ОЦЕНКА ВАРИАНТОВ РЕКОНСТРУКЦИИ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ШЛАМОВОЙ НАСОСНОЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОГО ЦЕХА

УДК 621.3 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-1(58)-39-48

Кондрашова Ю.Н., Шалимов A.B., Третьяков A.M., Снигур А.

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Оценка вариантов реконструкции схемы электроснабжения

для шламовой насосной с целью повышения резервирования ответственных потребителей кислородно-конвертерного цеха

Актуальность статьи обоснована ситуациями, возникающими в процессе эксплуатации шламовой насосной станции, сопровождающиеся участившимися затоплениями электрооборудования, что служит основанием для проведения реконструкции. Необходимо отметить, что причиной необходимости разработки решений для повышения степени резервирования являются аварии, при которых шламовая насосная остается полностью без питания или при длительном переключении на резервный ввод из-за задержки, созданной персоналом. Такие причины приводят к значительным убыткам, связанным с затоплением электрооборудования вследствие отключения питания и нахождения насосной под землей, а также приводят к остановке технологического процесса непрерывного производства крупного цеха на несколько суток. Целью данного исследования является нахождение оптимального схемного решения для шламовой насосной в конкретных промышленных условиях с учетом их расположения и особенностей режимов работы в процессе эксплуатации. Для решения проблемы затопления насосной предлагается выбор схем электроснабжения, в которых будет повышена надежность и резервируемость. В основе выбора схемы заложен комплексный подход, учитывающий параметры надежности, сокращение времени простоев и убытков, оценку параметров установившихся, аварийных и послеаварийных режимов, а также безопасность, перспективы на расширение насосной и приблизительную экономическую оценку для предложенных решений. Некоторые схемные решения реализуются в программном комплексе «Катран», основанном на сочетании методов модифицированного эквивалентирования и последовательных интервалов, для определения значения установившихся параметров системы, а также расчета аварийных замыканий на секциях 10 кВ и оценки послеаварийных параметров при дальнейшей реализации. В данной работе была выполнена разработка схем электроснабжения для реконструкции шламовой насосной станции с целью повышения надежности бесперебойного питания ответственных потребителей для повышения степени резервирования объекта. Авторами предложены варианты схем и выполнена оценка возможности их реализации в условиях действующего объекта, при этом представлена ориентировочная оценка надежности и безопасности представленных схем электроснабжения применительно к условиям кислородно-конвертерного цеха. Произведено их сравнение и описано, какие из схемных решений можно принимать к исполнению в условиях действующего объекта. Выполнена оценка технико-экономических расчетов и удобство использования.

Ключевые слова- схема электроснабжения, надежность, шламовая насосная, категории надежности, качество электроснабжения, расчет уровня напряжения, резервируемость, затопление насосной, убытки, дополнительный резервный ввод

Введение

Объектом исследования является шламовая насосная станция (ШНС) промышленного предприятия. ШНС включает в себя насосы, предназначенные для перекачки жидкостей с содержанием твердых примесей. Она является неотъемлемой частью технологического процесса металлургических предприятий. Шламом в данном случаем являются крупные обрезки металла и шлак после установок газорезки.

Работа ШНС обычно делится на чистый и грязный циклы. Грязный цикл: вода вместе со шламом поступает на насосную. Приходящая с любого смыва, например, в цехе непрерывного литья заготовок, транспорт-но-отделочной линии, агрегата продольной резки и т.д., попадает в отстойник - большой резервуар, где шлам оседает, а вода далее переливается в камеры, откуда выкачивается и идёт для дальнейшей очистки в радиальные отстойники. Чистый цикл: вода с небольшими примесями поступает на насосную и передается для дальнейшей очистки на фильтрующие устройства.

Источниками питания подстанции (ПС) ШНС являются ПС А и ПС Б, которые обеспечивают три ввода (рис. 1). Электроснабжение с ПС А выполнено двумя секциями 10 кВ (1СШ и 2СШ), резерв осуществляется

© Кондрашова Ю.Н., Шалимов A.B., Третьяков А.М., Снигур А., 2023

вводом с ПС Б, где выполнено разделение силового кабеля к секциям на два ввода.

К подстанции ШНС подключены девять двигателей мощностью 500 кВт типа ДА304-85/43-4У1 и два двигателя по 400 кВт типа ДА304-85/62-8У1. Питание двигателей осуществляется от двух секций 10 кВ (1СШ и 2СШ). Кроме того, на каждой секции имеется по одному генератору мощностью 7,47 МВА, работающих от пароперегревательной установки [1]. Необходимо отметить, что находится насосная на глубине - 18 м под землей и имеет несколько уровней, на которых непосредственно находятся насосы.

