Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Научно-технические проблемы повышения качества электроэнергии в узлах нагрузки электрических сетей нефтеперераба тывающих предприятий 9
1.1. Параметры технологических циклов переработки нефтепродуктов 9
1.2. Характеристика системы электроснабжения 11
1.3. Основные электроприемники предприятия 13
1.4. Электромагнитная обстановка в электротехническом комплексе предприятия 15
1.5. Цели и задачи повышения качества электроэнергии в узлах нагрузки электрических сетей нефтеперерабатывающего предприятия 21
ГЛАВА 2. Экспериментальная оценка электромагнитной обстановки электротехнического комплекса нефтеперерабатывающего предприятия на шинах 6 И 0,4 кВ 23
2.1. Выбор объектов для экспериментальных исследований... 23
2.2. Экспериментальные исследования показателей качества электроэнергии на электроподстанции РТП-24 28
2.3. Экспериментальные исследования действующих значений высших гармонических составляющих кривой напряжения на шинах 6 кВ ПГВ 40
Выводы к главе 2 42
ГЛАВА 3. Математическое моделирование электромагнитной обстановки на шинах 6 и 0,4 кв электроподстанций нефтепе рерабатывающего предприятия 44
3.1. Допущения, принятые для математического моделирования электромагнитной обстановки 44
3.2. Задачи моделирования электромагнитной обстановки 44
3.3. Оценка электромагнитной совместимости электроприемников на шинах подстанций и распределительных устройств 56
Выводы к главе 3 63
ГЛАВА 4. Оценка влияния качества электрической энергии на элементы системы электроснабжения 66
4.1. Воздействия высших гармонических на параметры и характеристики отдельных видов электрооборудования 66
4.2. Зависимости, позволяющие выполнить прогнозную оценку срока службы основного электрооборудования при вариации параметров источников высших гармонических 69
4.3. Оценка влияния нагрузки с преобразователями частоты на срок службы электрооборудования 79
Выводы к главе 4 83
ГЛАВА 5. Комплексный подход, обеспечивающий электромагнитную совместимость электроустановок нефтеперерабатывающего пред-приятия с учетом влияния высших гармонических напряжения и тока 85
5.1.Оценка экономического ущерба от влияния высших гармонических тока и напряжения на электроустановки в узлах нагрузки электрических сетей 85
5.2. Анализ мероприятий, обеспечивающих электромагнитную совместимость электроустановок нефтеперерабатывающего предприятия с учетом влияния высших гармонических напряжения и тока 88
5.3. Схемно-технические решения, обеспечивающие электромагнитную совместимость электрооборудования в узлах нагрузки электрических сетей 90
5.4. Выбор оборудования и определение параметров устройств, обеспечивающих необходимый уровень качества электрической энергии 96
5.4.1. Выбор компонентов и параметров оборудования ФКУ. 96
5.4.2. Выбор типов и параметров активных фильтров и преобразователей частоты с активным выпрямителем 103
5.4.3. Выбор типов и параметров преобразователей частоты с 12-ти пульсным выпрямителем 106
5.5. Методика определения и расчет экономического эффекта 107
Выводы к главе 5 109
Заключение 111
Список литературы 113
Приложения 124
- Параметры технологических циклов переработки нефтепродуктов
- Экспериментальные исследования показателей качества электроэнергии на электроподстанции РТП-24
- Допущения, принятые для математического моделирования электромагнитной обстановки
- Воздействия высших гармонических на параметры и характеристики отдельных видов электрооборудования
Введение к работе
Эффективность функционирования нефтеперерабатывающего
предприятия (НПП) определяется в значительной мере надежностью и экономичностью работы его системы электроснабжения, поскольку средний расход электроэнергии на одну тонну нефтепродуктов превышает 65 кВт-ч, а энергетическая составляющая в структуре себестоимости переработки нефти, приближаясь к 15%, непрерывно увеличивается.
Поэтому в условиях опережающего роста цен на электроэнергию, оплата которой составляет 7-8% в общем объеме затрат, особую значимость приобретает внедрение энергосберегающих технологий по переработке нефти, одна из которых связана с внедрением частотно-регулируемых приводов.
