Obrona przed blackout’em w przedsiębiorstwie przemysłowym jako jeden z kluczowych elementów zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego

Autor

Wieńczysław Wasik
„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
Zakład Techniki Cieplnej

Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, przeciągająca się w czasie budowa nowych mocy wytwórczych, niezadowalający stan techniczny sieci przesyłowych, a także lawinowe dołączanie w ostatnim czasie do sieci dystrybucyjnych i przesyłowych jednostek wytwórczych (JW) o ograniczonych zdolnościach regulacyjnych i trudnych do przewidzenia poziomach produkcji mocy czynnej (np. farm wiatrowych) – to tylko kilka z wielu czynników, które nie sprzyjają stabilności krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE). Dodatkowym elementem mogącym zagrozić stabilności KSE są zdarzające się ograniczenia rezerwy wirującej w generatorach. Najlepszym tego przykładem jest zanotowane w dniu 01.02.2012 r. rekordowe zużycie energii elektrycznej na poziomie 25 346 MWh, które spowodowało, że KSE znalazł się na granicy bezpieczeństwa, dysponując minimalną rezerwą mocy wynoszącą tylko 1300 MW.

Gdyby zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrosło wtedy jeszcze o 5%, systemowi groziłby rozpad z możliwością wystąpienia blackout’u o lokalnym, a nawet ogólnokrajowym zasięgu. Jeżeli weźmiemy również pod uwagę fakt, że część obecnie eksploatowanych elektrowni i elektrociepłowni utraci w 2016 r. pozwolenia środowiskowe na funkcjonowanie, przyszłość bezpieczeństwa KSE przedstawia się dość pesymistycznie. Powyższe zdarzenie oraz wspomniane wcześniej czynniki uświadamiają nam, że zagrożenie awarią katastrofalną typu blackout w polskim systemie jest realne. Jeżeli już dojdzie do blackout’u, jego skutki mogą dotknąć zakłady energetyczne, przedsiębiorstwa przemysłowe oraz indywidualnych odbiorców. Pozbawienie przedsiębiorstwa przemysłowego dostaw energii elektrycznej i cieplnej spowodować może duże straty materialne będące wynikiem przerwania procesu produkcji. W skrajnych przypadkach prowadzić może również do uszkodzenia ciągów technologicznych oraz zagrożenia zdrowia i życia ludzkiego. Stąd też zadanie przystosowania do obrony przed blackout’em przedsiębiorstw przemysłowych wrażliwych na utratę zasilania, a zarazem ważnych dla krajowej gospodarki, powinno być jednym z priorytetowych celów polityki bezpieczeństwa zakładu. W niniejszym artykule przedstawiono podstawowe zasady obrony układu elektroenergetycznego przedsiębiorstwa przemysłowego (UEPP) przed blackout’em oraz związane z tym aspekty techniczne.

