1.3. Принципы проектирования электрических станций и подстанций
Проектирование электрических станций, подстанций, электрических сетей и систем заключается в составлении описаний еще не существующих объектов, предназначенных для производства, передачи и распределения электроэнергии. Эти описания в графической и текстовой форме составляют содержание проекта, т. е. совокупности документов, необходимых для создания нового энергетического оборудования и установок.
Проектирование электроэнергетических систем и их установок содержит три основных этапа:
рассмотрение перспектив развития на 15—20 лет вперед-
перспективное проектирование на период до 10 лет;
уточнение проектов на период до 5 лет.
На первом этапе являются технико-экономические доклады (ТЭД) о развитии энергетики регионов и страны в целом. Определяются суммарная мощность нагрузки потребителей, мощности теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), конденсационных, гидравлических, атомных и гидроаккумулирующих электростанций (КЭС, ГЭС, АЭС и ГАЭС), их размещение, состав энергоблоков, необходимый резерв[24]..
На втором этапе разрабатываются схемы энергообъединении, определяются состав станций в каждой энергосистеме и пропускные способности межсистемных и внутрисистемных линии.
На третьем этапе уточняются и корректируются схемы развития энергетического хозяйства страны и районов, а также ведется конкретное проектирование намеченных на втором этапе и утвержденных на третьем этапе объектов: станций подстанций, линий электропередачи и сетей. На этом же этапе проверяется техническая выполнимость плановых решений, определяются необходимые капиталовложения или проверяется достаточность намеченных капиталовложений.
Электрические станции и подстанции проектируются как составляющие единой энергетической системы (ЕЭС), объединенной энергосистемы (ОЭС) или районной электроэнергетической системы (ЭЭС).
Основные цели проектирования электрических станций, подстанций, сетей и энергосистем следующие:
производство, передача и распределение заданного количества электроэнергии в соответствии с заданным графиком потребления;
надежная работа установок и энергосистем в целом;
заданное качество электроэнергии;
сокращение капитальных затрат на сооружение установок;
снижение ежегодных издержек и ущерба при эксплуатации установок энергосистемы.
Первая цель определяется техническим заданием на электроснабжение потребителей определенного народнохозяйственного комплекса или административно-экономического района. Вторая и третья — существующими техническими нормативами. Четвертая и пятая выступают в качестве экономического критерия оптимальности. Оптимальность решения при проектировании означает, что заданный производственный эффект (располагаемая мощность, отпускаемая энергия, уровень надежности и качества) получается при минимальных возможных затратах материальных и трудовых ресурсов.
Алгоритм решения задачи проектирования любой технической системы состоит из ряда проектных процедур и операций.
Техническая система, такая, как электрическая станция или подстанция, имеет, как правило, иерархическую структуру, состоящую из элементов, фрагментов и подсистем. Элемент — это такая часть системы, выбор параметров которого осуществляют посредством простейшей операции. Например, элементами электрической станции являются электрические машины, аппараты, проводники и др.
Совокупность функционально связанных элементов называется фрагментом. Выбор фрагмента осуществляется проектной процедурой, состоящей из ряда операций. Фрагмент характеризуется не только параметрами и числом элементов, но и структурой связей элементов. Фрагментом электрической станции или подстанции является, например, распределительное устройство.
Подсистемой является обособленная часть системы, состоящая из множества фрагментов и имеющая ограниченное число связей с другими подсистемами. Подсистемами в электрической станции можно считать электроустановки собственных нужд, устройства автоматики и управления. Проектирование подсистемы достоит из ряда процедур, каждая из которых дает проектное решение отдельного фрагмента в виде проектного документа.
Совокупность проектных решений фрагментов позволяет установить возможное множество решений для подсистемы и выбрать из них оптимальное по какому-либо критерию. Комплект выбранных решений для всех подсистемы дает одно из решений для всего объекта и составляет содержание проекта.
Варьируя критерии выбора оптимальных решений для подсистем и фрагментов, можно сформировать множество возможных вариантов для всей системы. Однако формирование множества и выбор оптимального решения для такой системы, как электрическая станция, возможно только с помощью системы автоматического проектирования. В настоящее время число рассматриваемых вариантов для фрагментов и подсистем ограничивается номенклатурой выпускаемого оборудования и рекомендуемых типовых решений.
Процесс проектирования электрических станций проходит четыре стадии, а именно составление схемы развития отрасли, проекта, рабочего проекта и рабочей документации.
Задача создания проекта электрической станции или подстанции как элементов ЗЭС или ОЭС может ставиться и при перспективном и при конкретном проектировании. Проектирование электрических станций ведется в специализированных проектных организациях. Две последние стадии могут быть совмещены, если применяются типовые решения.
