Повышение надежности электроприводов тепловой электростанции металлургического предприятия при внедрении преобразователей частоты

В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2020 года снижение энергоемкости экономики и повышение эффективности использования энергоносителей являются важнейшими стратегическими направлениями [1−3]. Электроэнергетика является главной составляющей в структуре энергопотребления, которая вместе с теплоснабжением использует 70% топливно-энергетических ресурсов. Вместе с тем, более половины энергоблоков тепловых электростанций (ТЭС) эксплуатируется уже более 35−40 лет, их оборудование основательно устарело и нуждается в коренной реконструкции [4]. Это относится как к тепловым электростанциям энергосистем, так и к собственным ТЭС промышленных, и в том числе металлургических, предприятий.

Удельный вес энергетического хозяйства в экономике металлургического завода весьма значителен. Стоимость его основных фондов составляет 10−20% общей стоимости предприятия. В ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО «ММК») наиболее мощным производителем электрической энергии является теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). Наряду с электроэнергией продукцией ТЭЦ являются тепловые носители в виде пара и горячей воды. В настоящее время ТЭЦ производит 330 МВт электрический мощности, выдает 540 Гкал/час тепла, обеспечивая ими подразделения комбината и жилые районы города. В общем объеме вырабатываемых комбинатом собственных энергоресурсов, доля ТЭЦ по электроэнергии составляет более половины, а по теплу 50−60% [5].

Одно из стратегических направлений развития электроэнергетики России на период до 2015 года — техническое перевооружение и реконструкция около половины эксплуатируемых тепловых электростанций с продлением их ресурса и заменой основного и вспомогательного оборудования на новое с улучшенными технико-экономическими характеристиками. [6].

В настоящее время актуальным является вопрос реконструкции электроприводов теплоэлектроцентрали ОАО «ММК». Объектами внедрения частотно-регулируемых приводов (ЧРП) либо реконструкции существующих электроприводов с внедрением преобразователей частоты (ПЧ) являются вспомогательные механизмы собственных нужд, обеспечивающие работу электростанции.

В промышленно развитых странах ЧРП используются более 30 лет. В течение этого времени закладывались научные и методические основы, разрабатывались и совершенствовались технические средства управления электроприводом, совершенствовались технологические процессы и оборудование. Накоплен большой опыт в создании систем, использующих этот тип приводов, ряд решений стандартизирован [7].

В нашей стране сложилась несколько иная ситуация. Частотно-регулируемые приводы, отвечающие требованиям надежности и электромагнитной совместимости с электрическими сетями, появились на российском рынке сравнительно недавно, и их цена достаточно высока. Имеющийся не всегда положительный опыт применения отечественных ЧРП предопределил осторожное отношение к использованию преобразователей частоты, а подтверждение реального экономического эффекта от их внедрения во многих случаях затруднительно.

Появлению на отечественном рынке современной преобразовательной техники и постепенному возрастанию спроса на нее в массовых применениях способствовало теоретическое обоснование ее необходимости, выполненное Н. Ф. Ильинским [8−18], Б. С. Лезновым [19−24], H.H. Чистяковым [25−27], Г. Б. Лазаревым [3, 4, 6, 28−32] и др.). Выполнены конкретные разработки ЧРП, нашедшие практическое применение на объектах тепло-водоснабжения г. Москвы (Ю.А. Крылов [33⁴²]), разработаны научные основы применения вентильно-индукторных электроприводов (В.Ф. Козаченко, В. Н. Остриров [43−49]). В последние годы интерес к данному направлению усиливается, о чем свидетельствуют многочисленные научно-технические разработки ([5059] и др.).

