Энергосберегающие решения в распределительных электрических сетях на основе анализа их фактических нагрузок

В статье предлагается решение проблемы с «запертой электрической мощности» на примере Республики Татарстан. И в этом кроется большой потенциал в плане повышения энергосбережения. Проведенные Ассоциацией «Росэлектромонтаж» исследования электрических нагрузок для жилых и общественных зданий в Республике Татарстан показали, что фактические электрические нагрузки ниже, чем рассчитанные по нормативным документам. В результате силовые трансформаторы работают с большими потерями, и срок окупаемости инвестиций значительно увеличивается. Решить данную ситуацию можно путем актуализации электрических нагрузок. Это приведет к повышению энергоэффективности, значительному экономическому эффекту за счет снижения значений заявленной мощности (уменьшается запертая электрическая мощность) и уменьшению мощностей силовых трансформаторов, сечений питающих кабелей, а, следовательно, капитальных затрат при строительстве и эксплуатации.

Резервы повышения энергоэффективности ТП

Проектные организации для расчета мощности, потребляемой жилыми и общественными зданиями, используют нормативные удельные значения нагрузок, представленные в правилах проектирования электросетей. Практика эксплуатации систем электроснабжения показала, что в большинстве случаев реальные нагрузки меньше расчетных в 1,5-2,5 раза. Следует обратить внимание на то, что за последнее десятилетие электропотребление бытовыми приборами за счет использования новых технологий и повышения энергоэффективности изменилось в сторону уменьшения.

Построенные кабельные сети и трансформаторные подстанции 0,4/10 кВ (ТП) по факту оказываются недогруженными. Ассоциация «Росэлектромонтаж» (Ассоциация) провела исследования загрузки ТП 0.4/10 кВ нескольких городов Российской Федерации, по результатам которых определено, что порядка 80% ТП работают с максимальной загрузкой в течение года менее 30% (рисунок 1).

Мощность силовых трансформаторов (СТ) выбирается с учетом 70% суммарной максимальной загрузки в номинальном режиме. Малая загрузка СТ приводит к:

• увеличению потерь в СТ относительно СТ, работающих с загрузкой в 70% (рисунок 2);
• неэффективному использованию инвестиций.

Следует отметить, что догрузить СТ в большинстве случаев не представляется возможным, поскольку ТП по документам полностью загружены. Данная ситуация приводит к появлению «запертой электрической мощности», которая не вписывается в программы энергосбережения и энергетической эффективности.

Из отчета о функционировании АО «СО ЕЭС» в 2019 году следует, что установленная мощность электростанций Российской Федерации составляет 245.4 ГВт, а нагрузки электростанций на годовой максимум потребления мощности — 153,5 ГВт, то есть 91,9 ГВт не использовалось. Это идет вразрез с целями повышения энергосбережения. На объекты жилья и социального, культурного и бытового назначения приходится 20%, в том числе на жилье 14.7% от потребляемой мощности. Из этого следует, что из 91,9 ГВт неиспользуемой мощности («запертой») — 18,4 ГВт приходится на объекты жилья и соцкультбыта.

С 2012 года по 2016 год в стране ежегодный темп прироста конечного потребления электроэнергии — 0.3%. Однако введенные в те же годы мощности сетевой инфраструктуры способны покрыть нагрузку потребителей на 86 ГВт. Фактическая неиспользуемая мощность («запертая») при этом составила более 85-88%, что составляет 73,1-75.68 ГВт. Пора прекращать эту порочную практику и переходить к разумной организации энергосбережения.

Для определения эффективности работы ТП произведен расчет суммарных потерь для двухобмоточных СТ. Число СТ, устанавливаемых на ТП всех категорий, принимается, как правило, не более двух. Суммарные потери определялись по формулам:

Значения потерь холостого хода и короткого замыкания в СТ 0,4/10 кВ применены из таблицы 1.

Результат расчетов показал, что эффективность работы СТ зависит от загрузки (рисунок 2). Как видно из рисунка, суммарные потери составляют от 2.9 до 1.47% при кг = 15%. а при к, = 30% — от 1,6 до 0.85% в зависимости от типа установленных СТ в ТП.

Важность актуализации удельных расчетных электрических нагрузок для повышения энергосбережения

Актуализация нормативных значений для расчета заявленной мощности позволит снизить потери электроэнергии в СТ, что станет важным шагом к организации энергосбережения в масштабах всей страны. Для оценки экономического эффекта от внедрения актуализированных нормативных значений был выполнен укрупненный расчет на примере ОАО «Сетевая компания» Республики Татарстан.