Задание на проектирование электрической станции содержится в схеме развития энергосистемы и включает в себя описание типа, местоположения, назначения станции, ее исходных параметров, топлива и источников водоснабжения, режимов работы станции, места в графике нагрузки энергосистемы и местных потребителей, схемы присоединения станции к системе и схемы самой энергосистемы. В задании указываются также плановые сроки проектирования и сооружения и очередность ввода.
Задание на проектирование подстанции энергосистемы и потребительских подстанций включает в себя аналогичную информацию и создается на основе проекта развития энергосистемы, который выполняется институтом «Энергосетьпроект» Задание на проектирование составляет заказчик проекта (министерство, ведомство, промышленное предприятие и др.) на основании схемы развития энергосистемы и технико-экономического обоснования целесообразности планируемого строительства. Задание согласовывается с проектной организацией и генеральным подрядчиком.
Проект представляет собой совокупность документов содержащих основные проектные решения станции или подстанции. В состав проекта входят паспорт, технико-экономическое обоснование, смета, документы на технологическую, электрическую - гидротехническую и строительную части.
Рабочий проект и рабочая документация состоят из пояснительной записки с расчетами и рабочих чертежей, по которым производятся строительно-монтажные работы. В рабочем проекте осуществляет корректировку решений в соответствии с замечаниями, полученными при утверждении проекта, уточняют параметры элементов по текущим условиям комплектования оборудования и изготовления на предприятиях.
В пояснительной записке указываются важнейшие технико-экономические показатели проектируемой станции (подстанции): общий объем капиталовложений и удельные (на 1 кВт установленной мощности) капиталовложения, удельный (на единицу отпущенной электрической или тепловой энергии) расход условного топлива, годовая выработка энергии, расход энергии на собственные нужды, удельная численность персонала (штатный коэффициент), себестоимость отпущенной энергии, объем важнейших видов строительно-монтажных работ, площадь отчуждаемой территории, сборность строительных конструкций, сроки строительства и ввода очередей, оценка природоохранных свойств объектов станции.
Электроэнергетические установки, электрические станции, станции, линии электропередачи, электрические сети, системы электроснабжения являются подсистемами ЭЭС, ОЭС, ЕЭС. Последние представляют собой большие системы искусственного типа, обладающие целым рядом характерных признаков, таких, как
целенаправленность выполнения функций при изменении условий;
организация взаимодействия множеств элементов и подсистем, включая человека, для достижения поставленных целей;
множественность изменяющихся параметров, определяющих функционирование и его результаты;
управление функционированием и развитием в условиях неоднозначно известного поведения системы и ее окружения;
непрерывное развитие во времени целей, возможностей и организации управления;
наличие многих критериев для оценки удачности решений управлению развитием и функционированием.
Большие системы требуют для своего изучения и проектирования особого, системного, подхода, который является одной из форм диалектического подхода к рассмотрению сложных явлений. Системный подход подразумевает комплексное, многостороннее, рассмотрение объекта при его исследовании и проектировании с учетом множественности его свойств и неопределенности имеющейся информации. Системный подход является средством преодоления метафизического мышления (в форме догматических, релятивистских и эклектических решений), а также логических ошибок и эмоциональных пристрастий проектировщика. Системный подход концентрирует внимание инженера и исследователя на существенных свойствах больших систем – множественности и неопределенности.
Множественность – это свойство предмета мысли быть представленным совокупностью(множеством) предметов, составляющих объем понятия. У больших систем существуют счетные множества целей, функций, элементов, параметров, условий, факторов, свойств, состояний, событий, результатов, вариантов, связей, этапов развития и др[42]..
Неопределенность – это свойство множества предметов мысли, заключающееся в невозможности однозначного определения его существенных признаков. Причина неопределенности – непрерывность процесса развития и познания предмета мысли(системы и ее окружения) во времени. Образно говоря, сегодняшние знания относятся ко вчерашнему дню, завтрашние условия будут отличаться от сегодняшних и вчерашних.
Вышеперечисленные счетные множества, характеризующие большие системы, в зависимости от времени рассмотрения объекта могут быть неопределенными по составу(перечню), по важности(значимости) своих компонентов и по вероятности реализации этих компонентов в будущем.
Несчетные множества параметров конструкций, режимов, условий, показателей и факторов могут быть неопределенными по значению, по возможному диапазону и по распределению вероятностей значений.
