Bilansowanie mocy obiektu przemysłowego

Bilansowanie mocy obiektu przemysłowego

Bilansowanie mocy obiektu przemysłowego

Bilansowanie mocy polega na ustaleniu, jaka ilość energii jest pobierana lub oddawana przez odbiorniki i w jakim czasie. Takie pomiary są coraz częściej wymagane zarówno przez zarządców nieruchomości, jak i samych użytkowników.

Przy kroczących wymaganiach dotyczących podnoszenia efektywności energetycznej trudno jest nawet dobrze znającemu obiekt energetykowi stwierdzić, gdzie powstaje największe zużycie energii. Trudność nie polega na tym, żeby określić, że np. silnik pobiera 3 kW, a nagrzewnica 5 kW, tylko na tym, żeby skorelować w czasie jednoczesność zapotrzebowania na energię i faktyczne wykorzystanie mocy maksymalnej. W aktualnych realiach sprawa bilansowania mocy jest bardziej skomplikowania niż w latach 90., ponieważ w obiektach występują dwustronne przepływy mocy (zasilanie lub odzysk energii), ponadto działa wiele różnego rodzaju odbiorników, które pobierają moc bierną zarówno indukcyjną, jak i pojemnościową.

Jednym z aspektów bilansowania mocy jest ustalanie przyczyn usterek w działaniu instalacji elektrycznych. Dobry elektryk pomiarowiec potrafi nie tylko pomierzyć impedancję pętli zwarcia, ale również ustalić, który wyzwalacz powoduje zadziałanie zabezpieczenia i dlaczego tak działa.

Do bilansowania mocy służą analizatory sieci lub prostsze urządzenie pomiarowe, np. amperomierze cęgowe. Bilansowanie mocy to czynność pomiarowa zmierzająca do ustalenia, jaka ilość energii jest pobierana lub oddawana przez odbiorniki i w jakim czasie. W przypadku pewnych wystandaryzowanych typów infrastruktury, jak np. budynki wielorodzinne, można z wystarczającą dokładnością policzyć, jakie jest bądź będzie zapotrzebowanie na energię. Jednak w większości przypadków zbudowanie bilansu mocy na bazie wywiadu z obsługą techniczną bądź na podstawie danych fakturowych jest niemożliwe lub dokładność takiego bilansu mocy można określić jako co najwyżej szacunkową. Szczególnie w obiektach, w których jest duża fluktuacja, obciążenie i zmienne przepływy mocy, bilansowania mocy nie można przeprowadzi inaczej, jak poprzez symultaniczne pomiary w wielu punktach dystrybucji energii.

Projektanci nie znając szczegółów dotyczących wyposażenia technicznego projektowanych obiektów, przyjmują pewne wartości mocy zapotrzebowanej, które później powinny być zweryfikowane profesjonalnym bilansem mocy. Pozwala on na przeprowadzenie analiz służących optymalizacji zużycia energii, optymalizacji gospodarki mocą bierną i zapewnieniu bezpieczeństwa obiektu.

Kolejne bardzo istotne aspekty bilansowania mocy to organizacja prac oraz technicznie aspekty wykonania zadania, takie jak możliwości wyłączenia urządzeń czy fizyczny dostęp do nich. Komplikacje są powodowane ograniczonym dostępem do informacji o infrastrukturze, w której bilansujemy moc. Brak informacji o budowie urządzeń i ich stanie technicznym stanowi bezpośrednie zagrożenie życia pomiarowca prowadzącego prace bilansujące moc.

Organizacja bilansowania mocy

Przygotowanie tego typu prac wymaga dobrej znajomości infrastruktury, w której będziemy wykonywać pomiary mocy, prądów, napięć, Power Factora. Doświadczenia eksploatacyjne pokazują jednak, że w wielu zakładach brakuje dokumentacji technicznej lub jest niekompletna. Czy ta powszechnie spotykana sytuacja jest zgodna z prawem? Otóż nie, ponieważ Prawo budowlane (tekst jedn.: Dz.U. z 2016 r. poz. 290) w art.60 dokładnie opisuje wymagania dotyczące dokumentacji technicznej obiektu, a mianowicie:

Inwestor, oddając do użytkowania obiekt budowlany, przekazuje właścicielowi lub zarządcy obiektu dokumentację budowy i dokumentację powykonawczą. Przekazaniu podlegają również inne dokumenty i decyzje dotyczące obiektu, a także, w razie potrzeby, instrukcje obsługi i eksploatacji:

  • obiektu,

  • instalacji i urządzeń związanych z tym obiektem.

Co więcej, w art. 63 jest napisane, że: Właściciel lub zarządca obiektu budowlanego jest obowiązany przechowywać przez okres istnienia obiektu dokumenty, o których mowa w art. 60, oraz opracowania projektowe i dokumenty techniczne robót budowlanych wykonywanych w obiekcie w toku jego użytkowania.