Рост мощности нелинейных нагрузок НПП обусловил существенное увеличение уровня электромагнитных помех в электрических сетях предприятий и энергосистем. Эти помехи, в зависимости от их характера, интенсивности и продолжительности, приводят к снижению надежности электроснабжения и снижению срока службы электрооборудования, увеличению потерь электроэнергии, неустойчивой работе систем технологической и электросетевой защиты и автоматики, ухудшению качества и снижения объемов выпускаемой продукции.
Указанные причины обуславливают необходимость повышения качества электроэнергии и уровня электромагнитной совместимости (ЭМС) различных видов электрооборудования в узлах нагрузки электротехнического комплекса НПП.
Большое внимание, которое уделяется этой проблеме в России и за рубежом на протяжении последних 20 лет, объясняется в первую очередь значительными ущербами, возникающими при понижении качества электроэнергии.
Методические основы проблемы качества электроэнергии и электромагнитной совместимости разработаны такими учеными как
Б.Н. Абрамович, В.А. Веников, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко,
Б.С. Константинов, В.Н. Никифорова, А.К. Шидловский, А.А. Яценко и др.
Задача повышения качества электроэнергии на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности является составной частью Федеральной целевой программы "Энергоэффективная экономика" на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года (утвержденная постановлением Правительства РФ от 17 ноября 2001г. № 796, с изменениями от 29 декабря 2001г.)
Целью данной работы является повышение качества электроэнергии и надежности эксплуатации электрооборудования в узлах нагрузки НЛП в условиях влияния высших гармонических напряжения и тока.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
выявить диапазон вариации параметров, характеризующих электромагнитную обстановку (ЭМО) в узлах нагрузки электрических сетей НПП с источниками высших гармонических напряжения и тока;
разработать математическую модель узла нагрузки электрических сетей с источниками высших гармонических, позволяющую определить основные параметры режима электроснабжения с учетом параметров электроприемников и элементов системы электроснабжения;
выявить зависимости изменения показателей, характеризующих электромагнитную обстановку в узлах нагрузки электрических сетей с источниками высших гармонических нефтеперерабатывающего предприятия, от вариации параметров энергосистемы, системы электроснабжения НПП и параметров источников высших гармонических и линейной нагрузки;
дать прогнозную оценку снижения срока службы основного электрооборудования в зависимости от параметров ЭМО;
разработать комплексный подход, позволяющий без потерь
функциональных возможностей и надежности электроснабжения
обеспечить электромагнитную совместимость электроустановок в узлах
нагрузки электрических сетей НПП, и алгоритм выбора параметров
технических средств, повышающих качество электроэнергии.
Идея работы заключается в обеспечении электромагнитной совместимости в узлах нагрузки электрических сетей с источниками высших гармонических нефтеперерабатывающего предприятия путём рационального построения их структуры, выбора параметров технических средств коррекции кривых тока и напряжения и ограничения величины нелинейной нагрузки.
В работе использованы методы теории электрических цепей, численные методы решения уравнений, математическое моделирование, методы экспериментального исследования режимов электроснабжения и определения параметров и характеристик, определяющих ЭМС электрооборудования.
Научная новизна работы:
установлены закономерности изменения показателей, характеризующих электромагнитную обстановку в узлах нагрузки электрических сетей с источниками высших гармонических напряжения, обусловленных частотно-регулируемыми приводами, от вариации параметров энергосистемы, системы электроснабжения НПП и величины линейной и нелинейной нагрузки;
разработана математическая модель узла нагрузки электрических сетей с источниками высших гармонических напряжения в электронной среде, позволяющая определить основные параметры режима электроснабжения с учетом параметров отдельных электроприемников и элементов системы электроснабжения;
обоснована возможность обеспечения электромагнитной совместимости в узлах нагрузки электрических сетей НПП путём рационального построения
8 их структуры и выбора параметров средств коррекции кривых тока и напряжения. Практическая ценность работы заключается в следующем:
выявлены диапазоны вариации параметров, характеризующих электромагнитную обстановку в узлах нагрузки электрических сетей НПП с источниками высших гармонических напряжения и тока, при изменении характера нагрузки;
разработаны комплексный подход, позволяющий обеспечить электромагнитную совместимость электроустановок в узлах нагрузок электрических сетей НПП, и алгоритм выбора параметров технических средств, повышающих качество электроэнергии.
