УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ СО СЛОЖНЫМ НЕПРЕРЫВНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

Полезная модель относится к области энергетики, а именно к устройствам внутреннего электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в составе производства электроприемники первой категории с особо сложным и опасным непрерывным технологическим процессом, требующим при аварийном останове длительного времени на восстановление нормального режима и определяющими устройствами обеспечения работоспособности в которых являются энергоемкие механизмы с электроприводом (насосы, компрессоры, вентиляторы и пр.), например, предприятий нефтехимии, металлургии, нефтедобычи и добычи угля шахтным способом, а также предприятий трубопроводного транспорта.
Известно, что сложные и опасные непрерывные технологические процессы, особенно для объектов перечисленных выше, проходят при жестко ограниченных значениях температуры, расхода, давления, а также определенном соотношении компонентов, участвующих в химических и иных реакциях и/или процессах, заданных технологическим регламентом. При этом на многих подобных объектах существует отдельная группа электроприемников с технологическими механизмами, определяющими непрерывность и экономические параметры технологического процесса, работоспособность которой нельзя обеспечить существующими способами резервирования источников электроснабжения или технологическим резервом.
Нарушение электроснабжения любого электроприемника из этой группы (обрыв линии электропередачи, короткое замыкание, ошибки персонала и т.п.) и, как следствие, технологических параметров (расход, давление, температура, состав компонентов, иное) приводит в лучшем случае к останову и экономическим потерям из-за дестабилизации сложного технологического процесса и брака продукции, а в худшем - к неконтролируемому процессу, заканчивающемуся разрушением оборудования со значительным материальным ущербом, опасностью для жизни людей и/или сбросом (выбросом) экологически вредных веществ в окружающую среду с последующими затратами на восстановление нормального режима в течение длительного времени.
Действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ), седьмое издание, дата введения 2003-01-01, глава 1.2. «Электроснабжение и электрические сети» определено, что электроприемники подобной категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания и при нарушении электроснабжения от одного из источников питания перерыв электроснабжения
электроприемников может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания, а для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров, должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого резервирующего источника питания.
При этом электроснабжение отдельной группы электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление нормального режима, ПУЭ рекомендует осуществлять от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, к которым должны предъявляться дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса, а в случаях, когда резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса - осуществлять технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологических агрегатов или специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.
То есть, в соответствии с требованиями нормативно-технической документации (НТД) и проектными решениями, известные (типовые) схемы построения как внешнего, так и внутреннего электроснабжения данных электроприемников (в случаях, когда резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса при невозможности обеспечения технологического резерва), предусматривают возможность только безаварийного останова производства, что приводит к техническому и экономическому ущербу от брака, потерь составляющих продукции технологического процесса в виде их сбросов (выбросов) в окружающую среду и недоотпуска продукции при останове и затрат при последующем пуске производства вследствие останова из-за нарушения параметров в системе внешнего электроснабжения.
Типовые решения электроснабжения особой группы электроприемников, обеспечивающих безаварийный останов производства, предусматривают использование в качестве третьего независимого взаимно резервирующего источника электроснабжения агрегатов бесперебойного питания (АБП) или дизельных электростанций (ДЭС), работа которых, как правило, (в трактовке ПУЭ) осуществляется в «ждущем» режиме.
В любом случае, переключение резервирующих (включая третий аварийный) источников электроснабжения происходит при определенных (так называемых нормативных) отклонениях параметров электроснабжения (напряжение, частота) и через промежуток времени, определяемый работой релейной защиты и автоматики, что для некоторой группы
электроприемников технологического оборудования является недопустимым и приводит к внеплановому останову производства.
