Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности электроснабжения промышленных предприятий с ответственными потребителями 13
1.1. Основное оборудование и категорийность электроприемников промышленных предприятий 13
1.2. Допустимое время перерывов электроснабжения 17
1.3. Типовые схемы систем электроснабжения с ответственными потребителями электроэнергии 24
1.4. Структурные схемы систем электроснабжения компрессорных станций 29
2. Виды и типы источников систем гарантированного электроснабжения 44
2.1. Виды источников гарантированного электроснабжения 44
2.2. Классификация агрегатов бесперебойного питания 48
2.3. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных систем гарантированного электроснабжения 56
2.4. Типовая схема гарантированного электроснабжения ответственных потребителей компрессорной станции 71
3. Разработка АБП для компрессорной станции 79
3.1. Повышение надежности АБП в типовой схеме СГЭ 79
3.2. Разработка принципиальной схемы АБП с пневмоаккумулятором 87
3.3. Разработка методики расчета параметров турбодетандера и пневмоакку-мулятора СГЭ 90
3.4. Технико-экономическое сопоставление статического и вращающегося агрегатов бесперебойного питания 94
3.5. Разработка схемы автоматического управления АБПВ 98
4. Автономная система электроснабжения компрессорной станции 111
4.1. Источники питания в автономной системе электроснабжения компрессорной станции 111
4.2. Оценка эффективности установки РТГ в технологическую схему КС . 118
4.3. Схема электроснабжения КС с несколькими цехами с газотурбинными ГПА 134
4.4. Обеспечение качества электроэнергии в системе автономного электро снабжения компрессорной станции 140
Заключение 147
Список литературы 149
Приложение 1 156
Приложение 2 163
- Типовые схемы систем электроснабжения с ответственными потребителями электроэнергии
- Сравнительный анализ отечественных и зарубежных систем гарантированного электроснабжения
- Разработка методики расчета параметров турбодетандера и пневмоакку-мулятора СГЭ
- Схема электроснабжения КС с несколькими цехами с газотурбинными ГПА
Типовые схемы систем электроснабжения с ответственными потребителями электроэнергии
Схемы электроснабжения промышленных предприятий на напряжении 6-Ю кВ строятся по радиальному, магистральному или смешанному принципу. Принцип построения схем определяется характером распределения нагрузки. Так, когда нагрузки размещены в различных направлениях-от пункта питания, применяются радиальные схемы, когда расположение их упорядочено (близко к линейному), применяются магистральные схемы. Для крупных предприятий характерны смешанные схемы питания. Наличие в системе электроснабжения ответственных потребителей требует как минимум двух; независимых источников питания. На рис. 1.5- 1.7 представлены радиальные схемы питания от двух независимых источников [21,30,67].
На рис. 1.8 представлен вариант исполнения магистральной схемы с двумя источниками питания [21]. В схемах, указанных на рис. 1.5-1.8, надежность электроснабжения обеспечивается путем резервирования источниками друг друга. Источники могут работать параллельно, каждый на определенную группу потребителей, или же один является рабочим, а другой- резервным. Источники могут быть как внешние, так и автономные. При наличии особой группы потребителей дополнительно устанавливается третий источник- агрегат бесперебойного питания. В состав системы электроснабжения большинства крупных промышленных предприятий входят электроприемники различных категорий, с разными требованиями к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии. Совокупность устройств для питания каждой группы потребителей представляет собой подсистему в общей системе электроснабжения промышленного предприятия. В [20] выделены основные подсистемы: -система общего питания (система электроснабжения потребителей электроэнергии. не предъявляющих высоких требований к качеству электроэнергии); -система качественного питания (для снабжения электроэнергией ответственных потребителей, предъявляющих повышенные требования к качеству электроэнергии); -система гарантированного электроснабжения (для электроснабжения потребителей особой группы); -система постоянного тока (для электроснабжения потребителей постоянного тока различных категорий). На рис. 1.9 