37/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 EKONOMICZNE I EKOLOGICZNE SKUTKI NIEPRAWIDŁOWEJ KOMPENSACJI POBORU MOCY W MASZYNACH I URZĄDZENIACH ODLEWNICZYCH E. ZIÓŁKOWSKI 1, R. WRONA 2, K. SMYKSY 3 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków STRESZCZENIE W artykule omówiono wymagania uwzględniające charakter poboru mocy stawiane zakładom przemysłowym przez dostawców energii elektrycznej. Przeanalizowano wpływ rodzaju składników poboru mocy (czynnej, biernej i całkowitej) na koszty energii elektrycznej. Opisano podstawowe systemy kompensacji mocy biernej indukcyjnej, znajdujących również zastosowanie w systemach zasilania maszyn i urządzeń odlewniczych. Zwrócono uwagę na ekologiczne i ekonomiczne aspekty powyższych zagadnień w funkcjonowaniu odlewni. Key words: electric energy consumption, compensation systems, foundry equipment 1. WPROWADZENIE Obowiązujące w Polsce Prawo Energetyczne [1] wraz odpowiednimi rozporządzeniami [2], określa szczegółowe zasady zawierania umów sprzedaży i przesyłu energii elektrycznej do wszystkich odbiorców, w tym także odlewni. Zgodnie z rozpo - rządzeniem [2] odlewnie, które są przyłączane do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym 110 kv, stanowią II grupę przyłączeniową, natomiast do grupy III są zaliczane te odlewnie, które są przyłączone do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym pomiędzy 110 kv a 1 kv (najczęściej 15 kv). W umowach zawieranych między dostawcą energii elektrycznej a odlewnią, jako odbiorcą, szczegółowo są podane takie parametry jak: taryfa przyłączeniowa, moc 1 dr inż., ez@agh.edu.pl 2 prof. dr hab. inż., rwrona@agh.edu.pl 3 dr inż., ksmyksy@agh.edu.pl
248 umowna, ilość energii elektrycznej w skali roku, wartość parametru tg i inne. Dostawca energii elektrycznej ustala zasady opomiarowania poboru energii. Odlewnie, które są zaliczane do II grupy przyłączeniowej należą do grupy taryfowej A2x, gdzie x=1,2,3 oznacza liczbę rozliczeniowych stref czasowych. Odlewnie zaliczone do III grupy przyłączeniowej korzystają z grupy taryfowej B2x. Należy podkreślić, iż w każdym okręgu energetycznym dostępne są określone przez operatora wybrane grupy taryfowe. 2. SKUTKI EKONOMICZNE NIEPRAWIDŁOWEJ KOMPENSACJI Bardzo ważnym aspektem związanym z poborem energii elektrycznej przez odlewnię jest wartość współczynnika tg, który świadczy o jakości kompensacji mocy biernej indukcyjnej lub pojemnościowej i ma istotne znaczenie w wysokości opłat za pobór energii elektrycznej. Generalnie wartość współczynnika tg musi być mniejsza lub równa 0,4. Powyżej tej wartości naliczane są opłaty za nadwyżkę pobranej energii biernej. Zgodnie z rozdziałem 5.3 taryf [3, 4] przez...ponadumowny pobór energii biernej rozumie się: pobór energii elektrycznej przy współczynniku tg wyższym od współczynnika tg 0, określonego w umowie sprzedaży energii elektrycznej lub umowie o świadczenie usług przesyłowych, pobór energii biernej, przy braku poboru energii czynnej, pobór energii czynnej przy współczynniku pojemnościowym, to jest przy tg<0. W poszczególnych okręgach energetycznych różnie oblicza się opłatę za nadwyżkę energii biernej pobranej w okresie rozliczeniowym ponad ilość wynikającą z wartości współczynnika tg 0. W niektórych okręgach energetycznych, na przykład według [3] opłata ta jest obliczana z zależności O b D 2SZs A (1) 100 gdzie: O b. - opłata za nadwyżkę energii elektrycznej biernej indukcyjnej, zł, S Zs - składnik zmienny stawki sieciowej opłaty przesyłowej, wyrażony w zł/jednostkę energii elektrycznej, D - procentowe stawki, o które zwiększa się opłaty za energię elektryczną czynną z powodu ponadumownego poboru energii elektrycznej biernej indukcyjnej. Wartości D określa odpowiednia tabela [3]. A - suma energii elektrycznej czynnej pobranej w strefach czasowych, dla których prowadzona jest kontrola poboru energii elektrycznej biernej, wyrażona w jednostkach energii elektrycznej.
