Контроль и учет энергоресурсов
Промышленные предприятия потребляют электроэнергию, природный газ, тепловую энергию, горячую воду, холодную воду, сжатый воздух, кислород, азот, аргон и другие энергоресурсы. Затраты на энергоснабжение – одна из основных расходных статей в бюджете предприятия. Как эти затраты распределяются по производственным подразделениям, цехам и участкам? Когда, где, в каком объеме, в каких условиях предприятие потребляет энергоресурсы? Какова доля потерь и нерационального использования? На каких участках потери наиболее существенны? Редкое промышленное предприятие может ответить на эти вопросы без проведения глубокого энергетического обследования!
Автоматизированные системы технического учета энергетических ресурсов позволяют на непрерывной основе получать, накапливать и предоставлять специалистам информацию о распределении и потреблении энергоресурсов по производственным подразделениям. Они обеспечивают:
непрерывный приборный учет потребления энергоресурсов на уровне отдельных цехов, производственных линий и отдельных установок;
предоставление специалистам оперативного доступа к информации по фактическому энергопотреблению;
предоставление смежным информационным системам данных для контроля расчетов с субабонентами, мониторинга индикаторов энергетической эффективности, прогнозирования потребностей в ТЭР и планирования закупок;
снижение трудозатрат на получение и обработку данных; упрощение и повышение эффективности анализа и планирования и режимов энергоснабжения;
автоматизацию формирования отчетности по распределению и потреблению энергоресурсов.
Подход к внедрению систем технического учета энергетических ресурсов
При разработке программ внедрения систем энергоучета мы исходим из того, что Заказчику требуется не «система энергоучета» сама по себе, а инструмент поддержки принятия решений по контролю и управлению энергозатратами. Такой подход позволяет сконцентрироваться на выполнении первостепенных задач: обеспечении прозрачности затрат, уменьшении потерь и предоставлении исходных данных для выявления наиболее существенных источников повышения энергоэффективности.
Основные временные и финансовые затраты при внедрении систем технического учета энергоресурсов приходятся на создание и модернизацию узлов учета, количество которых на отдельных предприятиях может исчисляться тысячами. В целях оптимизации сроков реализации и бюджета проектов, предполагающих создание большого количества новых узлов учета, компания «Сумма технологий» обеспечивает максимально возможную унификацию применяемых технических решений с учетом специфики точек учета и разрабатывает программы поэтапного создания и интеграции узлов учета в единую систему.
В рамках разработки программы модернизации и создания узлов учета мы:
1. Уточняем цели заказчика по полноте учета потребления энергоресурсов. Практика показывает, что оптимальное соотношения затрат на установку приборов учета и прозрачности энергетического баланса обеспечивается при оснащении автоматизированными системами энергоучета всех объектов, обеспечивающих суммарно не менее 80% объема энергопотребления, а также всех объектов мощностью более 3 МВт. Отметим, что установка приборов учета на объектах, мощность потребления которых составляет более 5 МВт для электроэнергии, более 0,2 МВт/час для тепловой энергии или более 0,02 МВт/час для природного газа, в соответствии с требованиями ст.13 Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» является обязательной.
2. Выясняем общую структуру энергопотребления по производственным подразделениям и группам основного технологического оборудования;
3. Уточняем границы проекта по типам энергоресурсов (электроэнергия, природный газ, тепловая энергия, продукты разделения воздуха и т.п.), видам учета (коммерческий, технический), уровням энергоучета (поагрегатный/межцеховой), охватываемым подразделениям, типам агрегатов;
4. Проверяем соответствие существующих на предприятии узлов учета требованиям проекта по полноте и точности учета, по возможностям интеграции;
5. Определяем перечень интегрируемых в систему, модернизируемых, создаваемых узлов учета с указанием точек учета, типов средств измерения, интерфейсов сбора данных;
6. Формируем и утверждаем программу поэтапной разработки, установки и интеграции узлов учета в единую информационную систему.
Такой подход позволяет обеспечить необходимую для анализа и поддержки принятия решений в области энергоменеджмента, полноту и точность данных по фактическому энергопотреблению и при этом сократить первоначальные затраты на проект, обеспечив его экономическую целесообразность и инвестиционную привлекательность для Заказчика.
