Obrona zasilania zakładu przemysłowego w warunkach awarii systemowej w sieci KSE

Autorzy:

inż. Jerzy Jendroszczyk
mgr inż. Adam Kurzyński
ZPBE Energopomiar-Elektryka Gliwice

Wprowadzenie

Zasada obrony i odbudowy zasilania układu elektroenergetycznego (UEE) zakładu przemysłowego z własną elektrociepłownią (EC) w razie pojawienia się zakłócenia lub awarii w krajowym systemie elektroenergetycznym (KSE) opiera się na założeniu wydzielenia i powstania wyspy, w której jednostki wytwórcze w niej występujące mogą zapewnić sprawne zasilanie odbiorom elektroenergetycznym i utrzymanie bezpiecznego ruchu w zakładzie bez potrzeby przerwania produkcji. Ważne jest również, aby w takich warunkach pracy wyspowej nie tylko były właściwie zasilane odbiory UEE tego zakładu, ale również jego odbiory układu technologicznego i ciepłowniczego (UTC) przez tą samą EC o skojarzonej produkcji energii cieplnej i elektrycznej.

W referacie wymieniono wybrane próby systemowe obrony i odbudowy zasilania KSE przeprowadzone przez Energopomiar, których wyniki i wnioski z doświadczeń wykorzystano w poniżej przedstawionej zasadzie obrony zasilania UEE zakładu przemysłowego, podkreślając w niej główną rolę EC, a także omówiono warunki tworzenia sieci wyspowej i działanie układu częstotliwościowego odciążania(CO).

Próby systemowe obrony i odbudowy zasilania

W minionych latach Energopomiar brał udział w kilku próbach systemowych oceny zdolności wybranych UEE w obronie i odbudowie zasilania KSE, do których można zaliczyć:

• próby obrony zasilania UEE miasta Krakowa przez El. Skawina i EC Kraków z pracą wyspową sieci 110 kV o mocy do 220 MW i odbudową zasilania po jej całkowitym zaniku w El. Skawina przez podanie napięcia i mocy rozruchowej linią 110 kV z samostartującej EW Niedzica [1],
• próby obrony i odbudowy zasilania UEE obejmującego El. Turów z jednym blokiem i KWB Turów z pracą wyspową sieci 110 kV o mocy do 55 MW [2] oraz
• próby obrony zasilania UEE obejmującego ZE Ostrołęka i ZPC Intercell z pracą wyspową sieci 6 i 110 kV oraz podania napięcia i mocy rozruchowej liniami 220 kV Ostrołęka - Miłosna i 110 kV Miłosna – Siekierki dla uruchomienia wybranego bloku 100 MW w EC Siekierki [3].

Wyniki tych prób z pracą wyspową przeprowadzone zarówno w układach jedno- i wielomaszynowych wykazały, że jednostki wytwórcze elektrowni okazały się zdolne do przechodzenia do pracy wyspowej przy różnie spotykanych w eksploatacji warunkach nie-zrównoważenia mocy przed wydzieleniem oraz trwałego ich potem utrzymania w ruchu przy zachodzących zmianach obciążenia na wyspie z częstotliwością i napięciem regulowanych w granicach dopuszczalnych odchyleń.

Zasada obrony zasilania UEE zakładu przemysłowego

Obrona zasilania UEE – w rozwiązaniu jak na rysunku 1 – przed awarią typu black-out w sieci KSE jest skuteczna wtedy, kiedy potrafi się wydzielić i utrzymać na zasilaniu z własnej EC w obrębie powstałej wyspy. Jego przełączenie na inne obce zasilanie jest w takiej sytuacji awaryjnej mało prawdopodobne. W tym celu potrzebne jest najpierw poznanie zakłóceń i ich objawów, które mogą posłużyć do wydzielenia wyspy.

Głównymi zakłóceniami wpływającymi na utratę powiązania UEE z siecią KSE są:

• wyłączenie linii zasilającej UEE, szczególnie w przypadku zasilania go jedną linią,
• awaryjne wyłączenie linii systemowych lub awaria transformatora zasilającego pobliską rozdzielnię 110 kV energetyki zawodowej,
• zanik napięcia na znacznym obszarze KSE.

