Развитие теории устойчивости промышленных электротехнических систем и методов управления ими
М.С. Ершов, заведующий кафедрой теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, д.т.н., профессор, А.В. Егоров, декан факультета послевузовского образования, д.т.н., профессор, А.А. Трифонов к.т.н. РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
В конце 80-х годов сложилась научная школа «Электротехнические комплексы и системы предприятий нефтяной и газовой промышленности», создателем которой был профессор Меньшов Борис Григорьевич, возглавлявший кафедру ТЭЭП 25 лет. Основное научное направление школы – «Надежность, безопасность и устойчивость электротехнических комплексов и систем предприятий нефтяной и газовой промышленности».
Б.Г. Меньшов (1930 – 1998 г.г.), доктор технических наук, профессор, действительный член Академии электротехнических наук РФ. В 1954 г. окончил Московский горный институт. В 1970 г. защитил докторскую диссертацию по теме «Исследование надежности и безопасности электротехнических объектов горной промышленности». До 1970 г. работал на должностях профессорско-преподавательского состава в Московском горном институте, с 1972 г. до конца жизни работал заведующим кафедрой ТЭЭП.
Основными научными достижениями школы явились: развитие теории расчета заземляющих устройств, эксплуатируемых в условиях сложных структур многолетнемерзлых грунтов; создание теории устойчивости промышленных электротехнических систем и разработка новых принципов управления системами электроснабжения многомашинных нефтегазовых комплексов с целью повышения надежности их работы. Сейчас основные усилия школы направлены на развитие теории устойчивости электротехнических систем и развитие методов управления электротехническими системами нефтегазовых комплексов в рабочих и аварийных режимах.
В настоящее время научная школа продолжает успешно развиваться под руководством заведующего кафедрой, профессора М.С. Ершова. За последние десять лет разработан ряд отраслевых методических руководящих документа по эксплуатации электротехнических установок, комплексов и систем нефтяной и газовой промышленности, опубликовано свыше ста научных работ, одиннадцать учебников и монографий, справочник, получены шесть патентов и авторских свидетельств, выполненные работы отмечены двумя премиями имени академика И.М. Губкина, премией ОАО «Газпром», премией имени Н.К. Байбакова. Защищено две докторские и двенадцать кандидатских диссертаций, подготовлено свыше 180 дипломированных специалистов и магистров.
Приведем два наиболее показательных примера исследований выполненных кафедрой. Работы выполнялись для крупных промышленных предприятий в различное время. Рассматриваемые примеры охватывают некоторые из наиболее характерных видов электротехнических систем, обладающих каждый своей спецификой.
Электротехническая система газоперерабатывающего завода.
Одними из наиболее крупных потребителей нефтегазовых отраслей являются газоперерабатывающие заводы (ГПЗ). Технологические процессы газоперерабатывающего завода включают в свой состав первичную подготовку пластовых флюидов, выделение из них газового конденсата и сероводорода, очистку природного газа до товарного состояния, переработку сероводорода в чистую серу, переработку газового конденсата в моторные топлива. На ГПЗ выделяются несколько производств, ряд основных обеспечивают выпуск перечисленных выше основных видов продукции, остальные производства носят вспомогательный характер. Перерабатываемое сырье, а также многие промежуточные продукты токсичны и обладают высокой коррозионной активностью. Электротехническая система ГПЗ также достаточно сложна.
Работа по оценке и повышению устойчивости проводилась в интересах одного из крупных российских ГПЗ на кафедре в течение достаточно долгого времени.
Система внешнего электроснабжения исследуемого ГПЗ имеет разветвленную структуру и в достаточной степени резервирована. Все это обеспечивает достаточно высокий уровень надежности внешнего электроснабжения по отношению к возможным длительным провалам напряжения. По вероятностной оценке одновременное длительное исчезновение напряжения на двух независимых вводах завода возможно один раз в двадцать – двадцать пять лет. Такая оценка подтверждается и практикой эксплуатации. За весь срок наблюдений подобная ситуация имело место лишь один раз, следует отметить, что и эта аварийная ситуация была вызвана нештатной работой системы противоаварийной автоматики энергосистемы. Однако малая вероятность длительных провалов напряжения не предполагает низкой частоты кратковременных провалов, в том числе и глубоких. В среднем за год регистрируется более сотни кратковременных снижений напряжения по одному или нескольким вводам завода с остаточным уровнем напряжения менее 80% от номинального значения.
