СПОСОБ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СЛОЖНЫЙ НЕПРЕРЫВНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
METHOD OF POWER SUPPLY TO ELECTRIC COLLECTORS MAINTAINING CONTINUOUS PRODUCTION PROCESS AT INDUSTRIAL FACILITIES

Изобретение относится к области энергетики, а именно к системам электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в составе производства электроприемники первой категории электроснабжения с особо сложным и опасным непрерывным технологическим процессом, требующим при аварийном останове длительного времени на восстановление нормального режима, определяющими устройствами обеспечения работоспособности в которых являются энергоемкие механизмы с электроприводом (насосы, компрессоры, вентиляторы и пр.), например предприятия нефтехимии, металлургии, нефтедобычи и добычи угля шахтным способом, а также предприятия 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 перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания 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), предусматривается 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 агрегаты бесперебойного питания (АБП) или дизельные электростанции (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 отклонениях параметров электроснабжения (напряжение, частота) и через промежуток времени, определяемый работой релейной защиты и автоматики, что для некоторой группы электроприемников механизмов, обеспечивающих непрерывность и устойчивость технологических процессов, 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:
- 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;
- воздействие на электросеть различных потребителей энергии в моменты их работы, включения или отключения мощных потребителей;
- 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
0
Так, по материалам приложения к журналу «Энергетик» (выпуск 12 (36), Е.А.Конюхова, Э.А.Киреева. «Надежность электроснабжения промышленных предприятий». М., НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2001 г.) 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 раз в год, а для ВЛ напряжением 35 кВ - 2,0 раза 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 раза 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 ежегодным обзорам показателей надежности электротехнического оборудования электрических сетей, выпускаемых ОАО «Инженерный Центр ЕЭС - фирма ОРГРЭС», на каждые 100 км ВЛ напряжением 110 кВ происходит не менее одного отказа (как правило, более) в год, связанного с повреждениями и приводящего к нормативному нарушению параметров электроснабжения потребителей, данный показатель принят за основу при обосновании изобретения и реализации способа электроснабжения промышленных предприятий, т.е. ω равно 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, связанными с повреждениями.
Известны автономные системы 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 систем служит дизельная электрическая станция или электрическая станция с газопоршневым приводом (ДЭС, ГПЭС), вырабатывающие электрическую энергию, 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», СПб., 1997).
Использование данных систем позволяет снизить затраты на тепловую и электрическую энергию для конечного потребителя из-за повышения коэффициента использования топлива при комбинированной выработке энергии и уменьшения потерь на ее транспорт.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выполняемый в соответствии с ПУЭ способ обеспечения электроэнергией группы электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление нормального режима, от двух независимых, взаимно резервирующих источников питания с дополнительным питанием особой группы электроприемников от третьего независимого, взаимно резервирующего источника питания, которое используется в «ждущем» режиме с целью обеспечения безаварийного останова сложного производства.
В качестве третьего источника питания, как правило, предусматривается дизельная электростанция, преобразующая теплоту сгорания топлива в электрическую энергию, или источник бесперебойного питания (ИБП).
Недостатками описанной выше системы 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) 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, при известных в настоящее время способах и устройствах систем электроснабжения промышленных потребителей обеспечение непрерывности производственного процесса, имеющего «жесткие» требования к параметрам технологического регламента, при нормативных или недопустимых возмущениях со стороны внешнего электроснабжения и доведение до технически возможного (прогнозируемого) минимума вероятности останова производства, имеющего в составе отдельную группу электроприемников с технологическими механизмами, определяющими непрерывность и экономические параметры технологического процесса, технически недостижимо.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении работоспособности производственного процесса при любых (нормативных или недопустимых) возмущениях со стороны внешнего электроснабжения и сведение до технически возможного (прогнозируемого) минимума вероятность нарушения технологии, уменьшения технического и экономического ущерба от брака и недополучения продукции, а также предотвращения загрязнения окружающей среды.
