fapt marea majoritate a acestor informatii o constituie o serie de indicatori sau marimi caracteristice care se stabilesc pentru fiecare consumator în parte si, respectiv, pentru un numar foarte mare de consumatori repartizati pe productii cu acelasi specific sau apropiat. Toate acestea se sistematizeaza, se prelucreaza statistic, se stabilesc valori medii, minime, maxime, dispersii, etc. si se folosesc în fiecare caz în care apar câte un nou consumator. În acelasi sens este deosebit de necesar sa se determine în mod corespunzator toate marimile respective si indicatorii pentru fiecare nou consumator, cât mai corect, pentru ca folosind informatiile exterioare sa se rezolve toate problemele privind alimentarea noilor consumatori, adoptând solutii optime.

Se precizeaza ca elementul fundamental, care sintetizeaza influenta tuturor indicatorilor, fie proveniti din informatiile privind alti consumatori existenti, intrati în functiune anterior, fie din informatiile privind propriul echipament energotehnologic si programele de functionare, pentru consumatorii care se realizeaza si urmeaza sa intre în functiune, îl constituie curba de sarcina a puterii active. Este vorba de curba de sarcina, în principal cea zilnica, pentru o zi de lucru, care este foarte indicat sa fie prognozata cât mai aproape de cea care se va realiza în realitate în situatie de operare normala, de durata, a consumatorului nou aparut.

Aceasta problema s-a pus desigur în fata specialistilor electroenergeticieni si a fost rezolvata, dar nu întotdeauna la nivelul cerintelor. Trebuie mentionat ca practic, în foarte multe cazuri, ca sa nu spunem ca în toate, s-au facut supraevaluari care au condus la supradimensionarea instalatiilor de alimentare ceea ce a condus la o eficienta scazuta a acestora. Rezultatul este o functionare cu grad mic de încarcare, sau chiar foarte mic a instalatiilor respective, si deci ne-economicitatea exploatarii.

Pentru a evita astfel de situatii este necesar sa se examineze foarte atent cele doua categorii de informatii amintite. În fapt, informatiile privind consumatorii care sunt deja în functiune, rezultate practic dupa masuratori si analize efectuate dupa intrarea în functiune pe intervale de studiu cât mai lungi, izolându-se tendintele de periodicitate, sunt în mare parte publicate în literatura de specialitate. Deci se poate spune ca acestea sunt la dispozitia specialistilor. Este indicat ca aceste informatii sa fie organizate pentru un numar cât mai mare de grupe de consumatori reprezentativi pentru a putea astfel identifica mai corect si cu acuratete mai ridicata modul de comportare a noilor consumatori care se examineaza.

Procedeul consta de fapt în folosirea tuturor indicatorilor determinati pentru consumatorii existenti în functiune, în urma unui numar de masuratori cât mai mare si a caracteristicilor tehnice si de functionare viitoare, care se apreciaza, de dorit cât mai precis posibil; cu acestea determina indicatorii, sa-i numim de proiect, ai noilor consumatori. Pe baza acestora se traseaza si curba sau curbele de sarcina active si bineînteles se dimensioneaza toate instalatiile de alimentare si de distributie. Este de dorit, ceea ce de altfel se si cauta, ca dupa realizarea si intrarea în functiune a noilor consumatori prin masuratorile care se vor efectua si asupra lor, sa se constate daca solutiile adoptate pentru fiecare element în parte sunt optime si se poate vorbi de o utilizare rationala a energiei si de eficienta maxima.

În continuare se prezinta si se examineaza principalii indicatori si modul de determinare a lor pentru noii consumatori. Se va constata ca pentru o determinare, care sa fie cât mai aproape de realitate, dupa intrarea în functiune, examinarea va trebui sa fie cât mai detaliata.

a. Puterea instalata este puterea nominala a receptorului considerat, mentionata pe placuta indicatoare sau în cartea tehnica, cu urmatoarele precizari:

pentru motoarele electrice, puterea în kW, înscrisa pe placuta indicatoare, reprezinta puterea dezvoltata la arbore la tensiunea nominala; în calcule de dimensionare trebuie sa fie introdusa asa-numita "putere conectata", egala cu puterea la borne, obtinuta prin împartirea puterii nominale la randamentul nominal;

pentru alte receptoare cum ar fi de exemplu: cuptoare cu rezistenta, instalatii de electroliza, receptoare de iluminat, puterea absorbita la tensiunea si frecventa nominala;

pentru transformatoarele cuptoarelor electrice, marimea conventionala:

