Введение к работе
Актуальность проблемы
В связи с ростом тарифов на электроэнергию, освоением новых труднодоступных районов нефтедобычи, широкое распространение получили электротехнические системы (ЭТС), в состав которых входит собственная генерация (на базе различных дизель-генераторных установок (ДГУ). Схемы построения таких автономных систем электроснабжения (АСЭС) могут содержать несколько (от двух до двадцати) генераторов собственных нужд (суммарной мощностью до 40 МВт), имеющих связи по сетям среднего (6,10 кВ) и даже низкого (до 1 кВ) напряжения.
Выбор напряжения, расчет статической и динамической устойчивости ЭТС, типов и параметров выключателей, релейной защиты и автоматики в является одной из основных задач проектирования систем электроснабжения с собственной генерацией. Разработка методики обеспечения устойчивости электротехнических комплексов в различных режимах функционирования электрооборудования имеет важное прикладное значение как с технической, так и с экономической точек зрения.
Собственная генерация для объектов нефтедобычи и нефтепереработки включает в себя от четырех до десятка ДГУ каждый мощностью до 9600 кВт. Для систем электроснабжения с собственной генерацией необходимо обеспечить соответствие параметров качества электрической энергии на шинах секций ГРУ и ЗРУ требованиям ГОСТ 13109-97, а также выполнить расчетные исследований возможных режимов работы с целью обеспечения устойчивости работы потребителей ЭТС и генераторов.
Большой вклад в решение вопросов повышения надежности работы систем промышленного электроснабжения (СПЭ) с СД и АД, преобразовательными агрегатами в цепи питания приводов постоянного тока внесли Абрамович Б.Н., Беляев А.В., Гамазин С.И., Гуревич Ю.Е., Ершов М.С., Егоров А.В., Нагай В.И., Овчаренко Н.И., Шабад М.А., Слодарж М.И., Строев В.А., Сыромятников И.А., Lasetter R.H., Kiprakis A., Willis H. и другие ученые.
Работами по созданию электростанций малой генерации (до 10 МВт) часто выполняются организациями, которые ранее не занимались проектами реконструкции электрических сетей, расчета и анализа режимов работы энергосистемы с учетом проектируемой электростанции, выбора электрооборудования (мощности и отпаек трансформаторов, типов и параметров выключателей и т.д.), релейной защиты и автоматики. Все это приводит к ошибкам и собственная генерация отказывается работать в нужных режимах.
Схемы электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий характеризуются разветвленной структурой промышленной электрической сети, большой долей и мощностью электродвигательной нагрузки. Для вспомгательных механизмов (насосы подачи масла, уплотнения, вентиляторы) используются асинхронные двигатели с короткозамкнутыми роторами мощностью от 5,5 до 160 кВт. Нагрузка высоковольтных двигателей нефтехимических предприятий составляет около 50% всей нагрузки предприятия. Для нефтеперерабатывающих предприятий, имеющих свыше десяти распределительных устройств напряжением 6(10) кВ, от которых запитаны асинхронные электродвигатели напряжением 380В и приводы (с включением преобразователей напряжения и частоты), в качестве мероприятия по снижению ущербов от кратковременных нарушений нормального электроснабжения в питающих сетях служат устройства и очереди самозапуска электродвигателей. На предприятиях организованы до 4-х ступеней самозапуска с целью исключения перерывов в технологических процессах.
Целью работы является разработка методики расчета систем электроснабжения с собственной генерацией соизмеримой мощности, обеспечение статической и динамической устойчивости электрооборудования ЭТС с собственной генерацией соизмеримой с нагрузкой мощностью для возможных нормальных, ремонтных и аварийных схем питания. Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:
-
Разработка математической модели электротехнического комплекса с собственной генерацией для расчетов установившихся и переходных процессов для возможных нормальных, ремонтных и аварийных схем питания, позволяющие учесть изменения параметров двигателей и генераторов при изменении угловой частоты вращения и повысить точность расчетов токов КЗ.
-
Разработка методики расчетов устойчивости электротехнического комплекса с собственной генерацией соизмеримой мощности с нагрузкой, которая учитывает изменения параметров двигателей и генераторов при изменении угловой частоты вращения, обеспечивает высокую точность расчетов токов КЗ.
-
Экспериментальные исследования режимов работы нефтеперерабатывающего предприятия при раздельной и параллельной работе генерации (одного/двух генераторов) с энергосистемой.