Данный объект ранее относился ко второй категории надежности, спустя некоторый период времени эксплуатации был приведен к условиям 1-й категории. Несмотря на то, что объект обладает должными параметрами резервирования для 1-й категории, но он не имеет достаточной степени надежности и возникает проблема его реконструкции под создавшиеся условия работы.

В процессе эксплуатации ШНС было выяснено, что крупные аварии, происходящие по различным причинам, часто приводят к полной потере напряжения на питающей ШНС подстанции. Резервный ввод не имеет АВР и не успевает отработать, вследствие этого насосная остается полностью без питания. При этом в момент погасания секций насосная начинает затапливаться приходящей водой, так как на ней присутствуют открытые резервуары с водой, такие как

отстойники и желоба, по которым приходит вода, а также открытые камеры с отстоявшейся водой. При этом необходимо отметить, что полное затопление насосной может занять около 20 минут. Времени для ликвидации аварии и запуска систем электроснабжения бывает недостаточно, что требует быстрого принятия правильного решения. Последствия подобных аварий приводят к износу двигателей и возможному выходу их из строя, также силовые кабели и их изоляция пропитываются водой и становятся непригодными для использования. Помимо очевидных проблем на самой насосной станции, останавливается цикл металлургического предприятия, при этом всё отделение может остановить работу на 4 дня, что приводит к проблемам повторного самозапуска или перегреву электрооборудования, которое не функционирует вследствие аварии, и к значительным материальным убыткам.

Важность такого объекта обуславливается тесной связью с процессом основного производства кислородно-конвертерного цеха, на территории которого производится сталь из доменного чугуна и металлического лома с применением комбинированной продувки и разливки в слябы на машинах непрерывного литья.

Обзор

Область применения насосных станций достаточно широка, например для горнодобывающей, нефтегазовой, перерабатывающей, энергетической отрасли промышленности, что создает определенные трудности при проектировании и эксплуатации. Поэтому актуальность темы охватывает не только металлургическую отрасль, но и другие [2-5]. В статье Мызникова И.Л. [2] отмечено отсутствие связи между проектными институтами и производителями шламовых насосов в России, что играет негативную роль. При этом возникающие проблемы со шламовыми насосными связаны не только с процессом эксплуатации, осмотрами, а начинаются с проекта. Автором [2] предлагается разработать документ, регламентирующий расчет гидравлики насосов с учетом всех коэффициентов, подбор насоса под сеть с учетом данных пульпы, тип выбираемого насоса, материальное исполнение насоса, конструкцию и тип узлов насоса для дальнейшей длительной и надежной эксплуатации, которые будут направлены на продление сроков службы и качества эксплуатации.

<5>

55 57 59¥ ¥

¡9 Д, Т

1Ц 7Ц 6Ц

т

г

О I I Ф ГФ

Т I

12Ц Ю кВ А 1

10 кВ

4 сек.

т

Ввод с ЭС

&

Шламовая н /от

1

Ф } Ф 1 I Ф

1

т

1с.

у — 3 !}=АВР!{! 6 1-1 ^ 10 кВ 23 21 А 1 2 А 20 18

Ф "Ф'

Г?

2с.

Рис. 1. Схема питания подстанции ШНС

Как было отмечено ранее, шламовые насосы широко используются и в нефтегазовой промышленности. Данные насосы являются одной из составляющих буровой установки, которые влияют на работоспособность, от них зависит бесперебойная работа и производительность циркуляционного комплекса. Авторами

[3] была предложена полезная модель, решающая задачу повышения надежности работы насоса в подземных выработках при значительных колебаниях концентрации и крупности шлама, поступающего к насосу, а также надежного запуска его в условиях завала. При этом основными факторами, которые снижают долговечность шламовых насосов, считают: влияние содержимого в растворе твердых абразивных примесей; неоднородность раствора по фракционному соста-ву; режим работы шламовых насосов; характер нагрузки шламовых насосов.

При рассмотрении вопросов, связанных с затоплением технологических объектов, коллективом авторов

[4] было рассмотрено множество техногенных аварий, при этом необходимо указать наличие законодательной базы, регламентирующей подобные происшествия, рекомендации по профилактике затопления и других техногенных аварий, которые в основном должны закладываться на стадии проектирования объекта. В случае ШНС для устранения возможности затопления придется полностью изменять технологический процесс и переносить насосы на поверхность, что приведёт к дополнительным убыткам, не считая самой насосной, на насосы подкачки и дополнительные меры для перенесения труб на нулевую отметку.