Struktura układu zasilania oraz pracy przedsiębiorstwa przemysłowego

Największe przedsiębiorstwa przemysłowe zasilane są zazwyczaj poprzez dwie lub trzy (rzadziej cztery) linie z sieci KSE oraz często ze swojego źródła generacji, najczęściej z elektrociepłowni (EC) o skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła na potrzeby własne oraz zakładu. Przykładami takich przedsiębiorstw są między innymi Polski Koncern Naftowy ORLEN S.A., ANWIL S.A., Mondi Świecie S.A., Zakłady Azotowe „Puławy” S.A., Zakłady Chemiczne „Police” S.A., Zakłady Azotowe w Tarnowie-Mościcach S.A., International Paper Kwidzyń Sp. z o.o., ZAK S.A., Koksownia Przyjaźń Sp. z o.o., Arctic Paper Kostrzyn S.A., PCC Rokita S.A. oraz inne spółki produkcyjne wchodzące w skład większych grup kapitałowych, takich jak np. KGHM Polska Miedź S.A., Arcellor Mittal Poland S.A., Grupa Ciech S.A., Grupa LOTOS S.A. czy Kompania Węglowa S.A. Układ elektroenergetyczny wymienionych przedsiębiorstw przemysłowych obejmuje zwykle sieć zasilającą z transformatorami WN/SN, EC z turbogeneratorami oraz rozdzielniami potrzeb własnych i ogólnoelektrownianych, sieć rozdzielczą SN i nn zasilającą odbiory wydziałów produkcyjnych oraz potrzeb ogólnych, a także istotną z punktu widzenia zaniku napięcia podstawowego sieć napięcia gwarantowanego zasilaną z rozdzielni prądu stałego lub awaryjnych agregatów prądotwórczych diesla. Elektrociepłownie przemysłowe pracują zazwyczaj w układach kolektorowych, rzadziej blokowych, w których moc elektryczna wytwarzana jest przez turbogeneratory parowe upustowo-ciepłowniczo-kondensacyjne lub upustowo-przeciwprężne, turbogeneratory gazowe, a także gazowe silniki spalinowe z generatorem prądotwórczym. Wytwornicami pary są na ogół kotły parowe zasilane paliwem stałym (węglem, biomasą), gazem, olejem lub gorącymi spalinami będącymi ciepłem odpadowym (tzw. kotły odzyskowe). Ze względu na priorytetową produkcję ciepła do celów technologicznych i grzewczych zakładu generowana energia elektryczna jest produktem wtórnym (wynikowym), dlatego też musi być bilansowana przy współpracy z KSE. W przypadku najczęściej stosowanych w EC turbinach przeciwprężnych ilość wytwarzanej energii elektrycznej jest ściśle związana z porą roku. W miesiącach zimowych, z uwagi na większe zużycie ciepła, wytwarzana moc elektryczna zbliżona jest do zapotrzebowania zakładu. Odwrotna sytuacja występuje w miesiącach letnich i okresach remontowych, kiedy występuje niedobór mocy elektrycznej (generowanej) pokrywany wówczas importem z KSE. 

Przyczyny utraty zasilania w przedsiębiorstwie przemysłowym

Zanik napięcia w UEPP spowodowany może być przez zakłócenia zewnętrzne pochodzące z KSE lub zakłócenia wewnętrzne powstałe w sieci zakładowej. Pierwsza grupa zakłóceń może być skutkiem awarii systemowej typu blackout. W tym przypadku własne JW przystosowane do pracy w układach wydzielonych (na wyspę sieciową) mają szansę na opanowanie takich zakłóceń i dostarczenie koniecznej energii elektrycznej i cieplnej potrzebnych do zachowania ciągłości produkcji w przedsiębiorstwie przemysłowym. Drugą grupę stanowią zakłócenia wywołane wewnątrz UEPP będące między innymi skutkiem zwarć w głównych rozdzielniach zasilania (GRZ), transformatorach sieciowych (TS) lub polach odpływowych do głównych rozdzielni dystrybucyjnych (GRD). Powodują one znaczne obniżenie napięcia na szynach sekcji rozdzielni potrzeb własnych i ogólnych EC oraz rozdzielni wydziałów produkcyjnych zakładu prowadząc do awaryjnego wyłączenia silników od zabezpieczeń technologicznych, a tym samym do poważnych zaburzeń w procesach produkcyjnych przedsiębiorstw przemysłowych. 

Idea obrony zasilania przedsiębiorstwa przemysłowego

Skuteczna obrona przed utratą zasilania w przedsiębiorstwie przemysłowym, w razie wystąpienia zakłócenia lub awarii w sieci KSE, jest możliwa wówczas, kiedy UEPP uda się sprawnie wydzielić i przełączyć na inne zasilanie – z odrębnej części KSE (niedotkniętej awarią) lub (lepiej) z własnej EC. Przy takim założeniu idea obrony zasilania sieci zakładowej powinna opierać się na zasadzie zamierzonego wydzielenia całego UEPP lub jego części do pracy wyspowej z własnymi JW na poziomie zakładu (z pracującymi odbiorami na ciągach technologicznych) oraz obronie przed całkowitym zanikiem napięcia na szynach GRZ, a jeśli się to nie udaje – na utrzymaniu co najmniej jednej JW w pracy na potrzeby własne i ogólne EC. 

