Надежность электроснабжения

Тема негативного влияния провалов напряжения в системах электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий на непрерывные технологические процессы неоднократно обсуждалась на страницах журнала
(www. news.elteh.ru). Обратились к ней и авторы предыдущего материала.
Однако, Владимир Семенович Фишман отмечает, что за прошедшие годы изменились техническая, экономическая, нормативно-правовая базы и это требует внесения коррективов в прежние представления о конечной цели, а значит, и о средствах защиты предприятий от этих явлений.

Владимир Фишман, инженер-проектировщик, г. Нижний Новгород

ПРОВАЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ
Арсенал средств защиты и адаптации

В шестидесятых годах прошлого века был дан мощный импульс строительству химических предприятий в нашей стране. Вместе с тем практика эксплуатации подобных производств показала, что их нормальная работа часто серьезно нарушалась в основном из-за кратковременных, как тогда говорили, посадок (сейчас – провалов) напряжения в системах электроснабжения (СЭС). Как правило, такие провалы и прерывания напряжения (в дальнейшем ПН) приводили к нарушениям непрерывных технологических процессов производств (ПНТП), сопровождавшимися длительными простоями, а иногда и катастрофическими последствиями.

Проблема оказалась весьма серьезной и потребовала глубокого изучения происходивших при этом процессов как в СЭС, так и в технологии. В результате целого ряда работ расчетно-аналитического и экспериментального характера, выполненных проектными, наладочными и научно-исследовательскими организациями, было установлено, что первопричина сбоев в работе ПНТП кроется в недостаточном внимании специалистов (как электриков, так и технологов) к возможным нарушениям в энергосистеме. Переходные процессы в технологии при нарушениях в СЭС, как правило, серьезно не рассматривались.

Положение усугублялось отсутствием в основных нормативных документах того периода, в частности в ПУЭ, четкого определения понятия и характеристик независимого источника энергосистемы, а в ГОСТ – определения ПН.

Ясность в этом отношении появилась позднее, когда в ПУЭ 7-го изд. было дано определение понятия «независимого источника» энергосистемы, характеристики его надежности и указания по электроснабжению ПНТП [1].

ПУЭ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И УКАЗАНИЯ ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ ПНТП

1. При проектировании электроснабжения ПНТП от источников энергосистемы следует учитывать вероятность одновременного кратковременного (на время действия РЗА), а также длительного исчезновения напряжения на этих источниках при тяжелых системных авариях (п. 1.2.13 ПУЭ).
2. При анализе способов устранения последствий от кратковременного исчезновения напряжения на источниках энергосистемы следует рассматривать варианты как электротехнического, так и технологического резервирования и выбирать из них наиболее надежные и менее затратные (п. 1.2.19 ПУЭ).
3. Для случаев длительного исчезновения напряжения на обоих независимых источниках энергосистемы из числа потребителей 1 категории по надежности электроснабжения следует выделять потребителей «особой группы», обеспечивающих безаварийный останов производственного процесса (п. 1.2.18). Электроснабжение потребителей «особой группы» должно осуществляться от третьего, независимого источника (п. 1.2.19).

Альтернативой сложным и дорогим схемам бесперебойного электроснабжения подчас могут служить более простые и надежные способы технологического резервирования.

Обратимся к рис. 1, на котором схематично изображено некое условное химическое ПНТП. Реакция синтеза продукта происходит в реакторе 7 при строго определенном соотношении поступающих по трубопроводам 1 и 2 компонентов, при определенном давлении и температуре. Нарушение параметров и объемных соотношений компонентов может привести:

• к браку продукции;
• к образованию в реакторе трудноудаляемого вещества;
• к взрыву в реакторе, выбросу вредных веществ в окружающую среду.

