1. История развития производства и энергосистемы рудников и обогатительных фабрик
Хибины – самый высокий, самый суровый, но и самый богатый полезными ископаемыми район Кольского полуострова. Широкая известность Хибин связана с крупнейшими месторождениями апатито-нефелиновых руд.
В 1929 году для разработки и эксплуатации хибинских апатитов был создан трест «Апатит» главными задачами которого являлись: форсированное строительство апатитового рудника и организация добычи руды, постройка рабочего поселка, сооружение электростанции, строительство обогатительной фабрики.
Апатитовый рудник был первым промышленным предприятием Хибин. Если в первое время все работы велись вручную, а материалы и руду возили на оленях и лошадях, то началом комплексной механизации работ следует считать 1931 год. Часть апатитовой руды была отправлена в Германию, часть – на Чернореченский химический завод. Однако для переработки руды необходимо было построить обогатительную фабрику.
Проект АНОФ-1 был выполнен институтом Механобр в рекордно короткий срок. 1 июля 1930 года артель землекопов на берегу Большого Вудъявра стала копать котлован под фундаменты АНОФ-1.
Сооружение фабрики началось при полном отсутствии на площадке электроэнергии и лишь в октябре 1930 года маленькая передвижная электростанция дала первый ток.
Для обеспечения АНОФ-1 теплом, водой, электроэнергией было начато сооружение Хибинской ТЭЦ и насосной станции. В 1931 году она дала предприятию тепло и промышленный ток. По сути дела в те далекие годы хибинская ТЭЦ стала первенцем заполярной энергетики.
В 1934 году своя ЦЭС дала за год 20,4 тыс. кВт·ч электроэнергии.
1959 год во многих отношениях оказался поворотным, знаменательным для комбината. Прежде всего он стал годом зарождения, началом строительства трех могучих индустриальных «китов» в Хибинах, определивших всю дальнейшую судьбу предприятия: Кировской ГРЭС, Центрального рудника и второй апатито-нефелиновой обогатительной фабрики.
ГРЭС должна была обеспечить надежное, гарантированное снабжение Хибинского промышленного района электроэнергией и теплом. По соседству с ГРЭС была выбрана площадка для строительства второй апатито-нефелиновой обогатительной фабрики.
Таким образом, начиная с 1959 года, апатитовая промышленность в Хибинах стала развиваться по двум четко выраженным направлениям: первое – строительство и ввод в эксплуатацию новых предприятий и цехов, второе – интенсификация и совершенствование производства на действующих мощностях.
При строительстве рудника «Центральный» были запроектированы с учетом климатических условий все объекты, они сооружались блоками и с максимальным использованием сборных металлических и железобетонных конструкций. К таким объектам относятся: башенный копер, ремонтно-механическая мастерская, электроремонтный участок, насосная станция, понизительная подстанция, воздушные линии электропередач и другие.
Строительство рудника и карьера не имело аналогов не только в стране, но и в мире. Многое приходилось делать впервые.
В частности, питать карьер электроэнергией по проекту должна была линия электропередачи напряжением 110 кВт, проложенная по предгорному и горному участках на высотах от 241 до 1067 м. Первый опыт эксплуатации этой линии показал, что она ненадежна. Наледи, изморозь, сильные ветры нередко приводили к обрыву проводов и поломке мачтовых опор, линия неоднократно выходила из строя. Проектировщики не учли, что в условиях «Малой Антарктиды» парусность металлических конструкций увеличивается в десятки раз и при ветровых нагрузках в 220-250 кг/м2 воздушная линия ЛЭП неприемлима.
Нормальная эксплуатация линии стала возможна лишь после того, как провод марки АС-150, заложенный в проекте, был заменен стальным тросом С-70, а лед на проводах стали периодически удалять, выплавляя его коротким замыканием.
Однако при этом аварии на ЛЭП из-за гололеда не прекратились. Простои по этой причине только в 1964 году составили 683 часа. Электроснабжение карьера стало надежным только тогда, когда через клетевой ствол рудника был проложен кабель резервного питания.
Почти тридцать лет обогатительные мощности комбината росли путем расширения АНОФ-1, которая уже в годы первых послевоенных пятилеток достигла своего предела, так как находясь в черте города, не имела свободных площадей для застройки. Еще в 1952 году было решено приступить к освоению площадки новой апатито-нефелиновой обогатительной фабрики. Однако практическое воплощение это нашло лишь в конце 50-х годов, когда в стране был провозглашен курс на широкую химизацию сельского хозяйства.
