Рекомендации по выбору уставок (технологических и электрических) устройств АВР сетевых насосов при кратковременных нарушениях электроснабжения с учетом переходных гидравлических режимов

Рис.1. Функционирование сетевых насосов в системе теплоснабжения

При нарушениях нормального гидравлического режима, обусловленных аварийными отключениями насосных групп источников тепла и насосных станций либо несанкционированным закрытием регуляторов (клапанов рассечки) магистральных тепловых сетей, как показывает опыт эксплуатации систем теплоснабжения, могут возникать переходные гидравлические режимы, сопровождающиеся возникновением недопустимых давлений по условиям прочности оборудования [1-8].

Нарушения электроснабжения ЭД сетевых насосных агрегатов (СНА) на источнике тепла обусловливают быстрое снижение частоты вращения ЭД СНА и, следовательно, изменение расхода сетевой воды через останавливающиеся сетевые насосы и давления в обратном и подающем коллекторах источника тепла.

При этом в обратном коллекторе источника тепла вследствие торможения потока сетевой воды возникает повышение давления, которое может представлять опасность как для оборудования источника тепла (сетевых подогревателей и встроенных теплофикационных пучков конденсаторов), так и для оборудования теплопотребляющих установок. В подающем коллекторе источника тепла возникает понижение давления. Помимо повышения давления в переходных гидравлических режимах существенную опасность представляет понижение давления, при котором возможно вскипание высокотемпературного теплоносителя, и возможность возникновения последующей нестационарной (быстрой) конденсации, сопровождающейся значительным повышением давления.

Аварийные отключения насосных групп происходят, например, при перерывах в электроснабжении СНА, из-за ошибочного отключения оперативным персоналом, из-за короткого замыкания (КЗ) в кабельных линиях ЭД и в СНА или из-за механических повреждений в ЭД и СНА.

Доля аварий, вызванных аварийными отключениями СНА источников тепла либо НПС вследствие перерыва в электроснабжении и неполадок в системе автоматики включения резерва (АВР) сетевых насосов, составляет около 35% общего числа аварий, связанных с переходными гидравлическими режимами [10].

На ТЭЦ источниками тепловой энергии являются теплофикационные турбины и пиковые водогрейные котлы.

Предлагается использовать данные Рекомендации в разработке схем электроснабжения при проектировании новых и реконструкции существующих источников тепла.

     
1.1. Основные принципы разработки системы защит от недопустимых
изменений давления

За последние годы ОАО "ВНИПИЭнергопром", ОАО "ВТИ", Филиал ОАО "Инженерный центр ЕЭС" - "Фирма ОРГРЭС" и другие организации осуществили разработку систем защиты оборудования в СЦТ от недопустимых изменений давлений при переходных гидравлических режимах, систем защиты электростанций от затопления сетевой водой при разрывах станционных теплопроводов, а также проектирование и натурные испытания необходимых защитных устройств в ряде как действующих, так и проектируемых СЦТ городов: Москве, Минске, Киеве, Таллине, Харькове, Ярославле, Костроме, Ульяновске, Омске, Рязани, Петропавловск-Камчатском, Ижевске, Кемерово и др. [1-8].

Следует подчеркнуть необходимость разработки комплексной системы противоударной защиты, обеспечивающей защиту оборудования источников тепла, тепловых сетей и теплопотребляющих установок. Определение средств защиты оборудования СЦТ проводится на основе расчетных и (или) экспериментальных исследований переходных гидравлических режимов для наиболее вероятных аварийных ситуаций.

В настоящее время существуют как различные методы определения параметров аварийных переходных процессов (расчетных и экспериментальных) [11-13], так и различные методы и устройства защиты оборудования СЦТ от недопустимого изменения давления.

Для защиты оборудования СЦТ разработаны противоударные устройства. Наибольшее применение нашли быстродействующие сбросные устройства: гидрозатворы-переливы, быстродействующие сбросные клапаны, мембранно-предохранительные устройства. Среди мероприятий, обеспечивающих снижение скорости изменения давления и его значение, используются устройства, изменяющие время закрытия и функцию изменения сопротивления дросселирующих устройств, обратные клапаны на обводе насосных станций.

Компенсация изменения давления от отключенных насосных групп может быть осуществлена отключением других насосных групп (источников тепла или насосных станций), последовательно включенных в системе теплоснабжения (динамическая защита).

