Расчет КПД и себестоимости передачи и распределения электроэнергии. Кпд теплосети на примере трубопроводов в ппу изоляции

Мотивы данной статьи навеяны неожиданной дискуссией на тему эффективности работы серверного оборудования ЦОД (см. комментарии в статье ). Вопрос о том, что действительно подразумевать под понятиями КПД и эффективности в отношении серверного оборудования в частности и всего ЦОД в целом требует дополнительных пояснений. Итак, …

Термины и определения

Наиболее логичным видится начало с определения используемых терминов.

Коэффициент Полезного Действия (КПД) – это отношение полезной совершаемой работы (энергии) к общей затраченной работе (энергии).

Совершенство – это отношение текущего (реального) значения параметра к теоретически максимально возможному при тех же условиях.

Различия в данных понятиях очень хорошо можно проиллюстрировать на примере систем кондиционирования. Так, например, КПД компрессора составляет порядка 85%. Оставшиеся 15% затрачиваются на трение, движение масла, перетечки, нагрев и др. КПД кондиционера в целом можно оценить примерно в 70% — здесь учитывается падения давления в трубопроводах, КПД дросселя, гидравлическое сопротивление теплообменников и т.д.

Однако, совершенство современного кондиционера лишь немного превышает 10%. Дело в том, что на 1кВт затраченной электроэнергии кондиционер должен генерировать почти 30кВт холода (27.5кВт для стандартных условий), а реальная холодопроизводительность составляет всего 3-4кВт. Отношение этих цифр в холодильной технике называется «степенью термодинамического совершенства цикла» или проще – «совершенство».

Итак, КПД и совершенство – это совершенно разные понятия и при КПД агрегата в 70% его совершенство может составлять всего 10%.

КПД ЦОД

Переходя к ЦОД, следует определиться в понятиях полезной и полной работы ЦОД и его максимально возможной работе при тех же условиях.

Ни для кого не секрет, что вычислительные мощности ЦОД генерируются ИТ-оборудованием и вся инженерная и архитектурная инфраструктура ЦОД направлена на размещение ИТ-оборудование и обеспечение его работоспособности. Как результат, за полезную работу принимают мощность ИТ-оборудования, а это ошибочно. ИТ-оборудование для вычислительных мощностей, является лишь методом их получения.

Действительно полезной работой ЦОД следует называть исключительно вычислительную мощность ЦОД, т.е. те электрические сигналы, которые были получены в ЦОД по запросу пользователей из вне и отправлены ему.

К сожалению, оценить мощность таких сигналов чрезвычайно трудно. Известно лишь то, что в большом ЦОД она измеряется ваттами, и она ничтожно мала по сравнению с затраченной на функционирование ЦОД мегаваттной мощностью. Разделив одно на другое, получаем, что КПД ЦОД пренебрежительно мало и, по сути, равно нулю.

КПД ЦОД ≈ 0%.

Ничтожно малый КПД объясняется несколькими факторами:

• Несовершенство технологии: пренебрежительно малый КПД серверного оборудования. Современные технологии позволяют создать потрясающие вычислительные мощности, но затраты энергии на них на несколько порядков превышают мощности получаемых сигналов. Основной проблемой является энергоёмкость p-n-переходов, на которых и построен весь вычислительный процесс. Проблему может решить применение других материалов (что сдерживается их несравненно более высокой стоимостью) или новых технологий (главная из них – использование эффекта высокотемпературной сверхпроводимости на основе новых материалов (интерметаллидов), но на сегодняшний день под словом «высокотемпературная» скрываются температуры около 150К (-120С), что опять-таки недостижимо мало для машинных залов). В итоге в ближайшие годы изменения ситуации ждать не приходится.
• Множество побочных процессов и необходимость задействовать несколько других единиц оборудования. Так, для формирования какого-либо вычисления необходимо обратиться к процессору (т.е. он должен быть включен), к базе данных на дисковом массиве (и он должен быть запитан), к оперативной памяти (а она также энергозависима) и т.д. В результате, для получения одного сигнала необходимо сгенерировать несколько вспомогательных, каждый из которых также требует обработки. В итоге круг «действующих лиц» очень широк и каждое такое «лицо» имеет свое энергопотребление. Конечно, современная миниатюризация всех элементов позитивно сказывается и на их энергопотреблении, поэтому прогресс в этой области налицо.