Построить фабрику было решено в долине реки Белой. Проект АНОФ-2 был выполнен институтом Механобр и реализован в сжатые сроки.
В марте 1959 года на строительной площадке появились геодезисты, а вскоре прогремел первый взрыв – строительство началось.
В июне 1963 года АНОФ-2 приняла первую руду и провела пробное дробление, а через несколько дней она выдала первый апатитовый концентрат. Весь комплекс АНОФ-2 занял площадь в 1190 м2.
С момента пуска АНОФ-2 непрерывно расширяла мощности, строилась, реконструировалась, совершенствовалась.
В 1970 году себестоимость продукции комбината в пересчете на одну тонну пятиокиси фосфора являлась самой низкой среди предприятий горно-химической промышленности СССР. Коллектив комбината за пять лет сэкономил 78 тыс. кВт·ч электроэнергии. Такие показатели были достигнуты за счет внедрения рационализаторских предложений.
Ноябрь 1972 года горняки и обогатители встретили очередным достижением – план перекрыли все без исключения рудники и фабрики. Этот месяц был месяцем наиболее высокопроизводительной работы за всю историю комбината.
Самым знаменательным событием 1984 года стал пуск первой очереди АНОФ-3. Третья обогатительная отличалась от двух других фабрик более высокой степенью автоматизации, более мощными и производительными дробилками. Впервые в стране на ней был внедрен замкнутый цикл дробления, при котором вся схема дробления была вынесена на пульт оператора в корпус среднего дробления, откуда осуществлялся непосредственный контроль за работой машин и механизмов и всем процессом дробления руды.
В 1991 году было принято решение о закрытии АНОФ-1. «Первая в городе, первая в стране, первая в мире», - так когда-то говорили об АНОФ-1. за шестьдесят с лишним лет своего существования эта фабрика не только выработала 178 млн тонн апатитового концентрата, но и стала кузницей кадров специалистов.
В настоящее время в ОАО»Апатит» входят четыре рудника и две обогатительные фабрики. Каждый из этих объектов имеет свою систему электроснабжения.
2. Современная система электроснабжения ОАО «Апатит»
Конфигурация схемы электроснабжения ОАО «Апатит» определяется двумя основными факторами: большой (30Ч70 км) территорией предприятия с Хибинским массивом в центре и значительной энергетической мощностью. Установленная мощность головных трансформаторов превышает 800 МВ·А. Токоприемники не сконцентрированы в одном месте, а распределены по объектам добычи и переработки, соответственно систему электроснабжения ОАО «Апатит» составляют десять подстанций 110-150 кВт и разветвленная сеть линий электропередач (ЛЭП) 35-6 кВ.
Особенностью системы является и то, что она не только снабжает энергией объекты предприятия и районов города Кировска и Апатитов, но и является головной частью всей Кольской энергосистемы; это возлагает дополнительную ответственность на ОАО «Апатит» за обеспечение надежности регионального электроснабжения.
Энергетическая служба предприятия развивалась вместе с ним, более чем за 75 лет эксплуатации многие подстанции практически полностью выработали свой ресурс. Программой капитальных вложений по ОАО «Апатит» на предстоящие 20 лет предусмотрены техническое перевооружение предприятия в целом и обновление энергооборудования в том числе.
3. Модернизация высоковольтных выключателей напряжением 150 кВ
Основной проблемой внешнего электроснабжения ОАО «Апатит» является эксплуатация крайне неудачных по конструкции и ненадежных в работе масляных выключателей У-220 на 150 кВ. эти выключатели коммутируют главные линии, присоединения и резервирующие схемы головных подстанций № 38, 74, 76 и их работа прямым образом влияет на эффективность горно-обогатительного производства.
Всего в эксплуатации находится 26 комплектов таких выключателей. По статистическим данным за 1998-2003 года произошло 25 отказов выключателей (при своевременном техническом обслуживании), что приводило к частичной, а иногда и к полной остановке обогатительных фабрик и рудников. Опасность состоит еще и в том, что любой из этих случаев при определенных условиях грозит крупной системной аварией, чему способствует и значительное время на ремонт выключателя (до 1 мес.).