Следует отметить, что вопросы защиты оборудования СЦТ от гидроударов должны решаться, особенно для источников тепла, совместно с причинами нарушения электроснабжения ЭД сетевых насосов и анализом работы релейно-защитных устройств схем электроснабжения ЭД СНА.

Кроме того, внедрение противоударных устройств требует внесения изменений в существующие схемы защиты и автоматизации источников тепла и насосных станций (например, использование АВР сетевых насосов, установки ЗМН на отключение ЭД сетевых насосов и др.).

При разработке и реализации системы защиты от недопустимых изменений давления можно выделить следующие этапы.

1) Разработка технических решений:

- выполнение анализа схем электроснабжения ЭД СНА источника тепла и НПС с определением возможных аварийных отключений сетевых насосов и вероятных временных интервалов перерыва в электроснабжении;

- расчетное и (или) экспериментальное моделирование аварийных переходных и послеаварийных гидравлических режимов в системе теплоснабжения в соответствии с наиболее вероятными аварийными возмущениями;

- определение аварийных режимов, представляющих опасность по условиям прочности оборудования системы теплоснабжения;

- выбор противоударных устройств и мероприятий на основании расчетных и (или) экспериментальных исследований переходных и послеаварийных гидравлических режимов с определением типа и места установки защитных устройств, а также с учетом возможных изменений в схеме электрических соединений.

2) Реализация разработанных мероприятий, включая разработку проекта системы защиты оборудования СЦТ от недопустимых изменений давления сетевой воды, проведение необходимых строительных и монтажных работ, наладку элементов систем защиты и их предпусковое поузловое апробирование.

3) Пуск и натурное апробирование (испытание) систем защиты оборудования СЦТ от недопустимых изменений давления сетевой воды с натурным определением параметров переходных гидравлических режимов.

Выбор одного из известных и апробированных способов определения параметров аварийных гидравлических режимов работы СЦТ, выявление опасности этих режимов для оборудования различных элементов СЦТ осуществляется в зависимости от сложности проектируемой и действующей СЦТ, типа поставленной задачи, степени оснащенности элементов СЦТ средствами защиты и авторегулирования и др.

1.2. Анализ схем электроснабжения

Основными факторами, определяющими главную схему электрических соединений ТЭЦ, является число и мощность генераторов, режим работы электростанции, схемы распределительных сетей среднего и низкого напряжения, схема присоединения к энергосистеме [18]. Структурная электрическая схема ТЭЦ, построенных на территории бывшего СССР, с турбоагрегатами мощностью 30, 60 и 100 МВт показана на рис.2.

1.3. Примеры выбора систем защит при переходных гидравлических режимах,
обусловленных кратковременными перерывами в электроснабжении

1.4. Перечень технологических и электрических защит
в схемах электроснабжения ЭД СНА, используемых в мероприятиях
по защите от гидроударов

2.1. Подключать ЭД СНА таким образом, чтобы не было их полного отключения при КЗ в любой точке главной схемы электрических соединений электростанции.

Обеспечить равномерное подключение ЭД СНА на секциях с.н.

Наиболее предпочтительно:

- для двухступенчатых насосных групп СНА перекрестное подключение по одному ЭД СНА I или II ступени к шинам секции с.н.;

- для одноступенчатых насосных групп СНА подключение по одному ЭД СНА к шинам секции с.н.

Примечание. При концентрации на секциях с.н. произвольного (большого) числа ЭД СНА в случае возникновения КЗ на этих секциях будет происходить отключение всех ЭД СНА, присоединенных к данной секции. В большинстве случаев такие отключения приводят к возникновению аварийных переходных гидравлических режимов в СЦТ [5, 6].

Для обеспечения безаварийного прохождения переходных гидравлических режимов в СЦТ рекомендуется осуществление мероприятий на стадии проектирования (проведение расчетов переходных гидравлических режимов).

2.2. Защитой минимального напряжения I ступени ( и =0,5 с) следует воздействовать на отключение ЭД СНА I и II ступеней источников тепла (ТЭЦ, котельных) в случае трех и более работающих СНА в группе.

При работе менее трех ЭД СНА необходимо обосновать использование ЗМН расчетными и (или) экспериментальными данными о переходных гидравлических режимах в СЦТ.