Практически все электрическая нагрузка завода является электродвигательной. Большая часть приводов выполнена на асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. Весьма незначительна доля синхронных электроприводов. Все мощные асинхронные электроприводы имеют механизмы с вентиляторным характером нагрузки. Поршневые приводы оснащены синхронными двигателями. В целом, характер нагрузки завода предопределяет высокую степень чувствительности электротехнической системы к кратковременным нарушениям нормального режима электроснабжения.
Проблема недостаточной устойчивости электротехнической системы ГПЗ возникла практически одновременно с вводом его первой очереди. В первый же год эксплуатации произошло 34 аварийные остановки технологического процесса, вызванные возмущениями в его электротехнической системе. Анализ статистики аварий за первые несколько лет эксплуатации завода показал, что большая часть аварийных остановок вызвана внешними возмущениями, то есть возмущениями в питающей энергосистеме. Любая аварийная остановка технологического процесса завода приводила и приводит к весьма серьезным последствиям.
На первом этапе работ по исследованию проблемы устойчивости первой очереди завода к внешним и внутренним возмущениям были определены основные общие причины, обусловливающие высокую чувствительность электротехнической системы завода к возмущающим воздействиям. Результаты проведенного анализа позволили определить следующие особенности предприятия и питающей энергосистемы, влияющие на его устойчивость.
1. Электротехническая система завода в основном выполнена на базе мощных асинхронных двигателей с номинальным напряжением 6 и 10 кВ. Данное решение следует считать верным в условиях ограниченной мощности существующей системы внешнего электроснабжения. Построение электротехнической системы на базе синхронных приводов привело бы к практически не разрешимым проблемам устойчивости. Тем не менее, ряд проектных решений не учитывал особенности примененных асинхронных машин.
2. Ограниченная мощность питающей энергосистемы, обусловливающая достаточно высокое эквивалентное сопротивление, не позволяет обеспечить уверенное восстановление режимов работы асинхронных приводов после снятия возмущающего воздействия. Существовавшая программа автоматического повторного пуска в целом построена правильно, но требует корректировки в области выдержек времени включения ступеней пуска.
3. Нормальный режим работы питающей энергосистемы выбран таким, что он обеспечивает достаточную устойчивость самой энергосистемы и малую вероятность одновременного длительного глубокого провала, в том числе исчезновения, напряжения на двух вводах завода. Однако этот режим построен без учета высокой чувствительности электротехнической системы завода к кратковременным нарушениям электроснабжения. Высока вероятность одновременного кратковременного возмущения по двум вводам предприятия. В целом, это свидетельствует о достаточно высокой степени зависимости вводов электротехнической системы завода.
4. Значительная часть проблем обеспечения устойчивости электротехнической системы вызвана низкой степенью согласованности программ работы систем противоаварийной автоматики. Системы защиты минимального напряжения узлов электрической нагрузки завода имели параметры срабатывания не согласованные с реально существующим запасом устойчивости этих узлов. Система токовых защит построена без учета возможности потери устойчивости электротехнической системой при внутренних возмущениях – коротких замыканиях. Система противоаварийной технологической автоматики была разработана без учета существующего запаса устойчивости электротехнической системы предприятия и всего технологического процесса в целом.