В целом же существенного отдаления КПД ЦОД от нулевой отметки ожидать не приходится.

Однако, для удобства КПД ЦОД есть смысл разбить на КПД инженерии и КПД ИТ.

КПД инженерии ЦОД = мощность ИТ / полная мощность ЦОД

КПД ИТ = вычислительная мощность / мощность ИТ

Тогда КПД ЦОД = КПД инженерии * КПД ИТ.

По вышеуказанным причинам КПД ИТ составляет около 0% и особого интереса не представляет ввиду отсутствия в ближайшее время путей её повышения.

В свою очередь КПД инженерии ЦОД вызывает самый живой интерес, является главным показателем эффективности работы ЦОД и, как правило, лежит в диапазоне от 35 до 95%. Столь широкий разброс объясняется режимом работы системы кондиционирования: при работе холодильного цикла диапазон сужается до 35-55%, а в случае режима фрикулинга получаем диапазон 75-95%.

Связь КПД с принятыми показателями

Стоит отметить, что эффективность ЦОД оценивается общепринятым коэффициентом PUE (Power Utilization Effectiveness, эффективность утилизации энергии) и коэффициентом DCiE (Data Cetner infrastructure Efficiency, эффективность инфраструктуры ЦОД). Обы они напрямую связаны с КПД инженерии:

DCiE = КПД инженерии ЦОД

PUE = 1 / КПД инженерии ЦОД

DCiE = 1 / PUE.

Итак, чем выше КПД, чем выше DCiE и чем ниже PUE, тем лучше.

Совершенство ЦОД

Как было сказано выше, совершенство представляет собой отношение практического полезного эффекта к максимально возможному теоретически. При этом учитывается конкретная технология получения полезного эффекта.

Так, для проведения вычислений другой технологии, кроме как использование полупроводников и p-n-переходов нет. Не касаясь области высокотемпературной сверхпроводимости совершенство сегодняшних серверов можно оценить в 60% (цифра неточная, неподтвержденная, взята у соответствующих специалистов). Это означает, что производя те же вычисления электропотребление ИТ-оборудования можно сократить на 40%.

Приведу два наглядных примера:

• Мощность процессоров растет медленнее их производительности:

Pentium II – максимум 450МГц при 30Вт

Pentium III – максимум 1.4ГГц при 40Вт

Pentium IV – максимум 3.8ГГц при 120Вт

Pentium Dual-Core – 3.1ГГц при 65Вт

• Энергопотребление жестких дисков заметно снизилось: если раньше потребляемый ток превышал 1А, то сейчас он составляет около 0.5А.

Совершенство инженерной инфраструктуры ЦОД резко снижается из-за систем кондиционирования (как было сказано в начале, их совершенство составляет около 10%, более точно – 12.2% при полной нагрузке).

В то же время совершенство систем распределения электропитания достаточно высоко (около 98%).

В итоге совершенство инженерии исчисляется 12%, а ЦОД в целом – 7.2%.

Получаем, что при гораздо более высоком КПД совершенство инженерии ЦОД проигрывает совершенству ИТ.

Ещё интереснее ситуация в случае свободного охлаждения. Совершенство фрикулинга оценивается примерно в 70%. Тогда совершенство инженерии составит 68.6%, а всего ЦОД – 41.1%.

Использование фрикулинга позволяет повысить как КПД ЦОД, так и его совершенство.

В процессе перемещения зарядов внутри замкнутой цепи, источником тока совершается определенная работа. Она может быть полезной и полной. В первом случае источник тока перемещает заряды во внешней цепи, совершая при этом работу, а во втором случае - заряды перемещаются во всей цепи. В этом процессе большое значение имеет КПД источника тока, определяемого, как соотношение внешнего и полного сопротивления цепи. При равенстве внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления нагрузки, половина всей мощности будет потеряна в самом источнике, а другая половина выделится на нагрузке. В этом случае коэффициент полезного действия составит 0,5 или 50%.

КПД электрической цепи

Рассматриваемый коэффициент полезного действия в первую очередь связан с физическими величинами, характеризующими скорость преобразования или передачи электроэнергии. Среди них на первом месте находится мощность, измеряемая в ваттах. Для ее определения существует несколько формул: P = U x I = U2/R = I2 x R.