дана прогнозная оценка зависимости срока службы основного электрооборудования НПП от вариации показателей качества электроэнергии.
Результаты диссертации используются в ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез».
Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2003, 2004 гг. в СПГГИ (ТУ); политехническом симпозиуме «Молодые ученые промышленности Северозападного региона» в 2002 г. в СПбГПУ, на научных семинарах кафедры «Электротехники и электромеханики» СПГГИ (ТУ).
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 128 страницах, содержит 33 рисунка, 17 таблиц, список литературы из 114 наименований.
Параметры технологических циклов переработки нефтепродуктов
Годовое электропотребление современных нефтеперерабатывающих предприятий составляет в среднем 600-900 млн. квт-ч в год. Заявленная мощность превышает 110 MB А.
Технологическая схема переработки нефти на примере НПП ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез» состоит из следующих основных блоков.
В блоке ЭЛОУ, в котором сырая нефть подвергается обезвоживанию и обессоливанию, а затем направляется на первичную переработку в атмосферных (АТ-6 и АТ-1) и атмосферно-вакуумных (АВТ-6 и АВТ-2) установках, основной нагрузкой являются асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, электроприводных задвижек, запитанных от трансформаторов 6/0,4 кВ с масляным охлаждением и потреблением 120 млн. квт-ч в год. Продукцией блока являются: сухой газ, используемый как технологическое топливо для заводских печей, жирные газы, рефлюкс и фракции. Блок ЛЧ-35-11/1000 и ЛЧ-35-11/600 (Л-35/11-600) установок каталитического риформинга на котором получают высокооктановый компонент (ОЧ = 84- 85 по м.м.) автобензинов.
Для производства индивидуальных бензола и толуола предназначен комплекс каталитического риформинга ЛГ-35-8/ЗООБ. Продукция комплекса — индивидуальные бензол и толуол высокой чистоты. Основной нагрузкой блока являются синхронные двигатели компрессоров, асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, электроприводных задвижек, электрическое освещение, питающиеся от трансформаторов 6/0,4 кВ с масляным охлаждением и потреблением 190 млн. квт-ч в год. Блоки вторичной ректификации и выделения суммарных ксилолов входят составными частями в установку для получения суммарных ксилолов. Суммарное производство о- и n-ксилолов составляет при указанной схеме до 120000 т/год. Основной нагрузкой блока являются асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, электроприводных задвижек, электрическое освещение, питающиеся от трансформаторов 6/0,4 кВ с масляным охлаждением и потреблением 90 млн. квт-ч в год.
В состав нагрузок блока гидроочистки использующейся для отгона низкооктановых бензинов и углеводородных газов входят синхронные двигатели компрессоров, асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, электроприводных задвижек, электрическое освещение, питающиеся от трансформаторов 6/0,4 кВ с масляным охлаждением, потреблением 50 млн. квт-ч в год.
Основной нагрузкой блока ГФУ на котором производится сухой газ, используемый как технологическое топливо для коммунально-бытового назначения и как сырье для нефтехимических процессов, либо частично используемые в качестве высокооктановых компонентов автобензинов, являются асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, электроприводных задвижек, питающиеся от трансформаторов 6/0,4 кВ с потреблением 30 млн. квт-ч в год.
На установках «Парекс-1» и «Парекс-И» осуществляющих извлечение н-парафинов адсорбционным способом, основными нагрузками являются синхронные двигатели компрессоров, асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, электроприводных задвижек.
На установке «Пакол-Дифайн» протекает процесс дегидрирования н-парафинов Сю-Сщп), в результате чего образуется смесь моноолефинов и парафинов того же состава, направляемая на установку алкилирования [97].