При воздействии ЗМН I ступени на отключение рабочего ЭД СНА необходимо обеспечить АВР СНА по блок-контактам. Время перерыва питания, включая уставку по ЗМН (=0,5 с), должно быть минимальным.

Защитой минимального напряжения II ступени можно воздействовать на отключение ЭД СНА II ступени двухступенчатой группы СНА источника тепла с обоснованием уставки по времени. Выбор времени должен обосновываться возможностью безаварийного прохождения переходных гидравлических режимов в СЦТ.

Примечание. Согласно п.5.2.7 [9]:

"При перерыве в электропитании электродвигателей (включая электродвигатели с регулируемой частотой вращения) ответственного тепломеханического оборудования должен быть обеспечен их групповой самозапуск при повторной подаче напряжения от рабочего или резервного источника питания с сохранением устойчивости технологического режима основного оборудования.

Время перерыва питания, определяемое выдержками времени технологических и резервных электрических защит, должно быть не более 2,5 с.

Перечень ответственных механизмов должен быть утвержден техническим руководителем электростанции".

В соответствии с [19]: "Защита минимального напряжения I ступени должна предусматривать отключение ЭД неответственных механизмов при снижении напряжения до и =0,5 с.

Защита минимального напряжения II ступени должна устанавливаться на ЭД ответственных механизмов при снижении напряжения до 0,5 и времени =39 с. Защита минимального напряжения II ступени также используется для обеспечения надежности пуска АВР ЭД взаимно резервируемых механизмов".

Анализ ряда схем электроснабжения электростанций показал, что на ЭД СНА I ступени двухступенчатой группы СНА, как правило, устанавливается ЗМН I ступени. При этом АВР по факту отключения рабочего ЭД может быть предусмотрено, а может и отсутствовать.

Защита минимального напряжения II ступени обычно устанавливается на ЭД СНА II ступени двухступенчатой группы СНА. По факту отключения рабочего ЭД АВР либо установлено, либо нет.

Встречаются схемы электроснабжения, где на одной части ЭД СНА II ступени установлена ЗМН I ступени, на другой - ЗМН II ступени. Защита минимального напряжения I ступени в этих случаях установлена на ЭД мощностью менее 600 кВт.

Принимая во внимание [19], одним из критериев допустимости установки электрических и технологических защит на ЭД СНА является сохранение устойчивости либо живучести СЦТ при перерывах в электроснабжении ЭД. Как было отмечено выше (введение), нарушения электроснабжения ЭД СНА вызывают переходные гидравлические режимы, имеющие характер гидравлического удара. Поэтому в данном случае имеет место задача динамической устойчивости - анализ характера процесса и определение параметров режима при переходе системы от одного установившегося режима к другому. Динамическая устойчивость - это способность системы восстанавливать после большого возмущения исходное состояние или практически близкое к исходному.

Живучесть - это свойство сохранять работоспособность системы после возмущений с выходом из работы части элементов.

Таким образом, действие ЗМН на ЭД СНА должно обеспечить устойчивость СЦТ при перерыве электроснабжения: =0,5 с - I ступень ЗМН и =39 с - II ступень ЗМН. Либо после отключения ЭД СНА действием ЗМН должна обеспечиваться живучесть СЦТ. С учетом этого рассмотрены требования к воздействию I и II ступени ЗМН на ЭД СНА.

Принимая во внимание п.2.1 настоящего раздела, ЗМН I ступени ( и =0,5 с) следует устанавливать на ЭД СНА в случае трех рабочих ЭД СНА в группе и более.

При воздействии ЗМН I ступени на отключение рабочего ЭД СНА необходимо обеспечить пуск резервного СНА по блок-контактам. Время перерыва питания (включая уставку по ЗМН =0,5 с) должно быть минимально возможным.

Защиту минимального напряжения II ступени возможно устанавливать на ЭД СНА II ступени двухступенчатой насосной группы СНА с обоснованием уставки по времени. Необходимость обоснования уставки обусловлена возможностью возникновения аварийных режимов при неправильно выбранной уставке по времени. Например, при перерыве питания ЭД СНА II ступени 1-2 с в напорном коллекторе СНА давление может упасть до давления вскипания сетевой воды и обусловить ее вскипание. При подаче питания на ЭД в течении 3-9 с последует разворот ЭД СНА. Давление в напорном коллекторе возрастет и возникнет нестационарная конденсация, сопровождающаяся существенными локальными увеличениями давлений, приводящими к разрушению теплопроводов.

