Особенности выбора и условий работы тепловых электростанций на базе газотурбинных энергетических установок совместно с системами промышленного электроснабжения

Актуальность проблемы. Последнее десятилетие характеризуется широко развернувшимися во многих странах мира процессами структурной перестройки электроэнергетики. Повышение эффективности функционирования электроэнергетики, резкий рост инвестиций в нее, выбор стратегически правильных решений по ее развитию, механизмов и структуры управления имеют ключевое значение для будущего не только электроэнергетики, но и всей экономики страны.

Эксплуатация физически морально устаревшего оборудования централизованного теплои электроснабжения становится опасной. Происходившие в 2000 г. аварии убедили многих энергетиков и руководителей предприятий в актуальности развития малой автономной энергетики как дополнения централизованного энергоснабжения.

На совместном заседании научно — технического совета РАО «ЕЭС России» и научного совета РАН по проблемам надежности и безопасности больших систем энергетики под председательством член — корреспондента РАН, профессора А. Ф. Дьякова в июне 2000 г. была рассмотрена работа «Стратегия развития электроэнергетики России на период до 2015 года», выполненная ОАО «Энергетический институт (ЭНИН) им. Г. М. Кржижановского». На этом заседании были выработаны целый ряд стратегических направлений развития электроэнергетики страны, среди которых отмечено техническое преревооружение и развитие объектов электроэнергетики для производства, транспорта и распределения электрической и тепловой энергии на базе новых эффективных технологий и новой техники. Важным направлением в электроэнергетике для современных условий является развитие сети распределенных генерирующих мощностей путем строительства небольших электростанций, в первую очередь ТЭЦ небольшой мощности с парогазовыми и газотурбинными установками (ЛГУ и ГТУ) [82]. 5.

В предстоящие 15 лет необходимо будет решить ряд технических проблем, связанных с широким внедрением новых значительно более эффективных и удовлетворяющих экологическим требованиям установок на электростанциях, к одной из которых относится повышение эффективности использования природного газа на электростанциях путем применения ГТУ и ПГУ. Это относится как к замене устаревшего оборудования, так и к оборудованию новых ТЭС на природном газе [19].

ГТУ и ПГУ в последнее время занимают важное место и в развитии энергетики России. Внедрение парогазовых технологий при производстве тепловой и электрической энергии является наиболее перспективным направлением повышения эффективности энергетического производства в настоящее время и в обозримом будущем. ГТУ и ПГУ являются высокоэкономичными и сравнительно экологически чистыми источниками энергии (ИЭ) на ТЭС, использующих органическое топливо. В России имеются все предпосылки широкого внедрения газовых технологий в энергетике: потенциальные возможности энергетического машиностроения могут обеспечить создание и поставку оборудования, имеется значительный задел в научно — исследовательских и проектно — конструкторских разработках.

Еще в 80-х гг. была разработана детальная программа создания новых поколений ГТУ для энергетики, включающая план сооружения ПГУ на базе оборудования отечественного производства. Начиная с 1990 г. стали поступать предложения от ведущих инофирм по поставкам оборудования и содействию в сооружении ГТУ и ПГУ в различных регионах России. Однако перестройка экономики и общий спад производства не позволили практически приступить к широкой реализации программы внедрения ПГУ и ГТУ в энергетике. Но, тем не менее, актуальность подготовки к освоению парогазовой технологии в энергетическом производстве остается, так как это направление уже в недалеком будущем должно превалировать при сооружении новых и техническом перевооружении действующих электростанций различной мощности. 6.

Специалистами также рассмотрены и обоснованы технико-экономическими расчетами схемы газотурбинных надстроек. Расчеты показали, что использование тепла выхлопных газов газовых турбин для подогрева питательной и сетевой воды на малых ТЭС является высокоэффективным мероприятием, дающим значительное увеличение электрической и тепловой мощности и экономию топлива [20].