A zatem inwestor, zgodnie z ustawą Prawo budowlane, powinien dysponować i udostępnić pomiarowcowi komplet informacji, a w szczególności te, które zgodnie z rozporządzeniem mówiącym o formie i zakresie projektu budowlanego (Dz.U. z 2012 r. poz. 462) powinien zawierać projekt budowlany.

Rys. 1. Przykładowy schemat ideowy bilansowanej infrastruktury

Posiadanie nawet prostego schematu ideowego jak na rys. 1 pozwala zaplanować prace.

KROK 1.

Pierwszym najważniejszym elementem działań jest bezpieczeństwo pomiarowca.

Konieczne jest dokonanie oględzin wszystkich punktów pomiarowych (wytypowanych na schemacie – rys. 1).

Dobranie środków technicznych bezpieczeństwa. Są to np.:

  1. drążki izolacyjne,

  2. rękawice,

  3. kask z przyłbicą odporną na łuk elektryczny,

  4. SPRAWNY dwupolowy wskaźnik napięcia.

Rys. 2. Wyposażenie pozwalające bezpiecznie wykonać prace

I środków organizacyjnych np.:

  1. wystawienie pisemnego polecenia na prace w pobliżu lub pod napięciem,

  2. dokonanie wielobranżowej koordynacji wyłączeń napięcia (jeżeli konieczne),

  3. zapewnienie do realizacji zadania odpowiedniej liczby wykwalifikowanych osób.

KROK 2.

Oględziny powinny być powiązane z wykonaniem pomiarów próbnych (przyrządy pomiarowe fot. 1, 2, 3). Konieczne jest zanotowanie, jakie przekroje przewodów są użyte i jakich wartości prądów się spodziewamy. Taki opis ułatwi przygotowanie zestawu pomiarowego.

Rys. 3. Prawidłowe zainstalowanie przekładników (tu widoczne tzw. paski Rogowskiego) i sond napięciowych

Większość przekładników z otwartym lub otwieralnych obwodem magnetycznym charakteryzuje się ograniczonym zakresem pomiarowym. Ograniczenie dotyczy średnicy przewodu/kabla, na który możemy założyć przekładnik (ograniczenie mechaniczne), drugim ograniczeniem jest minimalna i maksymalna wielkość prądu, jaki może być pomierzony (ograniczenie pomiarowe). Z reguły przekładniki nie mierzą poniżej 0,5% zakresu pomiarowego, a poniżej 5% zakresu pomiarowego mają nieprzewidywalny błąd pomiaru lub nieakceptowalny (np. 20%). Kombinacja ograniczeń mechanicznych i pomiarowych (np. gdy przewodem 240 mm2 płynie prąd 2–3A) powoduje, że niekiedy ciężko jest znaleźć odpowiednie cęgi pomiarowe lub przekładniki (fot. 8 i 9 ). Łatwym sposobem na poradzenie sobie z problemem jest kilkukrotne nawinięcie „paska Rogowskiego” na mierzony przewód (rys. 4), trzeba jednak pamiętać, żeby wyniki pomierzonych prądów przez analizator sieci podzielić przez liczbę nawinięć „paska” na mierzony przewód lub kabel.

Rys. 4. Pomiar próbny i dopasowanie układu pomiarowego do mierzonych wielkości – widoczne „paski Rogowskiego” dwukrotnie nawinięte na kable

KROK 3.

Układ pomiarowy gotowy do uruchomienia rejestracji pokazany jest na rys. 5. Często pojawiają się pytania, jak długo prowadzić rejestrację, żeby bilans mocy był wiarygodny i jak często uśredniać w pamięci analizatora sieci próbkę. Odpowiedź na to pytanie nie jest łatwa, ponieważ po jednej stronie mamy czas zablokowania kosztownego urządzenia pomiarowego i ilość zarejestrowanych danych (zbyt dużo danych nic nie wnosi do analizy), a po drugiej cel, dla realizacji którego wykonuje się pomiary.

Z wieloletniego doświadczenia autora wynika, że najlepsze są najkrótsze bilansowania mocy, ale reprezentatywne. Rejestracje będą reprezentatywne, gdy pomiary wykonamy w czasie typowego cyklu dla obiektu lub typu odbiorników.

Przykładowo bilansowanie mocy w systemie oświetlenia hali magazynowej może trwać 15 min, pod warunkiem że całe oświetlenie załączane jest jednocześnie i nie ma regulacji mocy oświetlenia – w takiej aplikacji uśrednianie próbki co 1 min jest wystarczające. Jednak w przypadku zakładu produkcyjnego, w którym występują częste zmiany obciążenia, a odbiorniki często są załączane i wyłączane, z reguły konieczny jest tygodniowy cykl rejestracji z uśrednianiem co 5 lub co 20 sek. (zależnie od celu wykonania bilansu mocy).

