«Расчет экономической эффективности от замены экскаваторного кабеля КГЭ 3х70+1х16+1х10 на 3х25+1х10+1х6 при эксплуатации ЭКГ в условиях Крайнего Севера».
проект на тему

Тема :

«Расчет экономической эффективности от замены экскаваторного кабеля КГЭ 3х70+1х16+1х10 на 3х25+1х10+1х6  при эксплуатации ЭКГ в условиях Крайнего Севера».

Энергетическая отрасль промышленности является одной из наиболее капиталоемких. Поэтому повышение экономической эффективности капиталовложений в энергетике имеет большое значение. Параллельно  необходимо улучшать технико-экономические показатели эксплуатации энергетических установок за счет внедрения наиболее современных технических решений, автоматизации, модернизации действующего оборудования, повышения производительности труда, качества эксплуатации и ремонта. Термин «экономическая эффективность» выражает оценку результативности научного, технического, хозяйственного решения или производственного действия. С точки зрения экономической эффективности должны рассматриваться все этапы производства: изыскания и исследования, конструирование и проектирование, строительство и эксплуатация, размещение, планирование и итоги производственной деятельности данного предприятия.

Эффективность предприятия зависит в конечном итоге от производительности труда, а также внедрения передовых методов и новых моделей оборудования. Однако задача точной оценки стоимости издержек производства и себестоимости электроэнергии данного энергетического предприятия, а также методы оценки, должны быть увязаны в единой для всего энергетического хозяйства методике технико-экономических расчетов, основанных на взаимно согласованных нормативов и с учетом современных цен на оборудования, а также норм монтажно-эксплуатационных расходов данного предприятия.

1. Техническое обоснование возможности замены кабелей. Повышение срока службы экскаваторных кабелей типа КГЭ в условиях  их эксплуатации при низких температурах окружающей среды.              

Все экскаваторы  типа ЭКГ-8И, ЭКГ-12,5, ЭКГ-15 получают питание от приключательных пунктов типа ЯКНО-6ЭП гибкими резиновыми кабелями марок КГЭ (К-кабель, Г-гибкий, Э-экранированный, повышенной нагревостойкости) при температуре окружающей среды от -40 (– 60 °С) до +50 °С. Кабели предназначены для присоединения экскаваторов и других передвижных механизмов или электроустановок при открытых и подземных горных работах к электрическим сетям, при номинальном напряжении переменного тока частотой  50 Гц , U основных жил - 6 кВ, вспомогательной - 380 В.

Рисунок 1 – Конструкция экскаваторного  кабеля на напряжение 6 кВт марки КГЭ :

1. Токопроводящая жила скрученная из медных или медных лужёных проволок;
   2. Экран из электропроводящей резины типа РЭМ-3 на основе изопренового и бутадиенового каучуков;
   3. Изоляция из резины типа РТИ-1 на основе натурального и бутадиенового каучуков;
   4. Экран из электропроводящей резины типа РЭМ-3 на основе изопренового и бутадиенового каучуков ;
   5. Внутренняя оболочка из резины на основе изопренового и бутадиенового каучуков;
   6. Оболочка из резины типа РШ-1 на основе изопренового и бутадиенового каучуков.;

Тип резины: для изоляции РТИ-1; наружный и внутренние экраны – РЭМ-3; поясной экран – РЭМ-1; оболочка РШ-1, РШ-1ХЛ, РШН-1. Длительно допустимая температура нагрева жил кабелей КГЭ – не более 75°С, кабеля КГЭ-ХЛ – не более 80 °С, кабеля КГЭТ – не более 85 °С. Экранированные основные жилы испытывают переменным напряжением 15 кВ частоты 50 Гц в течении 5 минут, или постоянным напряжением 25 кВ в течении 10 минут в воздухе или воде. Изолированную вспомогательную жилу испытывают переменным напряжением. Номинальное сечение жил, длительно допустимые токи, масса и стоимость кабелей приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Технические и экономические характеристики кабелей марок КГЭ.

