Особливості процесів в схемі блоку з асинхронізованим турбогенератором в нормальних умовах та при короткому замиканні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особливості процесів в схемі блоку з асинхронізованим турбогенератором в нормальних умовах та при короткому замиканні

Особливiстю електроенергетичного господарства України є широке застосування лiнiй електропередачi 330 і 750 кВ. Зарядна потужнiсть лiнiї напругою 330 кВ становить 0.4 Мвар/км, а лiнiї напругою 750 кВ - 2.3 Мвар/км. В таких умовах модернiзацiя чи реконструкцiя електростанцiй повинна враховувати можливiсть розв'язання комплексу проблем, що пов'язанi зокрема і з необхідністю компенсації надлишку реактивної потужностi на шинах у залежностi вiд мiсця розташування електростанцiї в системi, пiдвищенням надiйностi роботи електрообладнання станцiї. При цьому актуальним є питання використання в деяких випадках на електростанцiях поряд з синхронними генераторами (СТГ) i асинхронiзованих генераторiв (АСТГ), що пiдвищуватиме надiйнiсть та економiчнiсть роботи станцiї та енергосистеми в цілому.

Одним iз прикладiв такого комплексного пiдходу є модернiзацiя Бурштинськоi ТЕС, де встановленi два блоки з АСТГ. У 1985р. був уведений в експлуатацiю дослiдно-промисловий взiрець АСТГ-200, а в 1991р. - перший серiйний турбогенератор АСТГ-200-2УЗ.

Необхiднiсть встановлення таких генераторiв на Бурштинськiй ТЕС була зумовлена особливим режимом роботи енергосистеми. Встановлення двох турбогенераторiв типу АСТГ-200 дозволило практично зняти проблему споживання надлишку реактивної потужностi.

У зв'язку з актуальнiстю використання АСТГ на електростанцiях необхiдним стає розв'язання важливих для експлуатацiї задач, а саме:

вплив експлуатацiйних характеристик АСТГ на роботу власних потреб (ВП) енергоблоку в нормальних та аварiйних режимах;

розробка та дослiдження засобiв забезпечення надiйного електропостачання механiзмiв ВП у рiзних режимах роботи енергоблоку з АСТГ;

вплив режимiв роботи АСТГ на величини струмiв короткого замикання (КЗ) у схемi блоку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дана робота виконувалася на кафедрі «Електричні станції» у відповідності з тематичними планами НДР електроенергетичного факультету Державного університету «Львівська політехніка», які складалися на основі координаційних цільових і галузевих програм МВ і ССО колишніх СРСР і УРСР. Важливість проблеми створення АСТГ підтверджена загальносоюзною науково-технічною програмою на 1986--90рр. 0.0.01 «Створити та освоїти нові види обладнання для виробництва електричної і теплової енергії на електростанціях, які працюють на органічному паливі».

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є визначення впливу координат режимів АСТГ на умови роботи електрообладнання енергоблоку, зокрема споживачів власних потреб. Можливість АСТГ працювати з глибоким споживанням реактивної потужності в асинхронізованому і асинхронному режимах роботи вимагає визначення зв'язку параметрів цих режимів з умовами роботи власних потреб і струмопровідного обладнання в нормальних і перехідних режимах. Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

визначити зв'язок параметрів асинхронізованого і асинхронного режимів роботи АСТГ з умовами роботи електрообладнання блоку;

визначити характеристики короткого замикання (КЗ) АСТГ, що визначатимуть вимоги до електрообладнання блоку.

Наукова новизна одержаних результатів

Розроблено алгоритм розрахунку усталених режимів на математичній моделі енергоблоку з АСТГ з режимнозалежними параметрами контурів ротора, що дозволяє врахувати режим роботи генератора та його зв'язок з завантаженням двигунів власних потреб і рівнем напруги енергосистеми.

Показано недолік існуючої та запропонована нова схема з'єднань енергоблоку з АСТГ для запобігання критичного зниження напруги на шинах власних потреб.

Розроблено математичну модель для розрахунків струмів короткого замикання при роботі АСТГ в асинхронізованому та асинхронному режимі з режимнозалежними параметрами контурів ротора.

Отримано аналітичні залежності, які пов'язують координати режимів АСТГ з рівнем напруги на шинах власних потребах, для інженерних розрахунків.

Отримано узагальнені характеристики короткого замикання АСТГ для визначення рівнів струмів короткого замикання генератора при інженерних розрахунках.

Запропоновано методику кількісного співставлення величин струмів короткого замикання при роботі АСТГ в різних режимах.

Практичне значення одержаних результатів

Отримано аналітичні залежності для визначення рівнів напруги на шинах власних потреб при інженерних розрахунках.

Отримано узагальнені характеристики короткого замикання АСТГ для визначення величин струмів від удалених коротких замикань в залежності від вихідного режиму генератора.

