// Электрика. – 2006. – № 2.– С.11-15.

Об опыте проектирования электроснабжения агрегатов "печь–ковш"

А.Ф.Аркаев

ОАО "Сибирский Тяжпромэлектропроект"

 

В связи с реконструкцией сталеплавильного производства на ОАО ЗСМК возникла необходимость в проекте электроснабжения агрегатов "печьковш" в расширяемой части кислородно-конвертерных цехов № 1 и № 2, где предусматривалась установка соответственно двух и одного таких агрегатов.

Проектирование выполняли в три этапа: ТЭО, основные технические решения и рабочий проект с выделением утверждаемой части. ТЭО и основные технические решения были разработаны Гипромезом, утверждаемая часть проекта разработана им же совместно с Сибирским Тяжпромэлектропроектом. Вопросы подключения к энергосистеме решены Томским Энергосетьпроектом. Рабочая документация выполнена Сибирским Тяжпромэлектропроектом, к строительной части проекта был привлечён Сибирский Промстройпроект.

В расширяемой части ККЦ № 2 установлен новый двухпозиционный агрегат "печьковш" ёмкостью 320 т с трансформатором мощностью 40/45 МВА, первичное напряжение 35 кВ (рис.1).

Для расширяемой части ККЦ № 1 предусмотрены агрегаты ёмкостью по 140 т с трансформаторами мощностью 20/24 МВА, первичное напряжение 35 кВ.

Агрегаты "печьковш" (в соответствии с требованиями к надежности электроснабжения) формально относятся ко второй категории, однако, учитывая их высокую производительность и технологическую значимость, а также особые требования, предъявляемые заказчиком, все решения по схеме электроснабжения приняты как для потребителей первой категории. Агрегаты получают питание от двух независимых источников со взаимным автоматическим переключением питающих цепей при исчезновении напряжения на одной из них. Нагрузка имеет ударный характер (но более спокойный, чем у дуговых сталеплавильных печей) и достаточно низкий коэффициент мощности (0,8); вследствие нелинейности дуги агрегаты являются источниками высших гармоник тока и напряжения. В целях определения влияния на питающую сеть и в связи с необходимостью выбора степени компенсации были выполнены расчеты (с привлечением специализированной организации НПО "Энерготехнология", г. Москва).

Для обеспечения нормативных требований к качеству электрической энергии и устойчивой работы агрегатов без снижения их производительности необходимо, чтобы колебания напряжения в "общей" точке сети, к которой они подключены (шины 220 кВ подстанции ЗСМК-1), не превышали 1 % от номинального. Установлено, что значение Sкз в точке подключения электропечной нагрузки к шинам общего назначения (шины 220 кВ подстанции ОП-25) достаточно велико (в минимальном режиме 9553 МВА), при этом доза фликера при работе агрегатов "печьковш" значительно ниже допустимого значения 1 %.

Установки компенсации реактивной мощности оборудованы реакторами для фильтрации высших гармоник. Расчеты показали, что мощность фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) на шинах 35 кВ подстанций агрегатов "печьковш" должна быть в ККЦ № 2 (Sпт=45 МВА) 17,6 Мвар, в ККЦ № 1 (Sпт=25 МВА) 8,8 Мвар на каждый из агрегатов, приняты фильтрокомпенсирующие цепи (ФКЦ), настроенные на 3-ю гармонику. Суммарная расчетная нагрузка на шинах 35 кВ с учетом компенсации реактивной мощности составляет порядка 65 МВА.

Расчетное значение коэффициента искажений синусоидальности кривой напряжения на шинах 220 кВ составляет для наихудшего случая 0,07 %, а на шинах 35 кВ – 1,0 %, что существенно ниже допустимых значений по ГОСТ 13109–97.

Источники электроснабжения агрегатов. Для питания нагрузок вновь сооружаемых объектов в ККЦ № 1 и ККЦ № 2 на комбинате потребовалось сооружение новой опорной подстанции 220/35 кВ ОП-25. По техническим условиям ОАО "Кузбассэнерго" подключение подстанции должно осуществляться заходом существующей линии 220 кВ "ЗСМЗ-1–ТУ ГРЭС", а также строительством линий 220 кВ "Ускатская" к ПС 220/10 кВ.

