Введение к работе
Актуальность темы. Электроэнергетика является главной составляющей в структуре энергопотребления и совместно с теплоснабжением использует около 70% топливно-энергетических ресурсов. Удельный вес энергетического хозяйства в экономике металлургического завода весьма значителен. Стоимость основных фондов электростанций составляет 10-20% общей стоимости предприятия.
В ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО «ММК») наиболее мощным производителем электрической энергии является теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). Установленная мощность генераторов ТЭЦ составляет 300 МВт, она производит более 50% собственных энергоресурсов, вырабатываемых на комбинате. В настоящее время злободневным является вопрос внедрения частотно-регулируемых приводов (ЧРП) на вспомогательных механизмах собственных нужд ТЭЦ. Технико-экономическая эффективность подобной модернизации доказана в трудах известных ученых Н.Ф. Ильинского, Б.С. Лезнова, Н.Н. Чистякова, Ю.Г. Шакаряна. В научных трудах Ю.А. Крылова, Г.Б. Лазарева, В.Ф. Козаченко и др. выполнены исследования ЧРП на объектах теплостанций, тепловых пунктов и в системах тепловодо-снабжения городского хозяйства.
Однако практика показывает, что внедрение регулируемого электропривода только из соображений энергосбережения и технологической необходимости, без учета особенностей внедряемых устройств отрицательно влияет на показатели безотказности производства. Первой причиной снижения данных показателей является то, что преобразователь частоты (ПЧ) является сложным электронным устройством, внедрение которого в целом отрицательно сказывается на надежности электроустановки.
Второй причиной снижения безотказности является то, что ПЧ слабо адаптирован к провалам подводимого напряжения, а тем более кратковременным отключениям, приводящим к срабатыванию защиты и останову электропривода. Наличие высоковольтных асинхронных двигателей собственных нужд напряжением 3-6-10 кВ на большинстве механизмов ТЭЦ предопределяют необходимость внедрения высоковольтных ПЧ на основе автономного инвертора тока (АИТ), которые, как известно, наиболее чувствительны к кратковременным (1-2 с) нарушениям электроснабжения.
Вместе с тем, организации, внедряющие ЧРП, не имеют достоверных статистических данных о количествах отказов объектов до и после их внедрения. Эксплуатационный персонал недостаточно осведомлен об особенностях преобразовательной техники, и отрицательные моменты проявляются уже в условиях действующего производства. Это предопределяет необходимость проведения исследований и разработок, направленных на повышение безотказности механизмов, оснащенных частотно-регулируемыми электроприводами.
Целью диссертационной работы является разработка технических ме
роприятий, обеспечивающих повышение устойчивости частотно-
4 регулируемых электроприводов ответственных механизмов тепловой электростанции при нарушениях электроснабжения.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:
Разделение электроприводов вспомогательных механизмов ТЭЦ по категориям ответственности. Обоснование технологических требований к частотно-регулируемым электроприводам при нарушениях электроснабжения.
Теоретические и экспериментальные исследования высоковольтного частотно-регулируемого электропривода при кратковременных отключениях электропитания. Анализ условий восстановления скоростного режима.
Разработка методики расчета надежности оборудования тепловой электростанции, основанной на положениях логико-вероятностного метода. Сравнительный анализ показателей безотказности механизмов ТЭЦ до и после внедрения преобразователей частоты. Анализ надежности непосредственно ЧРП.
Разработка технических решений по повышению устойчивости ЧРП при кратковременных нарушениях электроснабжения. Рекомендации по подключению ЧРП в системе электроснабжения собственных нужд ТЭЦ.
5. Технико-экономический анализ востребованности частотно-
регулируемых электроприводов на основных механизмах ТЭЦ, оценка эф
фективности внедрения. Обоснование очередности модернизации электро
приводов при поэтапной реконструкции.
Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории надежности, статистических методах обработки информации, методах построения диагностических моделей, основных положениях логико-вероятностных методов расчета. При разработке программ расчета надежности использовался язык программирования Turbo Pascal 7.0. Экспериментальные исследования проводились на действующих электроприводах путем прямого осциллографирования координат с последующей обработкой результатов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Технологические требования к частотно-регулируемым электроприво
дам механизмов ТЭЦ, обеспечивающие восстановление скоростного режима
при нарушениях электроснабжения:
подхват вращающегося электродвигателя со временем восстановления давления дутьевого воздуха не более 4 с;
перевод на сетевое электропитание;
перевод вращающихся электродвигателей с сетевого электропитания на преобразователь частоты с минимальным отклонением регулируемых параметров.
2. Результаты экспериментальных исследований, показавшие, что дли
тельность и глубина провалов напряжения при нарушениях электропитания
не являются однозначными факторами, определяющими возможность авто
матического самозапуска высоковольтного ЧРП с автономным инвертором
5 тока. Успешный самозапуск при одинаковых исходных условиях осуществляется примерно в 50% случаев.
