CC BY
120
УДК 621.311.4
Крылов Ю.А., Селиванов И.А., Ровнейко В.В., Галлямов P.P., Губайдуллин А.Р.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ПРИ ВНЕДРЕНИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) является наиболее крупным собственным источником электрической и тепловой энергии ОАО «ММК», характеризующимся наиболее низкой себестоимостью выработки электроэнергии. Электростанция выдает электроэнергию на напряжении 110 кВ и связана с крупными узловыми подстанциями № 77 и 90 Магнитогорского энергоузла. Непосредственно от шин 110 кВ питаются энергоемкие потребители основных переделов комбината - установки «печь-ковш» электростале плавильного цеха, стан «5000», станы сортового цеха, а от РУ-35 кВ - жилые микрорайоны города; от шин 10 кВ ТЭЦ запитан один из наиболее ответственных потребителей - кислородная станция № 4.
Характеристика технологического процесса ТЭЦ
Особенностью ТЭЦ как и любого энергетического предприятия является наличие большого количества высоковольтных двигателей 3-6-10 кВ, при пуске и самозапуске которых происждят частые просадки напряжения на 10-15% номинальных значений. В слу-
чае ремонтных либо аварийных ситуаций они могут привести к нарушению сложного технологического процесса электростанции. В условиях действующего производства аварийные ситуации на электростанции приводят к остановке основных технологических цежв и агрегатов и соответственно к простоям и браку выпускаемой продукции. Восстановление нормальной работы занимает, как правило, продолжительный период времени, в течение которого электроэнергия, недо-отпущенная станцией в сети комбината, компенсируется дополнительным приемом от внешней энергоснабжающей организации - ООО «Магнитогорская энергетическая компания». Это связано со значительным увеличением су ммарныхзатрат на электроэнергию в целом по предприятию, соответственно снижение времени простоев оборудования ТЭЦ представляет собой важную, экономически обоснованную задачу.
На ТЭЦ ОАО «ММК» установлено 8 энергетических котлоагрегатов типов ТП-170-1 (4 ед), ТП-10 (2 ед.) ТП-85М (1 ед.), ТП-81 (1 ед.). Для покрытия пиков теплофикационной нагрузки в зимнее время уста-
4
-----------------fr-------------------------
р.Урал
Рис. 1. Схема технологического процесса котлоагрегатов ТЭЦ:
1- трансформатор, 2 - генератор, 3 - турбина, 4 - паропровод, 5 - деаэратор, 6 - пароперегреватель,
7 - экономайзер, 8 - воздухоподогреватель, 9 - дутьевой вентилятор; 10 - электрофильтр, 11 - дымосос,
12 - дымовая труба, 13 - мельница, 14 - питательный насос, конденсатор, 15 - регенеративный подогреватель,
16 - коденсатный насос, 17 - теплообменник, 18 - циркуляционный насос, 19 - бункер, 20 - экран
новлены пиковые водогрейные котлы типа ПТВМ-100 и ПТВМ-180. Технологическая схема котлоагрегата представлена на рис. 1. Перечень основных механизмов технологических и собственных нужд, обеспечивающих технологической процесс ТЭЦ, и параметры высоковольтных асинхронных (АД) и синхронных двигателей (СД) представлены в табл. 1. Автоматическое регулирование скорости вращения АД отсутствует (за исключением двух агрегатов химводоочистки). Попытка оснащения ряда электроприводов (ЭП) преобразователями частоты корпорации Тпо1 оказалась неэффективной в связи с их низкой надежностью.
