// Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып.12. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. С. 52–59.

 

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Г.А. Прокопчик, А.В. Сычёв

 

Этот доклад посвящается памяти заведующего кафедрой «Электроснабжение»

Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого,

доктора технических наук, профессора,

выпускника Томского политехнического института

Василия Васильевича Прокопчика

 

Последние десятилетия развитие промышленности шло по пути создания крупных промышленных комбинатов и предприятий с непрерывными технологическими процессами. В наибольшей степени это коснулось таких отраслей как металлургия, химия, нефтепереработка, транспорт нефти и газа и др. Одновременно с этим в энергосистемах для покрытия нагрузок строили мощные электростанции, линии электропередач высокого и сверхвысокого напряжения. По мере роста мощности, как производителей, так и потребителей электроэнергии каждая из сторон стала считать приоритетными задачи функционирования собственных технических систем, игнорируя главную особенность электроэнергетики – неразрывность производства и потребления электроэнергии, что в итоге привело к обострению проблемы качества электрической энергии и надежности электроснабжения и проблемы режимного взаимодействия в процессе электропотребления.

Повышение требований к качеству и надежности электроснабжения связано, в первую очередь, с широким внедрением компьютерных технологий управления технологическими процессами и усложнением последних, а корни проблемы качества и надежности электроснабжения лежат в схемных решениях внешнего электроснабжения предприятий. Подача электроэнергии на средние и крупные предприятия осуществляется исключительно через воздушные линии электропередач (ЛЭП) напряжением 110-750 кВ (даже для предприятий с непрерывными технологическими процессами). Такая система питания электроэнергией неизбежно сопровождается кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ) потребителей из-за коротких замыканий и грозовых повреждений на ЛЭП. Короткие замыкания (КЗ) отключаются защитами достаточно быстро, однако за это время успевают остановиться непрерывные технологические процессы. Так, за 2001 г. метизное производство Белорусского металлургического завода (БМЗ) останавливалось 27 раз, а брак металлокорда, возвращенного на переплавку, составил 1100 т. В 1999 г. было порядка 240 претензий потребителей Беларуси по качеству электроснабжения, и в 140 случаях эти претензии были признаны обоснованными.

Для повышения качества электроснабжения предприятий В.В. Прокопчиком предложена методология ограничений кратковременных нарушений электроснабжения потребителей на основе учета характера и внутренней структуры этих нарушений, а также комплексного применения новых способов и специальных устройств улучшения электромагнитной совместимости электрооборудования с питающей сетью, реализуемых в энергосистеме и на различных уровнях систем электроснабжения предприятий.

Методология ограничений воздействия КНЭ на работу предприятий разрабатывалась исходя из того, что возмущения со стороны источников питания могут проявляться либо нарушением динамической устойчивости в узле нагрузки, либо нарушением технологической устойчивости агрегатов и линий непрерывного производства.

В случае нарушения динамической устойчивости нагрузки непрерывность технологических процессов может быть сохранена, если осуществлять управление самозапуском электродвигателей или их автоматический повторный пуск (СЗ и АПП). Допустимость управления СЗ или АПП определяется технологической устойчивостью агрегатов и линий непрерывного производства к воздействию КНЭ. Допустимое по технологии время нарушения электроснабжения  зависит от инерционных свойств электроприводов в комплекте с механизмами и от уставок работы технологических защит и блокировок.

Для решения проблемы технологической устойчивости агрегатов коллективном специалистов кафедры «Электроснабжение» под руководством В.В.Прокопчика проведены исследования границ устойчивости ПЧЭ при различных провалах напряжения по цепи питания. Исследования проводились методом активного эксперимента с помощью специально разработанных устройств, моделирующих сетевые провалы напряжения длительностью от 3 мс. Исследовали поведение ПЧЭ при симметричных трехфазных провалах напряжения прямоугольной формы глубиной  до 25-35% и различной длительности. Объектами исследования были: стан тонкого волочения типа Т-12 модели 21/200 фирмы «Danieli» (Италия, Руст=55 кВт) в цехе металлокорда БМЗ и обрабатывающий центр с ЧПУ типа ИР-500ПМФ4 (Руст=100 кВт) производства станкостроительного завода им. С.М. Кирова (г. Гомель).

На рисунке представлены экспериментальные зависимости границ и области устойчивой работы исследуемых ПЧЭ при провалах напряжения по цепи питания. Из графиков следует, что рассмотренные ПЧЭ непрерывного производства обладают практически одинаковой устойчивостью к воздействию КНЭ. При этом допустимая глубина провала напряжения зависит от его длительности, а граница устойчивости имеет нелинейный характер.

Проведённые исследования показали, что наиболее чувствительными к воздействию КНЭ являются агрегаты и линии непрерывного производства, питающиеся от цеховых электрических сетей напряжением 0,38 кВ.

