автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы повышения надежности электроснабжения и устойчивости работы предприятий с непрерывными технологическими процессами

На правах рукописи

005011497

СУРЖИКОВ Александр Викторович

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ ПРЕДПРИЯТИЙ С НЕПРЕРЫВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

1 С С^В 2012

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005011497

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Егоров Андрей Валентинович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Белоусенко Игорь Владимирович

кандидат технических наук Скреплев Иван Владимирович

Ведущая организация - Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

Защита диссертации состоится «/5» МС)р7<У 2012 года в // часов З^минут на заседании диссертационного совета Д 212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, 65, Москва, ГСП-1, 119991, Россия, ауд. 308-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан «_»_2012 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета д.пед.н., проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) предприятий нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности служат основной причиной нарушений устойчивости нормальных режимов работы их многомашинных электротехнических систем (ЭТС). Следствием настоящих нарушений электроснабжения являются аварийные остановы технологических процессов вышеуказанных предприятий, характеризующихся высокими требованиями в части непрерывности, качества и надежности электроснабжения. Обозначенная выше проблема, обусловленная КНЭ, становится все более актуальной по мере усложнения технологических процессов промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами, а также использования микропроцессорных средств управления как отдельными технологическими установками, так и целыми технологическими комплексами.

В 90-х годах прошлого столетия в США и Канаде надвигающиеся последствия КНЭ оценили более чем в 150 миллиардов долларов потерь в год, результатом чего стала программа общенациональных энергетических обследований большого числа предприятий, разработка новых концепций защиты промышленного оборудования от КНЭ. Следует отметить, что по сравнению с вышеуказанными странами, в Российской Федерации существует ряд дополнительных факторов, увеличивающих вероятность возникновения КНЭ и обусловленных значительным снижением надежности систем внешнего электроснабжения из-за высокого физического износа их основного электрооборудования, ограниченного финансирования программ по его модернизации и капитальным ремонтам. Фактически в период с начала 90-х годов прошлого века вплоть до середины 2000-х годов осуществлялся лишь точечный ремонт и модернизация объектов единой электроэнергетической отрасли страны при практически полном отсутствии системного подхода и единой технической политики в данном вопросе. При этом данный процесс сопровождался непрерывным реформированием организационной и управленческой структуры этой отрасли. Сложившуюся ситуацию усугубляет и тот факт, что в течение обозначенного периода времени при практически полном отсутствии ввода в эксплуатацию новых генерирующих мощностей наблюдался значительный рост потребления электроэнергии, обусловленный ростом экономики страны. Все это привело к тому, что общесистемные показатели надежности электроснабжения в ряде регионов Российской Федерации вплотную приблизились к своим предельно допустимым минимальным значениям.

Выполненный в настоящей работе анализ действующей законодательной и нормативно-технической документации по данному вопросу показывает, что приведенный в ней понятийный аппарат имеет значительное количество неточностей и неопределенностей, допускающих двусмысленную трактовку ряда определений и положений, что, в свою очередь, не позволяет потребителям электроэнергии вести претензионно-исковую работу в отношении энергоснабжающих компаний по факту не обеспечения последними требуемых показателей надежности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии. Ввод в действие с 1 июля 2013г. нового нормативно-технического документа ГОСТ Р 54149-2010, определяющего данные показатели, лишь только усугубит эту и без того непростую ситуацию. Данное утверждение обусловлено

тем, что в этом документе пересмотрены требования к показателям качества электроэнергии в сторону их (требований) снижения.

Помимо обозначенных выше организационных и правовых аспектов задачи обеспечения предприятий надежным электроснабжением с требуемыми показателями качества электроэнергии необходимо учитывать и технические особенности данной проблемы, связанные с существующей зависимостью источников питания, обусловленной их работой в составе единой энергосистемы с большим количеством электрических связей.

Таким образом, задача повышения надежности электроснабжения предприятий, в первую очередь требует разрешения сложившегося противоречия между их потребностями в бесперебойной работе и регламентированными нормами, приведенными в действующей нормативно-технической документации и отражающими интересы энергоснабжающих организаций. Здесь следует отметить, что для эффективного решения проблемы повышения надежности электроснабжения непрерывных производств необходимо реализовать целый комплекс организационных и технических мероприятий, как со стороны промышленных предприятий, так и со стороны энергоснабжающих организаций. Ввиду вполне понятных ограничений достаточно сложно реализовывать какие-либо мероприятия на уровне энергосистемы. Таким образом, в сложившейся ситуации решение проблемы обеспечения надежного и бесперебойного электроснабжения промышленных предприятий, чувствительных к КНЭ, фактически возлагается на сами предприятия.

Представляется очевидным, что у промышленных предприятий значительно ограничена возможность самостоятельного повышения показателей надежности собственного электроснабжения, однако разработка перечня мероприятий по повышению устойчивости их электротехнических систем к КНЭ представляется достаточно перспективным направлением развития. Наиболее актуальными разработка и внедрение данных мероприятий являются для технологических процессов нефтяной и газовой промышленности, и особенно для процессов нефте-и газопереработки, нефте- и газохимии. Потеря устойчивости электротехническими системами таких промышленных предприятий приводит к неминуемому аварийному нарушению технологических процессов, останову оборудования, и, как следствие, к значительным финансовым потерям. Также необходимо отметить, что во многих случаях результат подобных происшествий не ограничивается только убытками от недовыпуска продукции. При аварийных остановках подобных производств велик риск возникновения пожароопасных и взрывоопасных ситуаций, что создает угрозу жизни людей, целостности окружающей среды и самих предприятий. Это объясняется тем, что целый ряд их производств связан с переработкой токсичного, в том числе и высокотоксичного сырья. Аварийные остановки подобных производств неминуемо будут приводить к сбросу в атмосферу значительных объемов не переработанного или переработанного только частично сырья, что, в свою очередь может привести к весьма тяжелым экологическим последствиям для целого региона, в котором располагается предприятие. Помимо этого аварийные остановки производства и их последующие пуски приводят к ускоренному износу основного технологического и электротехнического оборудования. Данную составляющую убытков достаточно сложно определить количественно, однако не учитывать этот фактор в принципе неверно. Таким образом, повышение надежности электроснабжения и устойчивости ЭТС к кратковременным нарушениям электроснабжения является одной из

первоочередных задач для предприятий нефтегазового сектора, степень работоспособности и исправное функционирование которого в настоящее время напрямую определяют стабильность экономического развития страны.

Для решения обсуждаемых проблем на сегодняшний день существуют различные подходы и методики, которые постоянно совершенствуются по мере развития соответствующей научно-технической базы. Общие вопросы устойчивости, как крупных многомашинных комплексов, так и отдельных узлов электродвигателыюй нагрузки изучались многими исследователями. Отдельные вопросы устойчивости и надежности электроснабжения ЭТС объектов нефтегазовой промышленности исследованы в ряде диссертационных работ и научных публикаций. Разработаны и успешно применяются специализированные программные продукты, предоставляющие возможность уточнить полученные ранее результаты и расширить представление о рассматриваемой области знаний. Наряду с этим опыт эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами показывает нехватку научной базы для проведения расчетов и анализа режимных вопросов с целью принятия обоснованных и правильных решений, обеспечивающих приемлемые показатели надежности электроснабжения и устойчивости электротехнических систем данных предприятий на стадии их проектирования, эксплуатации и реконструкции.

Представляемая работа посвящена анализу режимов и устойчивости промышленных ЭТС с асинхронными машинами, разработке и систематизации рекомендаций, способствующих решению вопросов надежного электроснабжения, а также повышения и более полного использования существующего запаса устойчивости таких ЭТС, что является актуальной научной и технической задачей.

Цель работы заключается в совершенствовании методов расчета и анализа устойчивости промышленных электротехнических систем и повышении надежности их электроснабжения и устойчивости за счет применения новых технических решений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ положений действующей нормативно-технической документации в области надежности электроснабжения и степени их применимости к задачам оценки зависимости питающих вводов, сравнить существующие методы оценки зависимости питающих вводов с целью обоснования их применимости при различных наборах исходных данных.

2. Проанализировать и систематизировать мероприятия по повышению надежности электроснабжения и устойчивости работы электротехнических систем промышленных предприятия с непрерывными технологическими процессами с целью обоснования их применимости на различных этапах создания и эксплуатации конкретных систем.

3. Оценить целесообразность и эффективность применения современных преобразователей частоты при решении задач повышения устойчивости работы асинхронных электроприводов и получить количественные и качественные оценки их влияния на основные показатели устойчивости двигателей и установления приемлемого математического описания такого влияния.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются отдельные узлы электродвигательной нагрузки и целые электротехнические системы предприятий нефтяной и газовой промышленности.