(1)

unde S_n, l_n sunt valorile înscrise în cartea tehnica pentru puterea nominala si factorul de putere nominal al transformatorului;

pentru receptoarele cu regim de lucru intermitent, puterea p în regim de scurta durata DA_n%, indicata în cartea tehnica, se raporteaza la functionarea de durata DA=100%, dupa relatia:

(2)

unde DA este durata activa a ciclului, exprimata în unitati relative:

(3)

pentru transformatoare de sudare, marimea conventionala P_n raportata la regim de lunga durata:

(4)

Puterea instalata totala este suma puterilor instalate (nominale) raportate la DA=100 %, a tuturor receptoarelor de energie electrica ce pot functiona simultan (nu sunt luate în considerare de pilda motoarele de rezerva care pot exista la o anumita linie tehnologica):

(5)

Receptoarele monofazate, fixe sau stationare, alimentate dintr-o retea trifazata, intra în calculul puterii instalate ca receptoare trifazate în cazul în care sunt repartizate uniform pe cele trei faze.

În cazul în care încarcarea unei faze depaseste încarcarea celorlalte faze cu mai mult de 15% este necesar sa se ia în considerare puterea instalata în reteaua trifazata:

, (6)

unde P_1(max) este puterea instalata pe faza cea mai încarcata.

Determinarea puterilor instalate ale unei întreprinderi noi se poate face în diferite moduri, în functie de datele disponibile. În fazele preliminare de proiectare, când nu sunt definitivate receptoarele electrice, calculul acestora se poate efectua fie pe baza puterilor instalate specifice (pe metrul patrat) ale diverselor activitati industriale, fie pe baza consumului specific de energie electrica pentru produsul fabricat si a datelor privind cantitatile de produse planificate anual si numarul de ore de utilizare anuala a puterii instalate în industria respectiva.

În fazele mai avansate de proiectare puterea instalata se determina pe baza puterilor nominale a receptoarelor electrice sau a caracteristicilor utilajelor antrenate.

b. Coeficientul de cerere, k_c. În timpul functionarii receptoarelor electrice si îndeosebi a motoarelor, puterile absorbite din retea sunt mai mici decât puterile instalate P_i, ele variind dupa anumite curbe de sarcina (fig.1). Dintre aceste puteri prezinta importanta cea care corespunde încarcarii maxime P_max (P_c) a fiecarui agregat, format din motorul de actionare si mecanismul antrenat sau unor grupe de agregate.

Coeficientul de cerere k_c stabilit prin raportul:

(7)

unde: P_c este puterea ceruta;

P_i - puterea instalata,

pune în evidenta încarcarea maxima a agregatului sau grupelor de agregate, pentru care se determina, fata de puterea instalata a acestora.

Fig.1. Stabilirea puterii cerute.

Puterea ceruta denumita si putere de calcul, se foloseste pentru efectuarea diferitelor calcule în cazul când instalatiile respective nu sunt în functiune, întreprinderea fiind în stadiul de proiectare si reprezinta puterea maxima consumata, preluata efectiv din retea pentru instalatiile în functiune, ale unei întreprinderi existente într-un anumit interval de timp dintr-o perioada de functionare.

Intervalul de timp este ales, în general, de 15 sau 30 minute, justificat de faptul ca sunt apropiate de constanta de timp termica a conductoarelor si echipamentelor parcurse de puterea maxima, iar ca perioada de functionare se considera 24 de ore. Rezulta deci ca puterea consumata sau ceruta reprezinta valoarea maxima a unei puteri medii pentru 15 sau 30 minute, în timpul unei zile. Pentru determinarea ei se pot folosi fie contoarele, care trebuie sa fie citite dupa fiecare 15(30) minute sau de preferat echipamente de tip data-logger, pentru monitorizarea consumurilor si memorarea valorilor de consum maxim. Folosind aceasta valoare pe care o asociem puterii consumate P_c (fig.1) si cunoscând puterea instalata P_i se determina coeficientul de cerere k_c.

Valorile coeficientilor de cerere sunt subunitare si se grupeaza în jurul unor valori medii care se stabilesc prin prelucrare statistica a unui numar cât mai mare de valori obtinute prin masuratori si care caracterizeaza diferite tipuri de agregate, ateliere sau sectii în care se realizeaza diferite procese tehnologice.