Для формализованного описания конкретных больших систем энергетики и их установок требуется раскрытие неопределенности указанных множеств в различных формах: в виде преечисления компонентов, упорядочения(сравнения, ранжировка, взвешивание) предметов и свойств, систематизации(распознавание признаков, составление иерархии отношений), измерений, экспертной оценки и расчета. В зависимости от конкретных условий при проектировании электроэнергетических установок для раскрытия неопределенности используются:
анализ ретроспективной информации;
постановка активных и пассивных экспериментов;
дедуктивные и индуктивные рассуждения на основе достоверных исходных посылок;
математическое и физическое моделирование процессов;
экспертные и эвристические методы типа метода Делфи и метода мозгового штурма.
Вследствие невозможности абсолютного полного и достоверного раскрытия неопределенности при известной заблаговременности проектирования ЭЭС, ОЭС и ЕЭС предъявляется ряд требований к формальным оценочным и оптимизационным моделям, используемым при решении проектных задач (в операциях и процедурах). В моделях должна учитываться воспроизводимость объектов рассматриваемого класса на практике, т.е. массовость или уникальность. Модели должны быть убедительными для инженеров в отношении учитываемых факторов и принятых допущений.
Точность оценочной модели задается необходимостью уверенно различать технические характеристики при сравнении вариантов технических решений и определяется возможностями экспериментальных и вычислительных методов и точностью исходных данных. В качестве меры точности в оценочных моделях выступают максимальные и среднеквадратические погрешности, верхние и нижние доверительные границы, максимальные и минимальные оценки значений величин по уравнениям регрессии, оптимистические и пессимистические экспертные оценки.
От уровня точности моделей зависят вероятности ошибок при принятии технических решений: ошибка первого рода с вероятностью α браковки верного решения (риск поставщика); ошибка второго рода с вероятностью β принятия неверного решения (риск потребителя). Чем меньше эти вероятности, тем больше достоверность результатов решения. От точности, убедительности и достоверности зависит степень уверенности в правильности принимаемых решений. Оптимизационные модели в условиях неопределенности исходной информации должны учитывать необходимость корректировки решений при возможных изменениях расчетных условий. Следовательно, гибким вариантам должно отдаваться предпочтение, а выбранное оптимальное решение необходимо проверять на устойчивость при изменении исходных данных. Оптимизационные модели должны быть приспособлены к смене критериев эффективности решений при возникновении зоны неопределенности (неразличимости вариантов), давать возможность поиска и синтеза новых эффективных решений на основе многокритериального подхода.
Решение практических задач проектирования связано также с неопределенностью требований к техническим показателям установок. Требования и их значимость неодинаковы в разных задачах на разных этапах и, следовательно, не могут быть всегда однозначно определены всеми лицами, ответственными за решения.
Системный подход к решению задач проектирования опирается на достижения современной математики и вычислительной техники. При этом используются модели технической кибернетики, теории вероятностей, математической статистики, теории информации, теории исследования операций, теории больших систем, теории экспертных оценок, факторного эксперимента, теории распознавания образов и теории надежности.
Системный подход позволяет учитывать случайность событий, неопределенность исходной информации, неоднозначность результатов и рекомендаций, диффузность связей между входными и выходными характеристиками объектов, множественность вариантов решений и действий подсистем.
Решение оценочных и оптимизационных задач при выполнении операций и процедур алгоритма проектирования электроэнергетических установок с выдачей результата в форме проектного документа требует высокой скорости при минимуме трудозатрат. Это требование диктуется высокими темпами развития энергетики и сжатыми сроками выполнения проектных работ. С другой стороны, от качества выполнения проектов станций зависит эффективность функционирования ЭЭС, ОЭС и ЕЭС, а следовательно, всего народного хозяйства.
Повышению качества и скорости проектирования способствует создание специализированных проектных организаций, ведение поисковых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в НИИ и вузах. При этом проектирование и исследования ведутся комплексно на основе системного подхода. Крупная электростанция рассматривается как сложная система, и все ее подсистемы проектирует одна организация, начиная работу с предварительных изысканий и заказа специальных исследований, кончая ее выдачей технической документации и курированием строительства и монтажа.
Системный характер носит и разработка топливно-энергетических и водохозяйственных комплексов, где наряду с энергетическими объектами ТЭС, АЭС, и ГЭС рассматриваются вопросы, связанные с использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды[38]..
Повышение качества проектов обеспечивается, с одной стороны, учетом опыта строительства и эксплуатации, с другой стороны, непрерывным потоком новых технических решений. Ускорение проектирования обусловливается применением типовых, проверенных проектных решений, использованием готовых алгоритмов и программ, совершенствованием нормативных документов и созданием систем автоматизированного и автоматического проектирования.