В электрических цепях может быть различное значение напряжения и величина заряда, соответственно и выполняемая работа тоже отличается в каждом случае. Очень часто возникает необходимость оценить, с какой скоростью передается или преобразуется электроэнергия. Эта скорость представляет собой электрическую мощность, соответствующую выполненной работе за определенную единицу времени. В виде формулы данный параметр будет выглядеть следующим образом: P=A/∆t. Следовательно, работа отображается как произведение мощности и времени: A=P∙∆t. В качестве единицы измерения работы используется .

Для того чтобы определить, насколько эффективно какое-либо устройство, машина электрическая цепь или другая аналогичная система, в отношении мощности и работы используется КПД - коэффициент полезного действия. Данная величина определяется как отношение полезно израсходованной энергии, к общему количеству энергии, поступившей в систему. Обозначается КПД символом η, а математически определяется в виде формулы: η = A/Q x 100% = [Дж]/[Дж] х 100% = [%], в которой А - работа выполненная потребителем, Q - энергия, отданная источником. В соответствии с законом сохранения энергии, значение КПД всегда равно или ниже единицы. Это означает, что полезная работа не может превышать количество энергии, затраченной на ее совершение.

Таким образом, определяются потери мощности в какой-либо системе или устройстве, а также степень их полезности. Например, в проводниках потери мощности образуются, когда электрический ток частично превращается в тепловую энергию. Количество этих потерь зависит от сопротивления проводника, они не являются составной частью полезной работы.

Существует разница, выраженная формулой ∆Q=A-Q, наглядно отображающей потери мощности. Здесь очень хорошо просматривается зависимость между ростом потерь мощности и сопротивлением проводника. Наиболее ярким примером служит лампа накаливания, КПД у которой не превышает 15%. Остальные 85% мощности превращаются в тепловое, то есть в инфракрасное излучение.

Что такое КПД источника тока

Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.

В виде формул они отображаются следующим образом:

• Полезная работа - Аполез = qU = IUt = I2Rt.
• Полная работа - Аполн = qε = Iεt = I2(R +r)t.

На основании этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:

• Полезная мощность - Рполез = Аполез /t = IU = I2R.
• Полная мощность - Рполн = Аполн/t = Iε = I2(R + r).

В результате, формула КПД источника тока приобретает следующий вид:

• η = Аполез/ Аполн = Рполез/ Рполн = U/ε = R/(R + r).

Максимальная полезная мощность достигается при определенном значении сопротивления внешней цепи, в зависимости от характеристик источника тока и нагрузки. Однако, следует обратить внимание на несовместимость максимальной полезной мощности и максимального коэффициента полезного действия.

Исследование мощности и КПД источника тока

Коэффициент полезного действия источника тока зависит от многих факторов, которые следует рассматривать в определенной последовательности.

Для определения , в соответствии с законом Ома, существует следующее уравнение: i = E/(R + r), в котором Е является электродвижущей силой источника тока, а r - его внутренним сопротивлением. Это постоянные величины, которые не зависят от переменного сопротивления R. С их помощью можно определить полезную мощность, потребляемую электрической цепью:

• W1 = i x U = i2 x R. Здесь R является сопротивлением потребителя электроэнергии, i - ток в цепи, определяемый предыдущим уравнением.

Таким образом, значение мощности с использованием конечных переменных будет отображаться в следующем виде: W1 = (E2 x R)/(R + r).

Поскольку представляет собой промежуточную переменную, то в этом случае функция W1(R) может быть проанализирована на экстремум. С этой целью нужно определить значение R, при котором величина первой производной полезной мощности, связанная с переменным сопротивлением (R) будет равной нулю: dW1/dR = E2 x [(R + r)2 - 2 x R x (R + r)] = E2 x (Ri + r) x (R + r - 2 x R) = E2(r - R) = 0 (R + r)4 (R + r)4 (R + r)3

Из данной формулы можно сделать вывод, что значение производной может быть нулевым лишь при одном условии: сопротивление приемника электроэнергии (R) от источника тока должно достичь величины внутреннего сопротивления самого источника (R => r). В этих условиях значение коэффициента полезного действия η будет определяться как соотношение полезной и полной мощности источника тока - W1/W2. Поскольку в максимальной точке полезной мощности сопротивление потребителя энергии источника тока будет таким же, как и внутреннее сопротивление самого источника тока, в этом случае КПД составит 0,5 или 50%.

