Záložní zdroje pro blackstart

Na pravděpodobnost vzniku blackoutu a s tím spojených rizik, zejména v důsledku zapojovaní neregulovaných zdrojů energie do přenosové soustavy a zvýšeného mezistátního transferu elektrické energie v severojižním směru, upozorňují energetičtí experti v ČR stále častěji. S cílem eliminovat toto riziko se dostává na pořad dne problematika začlenění středních a menších energetických zdrojů do distribuční soustavy, a současně je podporována výstavba ostrovních energetických celků (smart-grid).

Zatímco malé zdroje o výkonu stovky kW až jednotky MW se vyznačují vysokou operabilitou a jsou schopny rychle reagovat na požadavek startu, střední zdroje o výkonu desítek MW potřebují pro svůj start externí zdroje počáteční energie pro pokrytí startovacího procesu. Patří sem teplárenské zdroje, podnikové elektrárny apod. Pokud je distribuční soustava v pořádku, není problém tuto energii získat ze sítě. Pokud tomu tak není, hovoříme o tzv. startu ze tmy (blackstart) a potřebujeme záložní zdroj.

Hlavní úlohou záložního energetického zdroje je v tomto případě napájení důležitých technologií, aby bylo možné obnovit provoz elektrárny bez přítomnosti napětí v rozvodné síti. Mezi tyto technologie patří především řídicí systém elektrárenského bloku (jeho napájení je navíc podepřeno speciálním zdrojem UPS), čerpadla a další elektropohony, související s nastartováním bloku.

Systémové elektrárny mají energii pro blackstart zajištěnu většinou vodní elektrárnou v přiměřené blízkosti. – u JE Temelín plní tuto úlohu vodní elektrárna Lipno, u JE Dukovany je to přečerpávací vodní elektrárna Dalešice. Napájení elektrárny z tohoto záložního zdroje je realizováno speciální VN linkou, v některých případech zdvojenou.

Jinak je tomu ale v případě středních a menších zdrojů elektrické energie (o výkonu řádově desítky MW), případně tepláren. Význam těchto energetických zdrojů roste se zvyšujícím se rizikem blackoutu. Právě na těchto lokálních zdrojích bude záviset napájení alespoň základní infrastruktury v oblasti, postižené plošným výpadkem.

Proto bylo společností Zeppelin CZ s r.o. zpracováno modelové řešení nouzového napájení elektrárenského (teplárenského) bloku v případě dlouhodobého výpadku napájecí soustavy.

Základní vstupní informací pro návrh nouzového napájení je především stávající schéma napájení vlastní spotřeby bloku, včetně seznamu všech pohonů a dalších technologií. Někdy bývá vhodné (zejména u starších instalací) změřit skutečnou spotřebu u jednotlivých pohonů. Důležitý je také algoritmus spouštění jednotlivých pohonů a jejich rozdělení do skupin (zatěžovací sekvence). Určité problémy může způsobit přítomnost různých úrovní napájecího napětí. Většina pohonů má napájecí napětí 400 V, ale mohou být přítomny motory s pracovním napětím 6 kV, případně jinou hodnotou. Typickým příkladem jsou asynchronní motory pro pohon kouřových ventilátorů, kde se s ohledem na jejich výkon běžně používá napětí 6 kV. S ohledem na tuto skutečnost je pak třeba určit „hlavní“ napěťovou hladinu záložního zdroje.

Záložní zdroj pro blackstart teplárny má poněkud jiné požadavky na rychlost startu, oproti klasickým záložním zdrojům, které známe například z nemocnic. Z důvodu charakteru provozu není nutné automatické najíždění bloku ihned po výpadku rozvodné soustavy. Blackstart bude proveden až při delším výpadku, nebo při hrozícím nebezpečí zamrznutí horkovodní a parovodní soustavy.

Další specifickou vlastností záložních zdrojů pro blackstart bývá požadavek na zvýšené napětí, např. 3 x 420 V / 50 Hz. Toto zvýšené napětí bývá požadováno pro kompenzaci úbytku napětí, který při jmenovitém proudu v řádu tisíců ampér už není zanedbatelný.