Te zakłócenia, jakie powstaną w sieci KSE lub UEE charakteryzują się określonymi właściwościami, które wykorzystuje się jako kryteria do wydzielenia UEE do pracy wyspowej. Z reguły objawiają się one obniżeniem częstotliwości lub/i obniżeniem napięcia w sieci UEE. Wtedy też EC nie jest w stanie sprostać zwiększonemu zapotrzebowaniu na moc czynną lub/i bierną dla pokrycia powstałego deficytu, dopóki UEE jest połączone z siecią dotkniętą zakłóceniem.

Jako kryteria wydzielenia w układach obrony zasilania UEE wykorzystuje się:

• progi odchylenia częstotliwości,
• gradienty obniżenia częstotliwości,
• spadki napięcia,
• przepływy mocy czynnej i biernej z UEE do KSE lub z KSE do UEE.

Na rysunku 2 przedstawiono strukturę takiego przykładowego układu obrony przed black-outem, który składa się z rozproszonego układu pomiarowego połączonego z systemem komputerowym obliczającym i decydującym o ewentualnym wydzieleniu UEE i miejscach wydzielenia od sieci KSE.

Duże znaczenie w momencie wydzielania UEE do pracy wyspowej ma wartość mocy wytwarzanej w EC oraz wartość mocy importowanej z (eksportowanej do) KSE. Poziom produkcji energii elektrycznej w EC jest ściśle zależny od zapotrzebowania na parę technologiczną i ciepłowniczą przepływającą przez turbiny przeciwprężne, w które są najczęściej wyposażone przemysłowe EC. W warunkach zimowych zapotrzebowanie na parę przez UTC jest z reguły większe, a więc produkcja energii elektrycznej jest w skojarzeniu również większa. Toteż wtedy często występuje eksport mocy wytwarzanej przez EC do sieci KSE. W lecie natomiast trzeba się liczyć z niedoborem mocy wytwarzanej przez EC w stosunku do mocy pobieranej przez UEE z powodu mniejszego zapotrzebowania na parę przez UTC, w tym też na parę technologiczną w związku z remontami urządzeń i instalacji technologicznych prowadzonych zazwyczaj w miesiącach letnich. W takiej sytuacji wydzielanie UEE do pracy wyspowej może wystąpić przy imporcie mocy z KSE, co wymaga wyposażenia tego UEE w specjalny układ odciążania ze stopniowym wyłączaniem określonych odbiorów danej grupy ważności dla zakładu.

Rola elektrociepłowni przy obronie i odbudowie zasilania

Źródłem obrony i odbudowy zasilania UEE i UTC w zakładzie przemysłowym jest EC z jednostkami wytwórczymi, które muszą być zdolne w razie zaistnienia zakłócenia do przejścia do pracy na potrzeby własne i potrzeby ogólne lub do pracy wyspowej na sieć wydzieloną, ze sprawnym w takich warunkach zasilaniem odbiorów UEE i UTC. Po opanowaniu i zlikwidowaniu zakłócenia muszą one być także dostosowane do prowadzenia skutecznej odbudowy zasilania polegającej na stopniowym przyłączaniu do nich odbiorów zwłaszcza elektroenergetycznych, aż do czasu ponownego zsynchronizowania odbudowanej w ten sposób sieci wydzielonej z KSE.

O udanym przejściu jednostek wytwórczych EC do pracy na potrzeby własne i potrzeby ogólne lub do pracy wyspowej decydują zazwyczaj po ich stronie cieplno – mechanicznej np. w układzie jak na rysunku 3.

• dobre własności regulacyjne kotłów parowych K1, K2, K3 i K4 pracujących przeważnie na wspólny kolektor parowy, których wydajności szybko odpowiadają na zmianę poboru pary zapotrzebowanej przez turbiny wymuszone zakłóceniami w sieci,
• sprawne działanie regulatorów turbin, które są odpowiedzialne za utrzymanie prędkości obrotowej (częstotliwości) przez turbozespoły TZ1, TZ2 i TZ3 w wyspie w granicach dopuszczalnych odchyleń oraz
• szybko reagujące stacje redukcyjno – schładzające SRS1, SRS2 i SRS3, które dosilają parą odbiory UTC przy jej niedoborze, natomiast regulacyjne zawory zrzutowe ZZ1, ZZ2 i ZZ3, które ją odprowadzają przy jej nadmiarze, a po stronie sieci elektrycznej
• właściwe i niezawodne rozwiązanie zasilania potrzeb własnych i ogólnoelektrownianych, w warunkach kiedy UEE jest odcięty od zewnętrznego zasilania z KSE.