Задачи на мощность тока и КПД

Сначала окунемся в теорию, почитаем техническую литературу, где и узнаем, как измеряют КПД. КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы к затраченной энергии. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. В формулах КПД обозначается буквой «Этта»: = A/Q, где А – затраченная работа, а Q полезная теплота. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше или равно единице, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии, не бывает котлов со 100% КПД, который не греет ничего кроме воды. Даже электрический котел, где отсутствует дымоход, а нагревательный элемент находится непосредственно в нагреваемом теплоносителе, не может выдать 100-процентный результат, так как часть энергии тратится на побочные цели – нагрев металлических деталей котла, нагрев провода от котла к розетке и т.п.

Понятие КПД напрямую связано с понятиями энергии и мощности. Применительно к отопительным приборам энергосодержание, или теплосодержание (кВт*ч), является понятием, связанным с количеством топлива (дров, газа, электроэнергии), а мощность (кВт) является понятием, связанным с размерами пламени (размерами нагревательного элемента) и скоростью горения топлива.

Коэффициент полезного действия котла, печи или камина определяется отношением количества освободившейся энергии к количеству использованной на практике освободившейся энергии. Например КПД твердотопливного котла характеризует, какую часть (в %) из всего энергосодержания древесины можно направить при ее сжигании на нагрев воды в системе отопления по отношению к той энергии, которая пошла на другие цели, например на нагрев дымохода, воздуха в нем, какая-то часть древесины остается недогоревшей в виде углей, летучей золы, негорючих газов.

С величиной КПД также связано понятие потери. Например, если потери дымовых газов (т.е. количество энергии, теряемой вместе с дымовыми газами) составляют 20%, то КПД отопительного прибора может составлять не более 80%. Полный КПД складывается из двух величин: КПД горения и потери дымовых газов.

Например, если КПД горения равен 90% и потери дымовых газов составляют 20%, то полный КПД этого очага будет равен

0,9 * (1 – 0,2) = 72%.

Коэффициент полезного действия присущ не только отопительному прибору. Есть КПД и у системы отопления в целом и зачастую именно этот показатель «страдает», сводя на нет всю работу по энергосбережению. КПД системы отопления в целом, показывает, сколько энергии горячей воды тратится на отопление воздуха в том помещении, которое вы отапливаете, по отношению к энергии, которая отапливает трубы, стены, воздух, который не нужно отапливать, и т.д. КПД системы отопления можно увеличить, например, теплоизолировав трубы, проходящие по неотапливаемым помещениям, сократив расстояние от котла до конечной точки потребления энергии, модернизировав систему отопления.

Расход энергии на обогрев «лишних» площадей называется потерями на теплопередачу. Например, если отопительный прибор (обладающий КПД 72%) подсоединен к системе отопления, в которой потери на теплопередачу составляют 8%, то КПД всей отопительной системы составит

0,72 * (1 – 0,08) = 66%.

При использовании полного КПД отопительной системы можно рассчитать фактически необходимое количество топлива для отопления всего здания. Например, для отопления жилого дома площадью 380 м2 месячная потребность в энергии составляет примерно 13500 кВт*ч, полный КПД отопительной системы принимаем за 66%, из чего и вычисляем фактическую потребность в топливе:

13500 / 0,66 = 20500 кВт*ч.

Если энергосодержание 1 кг древесины равно примерно 4 кВт*ч, то месячный запас дров должен составить

20500 / 4 = 5125 кг,

т.е. 8-10 м3 дров.

Другиме составляющие эффективной системы отопления

Если перед вами стоит задача быстрого нагрева воздуха в комнатах дома, то говорить надо об эффективности системы отопления. А это уже речь не об отопительном приборе, а о приборе, который энергию теплоносителя расходует на нагрев воздуха, – радиаторы, системы теплых полов и т.п. Чем быстрее радиатор произведет теплообмен между водой и воздухом, тем эффективнее вся система в целом.

Наличие эффективной системы отопления помимо «радостей» влечет также и «хлопоты». Ведь необходимо следить за тем, чтобы радиатор, преобразующий тепло воды в теплый воздух, сам не остыл и чтобы вода на выходе из радиатора была не слишком холодной, иначе котел будет работать на износ, а это недопустимо. В этих «хлопотах» огромную помощь оказывает циркуляционный насос, поддерживающий такую скорость циркуляции воды, которая позволит и радиаторы держать в нужном температурном режиме, и воду возвращать в котел непереохлажденной.