В соответствии с выделенными проблемами были поставлены и решены первоочередные задачи по обеспечению надежного и устойчивого функционирования электротехнической системы первой очереди завода. Одной из первых возникших задач была задача оценки существующего запаса устойчивости к внешним и внутренним возмущениям, которым обладает электротехническая система объекта. Расчет электромеханических переходных процессов, возникающих при внешних возмущениях, позволил определить границы статической и динамической устойчивости вводов первой очереди завода. С целью проверки адекватности получаемых результатов выполнялось сопоставление кривых переходных процессов с данными аварийных осциллограмм, снимаемых на вводах электротехнической системы завода. Проведенный анализ показал достаточно хорошую степень совпадения расчетных результатов с данными аварийных осциллограмм, расхождения наблюдались практически только в начальных и конечных отрезках, где имели место режимы, отличные от синусоидальных. Было рекомендовано положить значения параметров устойчивости в основу настройки защит минимального напряжения вводов. Эти рекомендации были приняты, что позволило полностью исключить ситуации, связанные с неуправляемым отключением потребителей при критичных провалах напряжения. Таким образом, была повышена управляемость электротехнической системы объекта при критичных внешних возмущениях. При этом была получена достаточно малая область необоснованных отключений нагрузки. Одновременно было предложено ввести временную задержку аварийной разгрузки технологического процесса при внешних возмущениях не критичных по своей длительности. Таким образом было выполнено частичное согласование логики работы электрической и технологической систем противоаварийной автоматики. Реализация данных рекомендаций позволила заметно сократить число аварийных остановок технологического процесса и в значительной части решить проблему более полного использования существующего запаса динамической устойчивости электротехнической системы первой очереди. Следует отметить, что решение проблемы практически не потребовало затрат на реализацию выработанных рекомендаций. Все необходимые решения были получены без реконструкции существующего на заводе оборудования.
Изучение структуры системы внешнего электроснабжения и анализ происходящих в этой системе возмущений с учетом статистики возмущений, критичных для завода, показали, что одновременные возмущения по двум вводам завода обусловлены высокой степенью резервирования питающей энергосистемы. Совместное обсуждение данной проблемы с участием специалистов энергоснабжающей организации позволило сделать вывод, что структурное резервирование питающей энергосистемы в некоторой степени является излишним. Избыточное число контуров в схеме внешнего электроснабжения существенно не влияет на саму устойчивость энергосистемы, однако, при этом значительно увеличивается степень взаимной зависимости вводов, что особенно проявляется по отношению к кратковременным нарушениям нормального режима электроснабжения завода. Результатом обсуждения стало решение о принятии нового нормального режима питающей энергосистемы. Реализация нового нормального режима позволила существенно сократить число внешних возмущений, приходящих одновременно на два ввода электротехнической системы завода.
Вторая особенность системы внешнего электроснабжения, отрицательно влиявшая на устойчивость его электротехнической системы заключалась в следующем. Для всех линий 110 кВ было введено в работу устройство автоматического повторного включения (АПВ) линии. В большинстве случаев за время до срабатывания АПВ самостоятельной ликвидации короткого замыкания не происходило. Принятый режим работы вызывал провалы напряжения сложной формы на вводах ЭТС. При этом второй провал напряжения характеризовался меньшим значением остаточного напряжения и значительно большей длительностью существования. Было установлено, что при таких провалах напряжения сложной формы устойчивость электротехнической системы завода теряется практически во всех случаях. Совместными решениями АПВ линий в районе завода было исключено, что также позволило существенно уменьшить число провалов напряжения, критичных по условиям устойчивости электротехнической системы предприятия.
В целом, реализация рекомендаций по изменению режимов работы системы внешнего электроснабжения позволило уменьшить число аварийных остановок технологического процесса завода за счет снижения вероятности критичных внешних возмущений. Необходимо отметить, что реализация рекомендаций была так же осуществлена практически без затрат финансовых и материальных ресурсов.
При проведении работ по повышению устойчивости первой очереди завода к внешним и внутренним возмущениям было также установлено, что целый ряд случаев потери устойчивости не связан непосредственно с динамикой электроприводов. Одной из причин потери устойчивости технологическим процессом служило самопроизвольное отключение коммутационных аппаратов двигателей напряжением ниже 1 кВ. Такие самопроизвольные отключения происходили при провалах напряжения на шинах 0,4 и 0,69 кВ ниже напряжения удержания контакторов. В своем большинстве отключающиеся приводы не принимали решающего участия в обеспечении нормального режима технологического процесса. Однако их отключение приводило к срабатыванию соответствующих технологических защит и блокировок, что в свою очередь не позволяло осуществить быстрое восстановление технологического режима после возмущения в системе электроснабжения, а также успешно реализовать программу автоматического повторного пуска по так называемой короткой программе. Положение осложнялось еще и той особенностью построения схем управления приводами малой и средней мощностью, которая не предусматривала возможности автоматического запуска соответствующих двигателей. Было сделано заключения об отрицательном влиянии на устойчивость технологического процесса в целом массовых, неуправляемых отключений любых электроприводов. Для устранения данной причины потери устойчивости технологическим процессом была признана целесообразной организация шин гарантированного питания для цепей защиты, управления и сигнализации всех технологических приводов напряжением до 1 кВ. Это существенно повысило управляемость электротехнической системы в аварийных и послеаварийных режимах работы и благоприятно сказалось на устойчивости всего технологического процесса.
