Расчет электрических нагрузок, годового потребления и требуемой мощности энергоцентра
Электрический расчет должен одновременно отвечать на три разных вопроса: какая мощность оборудования установлена в зданиях, какая мощность может потребоваться одновременно и сколько электрической энергии комплекс израсходует за год. Смешивание этих показателей приводит либо к завышенной стоимости энергоцентра, либо к дефициту мощности после открытия объекта.
Установленная мощность — это сумма номинальных мощностей всех подключенных приборов. Максимальная расчетная нагрузка показывает, какое оборудование может работать одновременно. Годовое электропотребление отражает продолжительность работы этого оборудования и используется для определения расходов, выработки газопоршневых установок и потребности в топливе.
Для одного гостиничного номера принимаются два независимых показателя: установленная мощность 5 киловатт и среднесуточное потребление занятого номера 6,5 киловатт-часа. Установленная мощность нужна для проектирования проводки и распределительных щитов, а среднесуточное потребление — для определения годового энергетического баланса.
Для полного комплекса на 600 номеров суммарная установленная мощность номерного фонда составляет:
Pном.уст = 600 × 5 = 3 000 кВт.
Полученные 3 мегаватта нельзя считать максимальной нагрузкой комплекса. Кондиционеры, телевизоры, розетки, освещение и другие приборы не включаются одновременно во всех номерах на полную мощность.
Для определения максимальной нагрузки гостиничной части применяется укрупненный показатель 0,2 киловатта на одного гостя. При максимальной вместимости 1 200 человек расчет имеет вид:
Pгост = 1 200 × 0,2 = 240 кВт.
Ресторан рассчитывается отдельно. Для полного комплекса рассматривается вместимость от 250 до 400 мест. Предварительная установленная мощность ресторана составляет 50–80 киловатт. После применения коэффициента несовпадения максимумов 0,8 расчетная нагрузка определяется следующим образом:
Pрест.min = 50 × 0,8 = 40 кВт.
Pрест.max = 80 × 0,8 = 64 кВт.
Базовая максимальная активная нагрузка полного гостинично-ресторанного комплекса равна сумме гостиницы и ресторана:
Pбаза.min = 240 + 40 = 280 кВт.
Pбаза.max = 240 + 64 = 304 кВт.
Таким образом, базовый диапазон максимальной электрической нагрузки составляет 280–304 киловатта.
Расчетная активная мощность показывает энергию, непосредственно превращаемую в полезную работу, тепло, свет или механическое движение. Для выбора трансформаторов, генераторов и распределительного оборудования необходимо учитывать также реактивную мощность электродвигателей, насосов, вентиляторов, холодильных машин и другого оборудования.
При предварительном коэффициенте мощности 0,9 полная мощность определяется делением активной мощности на коэффициент мощности:
Sбаза.min = 280 ÷ 0,9 ≈ 311,1 кВА.
Sбаза.max = 304 ÷ 0,9 ≈ 337,8 кВА.
Следовательно, базовой нагрузке полного комплекса соответствует полная мощность приблизительно 311–338 киловольт-ампер. После определения фактического оборудования необходимо рассчитать реактивную мощность, компенсацию, гармоники и пусковые токи.
Заявленная мощность существующей трансформаторной подстанции составляет 250 киловатт. Минимальный базовый дефицит определяется вычитанием доступной сетевой мощности из расчетной нагрузки:
ΔPбаза.min = 280 − 250 = 30 кВт.
ΔPбаза.max = 304 − 250 = 54 кВт.
Даже без учета дополнительного оборудования полному комплексу не хватает 30–54 киловатт. Это только нижняя граница дефицита.
Полная расчетная нагрузка определяется по формуле:
Pсист = Pбаза + Pсоб + Pобяз + Pдоп.
Здесь Pсоб — собственные нужды котельной, газопоршневых установок, испарителей, насосов, вентиляции и автоматики энергоцентра. Pобяз — очистные сооружения, водоподготовка, физкультурно-оздоровительный центр, лифты, служебные системы, наружное освещение и зарядная инфраструктура.
Pдоп — бассейны, медицинский или термальный центр, промышленная прачечная, жилье персонала, снеготаяние и другие дополнительные функции.
Полный дефицит мощности относительно существующей сети определяется следующим образом:
ΔPсист = Pсист − 250.
После подстановки базовой нагрузки формула принимает вид:
ΔPсист = (30–54) + Pсоб + Pобяз + Pдоп, кВт.
Следовательно, фактический дефицит неизбежно будет выше 30–54 киловатт, если заявленная сетевая мощность не увеличится.
Для первой очереди принимаются 300 номеров, 600 гостей и ресторан на 125–200 мест. Нагрузка гостиничной части составляет:
Pгост.1 = 600 × 0,2 = 120 кВт.
Предварительная установленная мощность ресторана составляет 25–40 киловатт. После применения коэффициента несовпадения максимумов 0,8 получаем:
Pрест.1.min = 25 × 0,8 = 20 кВт.