Рис. 1. Условная схема технологического процесса

1, 2 – трубопроводы подачи в реактор 1-го и 2-го компонента соответственно
3 – электроприводы компрессоров (насосов)
4 – обратный клапан
5 – ресивер
6, 9 – контрольно измерительные приборы
7 – реактор
8 – аварийный клапан
10 – нагреватель
11 – переключающий клапан
12 – резервуар для некондиционного продукта
13 – резервуар для готового продукта

При ПН в питающей сети соотношение поступающих в реактор продуктов и давление в нем могут измениться и превысить критические значения. Избежать нежелательных последствий можно разными способами:

Вариант № 1. Применением бесперебойной схемы электроснабжения всех электроприемников, участвующих в технологическом процессе. Для этого могут быть применены специальные ИБП на основе преобразователей по схеме «выпрямитель – аккумуляторная батарея (АБ) – инвертор» плюс (при необходимости) дополнительный независимый источник, например дизель-генератор (ДГ) с быстрым стартом. Однако такое решение возможно лишь при относительно небольшой общей мощности электроприемников ПНТП ввиду ограниченной мощности и значительной стоимости ИБП и ДГ.

Вариант № 2. Применение способа технологического резервирования путем установки буферных емкостей – ресиверов (5 на рис. 1). Эти емкости должны в течение короткого промежутка времени после ПН, когда в результате снижения скорости вращения электроприводов давление в подающих трубопроводах 1 и 2 падает, обеспечить стабильную подачу продуктов в реактор. При восстановлении напряжения происходит самозапуск электроприводов.

В результате давление в трубопроводах 1 и 2 восстанавливается и технологический процесс продолжается по нормальной схеме. При этом потраченный запас продуктов в ресиверах 5 постепенно восстанавливается. Ввиду некоторой неодновременности самозапуска электроприводов на выходе из реактора короткое время может поступать некондиционный продукт, который сбрасывают в специальный резервуар 12, где продукт либо доводят до кондиции, либо нейтрализуют и ликвидируют.

Второй вариант оказывается более практичным и менее затратным: технологический процесс адаптируется к ПН, т.е. становится нечувствительным к ним.

Сокращение необходимого объема ресиверов 5 достигается уменьшением продолжительности и глубины ПН путем применения быстродействующих устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА). Следует учитывать, что повышение остаточного напряжения при ПН происходит также за счет электромагнитной и механической инерции электроприводов с асинхронными и синхронными электродвигателями (ЭД). Последние влияют на ситуацию особенно эффективно.

При анализе уровней остаточных напряжений необходимо также учитывать, что, согласно статистике, до 70–80% повреждений в воздушных сетях 10–110 кВ являются следствием однофазных КЗ. Хотя происходящие при этом снижения напряжения ГОСТ Р 54149-2010 относит к провалам, положительный вращающий момент ЭД при этом еще сохраняется.

Всё вышеизложенное свидетельствует о том, что далеко не все ПН способны вызвать существенное снижение скорости вращения электроприводов и нарушение технологических процессов.

В варианте № 2 бесперебойное (непрерывное) питание необходимо обеспечить лишь для систем АСУ, КИП, РЗА от специальных независимых источников. Для этого обычно используются ИБП по схеме «выпрямитель – АБ – инвертор с выходами по постоянному и переменному току». Потребная для этих систем мощность на несколько порядков меньше, чем в варианте № 1, где бесперебойное (непрерывное) питание необходимо обеспечивать для всей силовой нагрузки производственных механизмов ПНТП.

На рис. 1 схематично показан лишь один частный случай, подтверждающий преимущества комплексного подхода к решению проблемы обеспечения бесперебойной работы ПНТП.

ВАЖНОСТЬ СВОЕВРЕМЕННОГО ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

«Болезнь легче предотвратить, чем лечить ее последствия». Эту мудрую фразу И. Мечникова часто забывают. А между тем очевидно, что решать обсуждаемую проблему гораздо проще на стадии проектирования. Некоторые специалисты, предлагая к внедрению на действующих производствах новые решения, недооценивают при этом трудности.

Имея определенный опыт подобных работ на производствах химии и нефтехимии, многие цеха и участки которых относятся к категории взрыво- и пожароопасных, автор данной статьи хотел бы обратить внимание на сложность, а порой и невозможность внесения каких-либо изменений в действующие схемы таких производств. Это объясняется наличием строгого технологического регламента, составленного фирмой-поставщиком технологии, и инструкций службы техники безопасности. Поэтому всякие изменения требуют серьезных обоснований, многочисленных согласований, опытных испытаний.

