Коэффициент использования мощности: что это за показатель и как его рассчитать

Пример расчета мощности

(см. рис. L4)

Тип цепи	Полная мощность S (кВА)	Актив. мощность P (кВт)	Реакт. мощность Q (квар)
Однофазная (фаза и нейтраль)	S = VI	P = VI cos φ	Q = VI sin φ
Однофазная (фаза-фаза)	S = UI	P = UI cos φ	Q = UI sin φ
Пример:	5 кВт нагрузки	10 кВA	5 кВт	8,7 квар
cos φ = 0.5
Трехфазная (3 провода или 3 провода + нейтраль)	S = 3{\displaystyle \definecolor {bggrey}{rgb}{0.9176470588235294,0.9176470588235294,0.9176470588235294}\pagecolor {bggrey}{\sqrt {3}}} UI	P = 3{\displaystyle \definecolor {bggrey}{rgb}{0.9176470588235294,0.9176470588235294,0.9176470588235294}\pagecolor {bggrey}{\sqrt {3}}} UI cos φ	Q = 3{\displaystyle \definecolor {bggrey}{rgb}{0.9176470588235294,0.9176470588235294,0.9176470588235294}\pagecolor {bggrey}{\sqrt {3}}} UI sin φ
Пример:	Двигатель Pn = 51 кВт	65 кВА	56 кВт	33 квар
cos φ = 0,86
ρ= 0,91 (КПД двигателя)

Рис. L4 : Пример расчета активной и реактивной мощностиzh:功率因数

Факторы, влияющие на КИУМ

Несмотря на кажущуюся простоту достижения высокого значения КИУМа (достаточно работать на полную мощность и без простоев), этот параметр зависит от множества непростых и сложнопрогнозируемых технических и административных факторов.

Как правило, диспетчерские центры региональных электросетей размещают на электростанциях заявки на ту или иную мощность выработки на каждый час или даже меньшие периоды времени, основываясь на прогнозе потребления. При заметном отклонении фактической выработки и фактического потребления в электросети наблюдается снижение или, что ещё хуже, повышение напряжения и частоты переменного тока, снижение КПД и ресурса энергосистемы в целом. Поэтому за неточное выполнение диспетчерских заявок в любую сторону электростанции штрафуются. Обычно в течение суток потребляемая мощность изменяется в 3-5 раз, с утренним и вечерним пиками, дневным полупиком и ночным спадом, поэтому высокий КИУМ всей энергосистемы невозможен в принципе. По технической способности динамически изменять мощность различным видам электростанций присваивается различная манёвренность. Наименее манёвренными считаются АЭС, из-за потенциальной опасности аварий при смене физических режимов работы реактора, а также теплоэлектростанции на твёрдом топливе, из-за невозможности быстро потушить или разжечь уголь. Тепловые электростанции на жидком топливе и газе более манёвренны, однако КПД их турбин значительно падает при неполной нагрузке. Проще всего маневрировать выработкой ГЭС и ГАЭС, но, за исключением отдельных регионов вроде Сибири, общая выработка гидростанций в энергобалансе не позволяет обойтись только ими.

Этот раздел статьи ещё не написан.

Согласно замыслу одного или нескольких участников Википедии, на этом месте должен располагаться раздел, посвящённый Факторы, влияющие на КИУМ

. Вы можете помочь проекту, написав этот раздел. Эта отметка установлена11 февраля 2009 года .

Для большинства станций возобновляемой энергетики (гидро-, ветро- и солнечной) дополнительным ограничением КИУМ становится неравномерность наличия энергоисточника — необходимых объемов воды, ветра, солнечного освещения.

Фактические КИУМ

По данным US Energy Information Administration (EIA), на 2009 год средние КИУМ по США составляли:

Атомная энергетика: 90,3 %
Уголь: 63.8 %
Тепловые электростанции на природном газе: 42,5 %
Гидроэлектростанции: 39,8 %
Другие возобновляемые источники: 33,9 %
Тепловые электростанции на нефти: 7,8 %

Среди них:

Ветрогенераторы: 20-40 %.
Фотовольтаика (солнечная энергетика) в Массачусетс: 13-15 %.
Фотовольтаика в Аризоне: 19 %.
тепловые солнечные станции в Калифорнии 33 %.

В других странах

Тепловые солнечные станции с хранением и сжиганием природного газа (в Испании): 63 %
Гидроэнергетика, среднее по миру: 44 %,
Атомная энергетика: 70 % (среднее за 1971—2009 в США).
Атомная энергетика: 88,7 % (среднее за 2006—2012 в США).