представлена обобщенная структурная схема системы электроснабжения с вышеуказанными подсистемами. В нормальных режимах работы система получает питание от ОРИ и ОИ2 через устройства ввода внешней сети, снабженные САУ. Источники ОИ1 и ОИ2 работают несинхронно по напряжению (Ui и U2) и частоте (fi и f2). Согласование этих параметров осуществляется при помоіци САУ УВВС. В результате на секциях ШСАЭ параметры качества электроэнергии оказываются полностью синхронизированными между собой (Uo и UV, f0 и f о). Дальнейшее доведение этих параметров до требований потребителей осуществляется в подсистеме СЭС- системе качественного питания за счет применения ИЭПУ. Электроприемники особой группы, требующие бесперебойного и качественного питания, подключаются к подсистеме СЭС- СГЭ. Анализ литературы [35-40,53,59,72] показал, что компрессорные станции магистральных газопроводов, как потребители электрической энергии, имеют ряд особенностей. Во-первых, компрессорные станции относятся к первой категории электроприемников, электроснабжение их осуществляется от двух независимых источников, каждый из которых, в случае необходимости, должен обеспечивать электроэнергией полную нагрузку цехов, а так же самозапуск электродвигателей ответственных механизмов. Во-вторых, компрессорные станции являются энергоемкими потребителями электроэнергии, особенно это относится к электроприводным станциям, где мощности двигателей компрессорных агрегатов достигают 12500 кВт [59], а цехи комплектуются большим количеством машин. В СОВОКУПНОСТИ СО вспомогательными технологичесими системами установленная мощность энергопотребителей компрессорных станций требует для питания электроустановок сооружения открытых и закрытых высоковольтных распределительных устройств, нередко по мощности соизмеримых с подстанциями районных систем. В-третьих, электродвигатели газоперекачивающих агрегатов, а так же электроприводы некоторых вспомогательных механизмов, системы КИПиА не допускают перерывов в электроснабжении даже на секунду (табл. 1.3), чувствительны к изменениям параметров качества электроэнергии. В-четвертых, на выбор места расположения компрессорной станции преобладающее влияние оказывает технологический фактор, поэтому в некоторых случаях сооружение питающих линий от энергосистемы весьма затруднительно, при этом решается вопрос о применении автономного источника питания путем проведения технико-экономических расчетов. Структура системы электроснабжения компрессорных станций определяется вышеуказанными особенностями. Внешнее питание электроэнергией КС осуществляется от районных подстанций энергосистем по двум линиям напряжением 35-220 кВ. Для приема электроэнергии от районных подстанций и ее распределения на территории компрессорных станций сооружается открытое распределительное устройство с двумя или более питающими вводами со стороны высшего напряжения и не менее чем с двумя главными понизительными трансформаторами. При наличии электроприводных газоперекачивающих агрегатов ОРУ сооружаются в зависимости от конкретных условий работы станции, а так же технических условий энергосистемы. В ОРУ со стороны высшего напряжения в основном применяются схемы: -упрощенные с короткозамыкателями и отделителями или масляными выключателями; -мостик с короткозамыкателями, отделителями и масляными выключателями или только с масляными выключателями. На рис. 1.10 представлен один из вариантов схемы внешнего электроснабжения компрессорной станции с электроприводными ГПА. Если на компрессорной станции применяются ГПА с газотурбинным приводом (установленная мощность при этом во много раз ниже, чем у электроприводных агрегатов), то сооружаются локальные открытые или закрытые распределительные устройства.
Сравнительный анализ отечественных и зарубежных систем гарантированного электроснабжения
Наблюдающееся в последнее время увеличение видов оборудования, требующих качественного питания, а так же ухудшение качества питающего напряжения послужили стимулом для роста рынка агрегатов бесперебойного питания. Рынок АБП постоянно увеличивается и характеризуется значительным ростом объемов и расширением номенклатуры. Для оптимального выбора АБП необходимо проведение сравнительного анализа агрегатов различных отечественных и зарубежных производителей.