Предлагаемый способ позволяет повысить энергетическую и экологическую безопасность ответственных и сложных непрерывных технологических процессов и обеспечить максимальную техническую и экономическую эффективность.
Технический результат достигается тем, что по способу электроснабжения отдельной группы электроприемников, обеспечивающих сложный непрерывный технологический процесс промышленных предприятий, при котором электроснабжение данной группы осуществляют от дополнительного независимого взаимно резервируемого источника питания, расположенного в непосредственной близости от данной группы, а электроснабжение остальных электроприемников (в том числе и особой группы электроприемников, обеспечивающих безаварийный останов), не критичных к нормативным отклонениям параметров внешнего электроснабжения, осуществляется от двух независимых взаимно резервируемых внешних источников питания, новым является то, что третий независимый источник питания, равновеликий по мощности с отдельной группой электроприемников, является основным для группы электроприемников непрерывного технологического процесса, и для него задают параметры потока отказов ω(t), равные 0,02-0,03, при этом наличие связи между источниками электроснабжения постоянно контролируется.
В качестве дополнительного независимого источника питания используется электрогенерирующее устройство, в приводе которого в качестве энергоносителя используют промышленный газ (коксовый, биогаз, шахтный, отдувки химических производств и т.д.), попутные углеводородные фракции основного (попутного) технологического процесса, природный газа или их смесь.
Тепло охлаждающей жидкости и тепло выхлопных газов привода электрогенерирующего устройства используют в технологическом процессе или в системах отопления и вентиляции промышленного предприятия.
В системе электроснабжения отдельных электроприемников, обеспечивающих непрерывный технологический процесс промышленных предприятий, включающей независимые взаимно резервирующие внешние источники питания и третий дополнительный независимый резервирующий источник питания, новым является то, что дополнительный независимый источник питания имеет блок управления, имеющий возможность через соответствующие переключатели подключать отдельную группу электроприемников как к внешним резервируемым источникам питания, так и к дополнительному независимому источнику электроснабжения.
Блок управления содержит быстродействующие автоматические защиты, систему управления и электрических блокировок, обеспечивающие:
- автоматический запуск электрогенерирующего устройства, своевременный и безударный перевод электроснабжения отдельной группы электроприемников непрерывного технологического процесса к нему при достижении номинальных технологических параметров во время планового пуска от внешних источников питания;
- плавный пуск отдельной группы электроприемников от самого дополнительного источника электроснабжения по алгоритму, определенному эксплуатационной инструкцией и технологическим регламентом;
- автоматическое поддержание экономически эффективной загрузки электрогенерирующего устройства в соответствии с заданной производительностью и технологическим регламентом производственного процесса в нормальном режиме;
- безударный перевод электроснабжения данных электроприемников на внешние резервирующие источники питания или безаварийный останов технологического процесса при нестационарных (аварийных) ситуациях на самом источнике.
В качестве дополнительного независимого источника питания использовано генерирующее устройство, содержащее электрический генератор с приводом от тепловой энергетической установки, на входе которого имеется смеситель с соответствующими каналами подвода промышленного газа, попутных углеводородных фракций основного (попутного) технологического процесса, природного газа или их смеси (в зависимости от технологии производства промышленного предприятия), а на выходе - теплообменник для отвода тепла к потребителю.
Формируют локальные (независимые) «острова» для электроснабжения отдельных групп электроприемников (электроагрегатов) технологического процесса, где применяется дополнительное генерирующее устройство, имеющее равновероятностные параметры по надежности и равновеликие с технологическим объектом значения мощности и располагаемое в непосредственной близи от отдельной группы электроприемников технологического процесса промышленного предприятия. При этом связь электрогенерирующего устройства со схемой внешнего электроснабжения осуществляется через специальный блок управления, а тепло охлаждающей жидкости и тепло выхлопных газов привода электрогенерирующего устройства используется в системах отопления и/или вентиляции промышленного предприятия. Электроснабжение остальных электроприемников первой категории осуществляется по традиционной схеме - от двух взаимно резервируемых внешних источников.