Практика эксплуатации первой очереди завода показала, что устойчивость электротехнической системы предприятия может нарушаться не только при внешних возмущениях, но и при внутренних коротких замыканиях на уровнях напряжения 6 и 10 кВ. Доля аварийных остановок производства по причине таких возмущений была существенно меньше, чем при внешних возмущениях, но также вполне заметна. Подавляющее большинство внутренних возмущений, вызвавших нарушение устойчивости электротехнической системы завода, было представлено трехфазными короткими замыканиями. Расчеты, выполненные для исследования характера протекания переходных процессов при внутренних коротких замыканиях, показали, что причиной нарушения устойчивости была достаточно большая выдержка времени срабатывания токовых защит в системе внутреннего электроснабжения. Вторым фактором служило отсутствие блокировки сброса защит при самоликвидации коротких замыканий. Более подробный анализ данного вопроса позволил сделать выводы по ограничению допустимых времен срабатывания защиты от коротких замыканий. Практическим результатом исследования устойчивости электротехнической системы завода стали рекомендации по корректировке параметров защит в системе внутреннего электроснабжения. Данные рекомендации учитывали как требования селективности работы защит, так и требования обеспечения устойчивости всей электротехнической системы предприятия к внутренним возмущениям. Реализация названных рекомендаций позволила практически полностью устранить случаи аварийной разгрузки производства при внутренних коротких замыканиях.
Необходимо отметить и тот факт, что во всех выполненных расчетах не наблюдалось случаев нарушения устойчивости электротехнической системы при коротких замыканиях на уровнях напряжения 0,4 и 0,69 кВ. Данное наблюдение подтверждается и расчетами, выполненными для иных промышленных предприятий. Таким образом, следующие утверждения:
- короткие замыкания, происходящие на уровнях напряжения до 1000 В, не нарушают устойчивости электротехнических систем;
- короткие замыкания, происходящие в электротехнических системах промышленных предприятий на уровнях напряжения 6 и 10 кВ, не нарушают устойчивости соседних, в том числе достаточно крупных, узлов нагрузки;
могут быть приняты, как наблюдаемый факт. Однако строгого обоснования данных утверждений на сегодняшний день выполнить не удалось.
В целом, результатом работ явилось значительное сокращение числа аварийных остановок технологических процессов ГПЗ. В первые годы эксплуатации в среднем наблюдалось более 30 отключений узлов нагрузки в год. В последние годы происходило 3-4 отключения узлов электрической нагрузки, связанных с кратковременными нарушениями электроснабжения. Динамика сокращения аварийных остановок завода за весь срок его эксплуатации показана на рис. 1.
Рис. 1. Динамика изменения числа аварийных остановок ГПЗ за 16 лет эксплуатации (1988 – 2003)
Автономная электротехническая система.
В практике работ, выполненных кафедрой в области исследования промышленных электротехнических систем, определенный интерес представляет работа по оценке возможности создания единой системы электроснабжения комплекса морских стационарных нефтедобывающих платформ.
Рассматриваемое месторождение расположено на шельфе одного из зарубежных государств. Комплекс платформ и системы их электроснабжения строились поэтапно в течение достаточно большого периода времени. Весь период эксплуатации комплекса происходило наращивание технологических и энергетических мощностей. Сложившаяся разнотипность генераторов, отсутствие единой системы электроснабжения комплекса не позволяло обеспечить требуемый уровень надежности электроснабжения, создавало препятствия наращиванию мощности нагрузки, приводило к неоправданно высоким расходам первичных энергоносителей. В связи с этим, была поставлена задача обосновать возможность и целесообразность объединения всех или части генерирующих мощностей с целью создания единой системы электроснабжения объекта, разработать предложения по ее технической реализации.