По данным ОАО «Сетевая компания» в 2019 году поступление электрической энергии в сеть составило 22.751 млрд кВт ч. а потери электрической энергии — 1.495 млрд кВт ч (3,86 млрд руб.). В среднем стоимость потерь 1 кВт ч электроэнергии составляет 2.58 руб (3.86 млрд руб /1.495 млрд кВт ч).

Учитывая, что большая часть СТ в часы максимума работают только 2-5 часов, будем считать, что 53% ТП, загруженных менее 15%, имеют среднее снижение потерь электроэнергии в 1,6% при загрузке 70%, а ТП, загруженные менее 30%, имеют среднее снижение потерь электроэнергии в 1.2% (рисунок 2), экономический эффект определяется:

Эф = 22,578 млрд кВт·ч · 0,53 · 0,016 + 22,578 млрд кВт·ч · 0,30 · 0,012 = 273 млн кВт·ч.

Снижение потерь электроэнергии составляет 18.4% от общего числа потерь электроэнергии за 2019 год с ориентировочным экономическим эффектом '709,5 млн руб. в год без учета капитальных затрат на строительство и реконструкцию электрических сетей. Для решения проблемы «запертой электрической мощности» с целью повышения энергосбережения, снижения стоимости строительства и потерь в электрических сетях необходима актуализация удельных расчетных электрических нагрузок, основанная на фактических электрических нагрузках. Необходимость работы также подтверждается в Государственной программе Российской Федерации «Развитие энергетики»:

• одной из целей является обеспечение потребности внутреннего рынка в надежном, качественном и экономически обоснованном снабжении энергией;
• целями в рамках повышения энергосбережения являются совершенствование нормативно-правовой базы, совершенствование системы планирования в электроэнергетике, снижение потерь электрической энергии к 2035 году до уровня 7-7,5%;
• ключевым показателем состояния инвестиционного климата является качество предоставления государственных услуг — показатели эффективности оказания различных государственных услуг для бизнеса, в том числе подключение к электросетям;
• в целевые показатели Комплексного плана модернизации и расширения магистральной инфраструктуры включено снижение избытка установленной мощности электростанций ЕЭС России.

С целью повышения энергосбережения для решения данной проблемы по заданию ОАО «Сетевая компания» Ассоциацией были проведены исследования в Республике Татарстан в части актуализации удельных расчетных электрических нагрузок многоквартирных жилых домов (МКД). Для определения влияния срока эксплуатации на электропотребление МКД были выполнены исследования, представленные на рисунке 3.

Электропотребление изменяется в течение срока эксплуатации и рассматривается, чаще всего, на годовом интервале (максимум приходится на зимние, а минимум — на летние месяцы для г. Казани). В первые два года эксплуатации электропотребление сильно отличается, поэтому актуальны его замеры, начиная с третьего года эксплуатации, на протяжении как минимум трех лет. Ряд профилей нагрузок МКД, зафиксированных за 3 года, представлен на рисунке 4.

Примечания:

1. Значения удельной электрической нагрузки для расчета заявленной мощности Рзм.уд справедливо для многоквартирных домов 1-й и 2-й групп с числом квартир 40 и более, дпя З-й группы — с числом квартир 65 и более.
2. К 1-й группе относятся жилые здания без лифтов с газовыми плитами.
3. Ко 2-й группе относятся жилые здания с лифтами с газовыми плитами.
4. К 3-й группе относятся жилые здания с лифтами и с электрическими плитами.
5. Удельные электрические нагрузки всех групп учитывают общедомовые нагрузки, включая лифтовую нагрузку для 2-й и 3-й группы.
6. Удельная электрическая нагрузка для расчета заявленной мощности приведена для квартир средней общей площадью 70 м2 (квартиры от 35 до 90 м2) в зданиях по типовом проектам.
7. Расчетную нагрузку для квартир с повышенной комфортностью следует определять в соответствии с заданием на проектирование или в соответствии с заявленной мощностью и коэффициентами спроса и одновременности (таблицы 7.2 и 7.3 СП 256 1325600 2016).
8. В качестве исходной информации использовались результаты натурных измерений электрических нагрузок МКД, полученные Ассоциацией в рамках выполнения договорных работ с ОАО «Сетевая компания» (г. Казань) в 2016-2018 гг. (согласно пункту 9 примечания таблицы 7.1 СП 256.1325800.2016).

