Решение проблемы компенсации реактивной мощности на металлургическом заводе ЗАО "ТатСталь"

УДК 621.316.027.3.001.4

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ЗАВОДЕ ЗАО

«ТАТСТАЛЬ»

М.В. ЧУБУКОВ, А.Е. УСАЧЕВ

В данной статье рассматривается компенсация реактивной мощности на металлургическом заводе за счет использования статических тиристорных компенсаторов (СТК).

Ключевые слова: статический тиристорный компенсатор, дуговая сталеплавильная печь, показатель качества электроэнергии.

В настоящий момент в энергосистеме Российской Федерации (РФ), в том числе и в энергосистеме Республики Татарстан (РТ), присутствует значительное количество потребителей с резкопеременными графиками потребления, которые в недопустимой степени искажают форму кривой электрического тока и вызывают несимметрию напряжения в точках присоединения. Для компенсации реактивной мощности данных потребителей широкое распространение получили статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК). Методика выбора (расчета) СТК относительно небольшой мощности достаточно хорошо отработана. При выборе СТК большой мощности имеется ряд особенностей, связанных, в первую очередь, со сложностью расчетов в получении минимальной и максимальной мощности КЗ в точке подключения к шинам общего назначения. Имеется единичный случай компенсации большой мощности на металлургическом заводе в г. Комсомольск-на-Амуре (мощность СТК 138 Мвар).

В настоящий момент на территории РТ планируется ввод в эксплуатацию металлургического завода заявленной мощностью 153 МВт. Основными потребителями электроэнергии на заводе являются мощные дуговые сталеплавильные печи (ДСП), работающие в импульсном режиме с питанием от одной фазы. Такой тип основных потребителей приводит к тому, что у завода в целом резкопеременный характер нагрузки с несимметричным распределением по фазам. Подключение данного потребителя к энергосистеме РТ приведет к большому потреблению реактивной мощности и генерации токов высших гармоник. Включение и выключение ДСП приведёт к броскам реактивной мощности, в два и более раза превышающим номинальную мощность ЭПТ (электропитающий трансформатор). При таком режиме работы в питающей сети возникнут колебания напряжения (фликер), вредно воздействующие на остальных потребителей электроэнергии, что сделает такое присоединение без специальных мероприятий практически невозможным.

Для исключения негативных последствий при подключении завода к энергосистеме РТ в настоящей статье рассматриваются варианты использования СТК и их установки на шинах питающей подстанции. В связи с отсутствием единой методики расчёта и выбора СТК в статье приводится такой расчёт. Особенностью расчёта является нахождение наибольшего значения мощности короткого замыкания в узлах прилегающего энергорайона энергосистемы РТ и выбор СТК при установке на различных питающих подстанциях, что до настоящего времени было практически невозможно ввиду отсутствия специализированных программных продуктов.

© М.В. Чубуков, А.Е. Усачев

Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

В соответствии с нормативными документами [1, 2] обеспечить требуемое качество электроэнергии можно без установки компенсации реактивной мощности в случае, если мощность потребителя в 80 + 100 раз меньше мощности трехфазного короткого замыкания (КЗ) энергосистемы в точке подключения. В нашем случае питание завода с дуговой сталеплавильной печью возможно (через сетевой трансформатор 220/35) от шин 220 кВ двух различных подстанций: ПС «Письмянка» и ПС «ТатСталь». Мощности трёхфазных КЗ на шинах этих подстанций (в скобках указаны значения минимальной мощности КЗ) соответственно равны 6705 (6577) МВА и 6124 (6020) МВА. Очевидно, что при мощности завода в 153 МВт установка СТК является необходимым условием обеспечения требуемого уровня качества электроэнергии.

Схемная конфигурация СТК показана на рис. 1. Основная компенсация индуктивной составляющей реактивной мощности завода осуществляется подключением к шинам электропечной нагрузки фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ), т.е. ёмкостей (источники реактивной мощности). Наличие десяти таких цепей, подключаемых через силовые выключатели, позволяет проводить грубую ступенчатую регулировку числа подключённых ёмкостей при изменениях режима работы завода. Плавная и точная компенсация реактивной мощности осуществляется управляемыми тиристорами реакторами - тиристорно-реакторной группой (ТРГ). Система управления позволяет в автоматическом режиме изменять угол зажигания тиристоров ТРГ, т.е. величину индуктивной составляющей нагрузки, подключённой к шинам, что позволяет добиваться полной компенсации реактивной составляющей нагрузки потребителя при изменениях режима работы завода.