Обоснование уставки времени должно выполняться на основании расчетной и (или) экспериментальной работы по определению параметров переходных и послеаварийных гидравлических реж

имов.

2.3. Автоматическое включение резервного СНА по факту отключения ЭД рабочего СНА (по блок-контактам).

В п.2.2 настоящего раздела определены условия для реализации АВР СНА по блок-контактам при воздействии ЗМН I ступени на отключение рабочего ЭД СНА.

Недопустимо использование АВР ЭД СНА по блок-контактам в схемах электроснабжения источников тепла (ТЭЦ и котельных) с одноступенчатой группой СНА при работе 1-2 СНА и установленным в обратном коллекторе быстродействующим сбросным устройством для защиты от гидроударов.

Для остальных случаев включение или отказ от использования АВР СНА по блок-контактам должно быть обосновано расчетными и (или) экспериментальными данными о переходных гидравлических режимах в СЦТ.

Примечание. Применение АВР ЭД СНА своим действием направлено на увеличение надежности работы СЦТ - сохранение устойчивой работы СЦТ после кратковременного перерыва. В то же время пуск по АВР ЭД СНА не должен обусловливать возникновение аварийной ситуации в переходном гидравлическом режиме, вызванном кратковременным перерывом питания.

В ряде случаев [1, 2, 6] отключение СНА может обусловить возникновение недопустимых изменений в СЦТ при прохождении переходного гидравлического режима. Пуск резервного насоса по факту отключения ЭД рабочего СНА (по блок-контактам) позволяет не допустить развитие аварийной ситуации как в переходных, так и в послеаварийных гидравлических режимах.

Однако при аварийном отключении СНА II ступени двухступенчатой группы СНА либо при отключении (полном или частичном) одноступенчатой группы источника тепла (например, пиковой водогрейной котельной) давление в напорном коллекторе источника тепла резко понижается. Может возникнуть вскипание при высокой температуре сетевой воды. В этом случае недопустим пуск СНА, так как при повышении давления будет представлять опасность последующая нестационарная конденсация [17], сопровождающаяся существенным ростом давления и разрушением трубопроводов.

Особенно опасны режимы со вскипанием сетевой воды для СЦТ, где в обратном коллекторе источника тепла установлено быстродействующее сбросное устройство. Срабатывание быстродействующего сбросного устройства, обеспечивающего стабилизацию давления в обратном коллекторе источника тепла, вызывает более интенсивное понижение давления в напорном коллекторе отключаемых СНА.

2.4. Групповой самозапуск при повторной подаче напряжения от рабочего или резервного источника питания с сохранением устойчивости технологического режима основного оборудования.

В п.5.2.7 ПТЭ электрических станций и сетей рекомендуемое время перерыва питания, определяемое выдержками времени технологических и резервных электрических защит, не более 2,5 с.

Допустимое время перерыва питания для ЭД СНА источников тепла (ТЭЦ, котельных) в некоторых СЦТ может составлять 1 с. В этом случае релейная защита и выдержки времени должны быть такими, чтобы обеспечить перерыв питания менее 1 с.

Это обосновывается расчетными и (или) экспериментальными данными о безаварийном прохождении переходных гидравлических режимов.

Примечание. См. п.2.2 настоящих Рекомендаций.

2.5. Отключение рабочих СНА источников тепла при понижении давления в подающем коллекторе или за водогрейными котлами до давления вскипания сетевой воды с запретом на повторный его пуск (самозапуск) и АВР СНА.

Применение указанной защиты обязательно для ЭД СНА источников тепла (ТЭЦ, котельных) с одноступенчатой группой СНА при находящихся в работе 1-2 СНА и установленным в обратном коллекторе источника тепла быстродействующим сбросным устройством.

В других случаях применение данной защиты должно быть обосновано.

Примечание. Рассматриваемая защита должна применяться во избежание аварийных ситуаций, возникающих в переходных гидравлических режимах при нестационарной конденсации. Подробнее об этих режимах отмечено в примечании п.2.3 настоящих Рекомендаций. Указанная в настоящем пункте ситуация, где отмечено обязательное применение рассматриваемой защиты, подтверждена как расчетными исследованиями, так и практикой эксплуатации действующих СЦТ [2, 3, 8].