Результаты исследований проиллюстрированы разработкой комплекса мероприятий по повышению надежности электроснабжения и устойчивости конкретного объекта нефтехимии. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, элементы теории устойчивости электротехнических систем.

Научная новизна результатов исследований.

1. Выполнен сопоставительный анализ методик оценки зависимости питающих вводов. Показана необходимость учета вероятностных характеристик возникновения одновременных нарушений электроснабжения по нескольким питающим вводам.

2. Исследованы внешние характеристики электротехнической системы в координатах составляющих эквивалентного сопротивления ЭТС при ее ступенчатой разгрузке.

3. Разработаны метод и алгоритмы функционирования устройств частотного регулирования при нарушениях электроснабжения для подхвата выбегающего асинхронного двигателя по характеристикам его остаточной ЭДС.

4. Предложена классификация электроприемников с учетом их инерционных свойств для обоснованного выбора путей повышения устойчивости технологического процесса к нарушениям нормального режима электроснабжения.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа критериев зависимости источников питания.

2. Классификация электроприемников и возмущающих воздействий с точки зрения устойчивости работы данных электроприемников.

3. Метод определения текущей скорости частотно-регулируемого привода, выбегающего после нарушения электроснабжения, и алгоритмы его подхвата после восстановления питания.

4. Результаты анализа мероприятий по повышению устойчивости электротехнических систем к нарушениям электроснабжения.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования ЭТС, апробированных программных средств, корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Даны рекомендации по выбору методов оценки степени зависимости источников питания промышленных предприятий с непрерывными и напряженными технологическими процессами.

2. Показана целесообразность применения устройств быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР) для повышения надежности электроснабжения потребителей электрической энергии при кратковременных нарушениях электроснабжения. Внедрению БАВР должен предшествовать анализ зависимости питающих вводов и расчет показателей устойчивости конкретного узла нагрузки.

3. Систематизирован перечень методов повышения устойчивости электротехнических систем к нарушениям электроснабжения. Даны рекомендации по их выбору.

4. Разработаны и обоснованы рекомендации по введению в цепь управления преобразователя частоты звена измерения угловой скорости выбегающего асинхронного двигателя на основе контроля характеристик его остаточной ЭДС.

5. Показана целесообразность применения устройств частотного регулирования асинхронных двигателей для повышения устойчивости узлов нагрузки ЭТС и технологических процессов предприятия.

6. Приведена классификация электроприемников по ограничениям на допустимый перерыв электроснабжения с учетом их инерционных свойств.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

• на научно-технической конференции ОАО «СИБУР Холдинг» «Современные технологии при создании автоматизированных систем управления энергоснабжением» (Пермь, 2006);

• на Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2007);

• на научно-технической конференции ОАО «СИБУР Холдинг» «Повышение надежности электроснабжения предприятий ОАО «СИБУР Холдинг» (Москва, 2008);

• на IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2009);

• на научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (2006-2011гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ, одно учебно-методическое пособие и один стандарт предприятия.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста и содержит 30 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели, задачи и методы исследования, определены основные научные положения, выносимые на защиту, отмечена их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен анализ положений действующей нормативно-технической документации в области надежности электроснабжения на предмет их применимости в задачах оценки степени взаимной зависимости источников питания промышленных потребителей при различных наборах исходных данных. Акцентируется внимание на приведенных в этих документах характеристиках степени зависимости источников питания промышленных потребителей первой категории надежности электроснабжения, а также значениях допустимых отклонений показателей качества электроэнергии, в частности, длительности и глубины провалов питающего напряжения на вводах данных потребителей. Также затрагивается вопрос взаимоотношений промышленных потребителей с

энергоснабжающими организациями в рамках заключаемых между ними договоров на поставку электроэнергии, а именно возможность и целесообразность ведения промышленными потребителями претензионно-исковой деятельности в адрес энергоснабжающих организаций в случае поставки последними электроэнергии ненадлежащего качества.

По результатам анализа вышеуказанной документации делается вывод о том, что ее положения отражают преимущественно интересы сетевых и энергоснабжающих организаций, а вопрос обеспечения надежного и качественного электроснабжения промышленных потребителей, а также повышения устойчивости их ЭТС к нарушениям электроснабжения фактически должен решаться силами самих потребителей. Помимо этого высказывается утверждение об актуальности введения в действующую нормативную базу количественных показателей надежности электроснабжения, в том числе, показателей взаимной зависимости источников питания и методов их оценки.

В продолжение этого на примере схемы электроснабжения реально действующего промышленного предприятия выполнено сравнение существующих методов количественной оценки взаимной зависимости источников питания и численных значений коэффициентов зависимости, получаемых по каждому из этих методов. По результатам сравнения делается вывод о том, что метод, учитывающий состав системы электроснабжения, параметры элементов данной системы, а также вероятность возникновения возмущений на этих элементах, позволяет наиболее адекватно оценить степень взаимной зависимости источников питания промышленных потребителей. В научно-технической литературе встречается два подхода (варианта) к количественной оценке взаимной зависимости источников питания через коэффициент зависимости Квз.

В первом случае этот коэффициент рассчитывается на основе выборок статистических данных о нарушениях электроснабжения и определяется следующим уравнением:

к Мо.л+пи.»

Авзол~ х х (1)

'Чо+лг <л "(¡,л "ал где Ыр) и Иф - число зарегистрированных сильных возмущений на г'-м и у'-м источниках соответственно за период эксплуатации Т;

Щд - число зарегистрированных сильных возмущений на одном из названных источников при одновременно зарегистрированном сильном возмущении на другом источнике за период эксплуатации Т.

П(ц) - число зарегистрированных сильных возмущений на одном из названных источников при одновременно зарегистрированном слабом возмущении на другом источнике за период эксплуатации Т.

Во втором случае данный коэффициент определяется как отношение глубины снижения напряжения на неповрежденном источнике питания к глубине снижения напряжения на том источнике питания, на котором имеет место аварийный режим:

ТГ У¡НОРМ У/НОРМ

к« = и-^77—и--()

/ НОРМ и1КЗ иЛЮРМ

где ишорм и Ujnop.il- номинальное значение напряжения на /'-м и у'-м источниках; и¡Кз и Ц кз - напряжение в начальный момент короткого замыкания на г-м и у'-м источниках соответственно.

Анализ данных методов показывает, что коэффициент зависимости, определенный по формуле (2) дает в большинстве случаев более оптимистичный

прогноз, что может привести к неверным выводам относительно реальной степени зависимости вводов промышленного предприятия.

Следует отметить, что количественную оценку степени взаимной зависимости источников питания необходимо выполнять как на стадии проектирования промышленного предприятия, так и при разработке программы модернизации и реконструкции его ЭТС, направленной на повышение надежности электроснабжения, что позволит существенно сократить возможные последствия нарушений электроснабжения в будущем. В качестве одного из мероприятий в данную программу целесообразно включить мероприятие по внедрению быстродействующего автоматического включения резерва (БЛВР), основным назначением которого является быстрое переключение электроприемников резервируемой секции шин на питание от резервного источника электроснабжения при возникновении возмущения на основном источнике.

Высокие характеристики быстродействия БАВР позволяет эффективно решать задачу обеспечения надежного и бесперебойного электроснабжения промышленных потребителей с непрерывными технологическими процессами. Однако внедрению БАВР в обязательном порядке должны предшествовать расчет и анализ реальной степени зависимости источников питания в их нормальных и ремонтных режимах для соответствующих узлов системы внешнего и внутреннего электроснабжения. Это обусловлено тем, что для обеспечения успешного функционирования БАВР источники питания должны иметь малую степень взаимной зависимости и удовлетворять следующим требованиям:

1. При повреждении рабочего источника остаточное напряжение резервного источника должно быть не ниже предельно допустимого минимального значения.

2. Угол рассогласования фаз напряжения рабочего и резервного источников питания не должен превышать предельно допустимого максимального значения.

Здесь следует отметить, что применение БАВР не позволяет полностью устранить влияние нарушений (возмущений) электроснабжения на работу ЭТС промышленных потребителей, особенно при высокой степени взаимозависимости источников питания. В этих случаях промышленным потребителям необходимо разрабатывать и реализовывать комплексную программу по повышению устойчивости их ЭТС к данного рода нарушениям (возмущениям).

Во второй главе приведена разработанная автором классификация возмущений, возникающих в системах электроснабжения, по степени их влияния на показатели устойчивости узлов нагрузки ЭТС. В рамках данной классификации все возникающие возмущения в зависимости от их длительности и глубины предлагается разделять на критические, сильные и слабые, а также естественные колебания напряжения. Графическое разделение возможных возмущений на соответствующие зоны представлено на рис. 1.