249 W innych okręgach (na przykład według taryfy [4]) zależność ta ma postać O b 2 n k1 S ZVgk 2 1 tg k 1 A 2 k 1 tg o gdzie: k - grupa taryfowa, n - liczba rozliczeniowych grup taryfowych, S ZVgk - składnik zmienny stawki sieciowej dla strefy czasowej k-tej grupy taryfowej, w której rozliczany jest odbiorca, wyrażony w złotych na jednostkę energii, tg k - współczynnik mocy dla strefy czasowej k danego okresu rozliczeniowego, tg 0 - umowny współczynnik mocy, A k - energia czynna pobrana w strefie czasowej k, wyrażona w jednostkach energii. W celu oceny wpływu sposobu obliczania opłaty za nadwyżkę energii elektrycznej według zależności (1) oraz (2) na rysunku 1 przedstawiono przebieg zmian wartości wyrażenia D M1 2 SZs 100, (3) będącego częścią (1) i wyrażenia M 2 1 tg k 2S 1 ZVg1 2 1 tg o 2, (4) które jest częścią zależności (2), przy założeniu wartości S Zs =51.37 zł/mwh [3], S ZVg1 =83.00 zł/mwh [4] oraz tg 0 =0.4, obowiązujących dla taryfy B21 w obu okręgach energetycznych. Z analizy wykresu na rysunku 1 można zauważyć, jak wysokie są opłaty za ponadumowny pobór energii biernej indukcyjnej w niektórych okręgach energetycznych. Istotny jest również fakt, iż w przypadku zależności (3), wartość współczynnika M 1 jest niezależna od rozliczeniowej strefy czasowej, podczas gdy wartość współczynnika M 2 jest inna dla każdej strefy czasowej z powodu różnych wartości współczynnika S ZVgk.. W przypadku stosowania przez odlewnię innej taryfy, na przykład B22 lub B23, relacje wartości współczynników M 1 i M 2 mogą okazać się korzystniejsze niż w rozliczeniach jednotaryfowych. W taryfach opłat za pobór energii elektrycznej istnieje również zapis związany z naliczaniem opłat za pobór mocy czynnej przy współczynniku pojemnościowym. W przypadku przekompensowania odbiorca ponosi opłatę wynikającą z iloczynu całej ilości energii biernej wprowadzonej do sieci sprzedawcy w okresie rozliczeniowym i dwukrotnej wartości składnika zmiennego stawki sieciowej, określonej dla grupy taryfowej, w której rozliczany jest odbiorca [3, 4]. Oznacza to, że dla wartości (2)
250 współczynnika tg poniżej wartości umownej (zazwyczaj równej -0.2) naliczana jest opłata podwyższona. Rys. 1. Wykres zależności wartości współczynników M 1 (3) i M 2 (4). Fig. 1. Dependence between M1, M2 coefficients and tg. See equations (3) and (4). Podsumowując, jeżeli wartość współczynnika tg będzie spoza przedziału <-0.2; 0.4>, to koszt poboru energii elektrycznej przez odlewnię znacznie wzrasta, przez co oczywiście wpływa na ogólny koszt wytwarzania 1 kg odlewów. 3. SYSTEMY KOMPENSACJI MOCY BIERNEJ Prawidłową kompensację mocy biernej indukcyjnej lub pojemnościowej należy starannie zaplanować po przeprowadzeniu szczegółowej analizy poboru mocy przez poszczególne odbiorniki, z uwzględnieniem ich dynamiki pracy. Kompensację można realizować: indywidualnie dla każdego odbiornika energii elektrycznej, grupowo, dla zespołu odbiorników energii elektrycznej, globalnie w całym systemie poboru energii elektrycznej przez odlewnię. Do kompensacji poboru mocy biernej indukcyjnej najczęściej stosuje się [5]: baterie kondensatorów średniego napięcia (statyczne i regulowane, z dławikami rozładowczymi i z filtrami dolnoprzepustowymi), baterie kondensatorów niskiego napięcia (z układami do miękkiego załączania i filtrami dolnoprzepustowymi) kondensatory energetyczne średniego napięcia (posiadające wewnętrzne urządzenia samorozładowcze, samoregenerujący dielektryk z folii polipropylenowej oraz biodegradowalne i niepalne syciwo, wyposażone opcjonalnie w zabezpieczenia nadciśnieniowe i temperaturowe), kondensatory energetyczne niskiego napięcia (próżniowe, bez żadnych wypełniaczy o bardzo dużej trwałości, dzięki minimalnemu wpływowi starzenia dielektryka