Cunoasterea coeficientilor de cerere, determinati pentru instalatiile existente, în functiune, prezinta importanta, pe de o parte pentru aceste instalatii, mai ales daca s-au efectuat masuratori în companii de acelasi tip, realizate în perioade diferite, putându-se constata o evolutie a coeficientilor k_c în sensul cresterii, adica al îmbunatatirii gradului de încarcare a agregatelor si pe de alta parte, pentru companiile similare care se gasesc în faza de proiectare. Pentru aceste companii se cunosc, în urma stabilirii proceselor tehnologice si a instalatiilor corespunzatoare, puterile instalate ale receptoarelor si folosind valorile coeficientilor de cerere, determinati pentru companii existente similare, cu ajutorul relatiei (7) se pot determina puterile cerute, de calcul, pentru noile instalatii.

c. Coeficientul de utilizare a puterii instalate, k_u. Acesta este determinat de raportul:

(8)

unde:  P_med este puterea medie considerata pentru perioada de calcul;

P_i - puterea instalata a agregatelor,

si arata, ca si coeficientul de cerere k_c, gradul de încarcare a receptoarelor. Diferenta consta în faptul ca, în timp ce k_c reduce examinarea la un interval de timp scurt din perioada de functionare, k_u exprima gradul de încarcare a receptoarelor pentru toata durata aleasa de functionare (fig.2). Ţinând seama de forma generala a curbelor de sarcina, în care exista puteri maxime si minime, rezulta ca practic totdeauna k_c > k_u. Coeficientul de utilizare se poate determina pentru diferite durate de functionare si anume: o ora, un schimb (în general, pentru schimbul cel mai încarcat), o zi, o saptamâna, o luna, un an.

Fig.2 Diferite tipuri de curbe de sarcina: a - curba aplatisata; b - curba neaplatisata.

Întrucât

(9)

unde:  T_f este durata de functionare pentru care se determina k_u;

W_a - energia activa consumata în aceasta perioada

rezulta ca, pentru determinarea coeficientului de utilizare corespunzator unei anumite perioade, nu este necesar sa se cunoasca forma curbei de sarcina, ci numai energia activa, W_a, consumata în perioada respectiva, ceea ce este mai simplu, putând fi utilizate citirile unor contoare simple. Determinând apoi, cu expresia (9) puterea medie, cu aceasta se calculeaza k_u, folosind relatia (8). Este necesar ca în companiile existente sa se determine cât mai multe valori ale coeficientului de utilizare a puterii instalate pentru anumite agregate mai importante, pentru ateliere, sectii si la nivelul companiei, îndeosebi pentru schimbul cel mai încarcat din diferite zile caracteristice, atât pentru a urmari îmbunatatirea utilizarii utilajelor proprii, cât si pentru a furniza un volum de informatii cât mai mare pentru calculele care se fac la proiectarea noilor companii similare.

Fig.3 Determinarea puterii medii patratice pentru o curba de sarcina

d. Coeficientul de aplatisare k_apl, sau de umplere, reprezinta raportul:

(10)

si are valori subunitare. Este cu atât mai mic cu cât în curba de sarcina apar vârfuri de consum pentru perioade scurte (fig.2,b) si se apropie de unitate în cazul curbelor cu variatii mici ale puterilor preluate din retea (fig.2,a). Este necesar ca acest ultim tip de curba de sarcina, cât mai aplatisat, sa fie realizat de cât mai multe companii, obtinându-se astfel coeficienti globali de aplatisare cât mai apropiati de unitate.

e. Coeficientul de forma al curbei de sarcina k_f este raportul dintre puterea medie patratica si puterea medie din acelasi interval de timp:

(11)

Pentru o anumita curba de sarcina (fig.3), puterea medie patratica se calculeaza cu expresia:

(12)

în care P₁, P₂,., P_n sunt puteri medii în intervalele de timp t₁, t₂,., t_n pentru care energiile consumate sunt W_a1, W_a2,., W_an.

