3.1. Организация проектирования энергетических систем
Проектирование – это процесс подготовки документации, необходимой для сооружения несуществующего объекта или реконструкции действующего. Задача проектирования энергосистем состоит в разработке и технико-экономическом обосновании решений, определяющих развитие энергосистем, обеспечивающих при наименьших затратах снабжение потребителей электрической и тепловой энергией при выполнении технических ограничений по надежности энергоснабжения и качеству энергии. Энергосистемы формируются из уже работающих станций, сетевых предприятий, мощных нагрузочных узлов и мелких потребителей. Народнохозяйственная значимость, перспективный план развития и территориальное расположение определяют экономические условия для проектирования объектов энергосистемы. Основная задача проектирования состоит в выборе оптимальной структуры, т. е. в определении оптимального варианта развития генерирующих мощностей энергосистемы в совокупности с системообразующими линиями электропередачи. Проектом должно предусматриваться также и сооружение новых электростанций и линий электропередач, при которых достигаются наиболее высокие технико-экономические показатели создаваемых объектов энергосистемы.
Проектирование достаточно сложный и трудоемкий процесс, поэтому он разбивается на этапы в соответствии с технологической иерархией.
При проектировании используются два типа процесса: нисходящее (от системы к объекту) и восходящее (от объекта к системе).
В энергетике используется, как правило, нисходящее проектирование. Основой для проектирования является техническое задание, в котором формулируются основные требования к объекту, определяются внешние условия, т.е. место расположения, связи с другими объектами и т.п.
Рассмотрим основные возможные этапы нисходящего проектирования при планировании развития сети с применением экономико-математических моделей. Блок-схема процесса показана на рисунке 3.1.
1) Процесс начинается с изучения и осмысливания технического задание на проектирование сети, в котором определены типы блоков и возможные мощности электростанций, сроки ввода, основные линии системообразующей сети, определившиеся на этапе планирования развития энергосистемы. В ходе анализа определяется достаточность и качество исходной информации.
2) Намечается разумно-избыточная расчетная схема.
3) Формируется оптимизационная модель, рассчитывается и выбирается оптимальный вариант развития.
4) Проводится расчет режимов (нормальных, послеаварийных).
5) Проводится анализ режимов. Если режимы удовлетворяет поставленным требованиям, то переход на следующий пункт, иначе – переход на пункт 8.
6) Подготовка документации по обоснованию оптимального варианта.
7) Формирование технических заданий на проектирование или реконструкцию отдельных линий и подстанций.
8) Блок принятия решений должен в итеративном процессе выбрать наилучшие пути выполнения поставленных требований по надежности работы сети в нормальных и послеаварийных режимах и других:
А – изменение режимных параметров с переходом на пункт 4.
Б – изменение системных связей (при глубоком отклонении режима от допустимого) с переходом на пункт 2.
В – корректировка технического задания с переходом на пункт 1.
Таким образом, процесс проектирования на отдельных этапах носит итерационный характер, где ведущая роль при выборе решений отводится проектировщикам. На других этапах в основном используются возможности вычислительной техники, математические модели и методов принятия оптимальных решений, информационные технологии.
При выполнении проектов отдельных объектов, например, подстанций широко применяется типовое проектирование, когда ранее выполненные удачные проекты корректируются и приспосабливаются к новым условиям.
Рис. 3.1
При создании совершенно новых прогрессивных объектов или нового электротехнического оборудования предварительно проводятся крупномасштабные исследования и весь процесс проектирования разделяется на следующие виды работ:
1) Научно-исследовательские работы (НИР). Здесь в разработке участвуют отраслевые и академические научно-исследовательские институты (НИИ). Для исследований при разработке новых установок создаются специальные полигоны, оснащаемые самым современным оборудованием и установками.
2) Опытно-конструкторские разработки (ОКР). В результате появляется эскизный проект новых аппаратов и установок.
3) Рабочее проектирование, завершающееся подготовкой необходимой документации для создания новых систем и устройств.
Разработкой проектов для электроэнергетики занимаются различные отраслевые проектные институты:
ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ;
ТЕПЛОЭЛЕКТРОПРОЕКТ;
АТОМПРОЕКТ;
ГИДРОПРОЕКТ.