251 w warunkach próżniowych, posiadają unikalny sys tem zabezpieczenia przed możliwością eksplozji), kondensatory specjalne, przeznaczone do pieców i nagrzewnic indukcyjnych, do urządzeń o wysokiej częstotliwości sieci zasilającej oraz w wersjach chłodzonych wodą. Kompensację poboru energii biernej pojemnościowej można realizować między innymi za pomocą [5]: kompensatorów statycznych średniego napięcia (układy specjalnych dławików rozproszeniowych), kompensatorów statycznych niskiego napięcia (układy specjalnych dławików o dużej reaktancji), automatycznie regulowane kompensatory dynamiczne, jako uzupełnienie układów statycznych. Urządzenia te dokonują pomiaru mocy biernej indukcyjnej i po - jemnościowej na poziomie średniego lub niskiego napięcia a następnie sterują złożonym układem ze zmienną reaktancją, powodując utrzymanie wymaganego współczynnika mocy na poziomie średniego napięcia, W uzasadnionych ekonomicznie przypadkach możliwe jest także stosowanie złożonych systemów kompensacji mocy biernej, do których można zaliczyć [5]: kompensatory hybrydowe, będące odmianą filtrów aktywnych, układy sumujące i różnicowe, przeznaczone na przykład do współpracy z silnikami asynchronicznymi, kaskadami tyrystorowymi, rozproszone systemy kompensacji mocy biernej, będące optymalnym rozwiązaniem problemu kompensacji mocy biernej dla dużej liczby odbiorników energii elektrycznej, rozmieszczonych na znacznym obszarze terytorialnym. 4. ASPEKT EKOLOGICZNY NIEPRAWIDŁOWEJ KOMPENSACJI Nieprawidłowa kompensacja mocy biernej ma nie tylko istotny aspekt ekonomiczny, lecz także wpływa na stabilność i trwałość całego podsystemu energetycznego. Pobór energii biernej istotnie zwiększa straty wynikające z konieczności produkcji przez elektrownie większej ilości energii, lecz także znacznie zmniejsza trwałość elementów systemu energetycznego, takich jak linie przesyłowe, stacje transformatorowe, układy zabezpieczeń, szczególnie podczas wszelkich operacji przełączeniowych. PODSUMOWANIE Przedstawiona w zarysie problematyka kompensacji mocy biernej ma istotne znaczenie dla zakładów przemysłowych. Dotyczy to również odlewni wyposażonych w dużą ilość urządzeń o indukcyjnym charakterze obciążenia. Niewłaściwa kompensacja mocy biernej pogarsza jakość dostarczonej energii elektrycznej, stwarza ryzyko
252 wystąpienia przerw w dostawie energii elektrycznej oraz zwiększa koszty energii elektrycznej, pogarszając tym samym wskaźniki ekonomiczne produkcji odlewów. Niewłaściwa kompensacja może także wpływać na cały system energetyczny powodując opisane wyżej negatywne skutki ekologiczne. LITERATURA [1] Prawo energetyczne. Dz. U. z 1997 r. Nr 54, poz.348 i Nr 158, poz. 1042, z 1998 r. Nr 94, poz. 594, Nr 106, poz. 668 i Nr 162, poz. 1126, z 1999 r. Nr 88, poz. 980, Nr 91, poz.1042 i Nr 110, poz. 1255, z 2000 r. Nr 43, poz.489 i Nr 48, poz. 555 i Nr 103, poz. 1099, z 2001 r. Nr 154, poz. 1800 i 1802, z 2002 r. Nr 74, poz. 676, Nr 113, poz. 984 i Nr 135, poz. 1144 oraz z 2003r. Nr 50, poz.424 [2] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 września 2000 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energia elektryczna, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców (Dz. U. Nr 85, poz. 957). [3] Taryfa dla energii elektrycznej obowiązująca odbiorców obsługiwanych przez Zakład Energetyczny Kraków S.A. z siedzibą w Krakowie. Kraków, 2003. [4] Taryfa dla energii elektrycznej. Zakłady Energetyczne Okręgu Radomsko-Kieleckiego z siedzibą w Skarżysku-Kamiennej. Skarżysko-Kamienna, 2003. [5] www.icpower.com.pl Praca realizowana w ramach pracy statutowej Katedry Mechanizacji, Automatyzacji i Projektowania Odlewni w roku 2004. ECONOMICAL AND ECOLOGICAL RESULTS OF THE INCORRECT COMPENSATION OF THE POWER CONSUMPTION IN CASTING MACHINES AND DEVICES SUMMARY In the paper electric energy supplier demands taking into consideration the kind of power input for industrial plant have been presented. The influence of kind of power consumption components: active, reactive and apparent on electric energy costs has been discussed. The basic inductive reactive power compensation systems useful also for foundry machines and equipment have been described. The authors have paid attention to economical and ecological aspects of mentioned above problems for foundries operation. Recenzent: prof. dr hab. inż. Józef Dańko.