Электрогенерирующее устройство устанавливают в непосредственной близи от отдельной группы электроприемников, обеспечивающих непрерывность технологического процесса, останов которых по техническим условиям (технологическому регламенту) происходит даже при кратковременных нормативных (допустимых согласно ПУЭ) отклонениях параметров электрической энергии со стороны внешнего электроснабжения, а технологическое резервирование при этом данных агрегатов технически невозможно (в районе главной понизительной подстанции (ГПП) или распределительного устройства (РУ), с секций которых (согласно проектным решениям) они запитаны). Таким образом, достигается основное преимущество предлагаемого изобретения - 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 схеме электроснабжения на время автоматического восстановления питания, электроприемники отдельной группы, запитанные от дополнительного автономного независимого электрогенерирующего устройства, останутся в работе, сохранив непрерывность технологического процесса, а остальные электроприемники данного технологического цикла, не критичные к допустимым (нормативным) возмущениям со стороны внешнего электроснабжения (однофазное короткое замыкание, обрыв ЛЭП, иное), восстановят свою работоспособность сразу после восстановления электрических параметров внешнего электроснабжения.
Данный способ электроснабжения отдельной группы электроприемников сложных и непрерывных технологических процессов позволяет создать внешнюю и внутреннюю схему электроснабжения промышленного предприятия со сложным непрерывным технологическим процессом с наилучшими технико-экономическими и надежностными показателями производства.
Реализация способа электроснабжения электроприемников сложных непрерывных технологических процессов и теплоснабжения промышленных потребителей осуществляется устройством, содержащим электрогенерирующую установку с газопоршневым приводом (ГПЭС) или другим энергетическим приводом, использующим в качестве топлива любые энергоносители, например привод Стерлинга.
Согласно сведениям заводов-изготовителей ГПЭС, таких как BERICAR (Италия), Caterpillar (США), Deutz AG (Германия), Jenbacher (Австрия), Wartsila (Финляндия), газопоршневые приводы электрогенерирующих устройств единичной мощностью до 16 МВт и напряжением 6/10 кВ могут работать на природном (сжиженном, сжатом, магистральном) и промышленном (коксовом, биогазе, шахтном, отдувках химических производств и т.д.) газе, 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 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.
ГПЭС имеют большой парковый ресурс (более 200 тыс. часов), равный жизненному циклу основных технологических агрегатов промышленных предприятий, и параметр потока отказов (удельную повреждаемость) ω(t) менее 0,02 раза в год, что выше показателей по надежности электродвигателей с технологическим агрегатом в комплексе. Данное обстоятельство позволяет осуществлять единый регламент плановых ремонтно-профилактических работ комплекса «ГПЭС - группа электроприводов - технологическая установка» в качестве единого целого блока (технологической установки).
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая блок-схема электроснабжения промышленного предприятия (технологической установки).
0
Система внешнего электроснабжения электроприемников первой категории электроснабжения, обеспечивающих сложный непрерывный технологический процесс промышленного предприятия 1, состоит из двух независимых резервируемых источников электроснабжения, представляющих собой или две отдельные электростанции, или одну электростанцию и одну сетевую подстанцию (ПС), или две ПС, имеющие раздельное питание, затем линий связи в виде воздушных линий электропередачи (ЛЭП) с параметрами надежности ω(t), равными или более 1,0 ω, и главной понизительной подстанции (ГПП) с двухсекционным (или более) распределительным устройством (РУ) промышленного предприятия.
С секций РУ осуществляется электроснабжение группы электроприемников непрерывного технологического процесса 4, не критичных к нормативным отклонениям параметров внешнего электроснабжения. Кроме этого, с целью обеспечения возможности проведения штатного пуска после планового останова или обеспечения работоспособности технологии при неплановых (аварийных) ситуациях на дополнительном индивидуальном источнике электроснабжения 2 на период устранения неисправности с секции данного РУ через блок управления 3 обеспечивается возможность электроснабжения отдельной группы электроприемников 5.