В 2003 году было принято решение о замене масляных выключателей У-220 на элегазовые выключатели марки HPL-170 шведской фирмы ABB, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации в энергосистемах РАО «ЕЭС России». Заменять запланировано по четыре комплекта в год.
В 2004 году на подстанции №74 введен в эксплуатацию первый такой выключатель, смонтированный в рекордно короткие сроки. Средний срок монтажа выключателя старого типа (У-220) – около месяца, на новый же ушло всего да дня.
Выключатель HPL-170-В-1 имеет гарантийный межремонтный период эксплуатации 15 лет, в то время как старый ежегодно требовал выполнения профилактических работ и текущих ремонтов, а также прохождения капитальных ремонтов каждые 6 лет. Выключатели нового типа позволяют получить высокий экономический эффект из-за значительного снижения затрат на техническое обслуживание, при этом обеспечивается более высокая надежность эксплуатации.
4. Модернизация подстанций среднего и низкого напряжения
Необходимость модернизации подстанций среднего напряжения вызвана в основном физическим износом и моральным старением масляных выключателей (МВ). Их износ является причиной высокой аварийности МВ и возникновения затрат на устранение последствий их отказов.
К числу аварий МВ относят: выгорание ячеек КРУ с повреждением всего находящегося в ячейке оборудования, включая и сам МВ, повреждение кабельных разделок и коммутируемого выключателями оборудования (электродвигатели, являющиеся приводами технологических механизмов, насосов, силовые трансформаторы 6/0,4 кВ), стоимость которого на порядки выше стоимости выключателя. Еще одним аргументом в пользу целесообразности модернизации служит тот факт, что МВ уже много лет как сняты с производства, в результате возник дефицит запасных частей для их ремонта. Замена масляных выключателей на вакуумные позволяет использовать демонтированные МВ в качестве запасных частей для ремонта остающихся.
Модернизация подстанций происходит как в полном, так и в частичном объеме. В первом случае осуществляется полная замена ячеек на современные конструктивы с применением вакуумных элегазовых выключателей, аналогичных по габаритам и присоединительным размерам, для сохранения существующей строительной части и расположения кабельных каналов. В 2003 году по такой схеме прошла модернизация КРУ-6 кВ на ПС-39 (АНОФ-2), где смонтировали новые ячейки КСО-289 с вакуумными выключателями «Эволис» и блоками релейной защиты на микропроцессорной основе «Sepam 1000+».
Второй вариант предусматривает замену только основных элементов ячеек (коммутационных аппаратов, релейной защиты). Наиболее ответственным и в то же время самым уязвимым компонентом подстанции является высоковольтный выключатель, поэтому все внимание эксплуатирующей службы направлено на поддержание его в работоспособном состоянии. Все остальные элементы, такие как металлоконструкция существующих ячеек, шины, изоляторы, находятся в удовлетворительном состоянии и допускают дальнейшую их эксплуатацию в течении не менее 25 лет, что соответствует расчетному сроку эксплуатации встраиваемых выключателей. В связи с таким подходом родилась на свет так называемая технология «ретрофита» (замена коммутационного оборудования в условиях действующей подстанции). Модернизация по этому варианту обходится в несколько раз дешевле, чем реконструкция с полной заменой ячеек. Примером может служить замена масляных выключателей на вакуумные «Эволис» и блоками релейной защиты на микропроцессорной основе «Sepam 1000+» на технологическом оборудовании дробильного отделения первой очереди АНОФ-2 (подстанции № 4,5,6).
Для модернизации подстанций низкого напряжения применимы те же подходы. При полной замене электротехнической части низковольтной подстанции используются модульные конструкции распределительных щитов типа CUBIK и коммутационное оборудование ведущих мировых производителей. Щиты этого типа предназначены для распределения электрической энергии, управления и защиты.
Частичная замена электротехнической части низковольтной подстанции ведется также по технологии ретрофита. В основном замене подлежат выключатели типа АВМ (АВМ10, АВМ15, АВМ20) производства АО «Контактор», снятые с производства в 1986 году, ими еще в советские времена было укомплектовано большинство КТП 6/0,4 кВ предприятия.