Рис. 1. Разделение возмущений на классификационные зоны Продолжительные отклонения напряжения в диапазоне ±10% от его номинального значения (ином), указанные в ГОСТ 13109-97 как предельно допустимые, классифицируются как естественные и попадают в зону естественных отклонений. Поскольку устойчивость ЭТС может нарушаться только при снижении напряжения, то возмущения, обусловленные его повышением свыше 1 ^'ЫиоМу не представляют интереса с точки зрения устойчивости. Однако, в связи с тем, что данные возмущения могут накладывать ряд ограничений на переключение и пуск в работу элементов ЭТС, то их следует классифицировать как слабые возмущения. Продолжительные возмущения, глубина провала напряжения при которых не превышает границу статической устойчивости ЭТС (иСу), следует относить к слабым возмущениям.

В свою очередь, возмущения, которые могут привести к переходу ЭТС из одного статического режима в другой, длительностью меньшие или равные времени динамической устойчивости ЭТС (т0) и глубиной более напряжения статической устойчивости (С/су) следует классифицировать как сильные возмущения. Возмущения же, которые могут привести к полному нарушению устойчивости ЭТС, длительностью более времени динамической устойчивости ЭТС (г0) и глубиной более напряжения статической устойчивости (I]СУ) следует классифицировать как критические возмущения.

Наибольшую угрозу для сохранения устойчивости технологических процессов представляют сильные и критические возмущения. С учетом этого утверждения, а также предложенной классификации возмущений дается обзор основных методов (мероприятий), направленных на повышение устойчивости ЭТС к нарушениям электроснабжения, а также приводится краткая характеристика каждого мероприятия. Условно данные мероприятия разделяются на две группы: организационно-технические, не требующие каких-либо значительных капитальных вложений, и весьма затратные мероприятия, связанные с заменой действующего и установкой нового оборудования.

Одним из организационно-технических мероприятий является изменение уставок срабатывания защиты минимального напряжения (ЗМН) узлов электрической нагрузки ЭТС, заключающееся в обоснованном снижении уровня минимально допустимого напряжения и увеличении выдержки времени срабатывания ЗМН. По сути, данное мероприятие направлено не на повышение устойчивости ЭТС, а на снижение числа необоснованных отключений оборудования. Это обусловлено тем, что ЗМН полностью характеризуется двумя

параметрами - напряжением и выдержкой времени срабатывания, которые в большинстве случаев не учитывают реального состава и характеристик ЭТС, а устанавливаются по требованиям энергоснабжающей организации исходя из параметров наиболее вероятного режима работы ЭТС. Такое техническое решение не позволяет полностью использовать существующий запас устойчивости ЭТС и способствует возникновению зоны необоснованных отключений (см. рис. 2).

Рис. 2. Разбиение пространства провалов напряжения на зоны устойчивости ЭТС.

Корректировка уставок ЗМН должна быть направлена на минимизацию площади области необоснованных отключений, что способствует снижению числа таких отключений и, соответственно, повышению эффективности функционирования ЭТС предприятия в целом.

В настоящее время в ЭТС широко применяются микропроцессорные терминалы релейных защит, реализующие функцию свободно программируемого логического контроллера. Данная функция терминалов защит позволяет, используя математическую модель устойчивости защищаемого узла нагрузки, в режиме реального времени вычислять текущую границу динамической (т0) и статической устойчивости (С/Су) этого узла и автоматически корректировать уставки срабатывания ЗМН при полном исключении области необоснованных отключений. При этом алгоритм автоматического изменения уставок ЗМН и диапазон этих изменений должны найти отражение в существующей карте селективности релейной защиты предприятия и в обязательном порядке получить согласование энергоснабжающей (сетевой) организации, к сетям которой подключено оборудование потребителя.

Следующим организационно-техническим мероприятием по повышению устойчивости ЭТС промышленных предприятий, является реконструкция системы внешнего электроснабжения, направленная на уменьшение ее эквивалентного сопротивления, что всегда положительно влияет на параметры устойчивости. Как правило, уменьшение входного сопротивления достигается путем увеличения числа и мощности системообразующих связей. Это не означает дополнительного строительства линий электропередачи - в ряде случаев бывает достаточно изменить нормальное положение секционных и линейных выключателей, что, разумеется, несопоставимо по затратам. Для выбора желаемого уровня входного сопротивления необходим расчет зависимостей т0 = /(гсхс) и есу = /(гг,хс). Расчеты данных зависимостей характеризуются значительной сложностью, обусловленной имеющимися точками бифуркации рассчитываемых зависимостей при переходах ЭТС из одного режима в другой.

Одним из факторов, усложняющих реализацию данного мероприятия и ограничивающих его возможности, являются нежелательные последствия увеличения числа связей питающей энергосистемы. В данном случае речь идет о том, что увеличение числа системообразующих связей и их мощности может приводить к увеличению коэффициента зависимости источников питания предприятия, о котором говорилось в предыдущей главе. То есть, возрастает вероятность одновременного внешнего возмущения, в том числе и критического по соображениям устойчивости, приходящего на весь технологический комплекс. Таким образом, данный путь повышения устойчивости сам по себе не может гарантировать снижения числа аварийных остановов технологических процессов. Здесь следует отметить, что невозможно дать однозначный ответ на вопрос, какой вариант схемы электроснабжения является предпочтительным: более слабая сеть с небольшой взаимозависимостью источников питания или более жесткая сеть с большой их взаимозависимостью. Показано, что данные расчеты необходимо выполнять для каждого отдельного варианта схемы электроснабжения, определяемого конкретными параметрами питающей сети и нагрузки.

Вторая группа мероприятий по повышению устойчивости ЭТО включает в себя мероприятия по реконструкции системы внутреннего электроснабжения предприятия: разукрупнение узлов нагрузки, облегчение условий самозапуска и повторного пуска электроприводов, внедрение цифровых устройств возбуждения синхронных двигателей, устройств компенсации реактивной мощности, плавного пуска и частотного регулирования, а также устройств быстродействующего автоматического включения резерва.

Разукрупнение узлов нагрузки экономически целесообразно осуществлять на стадии проектирования ЭТС предприятия. На стадии эксплуатации рассматриваемый подход может быть применен, как правило, только при наличии узлов нагрузки с существенно различными показателями устойчивости. В этом случае можно рассмотреть целесообразность перевода части электродвигательной нагрузки с узла, имеющего худшие показатели, на узлы, обладающие лучшими показателями. Дробление нагрузки может быть оправдано при наличии вблизи предприятия нескольких источников электроснабжения, обладающих достаточно высокой степенью независимости. Рассматриваемые варианты дробления нагрузки должны сопровождаться выполнением соответствующих расчетов устойчивости и разработкой технико-экономических обоснований реализации данных вариантов.

Мероприятие по улучшению условий самозапуска и автоматического повторного пуска электроприводов сводятся к автоматическому отключению (первая ступень) неответственных электроприемников при критических возмущениях. Данное мероприятие снижает мощность повторной раскрутки оставленных в самозапуске двигателей и повышает показатели устойчивости ЭТС. Если при отключенной первой ступени показатели устойчивости ЭТС остаются неудовлетворительным, необходимо реализовать вторую и, при необходимости, последующие ступени отключения. Выбор приводов для каждой из ступеней отключения должен производиться с учетом требований технологических процессов. Также для каждого из промежуточных составов ЭТС необходимо рассчитывать границы устойчивости и настраивать автоматику отключения в соответствии с вычисленными границами устойчивости.

Граница устойчивости ЭТС определяется следующим уравнением:

Существующее в настоящее время программное обеспечение позволяет адекватно оценивать реакции ЭТС и, таким образом, достаточно уверенно разрабатывать вложенные планы ликвидации последствий аварийных возмущений.

После устранения критического возмущения необходимо, если это позволяет технологический процесс, реализовать автоматический повторный пуск отключенных электроприводов в порядке, обратном их отключению. При этом следует руководствоваться требованиями технологического процесса и возможностями ЭТС и системы внешнего электроснабжения. Требования технологического процесса определяют последовательность пуска приводов или их групп, а возможности системы электроснабжения - минимально возможные промежутки времени между пусками ступеней. Переходные процессы такого пуска также должны рассчитываться. Основной целью данного мероприятия является сокращение времени восстановления нормального режима работы предприятия.

Пример изменения границ устойчивости реальной асинхронной ЭТС при различных ступенях отключения приведен на рис. 3.

3.0

2.5

2.0

Г(7. О

1,5

1.0

0,5

0,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0.6 0.Т 0,8 0,9 1,0

©су, отн. ед.

