Обеспечение условий работы очистных сооружений при наличии мини-ТЭС

Для электротехнических комплексов (ЭТС) с питающей энергосистемой и мини-станцией актуальны задачи выбора напряжения, расчета статической и динамической устойчивости комбинированных систем [1, 2], релейной защиты и автоматики, а также режимов параллельной и автономной работы энергосистемы и собственной генерации [3, 4]. Работа таких ЭТС очистки сточных вод, обработки осадка, утилизации бытового мусора (ввиду большого числа приводов с ЧРП) связана с повышением надежности и эффективности энергоснабжения [5, 6]. Важнейшим ресурсом энергосбережения на очистных сооружениях является обработка осадка сточных вод и органической составляющей бытового мусора, которые представляют биомассу, переработав которую получают различные виды энергии, предназначенные для последующего сжигания биогаза [7, 8].

1.    Постановка задачи

Основное назначение очистных сооружений (ОС) – обработка сточных вод, которые проходят 2 стадии очистки [9]:

– механическую (решетки, песколовки, первичные отстойники), на которой происходит удаление из поступающих сточных вод мусора, отбросов, песка и основной массы взвешенных веществ;

– полную биологическую (аэротенки, вторич- ные отстойники), в ходе которой происходит удаление микроорганизмами активного ила, растворенных в воде органических загрязнений.

Осадок, образующийся в процессе механической и биологической очистки сточных вод на ОС, подвергается сбраживанию в метантенках и приводит к выделению биогаза. Мощность ОС, взятых для исследования, составляет 3,125 млн м3/сут. Сейчас за счет очистки сточных вод и обработки осадка внедряются мини-ТЭС [10].

Ядром предложенной в работе мини-ТЭС являются 4 модуля, в которые входят: а) газопоршневой двигатель внутреннего сгорания GE Jenbacher, б) электрогенератор, в) парогенератор, д) система охлаждения [8] (рис. 1). Двигатели мини-ТЭС предусмотрены для смешанного режима работы биогаз/природный газ, чтобы впоследствии энергоблок мог быть переведен на работу на природном газе.

Из схемы работы энергоблока (см. рис. 1) следует, что мини-ТЭС обеспечивает электроэнергией 50 % основных технологических потребителей на станции и будет работать параллельно с централизованными сетями энергоснабжающей организации, за счет чего обеспечивается повышение надежности энергоснабжения [5, 11]. Кроме того, мини-ТЭС обеспечивает 30 % потребностей станции в тепловой энергии, за счет чего осуществляется процесс очистки сточных вод в условиях возможного отключения внешних источников энергоснабжения.

Электроэнергия

ОАО"Мосэнерго" 140 млн кВт*ч/год

Без мини-ТЭС

Биогаз

35 млн м³/год

Природный газ

5 млн м³/год

Котельная

КПД 82%

230 г тыс.Гкал/^р;

обогрев метантенков

170 тыс. Г кал/год

Отопление и гор. водоснабжение 60 тыс. Г кал/год

С мини-ТЭС

Электроэнергия

ОАО"Мосэнерго"

70 млн кВтч/год

Электроэнергия

вода системы

Электр ич. мощность

10 МВт

I! дх ла жде ния Тепловая 52 тыс. Гкал/Г(, мощность

Природный газ 20 млн м³/год

Биогаз 35

млн м3/год

тыс.Гкал/год пар

33 тыс. Гкал/гс Д

Котельная

КПД 82%

28 МЛН М³/ГОД

млн.кВт*ч/год

Д

обогрев метантенков тыс.Гкал/год

Отопление и гор. водоснабжение 60 тыс. Г кал/год

Рис. 1. Годовой теплоэнергетический баланс ОС

2.    Материалы и методы исследования

Электроснабжение ОС (потребителя особой и первой категории надежности электроснабжения [9]) осуществляется от трех источников пита- ния: основного 40 МВт, аварийного и автономного мини-ТЭС мощностью 10 МВт (рис. 2). При этом ряд авторов отмечали проблемы в проектировании таких комплексов [12, 13].

Рис. 2. Упрощенная схема электроснабжения ОС

Длина кабельных линий от основной ПС до ОС составляет от 740 до 2200 м. Длина линий от аварийной ПС до ОС составляет от 3780 до 4876 м. От трансформаторов Т-1 и Т-2 (ТДТНГ-40500 110/10/6 кВ) осуществляется питание потребителей ОС по кабельным линиям напряжением 6 кВ (АСБ 3×240) (ТП-1, 2, 3, 4, 10, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22). В нормальном режиме питание ТП-1, 3, 15, 17, 19, 20 от аварийной ПС не осуществляется. От мини-ТЭС получают питание ТП-1 и ТП-15. От ТП-15 запитаны синхронные двигатели (СД) ДСП-116-49-4 1300 кВт – 9 шт., СТД 1250-2 1250 кВт – 7 шт.; от ТП-1 – асинхронные (АД) АТМ 1200-2 1200 кВт – 4 шт., СТМ 1500-2 1500 кВт – 6 шт.