Рис. 1. Типовая схема СТК для дуговых сталеплавильных печей

Установка таких компенсаторов может дать возможность подключения металлургического завода к энергосистеме с недостаточной мощностью короткого замыкания без ухудшения условий работы других энергопотребителей.

Для расчёта параметров СТК необходимо знать график потребления электроэнергии потребителя. Циклический график нагрузки сталелитейного завода показан на рис. 2.

TIME

Рис. 2. Цикл нагрузки сталелитейного завода: 1 - ДСП; 2 - агрегат печь-ковш

Технология выплавки стали требует двух резких подъёмов и сбросов потребляемой мощности, т.е. характеризуется резко-переменным графиком потребления электроэнергии. Для снижения перенапряжений при изменении нагрузки последовательно с ДСП включается специальный реактор (сериесный).

Расчёт параметров СТК

При расчетах использовались лицензированные программные комплексы «RastrWin» и «АРМ СРЗА», которые широко используются в энергосистеме РФ. Электропечная нагрузка питается от выделенного трансформатора металлургического исполнения мощностью 160000/250000/220 МВА. Исходными данными для расчётов являются: технические характеристики для сталеплавильной печи марки DANIELI MORGARDSHAMMAR, график нагрузки которой показан на рис. 2, мощности трансформаторов АПК и ДСП. Мощность трансформатора ДСП S^ = 120 МВА. Максимальная активная мощность, потребляемая ДСП, составляет Рдспмэкс = 96 МВт. При этом реактивная

мощность 0ДСПмакс = 72 Мвар. Агрегат печь-ковш (АПК) питается от

дополнительного трансформатора мощностью 20 МВА. Средний коэффициент мощности АПК равен созф = 0,801, т.е. активная и реактивная мощности АПК в максимальном режиме равны: РАПКмакс = 16 МВт; 0АПКмакс = 12 Мвар.

Суммарная активная мощность электропечной нагрузки при наложении плавок в ДСП и печи-ковше составляет

Р АПКмакс = Р ДСПмакс + РАПКмакс = 112 МВт .

При этом суммарная реактивная мощность электропечной нагрузки и АПК будет равна:

Qнмакс = Q ДСПмакс + Q АПКмакс = 84 Мвар

Реактивная мощность, потребляемая силовым трансформатором равна:

qTPM

Г \2

S

"ном

^ном

• ХТР=10,2 Мвар.

1. Установка СТК при присоединении к шинам 220 кВ ПС «Письмянка».

1.1. Расчёт параметров СТК при номинальном режиме работы.

Одним из основных условий присоединения к шинам питающей сетевой подстанции является то, что коэффициент мощности на шинах 220 кВ ПС «Письмянка» должен быть не ниже со«ф= 0,98 ^апф=0,2). СТК должен обеспечить дозу фликера в точке подсоединения к сетям общего назначения Pst (Шзмерения= 10 мин) не более 1,38 с вероятностью 95%. СТК также должен обеспечить такие коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения К^ и коэффициенты n-ой гармонических составляющих напряжения К^(и) в точке подсоединения к сетям общего назначения, которые не превышают величин, приведённых в ГОСТе [2].

Исходя из указанных требований можно определить допустимое потребление реактивной мощности в режиме максимального потребления при наложении плавок ДСП и АПК:

Q доп =

Реальное потребление реактивной мощности в этом режиме (2) больше допустимого, т.е. должно быть скомпенсировано СТК. Требуемое значение реактивной мощности, которое должно быть скомпенсировано СТК, определится как

QСТКтреб =

1.2 Расчет режима короткого замыкания электродуговой печи и дозы фликера.

Для определения полной мощности, потребляемой ДСП из точки подключения к сетям общего назначения в режиме трехфазного эксплуатационного КЗ, используется вариант математической модели «АРМ СРЗА», в котором к выводам печного трансформатора подключается RL-нагрузка, соответствующая состоянию дуговой сталеплавильной печи (ДСП) в режиме трехфазного короткого замыкания. Результаты моделирования позволяют определить, что мощность, потребляемая ДСП в режиме короткого замыкания в точке подключения к сетям общего назначения, равна

S экзДСП = S тРном • 1,65 = 198 МВА ,

где ^трном = 120 МВА - номинальная мощность металлургического трансформатора; 1,65 - коэффициент, кратный мощности ДСП в режиме КЗ по отношению к номинальной мощности.