Отечественной промышленностью выпускаются агрегаты бесперебойного питания типа АБП, предназначенные для электроснабжения ответственных потребителей напряжением переменного тока промышленной частоты заданного качества [7,42]. Агрегаты типа АБП выполняются на основе: 1. Преобразователей типа ТППС- неуправляемых выпрямителей для бесперебойного питания инверторов от четырехпроводнои сети переменного трехфазного напряжения или от источника постоянного тока; 2. Преобразователей типа ПТС- трехфазных автономных инверторов тока для преобразования постоянного напряжения выпрямителя, работающего в буфере с АБ, в трехфазное переменное, обеспечивающих пульсацию выходного напряжения не более 15%; 3. Отключающих устройств типа ТКИ- тиристориых ключей с искусственной коммутацией для быстродействующего автоматического отключения нагрузки от четырехпроводнои сети переменного трехфазного напряжения; 4. Переключающих устройств типа ТКЕ- тиристорных ключей с естественной коммутацией для быстродействующего автоматического переключения нагрузки от двух источников четырехпроводной сети переменного трехфазного напряжения; Серия АБП включает в себя 3 типа агрегатов: - АБП-І (рис. 2.6), содержащий последовательно соединенные преобразователи ТППС и ПТС (базовый вариант); - АБП-2 (рис. 2.7) с резервированием базового варианта сетью с помощью ЇКЕ; - АБП-3, выполненный по дублированной схеме с использованием базового варианта и ТКИ (рис. 2.8). Достоинствами АБП-1 в сравнении с АБП-2 и АБП-3 являются более высокий КПД, уменьшенное тепловыделение, минимальная стоимость, меньшие масса и габариты. Недостаток- более низкая надежность вследствии того, что отказ любого из элементов фактически является отказом всего АБП. Достоинствами АБП-3 являются максимальные показатели надежности, так как отказ любого из элемента не является отказом системы за счет дублирования, а так же устройств автоматического вывода поврежденной части АБП из работы. Статические и динамические характеристики лучше, чем у АБП-1, так как номинальная мощность нагрузки составляет половину суммарной номинальной мощности инверторов. Недостатками, по сравнению с АБП-1 и АБП-2 являются низкие энергетические характеристики, большие масса и габариты, высокая стоимость. АБП-2 характеризуется показателями надежности более высокими, чем у АБП-1, но ниже, чем у АБП-3. Энергетические, массо-габаритные показатели близки (несколько хуже) к АБП-1. Широкое применение нашли агрегаты бесперебойного питания с несколькими выходами переменного тока- АБП-1500 [29], представляющего собой комбинацию АБП-1 и АБП-2 (рис. 2.9). Для бесперебойного электроснабжения устройств связи отечественной промышленностью выпускаются автоматизированные агрегаты типа УГП (устройства гарантированного питания). УГП представляют собой трехмашинные агрегаты, расчитанные на выходные мощности 24 и 50 кВт. На рис. 2.10 представлена схема УГП-24. При наличии напряжения внешней сети переменного тока синхронные генераторы СП и СГ2 вращаются асинхронными двигателями АД1 и АД2. При нарушении внешнего электроснабжения или неисправности одного из асинхронных двигателей соответствующий двигатель постоянного тока автоматически подключается к АБ и, работая в режиме двигателя, продолжает вращать синхронный генератор. Таким образом происходит смена привода нагрузочного генератора. После восстановления напряжения внешней сети вращение генератора вновь переводится на привод от асинхронного двигателя, а машина постоянного тока отключается от аккумуляторной батареи. Время переключения привода вращения нагрузочного генератора с асинхронного двигателя на машину постоянного тока и обратно составляет 1-2,5 с. В течении этого времени работа генератора обеспечивается за счет инерции вращающихся частей электрических машин. На рис. 2.11 представлена структурная схема СГЭ с вращающимся АБП [42]. Здесь для получения стабильной частоты переменного тока независимо от переходных процессов используется электромагнитная муфта, включенная между двигателем и генератором. С помощью схемы управления сцепление регулируется таким образом, что частота генератора остается постоянной.
