Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-технический журнал "Энергоэффективность: опыт, проблемы, решения". Выпуск 1. 1999

Влияние генерирующей мощности мини-ТЭЦ на формирование структуры и оптимизацию режимов работы системы электроснабжения промышленного предприятия

В. С. Фишман,

Система электроснабжения современного промышленного предприятия формируется на базе ряда основополагающих принципов, содержащихся в нормативно-технической документации [1-4]. Разработка этой документации относится к тому периоду развития отечественной экономики, при котором разделение предприятий на производителей и потребителей электроэнергии, концентрация производства электроэнергии на крупных и сверхкрупных электростанциях достигла максимального значения. Естественно, что все это нашло отражение в нормативнотехнической документации по проектированию и строительству промышленных объектов. Ряд заложенных в этой документации основополагающих принципов построения систем электроснабжения, таких как принцип глубокого ввода высокого напряжения, дробление подстанций и приближение их к центру нагрузок, глубокое секционирование шин источников питания, сохраняют свою актуальность и в настоящее время.

Вместе с тем, трансформация экономики в направлении рыночных отношений определенным образом сказывается и на этих, казалось бы, чисто технических вопросах и требует корректировки некоторых сложившихся стереотипов. Это относится, в частности, к вопросу формирования схемы электроснабжения промышленного предприятия, в составе которого имеется собственный источник электрической (и тепловой) энергии ограниченной мощности. Следует подчеркнуть, что речь идет о собственном, рабочем (а не резервном), источнике энергоснабжения предприятия мощностью примерно от одного до десяти мегаватт, покрывающем часть нагрузки предприятия (в дальнейшем "мини-ТЭЦ").

В качестве первичных двигателей таких источников чаще всего используются газопоршневые двигатели или газовые турбины, топливом для которых служит природный газ.

Особенностью этих источников по сравнению с традиционными, например, паровыми турбинами, помимо их относительно небольшой мощности, является их энергетическая мобильность, т. е. способность просто и быстро запускаться и принимать нагрузку и также быстро останавливаться. Это, как будет показано дaлee, существенно влияет на построение схемы электроснабжения предприятия.

В условиях социалистической экономики наличие собственного небольшого по мощности источника питания на предприятии было явлением исключительным. Объясняется это четким разделением предприятий на производителей и потребителей электроэнергии.

В условиях рыночной экономики такого четкого разделения не существует, и об этом свидетельствует опыт развитых и зарубежных стран.

Расчеты показывают, что при определенных условиях наличие собственного относительно небольшого по мощности источника энергоснабжения на предприятии оказывается в экономическом отношении выгодным, а для повышения надежности электроснабжения просто необходимым.

Дело в том, что с учетом ряда вновь открывшихся обстоятельств было бы уместно поставить вопрос о необходимости пересмотра некоторых нормативных положений о надежности систем внешнего электроснабжения, базирующихся на использовании электрооборудования с открытой изоляцией.

Речь может идти по существу о надежности Энергосистемы в целом. События в Югославии показали, что в настоящее время имеются средства для того, чтобы мгновенно нарушить функционирование этой сложной системы, что может привести к катастрофическим последствиям, если их не просчитать заранее и не принять соответствующих мер. В частности, следует заранее позаботиться о возможности питания, по крайней мере, наиболее ответственных потребителей от источников, не имеющих открытых изоляционных частей и способных функционировать самостоятельно. К таким источникам относятся и мини-ТЭЦ.

Вместе с тем, как показывает проведенный анализ и накапливающийся опыт конкретного проектирования, наличие у потребителя рабочего (не резервного), даже относительно небольшого по мощности, источника электроэнергии оказывает существенное влияние на формирование всей схемы электроснабжения предприятия и режимов ее работы.

Характерная схема электроснабжения среднего по мощности промышленного предприятия показана на рис. 1.

Обычно электрооборудование в системе электроснабжения 6-10 кВ рассчитано на ударный ток короткого замыкания (ТК3), равный 20, реже 31,5 кА.

