Электрическая часть электростанций - Собственные нужды электрических станций

Технологический цикл производства электроэнергии на современных электростанциях полностью механизирован. Имеются многочисленные механизмы собственных нужд как основного энергетического оборудования (ядерные реакторы, парогенераторы, турбины), так и вспомогательных цехов станций. Для приведения в движение механизмов собственных нужд используется в основном электрический привод и лишь для некоторых рабочих машин — паротурбинный.
На тепловых электростанциях энергия расходуется на приготовление и транспортировку топлива, подачу питательной воды и воздуха в паровые котлы и удаление дымовых газов. На атомных электростанциях энергия расходуется на принудительную циркуляцию теплоносителя через активную зону; расход энергии на перегрузку горючего незначителен. Общим для ТЭС и АЭС является расход электрической энергии на подачу питательной воды в парогенераторы, поддержание вакуума в конденсаторах турбин, техническое водоснабжение станции, вентиляцию помещений, освещение.
На гидроэлектростанциях электрическая энергия расходуется на управление гидро- и электротехническим оборудованием, охлаждение генераторов и трансформаторов, обогрев гидротехнического оборудования в зимнее время, вентиляцию, освещение.
При выборе источников питания и их сравнительной оценке следует учитывать нагрузки собственных нужд Собственное потребление электроэнергии зависит от типа электростанции, вида топлива и способов его сжигания, параметров пара, типа турбогенератора и его мощности, наличия турбопривода у части механизмов. Доля электроэнергии, расходуемой на собственных нужд, для современных мощных конденсационных блоков составляет: для станций на угле с электрическим приводом всех механизмов 6—7,5 %; для тех же станций на  мазуте и газе 4,5—5,5 %; для станций на угле с паротурбинным приводом питательных насосов 4—4,5 %; для тех же станций на мазуте и газе 2,5—3 %.
На электростанциях с блоками мощностью 1,2 ГВт и более с парогенераторами под наддувом с паротурбинным приводом питательных насосов и дутьевых механизмов доля электроэнергии, расходуемой на собственных нужд, будет меньше еще на 20—40 %. Во всех этих случаях имеется в виду, что турбогенераторы работают на основном возбуждении, не связанном с электрической сетью собственных нужд.
Наибольший расход энергии на собственных нужд (в процентах) имеют ТЭЦ, что связано с меньшей единичной мощностью их агрегатов по сравнению с агрегатами на конденсационных электростанциях (КЭС) и с относительно большей долей общестанционной нагрузки (табл. 3-1).

Потребление электроэнергии на собственных нужд газотурбинными установками (ГТУ) зависит от их мощности и режима работы. Для агрегатов мощностью более 25 МВт расход на собственных нужд составляет при работе в базисной части графика нагрузки 0,4—0,9 %, а при покрытии пиков 0,6—1,7 %.
На АЭС из-за циклов насыщенного пара и принудительной циркуляции теплоносителя через активную зону и промежуточный контур (в случае жидкометаллических теплоносителей) потребление электроэнергии на собственных нужд обычно получается большим, чем на конденсационной электростанции той же мощности на органическом топливе. На АЭС получил распространение электрический привод всех механизмов. Исключение могут составить газоохлаждаемые реакторы. Доля электроэнергии, расходуемой на собственных нужд АЭС с реакторными блоками мощностью более 500 МВт, составляет: 4—6 % для реакторов с водой под давлением (ВВЭР); 5—7 % для кипящих канальных реакторов с графитовым замедлителем (РБМК); 6—8 % для реакторов на быстрых нейтронах (БН) с жидкометаллическим теплоносителем; до 15 % для газоохлаждаемых реакторов с электроприводом всех механизмов; 1,5—3 % для газоохлаждаемых реакторов с паро- или газотурбинным приводом газодувок и питательных насосов.
Собственное потребление электрической энергии на ГЭС значительно меньше: 1—2 % для станций малой и средней мощности и 0,2—0,5 % для мощных станций. Такое же потребление имеют гидроаккумулирующие электростанции в турбинном режиме. Потребление электроэнергии ГАЭС в насосном режиме примерно в 1,5 раза превышает расход на собственных нужд при работе в турбинном режиме.
Основными источниками питания системы собственных нужд являются понижающие трансформаторы или реактированные линии, подключенные непосредственно к выводам генераторов или к их распределительным устройствам. Пускорезервные источники питания собственных нужд тоже связаны с общей электрической сетью, так как обычно присоединяются к распределительным устройствам станции, ближайшим подстанциям, третичным обмоткам автотрансформаторов связи.