Известные преимущества частотно-регулируемого электропривода приводятся без учета специфики работы асинхронного двигателя совместно с преобразователем частоты. Незнание ряда особенностей их совместной работы может привести в лучшем случае к нерациональному использованию привода, а в худшем — к серьезному снижению надежности электроустановки. Практика показывает, что внедрение регулируемого электропривода только из соображений энергосбережения и технологической необходимости, без учета особенностей устройств отрицательно влияет на безостановочность работы производства [33]. Прежде всего, это относится к работе ЧРП в условиях неизбежных кратковременных нарушений электропитания, что приводит к ухудшению показателей безотказности в сравнении с нерегулируемым электроприводом. Особенно актуален вопрос повышения надежности ЧРП при их внедрении на ответственных механизмах ТЭС и собственных электростанций металлургических предприятий, нарушение работы которых может привести к необратимым последствиям и многомиллионным убыткам.

Первой причиной ухудшения показателей надежности электропривода является непосредственно внедрение преобразователя частоты, который, являясь сложным электронным устройством, не может способствовать повышению надежности электроустановки. Многие производители декларируют среднюю наработку на отказ ПЧ от 40 до 100 тыс. часов и более, т. е. от 5 до 12,5 лет непрерывной безаварийной работы [60]. Очевидно, что 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. 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 технологии, недостаточно осведомлен об ее особенностях, и отрицательные моменты проявляются уже в’условиях действующего производства [33].

Второй причиной снижения безотказности (а это, как известно, один из основных показателей надежности [61, 62]) является то, что ПЧ «не любит» провалы напряжений, а тем более кратковременные отключения, приводящие к срабатыванию защиты и останову электропривода [63]. Причиной этого является увеличение длительности перерывов в работе электродвигателей, питаемых от ПЧ, при кратковременных (1−2 с) нарушениях электроснабжения [64]. Это предопределяет необходимость проведения исследований и разработок, направленных на повышение устойчивости ЧРП. Решение вопроса осложняется отсутствием апробированной инженерной методики, позволяющей дать оценку надежности ЭП до и после внедрения ПЧ.

Впервые вопрос устойчивости ЧРП при кратковременных потерях электропитания поставлен и рассмотрен в [33]. Выполнены исследования ЧРП на объектах теплостанций, тепловых пунктов и в системах тепловодо-снабжения городского хозяйства [36- 38]. Вопросы надежности ЧРП, внедряемых на тепловых электростанциях, не рассматривались.

Целью диссертационной работы является разработка технических мероприятий, обеспечивающих повышение устойчивости частотно-регулируемых электроприводов ответственных механизмов тепловой электростанции при нарушениях электроснабжения.

Названный комплекс мероприятий предполагает решение следующих задач:

1. Анализ основных причин снижения надежности электроприводов при внедрении преобразователей частоты. Теоретические и экспериментальные исследования режимов ЧРП при нарушениях электропитания.

2. Разработку и применение методики анализа надежности тепловой электростанции и непосредственно электропривода при внедрении преобразователей частоты.

3. Разработку программного обеспечения, обеспечивающего расчет основных показателей надежности на основе обработки статистических данных об отказах.

4. Разработку технических решений по повышению безотказности средствами самого электропривода, а также рационального резервирования по электропитанию.

5. Анализ технологической востребованности и показателей эффективности внедрения ЧРП в условиях ТЭЦ ОАО «ММК».

В соответствии с поставленными задачами содержание работы изложено следующим образом:

В первой главе представлены структура электроприводов, внедренных в ОАО «ММК» за истекшие 7 лет, характеристика технологического процесса и состав оборудования ТЭЦ. На основе анализа литературных источников показана эффективность применения ЧРП на тепловых электростанциях, выполнен анализ схем ПЧ для высоковольтных двигателей. Обоснована актуальность разработки методики анализа, а также способов повышения надежности частотно-регулируемых электроприводов ТЭЦ. Выполнен анализ методик расчета надежности сложных систем.

