Повышение эффективности управления эксплуатационными режимами систем электроснабжения промышленных предприятий с резкопеременной нагрузкой

Актуальность проблемы.

Система электроснабжения современного металлургического предприятия представляет собой комплекс сложного энергоемкого технологического оборудования и генерирующих мощностей. В настоящее время увеличивается как единичная мощность, так и общая доля электроустановок с резкопере-менным характером потребления электроэнергии. В системе электроснабжения промышленного предприятия (СЭГТП) к данным нагрузкам относятся электроприемники прокатного передела и электросталеплавильного производства. Наличие таких потребителей приводит к ухудшению качества напряжения в сети, качанию роторов синхронных генераторов (СГ) собственных электростанций промышленных предприятий и снижению устойчивости отдельных машин переменного тока и СЭПП в целом.

В современных рыночных условиях промышленные предприятия с целью снижения энергозатрат на производство заинтересованы в развитии собственных электростанций. Малые капитальные вложения и возможность использования вторичных энергетических ресурсов металлургического производства стимулируют использование объектов малой энергетики в виде СГ, приводимых газовыми турбинами и газопоршневыми двигателями. Это существенно усложняет конфигурацию промышленных электрических сетей, а при наличии энергоемких резкопеременных нагрузок делает актуальными проблемы обеспечения устойчивости самих генераторов и системы электроснабжения в целом.

Таким образом, параллельная работа объектов малой энергетики и мощных электроприемников с резкопеременной нагрузкой в СЭПП сопровождается эксплуатационными переходными режимами (ЭПР). Особенно утяжеляет такие переходные процессы выход электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в результате срабатывания релейной защиты или противоаварийной автоматики. Управление подобными режимами является задачей диспетчерского персонала электростанций и электрических сетей крупного промышленного предприятия.

Поэтому в сформулированных выше условиях актуальна разработка методики и программного обеспечения (ПО) расчета и анализа ЭПР с целью повышения эффективности оперативно-диспетчерского управления СЭПП сложной конфигурации.

Актуальность рассматриваемых вопросов отмечена в Федеральном законе «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», основных положениях энергетической стратегии развития России до 2020 года, «Основных направлениях развития энергетики Челябинской области на период до 2015 года», приказах ОАО «ММК» «О снижении расхода энергетических ресурсов в 2009 — 2012 году». Выполненные НИР в МГТУ: работа по договору с ОАО «ММК» «Управление эксплуатационными режимами системы электроснабжения ОАО „ММК“ с учетом ввода в эксплуатацию новых производственных мощностей со специфической нагрузкой на период до 2012 г.» и работа в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы по темам «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом» (государственный контракт № 02.740.11.0755) и «Создание энергосберегающих систем производства, распределения и потребления тепловой энергии в топливно-энергетическом хозяйстве города средствами регулируемого электропривода и автоматизированных систем управления технологическими процессами» (государственный контракт № 14.В37.21.0334) также подтверждают актуальность работы.

Степень научной разработанности проблемы.

Методы расчета переходных процессов систем электроснабжения приведены в работах В. А. Веникова, Л. А. Жукова, Ю. Е. Гуревича, П. С. Жданова,.

П. Андерсона, С. Бернаса. Моделирование СГ при расчете переходного режима изложено работах П. С. Жданова, Э. Кимбарка. Описание систем регулирования скорости генераторов, приводимых различного рода первичными двигателями, представлено в работах В. Н. Веллера, И. И. Кириллова, И. В. Котляра, J1.B. Арсеньева, Б. В. Сазанова, И. В. Крутова. В работах М.М. Фо-тиева, O.A. Маевского, Б. И. Фираго приведены основные уравнения зависимостей параметров режимов работы двигателей, питающихся от тиристорных преобразователей, от параметров питающей сети. Основные способы расчета показателей качества электроэнергии и влияния резкопеременной нагрузки изложены в работах И. В. Жежеленко, Б. И. Кудрина, B.C. Иванова, Ю. С. Железко, М. Томпсона.

