Przystosowanie bloków gazowo-parowych do pracy wyspowej na przykładzie EC Polkowice oraz innych

Transkrypt

1 Przystosowanie bloków gazowo-parowych do pracy wyspowej na przykładzie EC Polkowice oraz innych Autor: Mgr inż. Andrzej Fulczyk - BSPiR Energoprojekt Katowice S.A. ("Energetyka" - maj 2014) Dnia 18 stycznia 2007 roku w Polskę uderzył orkan Cyryl. Wiejący z prędkością ponad 150 km/h huragan dokonał spustoszeń w krajowej sieci elektroenergetycznej, powodując liczne wyłączenia linii zasilających. Wśród zakładów przemysłowych dotkniętych skutkami huraganu znalazły się również Zakłady Górnicze Polkowice-Sieroszowice, gdzie spośród czterech linii 110 kv zasilających aż trzy zostały wyłączone na skutek awarii, a napięcie na czwartej spadło do poziomu 70% napięcia znamionowego. Stanowiło to duże zagrożenie dla bezpieczeństwa pracowników dołowych kopalni. KGHM od jakiegoś czasu przymierzał się do budowy bloków energetycznych. Początkowo planowano budowę dwóch bloków gazowych po 150 MW każdy. Po zdarzeniach z 2007 roku koncepcja ta uległa zmianie i zdecydowano się na budowę dwóch bloków gazowo-parowych o mocy około 50 MW każdy - jeden z nich miał powstać na terenie ZG Polkowice - Sieroszowice, a drugi w Hucie Głogów, przy czym blok w Polkowicach miał zapewnić zasilanie dwóm Zakładom Górniczym - Polkowice-Sieroszowice oraz Rudna. Założenia do projektu Podstawowym założeniem, które wpłynęło zarówno na Koncepcję Programowo-Przestrzenną, jak i późniejszy projekt podstawowy i SIWZ była pełna autonomia każdego z bloków - każdy z nich miał mieć zdolność do długotrwałej pracy wyspowej z pełną mocą turbin gazowych, a także możliwość uruchomienia przy całkowitym braku zasilania zewnętrznego. Aby black start" bloku o takiej mocy był możliwy, zdecydowano się na jednostkę trzywałową, składającą się z dwóch turbin gazowych i jednej turbiny parowej, dzięki czemu blok można uruchamiać na raty", do czego wymagane jest mniejsze zapotrzebowanie mocy awaryjnej dla potrzeb własnych niż w przypadku jednostki jednowałowej o tej samej mocy. Ponieważ turbina parowa bloku gazowo-parowego nie jest w stanie pracować wyspowo (ilość pary dostarczanej do turbiny jest pochodną wydajności turbin gazowych, w związku z czym nie da się swobodnie regulować mocy turbiny parowej) turbiny gazowe musiały mieć możliwość pracy na tzw. gorący komin - czyli odprowadzać spaliny bezpośrednio do komina z pominięciem kotłów odzyskowych. Aby umożliwić zimny start turbin gazowych niezbędne było wyposażenie bloku w autonomiczny generator napędzany silnikiem Diesla o stosunkowo dużej mocy.

2 Bardzo istotna była również konfiguracja wyprowadzenia mocy. Celem było zapewnienie maksymalnej elastyczności układu. Dwa generatory (pierwszy gazowy i parowy) podłączone zostały do głównej rozdzielnicy 6 kv ZG Polkowice-Sieroszowice, drugi generator gazowy miał zostać podłączony do głównej rozdzielnicy 6 kv ZG Rudna, przy czym w przypadku odstawienia lub awarii jednego z generatorów miała istnieć możliwość zmiany podłączenia jednego z dwóch pozostałych generatorów. Kluczowe napędy, które należy zasilać w trakcie pracy wyspowej w przypadku tych zakładów przemysłowych, to maszyny wyciągowe oraz wentylacja. Są to silniki o mocy do 3,15 MW, w przypadku maszyn wyciągowych ze zwrotem energii do sieci, co okazało się być istotne podczas rozruchu. Realizacja projektowa W wyniku przeprowadzonego przetargu Inwestor wybrał turbozespoły gazowe szwajcarskiej firmy Turbomach o mocy 13,6 MW każdy oraz turbozespół parowy Siemens o mocy 12,3 MW. W celu zapewnienia możliwości dowolnego przyporządkowania generatora do punktu odbioru przewidziano 3-sekcyjną, dwusystemową rozdzielnicę generatorową. Podłączenie generatora do systemu drugiego (niesekcjonowanego) pozwala na pracę danego generatora z dowolną linią wyprowadzenia mocy.