Категории ответственности электроприводов
Наиболее ответственными механизмами собственных нужд являются питательные насосы, циркуляционные насосы (ЦН), дутьевые вентиляторы, дымососы,
Таблица 1
Параметры электродвигателей агрегатов собственных нужд ТЭЦ
Наименование агрегата Количество, шг. Диапазон мощностей, кВт Номинальное напряжение, кВ Кол-во оборотов, об/мин
Электродвигатели машинного участка
Циркуляционные насосы (АД) 8 1000-1250 3 500
Питательные электронасосы 7 2000 3 3000
Питательные электронасосы (СД) 3 4000 10 3000
Сетевые насосы (зимние и лет -ние) (АД) 6 400 6 2970
Сетевые насосы (зимние и лет -ние) (АД) 9 200-350- 630-1600 3 1470-2960
Конденсатные насосы (АД) 8 100-220 3 980-1475
Насосы сырой воды (АД) 5 160 3 1475
Котельный участок
Дутьевые вентиляторы (АД)1А-8Б 16 165-630 3 585-993
Дымососы (АД11А-8Б 16 320-800 3 585-743
Мельничные вентиляторы (АД11А-8Б 16 300-630 3 1480-1490
Мельницы (АД11А-8Б 16 370-630 3 740
Топливно-транспортный участок
Дробилки 2 200 3 735
Багерные насосы 3 250 3 3000
Эжектир. насосы 3 500-800 3 2975
конденсатные насосы. Ко второй степени ответственности относятся сетевые насосы зимние и летние, к наименее ответственным - шаровые мельницы и молотковые дробилки. Остановка одного или двух ЦН приводит к остановке генератора, остановка большего количества ЦН приводит к более серьезным последствиям вплоть до остановки электростанции. Аналогично в случае остановки питательного насоса останавливается котел (по технологическому процессу котел, турбина и генератор - три взаимосвязанных звена одной неразрывной теплоэлектрической цепи). Поэтому ответственность этих двух типов насосов равнозначна. Что касается дутьевых вентиляторов и дымососов, то при остановке последних высокое давление газов может привести к их концентрации и широкому распространению, а в последующем - к выхлопам и локальным взрывам с угрозой для жизни людей.
С учетом сказанного в табл. 2 представлен вариант разбивки электроприводов собственных и производственных нужд ТЭЦ по категориям ответственности, исходя из оценки последствий нарушения питания котельного и турбинного участков. Также учитываются последствия нарушений тепловодоснабжения, требований безостановочной работы и допустимого времени, отводимого на восстановление нормального режима работы оборудования [1].
Известно, что перевод нерегулируемых ЭП вспо-
Таблица 2
Категории ответственности электроприводов ТЭЦ из условий безостановочной работы
Категория ответ- ственно- сти Электро- привод Возможные последствия при отключении одного агрегата Возможные последствия при отключении всех агрегатов
I категория Циркуляционные насосы, питательные насосы Снижение давления воды в коллекторе приводит к срыву вакуума Остановка всей электростанции
Дутьевые вентиляторы, дымососы Остановка котла Опасность для жизни людей
II категория Сетевые насосы зимние и лет -ние Снижение давления в распределительной сети, что приводит к снижению температуры тепла, поступающего в жилые помещения Остановка теплосети с прекращением подачи теплоносителя городскому населению в зимнее время недопустима
III категория Шаровые мельницы В зависимости от времени простоя остановка мельницы приведет к остановке котла На остановку котлов и турбин не оказывают влияния
Молотковые дробилки Не оказывают влияния
могательных механизмов электрических и тепловых станций на частотное управление обеспечивает ресурсосбережение, улучшение характера протекания переходных процессов, снижение затрат на обслуживание, позволяет отказаться от применения обратных клапанов, заслонок и т.п. [2]. К числу преимуществ ЭП, управляемых от преобразователей частоты, относят и их высокую надежность. Многие производители декларируют среднюю наработку на отказ ПЧ от 40 до 100 тыс. ч и более [3]. Однако эта цифра зачастую завышена и носит рекламный характер, а такой важнейший аспект, как оценка надежности ЭП при внедрении ПЧ чаще всего остается вне зоны внимания организации-потребителя электропривода. Это обусловлено тем, что фирмы-изготовители ПЧ не заинтересованы в объективной оценке и распространении информации о показателях надежности ЭП, которые при внедрении сложного электронного устройства, безусловно, снижаются. В свою очередь, организации, внедряющие ПЧ, не имеют достоверных статистических данных о количествах отказов ЭП до и после их внедрения. Эксплуатационный персонал, заказывающий новую технику и владеющий вопросами техно -логии, недостаточно осведомлен об ее особенностях, и отрицательные моменты проявляются уже в условиях действующего производства.
Требования к электроприводам ответственных механизмов
В создавшейся ситуации возникла задача сопоставления технологических требований и технических возможностей современной преобразовательной техники и разработки технических требований к ней из условий обеспечения непрерывности производства на примере тепловых электростанций и теплостанций [4]. В первую очередь это относится к устойчивости к нарушениям электропитания и способности восстанавливать регулируемые параметры ответственных электроприводов I и II категорий (см. табл. 2).