Соответственно, возникает необходимость установления основных причин риска затопления насосных станций и нахождения способов их снижения, что и является основной целью работы. В связи с присутствием человеческого фактора существует вероятность аварийного затопления насосных станций в случаях переполнения сборников. Частыми причинами в последнее время имеют место случаи перегорания обмоток двигателей насосов, влекущие за собой материальные затраты на замену двигателей, а также простои оборудования, которые в отсутствие оперативных действий персонала тоже могут привести к затоплению. Для минимизации этих рисков рассмотрен ряд способов решения, которое в работе [5] направлено на создание автоматизированной системы управления на базе взрывозащищенного контроллерного оборудования.

В статье [6] рассмотрены многофункциональные терминалы, обеспечивающие безопасность для систем электроснабжения. Эти терминалы созданы для различных функций защиты, одна из них — это отключение кабелей при их затоплении, что может быть очень актуально для ШНС при затоплении. Определение затопленного кабеля поможет вовремя отключить оборудова-ние, чтобы не произошло короткое замыкание, которое может привести к полной утрате оборудования.

Семкиным А. В. и Султановым Н. 3. были рассмотрены классификации затопления промышленных объектов в статье [7]. В ней разработан новый метод для классификации объектов, которые подвергаются затоплению. Эти классы позволяют наиболее полно

оценить объекты по возможности затопления, а также процессу и причинам затопления. Это служит основой для прогнозирования и возможности дифференцирования ситуаций по опасности зон затопления. Эта статья будет актуальна для ШНС, так как алгоритм позволит оценить класс этого объекта и получить более полное представление о происходящих затоплениях.

В рамках данной работы авторы предлагают варианты схемных решений с учетом условий эксплуатации и экономических факторов. В целом необходимо отметить, что обзор источников показал, что огромное влияние на повышение надежности и улучшение условий эксплуатации оказывают не только проектные ха-рактеристики и правильный выбор электрооборудования, но и учёт специфики области эксплуатации и её особенностей. Хотя принцип действия насосов аналогичен и достаточно прост, но именно для решения поставленной цели требуется решение нескольких задач: учет специфики предшествующего технологического процесса, системы обеспечения резерва и категорий-ности потребителей, время простоев и нанесенный материальный ущерб, который в разы больше в промышленных условиях применительно к металлургической промышленности.

Варианты схемных решений

Проблему затопления ШНС, к которой приводит полное отключение питающей насосную подстанции, предлагается решить путем реконструкции самой подстанции. Для этого выполнена разработка вариантов схем, отвечающих достаточной резервируемости электроснабжения объекта, то есть наличие трех источников питания, из которых два представлены как в исходной схеме с ПС А, а один резервный ввод с ПС Б -как дополнительный независимый источник. Помимо этого, нужно учесть скорость переключения секции на другой ввод при отключении питающего, с учётом того, что затопление насосной при отключении двигателей насосов происходит очень быстро (при полном отключении питания за 20 минут).

На рис. 2 приведена действующая схема для шламовой насосной. На схеме видно трансформаторы напряжения на фидере ШНС-19 и ШНС-22 подключении, 11 насосов ШНС-07^17 подключении, питание по 0,4 кВ через фидер ШНС-04, секционный выключатель с АВР и секционный разъединитель подключения ШНС-01, ШНС-02, один резервный ввод ШНС-05 и подключение 3-го резервного ввода ШНС-03, ШНС-06.

На данной схеме можно заметить, как она была реконструирована под I категорию электроснабжения, был добавлен ввод №3 и подключен к ШНС-03- и ШНС-06-присоединению. Это обеспечивает катего-рийность, однако, как показала эксплуатация, не является надежным решением для данной насосной. Тем не менее отключения приводят к затоплению, так как не успевает отрабатывать оперативный персонал и переключить питание на ввод №3 при погасании первых двух. Для этой проблемы разработаны три схемных решения для ШНС, которые будут обеспечивать достаточное резервирование.

Группа двигателей 1 ... 6 С1 25 23 21 19 Г 17 15 13 И 09

-10

Группа двигателей 7 ... 11

18 20 22 С2

А г* 1 £ 1 £ £ 1

5 I ? ! 5 5 5 5 5 г

Ввод №1 ПС А ТСН-1

Ввод №3

резервным ПС Б

Рис. 2. Схема ПС ШНС: СВ, СР - секционный выключатель и разъединитель; ТН - трансформатор напряжения; ТСН - трансформатор собственных ну^д; ТП - трансформаторная подстанция, 1-11 - двигательная нагрузка

Схемный вариант решения №1

Для решения проблемы предлагается подключение ввода №3, как на рис. 3. Это не требует внесения изменений в конструкцию секций и подключения новых вводов или выключателей, однако схема усложняется ещё одним устройством АВР, которое подключается на фидеры выключателей ШНС-03 и ШНС-06.

