// Журнал «Промышленная Энергетика», 2012 - № 10, стр. 12-17

Исследование эффективности работы делительной автоматики в системе

электроснабжения промышленного предприятия

черной металлургии

Газизова О. В., Малафеев А. В., кандидаты техн. наук, Тарасов В. М.,

Извольский М. А., инженеры

Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова

Показано, что при работе противоаварийной автоматики возможно отделение собственной электростанции предприятия от энергосистемы. В узлах, избыточных по активной мощности, нормальный режим поддерживается за счет действия регуляторов скорости турбин. При дефиците мощности регуляторы скорости турбин не могут обеспечить поддержание частоты на необходимом уровне. Для анализа эффективности делительной автоматики разработаны алгоритм и программное обеспечение, позволяющие определять критические небалансы активной мощности с учетом характеристик регуляторов скорости, свойства саморегулирования паровых турбин, изменения производительности питательных насосов и регулирующего эффекта нагрузки.

Ключевые слова: переходные процессы, система электроснабжения промышленного предприятия (СЭПП), делительная автоматика, раздельная работа, автоматические регуляторы возбуждения, дефицит мощности, устойчивость, автоматический регулятор скорости, промышленная электростанция, программное обеспечение.

Многие крупные промышленные предприятия, располагающие вторичными энергоресурсами, в настоящее время развивают производство электроэнергии на собственных электростанциях, установленная мощность которых достигает сотен мегаватт. Передача электроэнергии осуществляется как на генераторном напряжении до 10,5 кВ, так и на повышенном напряжении 110 - 220 кВ, при этом в аварийном режиме в результате действия релейной защиты или противоаварийной автоматики возможно отделение электростанции с частью нагрузки от энергосистемы. В зависимости от конкретных условий работы энергосистем и их конфигурации это осуществляется с помощью устройств делительной автоматики различных типов. Когда при нарушении устойчивости энергосистемы возможность ресинхронизации заведомо исключена (например, при отключении мощной связи и работе частей энергосистемы через транзит малой пропускной способности), используются устройства автоматики, обеспечивающие наибольшее быстродействие. При необходимости проверки возможности ресинхронизации целесообразно применять делительные устройства, срабатывающие в том случае, если в течение определенного времени асинхронный режим не прекратился.

В результате действия делительной автоматики на раздельную работу с энергосистемой переходят промышленные электростанции с собственными нуждами, а иногда и с частью нагрузки. При этом как в генераторах, так и в двигательной нагрузке выделившегося на раздельную работу узла происходят переходные электромеханические процессы. Для их исследования требуется учитывать влияние производительности механизмов собственных нужд и котельной автоматики, что представляет собой сложную задачу, так как для точного анализа необходимо выполнять расчет отдельно для каждого элемента системы. Кроме того, прогнозирование режимов, имеющих место при выходе на раздельную с энергосистемой работу, представляет особый интерес, поскольку его приходится проводить при отсутствии балансирующих узлов ввиду возможного изменения частоты в рассматриваемой сети. Другая особенность СЭПП заключается в том, что мощности генераторов собственных электростанций в ряде случаев соизмеримы с мощностью крупных электродвигателей. Это обусловливает сильное взаимное влияние машин и необходимость детального учета регулирующих эффектов различных потребителей.

В узлах, избыточных по активной мощности, поддержание нормального режима возможно за счет действия регуляторов скорости турбин, снижающих впуск пара при ; Тросе нагрузки. При выходе на раздельную работу в дефицитном по активной мощности зле эти регуляторы не могут поддерживать частоту на необходимом уровне. В этом случае ее снижение (несколько ограничиваемое естественным регулирующим эффектом нагрузки) приводит к уменьшению производительности собственных нужд, в первую очередь питательных насосов, что обусловливает снижение паропроизводительности котлов и возникновение лавины частоты [1].