Срок службы кабеля марки КГЭ при соблюдении требований эксплуатации должен составлять не менее 3-х лет, согласно гарантийному сроку работы заводами изготовителями. Практика эксплуатации кабеля марки КГЭ на карьерах Крайнего Севера показала, что данные кабели выходят из строя в среднем через 12 месяцев. Анализ повреждений при эксплуатации экскаваторных кабелей КГЭ в карьере приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Анализ повреждения при эксплуатации   экскаваторных кабелей КГЭ  в  карьере.

 Таким образом, основной причиной выхода из строя экскаваторных кабелей КГЭ, являются механические повреждения оболочек обусловленные низкими температурами (до -60 °С). Экскаваторные кабели КГЭ выбирают по длительно допустимому току нагрузки при котором температура кабеля не превышает предельно допустимого значения температуры + 75 °С, при температуре окружающего воздуха +25 °С. Выбранный в соответствии с ПУЭ кабель в зимний период может «замерзнуть» даже при работающем экскаваторе с полной нагрузкой. Так кабель КГЭ 3х70+1х16+1х10 с длительно допустимым током 260 А при работе экскаватора ЭКГ–12,5 с эквивалентным током 61 А при температуре окружающего воздуха -50 °С может охладится до температуры -43 °С. Охлажденная до такой температуры резиновая изоляция теряет свои эластичные свойства, становится более хрупкой и при перемещении кабеля с изгибом и растяжением, в шланговой оболочке и в изоляции жил, появляются микротрещины, изломы. Это является причиной преждевременного выхода экскаваторных кабелей марок КГЭ из строя. Для увеличения срока службы кабеля в зимний период, выбор его сечения необходимо проводить по минимально допустимой температуре эксплуатации оболочки и жил, т. е. по морозостойкости резиновой изоляции.

2.  Расчет температуры кабеля при максимумах нагрузки и различной температуре окружающего воздуха

Для выбора сечения кабеля по предлагаемому методу необходимо уметь вычислять температуру кабеля при различных максимумах нагрузки и различной температуре окружающего воздуха. Вывод формулы для определения температуры жилы кабеля основан на балансе теплоты выделенной в жиле при токе нагрузки и теплоотдаче кабеля в окружающую среду.

Теплота, выделяемая в жиле кабеля при токе I1, Дж:    Q1=R·I12;        

где, R – сопротивление жилы кабеля в Ом.

Теплота, выделенная в жиле при токе I2, Дж:     Q2=R·I22;        

Теплоотдача кабеля в окружающую среду при токе I1, Дж:   Q1=A·S(tж1-tср) ;  

где, А – теплоотдача с 1м2 поверхности кабеля;

S – площадь поверхности кабеля, м2;

tж1 – температура жилы кабеля, при токе I1, °С;

tср – температура среды, °С.

Теплоотдача кабеля в окружающую среду при токе  I2, Дж:

                       Q2=A·S(tж2-tср) ;              

 где, tж2 – температура жилы кабеля, при токе I2, °С.

Возьмем отношение :                   Q2/ Q1= R·I22/ R·I12 ;      

Возьмем отношение :                   Q2/ Q1 = A·S(tж2-tср) / A·S(tж1-tср) ;  

Прировняв данные выше отношения получим:  (I2/ I1) 2 =(tж2-tср)/ (tж1-tср) ;                

Преобразуем:                                (tж2-tср) = (I2/ I1) 2 ·(tж1-tср)  ;                

Откуда:                                           tж2 = (I2/ I1) 2 ·(tж1-tср)+ tср ;                

Для экскаваторных резиновых кабелей допустимые длительные токи (I1) нагревают жилу кабеля до температуры tж1 75 °С при температуре среды tср  +25 °С. Тогда формула  приобретет вид:  tж2 = (I2/ I1) 2 ·(75-25)+ 25   ;            

Рассмотрим это на примере работы экскаватора ЭКГ-12,5 в условия низких отрицательных температур.  Экскаватор ЭКГ-12,5 имеет сетевой электропривод мощностью Pн=1250 кВт, U=6 кВ,  Iн=120 А, cosφ=1 и понижающий трансформатор 6/0,4 кВ ТМ160, Iн=15,4 А. К экскаватору ЭКГ-12,5 заводом изготовителем поставляется кабель КГЭ 3х70+1х16+1х10 с Iдл=260 А. Фактический ток нагрузки экскаватора составляет I2=120 А. Вычислим температуру жилы кабеля КГЭ 3х70+1х16+1х10 при токе I2=120 А и температуре окружающей среды tср = +25 °С:

tж1 = (120/260)2·(75-25)+25=10,7+25=35,7 °С ;