Розроблено рекомендації по модифікації схеми живлення власних потреб блоку з АСТГ для підвищення надійності його роботи.

Результати роботи впроваджені на Бурштинській ТЕС. Економічний ефект від впровадження, відповідно до дольової участі автора, складає 5 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автору належить:

розробка алгоритму розрахунку усталених режимів для математичної моделі енергоблоку з АСТГ, з режимнозалежними параметрами контурів ротора, при врахуванні навантаження двигунів власних потреб у залежності від навантаження блоку [6,8,9,11,12];

розробка методики побудови та алгоритму математичної моделі для розрахунку струмів короткого замикання при роботі АСТГ в асинхронізованому і асинхронному режимах роботи з режимнозалежними параметрами контурів ротора [10].

визначення аналітичних залежностей, що пов'язують координати режимів АСТГ з рівнем напруги на власних потребах[12].

визначення узагальнених характеристик короткого замикання АСТГ [10];

розробка методики виконання експериментальних робіт на фізичній моделі та аналіз результатів [1,2,3,4,5].

Апробація результатів дисертації. Основнi положення дисертацii доповiдались i обговорювались:

на XII сесii Всесоюзного наукового семiнару "Кiбернетика енергетичних систем. Електропостачання промислових пiдприємств", м. Гомель, листопад,1991 р.;

на XXXIV - XXXXVI науково-технiчних конференцiях Львiвського полiтехнiчного iнституту, м. Львiв, 1987-1998 р.

на 1-й Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцii «Математичне моделювання в електротехнiцi й електроенергетицi". Украiна, Львiв. Вересень 19-22. 1995.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 4-х статтях у наукових журналах, 6-ти статтях у збірниках наукових праць, 2-х тезах міжнародних конференцій та одному авторському свідоцтві. Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 148 сторінках, складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 118 найменувань, включає 48 рисунків, два додатки.

Структура та огляд роботи

У вступі викладена проблема, що виникла в енергетиці України за останні роки. Підкреслені причини та наслідки впровадження ліній електропередачі високих та надвисоких напруг, що спричиняють виникнення надлишків реактивної потужності на шинах окремих електростанцій. Одним зі шляхів розв'язання цієї задачі є впровадження АСТГ в якості засобу споживання надлишкової реактивної потужності. Тут визначена мета роботи, обгрунтована актуальність поставлених завдань.

У першому розділі наведено результати дослідження усталених режимів роботи енергоблоку з АСТГ на математичній моделі. Тут викладена методика побудови математичної моделі енергоблоку та алгоритм розрахунку, що дозволяє врахувати особливості характеристик АСТГ в асинхронізованому і асинхронному режимах роботи, зв'язок параметрів двигунів власних потреб з навантаженням енергоблоку. Система рівнянь стану блоку у комплексній площині записується у вигляді:

? Iдб = Iнб + ,

де U,I --напруга та струм на виводах генератора; Uf,If --напруга та струм збудження генератора; Іr -- струм контурів ротора генератора; xr(s) та rr(s)-- параметри роторних контурів в функції ковзання; xad, x, xf та rf -- параметри контурів взаємоіндукції, статора та обмотки збудження відповідно; Uc,Ic --напруга та струм системи; Ів -- струм у вищій обмотці ТВП; Uo --напруга у вузлі зірки опорів ТВП; Uда,Uдб, Iда, Iдб -- напруги та струми секцій А та Б власних потреб блоку; Iдаі, Iдбі -- струми двигунів, що приєднані до відповідних секцій 6кВ шин ВП; Iнa ,Iнб -- струми еквівалентних двигунів 0.4кВ, що мають комплексний опір zеа чи zеб і приєднані до відповідних секцій шин 6 кВ ВП через трансформатори 6/0.4 кВ, що мають опір zтна чи zтнб ; zдаі(kzi), zдбі(kzi) -- комплексні опори і-го двигуна, що приєднаний до відповідної секції ВП 6кВ, в функції коефіціента завантаження кz, який пов'язаний з величиною активного навантаження блоку; n,m -- кількість двигунів 6 кВ на секціях А та Б відповідно; zt -- комплексний опір блочного трансформатора; zв -- комплексний опір вищої обмотки ТВП; zн -- комплексний опір розщепленої обмотки нижчої напруги ТВП.

Для врахування зв'язку кz двигунів ВП з навантаженням блоку застосовується припущення про зміну навантаження окремих двигунів власних потреб разом з навантаженням блоку. Якщо припустити, що залежність Кz двигунів від активної потужності блока в діапазоні між номінальною активною потужністю (Pн) та потужністю технічного мінімуму блоку (Ртех.мін) має лінійний характер, то для визначення цієї залежності можна скористатися виразом.