3 Ze względu na bardzo duże wartości mocy zwarciowych w stosunku do wytrzymałości aparatów w rozdzielnicy głównej ZG Polkowice-Sieroszowice zastosowano tam ograniczniki prądu zwarciowego typu Is-limiter. Aby ograniczyć straty mocy w linii wyprowadzenia mocy do ZG Rudna odległej o 4 km od BGP, zdecydowano się na podwyższenie napięcia transmisji do 30 kv. Wyprowadzenie mocy do ZG Polkowice-Sieroszowice poprowadzone jest wiązkami kabli biegnącymi w znacznej części na estakadzie napowietrznej, ponieważ uzbrojenie terenu uniemożliwiło wykonanie trasy w całości podziemnej. Wyprowadzenie mocy do ZG Rudna poprowadzone jest w większości linią kablową podziemną, jedynie na krótkim odcinku kabel 30 kv prowadzony jest po napowietrznej estakadzie. Nigdzie natomiast nie zastosowano linii napowietrznej, co zwiększyło odporność wyprowadzenia mocy z BGP na wpływy atmosferyczne. Aby umożliwić autonomiczny rozruch turbin gazowych przewidziano instalację generatora napędzanego silnikiem Diesla o mocy 1250 kva - moc tę dobrano na podstawie danych założeniowych i wskazówek z firmy Turbomach. Z generatora Diesla zasilane są potrzeby własne turbozespołów, ale także niektóre potrzeby pozablokowe, takie jak np. sprężarkownia, stacja przygotowania gazu, UPSy i prostowniki. Niezmiernie ważne jest staranne dobranie urządzeń, które muszą mieć zasilanie z agregatu Diesla, gdyż nawet jeden zawór o kluczowej roli bez zasilania może uniemożliwić uruchomienie turbozespołu. Założono poniżej opisane postępowanie podczas zaniku zasilania zewnętrznego. 1. Zabezpieczenie od dryftu częstotliwości zainstalowane w polu zasilającym rozdzielnicy głównej, do której podłączony jest generator, po wykryciu szybkiej zmiany częstotliwości powoduje odcięcie rozdzielnicy od sieci zewnętrznej przez otwarcie wyłącznika 6 kv po dolnej stronie transformatora zasilającego. Identyfikacja trybu wyspowego realizowana jest dwojako: - badanie drabinki zestyków pomocniczych łączników tworzących tor wyprowadzenia mocy od generatora aż do wyłączników 110 kv przed głównymi transformatorami 110/6 kv zasilającymi zakłady; ponieważ mamy tu do czynienia z wielosekcyjnymi rozdzielnicami 2-systemowymi układ logiczny jest bardzo rozbudowany, ale i tak z oczywistych powodów nie sięga w sieć dystrybucyjną, natomiast błyskawicznie wykrywa przejście do trybu wyspowego, np. na skutek zadziałania zabezpieczeń transformatorów 110/6 kv lub linii zasilających, nawet jeżeli przy wyłączeniu zasilania z sieci nie zadziała zabezpieczenie df/dt (sytuacja taka może mieć miejsce przy zrównoważeniu obciążenia sekcji i produkcji generatora); - zadziałanie funkcji df/dt reaguje w pozostałych przypadkach, gdy za przerwę w zasilaniu odpowiedzialna jest sieć zewnętrzna; zadziałanie zabezpieczenia powoduje otwarcie wyłącznika po stronie 6 kv danego transformatora zasilającego, a to powoduje, iż spełnione jest I kryterium detekcji trybu wyspowego - drabinka styków.