Цель и задачи. Целью работы является исследование технических проблем, связанных с работой ГТУ — ТЭС относительно малой мощности на базе ГТУ в системах электроснабжения промышленных предприятий. При этом решены следующие задачи:

1. Определение оптимальных решений по комбинированной выработке тепла и электроэнергии на ТЭС промышленных предприятий.

2. Определение экономической эффективности применения тепловых электростанций в сетях промышленного электроснабжения.

3. Выявление технических особенностей, связанных с подключением генераторов собственной электростанции к промышленной электрической сети действующего предприятия.

4. Определение оптимальной мощности собственных ТЭС, не вызывающей существенной реконструкции действующей СПЭ.

5. Анализ рабочих и аварийных режимов промышленной электрической сети с собственным источником питания и разработка мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости системы промышленного электроснабжения и собственного источника питания.

6. Исследование действия релейных защит в промышленных сетях с собственной ТЭС и определение соответствия проводников по термической стойкости к повышенным токам КЗ на всех ступенях исследуемых схем.

7. Обоснование решений по реагированию кабельных линий на основе вероятностных показателей возникновения аварийных режимов в промышленных электрических сетях с собственной ТЭС. 7.

8. Определение мощности генератора утилизационной газотурбинной установки на предприятиях авиационного моторостроения.

Методы исследования. Методы исследования определяются каждой из поставленных задач и опираются на положения основ электроснабжения, электрических машин и автоматики, теории электрических цепей, теории надежности. Технические исследования и расчеты выполнены на ПЭВМ с использованием стандартных и специально разработанных алгоритмов и программ. Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается проведенными расчетами и анализом известных, опубликованных в научно — технической литературе, исследований. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведенные исследования позволяют выявить целесообразность собственных ТЭС и обосновать экономическую эффективность подобных станций.

2. Выявлены технические проблемы, связанные с подключением к промышленным электрическим сетям действующих предприятий собственных электростанций.

3. Предложена методика определения оптимальной мощности собственных ТЭС, не вызывающей существенной реконструкции систем промышленного электроснабжения (СПЭ).

4. Предложены целесообразные способы ограничения токов короткого замыкания в СПЭ с собственной ТЭС в координации с показателями надежности функционирования СПЭ.

5. Для предупреждения последствий воздействия от собственных ТЭС повышенных токов короткого замыкания (КЗ) на электрическое оборудование в действующих схемах промышленного электроснабжения обоснована необходимость согласования действия устройств релейной защиты и автоматики с требованиями к термической стойкости проводников. 8.

6. Предложены методы выбора мощности генераторов собственных станций по графикам выработки электроэнергии с использованием интегральных показателей экономической эффективности.

Практическая ценность. Проведенные исследования позволяют определить основные направления и выявить технические проблемы при подключении и эксплуатации электростанции к сети промышленного электроснабжения действующих предприятий. Выполненные расчеты по определению токов короткого замыкания позволяют на стадии проектирования оценить состояние промышленного электрооборудования при авариях в сети. Проведенный анализ действия типовых схем релейных защит и автоматики позволяет оценить соответствие действующих промышленных электрических сетей увеличивающимся уровням токов КЗ. Проведенная оценка показателей надежности для наиболее характерных схем промышленного электроснабжения в координации с экономическими показателями позволяет обосновать возможность мероприятий по ограничению токов КЗ в электрических сетях промышленных предприятий. Разработанные способы выбора мощности генераторов утилизационных установок на основе интегральных показателей стоимости позволяют определить наиболее эффективный вариант применяемой мощности генератора. Результаты работы использованы на ОАО Казанское моторостроительное производственное объединение при создании утилизационной газотурбинной установки 2,5 МВт.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: Республиканской научно-технической конференции «Проблемы энергетики» (Казань, 1998 г.), Школесеминаре молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в машиностроении» (Казань, 2000 г.), Российском научном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001 г.), I Международной научно-практической конференции «Эффективные энергетические системы и новые технологии» (Казань, 2001 г.), научных семинарах каф. ЭПП, а также регулярно обсуждались на аспирантско — магистерских семинарах КГЭУ. 9.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Федотов А. И., Аксенов О. А. Согласование уставок защиты в сетях промышленного электроснабжения при наличии автономного источника питания. //Проблемы энергетики № 1−2, Казань, 2001. — с. 69−75.