Во второй главе предложено разделение электроприводов ТЭЦ по категориям ответственности, сформулированы технические требования к электроприводам ответственных механизмов, обосновано применение преобразователя частоты Power Flex 7000 для высоковольтных электроприводов ТЭЦ. Рассмотрены условия восстановления технологического режима электропривода насоса при кратковременном нарушении электропитания. Выполнены экспериментальные исследования автоматического самозапуска электропривода Power Flex 7000.

Третья глава посвящена анализу показателей надежности оборудования ТЭЦ при внедрении преобразователей частоты. Предложена методика, основанная на применении логико-вероятностного метода с экспертной оценкой технического состояния объекта, даны рекомендации по выбору экспертов. Разработано программное обеспечение, реализующее методику идентификации неисправностей на основе алгоритма сбора и статистической обработки данных об отказах. На основе анализа структурных моделей надежности тепловой электростанции, представленных в виде деревьев отказов, дана оценка времени наработки на отказ котлоагрегатов до и после внедрения ПЧ. Выполнен расчет надежности частотно-регулируемых электроприводов.

В четвертой главе дан анализ способов повышения устойчивости частотно-регулируемых электроприводов при нарушениях электропитания, приведен фрагмент системы электроснабжения собственных нужд 3 кВ ТЭЦ при внедрении ЧРП. Разработаны схемы подключения частотно-регулируемых электроприводов, выполненные с учетом структуры системы электроснабжения собственных нужд ТЭЦ и возможности использования систем группового управления. Дана оценка технологической востребованности регулируемого электропривода применительно к вспомогательным механизмам ТЭЦ. Даны рекомендации по планированию и очередности проведения модернизации электроприводов ТЭЦ при поэтапной реконструкции.

В заключении приводятся выводы по работе.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 15 научных трудов, в том числе 7 в рецензируемых изданиях. Официально зарегистрированы 3 программы для ЭВМ. Полученные результаты докладывались и обсуждались на 6-и международных научно-технических конференциях.

Считаю приятным долгом выразить благодарность сотрудникам института энергетики и автоматики ГОУ ВПО «МГТУ», специалистам Управления главного энергетика, тэплоэлектроцентрали и ЦЭТЛ ОАО «ММК» за предоставленные материалы и всестороннюю помощь в работе над диссертацией. Особую благодарность выражаю д.т.н., профессору МЭИ [Крылову Ю.А. оказавшему неоценимую помощь в постановке задачи, техническом, организационном и методическом обеспечении экспериментов.

ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа схем резервирования ЧРП при нарушениях электроснабжения показано, что автоматическое включение резерва на период кратковременной потери электропитания (2−3 с) не является рациональным решением, т.к. требует создания собственного быстродействующего АВР, что усложняет схему электроснабжения, и создает проблемы по селективности и равномерности загрузки вводов электропитания.

2. Выделены основные направления разработок по повышению устойчивости ПЧ при кратковременных нарушениях в системе электроснабжения:

— совершенствование алгоритмов управления ПЧ;

— установка накопителей энергии и аккумулирующих устройств;

— электропитание ПЧ от двух вводов, совпадение моментов нарушений по которым маловероятно.

3. В качестве перспективного направления обоснована разработка ПЧ с АИТ с электропитанием от двух вводов, с дополнительным звеном постоянного тока. В результате исключается необходимость изменения алгоритмов управления и использования сложной функции «пуск в лет».

4. Для объектов с большим количеством высоковольтных двигателей обоснован 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.

5. На примере насосной 16 а, сформулированы основные рекомендации по построению схемы электроснабжения собственных нужд при внедрении частотного регулирования:

— автоматическое переключение электродвигателя насоса от ПЧ, потерявшего питание, на работу от сети или автоматическое прямое включение резервного циркуляционного насоса;

— уменьшение времени переключения АВР, позволяющее повысить вероятность самозапуска электродвигателей при кратковременном перерыве электропитания.

Разработана схема подключения ЧРП к системе электроснабжения ТЭЦ в составе комплектной СГУ частотным электроприводом.

