Энергопотенциал потребителей как ресурс развития электроэнергетики

 

Авторы

Гительман Леонид, Зав. кафедрой систем управления энергетикой УГТУ, профессор, д. э. н.

Ратников Борис, Профессор кафедры систем управления энергетикой УГТУ, д. э. н.

 

    Электрификация и экономия ТЭР
    Стратегия структурных сдвигов в топливно-энергетическом балансе электроэнергетики предполагает существенное снижение доли природного газа в первую очередь за счет опережающего развития АЭС и угольных ТЭС, а также внедрения высокоэффективных парогазовых и газотурбинных установок для реконструируемых и новых электростанций. Предполагается, что такой курс должен обеспечиваться соответствующей ценовой политикой в соотношении "газ - уголь".
    Между тем для масштабного развития угольной электроэнергетики на основе прогрессивных экологически чистых технологий и ядерной энергетики потребуются значительный период времени и колоссальные инвестиции. При этом абсолютные объемы потребления природного газа неизбежно будут возрастать, даже если эффективность его использования на электростанциях существенно повысится. (Например, при доведении коэффициента полезного использования топлива на конденсационных станциях с ПГУ до 60 %, а на ТЭЦ до 85 %.) В частности это вызвано необходимостью развивать городские системы теплоснабжения, вводить пиковые ГТУ с КПД всего 35-37 %, осуществлять техническое перевооружение паротурбинных газовых электростанций с организацией парогазового цикла, сокращающего удельные расходы, но увеличивающего абсолютное потребление топлива. Причем в этих областях опережающий рост цен на природный газ по сравнению с твердым топливом способен лишь несколько замедлить рост спроса на газ.
    Решение газоресурсной проблемы электроэнергетики заставляет обратить особое внимание на потенциал энергоэффективности, которым располагают производственные (технологические) потребители природного газа и электроэнергии. Прежде всего речь идет о наиболее актуальных для России газосберегающих направлениях электрификации производства: привод компрессоров на магистральных газопроводах и высокотемпературные процессы в промышленности.
    Применение электропривода на компрессорных станциях (КС) газопроводов по сравнению с распро-страненным газотурбинным сокращает численность персонала, обеспечивает условия для автоматизации и телеуправления смежными КС, повышает надежность их работы (снижается потребность в резерв-ных агрегатах). Кстати, расход на собственные нужды высоконапорных газопроводов составляет не менее 8-10 % от общего объема производства газа.
    В процессах плавки, термообработки, нагрева в металлургии, машиностроении и других отраслях применение электроэнергии вместо природного газа позволяет одновременно значительно повысить качест-во продукции и производительность труда, снизить потери металла с угаром, улучшить условия труда и состояние окружающей среды. При высоких скоростях нагрева электротермическое оборудование допускает полную автоматизацию, что дает возможность встраивать электронагревательные устройства в автоматические линии.
    Во времена СССР существовало мнение, что в процессах нагрева для термо- и термохимической обработок в машиностроении преобладает электроэнергия, и сфера ее дальнейшего внедрения относительно узка. Для других же термических процессов промышленности характерна большая единичная мощность оборудования, в том числе для огневых печей в металлургии, что снижает эффективность электрификации плавильных процессов.1 В этой связи необходимо проведение исследований для получения обновленных оценок экономического потенциала замещения природного газа электроэнергией при ожидаемых соотношениях цен на конкурирующие энергоносители, стоимости металла (сырья), рабочей силы, экологических ограничений в районах расположения промышленных предприятий. Необходимо подчеркнуть, что внедрению электротехнологий в этих процессах будут способствовать повышение требований к качественным параметрам конечной продукции и высокий износ топливоиспользующих агрегатов.
    Конечно, серьезное внимание следует обратить и на рационализацию газопотребления в тех технологиях, где замена на электроэнергию по экономическим соображениям (большие капиталовложения) не целесообразна даже в обозримой перспективе.
    Необходимо различать энергетическую и экономическую эффективности электрификации. Первая характеризует общественную полезность данного процесса с точки зрения суммарной экономии топлива и улучшения общей экологической обстановки. Экономическая эффективность отражает коммерческую целесообразность соответствующих технических инноваций на предприятиях-потребителях электроэнер-гии.
    Энергетическая эффективность выявляется путем сравнения конкурирующих вариантов (электрического и газового) по критерию максимума интегрального коэффициента полезного использования топлива (КПИТ). При этом КПИТ рассчитывается как произведение частных энергетических КПД, характеризующих потери ТЭР на отдельных стадиях - от добычи топлива до исполь-зования энергоносителя (электроэнергии или газа) в технологических установках потребителей включительно.
    Стоит подчеркнуть, что КПД элект-роиспользующего оборудования в рассматриваемых технологиях, как правило, значительно (в 2-3 раза) выше топливоиспользующего. Однако при относительно низком КПД генерирования электроэнергии по общему КПИТ "электрический" вариант может уступить "газовому". Практически это означает, что на электростанциях сжигается условного топлива больше , чем замещается электроэнергией у потребителей (должно быть наоборот).2 Такая ситуация тем более недопустима, если дополнительная электроэнергия вырабатывается на природном газе.
    Расчеты показывают, что по критерию энергетической эффективности (с учетом потерь при передаче электроэнергии) замена электроэнергией природного газа в рассматриваемых технологиях становится, безусловно, целесообразной при КПД электростанций не менее 57-60 %.
    В принципе такие показатели могут быть достигнуты на современных ПГУ, даже работающих по конден-сационному режиму, не говоря уже об установках комбинированного производства (ПГУ - ТЭЦ и ГТУ - ТЭЦ). Но здесь возникает отмеченная выше проблема "абсолютного прироста" газопотребления.
    Между тем прирост электрификационной выработки происходит на электростанциях разных типов, а нас интересует средняя величина КПД по органическому топливу, взвешенная по структуре производства электроэнергии (или генерирующих мощностей). Так, АЭС, ГЭС и установки нетрадиционной энергетики вообще такого топлива не используют, и их КПД при расчете условно можно принять за 100 %.