Wydzielenie UEPP do pracy wyspowej

Świadome przejście UEPP do pracy wyspowej na poziomie zakładu powinno następować wtedy, gdy warunki zewnętrzne w sieci KSE stwarzają zagrożenia dla stabilnej pracy własnych JW. Wskaźnikami kryterialnymi dla wydzielenia UEPP do wyspy zakładowej mogą być: 

  • odchylenie częstotliwości od wartości znamionowej (obniżenie lub wzrost); 
  • szybkość zmiany częstotliwości w czasie (pochodna częstotliwości); 
  • obniżenie napięcia zasilania na szynach GRZ; 
  • przepływ mocy czynnej i biernej przez transformatory sieciowe do KSE. 

Wartości progowe nastaw zabezpieczeń pod- i nadczęstotliwościowych oraz podnapięciowych, a także ewentualnych czasów zwłoki powinny zostać uzgodnione z lokalnym Operatorem Systemu Dystrybucyjnego (OSD). Głównym czynnikiem po stronie cieplno-mechanicznej, który decyduje o udanym przejściu EC do pracy wyspowej z własnym zasilaniem i utrzymaniem ciągłości produkcji, jest posiadanie JW charakteryzujących się dużymi zdolnościami regulacyjnymi dla opanowania występujących zmian obciążenia. Dotyczy to zwłaszcza kotłów odpowiedzialnych za szybkie dopasowanie wydajności parowej zapotrzebowanej przez turbinę reagującą na wymuszone zakłócenia w sieci, regulatorów turbin odpowiedzialnych za utrzymanie prędkości obrotowej (częstotliwości) sieci wyspowej przez turbozespoły w granicach dopuszczalnych odchyleń oraz stacji redukcyjno-schładzających (zrzutowych) zapewniających obejście części WP i SP/NP turbin (w układzie blokowym) lub odpowiedzialnych za dosilenie parą odbiorów cieplno-technologicznych przy jej niedoborze (w układzie kolektorowym), a także bezpieczne odprowadzenie jej nadmiaru do atmosfery. Po stronie sieci elektrycznej istotnym elementem jest właściwe i niezawodne rozwiązanie zasilania potrzeb własnych i ogólnych EC oraz elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ), kiedy UEPP jest odłączony od KSE. Ważna jest także szybka i poprawna identyfikacja stanu zagrożenia związanego z utratą stabilności oraz decyzja o sposobie obrony i ewentualnym wydzieleniu od sieci zewnętrznej w odpowiednich do tego miejscach. Funkcja taka może być realizowana np. przez specjalnie przewidziany do tego celu rozproszony komputerowy system obrony rejestrujący niezbędne dane pomiarowe oraz w oparciu o nie i zaimplementowane algorytmy odpowiednie sterowania. Istotnym problemem przy przechodzeniu EC na wydzieloną pracę wyspową jest zbilansowanie mocy czynnej. Moment powstania wyspy zachodzi najczęściej w warunkach nierównowagi mocy wytwarzanej przez EC i zapotrzebowanej przez zakład, co zawsze powoduje zmianę prędkości obrotowej wirników turbin. W praktyce łatwiej jest opanować zrzut mocy czynnej poprzez przymykanie zaworów regulacyjnych na dolocie medium zasilającego do turbin w przypadku nadmiaru generowanej mocy czynnej niż podwyższyć moc poprzez ich otwieranie w sytuacji dużego niedoboru tej mocy, zwłaszcza kiedy zawory przed zakłóceniem były prawie całkowicie otwarte. Kolejną trudnością w trakcie powstawania wyspy oraz już podczas pracy EC na system wydzielony jest zbilansowanie pary. Należy bowiem pamiętać, że uaktywnienie regulatora prędkości obrotowej spowoduje wyłączenie na turbinie wszystkich pozostałych pętli regulacji, np. odpowiedzialnych za regulację mocy i ciśnienia pary upustowej lub pary wylotowej przy praktycznie niezmienionym zapotrzebowaniu (jak podczas normalnej eksploatacji przedsiębiorstwa przemysłowego) na parę oraz inne media technologiczne. W takiej sytuacji korzystniejsze jest rozwiązanie EC z układem kolektorowym pary, który łącznie ze stacjami redukcyjnymi działającymi równolegle z regulowanymi upustami pary i odpływami pary na wylocie z turbin (w przypadku turbin przeciwprężnych) powinien pewniej kompensować przejściowe zmiany zapotrzebowania na parę podczas pracy turbin w warunkach zaistniałego zakłócenia. 