Сетевые насосы
Особенность котельного оборудования - необходимость постоянного протока нагреваемого теплоносителя в трубах, расположенных в зоне горения факелов. Изготовителями котлов разрешается прекращение циркуляции воды длительностью до 10 с, по истечение которых факелы должны быть погашены во избежание парового взрыва. На практике уставка времени аварийной защиты составляет 4 с из соображения дополнительной страховки от аварии с серьезными последствиями. Последующий пуск станции занимает от 30 мин до 1,5 ч со всеми вытекающими последствиями. Из этих технологических особенностей следует требование восстановления режима котлов по расходу за 4 с (максимум 10 с) после его прекращения.
Второе технологическое требование - восстановление циркуляции теплоносителя в случае его прекращения за минимально возможное время даже при остановленных котлах При нерегулируемом электроприводе сетевых насосов это выполняется автоматически или персоналом станции. Для частотнорегулируемого электропривода необждим автоматический повторный пуск через останов.
Циркуляционные насосы
Останов циркуляционного насоса не означает однозначного отключения котла, так как уставка аварийной защиты по расходу воды через котел допускает его снижение на 25% от номинального значения. Доля расхода, обеспечиваемая циркуляционными насосами, зависит от температуры воды в обратном трубопроводе (чем ниже температура, тем больше расжд рециркуляции) и может достигать 30% от номинального через котел. Это означает, что аварийный останов котла возможен, а время восстановления расхода определяется уставкой защиты и является таким же, как для сетевого насоса: 4-10 с. Таким образом, основное техническое требование в условиях кратковременного нарушения электропитания к циркуляционным насосам - автоматический запуск с реализацией функции «пуск в лет». Перезапуск через останов также возможен и не имеет принципиального значения.
Тягодутьевые механизмы котлов
От работы дутьевого вентилятора, подающего воздух в горелки, и дымососа, обеспечивающего разрежение в топке и отвод дымовых газов, зависит стабильность горения факелов. Погасание факелов не восстанавливается автоматически и вызывает срабатывание аварийной защиты. Выдержка времени аварийной защиты по величине давлений дутьевого воздуха и разрежения в топке составляет 3-4 с, по истечение которых прекращается подача газа.
При практически равных уставках времени срабатывания аварийной защиты и АВР электропитания восстановление электропитания за счет общестанционного АВР не способствует сохранению котла в работе. Поэтому следует предпринять только те меры, которые способны компенсировать нарушения электропитания длительностью не более 1 с.
Ввиду особенностей горения факела - отрыв от горелки при избытке подаваемого воздуха или погасание при его недостатке, переключение электродвигателей на сетевое электропитание не является полезным и не практикуется. Поэтому к данным механизмам при нарушении электропитания предъявляется практически только одно требование: подхват вращающегося электродвигателя со временем восстановления регулируемого параметра за 3-4 с.
Групповой электропривод дутьевых вентиляторов котлов
При нарушении электропитания к дутьевым вентиляторам предъявляется требование, как для тягодутьевых механизмов колов: «пуск в лет» вращающихся электродвигателей. Допустим перевод питания электродвигателей на сетевое с одновременным увеличением давления газа перед горелками. Для низковольтного электропривода со временем срабатывания АВР менее 1 с это является решением проблемы безостановочной работы котла, но ценой перевода его в нерегулируемый режим.
Для восстановления регулируемого режима необходима функция подхвата выбегающего двигателя при отключении его от сети и подключении к преобразователю, при этом величина просадки давления дутьевого воздуха в течение перевода электропитания не должна достичь уровня защиты, а из условия погасания факела - не должна превышать 30%. Поэтому регулируемый
привод дутьевых вентиляторов для безостановочной работы котлов требует функции перевода электропитания на сеть и обратно. Без реализации этой функции построение системы автоматического регулирования тепловой мощности не имеет смысла.
Таким образом, при нарушении электропитания комплектный групповой электропривод должен выполнять:
- 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 регулиру-емых параметров.
Сформулированные технические требования к регулируемым электроприводам ответственных механизмов [4, 5] обобщены в табл. 3.
Режимы регулируемых электроприводов при нарушении электропитания
Из сформулированных требований к ответственным регулируемым электроприводам видно, что они отличаются весьма жесткими временными интервалами для восстановления режима. Это является проблемой не только для регулируемогоэлекгропривода, но и для нерегулируемого асинхронного с питанием от электросети.