Известно, что вероятность, время перерыва и величина (параметры) нарушения электроснабжения у конечного потребителя возрастают при удлинении линий электропередачи (ЛЭП) и количества трансформаторных и коммутационных устройств (трансформаторные подстанции, выключатели, устройства автоматического включения резерва и т.п.) начиная от генерирующего устройства (электрической станции) до конечного потребителя, при этом, наибольшее влияние на надежность и стабильность параметров электрической энергии оказывают линии связи (электрические сети), характеристики которых не являются стабильными и прогнозируемыми, что обусловлено самыми разнообразными причинами:
- воздействие на электросеть различных потребителей энергии в моменты их работы, включения или отключения мощных потребителей;
- изношенность оборудования в системе энергоснабжения России, перегрузка сетей из-за недостатка средств на их развитие, плохое качество работ или ошибки персонала при управлении и ремонте;
- удары молний в элементы электросети (грозовые перенапряжения), обрывы ЛЭП при стихийных бедствиях или несанкционированных действиях посторонних лиц, гнездования птиц и разрушения опорных изоляторов в весенний период, приводящие к коротким замыканиям и т.д. (Раппопорт А.Н., Кучеров Ю.Н. «Актуальные задачи обеспечения надежности электросетевого комплекса при развитии рыночных отношений в электроэнергетике» - Энергетик, 2004, №10).
0
Так, по материалам приложения к журналу «Энергетик» (выпуск 12 (36) Е.А.Конюхова, Э.А.Киреева «Надежность электроснабжения промышленных предприятий», Москва, НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2001 год), параметр потока отказов (удельная повреждаемость) ω(t), определяемый как отношение количества Δn(t) отказавших единиц оборудования в единицу времени Δt к числу m(t) единиц оборудования, работающих в данный отрезок времени, для воздушных линий электропередачи (ВЛ) напряжением 110 кВ протяженностью 100 км ω(t) равен 1,0 в год, а для ВЛ напряжением 35 кВ - 2,0 в год со средним временем восстановления 14 и 12 часов соответственно, при этом параметры потока отказов для выключателя и трансформатора на 110 кВ и высоковольтного (6-10 кВ) синхронного двигателя мощностью более 3 МВт составляют всего 0,026, 0,015 и 0,031 в год соответственно. Таким образом, удельная повреждаемость линий электропередачи (система внешнего электроснабжения потребителей) в десятки раз выше, чем повреждаемость крупных электроприемников, установленных на промышленных предприятиях. Учитывая, что, по
0
ежегодным обзорам показателей надежности электротехнического оборудования электрических сетей, выпускаемых ОАО «Инженерный Центр ЕЭС - фирма ОРГРЭС», на каждые 100 км ВЛ напряжением 110 кВ происходит более одного отказа в год, связанного с повреждениями, и приводящего к нормативному нарушению параметров электроснабжения потребителей (при условии правильной работы релейной защиты и автоматики), при реализации полезной модели электроснабжения промышленных предприятий, показатель потока отказов ω принят равным за основу 1.
По данным, приведенными Марченко А.Е. и Тиходеевым Н.Н. в статье «Опыт прогнозирования надежности работы ЕЭС России в новых условиях» - Электрические станции, 2005, №12, актуальность проблемы обеспечения системной надежности электроснабжения в рассматриваемой перспективе не ослабевает. В структуре единой национальной электрической сети (ЕНЭС) продолжают оставаться относительно слабые связи, по которым существует опасность нарушения устойчивости электроснабжения потребителей, особенно в режимах максимальных перетоков мощности. За последние годы отмечается возрастание доли случаев отключения ЛЭП по причинам, связанным с повреждениями.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является, выполняемое в соответствии с ПУЭ, устройство обеспечения особой группы электроприемников в нормальных режимах электроэнергией от двух независимых, взаимно резервирующих источников питания с дополнительным питанием от третьего независимого, взаимно резервируемого источника питания, который используется в «ждущем» режиме с целью обеспечения безаварийного останова сложного производства и предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.
В качестве третьего источника питания, как правило, предусматривается дизельная электростанция, преобразующая теплоту сгорания топлива в электрическую энергию или источник бесперебойного питания (ИБП).