Daca se iau intervale de timp egale, respectiv t₁ = t₂ =.= t_n = t, se obtine:

(13)

Ţinând seama ca puterea medie este data de relatia:

(14)

si înlocuind expresiile (13) si (14) în (11) se obtine pentru coeficientul de forma expresia:

. (15)

Pentru curbele de sarcina frecvent întâlnite la companiile industriale, K_f ia valori în gama 1

f. Coeficientul de simultaneitate, k_s se poate stabili pentru doua sau mai multe receptoare care functioneaza simultan si exprima raportul dintre puterea maxima a curbei de sarcina rezultante, a tuturor receptoarelor în functiune si suma puterilor maxime corespunzatoare curbei de sarcina a fiecarui receptor sau grupe de receptoare. Acest coeficient pune în evidenta pozitia reciproca în timp a puterilor maxime ale curbelor de sarcina componente si se stabileste cu expresia:

(16)

unde: P_{max rez} este puterea maxima a curbei rezultante;

P_{max comp i} - puterea maxima a fiecarei curbe de sarcina componenta.

Coeficientul de simultaneitate se poate determina pentru un grup de receptoare, de exemplu, la nivelul unui atelier cu expresia:

(17)

unde: P_{max a} este puterea maxima corespunzând curbei de sarcina pe atelier;

P_{max r i} - suma puterilor maxime corespunzatoare fiecarei curbe de sarcina a celor n receptoare.

În figura 4 sunt reprezentate doua curbe de sarcina C₁ si C₂ care pot fi pentru doua receptoare, ateliere sau sectii, precum si curba rezultanta C₁₂, indicându-se puterile maxime P_{max 1} si P_{max 2}, precum si puterea maxima simultana P_{max 12}.

Fig.4. Determinarea coeficientului de simultaneitate

Valorile coeficientului de simultaneitate sunt subunitare si se gasesc, în general, în domeniul 0,7 0,95 depinzând de gradul de aplatizare al curbelor de sarcina componente si de dispersia puterilor maxime ale acestora în perioada pentru care s-au trasat curbele de sarcina.

Pentru stabilirea coeficientilor de simultaneitate este suficient sa se cunoasca numai valorile puterilor maxime, nu si momentul preluarii lor din retea, fapt care permite utilizarea unor contoare mai putin pretentioase.

Determinarea coeficientului de simultaneitate pentru un numar cât mai mare de situatii din întreprinderile industriale formeaza un volum de informatii deosebit de necesar pentru realizarea instalatiilor de alimentare cu energie electrica a noilor întreprinderi industriale.

g. Durata de utilizare a puterii maxime, T_max reprezinta timpul necesar, în cazul când consumatorii ar prelua din retea o putere constanta si egala cu P_max, pentru a consuma aceeasi cantitate de energie W_a ca în functionare normala, dupa curba de sarcina reala (fig.5) si este dat de relatia:

(18)

Fig.5 Stabilirea duratei de utilizare a puterii maxime

Valoarea lui T_max este o marime caracteristica pentru companiile industriale, privind numarul de schimburi; pentru companiile care lucreaza într-un schimb - T_max = 2000 2500 ore/an, pentru cele care lucreaza în doua schimburi - T_max = 4000 4500 ore/an, pentru cele care lucreaza în trei schimburi - T_max = 5500 6600 ore/an si T_max =6500 7000 ore/an pentru cele care lucreaza în flux continuu, având sarcinile pe cele trei schimburi foarte apropiate. Cunoasterea duratei de utilizare a puterii maxime este necesara pentru determinarea pierderilor de energie electrica.

Fig.6. Determinarea coeficientului a pentru diferite curbe de sarcina:

a - cu puterile medii pe schimburi mult diferite; b - cu puterile medii pe schimburi apropiate

h. Coeficientul anual de utilizare a energiei electrice, a se determina folosind relatia:

(19)

unde: W_{a an} este energia activa consumata într-un an;

P_{med m} - puterea medie pentru schimbul cel mai încarcat;

T_f - numarul real de ore de functionare într-un an.

Acest coeficient, care are valori subunitare, pune în evidenta gradul de încarcare al fiecaruia din cele trei schimburi de lucru, având valori mai mici când puterile medii ale celor trei schimburi difera mult între ele (fig.6, a), cum sunt cele ale companiilor cu obiect de activitate metalurgia feroasa, care au a = 0,7 si este mai mare pentru curbele de sarcina cu încarcarile pe schimburi apropiate ca valoare (fig.6, b), cum este curba de sarcina a unei uzine pentru producerea aluminiului cu a