    Предположим следующую структуру прироста выработки электроэнергии на некоторый период: АЭС и ГЭС - 30 %; ТЭС на угле - 60 % (с КПД 42 %) ; ТЭС на газе - 10 % (с КПД 60 %). При этих условиях средневзвешенное значение КПД генерации электроэнергии составит 61,2 %.3
    Таким образом, из выше сказанного следует важный вывод для планирования: структурные преобразования в электроэнергетике рекомендуется увязывать с показателями энергетической эффективности соответствующего этапа электрификации.
    Какие стратегические выгоды может получить электроэнергетика от рассматриваемых направлений электрификации?
    1. Смягчение ограничений по поставкам природного газа на электростанциях.
    2. Снижение остроты проблемы размещении новых электростанций в связи с экологическими ограничениями, особенно в индустриальных регионах.
    3. Изменение негативной тенденции разуплотнения графиков нагрузок энергосистем за счет повышения удельного веса непрерывных электроемких производств, что способствует более эффективному использованию мощностей крупных базовых атомных и угольных элект-ростанций (при этом относительно сокращается потребность во вводах пиковых мощностей).
    4. Создание предпосылок для развития независимых производителей энергии (установок распределений генерации), располагающихся вблизи центров нагрузок.
    5. Сокращение средней величины потерь при передаче электроэнергии в связи с повышением доли распределительных электрических сетей высокого напряжения.
    Существенно повысить энергетическую эффективность и создать благоприятные условия для роста экономической эффективности электрификации можно путем реализации потенциала другой многочисленной группы потребителей, - уже использующих электроэнергию в качестве безальтернативного энергоносителя. Имеется в виду, что дополнительная потребность в электроэнергии должна частично обеспечиваться за счет ее экономии в сфере монопольного применения (электротехнологические установки, электродвигатели, освещение). Это сокращает затраты на сооружение и эксплуатацию новых генерирующих мощностей, а также объем топливопотребления в электроэнергетике. Вовлечение сэкономленной электроэнергии в процесс электрификации весьма актуально сегодня, когда относительно низкие коэффициенты электрификации материального производства, быта и сферы услуг сочетаются со значительными резервами энергосбережения. Заметим, что в российской промышленности возможности экономии элект-роэнергии весьма велики, например, в ряде процессов электрометаллургической сферы, силовом аппарате, освещении производст-венных и административных зданий. По разным оценкам, величина потенциала рационализации электропотребления колеблется от 30 до 70 %. При этом удельные капиталовложения в энергосбережение в 3-5 раз ниже чем в дополнительные генерирующие мощности.
    Приведенные выше положения в совокупности составляют концепцию энергосберегающей формы электрификации, основные элементы и связи которой приведены на рисунке.
    Следует подчеркнуть, что в части экономической эффективности народно-хозяйственные цели электрификации в общем случае могут не совпадать с коммерческими интересами потребителей. Так, замена электроэнергией котельно-печного топлива будет выгодна предприятию только при определенном соотношении цен на взаимозаменяемые энергоносители, стоимости газовых и электрических печей, экс-плуатационных затрат.
    В этой связи требуется специальное государственное регулирование рассматриваемых процессов, выражающееся в формировании и внедрении соответствующего механизма экономической мотивации, обеспечивающего согласование указанных интересов.
    Здесь рекомендуется в комплексе применять три подхода.
    1. Основополагающим принципом является регулирование соотношения темпов роста цен на взаимозаменяемые энергоносители как в сфере производства, так и потребления электроэнергии. Наиболее рациональным решением при такой динамике является рост внутренних цен на природный газ, который должен, с одной стороны, опережать рост цен на энергетический уголь (с целью стимулирования развития угольных технологий в электроэнергетике), а с другой - рост цен на электроэнергию (для создания экономических условий осуществления топливосберегающего направления электрификации). Причем, соотношение цен "газ - электроэнергия" должно определяться с учетом обобщения эффективных проектов электрификации газоемких процессов.
    Важно, что в условиях высоких цен на газ целесообразно будет давать определенные льготы для энергопредприятий, работающих в системах теплоснабжения городов (ТЭЦ и котельные), но при условии выполнения ими установленных требований по энергоэффективности (КПД).
    2. В дополнение к указанному методу макрорегулирования ценовых пропорций необходимо ввести систему целевой адресной поддерж-ки предприятий, осуществляющих общественно значимые програм-мы электрификации с вытеснением природного газа из своих топливно-энергетических балансов. При этом можно использовать методы стимулирования технического про-гресса, широко распространенные за рубежом. Например, временные скидки цен на электроэнергию на период окупаемости инвестиций, возмещение части энергозатрат, а также применение так называемых "инвестиционных налоговых скидок". В последнем случае из налогооблагаемой базы предприятия полностью или частично вычитаются затраты на приобретение энергоэффективного оборудования.
    3. Весьма важным является налаживание партнерских отношений между региональными энергокомпаниями (интегрированными, генерирующими, сетевыми) и предприятиями, являющимися перспективными объектами для электрификации и энергосбережения. Речь идет о так называемых "программах управления спросом", ориентирующих инвестиционную деятельность и ценовую политику энергокомпаний на различные направления повышения энергоэффективности в потреблении, включая и замену энергоносителей.4 Очевидно, что энергоснабжающие организации, разрабатывающие и внедряющие (совместно с потребителями) подобные программы, также должны стимулироваться, в частности, на основе законодательно установленных методов распределения эффекта от электрификации и экономии от рационализации электропотребления.
    Далее рассмотрены технические и экономические аспекты наиболее актуальных направлений повышения эффективности электропотребления в промышленности с особым акцентом на вопросы рационализации режимов электроиспользующих установок.

