CC BY
58
D. Ishutinov, V. Xoroshavin, S. Oxapkin, E. Pirovskih
Estimation of efficiency of power saving actions at various ways of of pump units
control
The method of determination power efficiency and quality of power for various system of the electric drive of pumping plants on the basis of schedule of water consumption is proposed.
Keywords: power saving actions, pump units.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
Г.П. Корнилов, канд. техн. наук, зав. кафедрой, 8-904-933-55-23, Korn mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), А. А. Николаев, канд. техн. наук, ст. преп., (3519) 22-82-07, alexniko@inbox.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), И.А. Якимов, асп., 8-904-976-83-59,
korn mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), Ю.П. Журавлев, канд. техн. наук, гл. энергетик, 8-904-933-55-23, korn mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»), Е.А. Кузнецов, инженер, 8-904-933-55-23, korn_m gn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»)
ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
На примере крупного металлургического предприятия рассмотрены резервы и возможности снижения потерь электрической энергии энергоемких электротехнических комплексов - дуговых сталеплавильных печей и синхронных двигателей за счет компенсации реактивной мощности.
Ключевые слова: электротехнические комплексы, потери, регулирование реактивной мощности.
Крупные металлургические предприятия с полным технологическим циклом представляют собой по масштабу потребляемой мощности концентрированную электросистему, эквивалентную средней областной, где нет таких энергоемких производств. Например, средняя мощность, потребляемая ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), составляет в среднем 800.. .900 МВт, что соизмеримо с уровнем потребления таких областей, как Курганская, Оренбургская. Большая часть этой величины приходится на крупные электротехнические комплексы, такие, как широкополосные станы горячей прокатки (ШСГП), дуговые сталеплавильные печи (ДСП), кислородные станции (КС) и т.д., о чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице.
Основные характеристики наиболее мощных электротехнических
комплексов ОАО «ММК»
Электротехнический комплекс Установленная мощность, МВт / МВА Производительность годовая Дата пуска (последней реконстр.) Основные электроприёмники
Стан 2000 широкополосный горячей прокатки 140 / 362 5 млн. т 1994 7 чистовых и 6 черновых клетей
Стан 2500 широкополосный горячей прокатки 88 / 320 3 млн. т 2006 7 чистовых и 4 черновых клетей
Синхронные двигатели кислородных станций 150 160 млн. м3 1985 - 1990 10 СД х 10 МВт, 2 СД х 20 МВт
Дуговые сталеплавильные печи 300 2 млн. т 2006 2 ДСП х 150 МВА
Отличительной особенностью перечисленных комплексов как приемников электроэнергии является нелинейная вольт-амперная характеристика нагрузки и резкопеременный характер ее изменения. Эти обстоятельства приводят к существенным искажениям питающего напряжения по форме и величине и, как следствие, дополнительным потерям мощности и снижению производительности металлургических агрегатов. Поэтому основной задачей мероприятий энергосбережения является обеспечение заданной производительности агрегатов при сохранении основных показателей качества электроэнергии.
Одним из действенных способов решения этой проблемы является рациональное использование компенсирующих устройств и разработка специальных законов управления ими. Рассмотрим эти особенности на примере электротехнических комплексов ОАО «ММК».
Существующая энергетическая база позволяет на 70...80 % покрывать потребности производства в электроэнергии, поскольку стоимость ее покупки в 2 - 3 раза превышает стоимость собственного производства. Такая ситуация приводит к тому, что генераторы собственных станций, работая с коэффициентом мощности близким к единице, имеют малый запас устойчивости, что предполагает наличие быстродействующих систем автоматического регулирования возбуждения (САРВ). Кроме того, двенадцать высоковольтных линий 220 и 500 кВ, соединяющих Магнитогорский энергоузел с внешней энергосистемой, нагружены мощностью, существенно ниже натуральной. Это обстоятельство, как уже ранее отмечалось [1], приводит к дополнительной генерации реактивной мощности в узлах нагрузки. Однако из-за переменного графика потребления предприятием электрической энергии в течение суток, уровни реактивной мощности также должны быть регулируемыми. За рубежом для этих целей успешно используются шунтирующие управляемые реакторы [2] и статические компенсаторы нового поколения, так называемые Advanced Var Compensator на полностью управляемых ключах (Статкомы) [3].