Разность температур между жилой кабеля и окружающей средой составит:

Δt = tж2 - tср = 35,7-25=10,7 °С;

Если температура окружающей среды будет понижаться, то будет понижаться и температура жилы кабеля, при этом разность температур между жилой кабеля и средой останется равная 10,7 °С при токе нагрузки I2=120 А. Температура жилы кабеля составит:       tж2 = tср + Δt ;      

Значение температур жил кабеля КГЭ 3х70+1х16+1х10, при различной температуре среды, вычисленные по формуле tж2 = tср + Δt , приведены в таблице 7.4.

Из таблицы 4 видно, что уже при tср = - 10,7 °С,  tж2 = 0 °С, снижаясь до -39,3 °С при tср = - 50 °С. Чтобы не допустить охлаждения кабеля при работающем экскаваторе достаточно уменьшить сечение кабеля. Примем кабель КГЭ 3х25+1х10+1х6 с сечением основной жилы S=25 мм2. Сопротивление жилы увеличится 70/25=2,8 раза и во столько же раз увеличится выделения теплоты в жиле.

Таблица 3 - Температура жил кабеля КГЭ 3х70+1х16+1х10, при различной температуре среды и токе нагрузки I2=120 А.

Допустимый длительный ток кабеля  КГЭ 3х25+1х10+1х6 равен 141 А. Температура жилы при токе нагрузки 120 А, и температуре окружающей среды +25 °С:

tж =  (120/141)2·(75-25)+25=36,2+25=61,2 °С;

Разность температур между жилой кабеля и средой составит:

Δt = tж2 - tср = 61,2-25=36,2 °С;

Значение температур жил кабеля КГЭ 3х25+1х10+1х6 вычисленных по формуле tж2 = tср + Δt приведены в таблице 5.

Таблица 4 - Температура жил кабеля КГЭ 3х25+1х10+1х6, при   различной температуре среды, и токе нагрузки I2=120 А.

Из таблицы 4 видно, что уже при tср = - 36,2 °С, tж2 = 0 °С, снижаясь до -13,8 °С при tср = - 50 °С.

Таблица 5 - Температура жил кабелей КГЭ, при различной температуре наружного воздуха и токе нагрузки I2=120 А.

Необходимо отметить, что уменьшение сечения кабеля имеет отрицательное последствие -увеличение потерь электроэнергии и мощности;

3.  Расчет дополнительных потерь электроэнергии связанных с уменьшением сечений кабелей

На основании вышеизложенного, возникает необходимость выполнить следующие расчеты дополнительных потерь электроэнергии связанных с уменьшением сечений кабелей .Произведем расчет :

Величина потерь мощности в экскаваторных кабелях может быть подсчитана по формуле:

ΔP=3·Iэкв2·L/1000·γt°-65°·S,  кВт ;          

где  ,  Iэкв – эквивалентный ток в кабеле, А;

L – длина кабеля, м;        

γt°-65° - проводимость меди при температуре 65 °C, Ом/м·мм2;

S – сечение жилы кабеля, мм2;

Для отрезка кабеля с условной длинной 100 м, при условном эквивалентном токе 100 А, при условном сечении основной жилы кабеля 100 мм2 и удельной проводимости меди t°-65°C, γt°-65° = 46 Ом/м·мм2 потери мощности будут:

ΔP1=3·1002·100/1000·46·100=0,65  кВт;

При других значениях L, S, Iэкв , расчет потерь мощности в кабеле может производится:  ΔP=0,65· KL·KI2/KS , кВт ;    

где , 0,65 – потеря мощности при условных значениях величин;

KL – кратность фактической длинны кабеля к условной;

KL=Lф/Lусл ;

KI – кратность фактически эквивалентного тока к условному:

KI= Iэкв(факт.)/ Iусл ;

KS  - кратность фактического сечения основной жилы к условному сечению:

      KS  =Sфакт/Sусл ;          

Таким образом, все входящие в формулу ΔP=0,65· KL·KI2/KS (величины, за исключением условной потери мощности (ΔP=0,65 кВт), являются безразмерными и упрощают вычисление общей потери мощности при любых фактических величинах L, S, Iэкв.