Установка алкилирования предназначена для получения смеси линейных алкилбензолов (ЛАБ). Бензол, поступающий с установки ЛГ-35 11 8/ЗООБ, алкилируют здесь моноолефинами Сю-Сщп), полученными в процессе «Пакол-Дифайн».
На установку производства ЛАБС в качестве реагентов поступают: ЛАБ с установки алкилирования, сера (товарный продукт процесса Клауса), а также едкий натр (NaOH), триэтаноламин и деминерализованная вода. Основной нагрузкой блока являются синхронные двигатели компрессоров, асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, электроприводных задвижек, электрическое освещение, питающиеся от трансформаторов 6/0,4 кВ с масляным охлаждением и потреблением 50 млн. квт-ч в год.
Основные технологические производства завода обеспечивается системами оборотного водоснабжения; закрытой канализационной системы, связанную с очистными сооружениями и прудами-накопителями очищенной воды, электрическими нагрузками которых являются синхронные двигатели, асинхронные двигатели очистных сооружений и БОВ, питающиеся от трансформаторов 6/0,4 кВ с масляным охлаждением и потреблением 90 млн. квт-ч в год.
Экспериментальные исследования показателей качества электроэнергии на электроподстанции РТП-24
Характеристики технических средств, использовавшихся в экспериментальных исследованиях, приведены в Приложении 1 .
При измерениях разброс фазных напряжений не превышал 1 В (0,5%). Средняя загрузка преобразователей частоты Altivar-66, номинальной мощностью 0,225 о.е. по отношению к мощности питающего трансформатора составляла около 70% от номинальной (0,15 о.е.). Эквивалентная схема замещения секции шин, на которой проводились исследования приведена на рис. 2.2.
С целью определения влияния конденсаторных батарей (КБ) на уровень высших гармонических, и их перегрузки токами высших гармоник были проведены исследования режимов работы электрооборудования, подключенного к секции шин.
В таблице 2.3 приведены данные о токе преобразовательной нагрузки и коэффициентах искажения синусоидальности на шинах 0,4 кВ РТП-24 и мощности АКБ, подключенной к ним. На рис. 2.3., 2.4., приведены осциллограмма и спектры фазных напряжений на исследуемой секции шин. При токе преобразовательной нагрузки 184 А коэффициент искажения синусоидальности составляет 2,8%. где Datablock- блок измеренных значений; Name - измеряемый параметр (Volts-напряжение); Date, Time- дата и время проведения измерений; Fund- основная частота (Гц); RMS- напряжение фазы (В); THDR- коэффициент несинусоидальности по напряжению (%); Cursor values- измеренные значения отмеченные курсором; XI,Х2- частоты гармоник, на которых превышение максимально (Гц); dX- полоса пропускания гармоник, на которых превышение максимально(Гц);У1, Y2- значение коэффициента несинусоидальности по напряжению на частотах гармоник, на которых превышение максимально (%); dY- разность коэффициентов несинусоидальности по напряжению на частотах гармоник, на которых превышение максимально (%); Frequencies- частота сигнала (Гц); Phl,Ph2- фазовый угол.
Коэффициент искажения синусоидальности напряжения находился в пределах 2,5-ь2,8%. Данные по нагрузкам секции шин приведены в табл. 2.4. Средняя загрузка преобразователей частоты по активной мощности составляла 70%. Рис. 2.5. Напряжение на секции шин и ток , потребляемый установкой ХК-18 где Datablock- блок измеренных значений; Name - измеряемый параметр (Volts-напряжение, Current-ток); Date, Time- дата и время проведения измерений Scale- цена деления по шкале Y (V/div- вольт на деление); X Scale- цена деления по шкале X (ms/div- милисекунды на деление); Maximum- значение тока и напряжения по верхней границе кривой (В,А); Minimum- значение тока и напряжения по нижней границе кривой(В,А);
Cursor values- измеренные значения отмеченные курсором; XI,Х2-значения времени, на которых превышение напряжения максимально (милисекунды); dX- полоса пропускания, на которой превышение максимально(милисекунды);У1, Y2- значение напряжения, соответствующее времени XI,Х2 по верхней и нижней границе кривой (В); dY- разность значений напряжения соответствующее времени XI,Х2 по верхней и нижней границе кривой (В).