При разработке проектов используются различные руководящие документы, в которых сосредоточен опыт проектирования, направленный на создание надежных и удобных в эксплуатации электроустановок в короткие сроки и при минимальных затратах. Эти документы включают:
1) Правила
ПУЭ (Правила устройства электроустановок);
ПТЭ (Правила технической эксплуатации);
ПОТ (Правила охраны труда).
2) Нормы технологического проектирования (НТП).
3) Руководящие указания.
4) ГОСТ.
5) Стандарты ЕСКД.
В этих документах можно найти ответы на все вопросы, которые необходимо учитывать в процессе выполнения проектов.
Правила устройства электроустановок (ПУЭ) являются одним из основных действующих документов, регламентирующих устройство и безопасное использование электроустановок в России и некоторых странах СНГ. В России надзор за исполнением ПУЭ и других документов в области электроэнергетики осуществляет Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор РФ). Требования ПУЭ обязательны для всех организаций, независимо от их форм собственности и организационно-правовых форм, а также для физических лиц, занятых предпринимательской деятельностью. ПУЭ распространяется на все электроустановки вплоть до низковольтных установок электрического освещения зданий, помещений и сооружений наружного освещения, на установки оздоровительного ультрафиолетового облучения длительного действия, установки световой рекламы, световые знаки и иллюминационные установки и др. В ПУЭ регламентированы основные решения по выбору и конструкции установок передачи и распределения электроэнергии, включая линии электропередач, распределительные устройства и подстанции, устройства защиты и автоматики, электросиловые установки, электрическое освещение и т.п.
Правила технической эксплуатации (ПТЭ) регламентируют порядок проведения работ по обслуживанию промышленных установок любого отраслевого назначения. При разработке проектов объектов энергосистем необходимо учитывать положения ПТЭ электроустановок потребителей, тепловых электростанций, электрических сетей, подстанций и других типов объектов, издаваемых в виде отдельных документов для каждого типа установок.
Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. Правила распространяются на персонал, обслуживающий действующие электроустановки, производящий в них оперативные переключения, выполняющий и организующий ремонтные, монтажные, наладочные работы или испытания. При проектировании электроустановок необходимо предусматривать технические средства для обеспечения безопасной эксплуатации и выполнения основных положений правил.
Нормы технологического проектирования (НТП). Незаменимый при проектировании руководящий документ, определяющий основные требования к разрабатываемому проекту. Выпускаются отдельно для разных типов проектируемых объектов. Рассмотрим подробнее несколько НТП.
Нормы технологического проектирования тепловых электростанций обязательны при проектировании всех вновь сооружаемых паротурбинных тепловых электростанций с турбоагрегатами мощностью 50 тыс. кВт и выше при начальных параметрах пара у турбин до 24 МПа (240 кгс/см2) и 510-560 C. Нормы распространяются также на расширяемые реконструируемые паротурбинные электростанции и газотурбинные установки с соответствующими коррективами, обуславливаемыми существующими технологическими схемами, компоновками оборудования, зданиями и сооружениями.
НТП определяют полный перечень проектируемых объектов ТЭС, куда входят:
а) здания и сооружения производственного назначения (главный корпус с дымовыми трубами, сооружения электрической части, технического водоснабжения, топливоподачи и газомазутное хозяйство);
б) подсобные производственные здания и сооружения (вспомогательный корпус, склады, пусковая котельная, административно-бытовой корпус, ремонтные мастерские, маслохозяйство);
в) вспомогательные здания и сооружения (жел. дор. станция, гараж, сооружения по сбору и очистке сточных вод, дороги, благоустройство территории, сооружение гражданской обороны, временные сооружения).
НТП определяют требования к основным техническим решениям, которые должны приниматься с учетом: обеспечения надежности работы оборудования; максимальной экономии первоначальных капиталовложений и эксплуатационных затрат; снижения металлоемкости; повышения производительности труда в строительстве, эксплуатации и ремонте; охраны природы, а также создания нормальных санитарно-бытовых условий для эксплуатационного и ремонтного персонала.
В проектах электростанций разрабатываются разделы организации эксплуатации и ремонта. Указанные разделы разрабатываются в соответствии с «Правилами технической эксплуатации тепловых электростанций и сетей».