Основные технические решения для систем технического учета ТЭР
Проекты создания автоматизированных систем учета энергоресурсов включают в себя:
1. средства измерений (измерительные трансформаторы, датчики расхода, температуры, давления);
2. шкафы учета энергоресурсов: вторичные преобразователи (электросчётчики, тепловычислители, устройства сбора и передачи данных), преобразователи интерфейса, сетевое оборудование, блок питания;
3. серверы сбора и обработки информации;
4. автоматизированные рабочие места оперативного персонала и удаленных пользователей.
Узлы технического учета энергоресурсов
Для учета электрической энергии применяется трехуровневая система, в которой подключение к электросети производится через измерительные трансформаторы тока и напряжения, первичные данные поступают на электросчетчик и далее на устройство сбора и передачи данных (УСПД).
Узел учета жидких и газообразных энергоносителей (тепловой энергии, природного газа, ХВС, ГВС, продуктов разделения воздуха) представляет собой комплекс оборудования, включающий первичный преобразователь расхода (сужающее устройство, трубка Вентури, осредняющая напорная трубка, турбинный счетчик или датчик расхода), датчики давления, температуры, вычислитель, преобразователь интерфейсов, сетевое оборудование, блок питания. Конструктивно узел учета может быть реализован как в моноблочном исполнении, когда расходомер и вычислитель размещены в едином корпусе, так и в раздельном исполнении, кода вычислители устанавливаются отдельно в удобном для доступа месте.
Выбор первичных преобразователей расхода осуществляется с учетом особенностей точек учета:
1. тип измеряемой среды (жидкие теплоносители, газообразные продукты, пар, сточные воды);
2. эксплуатационные характеристики трубопровода (конфигурация, диаметр, расход, давление, температура энергоносителя);
3. климатические условия эксплуатации.
Например, для измерения расхода газообразных продуктов в трубах диаметром до 300мм обычно применяются расходомеры на базе ОНТ, при диаметре от 60 до 300 мм. – расходомеры погружного типа, до 60 мм. – проточного типа.
Система сбора и обработки данных по энергопотреблению
Для подключения узлов учета к информационной сети компании они оснащаются преобразователями интерфейса и сетевыми коммутаторами. Если прямое подключение к локальной сети невозможно или нецелесообразно, сбор данных с узла учета осуществляется по беспроводному каналу связи.
Уровень сбора и обработки данных составляют:
1. серверы ввода/вывода, обеспечивающие сбор верификацию, сжатие данных и передачу их на серверы СУБД;
2. серверы СУБД, выполняющие функции хранения и представления информации по запросам пользователей.
Для повышения отказоустойчивости системы уровень сбора и обработки данных может быть выполнен с применением резервирования.
Основные функциональные возможности систем технического учета энергоресурсов
Системы технического учета топливно-энергетических ресурсов предназначены для получения достоверной информации о распределении и потреблении различных энергоресурсов внутри предприятия. Они позволяют решить следующие задачи:
1. Учет энергоресурсов на уровне отдельных производственных подразделений (переделов, участков, цехов, производственных линий), агрегатов и технологических установок;
2. Предоставление объективной информации для контроля и управления распределением энергоресурсов. Ведение схем распределения электроэнергии, расчет согласованных балансов по видам энергоресурсов;
3. Предоставление объективной информации по поставкам ТЭР субабонентам;
4. Формирование оперативной и сводной отчетности заданных форм с различной периодичностью (смена, сутки, месяц и т.д.);
5. Непрерывный мониторинг исправности датчиков, счетчиков, каналов связи;
6. Хранение и предоставление пользователям ретроспективной информации о распределении и потреблении энергоресурсов в формате графиков, таблиц, диаграмм, панелей показателей и т.д.
Управление электроснабжением
Автоматизированные системы управления электроснабжением (АСУЭ) выполняют функции дистанционного контроля и управления распределением электроэнергии на предприятии. Основной целью их создания является обеспечение бесперебойного, стабильного электроснабжения предприятия за счет:
предоставления оперативному и диспетчерскому персоналу достоверной информации по текущим характеристикам сетей электроснабжения, состоянию и режимам работы энергетического оборудования электрических подстанций;
реализации функций телеуправления объектами электроснабжения в дистанционном режиме;
предупреждения ошибочных действий персонала, обеспечения своевременного и грамотного реагирования на предаварийные и аварийные ситуации;
автоматического ведения журналов технологических событий и предоставления инструментов для просмотра и анализа аварийных осцилограмм, действий операторов, истории изменения контролируемых параметров.