2. Кондратьев С. И., Аксенов О. А. Исследование режимов работы пиковых газотурбинных электростанций в системах промышленного электроснабжения. Сообщение 2: Расчет и координация уровня токов короткого замыкания в системах промышленного электроснабжения с собственными тепловыми электрическими станциями на базе газотурбинных энергетических установок. // Проблемы энергетики № 1−2, Казань, 2001. — с. 65−68.

3. Федотов А. И., Аксенов О. А. Использование утилизационных газотурбинных установок в электрических сетях промышленных предприятий авиамоторостроения. // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В. Е. Алемасова, 24−27 октября 2001 г. Материалы докладов, Казань 2001. — с. 138.

4. Федотов А. И., Аксенов О. А. Особенности применения электростанций малой мощности в промышленных электрических сетях. // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В. Е. Алемасова, 24−27 октября 2001 г. Материалы докладов, Казань 2001. -с. 140.

5. Кондратьев С. И., Аксенов О. А. Исследование режимов работы пиковых газотурбинных электростанций в системах промышленного электроснабжения. Сообщение 3: Защита генераторов пиковых газотурбинных электростанций от несинхронных включений на параллельную работу с системой. // Проблемы энергетики № 5−6, Казань, 2001. с. 97−102.

6. Кондратьев С. И., Аксенов О. А. К вопросу о технической возможности внедрения газотурбинных энергетических установок в системы.

10 промышленного электроснабжения. // РНСЭ, 10−14 сентября 2001: Материалы стендовых докладов. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т 2001. — Т. V. — с. 110−112.

Выводы:

1. Большими возможностями в решении проблемы экономии топливноэнергетических ресурсов обладают предприятия, производящие и испытывающие авиационные газотурбинные двигатели. Утилизация струи выхлопных газов при испытаниях двигателей позволяет получать дополнительные мощности для выработки электроэнергии с выдачей ее заводскую систему промышленного электроснабжения. При этом ее можно производить столько, сколько позволяет потенциал выхлопных газов.

2. Выбор мощности генератора по имеющейся циклограмме испытаний двигателей можно выполнить путем преобразования реального графика выработки электроэнергии утилизационной установкой в эквивалентный (двухступенчатый суточный или упорядоченный годовой).

3. Для экономической оценки выбранной мощности генератора целесообразно пользоваться интегральными показателями стоимости с учетом фактора времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подводя итоги выполненных в настоящей работе исследований, можно следующим образом сформулировать основные результаты.

1. Показана высокая технико-экономическая эффективность сооружения ГТУ—ТЭС на действующих предприятиях.

2. Выявлен ряд технических особенностей, связанных с подключением генераторов собственной ТЭС к СПЭ. Предложена методика определения оптимальной мощности собственных ТЭС, не вызывающей существенной реконструкции СПЭ. Обоснована необходимость дополнения существующих норм технологического проектирования электрических станций для случаев использования последних на промышленных предприятиях.

3. Подтверждена необходимость пересмотра действия устройств релейной защиты и автоматики в промышленных сетях с собственной ГТУ-ТЭС в соответствии с требованиями к термической стойкости проводников. Разработаны условия оптимального выбора мероприятий по ограничению повышенных токов КЗ в действующих СПЭ. Предложена типовая схема защиты от несинхронных включений генератора ГТУ-ТЭС и энергосистемы на параллельную работу.

4. Разработана методика определения рациональной мощности генератора УГТУ по эквивалентным графикам выработки электроэнергии с использованием интегральных показателей стоимости.