При расчете переходных режимов промышленных электростанций в случае наброса нагрузки на генератор, например при выходе на раздельную работу дефицитного по активной мощности узла, необходимо исследовать процессы, происходящие во всей цепи генератор - турбина - котельный агрегат. Тогда следует учитывать регулирование как турбины, так и котла, поскольку действие их автоматики существенно влияет на переходные процессы. Если нагрузка превышает мощность генератора, то частота вращения ротора турбины начинает снижаться, поскольку генератор и турбина находятся на одном залу. Регулятор скорости турбины, стремясь восстановить ее номинальную скорость вращения, увеличивает пропуск пара на турбину. Если этого достаточно, работа продолжается в нормальном режиме, а если при полном открытии всех клапанов пара не хватает, то скорость вращения турбины и, следовательно, генератора продолжает снижаться. В этом случае турбину можно рассматривать как нерегулируемую, так как при полностью открытых регулирующих клапанах пропуск пара не изменяется. Увеличение паровой нагрузки котла приводит к уменьшению давления в барабане и в конечном итоге - к повышению в нем уровня воды [2]. Это вызывает соответствующее увеличение удельного объема пара в пароводяной смеси.

Помимо указанного при снижении давления уменьшается температура кипения воды в циркуляционном контуре и за счет теплоты аккумуляции происходит дополнительное парообразование, а это способствует увеличению паросодержания и повышению уровня воды в барабане. При росте давления в котле увеличивается температура кипения, поэтому часть теплоты, воспринятая экранными трубами, расходуется на дополнительный подогрев воды до температуры кипения. Парообразование уменьшается, соответственно снижается паросодержание в экранных трубах и в барабане и, кроме того, уменьшается удельный объем пара. Все это обусловливает падение уровня, скорость изменения которого в дальнейшем устанавливается постоянной.

В свою очередь снижение частоты вращения генератора приводит к снижению частоты питающего напряжения, что отражается на производительности механизмов собственных нужд электростанции, в первую очередь - питательных насосов. Лавина частоты может возникнуть при отсутствии резерва генерирующей мощности в системе в связи с тем, что с уменьшением частоты механизмы собственных нужд тепловых станций снижают свою производительность. Нарушение устойчивости системы может быть связано также с неправильным действием регуляторов частоты, характеристики и параметры которых рассчитаны таким образом, что не обеспечивают устойчивость их параллельной работы. Для котла, работающего в режиме максимальной нагрузки, большое значение имеет производительность питательных насосов, которая в свою очередь при дефиците активной мощности снижается. Это приводит к уменьшению уровня воды в барабане котла, что не отражается на паропроизводительности до тех пор, пока уровень не снизится до критического и сработает противоаварийная автоматика котла.

При резком сбросе нагрузки с генератора, например при КЗ, уменьшается тормозной момент на валу, что приводит к разгону турбоагрегата. В случае резкого сброса нагрузки с отключением генератора от сети для исключения повреждения турбоагрегата закрываются стопорные клапаны, которые перекрывают подачу пара в турбину. Тогда необходимо прекратить его подачу не только от котла к турбине, но и от турбины к отборам, иначе разрежение в турбине, возникшее в результате прекращения подачи пара, может привести к забросу пара из отборов обратно в турбину и, как следствие, - к аварии агрегата.

Особый интерес представляет выход электростанции на раздельную работу не только с двигателями собственных нужд, но и с резкопеременной нагрузкой. В таком случае на устойчивость генераторов влияет не только баланс активных и реактивных мощностей, но и постоянное изменение электромагнитной мощности в выделившемся участке сети.

Очевидно, подобные аварийные ситуации следует прогнозировать для разработки мероприятий, направленных на повышение устойчивости и надежности работы СЭПП. При прогнозировании необходимо учитывать технические и эксплуатационные характеристики генераторов и двигателей, реакцию тепло-механического оборудования и регулирующий эффект нагрузки. Для прогнозирования вероятных режимов выхода на раздельную работу на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. Г. И. Носова разработаны алгоритм и программное обеспечение, позволяющие анализировать такие режимы и выявлять значения критических небалансов активной мощности с учетом характеристик регуляторов скорости, свойства саморегулирования паровых турбин, изменения производительности питательных насосов, регулирующего эффекта нагрузки [3].

Программа “Расчет и оптимизация установившихся и переходных эксплуатационных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом действия релейной защиты” прошла государственную регистрацию в Федеральной службе “Роспатент” [4]. Анализируются результаты расчета переходного процесса в системе электроснабжения, выполняемого с использованием метода последовательных интервалов и модифицированного метода последовательного эквивалентирования. Расчет ведется в несколько итераций, при этом все генераторы замещаются балансирующими узлами и вводятся в виде своих номинальных напряжений. Частота также принимается равной номинальной. Обобщенные нагрузки представляются математическими ожиданиями, после чего проводится первая итерация расчета режима.