Коэффициент включения

Коэффициент
включения характерен для графика
нагрузки отдельного ЭП, работающего в
повторно-кратковременном режиме, и
зависит от характера технологического
процесса.

Коэффициент
включения по графику активной мощности
есть отношение времени работы ЭПк времени цикла:

гдевремя работы ЭП, мин, ч;время цикла, мин, ч;время паузы, мин, ч.

Так
как,
то.
Время работы, паузы и цикла определяются
по графику нагрузки ЭП. Для ЭП, работающих
в длительном режиме с равномерным
графиком нагрузки,.
На практике коэффициент включения
задается как паспортная величина,
характеризующаяся продолжительностью
включения ЭП (),
%.

Как рассчитать коэффициент спроса для щитов с разными типами нагрузок

Электрооборудование не работает постоянно на полную мощность. Этот очевидный факт можно понять на бытовом примере. Освещение в квартире не включено круглосуточно. Утюгом мы пользуемся только тогда, когда надо погладить одежду. Чайник работает только тогда, когда нужно вскипятить воду. Аналогичным образом дело обстоит при потреблении электроэнергии в общественных и промышленных зданиях. Таким образом, понятие установленной и потребляемой (расчетной) мощности всем знакомо с детства.

При проектирование электроснабжения объектов неодновременность работы оборудования учитывается при помощи понижающих коэффициентов. Существует три понижающих коэффициента с разными названиями, но смысл их одинаков — это коэффициент спроса, коэффициент неодновременности, коэффициент использования. Умножив установленную мощность оборудования на один из этих коэффициентов получают расчетную мощность и расчетный ток. По расчетному току выбирают защитно-коммутационную аппаратуру (автоматы, рубильники, УЗО и пр.) и кабели или шинопроводы.

Pрасч=K×Pуст, где Pуст — установленная мощность оборудования, Pрасч — расчетная мощность оборудования, К — коэффициент спроса/одновременности/использования.

При использовании этой, казалось бы, простой формулы на практике сталкиваются с огромным количеством нюансов. Одним из таких нюансов является определение коэффициента спроса в щитах, питающих разные типы нагрузок (освещение, розетки, технологическое, вентиляционное и сантехническое оборудование).

Дело в том, что коэффициент спроса зависит нескольких параметров:

Мощности;
Типа нагрузки;
Типа здания;
Единичной мощности электроприёмника.

Соответственно, при проектировании групповой и распределительной сети, а также схем электрических щитов это нужно учитывать. Групповые сети (кабели, питающие конечных потребителей) следует выбирать без учёта коэффициента спроса (коэффициент спроса должен быть равен единице). Распределительные сети (кабели между щитами) следует выбирать с учётом коэффициента спроса. Таким образом, расчет коэффициента спроса для щитов со смешанной нагрузкой несёт дополнительные трудности и повышает трудоёмкость расчетов.

Рассмотрим как реализован расчет электрических нагрузок в DDECAD на примере щита со смешанной нагрузкой.

Расчетная мощность общественных зданий

В таких объектах, как и в государственных учреждениях, отдельно рассчитывают потрeбление силовых установок и светильников. Для первой категории существенное значение будет иметь реактивная составляющая мощности. Исходные данные берут из проектной документации, проверяют по паспортам отдельных единиц техники. При наличии соответствующего автономного объекта уточняют параметры котельной.

Параметры светильников существенно различаются в зависимости от типа. Устаревшие лампы накаливания потрeбляют много электроэнергии при сравнительно небольшом КПД. Светодиодные приборы экономичнее в 8-10 раз.

Для оценки крупных объектов пользуются усредненными показателями удельной мощности на единицу площади, рабочее место. В некоторых ситуациях на потрeбление существенное влияние оказывает режим работы или количество посетителей.

Как проводить измерения

Метод сбора информации

Сбор и оценка данных по производственным мощностям (фактическим и потенциальным) производятся вручную (по крайней мере, на первых порах). Как только установлена потенциальная величина производственных мощностей, дальнейшие вычисления могут быть автоматизированы на основе доступных данных по фактическим величинам производственных мощностей (ПМ).

Формула

Обычно КИПМ измеряется ежедневно или еженедельно, однако период измерения может варьироваться в зависимости от типа производственных мощностей. Для одиночного станка КИПМ может рассчитываться в час, в то время как для целого завода или компании расчет может вестись на еженедельной или ежемесячной основе.

Источником данных для рассматриваемого ключевого показателя эффективности (КПЭ) является система внутренних процессов или система производства, которая фиксирует объем работ или продукции, полученный за определенный промежуток времени. Потенциально возможный уровень мощности можно оценить на основе паспортных данных оборудования и на основе рекомендаций совета управляющих Федеральной резервной системы по определению индекса производственной мощности, который оценивает максимальный объем производства одной производственной единицы в нормальных и реалистичных условиях эксплуатации.