Rys. 5. Zestaw analizatorów sieci zsynchronizowanych – gotowy do rejestracji

Przyrządy do pomiarów

Często pomiarowcy zadają mi pytania, czym mierzyć. Nie ma jednej dobrej odpowiedzi, można natomiast uogólnić „dobrym i adekwatnym do pomiaru narzędziem”.

Podstawową wielkością mierzoną podczas bilansowania mocy jest wartość skuteczna prądu, na fotografii 1 pokazano ciekawe amperomierze z otwartym obwodem magnetycznym.

Fot. 1. Amperomierze cęgowe z otwartym obwodem magnetycznym

Kolejnymi pomiarami, które przeprowadzamy, są pomiary napięć. Jak widać na fot. 1, przyrząd umożliwia zmierzenie obu wielkości. Jednak pomiary jedynie wartości prądu i napięcia dają możliwość określenia poprawnie pobieranej mocy tylko dla odbiorników liniowych. Konieczne jest więc użycie innych przyrządów, mierzących również Power Factor (współczynnik mocy). Przyrządy na fotografiach 1 i 2 są bardzo wygodne do użycia i pozwalają na szybkie pomiary prądów. Co więcej, przyrząd przedstawiony na fot. 2, wyposażony w pasek Rogowskiego, pozwala mierzyć duże wartości prądów (do 3200 A) w trudnych warunkach. W filmie instruktażowym pokażemy, jak użyć tego przyrządu.

Fot. 2. Amperomierze: cęgowy i z paskiem Rogowskiego

Kolejne typy przyrządów pokazane na fot. 3 dają możliwość pomiaru prądów, napięć, Power Factor, harmonicznych, a także wielkości prądów rozruchowych urządzeń. Są to bardzo dobre urządzenia pomiarowe, jednak wykonanie nimi pomiarów na cienkich przewodach typu 2,5 mm2 jest bardzo trudne, dlatego w zestawie pomiarowca powinny się znaleźć mierniki podobne do tych, które pokazano na fot. 1.

Fot. 3. Mierniki mocy jednofazowe

Bardziej zaawansowane pomiary możemy wykonać analizatorem sieci (fot. 4), który wraz z wyposażeniem – fotografie 5, 6, 7, 8, 9, 10 – pozwala na pomiary różnych wielkości elektrycznych w zasadzie niezależnie od szybkości zmian pobieranej energii. Niemniej jednak analizator sieci jest tylko jednym z urządzeń użytecznych przy bilansowaniu mocy. Konieczne stanie się bowiem prawidłowe dobranie sond pomiarowych i tak − jak widać na fot. 8 − możliwe będzie zastosowanie cęgów do małych wartości prądów do 100 A lub zastosowanie cęgów dwuzakresowych, gdzie drugi zakres jest od 0 do 5 A, czyli dokładnie mieści się w zakresie wartości, które otrzymujemy po stronie wtórnej przekładników pomiarowych. Producent celowo wprowadził taki zakres pomiarowy, żeby umożliwić wykonywanie pomiarów też w urządzeniach zasilonych napięciem powyżej 1 kV. Analizator daje możliwość automatycznego przeliczania wskazania 0-5A na wskazanie po stronie pierwotnej przekładnika pomiarowej – jest to bardzo użyteczna cecha.

Natomiast na fot. 9 pokazane są różne typy pasków Rogowskiego, które mogą mieć zastosowanie do szyn lub kabli o różnych przekrojach. Największe paski, które widoczne są na zdjęciu, mają średnicę 800 mm, co jest wystarczające nawet dla szyn mających prądy robocze na poziomie kilku kiloamperów.

Uzupełnieniem zestawu pomiarowego analizatora jest domowej produkcji przystawka umożliwiająca zasilenia analizatora sieci bezpośrednio z szyn (fot. 10).

Fot. 4. Analizator sieci – widok panelu czołowego

Fot. 5. Analizator sieci – widok panelu podłączeń sond pomiarowych

Fot. 6. Analizator sieci – widok zasilania i komunikacji

Fot. 7. Analizator sieci – widok tylnego panelu

Fot. 8. Analizator sieci – cęgi dwuzakresowe 100A i 5A (dla obwodów wtórnych)

Fot. 9. Analizator sieci – różne typy pasków Rogowskiego

Fot. 10. Analizator sieci – zasilacz i przystawka do zasilania z szyn

PODSUMOWANIE

Bilansowanie mocy jest procesem złożonym, wymagającym szerokiej wiedzy o bilansowanym obiekcie i możliwościach metrologicznych mierników, które mamy w dyspozycji.

Zapraszamy do dyskusji na forum.

Autor: mgr inż. Tomasz Karwat rzeczoznawca IR SEP i NOT, wykładowca Akademii Umiejętności Inżynierskich