Широко применяются так же СГЭ с электромашинными агрегатами типа АГМ [18,71], состоящие из асинхронного двигателя с фазным ротором, синхронного генератора и инерционного маховика, расположенных на одном валу (рис. 2.12). В нормальном режиме работы нагрузка питается от сети через выключатель АВ1 и переключатель П, асинхронный двигатель записывается от сети через переключатель АВЗ и вращает маховик и синхронный генератор. При исчезновении напряжения сети агрегат продолжает вращаться за счет кинетической энергии маховика, обеспечивая питание нагрузки через переключатель 11 на время пуска дизельного электроагрегата (до 30 с). К этой серии относятся такие агрегаты, как АГПМ-7,5, АГМ-7,5, АГМ-20.
Разработка методики расчета параметров турбодетандера и пневмоакку-мулятора СГЭ
При выборе типа источника системы гарантированного электроснабжения компрессорной станции необходимо учитывать такие особенности ответственных потребителей КС, как относительно небольшая мощность, допустимая длительность перерыва электроснабжения 0,5 с. Вследствии жестких требований к длительности перерыва электроснабжения систем КИПиА, а в случае применения систем управления на базе ЭВМ допускается перерыв питания еще меньше- до 0,02 с, на КС целесообразно использование только источников с накопителями энергии, находящихся в постоянной готовности к принятию нагрузки. Если рассматривать статические агрегаты бесперебойного питания с накопителями электрической энергии применительно к СГЭ КС, то здесь преимущество отдается аккумуляторным батареям, поскольку АБП с емкостными и индуктивными накопителями, обзор которых проведен в [23,50,70], имеют малое время передачи накопленной мощности (от І О"4 с до 10""5 с). Следовательно, необходимо рассмотреть возможность усовершенствования существующих АБП с аккумуляторными батареями.
Одним из путей повышения надежности работы статического агрегата бесперебойного питания компрессорной станции является увеличение количества аккумуляторных батарей. Однако стоит учесть, что простое увеличение количества АБ приведет к существенному удорожанию агрегата бесперебойного питания в целом, так как стоимость АБ составляет в среднем около 90% стоимости всего АБП. С учетом этого вопрос увеличения количества аккумуляторных батарей можно решить путем установки вместо одной АБ определенной емкости двух батарей, емкость каждой из которых в два раза меньше. Таким образом общая емкость АБ останется такой же, а количество элементов батареи увеличится в два раза. Это не приведет к значительному удорожанию АБП, так как стоимость аккумуляторной батареи имеет пропорциональную зависимость от ее емкости. Каждая батарея подключается к шинам потребителей через выключатель, который отключает батарею в случае ее неисправности. Вероятность отказа при двух АБ значительно меньше, нежели при одной, а автоматическое отключение поврежденной батареи позволит избежать таких режимов, когда при возникновении неисправности (сильном разряде или коротком замыкании в элементах) АБ из источника превращается в потребителя электроэнергии.