Не случайно в таких случаях вспоминают знаменитого конструктора С. Королева, признававшегося своим сотрудникам в том, что больше всего он боится всяческих «рацпредложений». И действительно, иногда их последствия на производствах со сложными технологическими процессами трудно до конца предсказать. Вопрос, что называется, встает ребром, когда речь заходит о том, кто будет нести ответственность и компенсировать ущерб производству в случае аварии, прямо или косвенно связанной с нововведением. По крайней мере, инициатор таких нововведений к подобному повороту событий должен быть готов.

ОСОБЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ ПНТП

Пункт 1.2.19 ПУЭ говорит о том, что в обоснованных случаях к источникам питания ПНТП могут предъявляться дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса. Это указание ПУЭ часто недооценивается.

Между тем очевидно, что число ПН прямо зависит от:

• количества изоляции открыто установленного оборудования и ВЛ;
• степени загрязнения атмосферы в районе ПНТП и правильности выбора длины пути утечки изоляторов;
• правильности выбора места установки ПС 110, 35 кВ, ее конструктивного исполнения;
• наличия эффективной молниезащиты и ОПН;
• способа выполнения сетей 6–110 кВ (кабельные, воздушные);
• быстродействия устройств РЗА и коммутационной аппаратуры.

Наилучшим решением для электроснабжения производств типа ПНТП, в большинстве случаев относящихся к химической и нефтехимической отраслям, является применение подстанции глубокого ввода с минимальным количеством открыто установленной аппаратуры (применение отделителей и короткозамыкателей 35–110 кВ не приветствуется).

Желательно иметь короткую распредсеть 6(10) кВ, глубоко секционированное РУ 6(10) кВ, кабельные либо воздушные питающие линии 110 кВ. В последних случаях изоляция на вводах в ОРУ или ЗРУ 110 кВ, на подходящих ВЛ 110 кВ в зонах химического загрязнения должна быть усилена согласно главе 1.9 ПУЭ.

Питающие линии 110 кВ должны приходить как минимум от двух независимых источников, одним из которых часто бывает районная ПС 220/110 кВ, вторым – РУ 110 кВ ТЭЦ. На источниках питания необходимо принять меры по максимальному быстродействию защит и коммутационной аппаратуры на всех отходящих ВЛ 110 кВ и линиях связи. В частности, должно быть принято во внимание требование п. 3.2.108 ПУЭ об отключении повреждений на ВЛ 110 кВ при остающемся напряжении ниже 0,6–0,7 U_ном без выдержки времени, а также в тех случаях, когда отключение их с выдержкой времени может привести к нарушению технологии.

При отключениях повреждений без выдержки времени с помощью современной коммутационной аппаратуры время ПН у потребителей составит t_откл. ≈ 0,15 с.

За такое время синхронные ЭД не успевают выйти из син-хронизма, а высоковольтные асинхронные ЭД снизят скорость весьма незначительно. Несколько больше снизят скорость некоторые низковольтные АД, но время их последующего самозапуска не превысит 0,5–1,0 с. При таких решениях нарушения технологического процесса, как правило, не происходят.

ТРЕБОВАНИЯ К АВР

Устройства АВР определяют время прерывания питания потребителей ПНТП при повреждении на одном из двух основных источников или на питающих линиях, поэтому их быстродействие играет важную роль.

Обычное АВР, согласно п. 3.3.33 ПУЭ, срабатывает при исчезновении напряжения на одном из источников, для чего предусматривается пусковой орган напряжения. Известно, что благодаря подпитке от высоковольтных электродвигателей время срабатывания такого АВР может затянуться до нескольких секунд, что, скорее всего, приведет к остановке ПНТП. Для ускорения действия АВР, п.3.3.36 ПУЭ рекомендует в дополнение к пусковому органу напряжения применение частотного и ряда других, более быстродействующих пусковых органов АВР.

С этой же целью рядом организаций были разработаны специальные быстродействующие системы АВР (БАВР, САВР). Так, в ГО ГПИ «Электропроект» еще в 80-х годах прошлого века при участии автора этих строк было разработано, испытано и внедрено на крупной ПС 110/10/6 кВ с трансформаторами мощностью 2х80 МВА химкомбината «Капролактам» быстродействующее устройство типа САВР. Выполненное на микроэлектронной базе и быстродействующем выключателе 10 кВ, это устройство позволяло через 0,5 с после потери основного питания осуществлять синхронное АВР на секциях РУ 10 кВ с одновременным самозапуском нескольких синхронных ЭД единичной мощностью по 3500 кВт.