От мини-ТЭС получают питание агрегаты 2-й и 3-й секций ТП-1 и ТП-15, а остальные двигатели запитаны от основной ПС. На ТП-1 установлены: 1с – СД₁₇, СД₁₈; 2с – СД₁₉, СД₂₀, СД₂₁; 3с – СД₂₂, СД₂₃; 4с – СД₂₄, СД₂₅, СД₂₆. На ТП-15 установлены: 1с – СД 1 , СД 2 , СД 3 , СД 4 ; 2с – СД 5 , СД 6 , СД 7 , СД₈; 3с – СД₉, СД₁₀, СД₁₁, СД₁₂; 4с – СД₁₃, СД₁₄, СД₁₅, СД₁₆. На ТП-19 установлены: 1с – АД₁, АД₂, СД 27 , СД 28 ; 2с – АД 3 , АД 4 , АД 5 , СД 29 ; 3с – АД 6 , АД 7 , АД 8 , АД 9 , СД 30 , СД 31 ; 4с – АД 10 , АД 11 , СД 32 , СД 33 . Мощность СД напряжением 6 кВ составляет 34,2 МВт, а АД напряжением 6 кВ – 4,0 МВт.

3.    Результаты исследования

Математическая модель типовой ОС включает 120 ветвей, 123 выключателя, 37 СД (включая 4 генератора), 11 АД и 38 узлов нагрузки, от которых питаются электродвигатели напряжением 380В и прочая нагрузка. Согласно разработанным программам [14] определены запасы статической устойчивости ЭТС ОС по величине критического напряжения на шинах секций ТП для исходной схемы, при отключении трансформатора и генераторов мини-станции (табл. 1). При автономном питании мощности четырех генераторов достаточно для работы основных потребителей ОС и устранения последствий аварий.

В соответствии с указаниями по устойчивости энергосистем [15] в исходном режиме коэффициент запаса устойчивости должен быть не менее 20 %, что и обеспечивается для ОС:

К зап = (1,05 – 0,75)/10,5 · 100 = 28,57 %.

Коэффициент запаса устойчивости в послеаварий-ном режиме [16, 17] должен быть не менее 8 %, а он равен:

К зап = (1,05 – 0,85)/10,5 · 100 = 19,05 %.

Когда еще отключены генераторы, то

К зап = (1,05 – 0,915)/10,5 · 100 = 12,85 %.

При выводе в ремонт трансформатора запас статической устойчивости ЭТС, как показали расчеты, снижается еще на 9 %.

Для проверки правильности выбора электрооборудования [18–20] проведены расчеты ЭТС при коротких замыканиях (КЗ) в сети 110 кВ длительностью 200 мс (табл. 2).

Из расчетов КЗ и восстановления электроснабжения [10] выявлено, критическое время при трехфазном КЗ в узле 1 составляет t _кр = 0,26 с (рис. 3).

Из анализа этих переходных процессов выбега и самозапуска СД привода турбовоздуходувки мощностью 1250 на 1с ТП-15 следует, что параметры двигателя долго (до 5 с) не достигают установившихся значений (см. рис. 3).

Ток статора СД в первый момент самозапуска возрастает до 6,9 о.е. (см. рис. 3), превышая значения пускового тока из каталожных данных, что вызывает дополнительный износ оборудования. Наиболее опасны при этом колебания активной мощности (момента) СД, которые значительно превышают кратность максимального момента двигателя Р сз >  P max (3,95 > 2,5). Следует отметить, что опрокидывание СД происходит в момент Т = 0,31 с, когда угол нагрузки двигателя превышает 180°.