Наличие большого количества профилей нагрузки позволило, используя статистические методы, объединить МКД в группы (таблица 2).

Результаты исследования, частично представленные на рисунках 3 и 4, после экспертной оценки ГАУ «Центр энергосберегающих технологий РТ при кабинете министров РТ», ГАУ «Управление государственной экспертизы и ценообразования РТ по строительству и архитектуре», ГКУ «Главное инвестиционно-строительное управление РТ», ГУП «Татинвестгражданпроект» нашли свое отражение в руководящем документе «Об утверждении республиканских нормативов градостроительного проектирования Республики Татарстан». Его внедрение обеспечило снижение удельных расчетных электрических нагрузок МКД от 223% до 50%, что стало важным шагом в деле повышения энергосбережения.

Используя эти нормативы можно определить заявленную мощность жилых зданий:

В качестве примера определен экономический эффект ~30 млн руб от внедрения постановления для застройщика при вводе 95 тыс. м2. С учетом того, что в Республике Татарстан в 2019 году ввели в эксплуатацию жилье общей площадью 2.675 млн м2, из которых 1,569 млн м2 приходятся на МКД, ожидаемый экономический эффект для застройщиков можно оценить в 495 млн руб. в год. При этом не было учтено высвобождение территории за счет уменьшения количества ТП и их охранной зоны.

На примере г. Казани и г. Магнитогорска показано, что имеют место региональные отличия в части электрических нагрузок (рисунок 5). Это является предпосылкой к разработке региональных нормативов удельных нагрузок для МКД.

Результаты НИР обсуждены и получили положительную оценку и поддержку от научного сообщества экспертов и специалистов.

В настоящее время продолжается актуализация удельных электрических нагрузок объектов социального, культурного и бытового назначения, в том числе дошкольных образовательных учреждений (ДОУ) и средних общеобразовательных школ (СОШ). Для этих объектов Ассоциацией в 2019 году было разработано изменение № 3 к «Правилам проектирования и монтажа электроустановок». Изменение № 3 (дата введения 26.10. 2019) позволяет применять удельные значения нагрузки для общественных зданий с учетом местных условий.

Замеры фактических электрических нагрузок ДОУ (рисунок 6) и СОШ (рисунок 7) также показали расхождения с рассчитанными по действующим нормам.

Рисунки 6 и 7 иллюстрируют существенную разницу между фактической и расчетной нагрузкой, это в очередной раз подтверждает актуальность пересмотра расчетных значений для ДОУ и СОШ для повышения энергоэффективности. Измерения электрических нагрузок других общественных зданий (парикмахерских, магазинов, аптек, кафе, ресторанов, офисных помещений и т.п.) также показали существенные расхождения с рассчитанными по федеральным нормам.

Поскольку изменение № 3 к «Правилам проектирования и монтажа электроустановок» вступило в силу с 26 октября 2019 года, был подготовлен проект изменений в Постановление КМ Республики Татарстан «Об утверждении республиканских нормативов градостроительного проектирования Республики Татарстан» для расчета заявленной мощности ДОУ и СОШ, основанных на фактических замерах. Утверждение изменений в постановлении с последующим внедрением позволит дополнительно снизить затраты при капитальном строительстве и эксплуатации электрических сетей, что коренным образом повлияет на повышение энергоэффективности экономики.

Выводы

Внедрение в Республике Татарстан результатов в виде Постановления «Об утверждении республиканских нормативов градостроительного проектирования Республики Татарстан» позволило снизить заявленную мощность для подключения многоквартирных домов более чем в два раза, что отразилось на снижении себестоимости квартир, технологических потерях электроэнергии, «запертой электрической мощности».

Совокупный укрупненный экономический эффект для актуализации электрических нагрузок для МКД в Республике Татарстан — 1,2 млрд руб. в год. Для увеличения экономического эффекта требуется актуализация удельных электрических нагрузок общественных зданий, в том числе ДОУ, СОШ. фрагментарные исследования удельных электрических нагрузок квартир в нескольких областях страны, выполненные Ассоциацией, выявили их значимые отличия.

Оригинал статьи: Энергосберегающие решения в распределительных электрических сетях на основе анализа их фактических нагрузок