В соответствии с ПОТ служебные и вспомогательные помещения с постоянным пребыванием в них должны проектироваться в местах, отделенных от действующего оборудования стенами. Внутри помещений запрещается прокладка технологических трубопроводов, за исключением трубопроводов отопления, водопровода и вентиляции. При расположении служебных и вспомогательных помещений вблизи мест потенциальной опасности из них должны быть предусмотрены два выхода с противоположных сторон.
Нормы технологического проектирования подстанций (ПС) переменного тока 35-750 кВ устанавливают основные требования по проектированию подстанций и переключательных пунктов (ПП) с высшим напряжением 35-750 кВ. Они распространяются на вновь сооружаемые, расширяемые, а также подлежащие техническому перевооружению и реконструкции ПС и ПП. При проектировании расширения с учетом существующих схем РУ, компоновок оборудования, конструкций зданий и вспомогательных сооружений допускаются обоснованные отступления от настоящих норм, согласованные на стадии формирования задания на проектирование с электросетевыми компаниями. Указанное не распространяется на требования, связанные с техникой безопасности, пожаробезопасностью и экологией, отступление от которых согласовывается в установленном порядке.
В соответствии с НТП при проектировании подстанций кроме высокой экономической эффективности должно быть обеспечено:
– Надежное и качественное электроснабжение потребителей.
– Внедрение передовых проектных решений, обеспечивающих соответствие всех показателей подстанций современному мировому техническому уровню. – Высокий уровень технологических процессов и качества строительных и монтажных работ.
– Соблюдение норм экологической безопасности и охраны окружающей среды. – Ремонтопригодность применяемого оборудования и конструкций. – Передовые методы эксплуатации, безопасные и удобные условия труда эксплуатационного персонала.
Проектная документация на новое строительство, техническое перевооружение и реконструкцию подстанций разрабатывается с учетом утвержденных обоснований инвестиций, на основании утвержденного в установленном порядке задания на проектирование. В случае, когда в качестве альтернативы техперевооружению действующей подстанции рассматривается вариант новой подстанции, разработке проектной документации должно предшествовать выполнение технико-экономического обоснования (ТЭО).
Проектирование ПС должно выполнятся на основании утвержденных схем: развития энергосистемы; развития электрических сетей района, города; внешнего электроснабжения объекта; развития средств управления общесистемного назначения, включающие релейную защиту и автоматику (РЗА), противоаварийную автоматику, а также схемы развития АСДУ ОЭС, АИИС КУЭ.
Из схем развития энергосистемы и электрических сетей принимаются следующие исходные данные: район размещения ПС; нагрузки на расчетный период и их рост на перспективу; число присоединяемых линий напряжением 110 кВ и выше и их нагрузки (число линий 6, 10, 35 кВ и их нагрузки – по данным заказчика); рекомендации по схемам электрических соединений ПС; режимы заземления нейтралей трансформаторов; места установки, число и мощность шунтирующих реакторов, конденсаторных батарей, управляемых средств реактивной мощности и других средств ограничения перенапряжения в сетях 110 кВ и выше; места установки, число и мощность дугогасящих реакторов для компенсации емкостных токов в сетях 35 кВ и ниже (по данным заказчика); требования к средствам управления общесистемного назначения; расчетные значения токов однофазного и трехфазного КЗ с учетом развития сетей и генерирующих источников на срок до 10 лет, считая от предполагаемого срока ввода ПС в эксплуатацию, а также мероприятия по ограничению токов КЗ.
Из схем управления общесистемного назначения принимаются следующие данные: объемы проектирования устройств релейной защиты и вторичных цепей самой ПС и прилегающей сети; объемы проектирования средств ПА, АРЧМ, АРН прилегающей сети.
При проектировании новой (реконструируемой) ПС следует рассматривать вопросы схемы прилегающей электрической сети и ее режима.
Руководящие указания используются проектировщиками при разработке отдельных элементов проектируемого объекта, при подготовке и проведении специализированных расчетов. Тематика руководящих указаний весьма разнообразна. Рассмотрим некоторые из них.