Рис. 3. Изменение границ устойчивости ЭТС при различных ступенях отключения 1 - нормальный режим работы ЭТС, 2 - отключена первая ступень (малоответственные электроприемники), 3 - отключены первая и вторая ступени.

В ряде работ высказывается предположение о перспективности исследования закономерностей поведения асинхронных ЭТС путем сопоставления их внешних характеристик с внешней характеристикой источника питания. С целью проверки этой версии в работе выполнены расчеты динамики изменения входных эквивалентных (кажущихся) сопротивлений (г и х).данной ЭТС при провалах напряжения до нуля с учетом предложенных ступеней отключения. В качестве основного инструмента для данных расчетов используется программный комплекс SAD, прошедший длительную апробацию на многих предприятиях нефтегазовой отрасли, показавшую высокую степень соответствия расчетных параметров режимов ЭТС их реальным значениям. Результаты расчетов приведены на рис. 4 и 5 (укрупненный масштаб).

ступенях отключения. 1 - нормальный режим работы ЭТС, 2 - отключена первая ступень (малоответственные электроприемники), 3 - отключены первая и вторая

ступенях отключения (укрупненный масштаб). 1 - нормальный режим работы ЭТС, 2 - отключена первая ступень (малоответственные электроприемники), 3 -отключены первая и вторая ступени. 4 - отключены первая, вторая и третья ступени

Анализ полученных результатов расчетов позволяет сделать следующие выводы преимущественно теоретического плана. Во-первых, установлено, что число «пиков» на кривых раскрутки ЭТС в координатах (г, х) однозначно соответствует числу групп приводов, находящихся в состоянии восстановления нормального рабочего режима. Во-вторых, «петля» на кривой 4 однозначно свидетельствует о том, что в данных координатах ЭТС обладает последействием. Иными словами, развитие процесса определяется не только точкой в названных координатах, в которой в тот или иной момент времени находится система, но и тем, каким образом система в эту точку попала. Этот факт делает перспективы получения однозначных результатов при попытках исследования устойчивости ЭТС на основании их внешних характеристик, по меньшей мере, сомнительными.

Следующим мероприятием из второй группы мероприятий по повышению устойчивости ЭТС является применение устройств компенсации реактивной мощности и цифровых устройств возбуждения синхронных двигателей. Потребность в компенсации реактивной мощности обусловлена тем, что в процессе самозапуска и повторного пуска асинхронные электродвигатели потребляют преимущественно реактивную мощность. Электропотребление выбегающего асинхронного двигателя, сохранившего связь с питающей энергосистемой, также носит в основном реактивный характер. Следует отметить, что с точки зрения устойчивости существует критическое значение угла (гр) сдвига фаз между током и напряжением. Следовательно, компенсация реактивной мощности может весьма существенно влиять на параметры устойчивости ЭТС. Критическое значение угла будет достигнуто по времени тем позже, чем меньше его начальное значение. Таким образом, наличие устройств компенсации реактивной мощности и их работа на своей максимальной мощности может повысить устойчивость ЭТС при нарушениях электроснабжения.

Еще одна рекомендация касается использования компенсирующей способности синхронных двигателей (СД). Во-первых, с целью дополнительной компенсации реактивной мощности логично стремиться располагать СД на ранних ступенях автоматического повторного пуска, если это позволяет специфика технологического процесса. Во-вторых, за счет форсировки возбуждения СД становится возможным осуществлять кратковременную компенсацию реактивной мощности в аварийных и послеаварийных режимах. В данном случае наибольший интерес представляет быстродействие форсировки возбуждения СД, за счет которой и осуществляется поддержание заданного значения коэффициента (со5ф) и уровня напряжения в узле нагрузки. Регулирование и форсировка возбуждения СД осуществляются посредством системы возбуждения, включающей в свой состав обмотку возбуждения, расположенную на роторе двигателя, и возбудитель.

Различают несколько схем возбудителей: электромашинные возбудители с самовозбуждением и независимым возбуждением, а также статические (тиристорные) возбудители. С точки зрения повышения устойчивости как непосредственно СД, так и в целом узла электрической нагрузки, к которому он подключен, наиболее эффективными представляются системы возбуждения со статическими возбудителями. Это обусловлено тем, что статические возбудители характеризуются меньшими значениями постоянной времени возбуждения Тв по сравнению с электромашинными возбудителями, что позволяет минимизировать время форсировки напряжения возбуждения 11/ двигателя до требуемого значения, повышая тем самым его устойчивость к нарушениям электроснабжения. Высокое быстродействие статических возбудителей обусловлено отсутствием в их главной

цепи возбуждения обмоток вращающихся электромашин (возбудителей и подвозбудителей), вносящих дополнительную инерционность в процесс регулирования и форсировки возбуждения. Кривые зависимости нарастания напряжения Щдля разных типов возбудителей показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Нарастание напряжения возбуждения при различных типах возбудителей, 1 - электромашинный возбудитель с самовозбуждением, 2 - электромашинный возбудитель с независимым возбуждением, 3 - статический (тиристорный) возбудитель с независимым возбуждением.

Анализируя зависимости, представленные на рис. 6 можно сделать вывод о том, что самую высокую скорость нарастания напряжения возбуждения имеют статические тиристорные возбудители, особенно возбудители с микропроцессорной системой управления. Здесь следует отметить, что с точки зрения устойчивости СД данное решение будет наиболее эффективным при удаленных нарушениях электроснабжения малой длительности, характерных для современной системы электроснабжения, и не будет оказывать значительного влияния при длительном близком нарушении электроснабжения.

Таким образом, в случае кратковременных нарушений электроснабжения применение быстродействующих статических возбудителей СД с микропроцессорным управлением позволит поддерживать требуемое значение соэф и уровень напряжения в узле нагрузки, что, в свою очередь, будет препятствовать опрокидыванию асинхронных двигателей, подключенных к данному узлу нагрузки, и позволит повысить устойчивость данного узла нагрузки в целом.

В третьей главе подробно рассмотрены вопросы применения устройств частотного регулирования в задачах повышения устойчивости асинхронных двигателей. С этой целью исследованы физические процессы, протекающие в выбегающем двигателе, алгоритмы определения его текущей скорости и последующего подхвата, реализованные в современных серийно выпускаемых устройствах частотного регулирования, а также предложен способ существенного повышения быстродействия данных алгоритмов. Помимо этого приведена классификация электроприемников, которая позволяет выделить те их группы, на которых применение устройств частотного регулирования будет наиболее эффективным с точки зрения повышения устойчивости данных электроприемников.

Признаком, лежащим в основе классификации, являются инерционные свойства как самих электроприемников, так и технологических процессов в целом. По предложенному признаку электроприемники разделяются на три группы. Вне этих групп останутся те электроприемники, нарушение электроснабжения которых не приводит к останову технологического процесса при возможном снижении производительности предприятия или качества продукции. Таким образом,

предлагаемая классификация охватывает потребителей, отнесенных к первой категории надежности электроснабжения согласно Правилам устройства электроустановок.

К первой группе относятся те электроприемники, запас устойчивости которых определяется их электромагнитной инерцией. Для них устойчивость определяется постоянной времени затухания электромагнитных переходных процессов и составляет единицы или десятки миллисекунд. На практике можно считать, что для данных приемников вообще недопустим перерыв электроснабжения, а для случая питания от сети переменного тока, для них недопустим разрыв синусоиды питающего напряжения. К этой группе электроприемников относятся системы управления, противоаварийная защита и автоматика, а также релейная защита. Очевидно, что в самом технологическом процессе такие приемники не участвуют, однако сбой их функционирования почти всегда приводит к полному останову технологического процесса. Единственным путем обеспечения устойчивости данной группы электроприемников может быть их электроснабжение от систем или источников бесперебойного питания.

Ко второй группе относятся те электроприемники, для которых длительность допустимого перерыва электроснабжения определяется инерцией технологических потоков. Для технологических процессов в нефтяной и газовой промышленности факторами, ограничивающими запас их устойчивости, обычно служат давление в трубопроводе, установке и т.п. или подача того или иного продукта. И в том, и в другом случае эти параметры определяются темпами выбега электроприводов. Примером таких приемников могут быть воздуходувки, обеспечивающие процессы горения, питательные насосы установок по производству пара и ряд других. Допустимое время нарушения нормального режима электроснабжения для этой группы приемников обычно находится в пределах от десятков миллисекунд до нескольких секунд. Как правило, такие приводы имеют достаточно большую мощность, по этой причине применение систем бесперебойного питания для обеспечения их работоспособности оказывается экономически неоправданным.