При подключении фильтро-компенсирующих цепей СТК к шинам 35 кВ напряжение на этих шинах увеличивается как при номинальном режиме работы печи, так и при режиме КЗ. Таким образом, увеличивается максимальная реактивная мощность, потребляемая электродуговой печью в режиме КЗ из шин

35 кВ, а следовательно, увеличиваются и колебания реактивной мощности. Это увеличение необходимо учитывать при расчете дозы фликера Р$. Расчеты

мощности КЗ электродуговой печи без СТК и с подключенной моделью СТК показывают, что для рассматриваемого режима максимальные колебания реактивной мощности ДСП увеличиваются в 1,155 раза при наличии фильтро-компенсирующих цепей СТК.

Дозу фликера Р& целесообразно рассчитывать, принимая во внимание

только работу электродуговой печи, а фликер со стороны агрегата печь-ковш не учитывается ввиду его относительной малости. Метод расчета кратковременной дозы фликера 95% (вероятность 95%) основывается на показателе

интенсивности фликера К«*, который зависит от мощности и типа печи, типа шихты, рабочих режимов и т.д.:

^ 95% =

С К \

К экзДСП

ККЗмин

К 95% = 1,98,

где Кэкздсп - мощность эксплуатационного короткого замыкания ДСП в точке

подключения к сетям общего назначения (ЭКЗ ДСП); ККзмин - мощность короткого замыкания в точке подключения к сетям общего назначения. Для п/с «Писмянка» Ккзмин = 6577 МВА; К95%- показатель интенсивности фликера (вероятность 95%). В наихудшем режиме, с точки зрения дозы фликера, 95%достигает значения 80. Однако длительность этого режима составляет всего 2 минуты из 10 минутного периода измерения кратковременной дозы фликера Р«(. Поэтому представляется целесообразным проводить расчет для усредненного за 10 мин показателя интенсивности фликера 95%. Усредненное значение показателя интенсивности фликера К«{95%= 66, принятое к расчету, получается при усреднении первых 10 минут от начала плавки.

Кратковременная доза фликера с учетом влияния фильтро-

компенсирующих цепей СТК равна, при минимальной мощности КЗ сети

РX95 %

Для удовлетворения требований по дозе фликера необходимо обеспечить ее ослабление в 1,66 раза минимальной мощности КЗ сети.

При использовании технологии СТК можно получить максимальный коэффициент ослабления фликера около 2 при мощности СТК, составляющей 80% от мощности ЭКЗ ДСП. Поэтому, с целью оптимизации мощности и стоимости СТК, в качестве расчетного значения предлагается использовать режим максимальной мощности КЗ сети, равной 6705 МВА. При необходимости работы электропечной нагрузки при мощностью КЗ сети ниже максимальной допускается работа ДСП с пониженной мощностью.

На основании расчетов СТК можно сделать вывод, что при существующем соотношении расчетной мощности КЗ сети, мощности ЭКЗ ДСП и требуемом снижении дозы фликера в 1,66 раза до уровня, не превышающего значение 1,38, мощность СТК должна составлять не менее 60-80% от мощности ЭКЗ ДСП:

К СТК = К экзДСП • 1,155 • 0,65 = 148 ,65 МВА .

В соответствии с расчетом (8) и учитывая, что мощность СТК должна составлять не менее 60% от мощности ЭКЗ ДСП, был взят коэффициент 0,65.

В рассматриваемой схеме предлагается установка СТК на ПС «Письмянка» со следующими параметрами:

- мощность тиристорно-реакторной группы (ТРГ): 150 Мвар;

- мощность фильтро-компенсирующих цепей (ФКЦ):

• ФКЦ-2: 30 Мвар;

• ФКЦ-3: 60 Мвар;

• ФКЦ-4: 60 Мвар.

2.1 Расчет номинального режима работы электропечной нагрузки при питании с шин 220 кВ ПС «ТатСталь».

Учитывая отсутствие единой методики расчета параметров СТК, было целесообразно рассчитать режим работы электропечной нагрузки при питании не от сетевой подстанции, а с шин 220 кВ ПС «ТатСталь», т.е. учитывая непосредственную близость установки сталеплавильной печи.