    Рационализация электропривода
    Электрические двигатели, состав-ляющие основу современного силового привода, потребляют более 50 % всей электроэнергии на промышленных предприятиях. Вместе с тем, по имеющимся оценкам, за счет соответствующих организационно-технических мер это потребление допустимо сократить в среднем на 30 %. Причем наиболее эффективными направлениями, позволяющими реализовать этот потенциал в сфере электропривода, являются:

  • увеличение степени загрузки промышленных двигателей по мощности;
  • внедрение новых высокоэнергоэффективных электродвигателей с повышенными коэффициентами полезного действия;
  • повышение эффективности асин-хронных двигателей на основе при-менения современных электронных систем регулируемого электропривода.

        Нагрузка электродвигателя
        Опыт показывает, что при загруз-ке двигателя менее 45 %, его однозначно следует заменить мотором меньшей мощности. Если загрузка составляет 45-70 %, то для замены потребуется технико-экономическое обоснование. При нагрузке более 70 % от номинальной мощности двигателя его замена нецелесообразна.
        Что касается необходимых капиталовложений, то они зависят от схемы, по которой осуществляется замена моторов на менее мощные. Иногда оказывается возможным увеличение степени загруженности электродвигателей путем их взаимных перестановок в пределах данного предприятия. В этом случае можно обойтись минимумом затрат, связанных только с монтажом и демонтажом соответствующих моторов. В другом варианте стоимость нового двигателя меньшей мощности может быть полностью или частично возмещена за счет реализации высвобождаемого, более мощного мотора по его остаточной стоимости (с учетом износа). В любом случае капитальные затраты на установку двигателя меньшей мощности будут окупаться за счет экономии затрат на оплату электроэнергии.