К третьей группе относятся те электроприемники, остановка которых приводит к расстройству технологического процесса только через достаточно заметное время. Это время определяется тепловой или массовой инерционностью различного рода накопителей. Примером таких приемников могут служить насосы систем охлаждения, компрессоры воздуха КИП, насосы поддержания уровня технологического продукта и т.п. Допустимое время перерыва электроснабжения для этой группы приемников обычно составляет от единиц до десятков секунд. Проблема обеспечения устойчивости технологического процесса для данной группы обычно успешно решается применением самозапуска, автоматического повторного пуска или вводом технологического резерва.

Основную проблему для обеспечения устойчивости технологического процесса к нарушениям нормального режима электроснабжения создают электроприводы второй группы предлагаемой классификации. Это обусловлено тем, что ввиду их высокой единичной мощности применение систем бесперебойного питания для обеспечения их работоспособности оказывается экономически неоправданным, а малая длительность допустимых нарушений их электроснабжения не позволяет применять их самозапуск и автоматический повторный пуск ввиду недостаточного затухания ЭДС статора (ЕСт) выбегающего асинхронного двигателя (АД) и ограниченности мощности источника

электроснабжения. В свою очередь, ввод технологического резерва оказывается также неэффективным ввиду нехватки времени на его осуществление.

Для успешного решения задачи повышения устойчивости электроприемников данной группы рассмотрены процессы, протекающие в двигателе при его выбеге. В основе расчета данных процессов лежат математические модели электроприводов, представляющие собой системы алгебраических и дифференциальных уравнений.

Ввиду характерных особенностей рассматриваемого вопроса в качестве математической модели для расчета данных процессов использована электромеханическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, основанная на Т-образной схеме его замещения и учитывающая магнитные потери в роторе машины, приведенная на рисунке 7.

Рис. 7. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь в роторе

В этом случае механический переходный процесс описывается одним дифференциальным уравнением - уравнением движения электропривода:

Л л

(ш) - Мс (со)

(4)

где, J - момент инерции электропривода, включающий в себя момент инерции двигателя, передаточного и исполнительного механизмов, со - угловая скорость вращения ротора двигателя, Мд - момент, развиваемый на валу двигателя, Мс -момент сопротивления, приложенный к валу двигателя

Механическая характеристика рабочего механизма описывается полиномом целой степени:

Мс(ш) = М„-(Мд-М0)

(5)

где, а>о - синхронная угловая скорость вращения ротора двигателя, М0 - момент, развиваемый на валу двигателя при трогании, у - коэффициент, характеризующий изменение момента сопротивления с изменением частоты вращения.

Электромагнитный переходный процесс, протекающий в АД при его выбеге и определяющий остаточную ЭДС машины, может быть описан следующим уравнением:

МО

о)Л

•sin

Mo-*)

(6)

где, e(t) - мгновенное значение ЭДС двигателя, Е0 - амплитуда ЭДС двигателя в начальный момент переходного процесса, хэм - электромагнитная постоянная времени двигателя, определяемая из соотношения тэи = L/R, где L - индуктивность контура ротора, R - его активное сопротивление.

После отключения электродвигателя от сети наступает режим выбега -замедление вращения его ротора под действием момента сопротивления

исполнительного механизма и момента механических потерь АД. В этом случае момент, развиваемый на валу двигателя (Мд), равен нулю. Таким образом, остаточная ЭДС при выбеге двигателя характеризуется двумя процессами: механическим процессом замедления скорости вращения ротора и электромагнитным процессом затухания его магнитного потока.

Источником магнитного потока ротора, наводящего в статоре ЭДС, являются экспоненциально затухающие токи ротора. Время затухания токов ротора характеризуется электромагнитной постоянной времени двигателя (т-ц/).

После полного затухания токов ротора магнитный поток двигателя определяется остаточной намагниченностью ротора. Эта величина зависит от ферромагнитных свойств материала ротора и может быть оценена как 5-7 % от номинального значения магнитного потока. Остаточную намагниченность необходимо учитывать при расчете процесса выбега АД, поскольку ее наличие позволяет согласовать между собой конечные электромагнитные условия перед отключением/включением и начальные электромагнитные условия режима выбега.

Следует отметить, что начальные электромагнитные условия процесса выбега зависят от условий предшествующего режима питающей сети, параметров двигателя и нагрузки на валу. Таким образом, возможны два варианта протекания переходного процесса: выбег нагруженного двигателя и свободный выбег ненагруженного двигателя. Графики этих процессов представлены на рисунке 8.

Ест, в 250

150

50

-50

-150

-250

1 ¡Л

Л г" — " "

2

/Л А/Х\ /Г\1 /\\

)0 0, рГШтШлт/ ^^ 0,.

\ 1

;

/, с

Рис. 8. Изменение ЭДС асинхронного двигателя при его выбеге.

1 - нагруженный выбег; 2 - ненагруженный выбег.

Данные процессы наиболее заметны в мощных АД, у которых, благодаря большей механической и электромагнитной инерции, затухание и потока, и скорости происходит достаточно медленно. В обоих случаях перед повторным прямым включением АД в сеть необходимо дождаться окончательной остановки привода или снижения его ЭДС до допустимых значений. Необходимо отметить, что производителями электродвигателей, в частности, для серий двигателей 4АЗМП

и 4АЗМВ, запрещается осуществлять повторный пуск двигателя при значении остаточной ЭДС большей или равной 30 % номинального значения напряжения питающей сети. Такое ограничение обуславливает значительную задержку времени перед повторным включением двигателей и ухудшает показатели устойчивости узла электрической нагрузки, к которому они подключены.

В этом случае одним из наиболее эффективных методов будет являться применение устройств частотного регулирования, с реализованной в них функцией безударного подхвата выбегающего двигателя. Так при провале питающего напряжения ивх преобразователь частоты (ПЧ) в первую очередь расходует энергию, запасенную в электролитическом конденсаторе, установленном в звене постоянного тока. Безусловно данной энергии недостаточно для длительной компенсации провала напряжения. В зависимости от емкости установленного конденсатора и мощности двигателя ПЧ может поддерживать его работу в течение десятка миллисекунд или немного больше. При этом происходит снижение напряжения звена постоянного тока [/ос, а скорость вращения вала двигателя и развиваемый им момент остаются неизменными. После падения напряжения в звене постоянного тока до уровня ивс верх в ПЧ активизируется функция кинетической буферизации. Суть ее заключается в том, что ПЧ начинает подтормаживать двигатель, снижая частоту напряжения. При этом через обратные диоды, установленные в инверторе, осуществляется подзарядка электролитического конденсатора звена постоянного тока с последующим использованием запасенной в нем энергии для удержания двигателя в работе в течение максимально возможного промежутка времени, но не более времени /ос, характеризующее максимальное время работы ПЧ в этом режиме и указываемое в процессе его (ПЧ) параметрирования. Процессы перетоков энергии от АД к ПЧ и обратно характеризуются крайне высокой скоростью протекания, что способствует плавному снижению скорости двигателя без каких-либо значимых рывков и ступеней. Данный процесс торможения продолжается до тех пор, пока скорость двигателя со или напряжение звена постоянного тока ПЧ иос не снизятся до значения минимально допустимой скорости вращения вала двигателя Ытн или значения напряжения звена постоянного тока ПЧ И1Х ииж- В зависимости от того, какой из этих показателей будет достигнут первым, ПЧ отобразит на своем экране код соответствующей ошибки и прекратит подачу напряжения на двигатель. После этого двигатель будет свободно выбегать под действием момента сопротивления исполнительного механизма и момента собственных механических потерь. В случае же, если питающее напряжение восстановится до момента отключения ПЧ, то он осуществит разгон двигателя до необходимой скорости. Кривые переходных процессов в системе ПЧ-АД при провале питающего напряжения, о которых говорилось выше, приведены на рисунке 9.

Пунктирными линиями на данном рисунке показаны кривые разгона двигателя в случае своевременного, в момент времени //, восстановления питающего напряжения.

нагрузки соответственно.

Причиной отключения низкоинерционной нагрузки (кривая 1) стало срабатывание защиты по достижению двигателем минимальной скорости вращения <°мии• Причиной отключения инерционной нагрузки (кривая 2) стало срабатывание защиты по достижению напряжения в звене постоянного тока ПЧ минимального значения II¡,с шж. Причиной отключения высокоинерционной нагрузки (кривая 3) стало срабатывание защиты по достижению максимального времени удержания двигателя /вс. Тем не менее, после достижения данного времени ПЧ осуществлял контролируемое снижение скорости двигателя и только после достижения напряжения в звене постоянного тока ПЧ минимального значения и ас ииж подача напряжения на двигатель была прекращена. Время прекращения подачи напряжения на двигатель в каждом из трех случаев указано на данном рисунке как 'отюн. 1<)ткл2 и ¡откпз соответственно.