Организационно опыт, накопленный при проектировании, строительстве, монтаже и эксплуатации станций и подстанций,' учитывается с помощью различных мероприятий, основные из которых:
ежегодные совещания главных специалистов проектных институтов с работниками служб эксплуатации;
всесоюзные научно-технические совещания и конференции работников предприятий Минэнерго и научных учреждений, посвященные отдельным вопросам проектирования и строительства, а также эксплуатации станций и ЭЭС;
тематическое и комплексное обследование объектов, построенных по проектам данного института;
участие энергетиков РФ в международных съездах и организациях;
курирование объекта представителями проектной организации от этапа изысканий до ввода в эксплуатацию.
Опыт проектирования, строительства, монтажа и эксплуатации обобщается также в форме нормативных документов и материалов, в научно-технической литературе, в периодической печати и ведомственных информационных материалах. Существуют группы нормативных материалов — правил, норм, руководящих указаний, стандартов, например: Правила устройства электроустановок (ПУЭ), Правила технической эксплуатации (ПТЭ) электрических станций и сетей, правила техники безопасности (ПТБ) при эксплуатации электроустановок электростанций и подстанций и др.;
Нормы технологического проектирования (НТП) тепловых электрических станций и тепловых сетей, НТП гидростанций, НТП атомных электростанций, НТП понижающих подстанций с высшим напряжением 35—750 кВ и др.;
руководящие указания по расчету токов короткого замыкания, выбору и проверке аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания, руководящие указания и нормативы по проектированию развития энергосистем, руководящие указания релейной защите, методические указания по определению устойчивости энергосистемы и др.;
государственные стандарты (ГОСТ) на оборудование, устройства, термины и определения, условные обозначения и др.
Ускорение и удешевление проектирования и повышение качества проектов достигаются с помощью типового проектирования, т. е. применения типовых решений фрагментов проекта. Так, распределительные устройства (РУ) различных электростанций и щиты управления могут быть составлены из типовых ячеек. При проектировании систем электроснабжения собственных нужд (СН) можно использовать типовые схемы питания отдельных групп потребителей.
Наличие однородных элементов и фрагментов, а также сходных или одинаковых проектных решений является предпосылкой. К типовому проектированию. Для этого необходима унификация элементов и повторяющихся в проектах фрагментов. Разработаны типовые проекты распределительных устройств, Щитов управления, ГРЭС с блоками 150, 200, 300, 500 МВт; унифицированные проекты АЭС с блоками 440, 1000 и 1500 МВт.
Типовой проект разрабатывают для некоторых усредненных годных условий при широкой номенклатуре элементов и узлов, что позволяет на его основе достаточно быстро составлять проект конкретной станции или подстанции. Однако недостатки и ошибки, допущенные в типовом проекте, могут принести большой ущерб как при многократном его использовании, так и при недостаточной способности типовых решений к адаптации в некоторых условиях.
Сроки строительства, как и проектирования, резко сокращаются при использовании изделий и устройств заводского изготовления. Качество готового объекта при этом значительно улучшается вследствие индустриализации строительно-монтажных работ.
При строительстве электростанций используют, а следовательно, включают в проект:
комплектные распределительные устройства (КРУ) высокого напряжения, распределительные щиты и сборки напряжением до 1000 В, токопроводы, панели управления, защиты и автоматики;
унифицированные строительные и архитектурные детали (фундаментные блоки, колонны, стеновые и кровельные панели); строительно-технологические секции для серийных ТЭЦ повышенной заводской готовности, комплектные трансформаторные подстанции, комплектные дизель-электрические станции и др.
Поиск новых технических решений и их обоснование при проектировании новых энергетических объектов является непременным условием высокого качества работы проектировщиков. Своевременная замена морально устаревших элементов, схем и фрагментов новыми изделиями промышленности, новыми решениями, использование результатов научно-технической революции определяют технический прогресс в современной энергетике.
Поиск новых, перспективных технических решений должен основываться не столько на инженерной интуиции проектировщика, сколько на знании прошлой и текущей патентной и технической литературы, на правильно организованной патентно-технической службе информации. Эвристический подход отдельных талантливых изобретателей и рационализаторов должен сочетаться с организацией коллективного экспертного поиска возможных решений по отдельным фрагментам, подсистемам и самому объекту в целом в рамках работы научно-технического совета проектной организации.
Поиск новых, эффективных методов решения инженерных задач при оценке технических показателей, оптимизации и выборе параметров объектов требует широкого внедрения научных методов теории исследования операций, системного подхода и математического моделирования.
Конечная цель использования достижений науки и техники и новых методов проектирования — экономия ресурсов: ресурсов живого и овеществленного труда, природы и времени — на всех этапах и стадиях энергетического производства[31].
|