По ее результатам определяется мощность, которую фактически выдают генераторы, представленные ранее балансирующими узлами. По данным мощностям в соответствии со статическими характеристиками генераторов находят частоту и напряжение. В связи с тем, что частота в установившемся режиме одинакова для всех машин, определяется эквивалентная статическая характеристика генераторов. Поскольку напряжение в рассматриваемой сети во всех точках различается по значению и фазе, статические характеристики генераторов по напряжению учитываются индивидуально. По полученным параметрам корректируются значения потребляемых активных и реактивных мощностей нагрузки согласно их статическим характеристикам. Найденные таким образом новые значения указанных мощностей нагрузки вводят в расчет во второй итерации. На последующих итерациях расчет осуществляется аналогично.

Динамическая устойчивость определяется характером изменения угла ротора генератора [5]. При параллельной работе должны рассматриваться собственные углы роторов генераторов, а при раздельной - взаимные. Разработанная программа позволяет определять характер изменения тока, напряжения, угла, переходной ЭДС и ее составляющих по продольной и поперечной осям, активной и реактивной мощностей, а также механической мощности. Это позволяет оценить устойчивость системы при любом переходном процессе, выявить наличие возможных качаний, обусловленных действием устройств автоматического регулирования возбуждения (АРВ), автоматических регуляторов скорости (АРС) и другими факторами, а также сформулировать мероприятия с целью предотвращения качаний.

Работу делительной автоматики исследовали с помощью разработанного программного обеспечения на примере системы электроснабжения ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат” (рис. 1), где делительная автоматика установлена на собственных электростанциях: центральной (ЦЭС), паровоздуходувной (ПВЭС) и на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

Узел ЦЭС - ПВЭС отделяется от энергосистемы при срабатывании делительной автоматики или в результате действия релейной защиты. При этом в результате действия делительной автоматики отключаются фидеры на подстанциях № 30, 96, 87 - см. рис. 1 (линии между ЦЭС и ТЭЦ отключены в любом режиме). Выход на раздельную работу узла рассчитывали как с существующей нагрузкой, так и с дополнительными активными и реактивными нагрузками на шинах электростанций. Анализировали взаимные углы генераторов ЦЭС (рис. 2) и ЦЭС - ПВЭС (рис. 3), где приняты следующие обозначения: Г1, Г2; ГЗ, Г8; Г4а, Г4б; Г5, Г6, Г7 - турбогенераторы ЦЭС номинальной мощностью соответственно 12; 40; 6; 25 МВт; ТГ1, ТГ2 - турбогенераторы ПВЭС номинальной мощностью 30 и 25 МВт; ТГЗ, ТГ4 - турбогенераторы ПВЭС номинальной мощностью 12 и 30 МВт.

Расчеты выхода на раздельную работу с дополнительными нагрузками позволили выявить резервы узла по активной и реактивной мощности с целью присоединения дополнительных нагрузок ответственных потребителей. Это дает возможность, с одной стороны, повысить надежность электроснабжения ответственных потребителей, а с другой - соблюсти баланс активных и реактивных мощностей в узле, избегая режимов с существенным избытком по ним.

Рис. 1. Упрощенная схема Магнитогорского энергоузла на уровнях напряжения 110-500 кВ

с указанием точек установки делительной автоматики.

Рис. 2. Взаимные углы генераторов ТЭЦ при выходе на раздельную работу при дополнительной нагрузке 20 Мвар.

В результате исследования выявлено, что при выходе на раздельную работу узла ЦЭС - ПВЭС, являющегося избыточным по активной мощности, к его шинам можно присоединять дополнительную нагрузку 60 МВт, а при выходе узла ТЭЦ, избыточного как по активной, так и по реактивной мощности, он может питать дополнительную нагрузку соответственно 60 МВт и 40 Мвар. Кроме того, установлено, что выход на раздельную работу нежелателен не только при дефиците, но и при избытке мощностей, так как автоматические регуляторы турбогенераторов, особенно регуляторы скорости, не успевают срабатывать и поддерживать параметры режима близкими к номинальным значениям.