Несмотря на автоматизацию вычисления КИПМ, затраты на ручной сбор данных могут быть довольно высокими.

Целевые значения

Существуют известные трудности в определении обобщенного целевого уровня величины показателя. Хорошей точкой отсчета может служить величина показателя в 80% (для компаний США по данным Федеральной резервной системы) и незначительно более высокий показатель среди европейских компаний в 82%.

Пример. Ниже рассмотрен простой пример вычисления КИПМ.

Одна производственная единица (станок или завод) может производить 10 000 изделий в день. Фактическое производство составляет 8500 изделий в день. Следовательно, КИПМ будет равен:

КИПМ = (8500 / 10 000) ×100% = 85%.

Замечания

КИПМ также может использоваться для определения уровня, при котором себестоимость продукции начнет увеличиваться. Предположим, что компания производит 10 000 изделий при стоимости 50 центов за каждое, а КИПМ равен 66%. Это означает, что компания может увеличить производство до 15 000 изделий без увеличения себестоимости продукции.

На основе информации о производственной мощности может использоваться производный показатель «разрыва между фактическим и потенциальным объемом производства»:

где ФОП — фактический объем производства; ПОП — потенциальный объем производства.

Обозначение проблемы.

Коэффициент спроса Кс – это отношение расчетной мощности Рр к суммарной номинальной мощности группы.

В нормативных документах приводятся таблицы коэффициентов спроса в зависимости от количества электроприемников (ЭП) для различных групп оборудования. При известной номинальной мощности Рн группы и известном количестве ЭП можно без труда вычислить расчетную мощность группы по формуле

Казалось бы, ничего сложного, но, как показывает практика, даже в таком простейшем случае можно допустить грубейшую ошибку.

Чтобы не быть голословным, приведу пример из жизни – фрагмент из проекта реконструкции центральной районной больницы.

Суть состоит в следующем. От вводно-распределительного устройства (ВРУ) по магистральной схеме запитаны 3 щита. Состав ЭП приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Для определения расчетной нагрузки проектировщик использовал «Методические рекомендации по определению расчетных электрических нагрузок учреждений здравоохранения», разработанные Государственным проектным и научно-исследовательским институтом по проектированию учреждений здравоохранения “ГИПРОНИИЗДАТ” , табл.2.2.

Для кол-ва ЭП 72 шт. коэффициент спроса равен 0,25.

А теперь вопрос на засыпку.

Возникает законный вопрос: «Для чего проектировщик выполнял все вышеприведенные расчеты, если при выборе защитно-коммутационной аппаратуры руководствовался другой, известной только ему, методикой?»

Формула расчет номинального тока теплового расцепителя (ТР) автоматического выключателя выглядит следующим образом:

\(\displaystyle \large > 1,1 \cdot I_р >\)

где \(I_\) – номинальный ток теплового расцепителя;

\(I_р\) – расчетный ток электрической нагрузки.

Рассчитаем ток теплового расцепителя по выражению (5):

\(\displaystyle \large > 1,1 \cdot 21,4 = 23,5 \, А>\)

В линейке номинальных токов ближайший больший идет с номиналом 25 А, за ним по возрастающей 32 А (31,5 А для некоторых типов расцепителей), 40 А, 50 А, 63 А и т.д.

Почему же не был выбран ТР с номиналом 25 А или 32 А? И даже не 40 А или 50 А, а сразу 63 А?

Да потому, что проектировщик отлично понимал, что тепловой расцепитель с номинальным током 25 или 32 А будет постоянно срабатывать (отключать потребителей) из-за превышения фактической нагрузкой расчетных значений, и выбрал такое значение номинала ТР, при котором его срабатывание (отключение) не произойдет в рабочем (неаварийном) режиме. Очевидно, что проектировщик разобрался только в том, как подставлять нужные цифры в формулы согласно нормативным требованиям, но в суть расчета так и не понял. Смысл расчета как раз и состоит в определении расчетного тока электрической нагрузки, на основании которого можно выбрать исполнение питающей линии (марку кабеля/провода, сечение и материал жилы) и технические характеристики защитно-коммутационной аппаратуры (номинальный ток ТР автоматического выключателя или номинальный ток плавкой вставки предохранителя).

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.

В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.

При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.

Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в ваттах, реактивная мощность измеряется в вар – вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.

Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).