Недостатками описанного выше устройства являются:
- наличие постоянных эксплуатационных и материальных затрат на дизельную электростанцию при ее работе в «ждущем» режиме (на холостом ходу) в качестве третьего резервирующего источника электроснабжения особой группы электроприемников;
- высокая стоимость ИБП, отсутствие возможности обеспечить нагрузку выше 800 КВт напряжением более 1000 вольт и низкая динамическая устойчивость в пусковых режимах при групповом запуске особой группы электроприемников в аварийных режимах останова производства;
- отсутствие возможности обеспечить непрерывность производственного процесса при нормативных или недопустимых возмущениях со стороны внешнего электроснабжения при наличии жесткого регламента по технологическим параметрам и невозможности обеспечения технологического резерва, при котором любые отклонения (включая допустимые по ПУЭ нормативные отклонения) электрических параметров приводят к срабатыванию технологических защит с последующим аварийным остановом производства;
- несоизмеримость (в десятки раз выше) надежностных и прогнозируемых параметров работоспособности высоковольтных мощных электродвигателей совместно с приводным механизмом данных производств с подобными характеристиками системы внешнего электроснабжения (ЛЭП и пр.).
Таким образом, в известных на настоящее время устройствах внешнего электроснабжения промышленных потребителей, обеспечение непрерывности производственного процесса при нормативных или недопустимых возмущениях со стороны внешнего электроснабжения и доведение до технически возможного (прогнозируемого) минимума вероятность нарушения технологии, имеющую в составе отдельную группу электроприемников, практически не достижимо.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в обеспечении работоспособности производственного процесса при нормативных (на время автоматического восстановления питания) или недопустимых возмущениях со стороны внешнего электроснабжения и сведение до технически возможного (прогнозируемого) минимума вероятности нарушения технологии, уменьшения технического и экономического ущерба от брака и недополучения продукции, а также предотвращении загрязнения окружающей среды.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить энергетическую и экологическую безопасность ответственных и сложных непрерывных технологических процессов и обеспечить максимальную техническую и экономическую эффективность.
Технический результат достигается тем, что электроснабжение отдельной группы электроприемников осуществляют от дополнительного независимого взаимно резервируемого источника питания, расположенного в непосредственной близи от данной группы, а электроснабжение остальных электроприемников (в том числе и особой группы электроприемников, обеспечивающих безаварийный останов), не критичных к нормативным отклонениям параметров электроснабжения, осуществляют от двух независимых взаимно резервируемых внешних источников питания, причем, дополнительный независимый источник питания, равновеликий по мощности с отдельной группой электроприемников,
0
является основным для данной группы электроприемников непрерывного технологического процесса и для него задают параметры потока отказов ω(t)≤0,02-0,03 ω, при этом наличие связи между ними постоянно контролируется.
Известны автономные устройства комбинированной выработки электрической энергии и тепла, которые начинают находить применение, как правило, на удаленных объектах сельского хозяйства и в коммунальной энергетике, а в последнее время и на промышленных предприятиях. Основным элементом таких устройств служит дизельная электрическая станция или электрическая станция с газопоршневым приводом (ДЭС, ГПЭС), причем привод этих агрегатов оборудован теплообменными аппаратами, с помощью которых тепло охлаждающей двигатель жидкости и тепло выхлопных газов используется для нагрева внешних (относительно двигателя) жидкости или воздуха, которые, в свою очередь, являются теплоносителями в системах отопления потребителей. (Антонов Ю.М. «Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты». Тезисы докладов семинара: «Проблемы развития и использования малой и возобновляемой энергетики в России», С-Петербург, 1997).
В качестве дополнительного независимого источника питания используется электрогенерирующая установка, в которой в качестве энергоносителя используется промышленный газ, попутные углеводородные фракции основного промышленного производства, природный газа или их смесь.