Алгоритмы и программное обеспечение для обработки данных об отказах энергоблоков электростанции, осуществляющие классификацию и формирование архива отказов, а также статистическую обработку данных и расчет показателей безотказности.
Результаты анализа надежности оборудования, подтвердившие снижение показателей безотказности тепловой электростанции при внедрении ПЧ в 2-4 раза и реальное время наработки на отказ частотно-регулируемого электропривода 0,8-1,2 года.
Обоснование разработки ПЧ с АИТ с электропитанием от двух вводов, с дополнительным звеном постоянного тока, обеспечивающего повышение устойчивости ЧРП при нарушениях электроснабжения без изменения алгоритмов управления и использования функции «пуск в лёт».
Результаты анализа технологической востребованности ЧРП на основных механизмах ТЭЦ. Очередность модернизации механизмов при поэтапной реконструкции.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением математического аппарата и методов программирования, использованием реальных технических характеристик оборудования, повторяемостью результатов экспериментов и их соответствием опубликованным результатам, совпадением результатов, полученных статистическим и опросным методами, опытом длительной эксплуатации частотно-регулируемых электроприводов в ОАО «ММК».
Научная новизна.
В работе получены следующие новые научные результаты:
Выполнено разделение электроприводов тепловой электростанции по категориям ответственности. Обоснованы технические требования к электроприводам ответственных механизмов при нарушении электропитания.
Обосновано условие восстановления технологического режима котло-агрегатов при нарушении электропитания: суммарное время нарушения питания, синхронизации и разгона электропривода до исходной частоты вращения должно быть меньше уставки времени аварийных защит.
Для анализа надежности тепловой электростанции при внедрении ЧРП обосновано применение методики, основанной на положениях общего логико-вероятностного метода с экспертной оценкой интервалов возникновения отказов. Разработаны алгоритмы обработки данных об отказах энергоблоков, обеспечивающие классификацию и формирование архива отказов, а также статистическую обработку данных и расчет показателей безотказности.
Установлено, что общая надежность тепловой электростанции при внедрении высоковольтных ЧРП снижается в 2-4 раза. При этом реальное время наработки на отказ преобразователя частоты, составляет 0,8-1,2 года.
5. Обоснована разработка преобразователя частоты с дополнительным звеном постоянного тока с электропитанием от двух вводов. В результате исключается необходимость изменения алгоритмов управления ЧРП и использования сложной функции «пуск в лёт».
Практическая ценность и реализация работы.
1. Даны рекомендации по обеспечению бесперебойной работы электро
приводов на основе ПЧ с автономным инвертором тока при нарушениях
электропитания, основным из которых является организация собственной
быстродействующей системы автоматического включения резерва (АВР) со
временем включения не более 0,3 с.
Предложенная методика расчета показателей надежности применена для оценки надежности автоматизированных электроприводов вспомогательных механизмов ТЭЦ, в результате чего выполнен анализ показателей безотказности оборудования при внедрении преобразователей частоты.
Предложены технические решения в комплектном ЧРП, обеспечивающие повышение устойчивости при нарушениях электроснабжения, даны рекомендации по построению схемы электроснабжения собственных нужд ТЭЦ и дополнительному резервированию при внедрении преобразователей частоты.
На основании анализа технологической востребованности и расчета технико-экономической эффективности обоснована очередность модернизации электроприводов ТЭЦ ОАО «ММК» при поэтапной реконструкции.
Результаты диссертационной работы переданы в электрослужбу ТЭЦ и центральную электротехническую лабораторию ОАО «ММК», где использованы при разработке «Программы внедрения энергосберегающих мероприятий ОАО "ММК" на 2012 г» и «Программы реконструкции электроприводов собственных нужд ТЭЦ ОАО "ММК"». Ожидаемый экономический эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий 3,52 млн. руб.
Разработанное программное обеспечение в виде трех официально зарегистрированных программ рекомендуется для расширенного применения при анализе надежности электроприводов широкого класса промышленных механизмов.
Полученные результаты рекомендуются для использования при внедрении частотно-регулируемых электроприводов на тепловых электростанциях и других промышленных объектах, а также в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на V и VI Международных (XVI, XVII Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (Санкт-Петербург, 2007 г.), АЭП-2010 (Тула, 2010 г.); III международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челя-
7 бинск, 2010 г.); Международной конференции «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (Самара 2010 г.); 13-й международной конференции по электромеханике, электротехнологии, электротехническим материалам и компонентам (Алушта, 2010 г.); II Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (Пенза 2011 г.); на ежегодных научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2007-2011 гг.), расширенном заседании кафедры электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ» (ноябрь 2011 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 печатных трудах, в том числе 7 в рецензируемых изданиях. Получено 3 свидетельства РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований. Работа изложена на 172 страницах основного текста, содержит 52 рисунка, 16 таблиц и приложение объемом 13 страниц.