Система рівнянь, що утворює математичну модель енергоблоку з АСТГ, розв'язувалася методом Гауса. В результаті розв'язання отримані параметри режимів енергоблоку (напруга збудження Uf, генератора Uг, на шинах власних потреб Uвп, струм генератора Іг, кут вибігу ротора d, ковзання ротора s), на основі яких побудовані характеристики асинхронізованого та асинхронного режиму блоку, що пов'язують між собою параметри режимів генератора з рівнем напруги на секціях власних потреб блоку. В результаті розрахунків побудовані залежності виляду рис.1 та рис.2. На рис. 1 в якості прикладу наведено характеристики асинхронізованого режиму блоку з АСТГ при постійній активній потужності Рбл=131МВт і номінальній напрузі енергосистеми. На рис. 2 наведено характеристики асинхронного режиму блоку з АСТГ при номінальній напрузі енергосистеми.

Аналіз отриманих залежностей показав можливість глибокого зниження напруги на шинах власних потреб під час споживання реактивної потужності генератором. В асинхронізованому та асинхронному режимі АСТГ стійкість двигунів власних потреб забезпечується при відхиленнях напруги системи до 89.3% номінальної за рахунок роботи регулятора під навантаженням (РПН) ТВП. Для різних режимів роботи АСТГ наведені діапазони зміни координат режиму блоку, в яких можливе найглибше споживання реактивної потужності.

Рис.1. Залежності параметрів асинхронізованого режиму блоку з АСТГ від реактивного навантаження

Рис. 2. Залежності параметрів асинхронного режиму блоку з АСТГ від ковзання генератора

Для визначення зниження напруги на шинах власних потреб отримані аналітичні залежності вигляду:

для асинхронного режиму, що можуть бути використані в інженерних розрахунках. Для оцінки рівнів напруги на шинах власних потреб через величину споживаної реактивної потужності додатково визначені сталі коефіцієнти для виразу вигляду

Значення коефіцієнтів А,B,C,D та G,H,J визначені для режимів роботи як на вугіллі, так і на газомазутному паливі.

У другому розділі наведені результати досліджень характеристик блоку з АСТГ у режимах короткого замикання, що отримані шляхом математичного моделювання на основі повних рівнянь Парка-Горєва. Параметри контурів ротора входили у систему рівнянь в якості функційних залежностей від ковзання генератора, що надало можливість оцінити залежність величини струму трифазного короткого замикання від параметрів асинхронного і асинхронізованого режиму АСТГ. Система диференційних рівнянь для одного контура масиву ротора, що має вигляд розв'язувалась методом Рунге-Кутта 4-го порядку. В асинхронному режимі масив ротора моделювався одним контуром з нелінійними параметрами у функції ковзання, а в асинхронізованому - трьома. Тут позначено: p - оператор диференціювання; id, iq, Yd, Yq - складові струму та потокозчеплення статора генератора; ifd, ifq, Yfd, Yfq - складові струму та потокозчеплення обмотки ротора генератора; ird, irq, Yrd, Yrq - складові струму та потокозчеплення масиву ротора генератора; Me Mt електромагнітний момент та момент турбіни; s - ковзання генератора, Uq,Ud - складові напруги статора генератора; Ufq, Ufd - складові напруги збудження генератора. Параметри контурів відповідають схемі, що наведено у першому розділі. Результати розрахунків для різних вихідних режимів роботи АСТГ отримувалися у вигляді графічних залежностей Ik=f(t) фазного струму після перетворення координат з системи d,q у фазні координати. В результаті розрахунків отримані часові залежності фазного струму АСТГ та залежності амплітуди струму від зовнішнього опору, які дозволили отримати характеристики короткого замикання АСТГ для асинхронного та асинхронізованого режиму, що можна використовувати для оцінки рівнів струмів КЗ АСТГ. Запропонована методика порівняння рівнів струмів КЗ АСТГ в різних режимах роботи, що полягає у співставленні величин струмів КЗ в асинхронному та асинхронізованому режимі при рівних значеннях активної та реактивної потужностей у вихідному режимі. Розрахунки показали, що струми КЗ в асинхронізованому режимі перевищують показники асинхронного режиму у 1.98-2.22 рази. При цьому в асинхронізованому режимі при глибокому споживанні реактивної потужності відбувається зниження струмів КЗ на 13%, що при помітній долі АСТГ в енергосистемі сприятиме зниженню електродинамічних та термічних навантажень на обладнання. Здійснена оцінка відношення струмів КЗ АСТГ-200 та ТГВ-200М, що показує зниження струму АСТГ на 33%.