Для локализации кратковременных нарушений электроснабжения на уровне ГПП и РП предприятий разработаны и защищены авторскими свидетельствами:

• устройство быстродействующего АВР с контролем скорости снижения частоты на секциях шин подстанции и направления мощности на вводе;

• устройство управления самозапуском электродвигателей.

Кроме того, в работах В.В. Прокопчика доказано положительное влияние на устойчивость работы технологического оборудования при КНЭ применение в системах электроснабжения предприятий заводских ТЭЦ на напряжении 10 (6) кВ.

Граница устойчивой работы ПЧЭ при сетевых провалах напряжения:

– граница устойчивой работы волочильного стана Т-12 модели 21/200;


– граница устойчивой работы станка с ЧПУ типа ИР-500 ПМФ 4

 

В.В. Прокопчиком выдвинута гипотеза, что повысить устойчивость работы помехочувствительного электрооборудования предприятий можно и за счет схемных решений в системе внешнего электроснабжения. Для подтверждения предположения, на основании расчетов, выполненных с использованием программного комплекса «ТКЗ-3000» для электрических сетей Белорусской энергосистемы, исследовано влияние схем и режимов работы сетей 110–750 кВ энергосистемы (при создании КЗ в различных ветвях и узлах) на характеристики КНЭ по источникам питания предприятий с непрерывными технологическими процессами. Моделирование различных режимов работы электрических сетей показало, что для электроснабжения узлов нагрузки с непрерывным производством можно обеспечить независимость и взаимное резервирование двух источников питания не только в послеаварийных режимах, но и в процессе протекания КЗ. По результатам исследования В.В. Прокопчиком разработана методика оптимизации схем внешнего электроснабжения по отношению к потребителям с ПЧЭ.

Кроме того, проведённые исследования позволили сформулировать основное требование к источникам питания предприятия – наличие на одном из источников нормального (номинального), либо не выходящего за пределы устойчивости работы ПЧЭ напряжения не только в послеаварийном режиме, но и в момент провала напряжения на другом источнике. В связи с этим кроме «полностью независимых источников» питания предложено различать «относительно независимые источники», когда провалы напряжения на них происходят одновременно, но при этом остаточное напряжение на одном из источников позволяет сохранить устойчивую работу ПЧЭ предприятия.

Другим направлением научных исследований В.В. Прокопчика и его кафедры является повышение эффективности электропотребления промышленных предприятий.

Сложившаяся в последнее десятилетие политика энергосбережения, основанная на директивном воздействии на потребителей электроэнергии путем лимитирования и нормирования электропотребления, не принесла ожидаемых результатов ни в Беларуси, ни в России, ни в других странах СНГ. Энергоемкость промышленной продукции растет и в несколько раз превышает энергоемкость в развитых странах. Эта проблема особенно ощутима для предприятий с непрерывными технологическими процессами, где составляющая энергозатрат в себестоимости продукции достаточно велика, а возможности маневрирования нагрузкой ограничены. В качестве примера можно привести черную металлургию России, где энергозатраты в себестоимости продукции в 1990 г. составляли 15%, а в 1999 г. выросли до 35% и продолжают расти. При этом энергетики вынуждены заниматься несвойственными им задачами - разработкой плановых мероприятий по энергосбережению. Они мало занимаются вопросами оптимизации режимов работы электрооборудования, которые могут дать существенную экономию электроэнергии. При этом должны быть созданы экономические предпосылки в виде тарифных систем, побуждающие потребителей регулировать режимы электропотребления с выгодой и для себя, и для энергосистемы.

Анализ суточных графиков активных мощностей промышленных предприятий региона показал неэффективность действия в Беларуси дифференцированных по зонам суток тарифов. Необходим пересмотр временных интервалов тарифных зон и тарифных коэффициентов, которые в существующем виде не стимулируют потребителей к маневрированию графиками своих нагрузок в направлении снижения максимума совмещенной нагрузки. Величина такого снижения может достигать 7-10% от существующего уровня.

Другим аспектом оптимизации режимов электропотребления является компенсация реактивной мощности в системах промышленного электроснабжения. Несмотря на давнюю известность задачи, В.В. Прокопчиком и его учениками были предложены более совершенные – экономические принципы режимного взаимодействия потребителей и энергосистемы, в основе которых лежит критерий минимума затрат на активную и реактивную составляющую электроэнергии. Сами принципы сформулированы следующим образом:

-      компенсация реактивной мощности нагрузки должна осуществляться потребителями до уровней, обеспечивающих минимум затрат на электропотребление путем сопоставления стоимости покупаемой в энергосистеме реактивной мощности с затратами на её генерацию собственными источниками РМ;

-      регулирование отношений между потребителями и продавцами реактивной энергии и мощности должно осуществляться только через систему тарифов, которые в существующем виде не отражают реальных затрат на транспорт реактивной мощности и энергии от её источников к потребителям.