Допущения, принятые для математического моделирования электромагнитной обстановки
Целью математического моделирования электромагнитной обстановки является определение основных параметров, определяющих электромагнитную совместимость оборудования нефтепереработки в условиях воздействия высших гармонических тока и напряжения, для выявления предельно допустимой величины мощности преобразовательной нагрузки, которую можно подключить к шинам электроподстанции.
Для определения предельно допустимой величины тока преобразовательной нагрузки установим зависимости коэффициента искажения синусоидальности напряжения от тока преобразовательной нагрузки при наличии и отсутствии резонанса исходя из следующих допущений:
зависимость коэффициента искажения синусоидальности напряжения от тока преобразовательной нагрузки является линейной;
коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в режиме холостого хода на шинах 0,4 кВ соответствует коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сети 6 кВ и составляет 0,4-Ю,6% (на основании экспериментальных данных).
Моделирование проводилось в электронной среде Mathcad 2004 на основе массива данных Electronics Workbench v.5.12.
Первая задача моделирования - выявление зависимостей показателей качества электроэнергии от отношения мощности нелинейной нагрузки к мощности полной нагрузки при различных степенях загрузки трансформатора.
Функциональная схема, на основе которой проводилось математическое моделирование, представлена на рис. 3.1.
С помощью программы Electronics Workbench 5.12 была создана схема замещения распределительной сети нефтеперерабатывающего предприятия, где питающая энергосистема задана в виде источника переменного напряжения, амплитудой 380 В (вторичная обмотка трансформатора 6/0,4 кВ), суммарное сопротивление системы в виде индуктивности, значение которой определяется следующим образом:
Линейная нагрузка представлена в виде активного и индуктивного сопротивлений:
Нелинейная нагрузка, под которой подразумеваются силовые вентильные преобразователи, представляется в виде источников переменного тока, при этом каждый соответствует определенной гармонике со своей частотой. В модели представлены 5, 7, 11, 13 и 17 гармоники, так как силовые преобразователи генерируют в сеть высшие гармонические составляющие порядка 6к±1. По этой причине в процессе моделирования коэффициенты несинусоидальности тока и напряжения вычисляются с учетом только указанных гармоник.
Подключенный к схеме осциллограф снимает сигнал искаженной кривой напряжения сети за трансформатором.
Задаваясь различными соотношениями мощностей нелинейной и линейной нагрузки, при условии, что их сумма всегда постоянна и равна мощности трансформатора, получим амплитудные значения линейного и нелинейного тока для каждого случая.
Нелинейный ток является суммой гармонических составляющих, которые определяют уровень искажений кривых тока и напряжения сети. Процентное содержание каждой гармоники в спектральном составе тока на шинах распределительной подстанции нефтеперерабатывающих предприятий выявлено на основе многочисленных экспериментов и замеров регистрирующими приборами; при этом амплитудное значение 5 гармоники составляет 10% от общего тока преобразовательной нагрузки (10) при данной нелинейной мощности, 7 гармоники - 11%, 11 гармоники - 19%, 13 гармоники - 8%, 17 гармоники - 4%. С увеличением мощности нелинейной нагрузки будет расти нелинейный ток, амплитудное значение гармонических составляющих, уровень искажений формы кривой тока и напряжения будет выше, а, следовательно, и коэффициенты несинусоидальности, «-ой гармонической составляющей, амплитуды будут расти.
Вторая задача моделирования - сравнение полученных опытным путем зависимостей с результатами моделирования. Для осуществления указанной задачи необходимо использовать разложение в ряд Фурье, полученных в результате моделирования, кривых (осциллограмм) напряжения.