Тепло охлаждающей жидкости и тепло выхлопных газов электрогенерирующей установки используют в технологическом процессе или в системах отопления и вентиляции промышленного предприятия.
В устройстве электроснабжения электроприемников, обеспечивающем технологический процесс промышленных предприятий, включающем независимые взаимно резервируемые внешние источники питания и дополнительный независимый резервируемый источник питания, новым является то, что дополнительный независимый резервируемый источник питания имеет блок управления, подключенный через соответствующие переключатели к внешним и внутреннему источникам электроснабжения.
Блок управления включает комплекс быстродействующих автоматических электрических защит, управления и блокировок, обеспечивающий своевременный и безударный перевод электроснабжения электроприемников непрерывного технологического процесса при пуске от внешних источников питания к дополнительному независимому источнику электроснабжения, а при аварийных ситуациях на дополнительном источнике питания обеспечивающий перевод электроснабжения электроприемников непрерывного технологического процесса на внешние резервируемые источники питания или безаварийный останов технологического процесса.
В качестве дополнительного независимого резервируемого источника питания использована генерирующая установка, содержащая электрический генератор с приводом от тепловой энергетической установки, на входе которой имеется смеситель с соответствующими каналами подвода природного газа и попутных углеводородных фракций основного производственного процесса, а на выходе - теплообменник для отвода тепла к потребителю.
Формируют локальные (независимые) «острова» электроснабжения отдельных групп электроприемников технологического процесса, где применяется дополнительная генерирующая установка, имеющая равновероятностные параметры по надежности и равновеликие с технологическим объектом значения мощности и располагаемая в непосредственной близи от отдельной группы электроприемников технологического процесса. При этом связь со схемой внешнего электроснабжения осуществляется через специальный блок управления, а тепло охлаждающей жидкости и тепло выхлопных газов привода генерирующей установки используется в системах отопления и/или вентиляции промышленного предприятия. Электроснабжение электроприемников остального, менее критичного к нарушениям электроснабжения технологического оборудования первой категории, осуществляется по традиционной схеме - от двух, взаимно резервируемых внешних источников.
Генерирующую установку устанавливают в районе главной понизительной подстанции (ГПП) или распределительного устройства (РУ), с секций которых (согласно типовым проектным решениям) запитаны электроприемники отдельной группы, обеспечивающие непрерывность технологического процесса и останов которых по техническим условиям (технологическому регламенту) происходит даже при кратковременных (допустимых согласно ПУЭ) отклонениях параметров электрической энергии со стороны внешнего электроснабжения. Таким образом, достигается основное преимущество предлагаемой полезной модели - исключение влияния отклонений временных и качественных параметров электроснабжения, генерируемые системой внешних электрических связей (ЛЭП, трансформаторы, выключатели и т.п.) на работоспособность технологического процесса.
В этом случае, при отклонениях параметров электрической энергии во внешней системе электроснабжения, электроприемники отельной группы, запитанные от дополнительной автономной независимой генерирующей установки, останутся в работе, сохранив непрерывность технологического процесса, а электроприемники периферии (вспомогательных устройств) данного технологического цикла, не критичные к допустимым (нормативным) возмущениям со стороны внешнего электроснабжения (однофазное короткое замыкание, иное), восстановят свою работоспособность сразу после восстановления электрических параметров внешнего электроснабжения.
Таким образом, использование устройства электроснабжения отдельной группы электроприемников сложных и непрерывных технологических процессов позволяет создать схему электроснабжения промышленного предприятия с наилучшими технико-экономическими и надежностными показателями технологии.
Для реализации предложенной полезной модели используют электрогенераторную установку с газопоршневым приводом (ГПЭС).
Согласно сведениям заводов-изготовителей ГПЭС, подобные привода единичной мощностью до 9 МВт могут работать на природном (сжиженный, сжатый, магистральный) и промышленном газе (коксовый, биогаз, шахтный, отдувки химических производств и т.д.), пропанобутановых смесях и попутном газе и, при этом, не критичны к работе на их смесях или добавках побочных углеводородных фракций, получаемых в процессе производства основной продукции на предприятиях нефтехимии, металлургии, нефтедобычи и добычи угля шахтным способом.