Общая оценка текущего состояния электроснабжения комплекса свелась к следующему. Значительная доля потребителей электрической энергии требует первой категории надежности электроснабжения, при этом весьма велика и доля потребителей особой группы. Существующая схема генерации и распределения электрической энергии при наличии существенного резерва генерирующих мощностей не может обеспечить достаточно маневра этими мощностями, что снижает общий уровень надежности электроснабжения. Средняя загрузка генераторов весьма невелика. Таким образом, рассмотрение возможности объединения генерирующих мощностей целесообразно. Реально, основные генерирующие мощности представлены пятью различными типами генераторов, различающихся по номинальной мощности почти в восемь раз. Режимы нейтрали и сопротивления нейтрали у различных электростанций, как правило, различаются. Наблюдается различие типов первичных двигателей генераторов электростанций, при этом большую долю по номинальной мощности составляют турбогенераторы, меньшую – дизельгенераторы; номинальные скорости вращения генераторов также различны. При выборе вариантов объединения генерирующих мощностей все перечисленные особенности должны были учитываться. Диаграмма вкладов электростанций в энергообеспечение нормального режима для существующей схемы представлена на рис. 2. На диаграмме показано количество электроэнергии, выработанное каждой электростанцией за квартал в долях от суммарного потребления электроэнергии комплексом ЦТК-2. Из диаграммы хорошо видна неравномерность участия электростанций в энергообеспечении технологического процесса.
Рис. 2. Вклад электростанций в энергообеспечение комплекса для существующей схемы
Расчет базовых установившихся режимов производится с целью оценки степени адекватности разработанных моделей электрической, в том числе электродвигательной, нагрузки, а также с целью получения необходимых исходных представлений об электрической нагрузке для последующего рассмотрения вариантов работы объединенной электростанции. Расчет выполняется для всех электростанций объекта с учетом реально работающих агрегатов и состояния коммутационных аппаратов.
Выполненный анализ соответствия расчетных и эксплуатационных параметров нормального установившегося режима работы существующей системы электроснабжения объектов показал высокую степень адекватности математических моделей электрической нагрузки и параметров данных моделей. Для выполнения дальнейших работ полученные уровни нагрузки основных узлов системы электроснабжения принимаются в качестве исходных.
Предварительный анализ ситуации показал, что варианты объединения генерирующих мощностей, предполагающие включение дизельгенераторов не могут быть оптимальными. Единая электростанция, состоящая только из дизельных агрегатов, не обеспечит выработку требуемой объектом мощности. На основании предварительных соображений по требованиям к вариантам объединения электростанций платформ было предложено несколько вариантов нормального режима работы основных и резервных генераторов электростанций. Для разработанных вариантов были произведены расчеты штатных установившихся режимов работы объединенной энергосистемы.
Нештатные режимы работы системы электроснабжения неизбежны при ее эксплуатации. Было целесообразно выполнить расчет установившегося режима для наиболее вероятных нештатных ситуаций, особенно, если такие ситуации могут быть вызваны плановыми ремонтами, или аварийными ремонтами, занимающими значительное время. Расчеты подобных режимов и анализ их результатов позволяют сделать заключение о степени живучести предлагаемой схемы объединения, а также полезны для последующей разработки рекомендаций по управлению объединенной системой электроснабжения в нештатных режимах.
Для систем автономного электроснабжения, к которым относится и рассматриваемая электротехническая система, все виды возмущений являются внутренними. Для оценки допустимых времен существования трехфазных коротких замыканий проведены расчеты электромеханических переходных процессов в аварийных и послеаварийных режимах. Анализ результатов расчетов позволяет сделать следующие выводы:
1. Уровень устойчивости объединенной электротехнической системы объекта следует считать в целом удовлетворительным. В то же время, ограниченная устойчивость основных узлов нагрузки требует наличия быстродействующего автоматического отключения для локализации коротких замыканий в сетях 6 кВ.