Selektywne odciążenie wyspy

Skutkiem niedoboru mocy czynnej po wydzieleniu się wyspy może być szybko obniżająca się częstotliwość, której spadku w krótkim okresie czasu (w ciągu kilku sekund) nie będzie w stanie zatrzymać działanie regulacji pierwotnej turbin. Jedynym rozwiązaniem w takiej sytuacji może być wymuszone ograniczenie produkcji zakładu (wyłączenie wybranych odbiorników) poprzez zastosowanie automatyki szybkodziałającego samoczynnego częstotliwościowego odciążania (SCO). Algorytmy działania automatów SCO powinny być tak opracowane, aby przewidziane do wyłączenia odbiory przez poszczególnie stopnie, w zależności od wartości progu częstotliwości i czasu zwłoki, dobrane były według określonych zasad, to jest począwszy od wyłączenia odbiorów, których odstawienie nie powoduje zakłóceń w pracy instalacji technologicznej poprzez wyłączenia powodujące ograniczenie produkcji aż do wyłączeń skutkujących odstawieniem ciągów technologicznych, z pozostawieniem pod napięciem istotnych potrzeb ogólnych EC i instalacji decydujących o bezpieczeństwie ludzi oraz urządzeń. Dla ustalenia ważności odbiorów elektrycznych i związanej z tym kolejności ich wyłączania konieczne jest przeprowadzenie wnikliwej analizy warunków pracy instalacji technologicznych, w szczególności mającej na celu określenie: zapotrzebowania instalacji na media w różnych warunkach ruchowych; zachowania się instalacji w razie wystąpienia nieznamionowych, krytycznych parametrów zasilania (napięcia i częstotliwości); dopuszczalnych czasów przerwy (zaniku) w zasilaniu energią elektryczną (analiza zapasów mediów zgromadzonych w buforach) oraz dostaw niezbędnych mediów; innych wymagań zapewniających stabilną pracę instalacji; skutków ekonomicznych awaryjnych odstawień instalacji i ich powtórnego uruchomienia. 
W praktyce dla wielu odbiorników elektrycznych instalacji technologicznych dopuszczalne granice odchyleń napięcia i częstotliwości od wartości znamionowej mogą być małe, czas zaniku napięcia bardzo krótki, a w pewnych sytuacjach wręcz niedopuszczalny. Z kolei dla szczególnych instalacji ich odstawienie może być niebezpieczne, a koszt ponownego uruchomienia znaczący. 