Существуют разработки БАВР на бесконтактной (тиристорной) аппаратуре 10 кВ ГУП «Институт энергетической электроники» (г. Санкт-Петербург). Разработкой БАВР занимаются и зарубежные фирмы. Среди них особо следует упомянуть многофункциональное устройство SUE 3000 фирмы ABB на вакуумных выключателях и современной микропроцессорной аппаратуре.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что на производствах типа ПНТП целесообразно применять решения по ускорению дествия АВР, например, с пуском по частоте, а в обоснованных случаях – БАВР или САВР.

ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

Технические решения не являются единственным способом достижения главной цели предприятия.

Главной целью любого современного предприятия в условиях рыночной экономики является успешная работа на внешнем и внутреннем рынках с целью получения прибыли. Логика подсказывает, что в производственно-коммерческой цепочке последний завершающий этап – реализации продукции – в значительной степени определяет успех предприятия в целом. Поэтому этот этап должен быть максимально огражден от всевозможных неурядиц на производстве, вызванных разнообразными внешними либо внутренними причинами, приводящими к простоям производственного цикла. Останов процесса реализации продукции (бизнес-процесса) реально чреват более серьезными последствиями, поскольку связан с нарушением договорных обязательств и наложением штрафов, величина которых может превысить стоимость недопоставленной продукции.

Независимость процесса реализации продукции достигается организацией своеобразной «подушки безопасности» – склада готовой продукции (СГП). Примером являются подземные резервуары системы газоснабжения в разных странах мира. Без таких запасов последствия перебоев в поставках газа могли бы быть катастрофическими. Размеры СГП определяются конъюнктурными соображениями, но при этом они также зависят и от максимально возможной продолжительности перерывов в производственном цикле.

При анализе всей производственно-коммерческой цепочки предприятия наверняка возникнет задача поиска слабого звена, куда целесообразно вложить дополнительный капитал. Можно, например, повысить бесперебойность СЭС, можно модернизировать технологическую часть, а можно просто увеличить размеры СГП. Решение принимается в результате технико-экономического сравнения вариантов. Наличие СГП позволяет не учитывать в расчетах стоимость недовыпущенной продукции при нарушении работы ПНТП. В этих случаях учитывается перерасход сырья, энергоресурсов, дополнительная зарплата персонала и прочие издержки производства, а также амортизационные отчисления.

СРЕДСТВА КОМПЕНСАЦИИ УЩЕРБА

Кроме технических, в условиях рыночной экономики могут быть использованы и нормативно-правовые средства компенсации ущерба, возникающего в результате перерывов в электроснабжении. Например, система страхования рисков. К сожалению, в нашей стране подобные услуги страховых компаний пока непопулярны. Но они были бы весьма полезны в таких случаях, как аварии на производстве (взрыв, пожар) или длительное прекращение электроснабжения предприятия (п. 1.2.13 ПУЭ). Такие случаи могли бы подлежать страхованию. Правда для успешной работы самих страховых компаний в них в таких случаях должны быть не только квалифицированные финансисты, но и достаточно квалифицированные специалисты технических профилей.

Другой формой компенсации ущерба, возникшего по причине внезапных продолжительных прерываний электроснабжения, может быть включение соответствующих пунктов в договор на пользование электроэнергией с энергоснабжающей организацией.

ВЫВОДЫ

Целесообразность принятия тех или иных технических решений по защите и адаптации предприятий к ПН определяется тем, насколько они способствуют выполнению конечной и главной задачи – обеспечению успешного функционирования предприятия в современных условиях рыночной экономики.

В этой связи требуемая степень бесперебойности электроснабжения ПНТП должна определяться в каждом конкретном случае с учетом возможности использования технологических, организационных, финансово-экономических и других способов решения главной задачи.

При этом абсолютная бесперебойность электроснабжения, как правило, не требуется. Исключения составляют системы зашиты, противоаварийной автоматики, связи и т.п. Оптимальная степень бесперебойности обычно достигается применением упомянутых в статье современных технических решений, выполнением требований и рекомендаций действующих норм и правил на стадии проектирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е изд.
2. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения.
3. ГОСТ Р 54149-2010. Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения (вступает в действие с 01.01.2013).