На стадии ТЭО Гипромез на основании технических условий ОАО "Кузбассэнерго" предложил сооружение мощной подстанции районного типа с развитым распредустройством 220 кВ (220–13) на 12 присоединений, с установкой четырех силовых трансформаторов (два – для печной нагрузки, два – для нагрузок листостана), а также сооружение группового ФКУ-35, общего для всех печных агрегатов.

Однако сооружение такой подстанции привело бы к отчуждению большой территории комбината и для самой подстанции (200×200 м), и для коридора из шести линий 220 кВ. Значительно усложнились бы обслуживание подстанции и диспетчеризация, требующая присутствия как системного, так и технологического диспетчера. Поэтому решения ТЭО были существенно изменены.

На техническом совещании в г. Томске принято решение о разделении проектируемой подстанции с выделением ОРУ-220 кВ (выносное ОРУ-220 кВ) и расположением его за территорией комбината в непосредственной близости от питающей ВЛ-220 кВ "ТУ ГРЭС–ЗСМЗ-1" (см. схему электроснабжения на рис.1). На промплощадке комбината было решено разместить технологическую подстанцию 220/35 кВ ОП-25, питаемую двумя линиями 220 кВ от выносного ОРУ-220 кВ (что облегчило решение вопросов управления, диспетчеризации, связи и обслуживания).

На технологической подстанции принята упрощённая схема ОРУ-220 кВ – "4Н" с неавтоматической перемычкой на разъединителях, установлены два трансформатора для печной нагрузки 220/35 кВ мощностью 100/200 МВА (номинальная/пиковая). Что касается установки двух трансформаторов для листового стана, то перспективу развития сталеплавильного производства можно решить сооружением отдельной подстанции в непосредственной близости от центра нагрузок с питанием её отпайкой от линии 220 кВ к ОП-25.

Было решено отказаться от сооружения группового ФКУ-35 на территории ОП-25 и вынести эти устройства непосредственно к печным агрегатам, что позволит исключить излишние перетоки реактивной мощности по кабельным линиям, а также оптимизировать решение вопросов компенсации реактивной мощности при поэтапном развитии производства (сегодняшние тенденции в реконструкции комбината это подтверждают).

Все эти решения способствовали сокращению сроков и стоимости строительства ОП-25 и позволили обеспечить намеченный пуск ввода агрегата "печьковш" в ККЦ № 2 даже с учетом отставания сроков по сооружению ОРУ-220 кВ.

Опорная подстанция 220/35 кВ ОП-25 выполнена в виде открытого распределительного устройства (ОРУ) 220 кВ и отдельностоящего здания закрытого распределительного устройства (ЗРУ) 35 кВ со щитовым блоком. На ОРУ-220 кВ установлены трансформаторы 220/35 кВ, 100/200 МВА с выносными маслоохладителями, выключатели, разъединители, ограничители перенапряжения и трансформаторы напряжения 220 кВ.

Трансформаторы 220/35 кВ мощностью 100/200 МВА (специального металлургического исполнения, индивидуального изготовления) предназначены для работы в условиях "ударных" резкопеременных нагрузок, имеют выносную систему охлаждения и отдельные фундаменты.

ОРУ-220 кВ выполнена по схеме мостика с неавтоматической перемычкой на разъединителях (схема "4Н"), на стороне 35 кВ принята двухсекционная схема (35-9) на четыре отходящих присоединения.

Распредустройство 35 кВ (КРУЭ-35) и щитовое помещение ОПУ размещены в закрытом здании (здание ЗРУ двухэтажное, 6×42 м), ЗРУ и ОПУ расположены на втором этаже. Первый этаж выполняется без стен, с сетчатым ограждением, с размещением кабельных конструкций под перекрытием второго этажа, что облегчает условия эксплуатации и не требует выполнения пожарной автоматики и сигнализации.

При выполнении проекта установки КРУЭ-35 кВ на перекрытии второго этажа в здании ЗРУ возникла необходимость решения проблемы утепления помещения. Поскольку первый этаж здания не отапливается, необходимо было выполнить уплотнение проёмов для прохода однофазных кабелей 35 кВ. Изготовители предлагают под шкафами КРУЭ проёмы для выхода кабелей в закрытое утеплённое кабельное помещение. Для прохода кабелей были заданы отверстия в бетонном перекрытии с патрубками из немагнитных материалов (нержавеющая сталь, асбоцемент), что потребовало от исполнителей строительной части жёсткого соблюдения размеров под отверстия во избежание смещений от оси кабельных муфт, расположенных над проёмами.