Помимо этого, данная система АВР должна быть соединена с изначальной системой на межсекционном выключателе, чтобы обеспечить правильность переключения в случае аварии. Иначе можно допустить включение секции на два источника.

АВР в данной схеме должно работать следую-

С1 25 23 21 19 -10^

щим образом: АВР на СВ проверяет наличие напряжения на ближайшей секции, если оно отсутствует, устройство АВР включается и тем самым резервирует эту секцию. АВР на вводе №3 должно проверять наличие напряжения на 1-й или 2-й шине, если отсутствует, необходимо проверить состояние секционного выключателя, если он включен принудительно, его отключить и включить выключатели питания для ввода №3 на фидере 03 и 06.

Схемный вариант решения №2

На рис. 4 предложен вариант схемного решения, в котором осуществлено подключение ввода №3 через шину и выключатели на секции 1СШ и 2СШ.

Ввод №1 ПС А ТСН-1

Ввод №3 резервный ПС Б

Рис. 3. Схемное решение №1 реконструкции подстанции ШНС

Ввод №3 резервный ПС Б

(транзит)с

Ввод №1 ПС. А ТСН-1

Рис. 4. Схемное решение №2 реконструкции подстанции ШНС

Реализация такой схемы возможна теоретически, при этом она обеспечивает должное резервирование и достаточно проста в исполнении, также имеет сравнительно небольшую стоимость. Для этой схемы существуют некоторые проблемы при её реализации на производстве, одной из самых явных можно назвать безопасность. В схеме нет секционного разъединителя, следовательно, обслуживающий персонал не может создать видимый разрыв при отключении питания, это может стать причиной поражения электрическим током. Также вследствие того, что секционирование происходит двумя выключателями, высока вероятность

увеличения времени переключения, что может привести к проблемам с работой двигателей на одной из секций при переключении. Это можно считать достаточным основанием, чтобы не использовать данную схему на производстве.

Схемный вариант решения №3

Рассмотрим ещё один вариант схемы - с включением 3-х секций шин (рис. 5), где также можно расширить технологические возможности ШНС и добавить к ней дополнительные насосы или другие электроприемники.

Ввод №1 ПСА Т™"1

Ввод №2 ПСА ТСН-2

Рис. 5. Схемное решение №3 подстанции ШНС

В данной схеме необходимо реконструировать ЗРУ, добавить новую секцию и дополнительные ячейки КРУ. Данная схема перспективна при условии расширения состава приемников ШНС, помимо этого обладает высокой степенью надежности и имеет несложные связи для устройств АВР. При этом используется одно устройство АРВ двустороннего действия, а другое одностороннего, чтобы добиться правильного согласования секционных выключателей и не включить одновременно СВ на две секции, находящиеся под напряжением.

Для данной схемы требуется более подробный расчет, так как 3-я секция должна выдерживать нагрузку двух других. Вследствие того, что ПС Б независимый источник и при погасании ПС А, ШНС может быть полностью обесточена, в таком случае ПС Б должна принять всю нагрузку с двух других секций. Выполним выбор и расчет 3-й секции шин при известных токах короткого замыкания (КЗ) на ШНС, вводных трансформаторах, а также известных ячейках КРУ, установленных на ПС ШНС, и их параметрах. Шина должна выдерживать всю нагрузку на 3-ю секцию при отключении двух других, тем самым обеспечивая должное резервирование и независимость 3-го источника питания.

Учитывая, что на данный момент не разработан проект по расширению ШНС, секции рассчитаны без учета дополнительной двигательной нагрузки. На схеме была произведена разгрузка двух старых секций, без учёта возможного расширения насосной, в обратном случаем, возможно, понадобится шина с большей пропускной способностью, а также большее количество выключателей, что приведет к увеличению стоимости.

Для принятия решения и обоснования был выполнен выбор токоведущих частей. При этом следует принимать рабочие токи присоединений нормального режима и максимальные длительные токи. Расчетные токи присоединений принимаются равными наибольшим значениям токов. В этом случае рассчитаем наибольший ток ремонтного и послеаварийного режима по формуле

s

I 1 4 ном.тр

1 нб V3U '

* ном

где SH0MTp - номинальная мощность трансформатора ПС Б (80 MB A); UH0M - номинальное напряжение на шинах (10 кВ).

При условии, что допустимый ток для шины должен быть больше расчетного наибольшего тока, рассчитанного по формуле (1), /нб = 3079,21 А.

Исходя из этого, для реализации схемного решения на подстанции ШНС следует установить двухполюсные алюминиевые шины 120*10 (h=120 мм, b=10 мм), так как 3200 А>3079,21 А.

Далее произведем проверку шин на термическую стойкость:

S_

JnO Ф1. ' CL.