6. Предложены схемы группового управления сетевыми электронасосами, обеспечивающие регулирование их суммарной производительности и поддержание давления, с использованием высоковольтных ПЧ, а также низковольтных ПЧ с выходными согласующими трансформаторами.

7. На основании анализа положительных эффектов, обеспечиваемых при внедрении ЧРП, дан анализ технологической востребованности их внедрения на основных механизмах ТЭЦ.

8. Выполнен расчет эффективности энергосберегающих мероприятий, учитывающий прямую экономию электроэнергии, суммарные капитальные затраты и предполагаемый срок окупаемости с учетом совершенствования технологии, обновления оборудования и повышения срока службы эксплуатируемых агрегатов.

9. Обоснована очередность модернизации механизмов ТЭЦ при поэтапной реконструкции, согласно которой приоритет отдается объектам, энергосбережение на которых выше при заданных сроках окупаемости, при этом учитывается агрегатность механизмов, что сокращает время останова котла на реконструкцию.

10. Результаты диссертационной работы в виде «Технико-экономического обоснования модернизации электроприводов вспомогательных механизмов ТЭЦ на основе внедрения преобразователей частоты» 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» «.

11. При участии автора выполняется НИОКР по договору с ОАО «ММК», посвященная разработке преобразователя частоты с электропитанием от двух независимых вводов. Ожидаемый экономический эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий 3,52 млн руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В связи с реконструкцией теплоэлектроцентрали ОАО «ММК» актуальной задачей является повышение надежности электроприводов механизмов собственных нужд и станции в целом при внедрении преобразователей частоты.

2. Диапазон мощностей электроприводов собственных нужд ТЭЦ составляет 160 — 1250 кВт, напряжение — от 3 до 10 кВ, в связи с чем обосновано применение высоковольтных преобразователей частоты серии Power Flex 7000 фирмы Allen-Bradley. Основной причиной снижения надежности электроприводов, выполненных на основе ПЧ с автономным инвертором тока, являются отключения при кратковременных нарушениях электроснабжения.

3. Сформулированы технологические требования к ЧРП механизмов ТЭЦ, обосновано условие восстановления технологического режима котло-агрегатов при нарушении электропитания: суммарное время нарушения, синхронизации и разгона электропривода до предшествующей частоты вращения должно быть меньше уставки времени аварийных защит.

4. В результате экспериментов доказано, что автоматический самозапуск высоковольтного ЧРП с преобразователем Power Flex 7000 при нарушениях электропитания обеспечивается приблизительно в 50% случаев. При этом длительность отключения напряжения не является фактором, однозначно определяющим возможность успешного самозапуска.

5. Для анализа надежности оборудования ТЭЦ обосновано применение методики, основанной на положениях общего логико-вероятностного метода с экспертной оценкой интервалов возникновения отказов.

6. Разработаны алгоритмы и официально зарегистрированные программы для обработки данных об отказах энергоблоков, осуществляющие классификацию и формирование архива отказов, а также статистическую обработку данных и расчет параметров безотказности.

7. В результате анализа структурных моделей надежности электростанции и экспертной оценки интервалов возникновения отказов установлено, что общая надежность тепловой электростанции при внедрении высоковольтных ЧРП уменьшается. Среднее время наработки на отказ преобразователя частоты, составляет 0,8−1,2 года.

8. 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».

9. Разработаны схема подключения ЧРП к системе электроснабжения ТЭЦ, а также схемы группового управления сетевыми электронасосами, обеспечивающие регулирование их суммарной производительности и поддержание заданного давления в трубопроводе.

10. Дан анализ технологической востребованности ЧРП на основных механизмах ТЭЦ, выполнен расчет технико-экономической эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий, в результате обоснована очередность модернизации механизмов при поэтапной реконструкции.

12. 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 год» и «Программы реконструкции электроприводов собственных нужд ТЭЦ ОАО «ММК» «. Ожидаемый экономический эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий 3,52 млн руб./год.