При выборе оборудования был проведён тендер (на основании разработанных Гипромезом исходных требований), по итогам которого выбрали оборудование фирмы Alstom. На ОРУ-220 кВ предусмотрена установка элегазовых баковых выключателей типа HGF повышенной надёжности. Распредустройство 35 кВ закрытого исполнения в виде КРУЭ-35 кВ состоит из ячеек Alstom с вакуумными выключателями с элегазовой изоляцией; это позволило минимизировать размеры помещения (размеры ЗРУ составляют всего 12×6 м), обеспечить повышенную надежность и увеличить срок службы.

Релейная защита и автоматика всех присоединений выполнена на микропроцессорных устройствах серии Mikom. Устройства релейной защиты присоединений 35 кВ размещены в релейных отсеках ячеек КРУЭ-35 кВ. Комплекты защит присоединений 220 кВ и трансформаторов выполнены в отдельностоящих шкафах новосибирской фирмы "КЭМОНТ"; в этих же шкафах размещены аппараты управления и контроля.

При выполнении проекта было принято решение отказаться от традиционного щита управления и сигнализации, применив цифровую микропроцессорную систему управления PSCN фирмы Areva, позволяющую осуществлять управление, наблюдение, диагностику всех элементов подстанции, передавать информацию на верхние уровни управления с распечаткой отчетных документов обо всех событиях рабочих и аварийных процессов. Вся информация по подстанции отображается на мониторе компьютера.

Система управления, автоматизации и представления данных ОП-25 состоит из трех уровней:

·                             нижний – устройства защиты присоединений;

·                             средний – устройства сбора информации от устройств защиты; осуществление автоматического включения резерва АВР, автоматического повторного включения АПВ, автоматической частотной разгрузки АЧР; управление работой секционного и вводных выключателей;

·                             верхний – автоматизированные рабочие места операторов, где осуществляют общее наблюдение, принятие решений и управление работой оборудования подстанции ОП-25.

Структура системы учитывает удалённость технологических объектов, объем принимаемой и обрабатываемой информации, что в качестве средств обработки, телекоммуникационной передачи и приема информации современных технических и программных средств определяет использование программируемых микропроцессорных устройств, программируемых контроллеров, персональных компьютеров и сетевого оборудования.

Для оперативно-диспетчерской и технологической связи ОП-25 и передачи информации на диспетчерский пункт электроснабжения ДПЭ ЗСМК, ДП ЦСП и ДП МЭФ предусмотрены: диспетчерская связь с ДПЭ ЗСМК, ДП ЦСП ЗСМК, ДП МЭФ; диспетчерская связь с дежурным персоналом выносного ОРУ-220 кВ; выход дежурного персонала подстанции в сеть АТС комбината и города; охранно-пожарная сигнализация с выдачей сигналов оповещения на ДПЭ ЗСМК и на пульт пожарного депо ЗСМК.

Для осуществления указанных видов связи и передачи информации предусмотрены подвеска грозотроса ОКГТ-МТ со встроенным волоконно-оптическим кабелем на опорах ВЛ-220 кВ до выносного ОРУ-220 кВ; прокладка кабелей: 30-парного телефонного и волоконно-оптического от ОП-25 до АБК ККЦ № 2 и 50-парного телефонного от ККЦ № 2 до ДП7.

В соответствии с техническими требованиями на передачу информации с ОП-25 на диспетчерские пункты ЗСМК и МЭФ на ОП-25 организованы две системы автоматизированного контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ): система коммерческого учета с передачей информации на ДП МЭФ; система технического учета с передачей информации на ДПЭ (диспетчерский пункт по учету электроэнергии) ЗСМК. Система коммерческого учета выполнена с применением счетчиков класса 0,2 типа СЭТ-4ТМ.022-12 и сетевого индустриального контроллера "СИКОН С1"; цифровой канал подключения использует интерфейс RS-485.