Здесь следует отметить, что все параметры и уставки, о которых говорилось выше, и которые необходимо вводить в ПЧ в процессе его параметрирования, подбираются индивидуально и зависят от конкретного двигателя, его мощности, коэффициента загрузки и метода управления, а также от параметров технологического процесса и самого исполнительного механизма.

В случае если питающее напряжение восстановилось после прекращения подачи напряжения от ПЧ к АД и переключения последнего на свободный выбег,

но до момента его полной остановки, то алгоритм работы ПЧ строится следующим образом:

1. ПЧ подает напряжение частотой 10 Гц на выбегающий двигатель, для определения направления вращения, одновременно производя замер значения тока. Время измерения составляет 2тЭ:ц.

2. ПЧ, используя измеренные значения тока, рассчитывает ток намагничивания для частоты, на которой производится поиск. Время расчета составляет 2т:щ.

3. ПЧ начинает поиск рабочей скорости двигателя с номинальной частоты +10%. Точность поиска задается в процессе пуско-наладки ПЧ и равняется 0,1 или 0,025 Гц. Время, необходимое на одно измерение, составляет приблизительно 2 мс. При поиске ПЧ ориентируется на определенные пики тока двигателя, что и позволяет судить о текущей частоте вращения. Время поиска зависит от разницы текущей и номинальной частоты (f,¡) вращения вала двигателя.

4. ПЧ увеличивает напряжение на выходе, при ограничении тока, до значения, найденного (для нормального режима) в предыдущем пункте. Время измерения составляет 1 -тэм.

Таким образом, максимальное время поиска ((мя) можно оценить следующим образом:

На практике, если ограничить поиск частоты в одном направлении и учесть, что скорость снижется не более чем на 60 % от номинальной, то время поиска составляет 1,5 - 2,5 с. Данное значение времени задержки подхвата привода может оказаться слишком большим для обеспечения устойчивости технологического процесса. В то же время очевидно, что частота вращения ротора двигателя однозначно определяет частоту остаточной ЭДС, анализ которой позволит с высокой точностью определить частоту вращения ротора двигателя в отсутствие датчика обратной связи по скорости и с помощью преобразователя частоты осуществить безударный подхват выбегающего двигателя на интервале времени, превышающем по длительности величину гм. Данная функция может быть реализована в большинстве современных преобразователей частоты, в которых алгоритм контроля наличия остаточной ЭДС является стандартной функцией и его небольшая доработка, позволяющая контролировать частоту остаточной ЭДС, не приведет к значительному удорожанию самого ПЧ.

Алгоритм контроля остаточной ЭДС выбегающего асинхронного двигателя эффективно применять при ее уровне, обеспечивающем нормальное измерение ее частоты. Данный уровень определяется конкретными техническими решениями, наличием электромагнитных помех и пр. факторами. При снижении ЭДС ниже данного уровня целесообразно переходить к уже реализованному алгоритму определения текущей угловой скорости вала двигателя.

В четвертой главе приводятся результаты работ по анализу и разработке мероприятий по повышению надежности электроснабжения и устойчивости работы электротехнической системы ООО «Тольяттикаучук» (далее Тольяпикаучук) при кратковременных нарушениях электроснабжения. Тольяттикаучук является предприятием нефтехимической промышленности и введено в эксплуатацию более сорока лет тому назад. ЭТС предприятия характеризуется большой установленной мощностью электроприемников (десятки МВт), большим составом электродвигательной нагрузки (свыше 80 % от общего объема), а также большой

(5)

единичной мощностью отдельных электроприводов (до 5700 кВт). Еще одной отличительной особенностью электродвигателыюй нагрузки предприятия является значительное число мощных тихоходных электроприводов. Ввиду напряженности и непрерывности технологических процессов, а также вышеперечисленных особенностей электроприемники предприятия являются чувствительными как к длительным, так и к кратковременным нарушениям электроснабжения. За год происходило порядка 10-15 аварийных остановок технологических процессов предприятия, обусловленных кратковременными нарушениями электроснабжения. Средний ущерб каждого такого нарушения составлял около 1 - 1,5 млн. рублей (в текущих ценах). Также данная проблема усугублялась высокими экологическими рисками, возникающими при аварийных остановках технологических процессов предприятия.

В ходе выполнения работы были определены основные общие причины, обусловливающие высокую чувствительность ЭТС предприятия к возмущающим воздействиям. Результаты проведенного анализа позволили определить следующие особенности предприятия и питающей энергосистемы, влияющие на его устойчивость:

1. Схема внешнего электроснабжения характеризуется независимыми центрами питания на уровне 220 кВ при высокой степени их зависимости на уровне 110 кВ, что приводит к полной или частичной зависимости ряда питающих вводов ЭТС предприятия. Данная особенность ограничивает возможности повышения устойчивости ЭТС и технологического процесса предприятия при внешних и внутренних нарушениях электроснабжения. Характерно, что большая часть установок, чувствительных к внешним возмущениям, питаются от подстанций (ПС) предприятия с полностью или частично зависимыми вводами.

2. Ряд питающих вводов ЭТС предприятия характеризуется недостаточными уровнями статической и динамической устойчивости, причиной чего является большое число тихоходных асинхронных и синхронных двигателей соответственно, а также двигателей с постоянным моментом сопротивления. Наличие такого рода двигателей приводит к высокой вероятности возникновения тяжелых последствий при возмущениях в системе внешнего и внутреннего электроснабжения.

3. Значительная часть проблем вызвана низкой степенью согласованности работы противоаварийной автоматики. Системы защиты минимального напряжения узлов электрической нагрузки предприятия имеют параметры срабатывания не согласованные с реально существующим запасом устойчивости этих узлов. Система противоаварийной технологической автоматики разработана без учета существующего запаса устойчивости электротехнической системы предприятия и технологического процесса в целом.

4. Из 26 распределительных пунктов вводы и шины 14 могут считаться в достаточной мере независимыми. Для данных ПС в качестве мероприятия по повышению надежности электроснабжения целесообразно применение систем быстродействующего АВР (БАВР).

5. Поскольку устойчивость синхронных электроприводов в значительной степени определяется возможностями форсировки возбуждения, целесообразно рассмотреть вопрос о возможности перевода цепей возбуждения синхронных машин на шины гарантированного питания и установке систем возбуждения с микропроцессорным управлением.

Названные проблемы были успешно решены. Так, расчет и анализ характера протекания электромеханических переходных процессов в ЭТС предприятия

позволил установить реальные границы устойчивости и рекомендовать соответствующую корректировку параметров защит минимального напряжения, автоматики аварийной разгрузки технологического процесса и автоматического повторного пуска. Изучение структуры системы внешнего электроснабжения и анализ происходящих в ней возмущений позволил сделать вывод об излишней степени структурного резервирования. Согласование данной проблемы со специалистами «Самараэнерго» позволило изменить схему нормального режима питающей энергосистемы, что существенно повысило уровень остаточного напряжения на шинах питающих вводов и уменьшило число внешних возмущений, критичных для устойчивости ЭТС предприятия.

В целом ряде случаев потеря устойчивости технологическим процессом не была непосредственно связана с динамикой мощных электроприводов. Одной из причин являлось самопроизвольное отключение коммутационных аппаратов двигателей напряжением до 1 кВ. Для питания данных электроприемников были применены источники и системы бесперебойного питания. На ряде НС, характеризующихся достаточной степенью независимости питающих вводов, установлены системы быстродействующего АВР, что существенно повысило надежность электроснабжения электроприемников, подключенных к данным ПС. На ряде мощных приводов, играющих ключевую роль в обеспечении устойчивости технологического процесса, внедрены системы возбуждения с микропроцессорным управлением, что позволило обеспечить приемлемый уровень их динамической устойчивости. Также была обоснована возможность и целесообразность организации самозапуска некоторых мощных электроприводов, допускающих длительные перерывы электроснабжения.

Реализация вышеуказанных мероприятий осуществлялась планомерно в несколько этапов с 2007г по 2010г. В целом итогом данной работы стало существенное повышение надежности электроснабжения и устойчивости электротехнической системы Тольятгикаучук к различного рода возмущениям. Динамика сокращения количества нарушений электроснабжения и аварийных

аварийных остановов технологических процессов Тольяттикаучук за 7 лет эксплуатации (2005 - 2011 гг).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представляемой работе получены следующие основные результаты.

1. Выполнен сопоставительный анализ методик оценки независимости питающих вводов. Показана необходимость учета не только уровня остаточного напряжения питающих вводов при нарушениях электроснабжения, но и вероятностных характеристик одновременного возникновения данных нарушений сразу по нескольким питающим вводам. Показана возможность и целесообразность применения устройств быстродействующего автоматического включения резерва при нарушениях электроснабжения для повышения устойчивости работы электротехнических систем потребителей к данным нарушениям.