Praca na potrzeby własne i ogólne EC

Jeżeli przejście EC do pracy samotnej nie udaje się lub też wskutek zakłóceń w sieci UEPP po jej wydzieleniu wystąpi zanik napięcia na szynach rozdzielni GRZ, priorytetowym zadaniem powinno być wtedy utrzymanie w pracy na potrzeby własne (PPW) i ogólne EC co najmniej jednej JW, chociażby po to, aby podtrzymać produkcję ciepła, które zapobiegłoby ewentualnej groźbie zmarznięcia instalacji i urządzeń EC w okresie zimowym oraz stanowiłoby niezbędne źródło pary potrzebne np. do rozpalenia innych kotłów już po powrocie napięcia zasilającego. Bezpieczne odstawienie ciągów technologicznych i urządzeń na wydziałach produkcyjnych przedsiębiorstwa przemysłowego po zaniku napięcia w rozdzielni GRZ powinna zapewnić istniejąca sieć napięcia gwarantowanego. Ponieważ w większości spotykanych rozwiązaniach UEPP zasilanie rozdzielni potrzeb ogólnych EC odbywa się z odpływów rozdzielni GRZ i GRD, ewentualne udane przejście JW do PPW zapewni zasilanie rozdzielniom potrzeb własnych tylko przez określony czas, to jest do momentu wyczerpania zapasów mediów technologicznych (paliwa, sprężonego powietrza, wody zdekarbonizowanej, wody zdemineralizowanej itp.) lub zapełnienia zbiorników buforowych produktów pospaleniowych (popiół lotny, popiół denny, żużel itp.). Wydłużenie możliwego czasu pracy na PPW możliwe jest jedynie wtedy, gdy media technologiczne będą uzupełniane, a produkty poprodukcyjne odprowadzane. 

Odbudowa zasilania przedsiębiorstwa przemysłowego po powrocie napięcia

W przypadku awaryjnego wyłączenia wszystkich JW, przedsiębiorstwo przemysłowe oraz EC zostają pozbawione napięcia na rozdzielniach zasilających wydziały produkcyjne, potrzeby własne EC oraz ogólne. Jedynym źródłem napięcia są wtedy rozdzielnie prądu stałego oraz napięcia gwarantowanego zasilane z baterii akumulatorów lub niezależnego agregatu prądotwórczego diesla. Z rozdzielni tych powinny być zasilane urządzenia odpowiedzialne za bezpieczne odstawienie zakładu i EC (awaryjne pompy olejowe, obracarki turbin, systemy wizualizacji i sterowania, obwody sterowania i zabezpieczeń urządzeń pomocniczych, elementy AKPiA itp.) oraz inne istotne odbiory mające wpływ na bezpieczeństwo obsługi przedsiębiorstwa przemysłowego, np. oświetlenie awaryjne, łączność telefoniczna, pompownia p.poż. W celu odbudowy zasilania UEPP należy zapewnić niezależne źródło zdolne do uruchomienia wybranej JW. Źródłem napięcia i mocy rozruchowej mogą być wówczas inne zewnętrzne JW cieplne, które utrzymały się w ruchu po wystąpieniu blackout’u, JW przystosowane do samostartu (np. elektrownie wodne) bądź specjalne, niezależne agregaty prądotwórcze (agregaty diesla, kompaktowe turbiny gazowe, silniki gazowe), w które wyposażona może być EC. Jeżeli przedsiębiorstwo przemysłowe usytuowane jest blisko granicy sąsiedniego systemu elektroenergetycznego, może zachodzić możliwość podania napięcia z takiego systemu wydzielonym torem rozruchowym. Po przystąpieniu do odbudowy zasilania, po całkowitym zaniku napięcia, problemem może być dostępność innych niż energia elektryczna mediów niezbędnych do uruchomienia JW ze stanu beznapięciowego, do których z pewnością (oprócz paliwa rozpałkowego, paliwa podstawowego, sprężonego powietrza i wody) zaliczyć należy parę pomocniczą potrzebną np. do ogrzania cyrkulującego mazutu i jego atomizacji w palnikach rozruchowych, wytworzenia parowej poduszki w odgazowywaczu oraz uszczelnienia dławnic turbiny parowej. W przypadku braku kotłowni pomocniczej (kiedy żadna JW w EC nie utrzymała się w ruchu) jedynym źródłem pary pomocniczej mogą być tylko zasoby pary zakumulowanej w kotłach z odciętymi odpływami parowymi do turbiny i skraplacza/wymiennika ciepłowniczego (w układzie blokowym) lub kolektora pary (w układzie kolektorowym). Stąd ważnym działaniem prewencyjnym, które musi wykonać obsługa po wystąpieniu blackoutu, jest sprawne przeprowadzenie operacji tzw. zabutelkowania pary w kotłach po ich wygaszeniu. 