0
В нормальных режимах электроснабжение отдельной группы электроприемников 5, для которых недопустимы нормативные отклонения параметров электроснабжения и невозможно обеспечить технологическое резервирование, осуществляется от дополнительного индивидуального источника электроснабжения 2 с параметром потока отказов ω(t), равным или менее 0,03 ω.
Дополнительный индивидуальный источник электроснабжения 2 содержит электрический генератор, равновеликий по мощности с отдельной группой электроприводов с приводом от тепловой энергетической установки, на входе которой имеется смеситель с соответствующими каналами подвода промышленного газа, попутных углеводородных фракций основного (попутного) технологического процесса, природного газа или их смеси (в зависимости от технологии производства промышленного предприятия), а на выходе - утилизатор тепла охлаждающей жидкости и выхлопных газов 7 для отвода тепла к потребителю.
Блок управления 3 содержит быстродействующие автоматические защиты, систему управления и электрических блокировок, обеспечивающих:
- автоматический запуск электрогенерирующего устройства, своевременный и безударный перевод электроснабжения отдельной группы электроприемников непрерывного технологического процесса к нему при достижении номинальных технологических параметров во время планового пуска от внешних источников питания;
- плавный пуск отдельной группы электроприемников от самого дополнительного источника электроснабжения по алгоритму, определенному эксплуатационной инструкцией и технологическим регламентом;
- автоматическое поддержание экономически эффективной загрузки электрогенерирующего устройства в соответствии с заданной производительностью и технологическим регламентом производственного процесса в нормальном режиме;
- безударный перевод электроснабжения данных электроприемников на внешние резервирующие источники питания или безаварийный останов технологического процесса при нестационарных (аварийных) ситуациях на самом источнике.
При любых отклонениях параметров электрической энергии во внешней схеме электроснабжения 1, вызванных отказами на линиях связи (обрыв, короткое замыкание, иное), электроприемники отдельной группы 5, запитанные от дополнительного автономного независимого электрогенерирующего устройства 2, останутся в работе, сохранив непрерывность технологического процесса, а остальные электроприемники данного технологического цикла 4, не критичные к допустимым (нормативным) возмущениям со стороны внешнего электроснабжения 1 (однофазное короткое замыкание, обрыв ЛЭП, иное), продолжат свою работу сразу после автоматического восстановления электрических параметров внешнего электроснабжения.
Дополнительный индивидуальный независимый источник электроснабжения 2 устанавливают в непосредственной близи от электроагрегата (электроагрегатов), обеспечивающего непрерывность технологического процесса 5, что позволяет существенно уменьшить линию связи, а равновероятностные параметры по потокам отказа генерирующего источника, электроприемника и технологического агрегата, а также сравнимый жизненный цикл всех составляющих технологического блока позволяет осуществлять единый регламент плановых ремонтно-профилактических работ комплекса «дополнительный индивидуальный независимый источник электроснабжения - электроагрегат (электроагрегаты) - технологическая установка» в качестве единого блока 8 (технологической установки).
Предлагаемое изобретение является перспективным 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. возможность противостоять внешним и внутренним нарушениям электроснабжения и не допускать каскадного развития аварийной ситуации внутри производства за счет эффективного и надежного взаимодействия технологических процессов с равнонадежностными системами электроснабжения особой группы электроприемников промышленных предприятий.
В результате использования предлагаемого изобретения достигается экономия материальных и энергетических ресурсов за счет уменьшения аварийных остановов производства, простоев оборудования и непроизводственных потерь в виде сбросов (выбросов) в окружающую среду составляющих технологической продукции при неплановых (аварийных) остановах и дополнительных затрат энергетических ресурсов на последующее восстановление производственного процесса.