С целью повышения эффективности действия делительной автоматики при выходе на раздельную с энергосистемой работу узла ЦЭС - ПВЭС с помощью программного обеспечения были проведены различные мероприятия: загрузка генераторов по реактивной мощности на номинальное значение; уменьшение степени нечувствительности регулятора скорости; уменьшение коэффициента статизма регулятора; включение секционного выключателя на шинах генераторного распределительного устройства ЦЭС. Как показали расчеты, для повышения устойчивости при выходе на раздельную работу могут быть применены следующие мероприятия: загрузка генераторов до номинальной реактивной мощности при параллельной работе с энергосистемой и уменьшение степени нечувствительности регулятора скорости. Загрузка генераторов до номинальной реактивной мощности приводит к изменению начальных углов ротора при переходном процессе, а именно - к их сближению, что положительно сказывается на протекании переходного процесса, так как взаимные углы генераторов расходятся меньше, следовательно, повышается устойчивость. Уменьшение степени нечувствительности также положительно влияет на устойчивость - за счет более чувствительной работы регуляторов турбины регулирование скорости происходит быстрее, не позволяя генератору выпасть из синхронизма.

При эксплуатации электростанций собственных нужд не исключены различные нештатные режимы. Были рассмотрены два режима: отказ АРС и отказ АРВ. В нормальном режиме, когда электростанция работает синхронно с энергосистемой, их можно не обнаружить. Это связано с тем, что промышленные генераторы выдают практически неизменное значение активной и реактивной мощности. При выходе на раздельную работу генераторы уже не выдают мощность в энергосистему - они должны только уравновесить и реактивную нагрузки, вышедшие на раздельную работу. Обычно ими являються потребители собственных нужд теплоэлектроцентралей и ответственные промышленные потребители. Следовательно, для сохранения устойчивости работы генераторов и двигателей требуется надежная работа регулирующих устройств. Исследование показало, что отказ АРС и АРВ при работе делительной автоматики недопустим. Приведенные на рис.3 графики взаимных углов генераторов – наглядное доказательство того, что при отказе действия автоматических регулирующих устройств выпадение машины из синхронизма при изменении нагрузки наступает очень быстро.

Таким образом, разработанный программ- комплекс может быть использован для анализа режимов выхода электростанций на раздельную работу и разработки мероприятий по повышению надежности и устойчивости систем электроснабжения крупных промышленных предприятий, имеющих собственные источники питания.

Выводы

1. При срабатывании делительной автоматики и выходе на раздельную работу небаланс мощности в узле существенно влияет на устойчивость СЭПП.

2. При выборе места установки делительной автоматики необходимо обеспечить баланс между активной и реактивной мощностью электростанций и нагрузки, причем в нагрузки могут входить не только потребители собственных нужд, но и ответственные промышленные электроприемники.

3. Для повышения устойчивости системы при выходе на раздельную работу могут быть выполнены следующие мероприятия: загрузка генераторов до номинальной реактивной мощности при параллельной работе с энергосистемой и уменьшение степени нечувствительности регулятора скорости.

4. Неисправности в системе регулирования скорости и в системе АРВ могут привести к потере устойчивости при выходе на раздельную работу.

5. Разработанное программное обеспечение позволяет оценить эффективность делительной автоматики, что особенно актуально при дефицитном по активной мощности узле или наличии резкопеременной нагрузки.

Список литературы

1. Буланова О. В. Прогнозирование переходных режимов собственных электростанций промышленных предприятий при выходе на раздельную работу с учетом производительности механизмов собственных нужд. - Изв. вузов. Электромеханика, 2009, № 1.

2. Клюев А. С., Товарное А. Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. - М.: Энергия, 1970.

3. Анализ переходных процессов в системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями в режимах выхода на раздельную работу после короткого замыкания / Б. И. Заславец, В. А. Игуменщев, Н. А. Николаев и др. - Изв. вузов. Электромеханика, 2009, № 1.

4. А. с. 2010617441 РФ. Программа для ЭВМ “Расчет и оптимизация установившихся и переходных эксплуатационных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом действия релейной защиты” / В. А. Игуменщев, А. В. Малафеев, О. В. Буланова и др. - Опубл. в бюл. “Про-граммы для ЭВМ, БД, ТИМС”, 2011, № 1.

5. Кимбарк Э. Синхронные машины и устойчивость электрических систем. - М.-Д.: Госэнергоиздат, 1960.