2. Предложена классификация возмущений в системах электроснабжения по степени оказываемого ими влияния на устойчивость работы электротехнических систем потребителей на основе расчетных показателей устойчивости.

3. Систематизирован перечень основных организационных и технических мероприятий по повышению устойчивости электротехнических систем, а также дана краткая характеристика каждого из мероприятий. Оценена применимость тех или иных мероприятий на различных стадиях жизненного цикла ЭТС.

4. Исследованы внешние характеристики электротехнической системы в координатах составляющих эквивалентного сопротивления при ее ступенчатой разгрузке. Показана ограниченность возможностей исследования устойчивости ЭТС на основе анализа внешних характеристик.

5. Предложена классификация электроприемников с учетом их инерционных свойств для обоснованного выбора путей повышения устойчивости технологического процесса к нарушениям нормального режима электроснабжения. Предлагаемая классификация уточняет существующие категории надежности электроснабжения промышленных потребителей.

6. Обоснованы возможность и целесообразность применения устройств частотного регулирования при нарушениях электроснабжения для подхвата выбегающего асинхронного электродвигателя по характеристикам его остаточной ЭДС, Предложены алгоритмы управления частотно-регулируемым приводом в послеаварийных режимах.

7. Выполнен анализ степени зависимости источников питания и показателей устойчивости электротехнической системы реального нефтехимического предприятия. Определены наиболее критичные с точки зрения устойчивости узлы нагрузки вышеуказанного предприятия, а также разработан перечень мероприятий по повышению надежности электроснабжения и устойчивости, как отдельных узлов нагрузки, так и всего предприятия в целом.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Суржиков A.B. Вопросы устойчивости электротехнических систем. Тезисы докладов научно-технической конференции ОАО «СИБУР Холдинг» «Современные технологии при создании автоматизированных систем управления энергоснабжением» ноябрь 2006. - Пермь.: ОАО «СИБУР Холдинг».

2. Горюнов O.A., Суржиков A.B. Экспресс анализ эффективности применения частотно-регулируемого электропривода для технологических установок нефтяной и газовой промышленности. Учебно-методическое пособие. -М.: РГУ нефти и газа, 2007.

3. Суржиков A.B. Об устойчивости узлов электрической нагрузки промышленных предприятий. Тезисы докладов Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» сентябрь 2007. - М.: РГУ нефти и газа.

4. Суржиков A.B. Оценка устойчивости электротехнических систем действующих производств. Тезисы докладов научно-технической конференции ОАО «СИБУР Холдинг» «Повышение надежности электроснабжения предприятий ОАО «СИБУР Холдинг» январь 2008. - М.: ОАО «СИБУР Холдинг».

5. Суржиков A.B. Использование устройств частотного регулирования в задачах повышения устойчивости узлов электрической нагрузки. Тезисы докладов IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле». Москва - 2009.

6. Ершов М.С., Егоров A.B., Суржиков A.B. Использование частотно-регулируемых электроприводов для повышения устойчивости промышленных электротехнических систем. // Промышленная энергетика, 2009, №9.

7. Ершов М.С., Егоров A.B., Анцифоров В.А., Суржиков A.B. К вопросу о количественной оценке взаимозависимости источников внешнего электроснабжения. И Промышленная энергетика, 2011, №6.

8. Методические указания по обеспечению надежности электроснабжения и устойчивости работы электротехнических систем предприятий ЗАО «СИБУР Холдинг». Стандарт предприятия СТП СР 96-М19-01 / М.С. Ершов, A.B. Егоров, A.A. Трифонов, И.А. Мелик-Шахназарова, А.Г. Филатов, A.B. Суржиков - М.: ООО «СИБУР», 2011.

Подписано в печать 17.01.2012. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная Усл. пл.

Тираж 100 экз. Заказ № 8

Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8(499)233-95-44

01 12 5/1756

Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ ПРЕДПРИЯТИЙ С НЕПРЕРЫВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На ц тси

Суржиков Александр Викторович

Научный руководитель д.т.н.,

профессор А.В. Егоров

Москва-2011 год

Содержание

Введение 4

1. Особенности электроснабжения промышленных предприятий с

непрерывными технологическими процессами 13

1.1. Проблема качества электроэнергии для предприятий нефтяной и газовой промышленности 13

1.2. О взаимной зависимости «независимых» источников питания 21

1.3. Некоторые соображения по количественной оценке степени зависимости источников питания 27

1.4. Применение быстродействующего АВР для повышения надежности электроснабжения потребителей 35

1.5. Выводы по главе 57

2. Методы повышения устойчивости электротехнических систем 59

2.1. Классификация возмущений в системах электроснабжения по показателям устойчивости 59

2.2. Обзор основных методов по повышению устойчивости электротехнических систем 64

2.3. Организационно-технические мероприятия по повышению устойчивости ЭТС 66

2.3.1. Корректировка уставок защиты минимального напряжения 66

2.3.2. Изменение схемы нормального режима системы внешнего электроснабжения за счет оптимизации числа межсистемных

связей 68

2.4. Мероприятия по реконструкции и модернизации системы внутреннего электроснабжения 70

2.4.1. Разукрупнение узлов электрической нагрузки 71

2.4.2. Улучшение условий самозапуска и автоматического повторного

пуска электроприводов 71

2.4.3. Применение устройств компенсации реактивной мощности и цифровых устройств возбуждения синхронных двигателей 84

2.4.4. Применение устройств частотного регулирования асинхронных двигателей 88

2.5. Выводы по главе 89

3. Перспективы применения преобразователей частоты для

повышения устойчивости электротехнических систем 90

3.1. Технико-экономические предпосылки применения преобразователей частоты для привода нагнетательного оборудования 90

3.2. Классификация приемников электроэнергии в задачах повышения устойчивости ЭТС 92

3.3. Влияние преобразователей частоты на устойчивость узлов электрической нагрузки 94

3.4. Моделирование переходных процессов в асинхронных электродвигателях при провалах напряжения 96

3.5. Безударный подхват выбегающего асинхронного электродвигателя преобразователем частоты 109

3.6. Выводы по главе 114

4. Анализ систем электроснабжения и устойчивости ЭТС

ООО «Тольяттикаучук» 116

4.1. Краткое описание электротехнической системы предприятия 116

4.2. Анализ системы внешнего электроснабжения предприятия 117

4.3. Анализ кратковременных нарушений электроснабжения

предприятия 130

4.4. Анализ плана ООО «Тольяттикаучук» по повышению надежности электроснабжения предприятия 131

4.5. Предварительные результаты анализа состояния системы внешнего электроснабжения 134

4.6. Расчет режимов ЭТС при авариях в системе внешнего электроснабжения 135

4.7. Расчет и анализ параметров устойчивости ЭТС предприятия 144

4.8. Результаты анализа системы электроснабжения и устойчивости ЭТС ООО «Тольяттикаучук» 151

Заключение 156

Литература 158

Введение

Актуальность работы. В настоящее время кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) предприятий нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности служат основной причиной нарушений устойчивости нормальных режимов работы их многомашинных электротехнических систем (ЭТС). Следствием настоящих нарушений электроснабжения являются аварийные остановы технологических процессов вышеуказанных предприятий, характеризующихся высокими требованиями в части непрерывности, качества и надежности электроснабжения. Обозначенная выше проблема, обусловленная КНЭ, становится все более актуальной по мере усложнения технологических процессов промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами, а также использования микропроцессорных средств управления как отдельными технологическими установками, так и целыми технологическими комплексами.

В 90-х годах прошлого столетия в США и Канаде надвигающиеся последствия КНЭ оценили более чем в 150 миллиардов долларов потерь в год, результатом чего стала программа общенациональных энергетических обследований большого числа предприятий, разработка новых концепций защиты промышленного оборудования от КНЭ. Следует отметить, что по сравнению с вышеуказанными странами, в Российской Федерации существует ряд дополнительных факторов, увеличивающих вероятность возникновения КНЭ и обусловленных значительным снижением надежности систем внешнего электроснабжения из-за высокого физического износа их основного электрооборудования, ограниченного финансирования программ по его модернизации и капитальным ремонтам. Фактически в период с начала 90-х годов прошлого века вплоть до середины 2000-х годов осуществлялся лишь точечный ремонт и модернизация объектов единой

электроэнергетической отрасли страны при практически полном отсутствии системного подхода и единой технической политики в данном вопросе. При этом данный процесс сопровождался непрерывным реформированием организационной и управленческой структуры этой отрасли. Сложившуюся ситуацию усугубляет и тот факт, что в течение обозначенного периода времени при практически полном отсутствии ввода в эксплуатацию новых генерирующих мощностей наблюдался значительный рост потребления электроэнергии, обусловленный ростом экономики страны. Все это привело к тому, что общесистемные показатели надежности электроснабжения в ряде регионов Российской Федерации вплотную приблизились к своим предельно допустимым минимальным значениям.

