HRVATSKI OGRANAK ME UNARODNE ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE HO CIRED 1. savjetovanje Šibenik, 18. - 21. svibnja 2008. SO3 03 Željko Kuprešak, ing. Sladorana d.d. elektro-rukovoditelj@sladorana.hr Savo Vu kovi, ing. SCADA projekt d.o.o. scada.projekt@zg.t-com.hr Mario Jovanovac, dipl.ing. Sladorana d.d. elektro@sladorana.hr ISKUSTVA USPOSTAVE PARALELNOG RADA PROIZVODNOG POSTROJENJA S KOGENERACIJOM I DISTRIBUCIJSKE MREŽE SAŽETAK Modernizacija proizvodnog procesa i promjena tehnologije uzrokovale su nastanak debalansa u potrošnji toplinske i elektri ne energije, a samim time i pove anje troškova za njihovu proizvodnju. Uspostava balansa u oto nom radu nije isplativa, pogotovo u dvije potpuno razli ite prerade (repna i žuta kampanja), stoga se pristupilo realizaciji projekta paralelnog rada s vanjskom elektroenergetskom mrežom. Uspostavom paralelnog rada ostvareno je pove anje raspoloživosti kroz skra enje vremena uspostave proizvodnog procesa nakon kvara, kao i pove anje efikasnosti, odnosno smanjenje troškova za proizvodnju toplinske i elektri ne energije. U radu su obra ena iskustva u realizaciji projekta paralelnog rada kogeneracijskog postrojenja Sladorane d.d. s vanjskom distribucijskom mrežom. Klju ne rije i: sinkronizacija, odvajanje, rastere enje, upravljanje razmjenom, protutlak EXPERIENCES WITH ESTABLISHING PARALLEL OPERATION OF COGENERATION WITH ELECTRODISTRIBUTIVE NETWORK HEP SUMMARY Modernisation in production process and modifications of technology caused unbalanced consumption of heating and electrical energy and consequently grow of energy production expenses. As re-establishing of inner balance was not cost-effective, especially concerning two different production types (sugar beet and raw sugar), decision has been made to approach to project realisation of parallel operation to utility grid. Following goals has been set for the reconstruction and setting up parallel operation: availability increase through the time abbreviation for production process establishing after heating or electrical plant failure and efficiency enhancement through cost reducing for heating and electrical energy production. Parallel operation proved to be extremely useful particularly in production failure conditions. This paper elaborates user experiences in realisation of the parallel operation project of the cogeneration plant Sladorana d.d. to utility grid. Key words: synchronization, decoupling, load shedding, exhaust pressure 1
1. UVOD Kogeneracijsko energetsko postrojenje Sladorana d.d. Županja gra eno je 1947. godine kao postrojenje sa izbalansiranom potrošnjom toplinske i elektri ne energije. Promjena tehnologije i modernizacije u proizvodnom procesu uzrokovale su nastanak debalansa u potrošnji toplinske i elektri ne energije, a samim time i pove anje troškova za njihovu proizvodnju. Uspostava balansa u oto nom radu nije isplativa, pogotovo zbog dvije potpuno razli ite prerade (repna i žuta kampanja). Zato se pristupilo realizaciji projekta paralelnog rada s vanjskom elektroenergetskom mrežom. Projekt je realiziran, uspostavljen je paralelni rad, te je Sladorana u dvije spojene kampanje (repna i žuta) ostvarila sve postavljene ciljeve. Pove ana je raspoloživost napajanja postrojenja i skra eno vrijeme uspostave proizvodnog procesa nakon kvara na parnom ili elektro postrojenju, te pove ana efikasnost, odnosno smanjeni troškovi za proizvodnju toplinske i elektri ne energije. Dodatno pove ana stabilnost i pouzdanost cijelog energetskog postrojenja što je doprinijelo lakšem održavanju i pra enju rada cijelog sustava. Dobivena je energetska suglasnost za paralelni rad, te se pristupilo prikupljanju dokumentacije za isho enje dozvole za obavljanje energetske djelatnosti i stjecanje statusa povlaštenog proizvo a elektri ne energije. 