Здесь сразу отсеивается целый ряд систем отопления, основанных на естественной циркуляции теплоносителя. Эти системы – неэффективны. Неэффективны в первую очередь по причине своей инертности: здесь скорость циркуляции напрямую зависит от температуры воды. Сначала мы ждем пока произойдет нагрев воды в котле, по мере нагревания она потихоньку начинает пе-ремещаться вверх по стояку, а оттуда – по радиаторам. Но достигнув их, процесс снова затормаживается: горячая вода в радиаторе находится наверху, она не попадет вниз, пока не остынет. Какая же тут эффективность?

Итак, разобрались – включив циркуляционный насос, мы устранили все естественные пробки, связанные с разницей температур. В нашей системе циркулирует теперь любая вода – холодная, горячая, очень холодная и очень горячая, вне зависимости от того, успела она остыть или нагреться – вода уходит в систему и возвращается обратно в котел с одной и той же скоростью.

Максимальный КПД сети:

.

Средневзвешенный КПД сети:

,

Суммарная энергия, потребляемая потребителем за год.

Расчёт себестоимости передачи и распределения электроэнергии

Определение себестоимости передачи 1 кВт×ч электроэнергии:

где И – ежегодные эксплутационные издержки; Э Σ – суммарная энергия, потребляемая потребителем за год.

Потери энергии в сети за год составляют:

Результаты расчёта технико-экономических показателей сведены в таблицу 4.3.

Таблица 4.3.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта в соответствии с заданием был разработан оптимальный вариант электрической сети района нагрузок.

Для сравнения из нескольких вариантов конфигурации сети на основании наименьшей стоимости, наибольшей надежности и удобства эксплуатации были выбраны два.

В ходе дальнейшей разработки вариантов и расчета их экономической эффективности методом дисконтированных затрат был выбран вариант радиальной схемы сети.

Проектируемая сеть относится к числу районных сетей напряжением 220 -110 кВ. Сеть питает четыре ПС, в составе потребителей которых имеются потребители I, II, III категорий по надежности электроснабжения.

Линии электропередач напряжением 110 кВ и 220 кВ выполнены на железобетонных опорах, в обоих случаях использованы сталеалюминевые провода.

Сечения проводов линий были приняты с учетом экономической плотности тока и ограничения потерь на корону и проверены по допустимому току в послеаварийном режиме работы. В проектируемой сети использованы провода марок: АС – 70/11; АС – 120/19; АС – 185/29; АС – 400/51.

Питание потребителей осуществляется через два трансформатора на каждой подстанции. Трансформаторы выбраны с учетом перегрузочной способности:

На ПС-1 - АТДЦТН - 250000/220/110/10;

На ПС-2, ПС-3 - ТРДН - 25000/110/10;

На ПС-4 – ТДН- 16000/110/10;

На следующем этапе проектирования были рассчитаны установившиеся режимы:

максимальный, минимальный и 4 послеаварийных режимов.

В результате технико-экономического расчета получили следующие показатели сети:

1. Суммарные капиталовложения в сеть: К СЕТИ = 1055543 тыс.руб.

2. Суммарные издержки на эксплуатацию сети: И ОБЩ = 36433,546 тыс.руб./год;

3. Себестоимость передачи электроэнергии по сети:

4. Максимальный коэффициент полезного действия сети =97,7%.

5. Средневзвешенный коэффициент полезного действия: =98,2%.

Проведенный технико-экономический расчет показал, что электрическая сеть района нагрузок отвечает требованиям экономичности, так как суммарные потери мощности и электроэнергии не превышают 5%.

Список литературы.

1. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д.Л. Файбисовича. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 – 320 с. ил.

2. Правило устройства электроустановок. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.

3. Бушуева О.А., Кулешов А.И. Электрическая сеть района нагрузок: Учебное пособие к курсовому проекту. – Иваново, 2006. – 72 с.

4. Выбор силовых трансформаторов подстанций энергосистем и промышленных предприятий с учетом допустимых нагрузок. Методические указания. Б.Я. Прахин. – Иваново; ИЭИ, 1999г.

5. Методические указания по курсовому проектированию электрических сетей. Б.Я. Прахин, О.И. Рыжов. – Иваново; ИЭИ, 1988г.

6. Методические указания по расчету установившихся режимов в курсовом проектировании электрических сетей. Бушуева О.А., Парфенычева Н.Н. - Иваново: ИГЭУ, 2004.