Как известно, непериодический сигнал любой формы можно представить интегралом Фурье. Периодически повторяющийся несинусоидальный сигнал можно разложить в ряд Фурье, который содержит дискретные члены -гармоники с частотой, кратной частоте повторения сигнала и с определенной амплитудой и фазой.
Воздействия высших гармонических на параметры и характеристики отдельных видов электрооборудования
Отклонения форм кривых тока и напряжения от синусоиды представляют с помощью гармонических составляющих. Гармоники воздействуют на все виды электротехнического оборудования и способны проникать на другие ступени напряжения, распространяясь на значительные расстояния от места генерации. Экономический ущерб, обусловленный несинусоидальностью напряжения имеет две составляющие: электромагнитную и технологическую. Электромагнитная составляющая определяется в основном изменением потерь активной мощности и соответствующим изменением срока службы изоляции электрооборудования. Технологическая составляющая ущерба вызывается влиянием качества напряжения на производительность технологических установок и себестоимость выпускаемой продукции. Наиболее явно влияние высших гармоник проявляется в нарушении устойчивости функционирования устройств технологической и сетевой автоматики, сокращении службы основного электротехнического оборудования, ухудшении качества телефонной и радиосвязи [57]. Существуют и другие опасные воздействия, выражающиеся в дополнительной перегрузке силовых электрических и магнитных цепей, ложных срабатываниях аппаратуры защиты и управления, ускоренном старении изоляции. Длительное существование искаженной формы кривой напряжения наиболее опасно для батарей статических конденсаторов, так как приводит к их перегрузке по току и ускоренному разрушению. Сбои в действии технологической и сетевой автоматики являются причиной нарушений технологического процесса добычи и переработки полезных ископаемых, значительного экономического ущерба.
Следует отметить, что определение допустимых уровней гармоник не является простой и однозначной задачей. Знание уровней и спектра гармоник недостаточны для того, чтобы установить пределы, в которых обеспечивалась бы электромагнитная совместимость электрооборудования. ГОСТ 13109-97 на качество электрической энергии действует на границе раздела энергоснабжающей организации и потребителя. Нормативные документы, определяющие допустимые уровни гармоник в сети потребителей, отсутствуют. Это обстоятельство обуславливает необходимость оценки влияния высших гармоник на работу электрооборудования, разработки комплексного подхода к их ограничению и выбору оборудования, повышающего качество электрической энергии на шинах подстанций и распределительных устройств НИИ.
Основными формами воздействия высших гармоник на электрооборудование являются: - увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов; снижение эффективности процессов генерации, передачи и использования электроэнергии; - старение изоляции и сокращение вследствие этого срока службы электрооборудования: - ухудшение работы устройств защиты, автоматики, телемеханики и связи.
Искажение формы кривой напряжения оказывает существенное влияние на возникновение и протекание ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов [55]. При наличии газовых включений в изоляции в этих включениях возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей их нейтрализации. Нейтрализация заряда связана с рассеиванием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик. В результате ионизационных процессов развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к снижению ее электрической прочности, возрастанию диэлектрических потерь и, в конечном счете, к сокращению срока ее службы.
Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения работы устройств защиты и автоматики зависит от принципа их действия. Электромеханические реле, часто используемые в устройствах защиты, обычно реагируют на напряжение или ток основной частоты, а все гармоники в переходных режимах либо отфильтровываются, либо не оказывают воздействия на них. Эти реле имеют большую инерцию, что делает их практически нечувствительными к высшим гармоникам. Более существенным оказывается влияние гармоник на работу защиты, основанной на измерении сопротивлений. Дистанционная защита, основанная на измерении сопротивления на основной частоте, может давать существенные ошибки при наличии в токе короткого замыкания высших гармоник (особенно 3-го порядка ). Цифровые реле и алгоритмы, основанные на анализе выборки данных точки пересечения синусоидой оси абсцисс, особенно чувствительны к гармоникам[60,67,80]. Большое содержание гармоник обычно наблюдается в тех случаях, когда ток короткого замыкания течет через землю (сопротивление земли доминирует в общем сопротивлении контура).