Снижения напряжения в электросети до 70% от номинального, не вызывающие срабатывание АВР, преодолеваются согласно электромеханическим характеристикам электродвигателя за счет временной перегрузки по току и снижения частоты вращения. Так как их длительность не велика, то регулируемый показатель технологического процесса, как правило, не достигает величины уставки аварийной защиты или восстанавливается за меньшее время, чем время ее срабатывания. По этим же причинам остаются без аварийных отключений и глубокие, но кратковременные (до 300 мс) просадки напряжения.
При длительностях нарушения электропитания, вызывающих срабатывание АВР, время которого на стороне подводимого напряжения порядка 3 с, выполнение требования безостано-вочности котлоагрегата становится проблема-
тичным. В этом случае вопрос решается устройствами самозапуска - тот же насос после восстановления электропитания в результате срабатывания АВР при некоторых условиях (например, потеря не более половины частоты враще-
ния) вновь разгоняется прямым пуском от сети и восстанавливает расход воды с прежними параметрами. Такое техническое решение должно предваряться расчетом режима самозапуска и защиты электросети, а также взаимосогласованием уставок времени защиты котлов с суммарным временем срабатыванияАВР и самозапуска.
Частотно-регулируемый электропривод вызывает нарушение работы колоагрегатов и усугубляет проблему остановки теплосетей по причине кратковременных нарушений электропитания, так как преобразователи частоты весьма критичны к качеству напряжения. Высоковольтные преобразователи частоты большинством фирм-изготовителей построены по принципу максимального самосохранения, что оправдано высокой стоимостью оборудования. Так, имеются мгновенные защиты от снижения или повышения сетевого напряжения. Даже очень короткие нарушения электропитания длительностью в несколько периодов синусоиды могут приводить к отключению электропривода.
Как следует из вышесказанного, практическое решение проблемы бесперебойной работы ответственных высоковольтных регулируемых электроприводов при нарушении электропитания затруднительно. Автоматическое включение резерва со временем 2-3 с не является решением, а создание собственного быстродействующего АВР проблематично как с точки зрения усложнения схемы электроснабжения, так и привнесения проблем в сферу электроснабжения по селективности и равномерности загрузки вводов электропитания.
Более целесообразно решение проблем электропривода средствами самого электропривода. Поэтому рассматривается возможность решения проблемы безостановочной работы ответственных механизмов с использованием электропитания от двух или более вводов, одновременное нарушение по которым маловероятно.
Электропитание частотно-регулируемого электропривода от двух независимых вводов
Использование двух независимых вводов, предложенное в [6], возможно при изменении структуры пре-
Таблица 3
Требования к ответственным регулируемым электроприводам теплостанции
Наименование электропривода Характе ристика, обязательные функции управления
Допустимое время восстановления регулируемого параметра (с) Перезапуск через останов Подхват вращающегося двигателя Перевод электропитания с ПЧ на сеть Перевод электропитания с сети на ПЧ
Сетевые насосы 4-10 + + - -
Циркуляционные насосы 4-10 + + - -
Тягодутьеые механизмы котлов 4 ■I- СО - + - -
Групповой электропривод дутьевых вентиляторов котла 4 ■I- СО - + + +
Примечание. Крестиками помечены функции, которые должна обеспечивать система управления частотнорегулируемого электропривода.
ВВ05 1 В Бод 2 В6од 1 Ввод 1
Рис. 2. Схема преобразователя частоты с двумя выпрямителями с возможностью электропитания от двух вводов: а - бестрансформаторная схема низковольтного электропривода; б - высоковольтный электропривод с многопульсным трансформатором
образователячастотыс добавлением звена постоянного тока. Такая структура (рис. 2, а) со встречно-параллельным включением двух выпрямителей В1 и В2 и питанием каждого из них от независимых вводов 1 и 2 обеспечивала бы общее звено инвертора ^постоянным напряжением при всех видах нарушения электропитания. Ввиду отсутствия паузы в переключении питания инвертора с одного выпрямителя на другой нет необж-димости в изменении алгоритмов управления и использовании сложной функции «пуск в лет».