Рассмотрим возможность замены одной аккумуляторной батареи на две меньшей емкости на примере СГЭ КС, состоящей из семи газоперекачивающих агрегатов типа ГТК-10И. Емкость аккумуляторной батареи определяется согласно функциям, выполняемым СГЭ компрессорной станции. Это обеспечение устойчивой работы ГПА при кратковременных перерывах и безаварийной остановки ГПА при длительных перерывах электроснабжения. Мощность ответственных потребителей, питание которых необходимо для безаварийного останова КС, определяется по максимальной производительности станции, когда одновременно находятся в работе 5 ГПА. Рісходя из этого, для компрессорной станции с семью агрегатами ГТК-10И емкость АБ составляет 1152 А-ч, что обеспечивает: 1. Работу пяти электродвигателей аварийных маслонасосов в течение 10 минут при остановке ГПА (мощность одного двигателя составляет 5,5 кВт); 2. Работу пяти электродвигателей аварийных маслонасосов в течение 5 часов для охлаждения подшипников турбины; 3. Работу аварийного освещения станции в течение 12 часов (потребляемая мощность- 2,75 кВт); 4. Питание щитов управления ГПА и общестанционного технологического оборудования (0,4 кВт- система управления одного ГПА, 0,7 кВт- система управления станционным оборудованием); 5. Питание системы контроля загазованности (2,387 кВт) в течение 2 часов; 6. Функционирование системы оперативного тока (0,055 кВт, максимальная мощность при работе высоковольтных выключателей- 0,33 кВт) в течение 12 часов. В табл. 3.1 приведены характеристики ответственных потребителей КС (согласно паспортным данным систем SPEED TRONIC МК-2), определяющие параметры аккуъгуляторной батареи. По данным табл. 3.1 построен график нагрузки (рис. 3.1), согласно которому максимальная мощность, потребляемая системами управления и аварийными электродвигателями, составляет 36192 Вт. В рассматриваемой СГЭ батарея емкостью 1152 А ч может быть заменена на две батареи по 576 А ч. Количество аккумуляторов при этом соответственно увеличится в 2 раза. Схема подключения АБ к шинам потребителей представлена на рис. 3.2. Каждая батарея подключается к шинам ПО В через автоматический выключатель с электроприводом, отключающий АБ при коротком замыкании или в случае неисправности аккумуляторов. Заряд двух АБ в нормальном режиме должен производиться от ВЗП1, чтобы исключить влияние напряжения интенсивного заряда на системы управления. При такой схеме заряд может проводиться как одновременно для двух батарей, так и отдельно для каждой АБ. Рассмотрим возможность сохранения работоспособности системы при отключении одной из АБ.
Прежде всего необходимо перевести системы управления и электродвигатели постоянного тока на такой режим работы, при котором нагрузка уменьшилась бы настолько, чтобы емкости одной АБ было достаточно для обеспечения безаварийного останова КС. Изменение режима работы должно производиться автоматически и только при отключении одной из АБ.
Для безаварийного останова компрессорной станции необходимо бесперебойное питание систем управления ГПА и общестанционным технологическим оборудованием, системы оперативного тока, электродвигателей аварийных масло-насосов, а так же аварийного освещения помещения операторной (880 Вт). На рассматриваемой КС одновременно могут находиться в работе до 5 агрегатов, следовательно должно быть обеспечено питание систем управления пяти ГПА и пяти электродвигателей аварийных маслонасосов.
Схема электроснабжения КС с несколькими цехами с газотурбинными ГПА
Согласно рекомендациям по выбору номинального напряжения электрической сети [25] для системы электроснабжения рассматриваемой КС целесообразно принять напряжение 10 кВ, застановить понижающие трансформаторы 10/0,4 кВ в цеховых ТП и непосредственно у установки охлаждения газа. Поскольку протяженность питающих линий относительно невелика и, если генератор вырабатывает напряжение 10 кВ, требуется одна ступень трансформации, то система АРВ генератора обеспечит требуемое значение напряжения (по ГОСТ 13109-97) для всех потребителей КС. Максимальное значение потери напряжения в рассматриваемой схеме, определяемое из выражения [25] составит 1,1%, что меньше допустимого отклонения напряжения в промышленной электрической сети.
В этом случае основной проблемой при использовании РТГ будет являться поддержание частоты вращения генератора при изменении расхода, температлры и давления газа, а так же изменении электрической нагрузки.