Miarą dobrej regulacyjności kotłów K1, K2, K3 i K4 z wydajnością dostosowaną do obciążenia jest nie zmieniające się ich ciśnienie pary wylotowej, utrzymywane w granicach dopuszczalnej tolerancji nawet przy dużych i szybkich zmianach zapotrzebowania na nią w czasie ruchu. Korzystnie na tą regulacyjność wpływają zarówno dobre własności dynamiczne kotłów na gaz lub olej albo kotłów na węgiel z często spotykanym dopalaniem gazu lub oleju w przemysłowych EC, jak również właściwie dobrany i pewnie działający układ automatycznej regulacji obciążenia (ciśnienia pary) dla kilku kotłów pracujących razem na wspólny kolektor parowy [4].

Istotną rolę przy przechodzeniu turbozespołów do pracy na potrzeby własne i ogólne lub do pracy wyspowej spełniają regulatory turbiny. Dotyczy to w pierwszym rzędzie ich regulatora prędkości obrotowej RO o charakterystyce PI w układzie jedno- i P wielomaszynowym, który ma za zadanie zachować równowagę mocy wytwarzanej z mocą pobieraną przez odbiory UEE z częstotliwością w wyspie utrzymywaną w granicach dopuszczalnych wartości (przejściowych liczonych w minutach) i długotrwałych f=(47.5) 49 … 51 (54) Hz [5]. Działanie innych ich regulatorów mocy RP i ciśnienia pary upustowej RU w turbinie upustowo – kondensacyjnej TZ3 oraz regulatorów ciśnienia pary wylotowej RX i ciśnienia pary upustowej RU w turbinach przeciwprężnych TZ1 i TZ2 zostaje wtedy wstrzymane lub ograniczone po oddzieleniu się turbogeneratorów od sieci. Priorytetowe uaktywnienie się regulatora prędkości obrotowej nad tymi innymi regulatorami jest zazwyczaj zainicjowane zmianą stanu pracy wyłącznika sieciowego identyfikujące już dokonane wydzielenie sieci wyspowej albo zapoczątkowane samoczynnym przełączeniem nastawionej strefy martwej prędkości obrotowej (częstotliwości) Δn0 (Δf0) = +- 12 ÷ +- 30 obr/min (+- 200 ÷ +- 500 mHz) do Δn0 (Δf0) = 0, kiedy prędkość obrotowa (częstotliwość) przekroczy próg tej strefy | Δn (Δf) | > | Δn0 (Δf0) |, co wtedy przygotowuje ten regulator do „czułego” reagowania w wyjątkowych warunkach pracy turbozespołów poprzedzających prawdopodobnie wydzielenie się sieci wyspowej [2].

Pojawiające się przy pracy wydzielonej sieci ew. niedobory pary do odbiorów UTC wymuszone zmianą warunków pracy turbin w wyspie muszą być uzupełnione parą przepuszczaną przez otwarcie stacji redukcyjno – schładzających SRS1, SRS2 i SRS3, których regulatory ciśnienia stacji RS je otwierają przy obniżaniu się ciśnienia pary upustowej pU1, pU2 lub ciśnienia pary wylotowej pX i tym samym dosilają tą parą jej odbiory. Ważne jest również by te stacje były gotowe do szybkiego otwarcia, a więc cieplnie wygrzane, czemu służy specjalny automat do nagrzewania korpusów zaworów, który zapobiega powstaniu tzw. szoków termicznych. Z kolei wymuszone ew. nadmiary pary do odbiorów UTC muszą być tym razem odprowadzone odpowiednimi regulacyjnymi zaworami zrzutowymi ZZ1, ZZ2 i ZZ3, których regulatory ciśnienia zaworów zrzutowych RZ je otwierają przy podwyższającym się ciśnieniu pary upustowej pU1 i pU2 lub ciśnieniu pary wylotowej pX i tym samym zrzucają tą parę najprościej do atmosfery, a w profesjonalnym rozwiązaniu kierują ją z powrotem do obiegu poprzez specjalne rozprężacze ze schłodzeniem pary.