где /п0 - начальное состояние периодической составляющей тока КЗ; /откл - время отключения КЗ; Схер -термический коэффициент, А с1/2/мм2.

Для выбранной шины получаем 5"= 1200 мм2, ^теР.тт= 68,12 мм2, следовательно, 5 >5тер.т1П, шины

ПОДХОДЯТ.

Для КРУ расстояние между осями проводников а = 0,250 м, длина пролёта, равная ширине шкафа, I = 0,75 м.

Коэффициент формы шин прямоугольного сечения кф = 0,92. Для шин, расположенных вертикально, коэффициент расположения красп = 1. Ударный ток /уд = 74,79 кА.

Наибольшее значение электродинамической силы:

Fax W3 ^ !кф £раш10-

a

Fmax = 2673,973 Н.

Для двухполюсных шин прямоугольного сечения момент инерции

J=

6

3 = 2 см4.

Определим частоты собственных колебаний для алюминиевых шин по формуле

173,2 J

l^y S'

f0 =

f0 = 1257,042 Гц.

где 3 - момент инерции поперечного сечения шины относительно оси, перпендикулярной направлению изгибающей силы, см4; 5 - поперечное сечение шины, см2.

Так как / > 200 Гц, то механический резонанс исключен.

Момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию усилия:

W=

bh2 3

Г = 48 см3.

При использовании двух полос шин возникают усилия ме^цу полосами и фазами, для его уменьшения используют прокладки, пролет между прокладками /п выбирается таким образом, чтобы силы не вызывали соприкосновение полос.

S > S„

FJ

4 <0,00133.4 -;

\ m

Tep.min

- мини-

где 5 - сечение выбранной шины, мм ; 5. мальное сечение шины по термической стойкости, мм2.

/п < 0,606 см.

где Е- модуль упругости материала шин (7-10 Па, для выбранного материала), Па; т - масса полосы на единицу длины (3,24 кг/м, для выбранного материала), кг/м.

Сила взаимодействия между полосами:

/ =

10-7;

4Ь

/ = 12,86 Н.

Изгибающий момент определяется по выражению ^ 0,75

М=-

10

М = 200,55 Н-м.

Напряжение в материале от взаимодействия полю сов для двухполосных шин:

/1

л п п

12-1,44 Ъ к

сп = 0,0228 МПа.

Напряжение в материале от взаимодействия полюсов для двухполосных шин:

И I ,=л/3^10" аЖ

Сф = 62,755 МПа.

Максимальное напряжение

Ошах = Оф + Сп = 62,783 МПа.

Минимальное допустимое напряжение алюминиевых (АО) шин составляет сдоп = 82 МПа.

Так как сдоп > сшах, то шина выбранного профиля проходит по условиям нормального и утяжеленного режимов и рекомендуется на ПС ШНС.

Для варианта схемы №3 на третью секцию принимается к установке двухполюсная алюминиевая шина марки АО 120^10. Подводя итоги, такая схема считается одной из самых надежных, безопасных и простых в эксплуатации, ведь она не имеет сложных связей АВР, а также поддается достаточно простой логике при переключениях, что снижает вероятность ошибочных действий персонала подстанции.

Результаты

Сопоставление вариантов схем представим в табл. 1, в которой отразим основные параметры, влияющие на выбор. В таблице знак «+» означает, что данный параметр обеспечивается или хорош и удобен для эксплуатации.

Стоимость реализации схем рассчитывалась на основании цен, полученных в общем доступе в сети интернет. Цены указаны в процентах от наибольшей суммы для общего понимания отличия стоимостей для реализации разных схем. Для схем она составила:

- 1-я схема: включает в себя затраты на покупку, установку и настройку системы АВР, в данном случае она будет состоять из сложных связей, что увеличивает

её цену. Цена составляет примерно 30% от наибольшей;

- 2-я схема: требует закупки дополнительных ячеек КРУ с выключателями, а также шины для ввода с ПС Б, помимо этого требуется наладка АРВ и покупка дополнительных аппаратов для АВР. Цена составляет примерно 50% от наибольшей;

- 3-я схема: в этом случае требуются шины, дополнительная схема АВР с учётом всех аппаратов, требуемых для её функционирования, а также дополнительный секционный выключатель и ячейка КРУ для него.

Цена составляет примерно 100% от наибольшей.

В рамках данной работы было решено реализовать исходный вариант действующей схемы и вариант схемы №3 в программном комплексе «Катран» [11], основанном на сочетании методов модифицированного эквивалентирования и последовательных интервалов [12], который позволил выполнить расчеты установившихся режимов и симметричного короткого замыкания на шинах 10 кВ. Результаты расчетов в установившемся режиме для схемы №3 следующие: напряжение на 1 с - 10,36 кВ, 2 с - 10,66 кВ, 3 с -10,52 кВ, для действующего 1 с - 10,65 кВ, 2 с - 10,67 кВ. При этом значения токов периодической составляющей в начальный момент времени при симметричном коротком замыкании (СКЗ) на секции представлены в табл. 2.