Для ограничения ТК3 до требуемого значения на источнике питания - главной понизительной подстанции (ГПП) - применяют понижающие трансформаторы с расщепленными обмотками низкого напряжения или расщепленные реакторы (принцип глубокого секционирования). В сочетании с раздельным режимом работы трансформаторов ГПП этого оказывается вполне достаточно. Саму ГПП стремятся разместить ближе к центру нагрузок с тем, чтобы сократить протяженность и потери в распределительной сети (принцип глубокого ввода).

В качестве распределительного устройства (РУ) используют в основном РУ 6(10) кВ ГПП. Дополнительные РУ 6(10) кВ сооружают лишь для удаленных потребителей или при наличии в их составе электродвигателей, электропечей и других потребителей, требующих оперативных выключателей. Такая схема электроснабжения достаточно проста, удовлетворяет требованиям экономичности и надежности для потребителей 2-й, 3-й, а в некоторых случаях и 1-й категории при соответствующих внешних источниках.

При появлении в системе электроснабжения независимого источника в виде мини-ТЭЦ приходится решать следующие проблемы:

ограничение возрастающих ТКЗ;

выбор между параллельным с Энергосистемой и автономным режимами работы генераторов мини-ТЭЦ;

выбор между параллельным или раздельным режимами работы силовых трансформаторов на ГПП;

выбор между параллельным или раздельным режимами работы генераторов мини-ТЭЦ между собою;

обеспечение динамической устойчивости генераторов мини-ТЭЦ при коротком замыкании в распределительной сети 6(10) кВ;

обеспечение качества электроэнергии в автономном режиме работы генераторов мини-ТЭЦ;

Рис. 1

обеспечение чувствительности и селективности работы релейной защиты и автоматики (РЗиА) в различных режимах работы системы электроснабжения;

обеспечение надежности питания системы выпрямленного оперативного тока при малых значениях ТК3 в автономном режиме работы генераторов.

Анализ показывает, что изображенная на рис. 1 схема электроснабжения не отвечает многим из вышеуказанных требований.

ТК3 при параллельном режиме работы генераторов с энергосистемой, как правило, выходят за пределы допустимых значений для установленного электрооборудования. Не представляется возможным одновременно обеспечить селективность работы релейных защит и динамическую устойчивость генераторов.

При раздельном режиме работы генераторов с энергосистемой на собственную нагрузку возникают проблемы с качеством электроэнергии, с чувствительностью релейных защит, с надежностью питания оперативным током в условиях отсутствия аккумуляторных батарей.

Если рассмотреть традиционную схему электроснабжения предприятия, имеющего в своем составе ТЭЦ средней мощности, то нетрудно увидеть, что успешное решение вышеуказанных проблем в ней предопределено уже выбором самой структуры схемы и режимом ее работы (рис. 2).

Рис. 2

В таких схемах существует как бы два уровня мощности коммутационной аппаратуры. На первом уровне - генераторных шинах 6(10) кВ применяется тяжелая коммутационная аппаратура, рассчитанная на большие номинальные токи и ТК3, причем количество коммутационных аппаратов строго ограничено; на втором уровне - для распределительной сети применяется более легкая коммутационная аппаратура.

Генераторы ТЭЦ работают параллельно как между собою, так и с энергосистемой, что в сочетании с применением линейных и групповых реакторов на потребительских линиях 6(10) кВ обеспечивает им необходимую динамическую устойчивость при коротком замыкании в распределительной сети 6(10) кВ.

Наличие линейных и групповых реакторов обеспечивает также возможность построения селективной и быстродействующей системы релейных защит. электроснабжение тепловой генератор нагрузка

Надежность питания оперативным током обеспечивается традиционным для данных схем применением аккумуляторных батарей.

Однако для небольших по мощности генераторов мини-ТЭЦ применение такой схемы, к сожалению, в большинстве случаев не оправдано ни с технической, ни с экономической точек зрения. Для небольших генераторов подобная схема оказывается слишком громоздкой и явно не экономичной (из-за большого количества реакторов и потерь в них), кроме того, стандартные реакторы, как показывают расчеты, не могут обеспечить динамическую устойчивость маломощных генераторов при повреждениях в распределительной сети. Для этой цели они должны обладать слишком высоким сопротивлением, что по техническим и экономическим соображениям не приемлемо.