Что такое активная и реактивная электроэнергия, мощность

Как найти реактивную мощность

Активное и реактивное сопротивление

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Активное и индуктивное сопротивление кабелей – таблица

Онлайн калькулятор расчета тока по мощности

Таблица.2.4

№

Наименование цеха

Рн

cosj tgj

Рр

Ор

В табл. 2.4 расчетную нагрузку ЭП напряжением выше 1000 В (6-10 кВ) целесообразно выделить отдельным разделом. Кроме того, следует помнить, что среди ЭП напряжением выше 1000 В часто применяются синхронные электродвигатели, которые (для унификации расчетов) принимаются с cosj= 0,9 — «опережающим», т. е. выдающим реактивную энергию в сеть. Поэтому их расчетная реактивная мощность принимается со знаком минус (в алгебраической сумме она будет вычитаться).

При определении расчетной мощности завода необходимо также учесть потери мощности в цеховых трансформаторах и осветительную нагрузку.

Так как на данном этапе не известны мощности цеховых ТП, то потери мощности в этих трансформаторах учитывают приближенно по суммарным значениям нагрузок в цехе напряжением до 1000 В, то есть

При расчете осветительной нагрузки цеха (завода) используется метод коэффициента спроса. При этом предполагается, что силовые ЭП и освещение будут подключены к одним и тем же трансформаторам цеховых ТП. В этом случае расчетная мощность осветительной нагрузки будет определяться по формулам

Ро = F × s × Kco;

Qо = Pо × tgjо,

где F — площадь цеха (территории завода), м2; s — удельная плотность осветительной нагрузки, Вт/м2; Kco — коэффициент спроса осветительной нагрузки.

Примечание:

при этом необходимо учесть, что лампы накаливания имеют cosj = 1, люминесцентные и газоразрядные лампы –

cosj = 0,9. При расчете мощности осветительной нагрузки нельзя пренебрегать освещением территории предприятия.

Расчетный максимум цеха на напряжение 0,4 кВ с учетом осветительной нагрузки и потерь в трансформаторе определяется по формулам

Рм =Р`м + Ро + DРm;

Qм =Q`S + Qо + DQm;

Результаты расчета целесообразно представить в виде табл. 2.5, при этом приемники электроэнергии на 0,4 кВ и ЭП на 6 – 10 кВ необходимо выделить отдельными разделами. Расчетные мощности предприятия в целом с учетом коэффициента разновременности максимумов определяются по следующим выражениям:

Рз = (Рм 0,4 + Рм 6 – 11) × Кр. м ;

Qз = (Qм 0,4 + Qм 6 – 11) × Кр. м ;

Таблица.2.5

№

Наименование цеха

Р’м

Q’м

Qб

Q`Sм

м2

s, Вт/м2

Ксо

Ро

Qо

DРм

DQм

Рм

Qм

Sм

В зависимости от числа присоединении и группового коэффициента использования Ки по табл. 2.6 определяется значение коэффициента разновременности максимумов Кр. м. Групповой коэффициент использования при расчете электрической нагрузки на разные уровни напряжения принимаем равным групповому коэффициенту спроса, который находится как среднеарифметическая величина коэффициента для всех ЭП. Коэффициент разновременности максимумов — это отношение расчетной мощности на шинах 6-10 кВ к сумме расчетных мощностей потребителей, подключенных к шинам 6 -10 кВ РП, ГПП.

Метод коэффициента спроса

Метод коэффициента спроса наиболее прост, широко распространен, с него начался расчет нагрузок. Он заключается в использовании выражения (2.20): по известной (задаваемой) величине Ру и табличным значениям, приводимым в справочной литературе (примеры см. в табл. 2.1):

Величина Кс принимается одинаковой для электроприемников одной группы (работающих в одном режиме) независимо от числа и мощности отдельных приемников. Физический смысл — это доля суммы номинальных мощностей электроприемников, статистическиотражающая максимальный практически ожидаемый и встречающийся режим одновременной работы и загрузки некоторого неопределенного сочетания (реализации) установленных приемников.

Приводимые справочные данные по Кс и Кп соответствуют максимальному значению, а не математическому ожиданию. Суммирование максимальных значений, а не средних неизбежно завышает нагрузку. Если рассматривать любую группу ЭП современного электрического хозяйства (а не 1930— 1960х гг.), то становится очевидной условность понятия «однородная группа». Различия в значении коэффициента — 1:10 (до 1:100 и выше) — неизбежны и объясняются ценологически ми свойствами электрического хозяйства.

В табл. 2.2 приведены значения ЛГС, характеризующие насосы как группу. При углублении исследований KQ4 например только для насосов сырой воды, также может быть разброс 1:10.