Необходимо отметить, что полученные расчеты совпадают с действующими значениями напряжений и нагрузок на эксплуатируемом объекте для установившегося режима. Как показывают расчеты, при возникновении СКЗ величины отличаются и просадкой напряжения, и величиной тока. Также необходимо сделать вывод, что вариант схемы №3 способствует сохранению устойчивости системы и более надежной работе всего электрооборудования узла [13].

Сравнение вариантов схем

Таблица 1

Параметр Схема №1 Схема №2 Схема №3

Надежность + + +

Безопасность + - +

Время переключений + - +

Время простоя + + +

от аварии

Перспектива на - - +

расширение насосной

Сложность схем РЗиА - - +

Число источников 3 (2 актив- 3 (2 ак- 3 (3 ак-

питания ПС ных, 1 резерв) тивных, 1 резерв) тивных)

Стоимость реализации, 30% 50% 100%

%

Итого Приносит Опасна Самая

наимень- для реа- надежная,

шие пере- лизации но самая

делки и дорогая,

меньшую также

стоимость имеет возможность расширения

Таблица 2

Результаты расчетов токов при СКЗ в начальный момент времени и остаточных напряжениях на секциях ПС ШНС

Точка короткого замыкания Схема №3

Ток СКЗ в начальный момент времени, кА Остаточное напряжение на шинах, кВ на 1 секции Остаточное напряжение на шинах, кВ на 2 секции

КЗ на 1 с. 10 кВ 9,71 9,93 9,92

КЗ на 2 с. 10 кВ 10,88 0 9,96

КЗ на 3 с. 10 кВ 14,3 9,98 0

Точка короткого замыкания Действующая схема

Ток СКЗ в начальный момент времени, кА Остаточное напряжение на шинах, кВ на 1 секции Остаточное напряжение на шинах, кВ на 2 секции

КЗ на 1 с. 10 кВ 11,36 0 9,96

КЗ на 2 с. 10 кВ 14,42 9,98 0

Заключение

Представленные выше схемные решения должны избежать возможных остановок насосной в случае аварии, а также предотвратить остановку производственного цикла кислородно-конвертерного цеха вследствие отключения ШНС и безусловно выхода из строя оборудования самой насосной из-за полного затопления.

Проведя анализ ситуации, происходящей на ШНС, были предложены варианты для улучшения надежности насосной станции. Среди предложенных вариантов есть один неблагоприятный вариант схемы №2 для реализации, так как он может принести угрозу жизням людей. Другие же два варианта могут быть реализованы на реальном объекте, также они имеют нужную для данного объекта категорию надежности, помимо этого создают условия, в которых полное отключение ШНС от питания практически невозможно.

Использование комплексного подхода к оценке ва-риантов предложенных схемных решений в условиях действующего объекта с учетом его особенностей и моделирования в программном комплексе позволяет выполнить оценку по параметрам надежности, устойчивости, экономичности и возможности реализации схемы на действующем объекте, а также резервируе-мости, безопасности и перспектив развития.

На основании проведенных расчетов и исследований вариант в виде схемного решения №3 был рекомендован для внедрения на подстанцию ШНС.

Список источников 1. Медведев Н.М., Бунин A.A., Лыгнн М.М. Энергосберегающие технологии на примере шламовой насосной станции // Энергетические и электротехнические систе-

Поступила в редакцию 14 декабря 2022 г.

мы: международный сборник научных трудов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2019. С. 27-32.

2. Мызников И. Л. К вопросу о разработке госта на центробежные шламовые насосы // Гидротехника. 2021. №1(62). С. 67-68.

3. Селезнев А. В. Модернизация шламового насоса поверхностной циркуляционной системы очистки бурового насоса // Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых. 2014. №1. С. 148-151.

4. Воробьев Ю.Л., Акимов В.А., Соколов Ю.И. Системные аварии и катастрофы в техносфере России. Москва: Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России, 2012. 308 с.

5. Загороднов В.В., Беккер В.Ф. Снижение риска затопления насосных станций в соляных рудниках средствами автоматизации // Вестник КИГИТ. 2014. №2(44). С. 31-36.

6. Развитие защиты электросетей - интеллектуальные приборы нового поколения / Материал подготовлен пресс-службой АО «ОЭК» // Электроэнергия. Передача и распределение. 2020. № 2(59). С. 34-35.