Таким образом, необходимо искать другие решения при построении схемы электроснабжения.

Не останавливаясь подробно на механизме этого поиска, перейдем непосредственно к его результатам.

Основные выводы, которые следуют из проведенного анализа для различных конкретных условий, сводятся к следующему.

Определяющим при выборе схемы являются:

мощность, тип и количество энергоагрегатов Мини-ТЭЦ;

схема источника питания от энергосистемы и его мощность;

устойчивость электрооборудования системы электроснабжения к ТК3.

Для относительно крупных турбоэнергоагрегатов - газовых турбин - целесообразно применение схем, изображенных на рис. 3 и 4.

Рис. 3

Схема на рис. 3 рассчитана в основном на параллельный режим работы генераторов с энергосистемой. Она обеспечивает необходимое ограничение ТК3 в распределительной сети, динамическую устойчивость генераторов при повреждениях в ней, селективность и быстродействие релейных защит. При системных авариях возможен переход в автономный режим работы генераторов действиями специальной делительной защиты. Однако при этом существует значительный риск потери устойчивости работы генераторов, так как она во многом будет определяться соотношением мощности генераторов и нагрузки и эффективностью работы устройств АЧР (аварийно-частотная разгрузка).

Рис. 4

Схема на рис. 4 в отличие от предыдущей рассчитана как на параллельный, так и на автономный режим работы генераторов на сбалансированную нагрузку, подключенную на шины 6(10) кВ ТЭЦ. Переход в автономный режим работы как в аварийных ситуациях, так и в рабочем порядке здесь проще и сопровождается меньшим риском нарушения устойчивости.

Для генераторов относительно небольшой мощности - газопоршневых двигателей - предпочтительной является схема, изображенная на рис. 5. При этой схеме вопросы динамической устойчивости работы генераторов умышленно отодвигаются на второй план, поскольку такие агрегаты к данной проблеме не критичны. При нарушении динамической устойчивости и выходе генераторов из синхронизма такой агрегат необходимо остановить и запустить вновь, что для поршневого двигателя (дизеля) в отличие от турбины произвести значительно проще. В целом такое решение позволяет значительно упростить всю схему электроснабжения, сократить капитальные затраты и потери электроэнергии.

Рис. 5

Переход в автономный режим работы при системных авариях может сопровождаться перерывом питания потребителей, продолжительность которого сравнительно невелика и будет зависеть как от действия устройств противоаварийной автоматики, так и от действия оперативного персонала.

Во многом не типовых решений требует система релейных защит и автоматики. Возникающие проблемы здесь в основном связаны с обеспечением чувствительности и селективности при переходе от параллельного к автономному режиму работы, когда величина ТК3 в сети 6(10) кВ резко снижается. Одновременно приходится решать проблему надежности питания цепей оперативного тока при отсутствии специальных аккумуляторных батарей.

Особое внимание должно уделяться вопросам качества электроэнергии в автономном и в переходных режимах работы генераторов (набросы и сбросы нагрузки, несимметрия нагрузки и пр.). Приходится анализировать как необходимость, так и возможность выполнения требований ГОСТ-13109-97 к качеству электроэнергии. Дело в том, что формально требования этого ГОСТа к автономно работающим системам не относятся, однако это вовсе не означает, что эти вопросы могут быть пущены на самотек. Необходим специальный анализ точности и быстродействия работы регуляторов частоты и напряжения генераторов и их соответствие требованиям потребителей. При наличии несимметричной нагрузки в некоторых случаях могут потребоваться специальные симметрирующие устройства. В заключение следует отметить, что и в нашей стране, а особенно за рубежом, выпускается широкая гамма энергетических установок малой мощности, а накопившийся опыт в Нижегородском филиале ОАО "Электропроект" позволяет успешно решать все возникающие проблемы.

Литература

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). М., 1986.

2. Электроснабжение промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования /ВНИПИ ТПЭП. М., 1994.

3. Указания по проектированию электрохозяйства металлургических заводов. М.: Гипромез, 1986 г.

4. Справочник по проектированию электроснабжения / Под. ред. В. И. Круповича, Ю. Г. Барыбина. М.: Энергоатомиздат, 1990.

Размещено на Allbest.ru