Właściwie dobrany układ elektryczny zasilania potrzeb ogólnych EC i potrzeb własnych jednostek wytwórczych ma duże znaczenie dla ich pracy, ponieważ tylko wtedy, kiedy jej urządzenia podstawowe i pomocnicze są sprawnie zasilone, ich utrzymanie w ruchu jest możliwe, nawet przy odchyleniach częstotliwości i napięcia zasilania większych niż przy pracy systemowej oraz dużych zmianach podczas zakłóceń w sieci. Dotyczy to m. in. takiego zgrupowania zasilania odbiorów potrzeb własnych przyporządkowanych jednostkom wytwórczym, jaki zazwyczaj u nich występuje przy pracy w układzie blokowym a nie rozproszonego zasilania odbiorów potrzeb własnych, jaki często ma miejsce w EC w układzie wspólnego kolektora parowego. Nieodzowne w warunkach wyspowych jest niezakłócony dostęp do zasobów paliwa rozpałkowego i podstawowego oraz pewność ich dopływu do kotłów, a także niezawodne zasilanie EC w inne media potrzebne do bezpiecznego ruchu jej jednostek wytwórczych.

Warunki początkowe tworzenia sieci wyspowej w UEE

Powstanie wyspy zachodzi zazwyczaj w warunkach nierównowagi mocy wytwarzanej i zapotrzebowanej w momencie jej tworzenia przy występującym wtedy nadmiarze mocy czynnej ΔP+ eksportowanej z jej obszaru do sieci zewnętrznej lub niedoborze mocy czynnej ΔP– importowanej do jej obszaru z sieci zewnętrznej przed wydzieleniem. Każdej nierównowadze mocy czynnej towarzyszy zmiana częstotliwości, która rośnie, gdy wyspa powstaje przy nadmiarze mocy ΔP+ eksportowanej z jej obszaru przed wydzieleniem, co wymaga wtedy obniżenia mocy generowanej do poziomu mocy przez nią zapotrzebowanej, natomiast maleje, gdy wyspa powstaje przy niedoborze mocy ΔP– importowanej do jej obszaru przed wydzieleniem, co wymaga z kolei podwyższenia mocy generowanej do poziomu większej mocy przez nią zapotrzebowanej. O ile szybkie obniżenie mocy generowanej przez zamykanie zaworów regulacyjnych turbin obciążonych jest praktycznie zawsze możliwe i skuteczne, to szybkie podwyższenie mocy generowanej przez otwieranie zaworów regulacyjnych turbin, zwłaszcza prawie w pełni obciążonych może być problematyczne. Ogólnie uważa się, że przy niedoborach (ubytkach) mocy ΔP– / PG większe lub równe od 0.25 [6] nie ma szansy na sprawne wydzielenie się wysp, które by się utrzymały i zasilały swoich odbiorców. Dotyczy to jednak w pierwszym rzędzie wydzielania się dużych sieci wyspowych z dominującymi w niej jednostkami wytwórczymi pracującymi w układzie blokowym. Nieco inaczej, a zarazem o wiele korzystniej jest to dla UEE zakładu przemysłowego w przypadku wyspy z turbinami i szybko-reagującymi kotłami w EC pracującymi w układzie kolektora parowego. Dowiodły tego próby wydzielenia wyspy w El. Skawina [1], które się udały nawet przy niedoborze mocy o wartości ΔP– =56 MW i PG =164 MW tj. ΔP– / PG = 0.34.

Trzeba tu dodać, że w czasie odbudowy zasilania wymaga się opanowania skokowego niedoboru mocy generowanej przez turbozespoły na wyspie, gdy stosunek niedoboru mocy do sumarycznej mocy generowanej wynosi

z częstotliwością nawet chwilowo obniżoną o nie więcej niż Δf = 1 Hz. Stąd można wnioskować, że tworzenie wysp w UEE nie powinno napotykać na przeszkody, gdy wydzielanie następuje przy nadmiarach mocy generowanej w stosunku do mocy obciążenia wyspy ΔP+/ PL = 0 … 0.9 oraz niedoborach tej mocy w stosunku do mocy generowanej ΔP– / PG = 0 … 0.1, a prawdopodobnie nawet przy ΔP– / PG = 0.1 … 0.2.