Такое предложение приемлемо для низковольтных электроприводов, не имеющих, как правило, силовых разделительных трансформаторов. Усложнение конструкции самого ПЧ за счет дополнительного узла выпрямителя и добавление одного вводного выключателя вполне приемлемо как по стоимости, так и габаритам изделия.
Реализация данного предложения в мощных высоковольтных регулируемых электроприводах представляет определенную сложность. Кроме усложнения самого преобразователя частоты в комплекте электрооборудования необждимы еще один силовой, как правило, многопульсный трансформатор и дополнительный высоковольтный выключатель (рис. 2, б). Сама структура становится неоправданно сложной, изделие дорогим, а необждимые производственные площади для размещения существенно увеличиваются. Тем не менее, эта схема может оказаться перспек-
тивной и для высоковольтного электропривода. Первый отечественный высоковольтный преобразователь типа ВПЧА-630, включающий в себя вместо трансформатора вждной дроссель, вполне можно доосна-стить еще одним звеном постоянного тока.
Однако для ЭП механизмов собственных нужд ТЭЦ применениетакихпреобразователей является дорогостоящим решением в связи с большим количеством установленных высоковольтных асинхронныхэлектродвига-телей. В качестве оптимального решения следует рас-см атривать вариант группового подключения инверторов к секции шин постоянного тока, питаемых от основного выпрямителя, с возможностью перевода на резервный, подключенный к отдельной секции системы электроснабжения ТЭЦ. Подобные схемы питания применяются на ряде современных технологических агрегатов ОАО «ММК», оснащенных асинхронными ЭП с частотным регулированием, в частности на агрегатах непрерывного горячего цинкования и полимерных покрытий, атакже на сортовых станах горячей прокатки.
Список литературы
1. Анализ надежности оборудования тепловой электростанции при внедрении преобразователей частоты /А.С. Карандаев, Г.П. Корнилов, О.И. Карандаева и др. // Вестник Южно-Урапьского государственного университета Сер. «Энергетика». Вып. 12. Челябинск: Изд во ЮУрГУ, 2009. № 34(167). С. 16-22.
2. Опыт и перспективы модернизации электроприводов в системах жизнеобеспечения города / Н.Ф. Ильинский, А.Н. Ремезов, А.В. Сорокин, Ю.А. Крылов // Электричество. 2007. № 7. С. 28-34.
3. БеловМ.П., НовиковВ.А., РассудовЛ.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологическж комплексов. М.: Academia, 2004.
4. РемезовА.Н., СорокинА.В, КрыловЮ.А Тонические требования к регулируемым электроприводам жилищно-коммунального хозяйства // Промышленная энергетика. 2007. № 7.
Б. Тарасов Д. В. Требования к частотно-регулируемым электроприводам насосов и вентиляторов при аварийных режимах в системе электроснабжения котельных // Электрические станции. 2006. № 1.
6. Пат. 32333 РФ. Устройство реіулирования частоты напряжения пита-
ния электродвигателей переменного тока / С.Н. Станкевич, Ю.А. Крылов // ИБ. 2003. № 2Б.
Bibliography
1. Security analysis of the equipment of a thermal power station at a implementing of frequency converters/A.S. Karandaev, G.P.Kornilov, O.I.Karandaeva, etc. // the Bulletin of the South Ural state university. A series «Power engineering». Issue. 12. Chelyabinsk: Publishers JuUrGu, 2009. № 34 (167). With. 16-22.
2. Ex perience and prospects of upgrading of electric drives in city life-support systems / N.F.Ilinsky, A.N.Remezov, A.V.Sorokin, JU.A.Krylov // the Electricity. 2007. № 7. with. 28-34.
3. Belov M. P, Novikov V. A, Rassudov L.N. Automatic electric drive of sample industrial mechanisms and technobgical complexes. M: Academia, 2004.
4. Remezov A.N., Sorokin A.V., Krylov JU.A. Specification to housing and communal services controlled-velocity electric drives // the Industrial power engineering. 2007. № 7.
Б. Tarasov D.V. Demand to adjustable-frequency electric drives of pumps and ventilating fans at crash conditions in system of an electrical supply of boiler-houses // Electrical stations. 2006. № 1.
6. The patent The Russian Federation 32333. The arrangement of frequency control of a supply voltage of electric motors of an alternate current / S.N.Stankevich, JU.A.Krylov // IB. 2003. № 2Б.