Рис. 3-1. Схема питания системы собственных нужд от генератора и энергосистемы:

1  — магистрали резервного питания; 2 — пуcкорезервный трансформатор собственных нужд; 3 — распределительное устройство высшего напряжения станции; 4 блок генератор—трансформатор; 5 — рабочий трансформатор с, и.  6 — распределительное устройство собственных нужд  
В последнее время на некоторых зарубежных тепловых электростанциях начали устанавливать автономные газотурбинные агрегаты для питания системы собственных нужд в аварийных условиях.
Кроме этого, на электрических станциях всех типов предусматриваются независимые от энергосистемы источники энергии, обеспечивающие остановку и расхолаживание станции без повреждений оборудования и вредного влияния на окружающую среду при потере основных и резервных источников собственных нужд На гидростанциях и обычных тепловых станциях для этой цели достаточно аккумуляторных батарей. На мощных блочных КЭС может дополнительно потребоваться установка дизель-генераторов небольшой мощности (200—500 кВт), обеспечивающих длительное сохранение остановленного оборудования в состоянии готовности к немедленному пуску после восстановления питания от энергосистемы. На АЭС мощность независимых аварийных источников питания собственных нужд значительно больше. Она зависит от принятых систем обеспечения безопасности и может составить до 1,5 % мощности реакторного блока.
Все перечисленные виды оборудования электростанции, необходимого для ее надежной и экономичной работы, механизмы собственных нужд с приводными электродвигателями или паровыми турбинами, приемники электроэнергии других видов, понижающие трансформаторы, распределительные устройства, электрические сети, независимые источники энергии и соответствующие системы управления образуют систему собственных нужд электрической станции.
Основные требования, предъявляемые к системе собственных нужд, состоят в обеспечении надежности и экономичности работы механизмов собственных нужд. Первое требование является наиболее важным, поскольку нарушение работы механизмов собственных нужд влечет за собой расстройство сложного технологического цикла производства электроэнергии, нарушение работы основного оборудования, а иногда и станции в целом и развитие аварии в системную.
Система питания собственных нужд электрических станций занимает особое положение среди других потребителей энергосистемы. Действительно, нарушение электроснабжения механизмов собственных нужд вызывает нарушение работы не только самой станции, но и потребителей энергосистемы в случае недостатка мощности.

Рис. 3-2. Схема питания системы собственных нужд со станционным турбогенератором (а) и со вспомогательным генератором (б)
1 — главный турбогенератор; 2, 3 — распределительные устройства соответственно генераторного и высшего напряжения; 4 — трансформатор (реактор) собственных нужд  5 — распределительные устройства собственных нужд; 6 — неответственные потребители собственных нужд; 7 — ответственные потребители собственных нужд; 8 — станционный турбогенератор (а) или вспомогательный генератор собственных нужд (б)
Очень важным является и требование экономичности, поскольку здесь потребление энергии на собственных нужд больше, чем в любой отрасли промышленности. Повышение экономичности достигается за счет снижения расхода электрической и тепловой энергии в системе собственных нужд, совершенствования основного и вспомогательного оборудования, разумного сокращения капиталовложений в систему собственных нужд, рациональных способов регулирования производительности механизмов. С другой стороны, простота и связанная с ней надежность работы системы собственных нужд имеют не меньшее значение, чем экономия электроэнергии. Поэтому в настоящее время общепризнано, что электроснабжение механизмов собственных нужд тепловых электростанций на органическом и ядерном топливе и гидроэлектростанций может быть обеспечено наиболее просто, надежно и экономично от генераторов станции и энергосистемы (рис. 3-1). Выдвигавшиеся ранее (рис. 3-2) и в настоящее время предложения о питании системы собственных нужд полностью или частично от независимых от энергосистемы источников не получили распространения.

