Разработка принципов построения систем гарантированного электроснабжения промышленных предприятий

Почти каждое промышленное предприятие содержит в составе нагрузок системы электроснабжения ответственные потребители, которые предъявляют особые требования к надежности электроснабжения и качеству электрической энергии. Это потребители I категории по надежности электроснабжения, для питания которых необходимо как минимум два независимых источника электроснабжения и потребители особой группы, требующие бесперебойного электроснабжения как минимум от трех независимых источников /48/.

К приемникам особой группы относятся, в первую очередь различные вычислительные комплексы и центры, системы управления сложными технологическими процессами (АСУ ТП), системы собственных нужд электростанций, роботизированные производства, эвакуационное освещение, на нефтеперерабатывающих предприятиях это — электрозадвижки, аппараты воздушного охлаждения, в объектах инфраструктурыэто серверы различного назначения, электроустановки высотных зданий.

С развитием электронной техники, силовой промышленной электроники, вычислительных машин, систем управления на базе компьютерной техники, больших вычислительных центров и т. п. возникли две крупные проблемы: появились приемники электрической энергии, которые практически не допускают перерывов в электропитании и требуют бесперебойного электроснабженияс увеличением доли этих приемников в общей мощности нагрузки системы электроснабжения (СЭС) ухудшилась электромагнитная обстановка в питающих сетях, т. е. появилась проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) приемников электрической энергии с разными вольтамперными характеристиками, получающими питание от одной сети.

К приемникам, требующим бесперебойного электроснабжения относятся, в первую очередь, различные вычислительные комплексы и центры, системы управления сложными технологическими процессами (АСУ ТП), системы собственных нужд электростанций, роботизированные производства, эвакуационное освещение, на нефтеперерабатывающих предприятиях это /58, 66/ - электрозадвижки, аппараты воздушного охлаждения, в объектах инфраструктуры — это серверы различного назначения, электроустановки высотных зданий.

Устройства преобразовательной техники: тиристорные регуляторы напряжения и мощности, установки вентильного управления электроприводами, регулируемые источники реактивной мощности, а также ряд других нагрузок (установки точечной сварки, электролизные установки и т. п.) имеют нелинейные вольтамперные характеристики. Нелинейность характеристик промышленных потребителей приводит к потреблению из сети несинусоидальных токов, которые, протекая по элементам сети, вызывают искажения кривой напряжения, т. е. такие потребители являются источниками высших гармоник тока и напряжения в питающей сети.

Высшие гармоники в питающем напряжении вредно воздействуют на ряд приемников электрической энергии. Появляются дополнительные потери в электрических машинах, сетях и трансформаторах, пропускная способность которых снижается. Значительно сокращается срок службы изоляции электрических двигателей, кабелей, конденсаторов. Появляется вероятность возникновения резонансных явлений в сетях с конденсаторными батареями, в батареях конденсаторов, что часто является причиной выхода из строя последних. Ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи, значительно возрастают погрешности измерительных приборов и различного рода датчиков. Высшие гармоники часто являются причиной сбоев в работе вычислительных машин, систем управления вентильными преобразователями и автоматических регуляторов.

Нелинейные нагрузки потребляют из сети значительную реактивную мощность. Дефицит реактивной мощности и генерация в сеть высших гармоник приводят к ухудшению таких показателей качества электрической энергии как отклонения напряжения и несинусоидальность напряжения, в связи с чем начинают предъявляться повышенные требования к энергетическим характеристикам устройств питания электротехнологических установок. В результате встает вопрос об электромагнитной совместимости (ЭМС) приемников электрической энергии, получающих питание от одной распределительной сети предприятия.

Приемники первой категории и особой группы (с жесткими требованиями к длительности перерыва электроснабжения) получают питание не менее, чем от трех независимых источников. Для этого в общей схеме системы электроснабжения промышленного предприятия выделяют одну или несколько подсистем переменного или постоянного тока: бесперебойного питания переменного тока (БП) — гарантированного питания переменного тока (ГП) — постоянного тока (ПТ) — качественного питания на переменном токе (КП).

Эти подсистемы образуют систему гарантированного питания (СГП), являющуюся составной частью системы электроснабжения промышленного предприятия, на котором имеются потребители 1-ой категории и особой группы.

Но потребители особой группы есть не только на промышленных предприятиях, но и в объектах инфраструктуры (вычислительные центры, административные здания, коммерческие и общественные организации и т. п.) /11/. Однако состав этих потребителей несколько отличается от потребителей особой группы промышленных предприятий (1111): если на объектах инфраструктуры к потребителям особой группы относят, в основном, электронные устройства, то на промышленных предприятиях основную долю потребителей особой группы на напряжении 0,4 кВ составляют электродвигатели, суммарная мощность которых может значительно превышать мощность ПОГ объектов инфраструктуры.