2. KRATKA POVIJEST TVORNICE Tvornica za preradu še era Sladorana d.d. izgra ena u periodu od 1942. do 1947. godine. Prva kampanja prerade še erne repe po ela je 11. rujna 1947. godine. Kapacitet tvornice tada je bio 1350 t/dan prerade še erne repe. Tijekom svojeg šezdesetogodišnjeg rada tvornica je imala više velikih rekonstrukcija. Svakom rekonstrukcijom se modernizirala tehnologija proizvodnje i pove avao kapacitet prerade do današnjeg, koji iznosi 6000 t/dan prerade še erne repe. S energetskog aspekta, najvažnija rekonstrukcija bila je 1998. izgradnjom nove kotlovnice na prirodni plin kao pogonsko gorivo, sa dva integral kotla talijanske tvrtke «CCT» ukupnog kapaciteta 120 t/h vodene pare. Druga važna investicija je izgradnja novog eko-silosa za še er u betonskoj izvedbi, tipa «Freund & Vogtmann», kapaciteta 50.000 t, koji je po kapacitetu tre i silos za ekološko skladištenje še era u Europi. 3. OPIS POSTROJENJA Industrijsko elektroenergetsko postrojenje Sladorane d.d. Županja, nazivnog napona 6 kv sastoji se iz dvije sekcije, staro i novo postrojenje. Energetski transformatori 35/6,3 kv su spojeni po sekciji, dok je generator spojen na sabirnice starog postrojenja. Prije rekonstrukcije, srednjonaponsko postrojenje se napajalo iz mreže HEP-a preko jednog od dva energetska transformatora, snage po 4 MVA ili iz vlastitog turbo agregata snage 7 MW (8,75 MVA). Zakupljena snaga Sladorane iznosila je 3 MW (samo preuzimanje). U kampanji Sladorana se napajala samo iz vlastitog generatora, što je bilo na granici njenih potreba za elektri nom energijom. Izvan kampanje napajanje je ostalo nepromijenjeno i vrši se preko jednog od dva energetska transformatora. Navedeni na in napajanja bez redundancije s aspekta pouzdanosti, nije bio zadovoljavaju i u kampanji. Napajanje nužnih potroša a u krugu Sladorane je vrlo bitno zbog specifi nosti proizvodnje (stvrdnjavanje še era ako se ne miješa). Prilikom ispada generatora u kampanji, dolazi do nestanka el. energije na 6 kv sabirnicama i prestanka napajanja kotlova, što rezultira prekidom proizvodnje. Nakon gašenja kotlova, ovisno o vrsti kvara i brzine njegovog otklanjanja, za ponovni start je potrebno 2 do 4 sata, a do dovo enja parametara proizvodnog procesa na razinu prije nestanka elektri ne energije potrebno je od 12 do 24 sata. U kampanji je obi no dolazilo do nekoliko ispada uzrokovano razli itim kvarovima, što je izazivalo velike financijske i materijalne gubitke u energetici i proizvodnji. Zbog postojanja debalansa u zahtjevima za toplinskom i elektri nom energijom teško se moglo djelovati na smanjenje troškova i pove anje efikasnosti. 2