2.6. Отключение ЭД рабочих СНА при понижении давления во всасывающих патрубках СНА до уровня кавитации с блокировкой на повторный пуск (самозапуск).

Примечание. Необходимость указанной защиты определяется следующим: понижение давления во всасывающих патрубках СНА может обусловить срыв в работе СНА. При последующем запуске СНА (например, повышение давления во всасывающих патрубках в результате действия подпитки) возникает резкий динамический рост давления в напорных коллекторах СНА и, как следствие, резкое нарастание давления в подающих трубопроводах источника тепла и тепловых сетей, что может привести к разрушению ослабленных коррозией теплопроводов [2, 6].

1. Разработка рекомендаций по защите оборудования теплофикационной системы Ульяновской ТЭЦ-1 от недопустимых изменений давлений при переходных гидравлических режимах: Отчет ВНИПИЭнергопром. - 1994.

2. Разработка рекомендаций по защите оборудования теплофикационной системы Ново-Рязанской ТЭЦ от недопустимых изменений давлений в переходных гидравлических режимах: Отчет ВНИПИЭнергопром. - 1995.

3. Разработка рекомендаций по защите оборудования теплофикационной системы Костромской ТЭЦ от недопустимых изменений давлений: Отчет ВНИПИЭнергопром. - 1995.

4. Экспериментальное определение фактических моментов инерции сетевых насосных агрегатов и анализ системы электроснабжения электродвигателей сетевых насосов Ижевской ТЭЦ-2: Отчет ОРГРЭС. - 1995.

5. Разработка мероприятий по защите оборудования водоподогревательной установки Ижевской ТЭЦ-2 от недопустимых изменений давлений сетевой воды и от затопления главного корпуса ТЭЦ сетевой водой со стороны тепловых сетей при разрывах сетевых станционных трубопроводов: Отчет ОРГРЭС. - 1995.

6. Повышение качества регулирования гидравлических режимов теплоснабжения левобережной части г.Кемерово. Комплексная защита оборудования от недопустимых изменений давления сетевой воды в переходных режимах: Отчет ВТИ. - 1999.

7. Разработка комплексной системы защиты от гидроударов оборудования системы теплоснабжения Нижневартовской ГРЭС: Отчет ВНИПИЭнергопром. - 1997.

8. Разработка технических решений по защите оборудования системы теплоснабжения ТЭЦ Куйбышевской НПЗ от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах: Отчет ВНИПИЭнергопром. - 1998.

9. РД 34.20.501-95*. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. - М.: ОРГРЭС, 2002.

_______________

* Действуют Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации, утвержденные Постановлением Минтопэнергоо России от 19.06.2003 N 229. - Примечание изготовителя базы данных.

10. Громов Б.Н., Гедрих Г.М., Канина Л.П. Анализ нормативных требований к надежности электроснабжения и защиты от недопустимых давлений сетевых насосов источников тепла и насосно-перекачивающих станций. Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Нормативные требования к надежности систем энергетики. - Новосибирск.: СО "Наука", 1986, вып.31.

11. Громов Б.Н. Переходные гидравлические процессы в тепловых водяных сетях. Теплофикация и централизованное теплоснабжение. - В кн.: Труды ВТИ, 1974, вып.6. с.155-184.

12. Свинухов Б.И. Исследование переходных гидравлических процессов в системах теплофикации. - В кн.: Автоматика в строительстве. - М.: Тр. МИСИ, 1973, N 117.

13. Лаврентьев В.Л. Исследование переходных гидравлических процессов в сетях теплоснабжения: Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. - Новосибирск, 1982.

14. Электрическая часть станций и подстанций. Ч.2/ Под ред. Васильева А.А. - М.: Энергия, 1972.

15. Анализ причин технологических нарушений в работе электрической части энергосистем за 1994 год. - М.: СПО ОРГРЭС, 1995.

16. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. - М.: 1975.

17. Нестке К. и др. Теоретические и экспериментальные исследования нестационарных процессов в водяных тепловых сетях при возникновении двухфазовых газоводяных и пароводяных зон: Отчет фирмы "Warmeanlagebau"/ Перевод ВНИПИЭнергопром. - 1983, с.154.

18. Георгиади В.Х., Канина Л.П. Поведение системы теплоснабжения при коротких замыканиях в главной схеме электрических соединений ТЭС. - Электрические станции, 1999, N 2.

19. Правила устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1985.