В рамках действующего предприятия эти функции частично могут быть возложены на статические тиристорные компенсаторы (СТК), мощность которых превышает 100 Мвар. В первую очередь это относится к СТК ДСП, присоединенным к шинам 35 кВ в непосредственной близости от границы балансовой принадлежности предприятия с внешней энергосистемой (рис.1). На ОАО «ММК» в комплекте с двумя ДСП-180 установлены два статических компенсатора мощностью 180 Мвар. Расчеты и эксперименты, проведенные на действующем агрегате, показали, что существует реальная возможность регулировать реактивную мощность на шинах 220 кВ в диапазоне ±50 Мвар. Это обстоятельство приводит к снижению активных потерь в элементах СТК и питающей сети, а также позволяет регулировать напряжение в заданных пределах. При расчете потерь учтены сопротивления трансформатора, реактора и короткой сети, а также - сопротивления фильтровых реакторов и тиристорно-реакторной группы (ТРГ), потери в вентилях и конденсаторах. Характеры их изменения при отключенной и работающей ДСП-180 показаны на рис. 2, а и б.
Рис. 1. План-схема Магнитогорского энергетического узла
а б
Рис. 2. Изменение потерь в комплексе «ДСП-СТК» при отключенной (а)
и работающей (б) ДСП-180
Режим генерирования реактивной мощности приводит к незначительным изменениям напряжения основной и высших гармоник на шинах 35 и 220 кВ, не ухудшая при этом основные показатели качества электроэнергии - коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (рис. 3, а) и дозы фликера (рис. 3, б).
а б
Рис. 3. Изменение коэффициентов искажения синусоидальности тока и напряжения (а) и дозы фликера (б) на шинах 35 кВ
Существенным резервом регулирования реактивной мощности являются мощные синхронные двигатели кислородных станций и эксгаузе-ров. Отметим основные проблемы эксплуатации таких установок - это отсутствие надежных преобразователей частоты для пуска и регулирования скорости в небольшом диапазоне (1:3). Их единичная мощность находится в пределах 5...20 МВт при питающем напряжении 10 кВ. Последнее обстоятельство является сдерживающим фактором к использованию преобразователей частоты, поскольку их номенклатура на этом напряжении
весьма ограничена и отсутствует достаточный опыт эксплуатации на металлургических предприятиях.
В отношении регулирования реактивной мощности СД наметились два подхода: во-первых, для быстроходных турбодвигателей с коэффициентом загрузки по моменту 0,7...0,75 является экономически оправданной генерация реактивной мощности в питающую сеть [4], при этом запасы генерируемой реактивной мощности синхронных двигателей металлургического предприятия находятся в пределах 150...200 Мвар; во-вторых, для случаев, где генерация реактивной мощности не является актуальной, наиболее эффективным является режим работы с коэффициентом мощности, близким к единице [5].
Для синхронных двигателей турбокомпрессоров выполнены расчеты суммарных потерь в двигателе, сети и тиристорном возбудителе в зависимости от тока возбуждения (рис.4). Результаты расчетов представлены в виде зависимостей ДР^=/(/у). Штрихпунктирная линия соответствует
току возбуждения, при котором коэффициент мощности соБср = 1, а пунктирная линия - току возбуждения при котором суммарные потери энергии в СД и питающей сети минимальны.
Из приведенных графиков видно, что минимальные потери мощности соответствуют недовозбуждённой машине, когда СД потребляет из сети реактивный ток. Следует отметить, что при уменьшении тока возбуждения увеличивается внутренний угол машины в, что негативно влияет на устойчивость СД. Наиболее целесообразным является режим работы СД с коэффициентом мощности совср = 1, так как при этом ток статора минимален, а суммарные потери практически неизменны.
Рис. 4. Суммарные потери энергии в СД и питающей сети
Предложенный способ реализован с помощью системы АРВ, схема которой приведена на рис. 5, а. На входы сумматора 1 поступают сигналы с выходов трансформатора тока (ТТ) в фазе А и трансформатора на-
пряжения (ТН), подключенного на линейное напряжение ВС. Такое включение датчиков обеспечивает необходимый эффект саморегулирования.
н с
а б в
Рис. 5. Функциональная схема (а) и векторные диаграммы системы АРВ СД при индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках
Система устойчива при чисто активной нагрузке, когда вектор тока /4ортогонален вектору напряжения ивс. В этом случае СД работает в экстремуме Ц-образной характеристики (точка 0, рис. 6), что соответствует совф = 1. При увеличении момента статической нагрузки на валу двигателя ток, потребляемый из сети, становится индуктивным (ф> 0, рис. 5, б), и это ведёт к увеличению тока возбуждения. Если ток возбуждения окажется выше требуемого и появится емкостная составляющая тока статора (ф< О, рис. 5, в), то сигнал задания и, соответственно, ток возбуждения - снижаются. Таким образом, при изменении нагрузки на валу двигателя и напряжения в рабочем диапазоне угол сдвига ср между током и напряжением поддерживается на заданном уровне (^ = 0). Блок 3, подключённый к трансформатору напряжения через выпрямитель, обеспечивает форсировку возбуждения при снижении питающего напряжения.