При использовании турбогенераторов фиксированная частота вращения генератора, обусловленная обеспечением баланса мощностей приводного двигателя и электроприемников поддерживается за счет изменения подачи топливного газа. Регулирование мощности реактивной турбины может производиться: -изменением перепада давления в ступени турбины; -изменением расхода; -одновременным изменением обоих величин. Изменение перепада может осуществляться следующими способами: -дроссельным; -сопловым; -с помощью поворотной диафрагмы; -разрезными соплами; -поворотными сопловыми лопатками; -изменением высоты соплового аппарата; -безлопаточным сопловым аппаратом. Изменение расхода через рабочее колесо может производиться за счет перепуска части газа по байпасной линии. Оптимальным способом для рассматриваемого случая является комбинированное регулирование: поворотом сопловых лопаток (при нормальном режиме работы) и байпасированием (при аварийных режимах). Следует отметить, что система управления РТГ будет иметь более сложную структуру, чем у турбогенераторов. Это объясняется тем, что требование к регулирующим органам турбогенераторов- каждому7 их положению всегда должна соответствовать вполне определенная мощность- невыполнимо для реактивной турбины, поскольку здесь изменяется не только электрическая нагрузка, но и параметры газа, от которых зависит располагаемая мощность РТГ. Технологический режим КС построен таким образом, что изменение параметров перекачиваемого газа носят плавный характер. Электрическая нагрузка КС так же достаточно постоянна в течение суток. Однако даже при незначительных изменениях мощности возможны колебания частоты вращения рабочего колеса турбины вследствии инерционности системы регулирования. Это вызывает необходимость установки дополнительных устройств, обеспечивающих стабильную частоту вращения генератора при изменяющейся частоте вращения рабочего колеса. В литературных источниках [10,31,54,75] проведен анализ технических характеристик устройств генерирования переменного тока стабильной частоты. На основании анализа указанных источников можно выделить основные требования к этим устройствам с учетом особенностей рассматриваемой системы реактивная турбина-генератор: -стабильность и точность поддержания параметров электроэнергии (частоты тока, амплитуды напряжения) при наличии таких факторов, как переменная частота вращения приводного двигателя, кохммутации в сетях потребителей. -высокая надежность электромеханических преобразователей, по возможности исключающая применение контактно-щеточных, пневмо-гидравлических и других малонадежных узлов; -ограничение электромагнитного помехоизлучения, нарушающего нормальную работу слаботочного электронного оборудования. На практике реализовать систему, полностью удовлетворяющую перечисленным требованиям, весьма сложно, поэтому здесь предпочтение отдается системе, представляющей собой наиболее оптимальное для рассматриваемого случая сочетание достоинств и недостатков.
На основании сравнительного анализа указанных систем, проведенного в [31], для системы с реактивной турбиной и генератором наиболее оптимальна установка системы генерирования с приводом постоянной частоты вращения на основе дифференциального редуктора и со вспомогательной подсистемой на основе синхронной машины (с возбуждением от постоянных магнитов) и статического преобразователя частоты (со звеном постоянного тока). Структурная схема указанной системы приведена на рис, 4.12.
В этой системе часть мощности реактивной турбины передается на синхронный генератор Г1 через вал дифференциального редуктора, имеющий стабильную частоту вращения. Остальная мощность снимается со второго вала редуктора, не-стабилизированного по частоте вращения, и с помощью вспомогательного синхронного генератора Г2 преобразуется в электрическую мощность переменного тока нестабильной частоты, а затем с помощью полупроводникового статического преобразователя- в электрическую мощность стабилизированного по частоте напряжения с подюіючением выхода статического преобразователя к шинам 0,4 кВ потребителей (основной генератор подключается к шинам 10 кВ). Данная система позволяет получить напряжение стабильной частоты при широком диапазоне изменения частоты вращения рабочего колеса турбины. По сравнению с системами, состоящими только из статического преобразователя, она имеет меньшее помехо-излучение за счет снижения мощности СПЧ, а по сравнению с гидромеханическими ППЧВ- более высокую надежность и меньшую стоимость.
Следует отметить, что частота вращения рабочего колеса при наличии запаса мощности РТГ будет больше требуемой частоты вращения генератора, таким образом синхронная машина Г2 будет работать только в генераторном режиме (в противном случае она бы работала в режиме двигателя). Максимальная мощность, вырабатываемая генератором Г2 можег быть определена из выражения [31]