7. Семыкин A.B., Султанов Н.З. Система прогнозирования затоплений. Классификация затоплений промышленных объектов // Оренбургские горизонты: прошлое, настоящее, будущее: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 275-летию Оренбургской губернии и 85-летию Оренбургской области, Оренбург, 21-22 ноября 2019 года. Оренбург: ООО «Фронтир», 2019. С. 174-177.

8. Оценка остаточного ресурса электрооборудования по физическим характеристикам / А.И. Некрасов, A.A. Некрасов, П.Н. Подобедов, И.М. Довлатов // Вестник аграрной науки Дона. 2018. № 1 (41). С. 5-11.

9. Щербатов И.А., Гурьянова В.В., Цуриков Г.Н. Определение технического состояния оборудования электроэнергетики // Информационные технологии. Проблемы и решения: материалы междунар. науч.-практ. конф. 2018. №1(5). С. 341-345.

10. Исследование эффективности работы делительной автоматики в системе электроснабжения промышленного предприятия черной металлургии / Газизова О.В., Малафеев A.B., Тарасов В.М., Извольский М.А. // Промышленная энергетика. 2012. №10. С. 12-17.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616847 Российская Федерация. Комплекс автоматизированного режимного анализа КАТРАН 7.0 : № 2013610067 ; заявл. 09.01.2013 / Игу-менщев В.А, Малафеев A.B., Газизова О.В., Кондрашо-ваЮ.Н., Панова Г.А., Кочкина A.B., Зиновьев В.В.; заявитель ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

12. Модифицированный метод последовательного эквива-лентирования для расчета режимов сложных систем электроснабжения / В.А. Игуменщев, Б.И. Заславец, A.B. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Ротанова // Промышленная энергетика. 2008. № 6. С. 16-22.

13. Анализ допустимости режима потери возбуждения синхронного генератора в условиях промышленной системы электроснабжения сложной конфигурации / О.В. Газизова, А.И. Соколов, Н.Т. Патшин, Ю.Н. Кондрашова // Электротехнические системы и комплексы. 2019. №2(43). С. 12-18. doi: 10.18503/2311-8318-2019-2(43)-12-18

Принята к печати 28 января 2023 г.

Information in English

Option Evaluation for Power Supply Scheme Reconstruction for Slurry Pumping Station in Order to Increase the Redundancy of Critical Consumers at Oxygen Converter Shop

Yuliya N. Kondrashova

Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Industrial Power Supply Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, rotjuil720@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-5280-5666

Aleksey V. Shalimov

Undergraduate student, Industrial Power Supply Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, Shalimov-alexey@mail.ru

Andrey M. Tretyakov

Undergraduate student, Industrial Power Supply Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, andreyt2001@yandex.ru

Artem Snigur

Undergraduate student, Industrial Power Supply Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, artem_snigur@mail.ru

The theme of the article is justified by the situations arising in the process of slurry pumping station operation accompanied by the increasing frequency of electrical equipment flooding, which is the reason for the reconstruction. It should be noted that it is necessary to find the solution for the increase in the redundancy level are the accidents when the slurry pump station is completely without power supply or the long-time switching to the reserve input due to the delay made by the personnel. Such causes result in significant losses due to flooded electrical equipment due to power failure and the pump house being underground as well as stopping the technological process of continuous production of a large shop for several days. The purpose of this investigation is to find the optimum design solution for a slurry pumping station under specific industrial conditions considering its location and operating conditions in the process of operation. To solve the problem of the pumping station flooding, the choice of electric power supply schemes, in which reliability and redundancy will be increased, is offered. The scheme choice is based on a complex approach considering the reliability parameters, reduction of downtime and losses, estimate of steady-state parameters, emergency and post-emergency modes, as well as no-risk, prospect for expansion of the pump house and approximate economic evaluation of the suggested solutions. Some circuit solutions are implemented in Katran software package based on a combination of modified equivalence and sequential intervals methods to determine the values of steady-state parameters of the system as well as to calculate the emergency closing at 10 kV sections to estimate post-emergency parameters and to further implement them. The design of power supply schemes for reconstruction of a slurry pumping station with the purpose of increasing the reliability of uninterrupted power supply to responsible consumers to increase the degree of object reservation was carried out in this work. The authors suggest scheme variants and estimate the possibility to realize them in the conditions of the present object. Besides, a tentative evaluation of reliability and safety of the presented power supply schemes with reference to conditions of the oxygen-converter plant is given. Their comparison is made, and it is described, which of the schemes may be used in practice. Their economic component and convenience are also evaluated. In addition, steady-state, emergency, and post-emergency mode have been calculated in order to study the reliability of the optimal scheme.