Pрест.1.max = 40 × 0,8 = 32 кВт.
Базовая нагрузка первой очереди равна:
Pбаза.1.min = 120 + 20 = 140 кВт.
Pбаза.1.max = 120 + 32 = 152 кВт.
При коэффициенте мощности 0,9 расчетная полная мощность первой очереди составляет:
S1.min = 140 ÷ 0,9 ≈ 155,6 кВА.
S1.max = 152 ÷ 0,9 ≈ 168,9 кВА.
До добавления общей инфраструктуры существующая мощность 250 киловатт обеспечивает следующий резерв:
Pрез.1.min = 250 − 152 = 98 кВт.
Pрез.1.max = 250 − 140 = 110 кВт.
Для консервативной проверки используют меньший резерв — 98 киловатт. При базовой нагрузке 152 кВт превышение этого значения дополнительными потребителями создаёт дефицит; при базовой нагрузке 140 кВт доступный резерв равен 110 кВт. Проверяется совместный максимум всех групп, а не отдельные максимумы, возникающие в разное время.
Полная нагрузка первой очереди определяется по формуле:
Pсист.1 = (140–152) + Pсоб.1 + Pобяз.1 + Pобщ.1 + Pдоп.1.
Здесь Pобщ.1 означает нагрузку общей инфраструктуры, которая строится на первой очереди, но обслуживает или резервируется для будущего полного комплекса. Дефицит первой очереди определяется выражением:
При составлении реестра каждый потребитель учитывается только в одной группе. Общая инфраструктура первой очереди выделяется из остальных групп, а собственные нужды ГПУ, уже вычтенные из мощности нетто, повторно к нагрузке не прибавляются.
ΔPсист.1 = max [0; Pсист.1 − 250].
Следующая часть расчета относится к потреблению электрической энергии. При среднегодовой загрузке 75 процентов в полном комплексе ежедневно занято в среднем 450 номеров. Среднесуточное потребление номерного фонда составляет:
Eном.сут = 600 × 0,75 × 6,5 = 2 925 кВт·ч в сутки.
Годовое потребление номерного фонда равно:
Eном.год = 2 925 × 365 = 1 067 625 кВт·ч.
После округления номерной фонд полного комплекса потребляет около 1,068 гигаватт-часа электричества в год.
Для первой очереди среднее количество занятых номеров составляет 300 × 0,75 = 225 номеров. Суточное потребление равно:
Eном.сут.1 = 225 × 6,5 = 1 462,5 кВт·ч.
Годовое потребление номерного фонда первой очереди составляет:
Eном.год.1 = 1 462,5 × 365 = 533 812,5 кВт·ч.
После округления получается около 0,534 гигаватт-часа в год.
Для контрольной оценки общего годового электропотребления используется сценарный коэффициент использования максимальной мощности 0,55. В году 8 760 часов. Для нижней границы полного комплекса расчет выглядит следующим образом:
Eэл.min = 280 × 8 760 × 0,55 = 1 349 040 кВт·ч в год.
Для верхней границы:
Eэл.max = 304 × 8 760 × 0,55 = 1 464 672 кВт·ч в год.
Контрольное электропотребление полного комплекса составляет 1,349–1,465 миллиона киловатт-часов в год, или округленно 1,35–1,46 гигаватт-часа.
Среднее расчетное потребление за месяц составляет 112 420–122 056 киловатт-часов. Фактическое помесячное потребление будет отличаться в зависимости от загрузки, сезона, вентиляции, работы кухни и другого оборудования.
При принятой цене сетевого электричества 9,46 рубля за киловатт-час годовая стоимость базового потребления составляет:
Zсеть.min = 1 349 040 × 9,46 ≈ 12,76 млн руб.
Zсеть.max = 1 464 672 × 9,46 ≈ 13,86 млн руб.
Средний расчетный платеж за электроэнергию составляет приблизительно 1,06–1,15 миллиона рублей в месяц без учета увеличения тарифов и пока не включенных нагрузок.
Денежные результаты округлены до сотых миллиона рублей. Исходный расчёт выполнен в рублях: 1 349 040 × 9,46 = 12 761 918,40 руб.; 1 464 672 × 9,46 = 13 855 797,12 руб.
На одну реализованную номеро-сутку полного комплекса приходится:
1 349 040 ÷ 164 250 ≈ 8,21 кВт·ч.
1 464 672 ÷ 164 250 ≈ 8,92 кВт·ч.
Этот показатель включает базовую нагрузку гостиницы и ресторана.
Из него 6,5 киловатт-часа приходится непосредственно на занятый номер, а остальная часть — на общественные и ресторанные функции в пределах принятой модели. После добавления всех инженерных потребителей удельное значение увеличится.
Для первой очереди нижняя граница общего годового потребления определяется следующим образом:
Eэл.1.min = 140 × 8 760 × 0,55 = 674 520 кВт·ч.