        Двигатели с повышенным КПД
        Затраты на электроэнергию, потребляемую мотором в течение года, нередко более чем в 10 раз превосходят его стоимость, что объясняет значение критерия энергетической эффективности при выборе новых электродвигателей.
        В энергоэффективных двигателях применяются материалы более высокого качества, чем в стандартных, что позволяет уменьшить по-стоянную составляющую потерь, не зависящую от нагрузки, и за счет этого повысить КПД.
        Закономерно, что цена на энергоэффективный двигатель несколько выше, чем на стандартный аналогичных мощностей, типа и назначения. Но в расчете на 1 кВт.ч потребленной электроэнергии за год работы стоимость энергоэффективного мотора должна снижаться по сравнению с обычным. В этом состоит его привлекательность для покупателя.
        По зарубежным данным, выигрыш по цене составляет от 30 до 60 % для энергоэффективных моторов мощностью соответственно от 100 до 300 кВт. Некоторые зарубежные поставщики продают двигатели с повышенным КПД по ценам, установленным для традиционных моторов. Более того, энергокомпании, заинтересованные в энергосбережении, в рамках своих программ "управления спросом" предлагают покупателям энергоэффективных моторов стимулирующие ценовые скидки, которые рассчитываются на основе сопоставления экономии энергии и затрат на новое оборудование.

        Управление электродвигателями
        Целью применения привода с электронным управлением является поддержание скорости мотора как можно ближе к оптимальной по требованиям технологического процесса, либо для снижения удельных расходов электроэнергии. Для управления скоростью требуется сигнал обратной связи от определенного датчика, установленного на технологическом оборудовании: давления, скорости вращения рабочих механизмов, потока и т. д. Идеальный вариант - использование специальных микропроцессоров, контроллеров или компьютеров для регулирования привода.
        Такие системы можно применить как с синхронными, так и с асинхронными двигателями. Наилучшие возможности для экономии электроэнергии присутствуют в случае привода насосов и вентиляторов, которые в течение длительного времени работают в режиме частичной нагрузки. Оценочные значения экономии электроэнергии при замене нерегулируемого привода регулируемым: для вентиляционных систем - 50 %, для компрессоров - 40-50 %, для насосов - 25 %. Сроки окупаемости капитальных вложений варьируются в широких пределах и, как правило, составляют не более одного года.
        Понятно, что заинтересованность предприятий в реализации рассматриваемых мер по повышению энергоэффективности зависит от темпов роста цен на электроэнергию и их соотношения с ценами на оборудование. Поэтому для форсирования этого процесса необходимо создавать специальные мотивационные предпосылки, в част-ности:

  • установление отдельных тарифов на силовое электропотребление со ставками, повышенными по сравнению с тарифами для технологических установок (эта же мера может применяться и для оплаты осветительной нагрузки);
  • введение ценовых скидок для покупателей энергоэффективных дви-гателей;
  • применение тарифов, стимулирующих рост коэффициента нагрузки силового энергетического оборудования.
        Эти рекомендации следует адресовать как энергоснабжающим организациям, так и регулирующим органам. Причем в условиях и конкурентных, и регулируемых рынков.

        Энергоэффективные системы освещения
        На освещение производственных и административных помещений расходуется более 10 % промышленного электропотребления. Применение прогрессивных систем освещения позволит значительно снизить эти затраты.
        Современные технологии в освещении включают:

  • системы управления освещением на предприятиях;
  • энергоэффективную осветительную арматуру.
        Системы управления освещением осуществляют автоматическое отключение или уменьшение уровня освещенности помещений и рабочих мест в зависимости от времени суток, естественного освещения, наличия работников в помещении.
        В целом это направление позволяет достичь экономии электроэнергии в пределах 20-30 % при перио-де окупаемости капиталовложений до 2-3 лет.
        Современная осветительная арматура включает лампы, балласты, рефлекторы и жалюзи с высокой энергоэффективностью, которые обеспечивают повышенную светоотдачу в расчете на 1 Вт потребляемой мощности, отличаются высокими КПД и существенно большими сроками службы по сравнению с лампами накаливания и традиционными лампами дневного освещения.
        Применение различных энергоэффективных осветительных устройств может дать экономию от 30 до 70 % электропотребления со сроками окупаемости 1-3 года.