4 Nastawy funkcji wynoszą odpowiednio: df/dt = 0,3 Hz/s, zwłoka czasowa - 0,2 s. Działanie funkcji df/dt jest zblokowane z działaniem funkcji nad- i pod częstotliwościowej, tj. zadziałanie przy spadku częstotliwości następuje poniżej 49 Hz, a przy wzroście - powyżej 51 Hz. Łączne zastosowanie obydwu kryteriów wydaje się dawać bardzo wiarygodne rezultaty; podczas prób odpowiednio dostrojono nastawy i detekcja trybu wyspowego przebiegała niezawodnie. Ze względu na to, że blok został niedawno oddany do eksploatacji nie ma jednak jeszcze zbyt wielu doświadczeń przeprowadzonych na żywym organizmie". 2. Sygnał o przejściu w tryb wyspowy przesyłany jest do regulatora turbiny, zmieniając tryb jego pracy na utrzymanie stałych obrotów. 3. W zależności od obciążenia sekcji rozdzielnicy turbozespół zwiększa lub zmniejsza moc, starając się utrzymać stałą częstotliwość. 4. Jeżeli obciążenie rozdzielnicy jest zbyt duże i częstotliwości nie daje się utrzymać, wkracza automatyka SCO, odłączając odbiory niekrytyczne. Nastawiono 3 stopnie SCO, I stopień reagujący przy spadku częstotliwości do 48,7 Hz, drugi -48,3 Hz i trzeci - 47,8 Hz. Każdy ze stopni wyłącza moc rzędu 3 MW. Odbiory do wyłączenia w każdym ze stopni zostały wskazane przez kopalnie jako mniej istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa zakładu. 5. Jeżeli generator mimo działania automatyki SCO nie jest w stanie utrzymać wyspy, następuje jego wyłączenie. Jeżeli napięcie z sieci 110 kv nie powróciło, odłącza się odbiory rozdzielni 6 kv i uruchamia generator przy pomocy agregatu awaryjnego Diesla - black start". 6. Po synchronizacji generatora z pozbawioną napięcia rozdzielnią główną 6 kv są załączane krytyczne z punktu widzenia odbiory związane z wentylacją chodników oraz maszyna wyciągowa, tak by była możliwa ewakuacja załogi z kopalni. 7. Kiedy napięcie w sieci 110 kv zostaje przywrócone, następuje synchronizacja wyspy z KSE na wyłączniku 6 kv zasilania głównej rozdzielnicy kopalnianej, przy pomocy synchronizatora zainstalowanego w tym polu na rozdzielni głównej danej kopalni. Ze względu na znaczącą odległość pomiędzy generatorem a rozdzielniami głównymi ZG Polkowice-Sieroszowice i ZG Rudna Główna zastosowano synchronizatory współpracujące z tablicami sterowniczymi zainstalowanymi na BGP. Komunikacja pomiędzy synchronizatorami a tablicami sterowniczymi synchronizatorów odbywa się przy pomocy łączy światłowodowych, jednakże ze względu na to, że nie ma sztywnego przyporządkowania pól wyłączników głównych rozdzielnic do generatorów, a przez to synchronizatorów do tablic sterowniczych, komunikacja pomiędzy nimi jest przeprowadzana poprzez switch RS-485, który odpowiednio zestawia obwody transmisji w zależności od konfiguracji układu wyprowadzenia mocy. Urządzenie to zostało wykonane specjalnie dla tej inwestycji przez firmę KARED, dzięki czemu układ synchronizacji jest relatywnie prosty i unika się konieczności zastosowania znacznej liczby przekaźników służących do komutowania obwodów.