Система технического учета создана на базе счетчиков типа СЭТ-4ТМ.02.2-12 и комплекса технических средств КТС "Энергия". В состав комплекса входит устройство сбора данных (УСД) с памятью типа Е443 М2-01.1 (EURO) на 32 канала, установленное на ОП-25.

Подключение агрегатов "печь–ковш". Для подключения печных трансформаторов к ЗРУ 35 кВ ПС ОП-25 используют однофазные кабели 35 кВ из сшитого полиэтилена типа АпВВнГ с алюминиевыми жилами сечением 300 мм2 для ККЦ № 2 и 150 мм2 – для ККЦ № 1 (по две группы кабелей на присоединение для повышения надежности. При выборе типа кабеля требуется проверка на термическую устойчивость к токам аварийного режима (например, двухфазного КЗ на землю) не только сечения рабочей жилы кабеля, но и сечения экрана, для чего были проведены ориентировочные расчеты токов короткого замыкания.

Для заказа кабелей 35 кВ и кабельных муфт были составлены исходные требования, отразившие требуемые номинальные параметры, значения аварийных токов, время их протекания, условия прокладки кабелей, план трасс. Необходимо учитывать, что при заземлении экрана жилы кабеля с обеих сторон в нём протекает ток, индуцированный рабочим током фазы. Его величина в линиях на ККЦ № 2 составляет до 30 А (по данным замеров). Для уменьшения этой составляющей жилы кабеля прокладывают треугольником с бандажом из немагнитного материала.

Прокладка кабелей предусмотрена по проектируемым электрокабельным эстакадам с частичным использованием существующих электрокабельных тоннелей. Бóльшая часть эстакад предусматривается непроходной на 36 кабелей с установкой на железобетонных стойках несущих ферм, на которых выполняется крепление кабельных конструкций. В местах пересечения с коммуникациями эстакады выполняют проходными. Кабели не требуют защиты от солнечной радиации.

В составе отдельного проекта выполнено подключение распредустройства РУ 35 кВ к питающей ЛЭП 35 кВ, а также подключение печного трансформатора и ФКУ-35 кВ к РУ-35 кВ.

При выборе изготовителя КРУ-35 кВ фирмой "ФАИ-Техника" был проведён тендер: рассматривались предложения фирм Siemens, АВВ, Шнайдер-Электрик. Были приняты предложения Ровенского завода высоковольтной аппаратуры (РЗВА) как самые дешевые и, вместе с тем, достаточно надежные, удовлетворяющие требованиям технологического оборудования. Поставленное РЗВА печное распредустройство 35 кВ принято комплектным и установлено в электротехническом помещении ККЦ № 2 в непосредственной близости от печного агрегата (однолинейная схема представлена на рис.2).

Для коммутации печного трансформатора был применён вакуумный выключатель ВР-35 собственной разработки РЗВА с определённым количеством циклов "включение-отключение". При номинальном токе до 3000 А механический ресурс составляет 30000 циклов. Для увеличения количества циклов и обеспечения бесперебойной работы агрегата завод поставил два выключателя на выкатных тележках.

Для коммутации ФКУ в том же КРУ-35 предусмотрен элегазовый выключатель фирмы Simens НД4/7 на ток 1250 А.

Одним из недостатков работы оборудования КРУ-35 кВ печной подстанции, как выявил опыт эксплуатации, является перегорание предохранителей трансформаторов напряжения вследствие протекания феррорезонансных процессов при коммутации печи. Заводом-изготовителем пока не найдено эффективное решение по защите трансформаторов напряжения. Очевидно, наиболее целесообразным является применение антиферрорезонансных трансформаторов напряжения (на класс напряжения 35 кВ пока не изготавливаются), либо проведение специальных мероприятий по подавлению этих процессов (например, применение R-C цепей).

В настоящее время установка агрегата "печьковш" реализована в ККЦ № 2. Построены подстанция 220/35 кВ ОП-25, ВЛ-220 кВ к ней, кабельная линия 35 кВ к РУ-35 кВ и ФКУ-35.

Рис. 1. Принципиальная однолинейная схема реконструкции

Рис.2. Схема электроснабжения кислородно-конвертерных цехов 1 и 2 на напряжение 220, 35 кВ