Руководящие указания по расчету коротких замыканий, выбору и проверке аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания предназначены для использования инженерами-энергетиками при выполнении ими расчетов токов короткого замыкания (КЗ) и проверке электрооборудования (проводников и электрических аппаратов) по режиму КЗ.
Руководящие указания включают в себя методы расчета токов симметричных и несимметричных КЗ в электроустановках напряжением свыше 1 кВ и до 1 кВ, методы проверки проводников и электрических аппаратов на электродинамическую и термическую стойкость и методы проверки электрических аппаратов на коммутационную способность.
В Руководящих указаниях разработаны методы расчета токов КЗ с учетом специфических параметров современных электрических машин и их систем возбуждения, даны рекомендации по учету электрической дуги, нагрева и перемещения гибких проводников при КЗ, влияния комплексной нагрузки на токи КЗ. Приводятся новые кривые изменения во времени токов КЗ генераторов различных серий с различными системами возбуждения. Включен материал о терминах и определениях в области коротких замыканий в электроустановках, о буквенных обозначениях величин, а также материал о применении ЭВМ при расчетах токов КЗ. Все основные разделы Руководящих указаний иллюстрируются примерами решения характерных задач.
Руководящие указания по релейной защите разрабатываются и выпускаются по отдельным типам оборудования. Например, в выпуске 13б рассматривается релейная зашита понижающих трансформаторов к автотрансформаторов 110-500 кВ. Здесь приведены принципы и методика расчета параметров срабатывания релейной защиты на постоянном оперативном токе двух- и трехобмоточных трансформаторов мощностью 10 МВА и более с высшим напряжением 220-500 кВ понижающих подстанций, внедряемые в практику проектирования и эксплуатации Энергосетьпроектом. Руководящие указания предназначены также для инженерно-технических работников, занятых в области эксплуатации релейной защиты, а также аспирантов и студентов электроэнергетических специальностей.
Наиболее многочисленными руководящими документами являются государственные стандарты ГОСТы. Число их превышает 40000, и ориентироваться в списке их помогает «Классификатор государственных стандартов». Классификатор является строго иерархическим, с буквенно-цифровой системой кодов. Например, все вопросы, возникающие при выборе оборудования в процессе проектирования энергетических систем можно найти в ГОСТах, объединенных в группу Е Энергетическое и электротехническое оборудование, включающую разделы:
Е0 Общие правила и нормы по электротехнике и теплотехнике
Е1 Электростанции, подстанции и распределительные устройства
Е2 Паросиловое оборудование
Е3 Электротехнические материалы и изоляторы
Е4 Электрические кабели, провода и шнуры
Е5 Аккумуляторы, элементы и конденсаторы
Е6 Электрические машины, трансформаторы и преобразователи
Е7 Электрические аппараты и арматура
Е8 Светотехника и рентгенотехника.
Особый комплекс государственных стандартов объединяется в единую систему конструкторской документации (ЕСКД), которая устанавливает взаимосвязанные правила разработки и оформления проектной документации. Указания по графическому оформлению электротехнических чертежей и схем содержатся более чем в 40 ГОСТ. Среди них:
ГОСТ 2.101-68 Виды изделий
ГОСТ 2.105-68 Общие требования к текстовым документам
ГОСТ 2.302-68 Масштабы
ГОСТ 2.701-76 Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению
ГОСТ 2.702-75 Правила выполнения электрических схем
ГОСТ 2.722-74 Условные графические обозначения. Электромашины
ГОСТ 2.723 -68 Реакторы, трансформаторы, автотрансформаторы
ГОСТ 2.755-74 Коммутационные устройства
ГОСТ 2.730-73 Полупроводниковые приборы
Требования системы ЕСКД должны выполняться при оформлении как текстовой документации так и графической части проектов.
При нанесении, например, элементов электроэнергетической системы на ситуационных схемах используются условные графические обозначения, изображенные на рисунке 3.2.
Процесс проектирования с учетом подготовки всей документации достаточно трудоемкий. В современных условиях для принятия решений при проектировании начинают использоваться экономико-математические методы, информационные технологии, современные технические средства и ЭВМ с программным обеспечением, объединяемые в системы автоматизированного проектирования (САПР).
Рис. 3.2