Расчет переходных процессов при КЗ в сетях 10 кВ показал, что процессы протекают так, что при длительности КЗ 0,25 с не происходит нарушение устойчивости СД и АД. Режим работы потребителей ОС при КЗ в сетях 10 кВ (табл. 3)

Таблица 1

Нарушение устойчивости установившегося режима

Наименование схемы ЭТС	U у, о.е.
	ТП-15				ТП-19
	1с	2с	3с	4с	1с	2с	3с	4с
Исходный	0,703	0,610	0,611	0,706	0,620	0,704	0,619	0,699
Генератор Г1 отключен	0,848	0,816	0,814	0,850	0,821	0,849	0,821	0,844
Трансформатор Т1 отключен	0,714	0,708	0,708	0,716	0,716	0,715	0,716	0,710

Таблица 2

Параметры секций и двигателей в начальный момент самозапуска после КЗ в сети 110 кВ

Режим	Напряжение ТП, о.е.	Угол нагрузки СД δ, рад	Напряжение U ад , о.е.
Однофазное КЗ в узле 4	U у,21 = 0,859	δ 15 = 1,425	U 6 = 0,923
Междуфазное КЗ в узле 4	U у,21 = 0,824	δ 14 = 1,458	U 6 = 0,981
Трехфазное КЗ в узле 4	U у,21 = 0,664	δ 14 = 2,655	U 6 = 0,722

Длительность, с.

Рис. 3. Параметры режима СД3 при выбеге на КЗ и при восстановлении напряжения

Таблица 3

Параметры секций и двигателей в начальный момент самозапуска после трехфазного КЗ в сети 10 кВ

Режим Напряжение ТП, о.е. Угол δ (рад) нагрузки СД Ток СД, о.е. Ток АД, о.е. КЗ в узле 7 ТКЗ = 0,25 с Uу,21 = 0,952 δ3 = 0,863 I3 = 3,02 I4 = 3,18 КЗ в узле 11 ТКЗ = 0,2 с Uу,21 = 0,773 δ15 = 1,437 I15= 1,95 I6 = 1,82 КЗ в узле 11 ТКЗ = 0,25 с Uу,21 = 0,760 δ15 = 1,472 I15= 1,99 I6 = 1,91 не приводит к нарушению устойчивости при отключениях КЗ РЗА за время 0,2–0,5 с. На основании исследований определили:

– при трехфазном коротком замыкании на ш инах 1с и 4с ТП- 15 токи СД в момент восстановл ения I _сз напряжения превышают пусковой ток I _п двигателей ( I _сз >  I _п = 7,72 >  6,48 о.е.), что вызовет зн а чительные электрические и механические воздейс т вия как на СД, так и на приводимый механизм;

– при трехфазном КЗ на шинах 1с, 2с и 3с ТП- 19 токи АД в момент восстановления напр яжения значительно (на 36 и 63 %) превышают пу сковой ток двигателей ( I сз >  I п = 8,2 > 6,0 о.е.), что вызовет электрические и ме ханические воздейс т вия как на АД, так и на приводимый механизм;

– при трехфазном КЗ в цепи питания мини ТЭС длительностью 0,25 с динамическая устойч ивость генераторов δ_г ввиду достижения ими крит ического угла нагрузки δ_кр (δ_г > δ _кр = 1,8 > 1,57 рад) нарушается;

– режимы при трехфазных КЗ длительностью 250 мс в узлах нагрузки напряжением 6 кВ не имеют динамической устойчивости, так как си н хронные машины выпадают из синхронизма.

Устойчивость систем с комбинированными источниками нужно оценивать на основании кривой δ ( t ) [2, 11, 15], которая строится при расчетах аварийных режимов. Динамическая устойчивость генераторов мини- станции нарушается при КЗ длительностью 250 мс.

Минимальная критическая длительность трехфазного КЗ в электрической внутризаводской сети 6 кВ имеет место при КЗ в цепи питания миниТЭС и составляет Т _кр = 0,18 с.

При модернизации схемы связи мини-ТЭС и питающей энергосистемы можно сделать так, чтобы потребители разных секций подстанций ОС были бы в более выгодных условиях.

Выводы

• 1.    Проведенные расчеты переходных процессов выбега на КЗ и самозапуска электродвигателей для существующей и предлагаемой схем ОС выявили, что характер и вид переходных процессов в СД и АД улучшился. Токи включения электродвигателей при восстановлении питания меньше пусковых.

• 2.    Угол нагрузки СД в предложенной схеме электроснабжения ОС не достиг 180°, т. е. ресинхронизация СД не произошла. Ток и момент СД значительно меньше значений для существующей схемы электроснабжения.

• 3.    Процессы в модернизированной схеме связи мини-ТЭС и питающей подстанции при КЗ в сетях 10 кВ подтверждают, что они не опасны по электрическим и механическим параметрам.

• 4.    Обоснована замена устройств АВР на ТП-1,15,19 и мини-ТЭС на БАВР 072 со временем работы 26–65 мс для исключения техногенных аварий, остановов потребителей.