5 8. Linie 110 kv zasilające GST kopalniane musiały zostać wyposażone w SPZ działające z kontrolą synchronizmu, by uniknąć przypadku ponownego podania napięcia, gdy dojdzie już do rozchyłu napięć pomiędzy utworzoną wyspą i KSE, a zabezpieczenie df/dt nie zdąży jeszcze zareagować i odciąć zasilanie zewnętrzne. Uruchomienie Ponieważ inwestycja ta w znacznej mierze miała charakter prototypowy, podczas uruchomienia układu wyniknęły pewne problemy, nieprzewidziane na etapie projektowania. Poniżej zaprezentowano niektóre z nich. - Okazało się, że maszyna wyciągowa pracuje w układzie ze zwrotem energii do sieci przy hamowaniu. W efekcie w trybie wyspowym dochodziło do wyłączania generatora na skutek działania zabezpieczenia od mocy zwrotnej. Niezbędne okazało się dociążenie rozdzielnicy innymi odbiorami, które odbierały moc generowaną przez maszynę wyciągową podczas hamowania. - Podczas prób black startu" okazało się, że zakres napędów i urządzeń, które muszą być zasilane podczas rozruchu turbozespołu, jest większy niż przewidział to w swoich założeniach producent turbozespołu. Na szczęście dzięki dość znacznej rezerwie mocy agregatu awaryjnego była możliwość przeniesienia zasilania tych urządzeń do rozdzielnicy awaryjnej. - W założeniu black-start" turbozespołu w przypadku nie-utrzymania się wyspy miał nastąpić niemal natychmiast po odstawieniu i odłączeniu odbiorów z rozdzielnicy głównej 6 kv. Okazało się to jednak niemożliwe ze względów technologicznych, przed powtórnym uruchomieniem należało przeprowadzić operację przewentylowania turbiny oraz kotła odzyskowego. Ta ostatnia operacja nie była wcześniej przewidywana, gdyż w trybie wyspowym turbina miała pracować na gorący komin" z pominięciem kotłów odzyskowych. Wentylowanie kotłów przed uruchomieniem turbin okazało się jednak konieczne, przez co czas przerwy bez-napięciowej wydłużył się ponad 30 minut. Tak długi okres braku napięcia powoduje, że zgodnie z przepisami górniczymi kopalnia musi być ewakuowana. - Wystąpiły problemy z black startem" generatora na linię do ZG Rudna. Dwa połączone w szereg transformatory generowały przy załączeniu tak duży udar prądowy, że powodowało to działanie zabezpieczeń generatora. Rozwiązaniem problemu było uruchamianie generatora połączonego już z tą linią wyprowadzenia mocy, ale jak się okazało fabryczny algorytm automatyki regulatora turbozespołu nie przewiduje takiego sposobu pracy - niezbędna okazała się jego rozbudowa, co nie jest proste do wykonania w urządzeniach produkowanych seryjnie. Generalnie jednak efekty prób okazały się pozytywne. Generator był w stanie utrzymać wyspę, jej wydzielanie przechodziło sprawnie, problemu nie stanowiły też rozruchy dużych silników, których moc sięgała 20% mocy generatora. Blok przyjęto do eksploatacji w grudniu 2013 roku.

6 Inne projekty generatorów lub bloków energetycznych pracujących na wyspę, w których projektowaniu uczestniczy Energoprojekt-Katowice Blok gazowy - parowy w EC Głogów Jest to blok bliźniaczy do jednostki w EC Polkowice, różni się jednak sposobem wyprowadzenia mocy. Został zabudowany na terenie Huty Głogów i podłączony do jej sieci energetycznej 6 kv. Ma on zapewniać bezpieczeństwo energetyczne Huty podczas zaników napięcia w sieci zasilającej. Inwestycja nie została jeszcze w pełni ukończona, gdyż instalacja tak dużej mocy wewnątrz sieci zakładowej wymagała jej przebudowy, i to pod rygorem niezakłócenia normalnej pracy zakładu. Przebudowa układu zasilania Huty trwa, blok pracuje na razie w układzie tymczasowego wyprowadzenia mocy. Wiodącym projektantem tego obiektu był Energoprojekt Gliwice. Podsumowanie Przystosowanie małego bloku gazowo-parowego do pracy wyspowej jest relatywnie łatwe. Niewielką turbinę gazową można uruchomić bez konieczności posiadania dużego źródła zasilania, wystarczy generator awaryjny o mocy rzędu 1 MVA, a takie coraz częściej spotyka się w elektrowniach zawodowych i zakładach przemysłowych. Można w ten sposób tworzyć lokalne wyspy, które mogą służyć do zapewnienia zasilania dla zakładów pracy wymagających dużego bezpieczeństwa energetycznego lub do uruchomienia innych bloków energetycznych. W przypadku bloków średnich i dużych takie przystosowanie napotyka znacznie więcej trudności, związanych głównie z technologią.