Расчет потери мощности, при замене кабеля с сечением жилы жилы     S1=70  мм2  на кабель с сечением S2=25 мм2

На примере экскаватора ЭКГ-12,5 посчитаем, какими будут потери мощности, электроэнергии и их стоимость при замене кабеля с сечением жилы S1=70 мм2  на кабель с сечением S2=25 мм2

Расчетные данные:

1. длина кабеля в обоих случаях 350 м;
2. эквивалентный ток в обоих случаях 61 А;
3. стоимость 1м кабеля S1-70 мм2  - 768 руб, S2-25 мм2 – 282 руб;
4. стоимость 1кВт·час – 4,94 руб;

Потери мощности в кабеле определяются по формуле :

                         ΔP=0,65· KL·KI2/KS;              

Определим коэффициенты для кабеля с сечением жилы 25 мм2 

KL=350/100=3,5;

KS2 =25/100=0,25;

KI2 =(61/100)2=0,37

Потери мощности для принятых кабелей составят для кабеля сечением 25 мм2 :

ΔP2 =0,65·3,5·0,37/0,25=3,3 кВт;

Определим коэффициенты для кабеля сечением 70 мм2 :

KL=350/100=3,5;

KS1 =70/100=0,7;

        ΔP1=0,65·3,5·0,37/0,7=1,2 кВт;

Разность потерь составляет:

ΔP’= ΔP2 -ΔP1=3,3-1,2=2,1 кВт;

Стоимость 350 м кабеля марки типа КГЭ 3х70+1х16+1х10 составляет 268 800 руб. Стоимость 350 м кабеля марки типа КГЭ 3х25+1х10+1х6 составляет 98700 руб.

Таблица 6 - Сравнительная таблица стоимости данных кабелей КГЭ 3х70+1х16+1х10 и КГЭ 3х25+1х10+1х6.

Срок службы кабеля марки КГЭ при соблюдении требований эксплуатации составляет 3 года. Практика эксплуатации кабеля данной марки на карьерах Крайнего Севера показала, что они выходят из строя в среднем через 12 месяцев.

Экономия капитальных вложений за 3 года.

Расчет  будем вести сравнивая два метода подключения ЭКГ период времени- 3 года:  

1 способ : подключение ЭКГ кабелем КГЭ 3х70+1х16+1х10 круглый год.

2 способ : подключение ЭКГ комбинированно - КГЭ 3х70+1х16+1х10 ( в течении 5 месяцев в летний период)+ КГЭ 3х25+1х10+1х6 ( в течении 7 месяцев в осенне-зимний период).Данные занесем в таблицу 7.

Таблица 7 - Капиталовложения за 3 года, период эксплуатации кабелей

Прямая экономия капиталовложений : К1-К2=806400-367500=438900 руб.

Таким образом , заключение целесообразности внедрения замены кабелей является экономия денежных средств еще на стадии капиталовложений.

Расчет затрат для  каждого способа подключения в течении 3 лет.

Капитальные затраты :

Капитальные затраты для 1 способа (ежегодные) :   К=268800 руб.

Капитальные затраты для 1 способа (единократно - один раз в 3 года) :    К=367500 руб.

Себестоимость  потерь мощности и эксплуатации:

Стоимость 1 кВт∙часа- 4,94 руб.,q;

Стоимость потерь для 1 способа :   СпΔ1=q∙ ΔP1=4,94∙1,2=5,9 руб.    

Потребляемая мощность Экг-12,5 составляет 1250 кВт:

Спэкг=1250∙4,94=6150 руб.

Себестоимость по эксплуатации :

                                  Спэ1= СпΔ1+Спэкг=6150+5,9=6157 руб.      

Стоимость потерь для 2 способа :

Сп2=q∙ ΔP2=4,94∙3,3=16,3 руб.

Себестоимость по эксплуатации :

Спэ2= СпΔ1+Спэкг=6150+16,3=6166,3 руб.

Определяем затраты для каждого способа.

1 год :

1 способ :

З=Ен×К+С=0,15∙268800+6157=46477 руб.          

2 способ:

З=Ен×К+С=0,15∙367500+6166,3=61291 руб.        