Проведенный обзор существующей литературы показывает, что не достаточно проработаны вопросы управления ЭПР и анализа устойчивости промышленных систем электроснабжения сложной конфигурации, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку. Математические модели СГ, приводимых газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания, и резкопеременной нагрузки не адаптированы к расчету ЭПР.

Целью работы является повышение эффективности управления эксплуатационными режимами сложнозамкнутых систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку, за счет прогнозирования эксплуатационных режимов и принятия решений по адаптивной реконфигурации сети.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Получены математические модели синхронных генераторов, входящих в состав объектов малой энергетики, и упрощенные математические модели промышленных электроприемников с резкопеременным характером потребления электроэнергии для расчета эксплуатационных переходных режимов при раздельной и параллельной работе с энергосистемой.

2. Разработана методика оперативного расчета и анализа эксплуатационных переходных режимов сложнозамкнутых промышленных систем электроснабжения при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом энергоемких резкопеременных нагрузок и объектов малой энергетики.

3. Предложен алгоритм оперативно-диспетчерского управления режимами систем электроснабжения промышленных предприятий с целью снижения влияния резкопеременной нагрузки на колебания напряжения и повышения устойчивости машин переменного тока.

4. Выполнена программная реализация разработанных методики и алгоритма.

5. Проведен анализ эксплуатационных переходных режимов при работе резкопеременной нагрузки в условиях системы электроснабжения ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» («ММК») при помощи разработанного ПО и даны рекомендации по адаптивной реконфигурации системы с целью сохранению устойчивости и снижению колебаний напряжения.

Методы исследования.

Решение поставленных задач велось на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории вероятности и математической статистики, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных интервалов, модифицированного метода последовательного эквивалентирова-ния. Исследования проводились с помощью оригинального ПО.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

1) соответствием результатов вычислительного эксперимента экспериментальным данным в виде осциллограмм напряжений;

2) корректным использованием методов последовательного эквивалентиро-вания и последовательных интервалов;

3) использованием реальных технических характеристик оборудования и апробированием ПО на действующем промышленном предприятии.

Научная новизна.

1. Разработана методика расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации при наличии объектов малой энергетики и работе резкопеременной нагрузки, позволяющая анализировать и прогнозировать подобные режимы при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу.

2. Получен алгоритм управления ЭПР при наличии резкопеременной нагрузки, позволяющий разработать мероприятия по повышению качества электроэнергии, устойчивости СЭПП и снижению электрических потерь, отличающийся возможностью принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.

3. Созданы математические модели СГ, приводимых газопоршневыми двигателями и газовыми турбинами, с целью расчета ЭПР при наличии резкопеременной нагрузки, отличающиеся учетом типа системы автоматического регулирования скорости (АРС) и возможностью использования при исследовании режимов выхода электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в условиях дефицита мощности.

Практическая значимость результатов работы.

1. Созданное ПО позволяет осуществить расчет и анализ ЭПР СЭПП и оценить динамическую устойчивость машин переменного тока при работе резкопеременной нагрузки и наличии объектов малой энергетики.

2. Использование программного комплекса дает возможность оценить отклонения и колебания напряжения во всех точках исследуемой сложно-замкнутой СЭПП с учетом взаимного влияния обобщенных резкоперемен-ных нагрузок и отдельных машин переменного тока.

3. Разработанный алгоритм позволяет повысить эффективность управления эксплуатационными режимами сложнозамкнутых СЭПП за счет принятия решений по адаптивной реконфигурации сети с целью повышения качества электроэнергии и динамической устойчивости машин переменного тока.

4. Разработанный применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «ММК» комплекс мероприятий, направленный на снижение уровня колебаний напряжения, позволяет уменьшить ущерб от дополнительных потерь мощности, возникающих при работе резкопеременной нагрузки, а также повысить устойчивость СГ собственных электростанций.

Реализация результатов работы.

1. Разработано ПО расчета ЭПР СЭПП с местными тепловыми электростанциями и объектами малой энергетики при параллельной и раздельной работе с энергосистемой и наличии резкопеременной нагрузки. Программный комплекс «КАТРАН 6.0» прошел государственную регистрацию в Федеральной службе по патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ № 201 261 209 от 24.02.2012 г.).