Источники питания системы собственных нужд

Одним из принципиальных вопросов при построении системы собственных нужд является выбор источника питания. Наиболее простым решением, получившим распространение, является схема с непосредственной электрической связью системы собственных нужд с сетью энергосистемы (рис. 3-1). Недостатком такой схемы является зависимость напряжения и частоты в системе собственных нужд от режима энергосистемы. Другим решением может быть питание собственных нужд от электрически не связанного с сетью энергосистемы генератора на валу главного агрегата или на валу вспомогательной турбины (рис. 3-2).
Однако автономные источники энергии или генераторы на валу основного агрегата для питания собственных нужд значительно увеличивают стоимость единицы установленной мощности электростанций, усложняют их эксплуатацию и являются менее надежными, чем при электроснабжении системы собственных нужд от основного генератора через отпайку. Вероятность безотказной работы трансформатора собственных нужд гораздо выше, чем генератора, турбины, источника пара и их механизмов собственных нужд При использовании станционных турбогенераторов собственных нужд требуется обеспечить еще более высокую надежность питания их механизмов собственных нужд Кроме того, пуск и самозапуск электродвигателей от сети энергосистемы проходит в лучших условиях, чем пуск от источника ограниченной мощности.
Электроснабжение собственных нужд от автономных источников могло бы оказаться полезным при авариях, сопровождающихся глубоким понижением частоты и напряжения, когда падает производительность механизмов, а при глубоком понижении напряжения теряется также устойчивость двигательной нагрузки. Это приводит к прекращению подачи питательной воды, срыву вакуума турбин, сбросу нагрузки и отключению агрегатов. В результате в системе может начаться лавинообразное снижение частоты и напряжения.
Однако автономный источник не может устранить основной причины тяжелой системной аварии — несоответствия между нагрузкой и располагаемой мощностью станций. Независимое от сети питание собственных нужд может в ряде случаев лишь задержать развитие аварии, но не исключить ее. Кардинальным решением вопроса является правильное использование средств системной автоматики и прежде всего частотной разгрузки после исчерпания вращающегося резерва мощности. Поэтому основной схемой питания системы собственных нужд станций всех типов в настоящее время является схема, приведенная на рис. 3-1, надежность и устойчивость которой обеспечивается: 1) широким применением в системе собственных нужд асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, пуском их от полного напряжения сети без всяких регулирующих устройств и отказом от защиты минимального напряжения на ответственных механизмах; 2) успешным самозапуском электродвигателей при восстановлении напряжения после отключения коротких замыканий в энергосистеме и в сети собственных нужд;

применением быстродействующих релейных защит и выключателей на всех элементах системы и подсоединениях собственных нужд; 4) широким внедрением устройств системной автоматики (автоматическая частотная разгрузка, автоматический ввод резервного питания и резервных механизмов собственных нужд, автоматическое регулирование и форсировка возбуждения генераторов).
В последнее время на некоторых тепловых электростанциях США и Великобритании устанавливаются специальные автономные агрегаты с малым временем пуска для питания системы собственных нужд в аварийных условиях. В нормальном режиме электродвигатели механизмов питаются от трансформатора собственных нужд блока. При понижении частоты или напряжения в системе автоматически запускаются газотурбинные агрегаты, и при определенном понижении режимных параметров их генераторы включаются на шины распределительного устройства собственных нужд, а питание от трансформаторов собственных нужд прекращается. Вся операция от пуска ГТУ из холодного состояния до перевода на нее нагрузки собственных нужд занимает две-три минуты. Экономически применение таких агрегатов может быть оправдано лишь при совмещении резервирования питания собственных нужд с выдачей пиковой мощности.
Все типы АЭС в нашей стране в обязательном порядке снабжаются аварийными источниками питания в виде дизель-генераторов или ГТУ. Их мощность выбирается исходя из покрытия нагрузок системы расхолаживания АЭС и устройств безопасности, но она недостаточна для питания механизмов собственных нужд в нормальном режиме.