Верхняя граница:
Eэл.1.max = 152 × 8 760 × 0,55 = 732 336 кВт·ч.
Контрольный диапазон составляет 0,675–0,732 гигаватт-часа в год. Среднее потребление за месяц равно 56 210–61 028 киловатт-часам.
При тарифе 9,46 рубля за киловатт-час годовая стоимость электричества первой очереди составляет приблизительно 6,38–6,93 миллиона рублей, или в среднем 532–577 тысяч рублей в месяц.
На одну реализованную номеро-сутку первой очереди приходится те же 8,21–8,92 киловатт-часа, поскольку предварительный расчет выполнен пропорционально номерному фонду. После включения общего ядра первой очереди этот показатель может оказаться выше, чем у завершенного комплекса.
Расчет годового потребления по коэффициенту 0,55 является контрольным, а не окончательным. Для инвестиционной модели необходим почасовой график по группам оборудования. Он должен учитывать сезонность загрузки, наружную температуру, ночное снижение нагрузки, график ресторана, вентиляцию, насосы, бассейны и технологические процессы.
Газопоршневые установки предварительно принимаются модулями класса около 250 киловатт. Указанные 250 киловатт должны означать чистую продолжительную мощность, доступную на общих электрических шинах после вычета собственных нужд установки.
Производитель должен подтвердить мощность с учетом температуры наружного воздуха, высоты площадки и фактического состава топлива. Паспортная мощность двигателя в стандартных условиях может отличаться от мощности, доступной на объекте.
При совместной работе полного комплекса с внешней сетью одна газопоршневая установка добавляет к сетевым 250 киловаттам еще 250 киловатт. Общая доступная мощность составляет:
Pдост = 250 + 250 = 500 кВт.
Резерв относительно верхней базовой нагрузки равен:
Pрез = 500 − 304 = 196 кВт.
Одна работающая установка покрывает базовый дефицит, если сумма собственных, обязательных и дополнительных нагрузок не превышает 196 киловатт. Для обеспечения резерва предусматриваются две установленные машины: одна рабочая и одна резервная.
Если дополнительные нагрузки превысят 196 киловатт, вторая установка станет рабочей и перестанет выполнять функцию резерва. Тогда потребуется третий модуль, увеличение единичной мощности или автоматическое ограничение неприоритетных потребителей.
Для полностью автономного режима базовой нагрузки полного комплекса необходимы две одновременно работающие установки:
Nраб = округление вверх [304 ÷ 250] = 2 установки.
Два модуля обеспечивают 500 киловатт и оставляют 196 киловатт резерва относительно верхней базовой нагрузки. Для сохранения двух работающих машин после отказа одной предусматривается третья резервная установка. Таким образом, предварительная автономная конфигурация состоит из двух рабочих и одной резервной ГПУ.
Поскольку полная нагрузка еще не рассчитана, площадка, электрические шины, газовая система и автоматика должны допускать установку четвертого модуля.
Для первой очереди базовая нагрузка 140–152 киловатта покрывается внешней сетью. Газопоршневая установка потребуется при возникновении дефицита после включения общей инфраструктуры либо при установленном собственником требовании автономности.
В автономном режиме первой очереди необходима одна работающая установка класса 250 киловатт. Для резервирования N+1 предусматриваются две установленные машины: одна рабочая и одна резервная.
Окончательное количество генераторов нельзя выбирать только по сумме киловатт. Необходимо проверить пусковые токи насосов, вентиляторов, холодильных компрессоров, лифтов и другого двигательного оборудования. Одновременно определяется последовательность подключения потребителей после аварийного запуска.
Критические и неприоритетные нагрузки должны быть разделены.
При недостатке мощности автоматика сначала отключает декоративное освещение, часть кухни, прачечную, бассейны и другое оборудование, временная остановка которого не создает угрозы. Пожарная автоматика, аварийное освещение, связь, диспетчеризация и необходимые насосы должны сохранять питание.
Мощность дизельного генератора определяется не процентом от общей нагрузки, а отдельным реестром критических потребителей. Источники бесперебойного питания обеспечивают оборудование, которое не допускает даже кратковременного перерыва до запуска дизельной установки.
Расчет приводит к следующему практическому выводу. Первая очередь может начать работу от существующей трансформаторной подстанции, если ее подтвержденная мощность действительно составляет 250 киловатт, а дополнительные нагрузки не превысят доступный резерв. Полный комплекс уже по базовой модели требует собственной генерации, увеличения сетевой мощности либо сочетания этих решений.
До получения полного реестра оборудования нельзя утверждать окончательное количество газопоршневых установок, мощность дизельного генератора, трансформаторов и распределительных устройств. На следующей стадии должны быть подготовлены почасовой график нагрузки, однолинейная схема, перечень критических потребителей, расчет токов короткого замыкания, селективности защит, пусковых режимов и автоматического ограничения мощности.