Podsumowanie

W przypadku wystąpienia blackout’u w sieci KSE najważniejsze są obrona układu elektroenergetycznego przedsiębiorstwa przemysłowego oraz niedopuszczenie do poważnej awarii na terenie zakładu. Głównym źródłem obrony zasilania układów elektroenergetycznego i parowo-technologicznego przedsiębiorstwa przemysłowego powinna być wtedy własna elektrociepłownia, której jednostki wytwórcze (jeśli nie wszystkie to przynajmniej wybrane) muszą być zdolne w takiej sytuacji do przejścia do pracy na sieć wydzieloną (wyspę) lub do pracy na potrzeby własne i ogólnoelektrowniane, ze sprawnym w takich warunkach zasilaniem odbiorów energii elektrycznej i cieplnej (pary). Po opanowaniu i zlikwidowaniu zakłóceń elektrociepłownia musi być także zdolna do skutecznej odbudowy zasilania polegającej na stopniowym przyłączaniu do niej odbiorów elektroenergetycznych aż do czasu ponownego zsynchronizowania odbudowanej w ten sposób sieci wydzielonej z KSE. Odpowiednie przystosowanie układów cieplno-mechanicznych i elektroenergetycznych przedsiębiorstwa przemysłowego do obrony przed blackout’em jest z natury przedsięwzięciem złożonym, kosztownym oraz wymagającym na początku przeprowadzenia wieloaspektowej analizy pierwotnych i wtórnych układów zasilania, zdolności produkcyjnych i własności regulacyjnych urządzeń wytwórczych elektrociepłowni, zbilansowania produkcji i zapotrzebowania przedsiębiorstwa przemysłowego na energię elektryczną i parę oraz pozostałe media technologiczne w różnych warunkach ruchowych, a także wykonania badań symulacyjnych stabilności pracy układu elektroenergetycznego. Osobnym, lecz istotnym zagadnieniem jest również posiadanie odpowiedniej instrukcji (planu działania i procedur) utrzymania w pracy co najmniej jednej jednostki wytwórczej w warunkach utraty połączenia z KSE lub zaniku napięcia w sieci zewnętrznej. W szczególności instrukcja taka przeznaczona powinna być dla służby nadzorczej i operacyjnej odpowiedzialnej, według ustalonych kompetencji organizacyjnych w elektrociepłowni, za prowadzenie ruchu podczas obrony i odbudowy zasilania układu elektroenergetycznego przedsiębiorstwa przemysłowego w koordynacji ze służbami dyspozytorskimi operatorów sieci dystrybucyjnej i przesyłowej. Znajomość takiej instrukcji przez te służby w przedsiębiorstwie przemysłowym i elektrociepłowni powinna być okresowo sprawdzana podczas cyklicznie przeprowadzanych kursów szkoleniowych.

Artykuł oparty na referacie z IV Konferencji Szkoleniowej Zakładu Techniki Cieplnej „Optymalizacja procesów energetycznych − dobra praktyka inżynierska w energetyce i przemyśle”, zorganizowanej przez „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o. w dniach 23−25 kwietnia 2012 r. Publikacja w: Biuletynie Naukowo-Technicznym ENERGOPOMIARU w miesięczniku „Energetyka" nr 5/2012.

Przeczytaj pełny tekst, wraz z rysunkami - więcej