Vzhledem k tomu, že největší spotřebiče (napájecí čerpadlo, zauhlovací linka, kouřové ventilátory atd.) pracují často s napětím 6 kV, musí být i záložní zdroj připojen do rozvodu 6 kV. Současné napájení těchto celků z hladiny 6 kV je možné pouze při zajištění určitých organizačně technických opatření. Mezi tato opatření patří zablokování životně nedůležitých odběrů, které by mohly způsobit výpadek záložního zdroje při nájezdu bloku, a zajištění napájení pouze vybraných technologických celků.

Prioritně musí být obnoveno napájení pro dobíjení záložních zdrojů (baterie, případně zdroje UPS, napájející řídicí systémy bloku) a dalšího zařízení, potřebného pro provoz rozvoden. Dále bude obnoveno napětí pro napájení zauhlovacích tras a zásobníků uhlí. Teprve po zajištění dostatečné zásoby uhlí pro najetí kotle bude zahájeno jeho postupné najíždění. Po dosažení parametrů výstupní páry z kotle bude provedeno postupné prohřívání turbíny, spuštění turbogenerátoru a jeho přifázování k záložnímu zdroji. Tento proces je nutno konzultovat s dodavatelem turbíny. Vždy se fázuje turbogenerátor k záložnímu zdroji, nikdy naopak. Po provedeném přifázování turbogenerátoru a převedení vlastní spotřeby bloku ze záložního zdroje na turbogenerátor bude záložní zdroj odstaven.

Praxe ukazuje, že největším spotřebičem u vlastní spotřeby bloku je napájecí čerpadlo a spalinové, případně vzduchotechnické ventilátory. Jen tyto tři pohony představují více než 50 % vlastní spotřeby bloku:

Veškerá dostupná data a výsledky měření jsou použita jako vstupy pro výpočtový software Cat® SpecSizer. Výsledkem výpočtů je jednak doporučený jmenovitý výkon záložního zdroje (a tím i jeho typ) a také sekvence připínání jednotlivých zátěží (většinou ve dvou nebo ve třech stupních). Jako jeden ze vstupních parametrů je třeba zadat povolené kolísání napětí a frekvence záložního zdroje při blackstartu.

Záložní zdroje pro blackstart se instalují většinou v kontejnerech. Důvodem je mobilita zařízení, kdy je možné jedním záložním zdrojem „obsloužit“ více energetických bloků. Dalším důvodem je minimální požadavek na stavební připravenost – stačí rovná zpevněná plocha. V takovém případě musí být elektrická instalace vlastní spotřeby bloku naprojektována a realizována s připojovacím bodem pro záložní zdroj, a to včetně výchozí revize.

Palivová nádrž je součástí kontejneru nebo je umístěna v jeho těsné blízkosti. Vzhledem k výkonům záložních zdrojů pro blackstart (1-2,5 MW) a požadavku na provoz v jednotkách hodin se jedná o poměrně velké nádrže. Někdy je možné využít stávající palivové hospodářství v elektrárně/teplárně.

Záložní zdroje o uvedeném výkonu jsou schopny převzít jmenovitou zátěž cca 20 sekund po startu. To ovšem platí za předpokladu, že olej a chladicí kapalina motoru jsou předem zahřáty na provozní teplotu. V případě, že motorgenerátor bude startovat „ze studeného stavu“, se jedná o několik desítek sekund navíc.

Nejpoužívanější záložní zdroje pro blackstart jsou motorgenerátory Cat^® řady 3500. K dispozici jsou typy Cat^® 3512B-HD o výkonu 1850 kVA STBY, a Cat 3516B-HD o výkonu 2500 kVA STBY. Oba typy jsou vhodné k zabudování do ocelových kontejnerů o standardní délce 40 stop. Vnitřní prostor kontejneru je tepelně a akusticky zaizolován. Podlaha kontejneru plní funkci záchytné ekologické vany se sběrnou jímkou. V podlaze pod rozvaděčem je připraven prostup pro přivedení silových kabelů.

Motorgenerátory Cat^® řady 3500 jsou standardním produktem, který je v České republice i na Slovensku nasazen v řadě aplikací. Jsou využívány například akademickými institucemi ČR, v nadnárodních telekomunikačních společnostech nebo v automobilovém průmyslu. Nejzajímavější instalací jsou bezesporu 3 „generátorové farmy“ instalované na Slovensku, kde je v provozu celkem 48 těchto strojů.