-
Определение статической и динамической устойчивости генераторов и электродвигателей электротехнического комплекса нефтеперерабатывающего предприятия с собственной генерацией при КЗ в сетях 110 и 6 кВ для возможных нормальных, ремонтных и аварийных схем питания.
-
Выбор электрооборудования, автоматики и устройств для повышение надежности и экономичности работы потребителей нефтеперерабатывающего предприятия при кратковременных нарушениях качества электроэнергии в питающих сетях.
Объектом исследования являются электротехнические комплексы нефтеперерабатывающих предприятий и их функционирование для нормальных, ремонтных и аварийных схем питания, в том числе при работе одного трансформатора на ГПП и/или одного генератора собственного источника.
Научная новизна:
1. Получены уравнения для расчета установившегося режима электротехнических систем при наличии собственной генерации соизмеримой мощности, когда один из генераторов представляется как балансирующий узел, а другие генераторы учитываются своей системой уравнений с учетом изменения параметров генераторов при изменении угловой частоты вращения и режима работы сети, что позволяет точнее рассчитывать характеристики узлов ЭТС в возможных схемах электроснабжения.
2. Для электротехнических комплексов с собственной генерацией разработана методика расчета установившихся и переходных режимов с моделированием генераторов и СД системой из пяти дифференциальных уравнений, а АД – системой из трех дифференциальных уравнений, учитывающая изменения параметров электродвигателей при изменении угловой частоты вращения, что позволяет повысить точность расчетов токов КЗ и обеспечить обоснованный выбор электрооборудования и автоматики.
3. Выполнен расчет статической и динамической устойчивости электротехнического комплекса нефтеперерабатывающего предприятия с собственной генерацией при КЗ в сетях 110 и 6 кВ для возможных схем электроснабжения ОНПЗ, на основании которых запрещена схема и режим, соответствующий параллельной работе секций ЗРУ и ГРУ, т.к. характеризуется почти двукратным увеличением токов КЗ при коротких замыканиях во внутренних сетях 6 кВ.
4. Выполнены промышленные экспериментальные исследования для объектов нефтепереработки при различных режимах работы ЗРУ-6 кВ и ГРУ-6,3 кВ, результаты которых подтверждают достоверность предложенной методики расчета вероятных режимов работы электротехнических систем.
Практическая ценность результатов работы
Выявлено, что целесообразным нормальным установившимся режимом системы электроснабжения ОНПЗ является режим, соответствующий раздельной работе секций ЗРУ-6 кВ и параллельной работе секций ГРУ-6,3 кВ. Определено, что при автономном электроснабжении от энергоблока мощности генераторов достаточно для обеспечения электрической энергией всех потребителей при существующих нагрузках ОНПЗ.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы на ООО «Лукойл-Энергия и Газ Украина» в целях обеспечения надежной работы насосов, компрессоров и прочих механизмов при проектировании и выборе схем работы ЗРУ-6кВ и ГРУ-6,3 кВ в нормальных, ремонтных и аварийных схемах питающей энерго-системы и энергоблока собственной генерации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Уравнения для расчета установившегося режима электротехнических систем при наличии собственной генерации соизмеримой мощности, когда один из генераторов представляется как балансирующий узел.
-
Математические модели и методика расчета статической и динамической устойчивости электротехнического комплекса нефтеперераба-тывающего предприятия с собственной генерацией при КЗ в сетях 110 и 6 кВ для возможных схем электроснабжения, разработанные с моделированием генераторов, СД и АД своими системами дифференциальных уравнений.
-
Результаты промышленных экспериментальных исследований для ОНПЗ при различных режимах работы ЗРУ-6 кВ и ГРУ-6,3 кВ в сочетании с произведенными расчетными исследованиям, подтверждающими достоверность предложенной методики расчета нормальных и аварийных режимов работы электротехнической системы предприятия.
-
Полученные зависимости числа ступеней самозапуска от длительности работы автоматики в РУ и ТП напряжением 6 и 0,4 кВ, позволяющие при внешних и внутренних КЗ в питающей сети ОНПЗ обеспечить непрерывную работы электродвигательной нагрузки.
Апробация работы
Основные положения работы и ее результаты докладывались на Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Салават, 24-25 марта 2010 г.); «Новые тенденции в организации энергообеспечения и развития энергетического хозяйства металлургических предприятий» (Москва, 22-24 ноября 2011 г.), на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ, на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ.
Публикации