4. REKONSTRUKCIJE I USPOSTAVA PARALELNOG RADA Kao pripremu za uspostavu paralelnog rada s distribucijskom mrežom obavljene su rekonstrukcije turbine, redukcijske stanice, generatora i spoja s distribucijskom mrežom. U sklopu rekonstrukcija turbine obavljeni su zahvati na samoj turbini, zamijenjen je turbinski regulator, turbinska zaštita i formiran sustav nadzora rada turbine. Redukcijska stanica je zamijenjena novom. Na generatoru je obavljen niz zahvata: pove ana snage generatora (preizoliranje rotora i poboljšanje sustava hla enja), zamijenjen generatorski prekida, zamjena uzbude, i ugra ena nova numeri ka zaštite. Rekonstrukcija spoja s vanjskom distribucijskom mrežom (u Sladorani i priklju noj distribucijskoj TS 35/10 kv) je obuhvatila: zamjenu kompletne primarne i sekundarne opreme u 35 kv vodnim poljima u distribucijskoj TS 35/10 kv (dva kabelska odvoda za Sladoranu), ugradnju strujnih mjernih transformatora u komorama transformatora 35/6,3 kv za potrebe diferencijalne zaštite transformatora, zamjenu kompletne primarne i sekundarne opreme (izuzev rastavlja a) u 6 kv dovodnim - trafo poljima, ugradnju strujnih transformatora i zaštite u 6 kv sekcijskom polju, ugradnja dodatne opreme u komandni pult i rekonstrukcija drugih pomo nih razvodnih ormara, 5. UTJECAJ PARALELNOG RADA NA ENERGETSKA POSTROJENJA Paralelni rad industrijskog elektroenergetskog sustava Sladorane d.d. s vanjskom elektroenergetskom mrežom ima iznimno pozitivan utjecaj na cjelokupna energetska postrojenja (od kotlova, turbine, redukcijske stanice, generatora), te na kvalitetu pare za potrebe potroša a - tehnologije. Najzna ajniji je utjecaj na stabilnost postrojenja, smanjenje udaraca velikih potroša a elektri ne energije na generator, te posredno na paroproizvodna postrojenja. Za potrebe usporedbe utjecaja vanjske mreže na rad energetskih postrojenja upotrijebljeni su trendovi sa sustava nadzora i upravljanja jednako skalirani (jedan sat rada u stabilnom radu u paraleli i oto no). 5.1. Generator Kako se radi o agregatu malih masa, on je veoma osjetljiv na promjene tereta, posebno kod pokretanja i zaustavljanja velikih elektromotora. Utjecaj tereta (pokretanja i zaustavljanja velikih trošila) i oscilacija snage na generatoru prikazana je na slikama 1 i 2. Na slici 1 vidljivo je da sve oscilacije tereta u oto nom radu djeluju na generator, a što se dalje prenosi na oscilacije frekvencije, protoka pare kroz turbinu i dalje na kotlovsko postrojenje. Na slici 2 je vidljivo kako je utjecaj tereta u paralelnom radu dva izvora, generatora i vanjske mreže, zanemariv. Slika 1: Radna snaga - oto ni rad Slika 2: Radna snaga - paralelni rad 3
Na slikama 3 i 4 prikazan je utjecaj promjene tereta na frekvenciju (broj okretaja) agregata u oto nom i paralelnom radu. U oto nom radu, promjene frekvencije se kre u do +/- 0,5 Hz. U paralelnom radu teret nema nikakvog utjecaja na frekvenciju. Frekvencija na generatoru (broj okretaja) isklju ivo prati promjene frekvencije vanjske distribucijske mreže. Slika 3: Frekvencija - oto ni rad Slika 4: Frekvencija - paralelni rad Za razliku od pozitivnog utjecaja vanjske distribucijske mreže na stabilnost generatora po radnoj snazi i frekvenciji, u paralelnom radu dolazi do zna ajnijih promjena napona. Naponski regulator burno reagira na svaku promjenu napona. Na slici 6 je vidljiva promjena jalove snage na generatoru u paralelnom radu kao posljedica promjene napona u distribucijskoj mreži. Do promjena napona dolazi kod uklju enja / isklju enja velikih kondenzatorskih baterija snage 1250 kvar u transformatorskoj stanici 