СГП включает в себя различное электрооборудование: автономные источники (генераторные агрегаты), электрораспределительные щиты, электрические сети с различными коммутационными аппаратами и преобразователями энергии.

Основным источником для системы электроснабжения промышленных предприятий (СЭС 1111) является энергосистема. СЭС ПП, в свою очередь, является основным источником для СГП. Резервный источник может подключаться как к системе внешнего электроснабжения так и к системе гарантированного питания.

В качестве резервного источника может быть использован другой источник в энергосистеме или независимый источник в виде дизель-генераторной установки, агрегат бесперебойного питания, газотурбинной установки (ГТУ), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и т. п.

Для питания только потребителей особой группы (пожарные насосы, -вычислительные центры, эвакуационное освещение, АСУ ТП и т. п.) на время перерыва электроснабжения используются аварийные источники. Мощность таких источников на порядок меньше основного и резервного источника. В качестве аварийных источников можно использовать дизель-электрические станции (ДЭС), агрегаты бесперебойного питания с аккумуляторными батареями. Структурный состав СЭС, имеющей потребители 1-ой категории и особой группы представлен на рис. 1.

Например, на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности к потребителям особой группы первой категории, требующих электроснабжения от трех независимых источников электроэнергии, относятся:

Электродвигатели агрегатов воздушного охлаждения (мощность одного двигателя до 75 кВт) — Электрозадвижки (мощность от 0,1 кВт до 2 кВт);

Pue. 1. Структурный состаб СГП промышленного предприятия.

Эвакуационное электроосвещение (цо 3 кВт);

Система управления технологическим процессом (мощность одного шкафа до 3 кВт);

Для обеспечения этих потребителей электроэнергией необходимой мощности и требуемого качества необходимо организовывать несколько шин гарантированного электроснабжения.

В качестве аварийных источников электроэнергии на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности используются дизель-генераторы и агрегаты бесперебойного питания (АБП) на основе герметичных аккумуляторных батарей.

Структуру аналогичную системе гарантированного питания промышленного предприятия имеют автономные системы электроснабжения (АСЭ), для которых внешний источник в виде энергосистемы района может быть (например для телерадиотрансляционной станции), а может и не быть (судовые, авиационные автономные системы электроснабжения), но в отличие от автономных систем4 электроснабжения (АСЭ) СГП имеют существенные.

— отличия: — — -.. —. всегда есть внешний источник электроснабжения в виде СЭС 1111- мощность СЭС 1111 существенно больше мощности СГПСГП осуществляет электроснабжение большого числа потребителей (предприятия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, металлургические предприятия), в то время как АСЭ предназначены для питания существенно меньшего числа потребителейв СГП можно организовать иерархическую структуру питания потребителей, разделив их по ряду признаков (потребители с линейными и нелинейными вольтамперными характеристиками, резкопеременная, постоянная нагрузка, различные требования к качеству электроэнергии и т. д.), что в АСЭ сделать обычно трудно из-за ограничения по массогабаритным характеристикам или технико-экономическим соображенияммощность СГП может быть существенно больше, чем АСЭв СГП для улучшения качества электрической энергии возможно применение достаточно крупного и габаритного электрооборудования в виде конденсаторных батарей, источников реактивной мощности, фильтрокомпенсирующих устройств, стабилизаторов напряжения, корректоров мощности и т. п.

При работе СГП от независимых источников электроэнергии возможно наложение ряда ограничений, которые необходимо учитывать при построении СГП: соизмеримость потребляемой и вырабатываемой мощностибольшой разброс мощностей потребителейразличные требования электропотребителей к качеству электроэнергииподключение потребителей с разными вольтамперными характеристиками к одним шинамограниченный запас электроэнергии в аккумуляторных батареях и топлива для дизельных двигателей.

Поэтому разработка системы гарантированного питания и принципов ее построения для промышленных предприятий с потребителями 1-ой категории и особой группы является актуальной задачей и решать ее нужно комплексно с учетом требований бесперебойности электроснабжения и обеспечения электромагнитной совместимости.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения при проектировании системы гарантированного питания для промышленных предприятий с потребителями 1-ой категории и особой группы (на примере нефтеперерабатывающих предприятий).