2. Различия в уровне устойчивости объединенной электротехнической системы для рассмотренных вариантов построения объединенной электротехнической несущественны. Устойчивость электротехнической системы не может являться основанием для предпочтения того или иного варианта объединения.
3. Для всех расчетных ситуаций фактором, лимитирующим длительность возмущения, является устойчивость асинхронной двигательной нагрузки. Это связано с достаточно высокой степенью загруженности генераторов и ограничивает возможности дальнейшего наращивания мощности нагрузки.
С целью минимизации последствий аварийных возмущений были разработаны алгоритмы деления объединенной электротехнической системы объекта при коротких замыканиях и алгоритмы восстановления нормальной работы системы после ликвидации их последствий. Анализ аварийных и послеаварийных ситуаций позволил выбрать наиболее предпочтительный с точки зрения управляемости вариант объединения генерирующих мощностей.
Поскольку различные электростанции объекта проектировались и создавались в различное время, режимы нейтрали у них также существенно различались. В целом на объекте можно было выделить фрагменты электротехнической системы со следующими режимами нейтрали: изолированная нейтраль при уровне напряжения 0,4 кВ; нейтраль, заземленная через сопротивление, при уровне напряжения 6,3 кВ; эффективно заземленная нейтраль при уровне напряжения также 6,3 кВ. В такой ситуации возник естественный вопрос о возможном влиянии коротких замыканий на землю на работоспособность электротехнической системы и на ее устойчивость.
Выполненные расчеты токов короткого замыкания на землю показали относительно небольшие значения этих токов. Однофазные короткие замыкания не могут нарушить устойчивость объединенной электротехнической системы. Существующие системы электрических защит и автоматики вполне способны своевременно ликвидировать подобные возмущения. Существующие основные элементы системы распределения электрической энергии обладают вполне достаточной термической и динамической стойкостью к воздействию токов короткого замыкания на землю.
Далее был выполнен расчет надежности и эффективности объединенной системы электроснабжения с учетом данных об устойчивости при коротких замыканиях. В качестве обобщающего показателя надежности было решено принять ожидаемый среднегодовой недоотпуск электрической энергии потребителям технологического комплекса. Уточненная оценка эффективности получилась менее оптимистичной, чем предварительная, что связано с более низкими показателями надежности, полученными по результатам расчетов устойчивости объединенной электротехнической системы.
Для обоснованного выбора оптимального варианта объединения генерирующих мощностей был определен перечень основных показателей качества системы. Для данной ситуации был принят к рассмотрению следующий перечень основных показателей: ударный ток трехфазного короткого замыкания; степень динамической устойчивости; управляемость системы; возможность развития электротехнической системы; живучесть системы при неуспешной ликвидации аварийных ситуаций; эффективность объединенной системы электроснабжения. Сопоставление ранжирования показателей с предполагаемой общей оценкой позволило выбирать предпочтительный вариант объединенной системы электроснабжения объекта. Экономическое обоснование целесообразности реконструкции выполнено на основании полученных значений результирующего ожидаемого недоотпуска электроэнергии за год.
Результаты расчета установившегося режима для выбранного варианта объединенной системы электроснабжения и итоги проведенного анализа позволили сделать заключение о высокой степени сбалансированности предлагаемой схемы. Диаграмма вкладов генераторов в энергообеспечение нормального режима для выбранного варианта объединения генерирующих мощностей представлена на рис. 3.
Рис. 3. Вклад электростанций в энергообеспечение для выбранного варианта объединения генерирующих мощностей
В целом, результаты работы показали необходимость достаточно подробного рассмотрения вопросов устойчивости и для автономных электротехнических систем. При этом выяснилось, что важна не только устойчивость системы генерации электрической энергии, но и, в не меньшей степени, устойчивость собственно двигательной нагрузки.
Работа кафедры продолжается в области дальнейшего развития теории устойчивости промышленных электротехнических систем и методов управления ими в рабочих и аварийных режимах. Вместе с профессорско-преподавательским составом в научной работе кафедры постоянно участвуют аспиранты, магистранты и студенты университета.