где, Ен – нормативный коэффициент эффективности=0,15%,

К – капитальные затраты,

С –ежегодные эксплуатационных расходов.

2 год :

1 способ :

З=Ен×К+С=0,15∙268800+6157=46477 руб.            

2 способ:

З=Ен×К+С=0,15∙0+6166,3=6166,3 руб.                  

3 год :

1 способ :

З=Ен×К+С=0,15∙268800+6157=46477 руб.,          

2 способ:

З=Ен×К+С=0,15∙0+6166,3=6166,3 руб.                  

Данные по расчетам затрат сведем в таблицу 8.

Таблица 8 – Экономия затрат

Таким образом, исходя из вышеприведенных расчетов, суммарные затраты за 3 года первого способа составили :З1 = 139431 руб.,второго способа: З 2 =73623,6 руб. Экономия по затратам второго способа составит : ∆З= З1 - З 2 =65807,4 руб.

Далее определим экономическую эффективность и срок окупаемости:

  где:  3 - годовые затраты;

 К - капитальные вложения;  

Ен - нормативный коэффициент эффективности (0,15).

1 способ : Ээф.= 46477/268800∙0,15=1,14

2 способ :Ээф.= 61291/367500∙0,15= 1,11

Определяем срок окупаемости:

       Со=1/Ээф;          

1 способ :   Со=1/Ээф=1/1,14=0,87

1 способ :   Со=1/Ээф=1/1,11=0,90

С точки зрения экономической эффективности, первый способ подключения ЭКГ (КГЭ 3х70+1х16+1х10) представляется более выгодным, но так как Ээф. просчитывалась на год, а 2 способ (подключение ЭКГ комбинированно - КГЭ 3х70+1х16+1х10 ( в течении 5 месяцев в летний период)+ КГЭ 3х25+1х10+1х6  ( в течении 7 месяцев в осенне-зимний период) дает экономический эффект в течении 3 лет эксплуатации, следовательно вычислим ЧДД для периода времени. Для 1 способа в течении 1 года, так как капиталовложения в данном случае поступают ежегодно. Для второго способа - на период в 3 года, так как капиталовложения поступают 1 раз в 3 года.

Чистый дисконтированный (приведенный) доход (ЧДД) определяется по следующей формуле :

                       (ЧДД) = К,             

где  , Т–срок службы оборудования, лет;  ЕН=0,15 –  ставка дисконтирования ;

          – ежегодный доход, приток наличности, руб/год.                                                    

1 способ:  (ЧДД) = К =268800 = -35060руб.

(ЧДД)1= - 35060 руб.

где, Dt=Ээф∙(1-24%)+К/t=1,14∙(1-0,24)+268800/1=268801руб.

2 способ:         (ЧДД) = К ={122500/(1+0,15)1+122500/(1+0,15)2+122500/(1+0,15)3}-367500=140875+161700+186200-367500=121275руб.

где, Dt=Ээф∙(1-24%)+К/t=1,11∙(1-0,24)+367500/3=122500 руб.

(ЧДД)2= 121275руб.

Все показатели, полученные  результате расчетов сведем в таблицу 9.

Таблица 9 – Технико-экономические показатели

На рисунке 2 приведена диаграмма экономии затрат.

               Рисунок 2 – Диаграмма экономии затрат

    На рисунке 3 приведена диаграмм экономии капитальных затрат.

Рисунок 3 – Диаграмма экономии капитальных затрат

4. Результаты проведенных расчетов.

Материал, изложенный в данном разделе проекта носит по содержанию расчетный и исследовательский характер. Замена экскаваторного кабеля КГЭ 3х25+1х10+1х6 вместо КГЭ 3х70+1х16+1х10 в зимний период, помимо прямой экономии, которая может быть выражена в рублях, имеет целый ряд аспектов, не поддающихся количественной денежной оценке, но безусловно существующих и проявляющихся качественно.

К ним относятся:

1) облегчение труда помощника машиниста экскаватора;

2) экономия проводникового материала (меди);

3) увеличение срока службы кабеля.

Решения по вопросам ускорения научно-технического прогресса обязывают держать в центре внимания вопросы не только технического перевооружения производства, создание и внедрение новой техники, но и повышение культуры эксплуатации оборудования.