        Регулирование режимов электропотребления
        Основными задачами регулирования режимов электропотребления являются снижение суточных максимумов и выравнивание графиков нагрузки предприятий путем заполнения ночного провала и переноса нагрузок во внепиковые (дневные) часы суток. При этом повышаются коэффициент нагрузки и число часов использования максимума, снижается коэффициент одновременности нагрузки (спроса). Способами регулирования режимов электропотребления на промышленных пред-приятиях являются следующие организационные и организационно-технические мероприятия:

  • введение вторых и третьих смен на предприятиях;
  • установление междусменных перерывов (в часы максимума нагрузки энергосистемы);
  • введение разного временного режима начала и конца смен различных цехов;
  • установление определенных выходных дней для отдельных цехов;
  • перераспределение во времени отдельных энергоемких процессов;
  • совмещение во времени ремонтов агрегатов - крупных электроприемников;
  • разработка последовательности отключения отдельных электро-приемников и подключения собственных генераторов (при наличии таковых).
        Для осуществления автоматического регулирования электрических нагрузок рекомендуется разделить их на две категории: основные (существенные) и второстепенные (несущественные).
        Существенные нагрузки являются важными для обеспечения технологического процесса, безопасности работающих и комфортных условий труда (включая экологическую составляющую). Незапланированное отключение их в целях регулирования режима электропотребления недопустимо.
        Несущественные нагрузки допускают временное отключение без заметного влияния на производство. Примерами таких нагрузок служат кондиционеры, вентиляторы и вытяжные устройства, холодильники и компрессоры, нагреватели воды, зарядные устройства. Автоматические регуляторы отключают эти электроприемники с целью исключить увеличение совмещенной нагрузки выше определенного уровня.
        Некоторые электроемкие предприятия с непрерывным производственным циклом и равномерными графиками нагрузки располагают технологическими установками, допускающими по эксплуатационным условиям снижение потребляемой мощности в широком диапазоне, вплоть до отключения их на периоды утреннего и вечернего максимумов энергосистемы (например, производство ферросплавов, цемента, добыча нефти и др.). Такие предприятия способны работать в специальном режиме "потребитель-регулятор" (ПР) параллельно с энергосистемой, т. е. практически по ее графику нагрузки. При этом недовыработка продукции в часы системных максимумов возмещается форсированием наличных агрегатов в часы ночного спада нагрузки энергосистемы, либо установкой дополнительных агрегатов, также подключаемых в ночное время. В то же время работа в режиме ПР приводит к некоторому экономическому ущербу, связанному в основном со снижением производительности технологических установок, увеличением удельных расходов электроэнергии и сырья. Это должно компенсироваться стимулирующими тарифами, а также соответствующей оплатой технологических услуг по резервированию мощностей и выравниванию графика нагрузки энергосистемы в рамках отдельного контракта предприятия с энергокомпанией.
        Регулирование режимов электропотребления промышленных предприятий ведет к выравниванию графика нагрузки энергосистемы и снижению общесистемного максимума. В результате, в энергокомпаниях сокращаются капитальные и текущие затраты, улучшается баланс генерирующих мощностей, устраняются перегрузки электрических сетей, повышается конкурентоспособность на рынке электроэнергии. У по-требителя же интерес к регулированию своих нагрузок связан с уменьшением платы за электроэнергию (мощность), причем при условии, что эта экономия су-щественно перекрывает его дополнительные затраты по изменению режима.
        Особо следует подчеркнуть связь режима электропотребления с надежностью электроснабжения. Например в ряде стран получили распространение так называемые "контракты" на отключение нагрузки, смысл которых заключается в том, что некоторые потребители в обмен на финансовые стимулы дают согласие энергокомпании на периодические отключения части своих нагрузок. В таких контрактах обычно устанавливаются ограничения по частоте и продолжительности перерывов в электроснабжении на оговоренный период. При этом для данного потребителя определяется фиксированный уровень обслуживания, иными словами, объем потребляемой мощности, который, по оценке потребителя, необходим ему для поддержания нормальной работы в течение всего перерыва в электроснабжении. Потребитель после получения уведомления об отключении обязан за определенный промежуток времени снизить нагрузку до этого (неотключаемого) уровня. В противном случае он выплачивает энергокомпании установленный в контракте штраф. Согласие сократить свое по-требление до фиксированного уровня стимулируется снижением тарифа на электроэнергию (мощность), потребляемую сверх этого уровня, причем, независимо от того, имелось ли отключение.
        Подобные соглашения позволяют энергокомпаниям быстро балансировать энергетические мощности и нагрузки в районах обслуживания и обеспечивать требуемое качество электроэнергии (частоту и напряжение) в энергосистемах, относительно уменьшая затраты на резервирование.

  •