Правильнее учиться оценивать Кс в целом по потребителю (участку, отделению, цеху). Полезно выполнять анализ расчетных и действительных величин для всех близких по технологии объектов одного и того же уровня системы электроснабжения, аналогичной табл. 1.2 и 1.3. Это позволит создать личный информационный банк и обеспечить точность расчетов. Метод удельного расхода электроэнергии применим для участков (установок) 2УР (второый, третий… Уровень Энергосистемы), отделений ЗУР и цехов 4УР, где технологическая продукция однородная и количественно меняется мало (увеличение выпуска снижает, как правило, удельные расходы электроэнергии Ауй).

Коэффициент использования мощности

Коэффициент, обозначаемый как cos φ, показывает долю наибольшей возможной мощности, обеспечиваемую переменным электротоком вследствие задерживания напряжения. Он равен косинусу угла смещения этих двух величин. Диапазон возможных значений показателя находится между нулем и единицей. У полностью емкостных (конденсаторные элементы) или индуктивных (трансформаторы и другие устройства с катушками) контуров рассматриваемый угол будет прямым, соответственно, его косинус равен 0. При этом для элементов первого типа ток опережает напряжение, для второго – наоборот. У абсолютно резистивных цепочек электроток идет в фазе с прилагаемым напряжением, угол равен 0, а его косинус – 1. При фиксированном мощностном показателе и не меняющемся напряжении токовая сила будет уменьшаться с увеличением cos φ.

Проблемы низкого cos φ

Важность данного показателя обусловлена его ответственностью за поддержание индуктивной нагруженности. Когда коэффициент слишком низок, проблема может корениться в искажении формы электротока или большой разнице фаз между ним и напряжением на нагрузочных зажимах

Идеальным является значение коэффициента, равное единице, определенно недостаточным – ниже 0,8. При низких значениях соответствующий процент мощности (для 0,8 это 20%) сохраняется в системе, что может нанести вред генератору или двигателю (в частности, подшипниковым элементам). Также это накладывает дополнительную нагрузку на провода, от них требуется большая толщина. Необходимость выдерживать больший ток приводит к снижению общей эффективности из-за увеличения потерь тепла.

Решение проблемы низкого cos φ

Чаще всего для этой цели применяется установка коммутируемой группы конденсаторных элементов параллельно электроцепи. Можно задать автоматическое включение и выключение блока с опорой на значения разных показателей системы. Чаще конденсаторы ставят в первичной электросети силовой подстанции.

Планирование потребности в производственных мощностях (CRP)

Использование данных систем преследует цель повысить эффективность работы оборудования, команд сотрудников, конвейерных линий. Суть состоит в планировании и нахождении баланса загруженности для реализации плана по выпуску конечного продукта. Планировать необходимые объемы мощностей нужно для каждого типа производимой продукции с учетом структуры технологического процесса. Система генерирует отчет о расхождениях между необходимой загрузкой и представленными в наличии мощностями.

Планирование потребности в производственных мощностях

Коэффициент использования мощности – важный параметр, помогающий определить, какими возможностями для повышения эффективности обладает предприятие, отдельная производственная линия или единица оборудования. Проведение расчетов с его использованием поможет оптимизировать производство, выявить, какие оборудование и технологические процессы нуждаются в модернизации или замене.

Задача 5. Определить среднегодовую производственную мощность предприятия

Мощность предприятия на начало года насчитывала 35 800 т. конечной продукции. В течение года были введены следующие мощности: в июне – 3500т., в августе – 5420 т., в октябре – 2750 т. Было выведено мощностей: в апреле – 2250 т., в ноябре 8280 т. Необходимо определить: среднегодовую производственную мощность и мощность предприятия на конец года.

Решение

Найдем среднегодовую мощность предприятия. Среднегодовую производственную мощность можно также определить и по следующей формуле:

Мм.

– производственная мощность на начало года.

Мр.

– мощность, которая вводится в эксплуатацию.

Мл.

– мощность, которая выбыла с эксплуатации.

– количество месяцев эксплуатации i-той мощности, которая введена в действие на протяжении года.

– количество месяцев после вывода с эксплуатации i-той мощности на протяжении года, месяца.

Подставим значения в формулу.

Мс.

= 35 800 + (3500*7+5420*5+2750*3)/12 – (2250*9+8280*2)/12= 35 800 +

+ (24 500+27 100+8250)/12 – (20 250+16 560)/12=35 800 + 59 850/12 –

– 36 810/12 =35 800 + 4985,7 – 3067,5=37 720 т.

Найдем производственную мощность на конец года. Для этого прибавим к производственной мощности на начало года добавленные мощности и вычтем выведенные мощности.