110/35/10 kv Županja 2.. Slika 5: Jalova snaga - oto ni rad Slika 6: Jalova snaga - paralelni rad 5.2. Turbina i redukcijska stanica Svi udarci na generator se posredno preko reduktora mehani ki prenose na turbinu. Turbinski regulator na promjenu broja okretaja (frekvencije) djeluje pove anjem / smanjenjem protoka kroz turbinu što je vidljivo na slici 7. Dodatna niskotla na para potrebna za potroša e - tehnologiju se proizvodi redukcijom tlaka u redukcijskoj stanici, što ujedno predstavlja gubitak energije. Na slici 8 je vidljivo da u paralelnom radu nema protoka pare kroz redukcijsku stanicu, ve cjelokupna para potrebna za potroša e - tehnologiju prolazi kroz turbinu. Redukcija tlaka se provodi u turbini, a energija pretvara u mehani ki rad i pretvara u dodatnu elektri nu energiju koja se isporu uje u distribucijsku mrežu. 4
Slika 7: Protok pare - oto ni rad Slika 8: Protok pare - paralelni rad 5.3. Kotlovsko postrojenje Oscilacije sa generatora u oto nom radu prenose se na turbinu i dalje lan ano, kroz promjene protoka kroz turbinu, na kotlovsko postrojenje. Na slikama 9 i 11 su vidljive znatno ve e oscilacije protoka i temperatura na kotlovima u oto nom radu. Slika 9: Protok pare - oto ni rad Slika 10: Protok pare - paralelni rad Slika 11: Temperature pare - oto ni rad Slika 12: Temperature pare - paralelni rad 5
5.4. Ispadi i kvarovi Za vrijeme paralelnog rada došlo je do tri ispada turbine i jednog ispada kotlovskog postrojenja. Na slijede im slikama prikazani su dijagrami snaga na generatoru iz kojih je vidljivo vrijeme otklanjanja kvara (period bez proizvodnje elektri ne energije - ravna crta) i vrijeme uspostave stabilne proizvodnje elektri ne energije nakon pokretanja agregata. Slika 13: Ispad turbine 12.11.2007. Slika 14: Ispad turbine 27.11.2007. Slika 15: Ispad turbine 23.01.2008. Slika 16: Ispad kotlova 24.02.2007. 6. ANALIZA EFEKATA PROMJENE NA INA NAPAJANJA 6.1. Proizvodnja, isporuka i preuzimanje elektri ne energije Smanjenje troškova i pove anje efikasnosti u oto nom radu nije se moglo provoditi jer je postojao stalni debalans u zahtjevima za parom i elektri nom energijom. Manjak elektri ne energije se namirivao puštanjem dodatne pare kroz turbinu i ispuštanjem viška pare za tehnologiju u zrak. Smanjenje proizvodnje elektri ne energije, kad tehnologija zahtjeva dodatnu paru se provodilo preusmjeravanjem dijela pare kroz redukcijsku stanicu. U tablici I dat je pregled proizvodnje, isporuke i preuzimanja elektri ne energije u kampanji. Sladorana je u paralelnom radu od kraja listopada 2007., pa je zato izra un ra en za period od studenog 2007. do završetka kampanje u ožujku 2008. godine. U tom periodu Sladorana je ukupno preuzela i isporu ila u vanjsku mrežu 1.584.187 kwh. Ukupna potrošnja je iznosila 16.763.044 kwh. Ukupan debalans (manjak i višak elektri ne energije) je postotno iznosio 9,45%. 6