2. Созданы базы данных по объектам малой энергетики Магнитогорского энергетического узла (МЭУ), энергоемким электроприемникам с резкопеременной нагрузкой и компенсирующим устройствам системы электроснабжения ОАО «ММК», предназначенные для использования совместно с разработанным программным комплексом.

3. Полученное ПО использовано для оперативного прогнозирования ЭПР СЭПП, анализа динамической устойчивости и принятия решений по адаптивной реконфигурации системы при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

4. Разработанная программа для ЭВМ прошла апробацию в группе режимов Центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) и на оперативно-производственном участке цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК», получила положительное заключение и внедрена в практику эксплуатации.

5. Разработаны и переданы для последующего внедрения мероприятия по реализации результатов работы, позволяющие снизить колебания напряжения и потери мощности при работе стана горячей прокатки 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК». Расчетный экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий составляет 1,7 млн руб. в год.

6. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнергетических системах» и «Устойчивость систем электроснабжения» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» и повышении квалификации руководящих работников энергослужб.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика расчета ЭПР СЭ1111 сложной конфигурации при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

2. Алгоритм управления ЭПР СЭПП, имеющих собственные электростанции, позволяющий повысить качество напряжения и устойчивость машин переменного тока при действии резкопеременной нагрузки за счет принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.

3. Математические модели промышленных генераторов, входящих в состав объектов малой энергетики, предназначенные для расчета ЭПР, вызванных действием резкопеременных нагрузок.

4. Результаты расчета и анализа устойчивости и показателей качества электроэнергии, полученные с помощью разработанных методики и алгоритма в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК».

Апробация работы.

Основные положения, выносимые на защиту диссертации, и основные аспекты глав обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), IV и VI Международных молодежных научных конференциях «Тин-чуринские чтения» (г. Казань, 2009 г., 2011 г.), VIII и X Международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С-Петербург, 2009 г., 2010 г.), 11 Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» г. Пенза, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (г.Омск, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.), X и XI Всероссийских научно-практических конференциях «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (г. Магнитогорск, 2009 г., 2010 г.), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (г. Уфа, 2010 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2011 г.), VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос «Молодёжь и наука» (г.Красноярск, 2011 г.), 67-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ (г. Магнитогорск, 2009 г.), 68-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 г.).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка из 121 наименования и 10 приложений. Объем работы включает 159 страниц основного текста, в том числе 85 рисунков и 18 таблиц.

Выводы.

1. Проведено технико-экономическое описание собственных электростанций и энергоемких резкопеременных нагрузок, входящих в состав системы электроснабжения ОАО «ММК».

2. С помощью разработанного ПО проведены расчеты динамической устойчивости СГ, приводимых различного рода первичными двигателями. По результатам расчета было определено, что наибольшей динамической устойчивостью обладает СГ, приводимый газовой турбиной с системой регулирования скорости с гибкой обратной связью.

3. Проведена статистическая оценка графиков потребления мощности ДПС ЭСПЦ ОАО «ММК».

4. С целью анализа влияния работы резкопеременной нагрузки на качество напряжения были проведены расчеты ЭПР при работе стана горячей прокатки 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК» в составе МЭУ. На основании полученных результатов расчетов рассчитаны значения колебаний напряжения и разработаны рекомендации по снижению уровня данных колебаний напряжения на ПС 22.

5. На примере ПС 22 проанализировано влияние на качество напряжения работа на шинах ПС других резкопеременных нагрузок с малой электрической удаленностью от рассматриваемой. Было доказано, что резкопеременные нагрузки, получающие питание от единой сложнозамкнутой СЭПП оказывают взаимное влияние на параметры режима, поэтому исследование параметров одной нагрузки без учета других электрически малоудаленных не корректно.

6. Исследовано влияние способа представления питающей сети на параметры ЭПР. На основании результатов расчетов сделаны выводы о том, что представление источника питания в виде системы бесконечной мощности за некоторым сопротивлением дает существенную погрешность по сравнению с непосредственным исследованием сложнозамкнутой системы электроснабжения.