Учитывая, что в настоящее время данные побочные продукты нефтехимических производств, как правило, сжигаются в атмосфере, увеличивая эмиссию парниковых газов и тепловое загрязнение окружающей среды, использование их в качестве добавок к основному топливу ГПЭС позволит уменьшить техногенную нагрузку на природу, а также снизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии и тепла.
Эти электростанции имеют низкое значение параметра потока отказов (ω(t) менее 0,025) и большой парковый ресурс (более 200 тыс.часов), равный жизненному циклу основных технологических агрегатов, что позволяет осуществлять единый регламент плановых ремонтно-профилактических работ комплекса ГПЭС - технологическая установка в качестве единого целого блока.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется однолинейной схемой (рис.1), на которой представлена общая схема устройства электроснабжения промышленного предприятия.
Предлагаемое устройство электроснабжения электроприемников ответственных агрегатов сложных непрерывных технологических процессов содержит электрический генератор с газопоршневым приводом 1, работающий на смеси газа и углеводородных фракций, подготовленных в смесителе 4, автоматический блок управления 2, отдельную группу электроприемников Д1 с технологическими агрегатами 3, автоматические выключатели 6, 7 и потребитель теплоты 5.
Процентное содержание углеводородных фракций, их химический состав и параметры работы смесителя 4 согласовываются с заводом-изготовителем ГПЭС на стадии оформления заказа на изготовление и поставку оборудования.
РАБОТА УСТРОЙСТВА ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ:
Запуск технологического процесса после планового останова осуществляется от шин секции РУ-6/10 кВ в соответствии с технологическим регламентом и инструкцией по эксплуатации технологического агрегата или, при наличии технологической возможности, системой плавного пуска блока управления 2 непосредственно от ГПЭС. После выхода технологического агрегата 3 на номинальные параметры, (в случае пуска от шин РУ-6/10 кВ) блок управления 2 производит автоматический пуск ГПЭС, синхронизацию электрических параметров генератора с параметрами электрической сети и переводит электроснабжение отдельной группы электроприемников в автономный режим путем включения выключателя 7 и отключения выключателя 6. При этом ГПЭС становится основным независимым источником электроснабжения, Т2 - вторым, взаимно резервируемым источником, а Т1 - третьим независимым резервируемым источником электроснабжения особой группы электроприемников. Таким образом, представленная схема по формальным признакам не противоречит требованиям ПУЭ.
Блок управления 2, поставляемый совместно с ГПЭС, оснащен системой быстродействующих автоматических электрических защит, управления и блокировок, выполняемых в соответствии с техническим заданием на технологический регламент и требованиями производственного процесса, что обеспечивает своевременный и безударный перевод электроснабжения технологического агрегата 3 от ГПЭС на шины РУ-6/10 кВ при аварийных ситуациях на ГПЭС.
Предлагаемая полезная модель является перспективной и позволит улучшить технические, материальные, экологические и экономические показатели предприятий различных отраслей промышленности, обеспечить устойчивость технологического процесса согласно любым технологическим регламентам и повысить уровень энергетической безопасности производства, т.е. возможности противостоять внешним и внутренним нарушениям электроснабжения и не допускать каскадного развития аварийной ситуации за счет эффективного и надежного взаимодействия технологических процессов с равнонадежностными системами электроснабжения отдельной группы электроприемников промышленных предприятий.
В результате использования предлагаемой полезной модели достигается экономия материальных и энергетических ресурсов за счет уменьшения аварийных (неплановых) остановов производства, простоев оборудования и непроизводственных потерь в виде сбросов (выбросов) в окружающую среду составляющих технологической продукции при неплановых остановах и дополнительных затрат энергетических ресурсов на последующее восстановление производственного процесса.