Tablica I: Proizvodnja, isporuka i preuzimanje elektri ne energije u kampanji Proizvodnja Isporuka Preuzimanje Mjesec kwh kwh kwh 09.2007. 2.988.196 4.368 10.2007. 3.655.075 89.526 11.2007. 4.661.700 103.500 82.813 12.2007. 4.893.422 32.513 131.296 01.2008. 4.269.875 383.587 30.686 02.2008. 3.394.668 689.640 9.331 03.2008. 602.570 112.449 8.372 UKUPNO: 24.369.728 1.415.583 262.498 U periodu: 11.2007. - 03.2008. 17.822.235 1.321.689 262.498 Visok stupanj korisnosti kogeneracijskog postrojenja se postiže dvostrukim korištenjem toplinske energije. Kod debalansa, energija se koristi samo jednom ili za proizvodnju elektri ne ili toplinske energije. Uz pretpostavku gubitka 50 % energije (jednom korištena) ukupan stupanj korisnosti elektrane je pove an za 4,72 %. Pove anje stupnja korisnosti se o ituje u dodatno proizvedenoj elektri noj energiji isporu enoj u vanjsku elektroenergetsku mrežu i smanjenju utroška primarnog energenta (plina) na kotlovskom postrojenju. 6.2. Skra enje vremena uspostave proizvodnje nakon ispada Na slijede im slikama je kroz potrošnju elektri ne energije i proizvodnju pare na kotlovskom postrojenju prikazan oporavak pogona kod ispada turbine 27.11.2007. Slika 17: Potrošnja P i Q Slika 18: T1 - razmjena Slika 19: Kotlovi - proizvodnja 7
Prema statisti kim podacima u kampanji Sladorana je u prethodnim godinama imala 2,14 ispada napajanja godišnje. U zadnjoj produženoj kampanji (spojene repna i žuta kampanja) ukupnog trajanja oko 180 dana, Sladorana je imala etiri ispada vlastite proizvodnje elektri ne energije (ne i napajanja). Procjenjuje se da su se štete koje su nastajale kod ispada napajanja elektri nom energijom u oto nom rad kretale izme u 1.000.000 i 1.500.000 kn. Za dovo enje parametara proizvodnog procesa na razinu prije nestanka elektri ne energije, bilo je potrebno od 12 do 24 sata. U paralelnom radu, kod ispada vlastite proizvodnje elektri ne energije uz o uvanje napajanja iz distribucijske mreže, nakon otklanjanja kvara, za dovo enje parametara proizvodnog procesa na razinu prije ispada potrebno je od 4 do 6 sati, 6.3. Ostali efekti Uz navedene efekte u poglavljima 6.1. i 6.2. ovakav na in rada pozitivno utje e na: popravak kvalitete pare za potrebe tehnološkog procesa, pove anim protokom pare kroz turbinu, pove anu stabilnost paroproizvodnog postrojenja i smanjenje naprezanja svih energetskih postrojenja. 7. ZAKLJU AK U dvije spojene kampanje (repna i žuta) u ukupnom trajanju od šest mjeseci, Sladorana je nešto manje od pet mjeseci radila u paraleli s vanjskom elektroenergetskom mrežom. Ostvareni su svi postavljeni ciljevi te je: pove ana raspoloživost i skra eno vrijeme pokretanja energetskih postrojenja kod kvarova, osigurana eventualno potrebna dodatna elektri na energija za napajanje novih pogona koji se planiraju graditi, osigurana mogu nost dodatne proizvodnje elektri ne energije i njene isporuke u distribucijsku mrežu u ovisnosti o potrebi tehnologije za parom, ostvareno bolje iskorištenje energije (podignuta ukupna efikasnost), popravljena kvaliteta pare za tehnološki proces. Na instaliranim sustavima nije bilo kvarova ili zastoja u radu. Operativno osoblje je ovladalo radom s novom opremom i prilagodilo se novom, koordiniranom na inu rada osoblja na kotlovskom postrojenju, turbini i elektroenergetskom postrojenju. LITERATURA [1] HEP ESCO, Rekonstrukcija napajanja elektri nom energijom Sladorane d.d,.investicijska studija [2] S. Vu kovi, B. Štambak, Elaborat i idejno rješenje energetske u inkovitosti i paralelnog rada generatora s vanjskom mrežom [3] Eling projekt d.o.o., E 01 - Projekt-paralelni rad Sladorane d.d. sa vanjskom e.e. mrežom [4] SCADA Projekt d.o.o., Sustav za rastere enje, Sladorane d.d., Korisni ki priru nik [5] NORIN d.o.o., Sustav zaštite, odvajanja i rastere enja Beliš a d.d., Tehni ki opis 8