7. С помощью разработанного ПО проведено исследование ЭПР ПС 22 в перспективной схеме и сделаны выводы, что предлагаемые к установке ГТУ обладают меньшей динамической устойчивостью по сравнению с ПТУ.

8. С целью оценки влияния наличия объектов малой энергетики и работы резкопеременной нагрузки на устойчивость МЭУ проведена серия расчетов ЭПР при параллельной работе и выходе на раздельную работу с энергосистемой собственных электростанций с использованием оригинального ПО.

9. Результаты расчетов описанных режимов показали, что Магнитогорский энергетический узел обладает высокой динамической устойчивостью, что связано с существованием мощной связью с энергосистемой в параллельном режиме работы и избыточной мощностью собственных генераторов при выходе на раздельную с энергосистемой работу.

10. На основании полученных результатов расчетов режимов работы системы электроснабжения ОАО «ММК» рассчитаны значения колебаний напряжения, вызванные работой резкопеременной нагрузкой, и разработаны рекомендации по снижению уровня данных колебаний напряжения на ПС 22.

11. Расчетный экономический эффект от включения существующих компенсирующих устройств ПС 22, возникающий за счет снижения потерь мощности от колебаний напряжения и изменения потокораспределения при компенсации реактивной мощности, составляет 1,7 млн руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Рассмотренные в диссертационной работе теоретические и практические исследования, направленные на повышение эффективности управления ЭПР сложнозамкнутых СЭПП при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки, за счет прогнозирования ЭПР при параллельной и раздельной работе с энергосистемой, позволяют сформулировать следующие результаты:

1. Разработана методика оперативного расчета и анализа ЭПР СЭПП, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку, при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу, позволяющая оценить изменение напряжения в узловых точках сети и углов роторов синхронных машин с целью анализа показателей качества электроэнергии и динамической устойчивости машин переменного тока.

2. С целью разработки мероприятий, предусматривающих адаптивную реконфигурацию сети и направленных на повышение качества электроэнергии и устойчивости СЭПП, получен алгоритм управления ЭПР, позволяющий учесть изменение параметров режима при работе энергоемкой резкопеременной нагрузки, компенсирующих устройств и объектов малой энергетики.

3. Предложены математические модели СГ, входящих в состав регулируемых и нерегулируемых объектов малой энергетики, таких как ГТУ, ПГУ, ГПУ и ГУБТ, с целью расчета ЭПР СЭПП. Получены расчетные математические модели электроприемников с резкопеременным характером потребления электроэнергии для использования в расчете ЭПР.

4. Разработан и отлажен программный комплекс «КАТРАН 6.0», позволяющий проводить расчет и анализ ЭПР СЭПП, имеющих в своем составе объекты малой энергетики, при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом работы резкопеременной нагрузки. Программный комплекс апробирован и внедрен в группе режимов ЦЭТЛ и диспетчерской службе цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК». Программный комплекс «КАТРАН 6.0» прошел государственную регистрацию в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ № 201 261 209 от 24.02.2012 г.).

5. При помощи созданного программного комплекса с целью апробации разработанных методики и алгоритма осуществлен анализ ЭПР в условиях сложнозамкнутой системы электроснабжения ОАО «ММК», произведена оценка влияния работы резкопеременной нагрузки на качество напряжения и способа представления питающей сети на параметры ЭПР, осуществлен анализ динамической устойчивости синхронных машин при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу.

6. Разработаны и переданы для внедрения мероприятия по повышению эффективности управления ЭПР системы электроснабжения ЛПЦ-4 ОАО «ММК». Расчетный экономический эффект составляет 1,7 млн руб. в год за счет сокращения потерь электроэнергии в распределительных сетях предприятия.

7. Разработанные методика, алгоритм и программный комплекс использованы при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Устойчивость систем электроснабжения» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» и могут быть рекомендованы для расчета и анализа ЭПР в службах диспетчерского управления крупных промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции, независимо от отрасли промышленности.