Источниками эффективности применения автоматизированных систем управления электроснабжением являются:
повышение надежности функционирования энергосистемы предприятия. Минимизация простоев технологического оборудования, связанных с перебоями электроснабжения и низким качеством электроэнергии;
повышение качества планирования и управления потреблением электроэнергии. Увеличение коэффициента использования выделенного лимита мощности, минимизация штрафов за превышение лимитов;
повышение прозрачности расчетов с субабонентами;
предупреждение ошибочных действий эксплуатационного и оперативно-диспетчерского персонала. Минимизация последствий нештатных ситуаций;
снижение трудозатрат на сбор первичной информации и формирование отчетных документов.
Структура автоматизированных систем управления электроснабжением
Нижний уровень систем АСУЭ образуют измерительные преобразователи тока и напряжения, средства технического учета электроэнергии, системы противоаварийной защиты и автоматики, иные устройства, обеспечивающие измерение и регулирование режимов работы оборудования электрической сети.
Первичные данные о состоянии и режимах работы подстанций, параметрах выработки и потребления электроэнергии поступают на устройства сбора, предварительной обработки, агрегирования телемеханической информации и данных технического учета электроэнергии, образующие средний уровень систем управления электроснабжением.
Агрегированные, предварительно обработанные данные с подстанций поступают на верхний уровень АСУЭ, на сервера подсистемы сбора и обработки технологической информации, сервера долговременного хранения данных и выводятся на экран коллективного использования в диспетчерской, а также на АРМ специалистов (энергодиспетчера, инженера-релейщика, специалистов службы главного энергетика и др.) в формате мнемосхем, графиков, диаграмм, таблиц, сводных панелей показателей, цифровых и текстовых табло.
Основные функциональные возможности систем управления электроснабжением
Основное предназначение систем АСУЭ – обеспечить эффективное оперативно-диспетчерское управление объектами электроснабжения в нормальных, переходных и аварийных режимах. Поэтому, к числу их основных функций относятся:
контроль параметров работы электрической сети и силового оборудования (значение токов, напряжений, мощностей, частоты и др.);
контроль положения коммутационных аппаратов;
контроль состояния основного и вспомогательного электрооборудования;
контроль неэлектрических параметров функционирования подстанций (сигналы охранной и пожарной сигнализации, температурный режим на подстанции и др.);
вычисление расчетных величин (расчет линейных напряжений и токов по фазным, 3Uo, 3Io. U2, I2 и др.);
контроль и регистрация выхода измеряемых параметров за установленные границы, регистрация аварийных событий и нарушений;
формирование сообщений предупредительной и аварийной сигнализации;
изменение уставок работы оборудования, формирование и передача команд телеуправления на устройства нижнего оборудования;
диагностика и самодиагностика комплекса технических средств системы: измерительных, регистрирующих и регулирующих устройств, линий связи, серверного оборудования;
ведение архивов измеряемых и рассчитываемых значений, ведение журналов действий пользователя в системе;
формирование технической, оперативной, эксплуатационной и отчетной документации;
обмен информацией со смежными и внешними информационными системами.
В зависимости от задач Заказчика в системах управления электроснабжением может быть также реализована функциональность информационно-аналитических систем управления энергоэффективностью в части учета и анализа параметров потребления электрической энергии, в том числе:
учёт потребления электроэнергии на различные нужды (потребление по отдельным производствам, цехам, участкам);
сравнение потребления однотипных потребителей;
анализ почасовых и сезонных профилей потребления;
контроль над ростом и равномерным распределением нагрузок;
контроль параметров по договорам энергоснабжения;
оперативное планирование потребления электроэнергии;
вычисление балансов электроэнергии, сравнение с проектными решениями, выявление нерационального использования и потерь электрической энергии.