Keywords: power supply scheme, reliability, slurry pump house, reliability categories, power supply quality, voltage level

calculation, redundancy, pump house flooding, losses, additional

backup input

References

1. Medvedev N.M., Bunin A.A., Lygin M.M. Energy-saving technologies on the example of a slurry pumping station. En-ergeticheskie i elektrotekhnicheskie sistemy: Mezhdunarod-nyy sbornik nauchnykh trudov [International collection of scientific papers "Power and electrical systems"]. Magnitogorsk, NMSTU Publ., 2019, pp. 27-32.

2. Myznikov I.L. Developing a state standard for centrifugal slurry pumps. Gidrotekhnika [Hydrotechnika], 2021, no. 1

3. Seleznev A.V. Modernization of the slurry pump of the surface circulation system of drilling pump cleaning. Problemy razrabotki mestorozhdeniy uglevodorodnykh i rudnykh poleznykh iskopaemykh. [Problems of Hydrocarbon and Ore Mineral Fields Development.], 2014, no. 1, pp. 148-151.

4. Vorob'ev Yu.L., Akimov V.A., Sokolov Yu.I. Sistemnye avarii i katastrofy v tekhnosfere Rossii [Systemic accidents and disasters in the technosphere of Russia]. Moscow, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies of Russia Publ., 2012. 308 p.

5. Zagorodnov V.V., Bekker V.F. Reduction of pump station flooding risk in salt mines using automation equipment. Vest-nik KIGIT [Bulletin of KIGIT], 2014, no. 2

6. Development of power grid protection - intelligent devices of new generation. The material was prepared by the press service of JSC "OEK". Elektroenergiya. Peredacha i raspre-delenie. [Electricity. Transmission and Distribution], 2020, no. 2

7. Semykin A.V., Sultanov N.Z. The system of flood forecasting. Classification of flooding of industrial objects. Oren-burgskie gorizonty: proshloe, nastoyashchee, budushchee: Sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchennoy 275-letiyu Orenburgskoy gu-berniii 85-letiyu Orenburgskoy oblasty. [Proceedings of the All-Russian scientific and practical conference dedicated to the 275th anniversary of the Orenburg province and the 85th anniversary of the Orenburg region "Orenburg horizons: past, present, future"]. Orenburg, LLC "Frontir", 2019, pp. 174-177.

8. Nekrasov A.I., Nekrasov A.A., Podobedov P.N., Dovla-tov I.M. Evaluation of the residual resource of electrical

equipment by physical characteristics. Vestnik agrarnoy nauki Dona. [Bulletin of Agrarian Science of the Don], 2018, no. 1

9. Shcherbatov I.A., Guryanova V.V., Tsurikov G.N. Determination of electric power equipment technical condition. In-formatsionnye tekhnologii. Problemy i resheniya: materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Materials of the International scientific-practical conference "Information Technology. Problems and solutions"]. 2018, no. 1

10. Gazizova O.V., Malafeev A.V., Tarasov V.M., Izvolskiy M.A. Study of dividing automatics effectiveness in the power supply system of a ferrous metallurgy industrial enterprise. Promyshlennaya energetika. [Industrial Power Engineering], 2012, no. 10, pp. 12-17.

11. Igumenshchev V.A, Malafeev A.V., Gazizova O.V., Kon-

Оценка вариантов реконструкции схемы электроснабжения для шламовой насосной с целью повышения резервирования ответственных потребителей кислородно-конвертерного цеха / Ю.Н. Кондрашова, A.B. Шалимов, A.M. Третьяков, А. Снигур // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 1(58). С. 39-48. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-1(58)-39-48

drashovaYu.N., Panova E.A., Kochkina A.V., Zinovyev V.V. Kompleks avtomatizirovannogo rezhimnogo analiza KATRAN 7.0 [Complex of automated regime analysis of KATRAN 7.0]. Computer program RF, no. 2013616847, 2013.

12. Igumenshchev V.A., Zaslavets B.I., Malafeev A.V., Bulano-va O.V., Rotanova Yu.N. The modified method of sequential equivalence for calculating the modes of complex power supply systems. Promyshlennaya energetika [Industrial power engineering], 2008, no. 6, pp. 16-22.

13. Gazizova O.V., Sokolov A.P., Patshin N.T., Kondrashova Yu. N. Excitation loss mode in synchronous generator in terms of complicated configuration industrial power supply system. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electro-technical Systems and Complexes], 2019, no. 2

Kondrashova Yu.N., Shalimov A.V., Tretyakov A.M., Snigur A. Option Evaluation for Power Supply Scheme Reconstruction for Slurry Pumping Station in Order to Increase the Redundancy of Critical Consumers at Oxygen Converter Shop. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes], 2023, no. 1(58), pp. 39-48. (In Russian). https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-1(58)-39-48