Используя исходные данные, приведенные выше, был произведен новый расчет и выбор мощности СТК.

При данном режиме работы сети максимальная и минимальная мощности КЗ сети составили, соответственно, 6124 МВА и 6020 МВА.

Используя вновь полученные мощности КЗ, доза фликера Pst без учета влияния фильтро-компенсирующих цепей СТК равна:

при минимальной мощности КЗ сети

Р * 95% = 2,17.

Доза фликера Pst с учетом влияния фильтро-компенсирующих цепей СТК равна:

при минимальной мощности КЗ сети

Ра95 %

Таким образом, для удовлетворения требований по дозе фликера необходимо обеспечить ее ослабление в 1,82 раза минимальной мощности КЗ сети.

С целью оптимизации мощности и стоимости СТК в качестве расчетного предлагается использовать режим максимальной мощности КЗ сети, равной 6124 МВА.

На основании вышеприведенного расчета СТК можно сделать вывод, что при существующем соотношении расчетной мощности КЗ сети, мощности ЭКЗ ДСП и требуемом снижении дозы фликера в 1,82 раза до уровня, не превышающего значение 1,38, мощность СТК должна составлять не менее 60-80% от мощности ЭКЗ ДСП:

Я СТК = 5 экзДСП • 1,155 • 0,7 = 160 МВА .

В рассматриваемой схеме предлагается установка СТК со следующими параметрами:

- мощность тиристорно-реакторной группы (ТРГ): 160 Мвар;

- мощность фильтро-компенсирующих цепей (ФКЦ):

• ФКЦ-2 : 40 Мвар;

• ФКЦ-3: 60 Мвар;

• ФКЦ-4: 60 Мвар.

Таким образом, данный расчет показал, что существует необходимость увеличить мощность СТК до расчетного значения 160 Мвар, что не совпадает с расчётом, проведенным при питании электропечной нагрузки от шин 220 кВ ПС «Письмянка». Для более точного выбора мощности СТК необходимо производить расчеты при различных ремонтно-аварийных режимах работы сети.

Результаты расчетов показали, что при установки СТК мощностью 160 Мвар наблюдается:

- полная компенсация реактивной мощности нагрузки;

- снижение уровня колебаний напряжения (фликера);

- стабилизация напряжения на шинах нагрузки.

С экономической точки зрения установка СТК (160 Мвар) целесообразна на ПС «ТатСталь», так как в этом случае увеличивается вводимая в печь мощность, что сокращает время плавки на 30%, что, в свою очередь, приводит к уменьшению срока окупаемости предприятия, а поддержание нормируемых параметров сети [2] при этом позволит снизить штрафы за реактивную мощность.

Выводы

1. Ввиду отсутствия общепринятой методики выбора СТК расчёт, приведенный выше, можно взять за основу по выбору мощности статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности. Для проведения расчетов по определению требуемой мощности СТК необходимы следующие исходные данные:

- схема внешнего электроснабжения потребителя;

- максимальная и минимальная мощность КЗ в точке подключения к шинам общего назначения;

- параметры печного трансформатора;

- кратность тока ЭКЗ ДСП;

- среднее значение активной мощности ДСП;

- среднее значение реактивной мощности ДСП;

- максимальное значение реактивной мощности ДСП.

2. Установка СТК (160 Мвар) на ПС «ТатСталь» позволяет увеличить вводимую в печь мощность, сократить время плавки на 30% и минимизировать штрафы за реактивную мощность.

Summary

In given clause indemnification of jet power on a metal works due to use static thyristor equalisers (STE) is examined.

Key words: static thyristor the equaliser, the arc steel-smelting furnace, a parameter of quality of the electric power.

Литература

1. Нормы технологического проектирования электроснабжения промышленных предприятий (НТП ЭП-94). Москва, 1994.

2. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Москва, 1997.

3. ГОСТ Р 51317.6.2-99 (МЭК 61000-6-2-99). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Москва, 1999.

Поступила в редакцию 06 октября 2010 г.

Чубуков Михаил Владимирович - аспирант кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-927-4006221. E-mail: chubukovmv@bk. ru.

Усачев Александр Евгеньевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-950-3124299. E-mail: ulanov@kfti.knc.ru.