Выполненный в настоящей работе анализ действующей законодательной и нормативно-технической документации по данному вопросу показывает, что приведенный в ней понятийный аппарат имеет значительное количество неточностей и неопределенностей, допускающих двусмысленную трактовку ряда определений и положений, что, в свою очередь, не позволяет потребителям электроэнергии вести претензионно-исковую работу в отношении энергоснабжающих компаний по факту не обеспечения последними требуемых показателей надежности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии. Ввод в действие с 1 июля 2013г. нового нормативно-технического документа [14 и 42], определяющего данные показатели, лишь только усугубит эту и без того непростую ситуацию. Данное утверждение обусловлено тем, что в этом документе будут пересмотрены требования к показателям качества электроэнергии в сторону их (требований) снижения.

Помимо обозначенных выше организационных и правовых аспектов задачи обеспечения предприятий надежным электроснабжением с требуемыми показателями качества электроэнергии необходимо учитывать и технические особенности данной проблемы, связанные с существующей

зависимостью источников питания, обусловленной их работой в составе единой энергосистемы с большим количеством электрических связей.

Таким образом, задача повышения надежности электроснабжения предприятий, в первую очередь требует разрешения сложившегося противоречия между их потребностями в бесперебойной работе и регламентированными нормами, приведенными в действующей нормативно-технической документации и отражающими интересы энергоснабжающих организаций. Здесь следует отметить, что для эффективного решения проблемы повышения надежности электроснабжения непрерывных производств необходимо реализовать целый комплекс организационных и технических мероприятий, как со стороны промышленных предприятий, так и со стороны энергоснабжающих организаций. Ввиду вполне понятных ограничений достаточно сложно реализовывать какие-либо мероприятия на уровне энергосистемы. Таким образом, в сложившейся ситуации решение проблемы обеспечения надежного и бесперебойного электроснабжения промышленных предприятий, чувствительных к КНЭ, фактически возлагается на сами предприятия.

Представляется очевидным, что у промышленных предприятий значительно ограничена возможность самостоятельного повышения показателей надежности собственного электроснабжения, однако разработка перечня мероприятий по повышению устойчивости их электротехнических систем к КНЭ представляется достаточно перспективным направлением развития. Наиболее актуальными разработка и внедрение данных мероприятий являются для технологических процессов нефтяной и газовой промышленности, и особенно для процессов нефте- и газопереработки, нефте- и газохимии. Потеря устойчивости электротехническими системами таких промышленных предприятий приводит к неминуемому аварийному нарушению технологических процессов, останову оборудования, и, как следствие, к значительным финансовым потерям. Также необходимо

отметить, что во многих случаях результат подобных происшествий не ограничивается только убытками от недовыпуска продукции. При аварийных остановках подобных производств велик риск возникновения пожароопасных и взрывоопасных ситуаций, что создает угрозу жизни людей, целостности окружающей среды и самих предприятий. Это объясняется тем, что целый ряд их производств связан с переработкой токсичного, в том числе и высокотоксичного сырья. Аварийные остановки подобных производств неминуемо будут приводить к сбросу в атмосферу значительных объемов не переработанного или переработанного только частично сырья, что, в свою очередь может привести к весьма тяжелым экологическим последствиям для целого региона, в котором располагается предприятие. Помимо этого аварийные остановки производства и их последующие пуски приводят к ускоренному износу основного технологического и электротехнического оборудования. Данную составляющую убытков достаточно сложно определить количественно, однако не учитывать этот фактор в принципе неверно. Таким образом, повышение надежности электроснабжения и устойчивости ЭТС к кратковременным нарушениям электроснабжения является одной из первоочередных задач для предприятий нефтегазового сектора, степень работоспособности и исправное функционирование которого в настоящее время напрямую определяют стабильность экономического развития страны.

Для решения обсуждаемых проблем на сегодняшний день существуют различные подходы и методики, которые постоянно совершенствуются по мере развития соответствующей научно-технической базы, например [40, 41 и 49]. Общие вопросы устойчивости, как крупных многомашинных комплексов, так и отдельных узлов электродвигательной нагрузки изучались многими исследователями [6, 7, 16, 57, 62 и 65]. Отдельные вопросы устойчивости и надежности электроснабжения ЭТС объектов нефтегазовой промышленности исследованы в диссертационных работах [11, 50 и 67] и

научных публикациях. Разработаны и успешно применяются специализированные программные продукты, предоставляющие возможность уточнить полученные ранее результаты и расширить представление о рассматриваемой области знаний. Наряду с этим опыт эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами показывает нехватку научной базы для проведения расчетов и анализа режимных вопросов с целью принятия обоснованных и правильных решений, обеспечивающих приемлемые показатели надежности электроснабжения и устойчивости электротехнических систем данных предприятий на стадии их проектирования, эксплуатации и реконструкции.

Представляемая работа посвящена анализу режимов и устойчивости промышленных ЭТС с асинхронными машинами, разработке и систематизации рекомендаций, способствующих решению вопросов надежного электроснабжения, а также повышения и более полного использования существующего запаса устойчивости таких ЭТС, что является актуальной научной и технической задачей.

Цель работы заключается в совершенствовании методов расчета и анализа устойчивости промышленных электротехнических систем и повышении надежности их электроснабжения и устойчивости за счет применения новых технических решений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ положений действующей нормативно-технической документации в области надежности электроснабжения и степени их применимости к задачам оценки зависимости питающих вводов, сравнить существующие методы оценки зависимости питающих вводов с целью обоснования их применимости при различных наборах исходных данных.

2. Проанализировать и систематизировать мероприятия по повышению надежности электроснабжения и устойчивости работы электротехнических систем промышленных предприятия с непрерывными технологическими процессами с целью обоснования их применимости на различных этапах создания и эксплуатации конкретных систем.

3. Оценить целесообразность и эффективность применения современных преобразователей частоты при решении задач повышения устойчивости работы асинхронных электроприводов и получить количественные и качественные оценки их влияния на основные показатели устойчивости двигателей и установления приемлемого математического описания такого влияния.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются отдельные узлы электродвигательной нагрузки и целые электротехнические системы предприятий нефтяной и газовой промышленности. Результаты исследований проиллюстрированы разработкой комплекса мероприятий по повышению надежности электроснабжения и устойчивости конкретного объекта нефтехимии. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, элементы теории устойчивости электротехнических систем.

Научная новизна результатов исследований.

1. Выполнен сопоставительный анализ методик оценки зависимости питающих вводов. Показана необходимость учета вероятностных характеристик возникновения одновременных нарушений электроснабжения по нескольким питающим вводам.

2. Исследованы внешние характеристики электротехнической системы в координатах составляющих эквивалентного сопротивления ЭТС при ее ступенчатой разгрузке.

3. Разработаны метод и алгоритмы функционирования устройств частотного регулирования при нарушениях электроснабжения для подхвата выбегающего асинхронного двигателя по характеристикам его остаточной ЭДС.

4. Предложена классификация электроприемников с учетом их инерционных свойств для обоснованного выбора путей повышения устойчивости технологического процесса к нарушениям нормального режима электроснабжения.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа критериев зависимости источников питания.

2. Классификация электроприемников и возмущающих воздействий с точки зрения устойчивости работы данных электроприемников.

3. Метод определения текущей скорости частотно-регулируемого привода, выбегающего после нарушения электроснабжения, и алгоритмы его подхвата после восстановления питания.

4. Результаты анализа мероприятий по повышению устойчивости электротехнических систем к нарушениям электроснабжения.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования ЭТС, апробированных программных средств, корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Даны рекомендации по выбору методов оценки степени зависимости источников питания промышленных предприятий с непрерывными и напряженными технологическими процессами.

2. Показана целесообразность применения устройств быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР) для повышения надежности электроснабжения потребителей электрической энергии при кратковременных нарушениях электроснабжения. Внедрению БАВР должен предшествовать анализ зависимости питающих вводов и расчет показателей устойчивости конкретного узла нагрузки.

3. Систематизирован перечень методов повышения устойчивости электротехнических систем к нарушениям электроснабжения. Даны рекомендации по их выбору.

4. Разработаны и обоснованы рекомендации по введению в цепь управления преобразователя частоты звена измерения угловой скорости выбегающего асинхр