В условиях действующего предприятия основной проблемой при выполнении электротехнических операций является ограниченность времени отключения подстанции по технологическим причинам при работе с ошиновкой. Применяя типовые отработанные решения и используя современный инструмент для обработки шин (резка, гибка, пробивка отверстий), удалось максимально сократить время проведения монтажных работ. Как пример – выполнение ретрофита в ТП-2 ККД на АНОФ-2 в течение одной рабочей недели.
5. Внедрение блочных подстанций наружной установки 35/6 кВ
Серьезные проблемы возникли у предприятия с электроснабжением карьеров Восточного рудника. При строительстве и первые годы эксплуатации оно осуществлялось по традиционной схеме – через карьерную подстанцию 35/6 кВ и бортовые кабельные эстакады с несколькими стационарными РП-6 кВ. Недостатками данной схемы являлись: сравнительно небольшая распределительная мощность, значительные токи замыкания на землю (с вытекающей отсюда необходимостью компенсации), низкая надежность, повреждаемость при взрывных работах. Положение усугублялось тем, что Коашвинский карьер сильно обводнен, при достижении высоты подъема 200 м мощность водоотливных установок возросла до 15 МВт. Обеспечение подобных токоприемников по существующей схеме стало затруднительным и сопровождалось большими потерями.
Был подготовлен проект строительства новой подстанции 150/35/6 кВ на границе отработки карьера и еще одной капитальной подстанции 35/6 кВ на южном борту карьера. Однако, вскоре наступили кризисные 90-е годы, время было упущено, а горные работы подошли вплотную к кабельным эстакадам восточного борта. Тогда и было принято решение по принципиально новому варианту электроснабжения карьера – бортовыми линиями 35 кВ (отпайки линий ЛК-30,31) с коротким (10-15 лет) сроком службы и установкой блочных подстанций (ПС-378,379) 35/6 кВ. Распределение нагрузок по трем гальванически развязанным узлам питания сняло проблему предельных токов замыкания на землю и позволило перейти к режиму эффективно заземленной нейтрали.
В январе 2004 года на Восточном руднике введена в эксплуатацию узловая подстанция ПС-416. Ее характерной чертой является возможность быстрого монтажа и длительной безаварийной эксплуатации в тяжелых климатических условиях. Подстанция оснащена централизованной системой управления, что позволяет эксплуатировать ее в необслуживаемом режиме и коммутационными аппаратами Siemens и Schneider.
Подстанция – контейнерного типа, она состоит из трех модулей, транспортируемых отдельно и соединяемых между собой отдельно на месте установки подстанции. Распределительное устройство – пристенного исполнения, встроенное в контейнер, состоит из 16 ячеек. Ячейки оснащены вакуумным выключателем в выдвижном исполнении, измерительными трансформаторами тока, заземлителем, емкостными изоляторами с указателем напряжения, разрядниками, измерительными трансформаторами напряжения, трансформаторами собственных нужд.
Одним из узких мест электроснабжения Восточного рудника являлось питание четырех карьерных подстанций (ПС-353,354,378,379) от двух тупиковых линий 35 кВ, повреждение которых приводило к остановке работы карьеров рудника. Введение в эксплуатацию узловой модульной подстанции ПС-416 позволило повысить надежность электроснабжения рудника, так как теперь эти карьерные подстанции запитаны по своим линиям 35кВ от ПС-416, которая в свою очередь имеет питание по четырем линиям 35 кВ – ЛК-30,31,80,81.
На данной подстанции впервые среди предприятий Кольского полуострова был применен кабель 35 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена Nexans и кабельной арматуры фирмы «Райхем». Кабель выпускается с медной или алюминиевой круглой уплотненной жилой сечением до 500 мм2 изоляцией из пироксидно-сшитого полиэтилена, экранами из полупроводящего материала и из медных проволок, поверх которых спирально наложена медная лента. Применение данного кабеля дает ряд преимуществ: значительно упрощается конструкция ОРУ-35 кВ, уменьшается площадь его открытой части, монтаж возможен при температуре -15 градусов, пропускная способность достигает 1000 А, значительно сокращается время на аврийно-восстановительные работы.
Перспективным для Восточного рудника в связи с расширением горных работ в направлении ПС-354 является внедрение передвижной подстанции 35/6 кВ с трансформатором 4 МВ·А, которую можно было бы устанавливать и подключать к линии 35 кВ в удобном месте.