Управление энергоснабжением
Управление энергосбережением
Расчет, моделирование и оптимизация электрических сетей
При реализации программ по повышению энергоэффективности, иногда упускается, что использование современных устройств управления нагрузками, таких как тиристорные регуляторы, частотные преобразователи, высокочастотные инверторы, может приводить к тому, что электрические сети начинают функционировать в режимах, на которые они, возможно, не были рассчитаны. Достаточно распространенной является ситуация, когда внедрение энергосберегающих технологий на стороне потребления приводит к ухудшению качества электроэнергии и увеличению реактивной мощности в сети. Это в свою очередь, приводит к росту потерь электроэнергии в трансформаторах и кабельных линиях, к сбоям в работе электронных устройств и к снижению их срока службы.
Обеспечивать стабильное качество электроэнергии и надежную работу системы электроснабжения в условиях динамических изменений нагрузки на стороне потребителей позволяет использование цифрового двойника электрических сетей предприятия.
Цифровой двойник электрических сетей – это реализованная в специальном программном обеспечении математическая модель электрических сетей, позволяющая оценивать надежность электроснабжения промышленного предприятия и выявлять уязвимые места в энергосистеме при проектировании, в процессе эксплуатации, а также при разработке сценариев развития сети.
Цифровой двойник электрической сети позволяет выполнять следующие задачи:
анализ установившихся и послеаварийных режимов сети;
вероятностный анализ надежности, выявление слабых мест сети и определение приоритетов для мер по усилению или реструктуризации сети;
оптимизация структуры сети, определение параметров сети с минимальными потерями и минимальным количеством нарушений технических ограничений;
оценка резервов мощности сети при планировании затрат на модернизацию и расширение производства; моделирование сценариев развития сети для минимизации дорогостоящих ошибок проектирования и неэффективных инвестиций;
выбор оборудования сети и определение оптимальных уставок и рабочих характеристик оборудования;
расчет экономической эффективности мероприятий по развитию и реструктуризации сети; проведение тренинга эксплуатирующего персонала.
Цифровой двойник электрической сети: подход к созданию статических и динамических моделей электрических сетей
В качестве базовой платформы для разработки цифрового двойника электрических сетей компания «Сумма технологий» использует программный комплекс PSS SINCAL компании Siemens. Данное программное обеспечение широко используется по всему миру для расчета, моделирования и оптимизации сетей энергоснабжения.
Разработка модели сети начинается с проведения комплексного обследования электрических сетей, в процессе которого выполняется:
сбор и обработка данных о существующей структуре и нормальном режиме электрических сетей;
сбор и обработка данных о режимах потребления электроэнергии;
формирование каталога оборудования сети, кабельных и воздушных линий электропередач;
определение схем размещения объектов электрических сетей;
инструментальное обследование оборудования сети с определением активной и реактивной мощностей в узлах сети, показателей качества энергии, паспортных и фактических характеристик оборудования.
Проведение инструментального обследования с использованием высокоточных поверенных приборов является критически важным для обеспечения достоверности математической модели, поскольку именно на этом этапе работ выполняется:
актуализация данных о фактических характеристиках оборудования;
оценка степени износа оборудования сети;
верификация данных из АСУТП и систем энергоучета.
По итогам комплексного обследования сети разрабатывается отчет, содержащий выверенные схемы электрических сетей, каталог оборудования сети и энергоприемников с полным описанием их характеристик.
На основе полученных данных в программном комплексе PSS SINCAL формируется математическая модель сети, отрисовываются схемы сети в географическом, схематическом и смешанном форматах. После верификации модели выполняется необходимые Заказчику расчеты, в том числе:
расчеты установившихся нормальных и послеаварийных режимов;
расчет коротких замыканий, в том числе многофазных;
расчет электромагнитных переходных процессов (броски тока, падения напряжения);
расчет динамической устойчивости сети;
расчет вероятностных показателей надежности;
расчет оптимальной структуры сети и схем присоединения;
расчет коротких замыканий, множественных повреждений;
моделирование срабатывания защит.
Результаты расчетов используются для формирования рекомендаций по оптимизации структуры сети, уставок защит, рабочих характеристик оборудования, возможных сценариев развития сети с оценкой экономической эффективности их реализации.
Сформированная по результатам проекта модель (цифровой двойник сети) остается в распоряжении Заказчика. При наличии программного обеспечения PSS SINCAL специалисты Заказчика смогут самостоятельно поддерживать модель в актуальном состоянии, разрабатывать новые модели, выполнять расчеты и вырабатывать решения по оптимизации электрических сетей предприятия. Пользовательский интерфейс системы удобен и интуитивно понятен.