Układ odciążania UEE

Zapewnienie bezpiecznego ruchu UEE po przejściu do pracy wyspowej wymaga zabudowania specjalnego układu częstotliwościowego odciążania (CO). Powinien on być układem rozproszonym, rozlokowanym w rozdzielniach wydziałowych 6 kV, gdzie działa wtedy bezpośrednio na wybrane wcześniej napędy i urządzenia. Zachowanie napięcia na szynach tych rozdzielni pozwala utrzymać w ruchu urządzenia decydujące o bezpieczeństwie ludzi i urządzeń.
Zaleca się trzy stopnie CO ze zwłoką czasową, która ulega skróceniu, gdy pochodna częstotliwości przekracza określoną wartość. W tabeli 1 przedstawiono takie trzy przykładowe stopnie CO z przypisanymi wartościami progów częstotliwości, normalnych i skróconych czasów zwłoki oraz wyłączanej mocy czynnej. Poszczególne progi częstotliwości i zwłoki czasowe powinny być dobierane indywidualnie dla każdego UEE zakładu przemysłowego, biorąc pod uwagę istniejące nastawy zabezpieczeń podczęstotliwościowych generatorów, własności regulacyjne kotłów i turbozespołów EC, a najlepiej w oparciu o obliczenia symulacyjne.

Odbiory przewidziane do wyłączenia przez poszczególne stopnie CO powinny być dobierane zgodnie z następującymi zasadami klasyfikacji ważności odbiorów:

CO I - odbiory ogólne, instalacje i ciągi technologiczne, których wyłączenie nie spowoduje zakłóceń w pracy instalacji podstawowych oraz zagrożenia dla bezpieczeństwa zakładu i środowiska,
CO II - wybrane napędy, których wyłączenie spowoduje ograniczenie produkcji podstawowej oraz
CO III - kolejne napędy i instalacje, których wyłączenie spowoduje ograniczenie produkcji, ale na takim poziomie, aby nie zatrzymać całego ciągu technologicznego.

Podsumowanie

O skutecznej obronie zasilania UEE zakładu przemysłowego z własną EC można mówić wtedy, kiedy jest on dostosowany i zdolny do przechodzenia do pracy wyspowej. Do spełnienia takich wymagań potrzebny jest:

• odpowiedni układ obrony, który rozpoznaje zagrożenia i ich objawy oraz automatycznie inicjuje wydzielenie UEE do pracy wyspowej,
• właściwie wyposażona EC w jednostki wytwórcze, które zapewnią skuteczne przechodzenie UEE do pracy wyspowej i sprawne zasilanie odbiorów na wyspie na co w decydujący sposób wpływa na prawidłowe działanie regulatorów turbin, w układzie jedno- i wielomaszynowym oraz
• specjalny układ odciążania wielostopniowego CO, z czasem reagowania zależnym nie tylko od przekroczenia progów odchylenia częstotliwości, ale także od zmian jej pochodnej, zwłaszcza dla przypadków wydzielania się UEE z niedoborem mocy wytwarzanej przez EC w stosunku do zapotrzebowanej a także coraz częściej zalecane ostatnio
• dobudowanie w EC bloku gazowo-parowego w układzie dwóch turbin gazowych z kotłami odzysknicowymi wyposażonymi w tzw. gorący komin, który może pełnić rolę pewnego źródła samostartującego na szczególny wypadek całkowitej utraty napięcia w UEE.

Literatura

1. Jendroszczyk J. Rzeczkowski E.: Badanie zdolności elektrowni do obrony i odbudowy zasilania w krajowym systemie elektroenergetycznym. Materiały Konferencji Naukowej pt. „Problemy obrony i odbudowy systemu energetycznego w warunkach rynku energii elektrycznej”. Instytut Automatyki Systemów Energetycznych. Wrocław. 13÷15.10.1999.
2. Jendroszczyk J., Kupczyk R.T., Rzeczkowski E.: Badanie zdolności regulacyjnej bloków Elektrowni Turów przy współpracy z krajowym systemem elektroenergetycznym. Energetyka 2000 nr 9.
3. Jendroszczyk J., Kurzyński A., Rzeczkowski E.: Elektrociepłownia Ostrołęka jako źródło napięcia i mocy rozruchowej do Elektrociepłowni Siekierki w wypadku awarii katastrofalnej. Energetyka 2004 nr 2
4. Dingler H., Hofmeister W., Sodeik G.: Regelung von Dampferzeugung und Sammelschienendruck. Regelungstechnische Praxis 1978 nr 2
5. Exchange of service between large electricity generating plants and high voltage electic power system. Appendix A: Survey of system standards and generation connection conditions. Nr 138 Joint Working Group 39/11. Cigré, kwiecień 1999.
6. Analysis and modeling needs of power systems under major frequency disturbances. Task Force 38.02.14.Br.148. Cigré, grudzień 1999.