Рис. 6. 11-образные характеристики СД
Описанные принципы параметрического управления могут быть реализованы при модернизации существующих тиристорных возбудителей
серий ТЕ-8-320, ТВУ, КТУ, установленных на металлургических предприятиях, путем их замены на более современные, реализованные, в частности, на базе комплектных преобразователей типа Simoreg.
Выводы
1. Проблемы энергосбережения крупного металлургического предприятия решаются комплексно и одним из эффективных средств является использование регулируемых источников реактивной мощности, обеспечивающих существенное снижение потерь электроэнергии и улучшение ее качества.
2. Применение усовершенствованных режимов работы СТК позволяет более эффективно использовать установленную мощность элементов компенсатора, за счет генерирования избыточной реактивной мощности (порядка 25...30 Мвар) в энергоузел промышленного предприятия. В этом режиме достигается снижение потерь активной мощности комплекса «ДСП-СТК» на 13 % при отключенной ДСП, и на 3 % при работающей печи с использованием коррекции по напряжению в системе управления электрическим режимом. Увеличение напряжения на первичной обмотке печного трансформатора приводит к повышению электрической мощности, вводимой в печь, и производительности ДСП на 3.5 %. Реактивная мощность, генерируемая в сеть 220 кВ двумя комплексами «ДСП-СТК», приводит к снижению ее поставок из внешней энергосистемы на 20 %.
3. Система параметрического управления синхронным двигателем, реализует способ, обеспечивающий поддержание собФ^д = 1 независимо
от режима нагрузки. Система имеет наиболее простую структуру и более высокое быстродействие по сравнению с известными системами автоматического регулирования возбуждения.
Список литературы
1. Средства и перспективы управления реактивной мощностью крупного металлургического предприятия / Г.П. Корнилов [и др.] // Электротехника. 2008. №5. С. 25-32.
2. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения / И.Н. Бортник [и др.] // Электричество. 1985. №2. С. 13-19.
3. Силовая электротехника и качество электроэнергии / Ю.К. Розанов [и др.] // Электротехника. 2002. №2. С. 16-23.
4. Вагин Г.Я., Головкин Н.Н., Юртагев С.Н. К вопросу об экономической целесообразности применения синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности на промышленных предприятиях // Промышленная энергетика. 2009. №6. С.41-47.
5. Системы векторного регулирования возбуждения синхронного двигателя / Г.П. Корнилов [и др.] // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. №2. С.28-31.
G. Kornilov, A. Nikolaev, I. Yakimov. Yu. Zhuravlyov, E. Kuznecov
Problems ofpower savings of the metallurgical enterprise
For a large iron and steel works the reserves and capabilities of power losses decrease of energy-intensive electrical complexes such as ultra high-power electric arc furnaces and synchronous drives by means of reactive power compensation are considered.
Keywords: electrical complexes, losses, regulation of reactive power.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
Ю.А. Крылов, д-р техн. наук, гл. науч. консультант, (499) 613-57-81, sort@vniie.ru (Россия, Москва, ООО «Центртехкомплект»), С.С. Сапожников, асп., (499) 613-57-81, serjant32@mail.ru (Россия, Москва, МЭИ)
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ДЫМОСОСАХ КОТЛОАГРЕГАТОВ
На основе опыта эксплуатации показана эффективность регулируемого электропривода тягодутьевых механизмов водогрейных котлов. Выявлена и проанализирована проблема влияния естественной тяги на качество регулирования разрежения в топке котла, связанная с возникновением генераторного режима. Предложено одно из практических решений проблемы и рассмотрены другие варианты.
Ключевые слова: теплостанция, регулируемый электропривод, экономия электроэнергии, тепловая мощность, система управления.
Наибольшее количество энергии на теплостанции потребляется электроприводом, который до недавнего времени был нерегулируемым. Установленная мощность потребителей теплостанции с тепловой мощностью 400 Гкал/ч и котлами КВГМ-100 составляет 5 МВт и более, а основными её потребителями являются электроприводы сетевых насосов (СН), дутьевых вентиляторов (ДВ) и дымососов (ДС). Единичная мощность этих механизмов: СН - 630.1250 кВт, ДВ - 320.400 кВт, ДС - 250 кВт. Из-за потерь напора в дросселирующих устройствах при нерегулируемых электроприводах имеются значительные потери электроэнергии, которые приблизительно можно оценить: ДВ - до 60 %, ДС - до 90 %, СН - до 40 %. Для примера в таблице приведены реальные данные по потреблению электроэнергии тягодутьевыми механизмами котла №3 КВГМ-100 районной теплостанции «Жулебино» (г. Москва) как фрагмент непрерывной регистрации этих показателей, осуществляемой АСУ ТП котла.