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

— исследованы особенности обеспечения электроснабжения потребителей особой группы на промышленных предприятиях различных отраслей;

— проведен анализ существующих и перспективных источников электрической энергии с целью применения их в СГП в качестве независимых;

— сделана классификация источников гарантированного питания;

— разработана обобщенная структурная схема СГП для промышленных предприятий;

— • разработана математическая модель СГП;

— разработана методика оценки коэффициента искажения синусоидальности напряжения в СГП с нелинейными потребителями;

— разработаны основные принципы построения СГП;

— сформулированы основные концепции проектирования СГП 1111;

Методы исследования: Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в электротехнике, теории электрических цепей и гармонического анализа, положения основ теории электроснабжения и электрических сетей. Использовалось теоретическое и машинное моделирование.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, справедливость теоретических положений подтверждена соответствующим совпадением результатов машинного и теоретического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— проведена классификация агрегатов бесперебойного питания по составу оборудования, по структуре, по источникам питания, допустимому времени питания потребителей, по способу подключения к внешней сети электроснабжения;

— составлена классификация источников и преобразователей электрической энергии промышленных предприятий;

— проведено математическое и машинное моделирование СГП промышленного предприятия;

— разработана математическая модель системы гарантированного питания для расчета несинусоидальных режимов;

— сформулированы основные концепции структурно-схемного решения СГП с перспективным полупроводниковым оборудованием электрической сети СГП.

Основные практические результаты:

— разработана обобщенная структурная схема СГП, на основе которой можно выбрать структуру системы гарантированного питания для конкретного предприятия с конкретными потребитетями;

— предложена инженерная методика расчета несинусоидальных режимов в СГП;

— проведено математическое и машинное моделирование СГП 1111;

— результаты. работы, внедрены в проектную практику ОАО.

ВНИПИнефть" и на Рязанском нефтеперерабатывающем заводе.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на:

— восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, 2002 г.);

— всероссийской научно-техническая конференция «Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование» (г. Оренбург, 2003 г.).

— десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, 2004 г.);

— на научно-технических семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения.

Список литературы

насчитывает 89 наименований. Общий объем составляет 135 страниц, 38 рисунков на 29 страницах, 4 таблицы на 4 страницах, список литературы на 9 страницах.

Выводы по главе 4:

1. Разработана математическая модель СГП с учетом параметров источника гарантированного питания, электрической сети, потребителей, источников электрической энергии, фильтров высших гармоник и компенсаторов реактивной мощности для различных промышленных предприятий.

2. Разработан алгоритм и инженерная методика расчета несинусоидальных режимов работы СГП, позволяющая на стадии проектирования определить коэффициент несинусоидальности напряжения с учетом параметров электрической сети СГП и предусмотреть необходимость установки устройств, улучшающих качество электрической энергии.

3. Разработаны основные концепции проектирования СГП с потребителями 1 категории и особой группы на основании принципов 4 построения сформулированных принципов, предложенныхклассификаций источников гарантированного питания, агрегатов бесперебойного питания, обобщешой структурной схемы и математической модели.

Заключение

.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в настоящей работе позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Проведен анализ промышленных предприятий, имеющих потребители особой группы и проведена их классификация по требованиям к перерывам электроснабжения и качеству электроэнергии.

2. На основе анализа литературы сделана классификация агрегатов бесперебойного питания по ряду показателей с помощью которой в зависимости от требований потребителей электрической энергии можно выбрать тип источника бесперебойного питания.

3. Предложена классификация источников и преобразователей электрической энергии с учетом перспективных разработок;

4. Разработана обобщенная структурная схема СГП для промышленных предприятий с 'потребителями 1-ой категории и особой группы как постоянного, так и переменного тока, на основе которой может быть составлена структурная схема для проектируемого промышленного предприятия.

5. Сформулированы основные принципы построения СГП промышленных предприятий с потребителями 1 категории и особой группы.

6. Разработана математическая модель СГП с учетом параметров источника гарантированного питания, электрической сети, потребителей, источников электрической энергии, фильтров высших гармоник и компенсаторов реактивной мощности для различных промышленных предприятий.

7. Разработан алгоритм и инженерная методика расчета несинусоидальных режимов работы СГП, позволяющая на стадии проектирования определить коэффициент несинусоидальности напряжения с учетом параметров электрической сети СГП и предусмотреть необходимость установки устройств, улучшающих качество электрической энергии.

8. Проведенное машинное моделирование подтвердило правильность теоретических положений при построении математическсй модели и инженерной методики.

9. Разработаны основные концепции проектирования СГП с потребителями 1 категории и особой группы на основании принципов построения сформулированных принципов, предложенных классификаций источников гарантированного питания, агро^атов бесперебойного питания, обобщенной структурной схемы и • математической модели.

Ю.Возможность реализации принципов и концепций построения СГП промышленных предприятий показано на примере построения системы гарантированного питания нефтеперерабатывающего предприятия.

11 .Получены акты внедрения результатов работы в проектном институте и на промышленном предприятии.