В работах Прокопчика В.В. рассмотрена задача оптимизации режима реактивной мощности для таких объектов, как насосные станции (НС) магистральных нефтепроводов, а также задача оптимизации режима реактивной мощности в многоуровневых системах электроснабжения.

В случае оптимизации режимов реактивной мощности насосных станций использована математическая модель, отражающая влияние реактивной нагрузки СД на издержки потребителя:

                                      (1)

где ai – коэффициент загрузки i-го СД по реактивной мощности; Qс – реактивная мощность, потребляемая из энергосистемы, квар; Qнагр – реактивная мощность нагрузки, квар.

Значения ai и Qс, при которых имеет место минимум издержек на оплату электроэнергии, определяют следующим выражением:

                                                                             (2)

где  и – тариф на активную и реактивную электроэнергию (р/кВтч и р/кварч).

В случае оптимизации режимов реактивной мощности в многоуровневых системах электроснабжения задача усложняется тем, что необходимо учитывать протекание потоков мощности по общим участкам сети и наличие в схеме электроснабжения источников реактивной мощности, имеющих различные технико-экономические показатели: синхронных двигателей и конденсаторных батарей.

Для многоуровневой распределительной сети, содержащей M ветвей и N узлов, в L из которых имеются реактивные нагрузки Qнагр и К источников реактивной мощности Qи, математическая модель, описывающая затраты предприятия, обусловленные реактивной мощностью:

                                     (3)

где – удельные квадратичные потери и реактивная мощность в i-й ветви, кВт/квар2; – удельные квадратичные и линейные потери в j-м источнике, соответственно, кВт/квар2 и кВт/квар.

Вектор оптимальных значений реактивных мощностей источников Qи и потоков реактивной мощности в ветвях сети будет определяться следующим выражением:

,                                       (4)

где  – диагональная матрица удельных приростов издержек на потери в электрической сети размерности MхМ;  – диагональная матрица удельных приростов потерь в синхронных двигателях на компенсацию реактивной мощности в узле электрической сети размерности KхK; C – матрица соединений ветвей и источников реактивной мощности в узлах сети размерности (М+КхМ+К); l – неопределенный множитель Лагранжа.

На основе предложенной математической модели (3)-(4) разработаны алгоритмы и программное обеспечение систем комплексного управления режимами реактивной мощности для промышленных предприятий, имеющих плавно регулируемые и дискретные источники реактивной мощности (синхронные двигатели, конденсаторные установки, силовые фильтры высших гармоник). При реализации управляющих воздействий на ИРМ предусматривается взаимосвязанное с режимом реактивной мощности регулирование напряжения в узлах нагрузки с помощью устройств РПН и ПБВ силовых трансформаторов.

Разработанные принципы оптимального управления режимами потребления реактивной мощности узла нагрузки были положены в основу работы двух опытных образцов микропроцессорных комплексов, управляющих возбуждением нескольких СД с учетом локального действия регуляторов мощности батарей конденсаторов, и апробированы на нефтеперекачивающих станциях и Белорусском газоперерабатывающем заводе (г. Речица).

Все результаты выполненных исследования реализованы в виде методик, конкретных устройств противоаварийной автоматики на базе микропроцессорных систем управления для подстанций энергосистемы и внедрены в РУП "Гомельэнерго" и целом ряде предприятий с непрерывными технологическими процессами. Многие результаты в части управления электрическим хозяйством предприятий используются в учебном процессе вузов Беларуси, России и Украины.

Таким образом, в научных исследованиях и работах В.В. Прокопчика представлены алгоритмы, способы и средства повышения устойчивости промышленной нагрузки и оптимизации условий взаимодействия энергосистем с потребителями, позволяющие снизить количество аварийных остановок агрегатов и линий непрерывного производства предприятий, также снизить электрическую составляющую в себестоимости выпускаемой продукции.

Литература

1. Прокопчик В.В. Повышение качества электроснабжения и эффективности работы электрооборудования предприятий с непрерывными технологическими процессами. Гомель: Гом. гос. техн. ун-т, 2002. 283 с.

2. Прокопчик В.В. О «болевых» точках в отношениях потребителей с энергоснабжающими организациями//Электрика. 2003. №2. С. 12-14.

3. Кудрин Б.И. Техногенная самоорганизация. Вып. 25. «Ценологические исследования». М.: Центр системных исследований, 2004. 248 с.

4. Прокопчик В.В. Ограничение кратковременных нарушений электроснабжения на уровне цеховых трансформаторных подстанций/Электрика. 2004. №4. С. 25-35.