У третьому розділі наведено аналіз схеми електропостачання ВП блоку з АСТГ. На основі розрахунків, що були проведені в першому розділі, робиться висновок про підвищене навантаження на РПН ТВП, що може значно знизити надійність роботи блоку вцілому. В результаті статистичної оцінки відхилень напруги на шинах вищої напруги блоків з АСТГ №9 та №10 Бурштинської ТЕС доведена можливість використання цієї точки схеми для живлення ВП. Це пов'язано з незначним діапазоном коливання напруги, що значно зменшує навантаження на регулятор під напругою (РПН) енергоблоку, а, відтак, сприяє підвищенню надійності роботи блоку.

Для енергоблоків з АСТГ пропонується застосувати нову схему блоку, яка забезпечує приєднання ТВП до виводів обмотки вищої напруги блочного трансформатора (БТ), що надає можливість забезпечити необхідний рівень напруги на шинах ВП без збільшення навантаження на РПН при мінімальних витратах на переобладнання розподільної споруди електростанції. Така схема дозволяє забезпечити незалежність рівня напруги на шинах ВП від режимів роботи АСТГ.

Для традиційної та для запропонованої схем енергоблоку з АСТГ здійснена оцінка величини струмів КЗ в різних точках схеми (табл.1). Розрахунок струмів КЗ здійснено на основі залежностей, що отримані в другому розділі роботи.

Показано, що при переході від традиційної до запропонованої схеми з'єднань блоку слід очікувати незначного збільшення струмів КЗ на шинах ВП, що, однак, незначно вплине на роботу та умови вибору струмопровідного та комутаційного обладнання енергоблоку.

У четвертому розділі наведені результати фізичного моделювання різних режимів роботи АСТГ на дослідній установці кафедри «Електричні станції» ДУ «Львівська політехніка». Модельні АСТГ створювалися на основі типового асинхронного двигуна А-72-4 з набором модельних роторів за проектом НДІ електродинаміки НАН України, що обладнані симетричними та несиметричними системами петлевих та концентричних обмоток.

Оцінка модельних характеристик роторів показала невідповідність відношень за лінійними розмірами, опорами та постійними часу між моделями та оригіналом відповідно до теорії подібності, однак, характер протікання асинхронних режимів симетричних та несиметричних модельних машин, співвідношення характеристик струмів КЗ в різних режимах роботи дає можливість оцінити відповідність результатам математичного моделювання, що отримані в попередніх розділах роботи. Випробування модельних машин в синхронному та асинхронному режимах роботи дозволили визначити параметри.

В асинхронному режимі роботи несиметричних модельних генераторів спостерігалися коливання параметрів режиму, що обмежує використання цього режиму в умовах енергосистеми. Результати моделювання режимів КЗ модельних АСТГ показали зниження струмів КЗ в асинхронномму режимі у порівнянні з асинхронізованим в 1.2-2.2 рази, що підтверджує результати розрахунків, які наведені в другому розділі роботи.

Аналіз величини перехідного опору модельних машин показує, що на величину цього опору, а, відтак, і на величину струму КЗ, в значній мірі впливає значення індуктивного опору обмотки ротора. Однак, відношення струмів КЗ різних модельних машин не може бути перенесене на оригінальні АСТГ через брак подібності моделей та оригіналів.

Висновки

У дисертаційній роботі визначено характеристики енергоблоку з АСТГ в усталених режимах та в умовах короткого замикання, що можуть використовуватися в інженерних розрахунках для визначення координат режиму енергоблоку та для оцінки величин струмів короткого замикання генератора в залежності від зовнішнього опору та вихідного режиму. Отримані результати у сукупності складають суттєвий внесок у практичні методи оцінки характеристик усталених режимів та режимів короткого замикання АСТГ в ході проектних робіт та експлуатації.

1. Розроблено математичну модель усталених режимів енергоблоку з АСТГ для визначення зв'язку режимних характеристик АСТГ і умов роботи двигунів власних потреб енергоблоку, що дає можливість врахувати особливості режимних параметрів генератора і двигунів ВП блоку, вплив напруги системи на параметри режиму блоку.

2. Отримано аналітичні залежності для визначення рівнів напруги на шинах ВП на основі координат режиму блоку. При цьому для практичного використання отримані спрощені залежності, що пов'язують між собою напругу на ВП та реактивну потужність енергоблоку, як внутрішні параметри блоку разом із напругою енергосистеми, що є зовнішнім фактором, який визначає режим блоку.

3. Визначено характеристики КЗ АСТГ для асинхронного та асинхронізованого режимів у залежності від зовнішнього опору схеми та часові залежності амплітуд струмів КЗ для застосування їх в інженерних розрахунках. Запропоновано методику співставлення величин струмів КЗ АСТГ при роботі генератора в різних режимах, що полягає в оцінці струму КЗ АСТГ при рівних параметрах вихідних режимів за активною та реактивною потужностями.

4. Отримано кількісні оцінки відношення струмів КЗ АСТГ в різних режимах роботи, що показують зниження величин струмів КЗ в асинхронному по відношенню до асинхронізованого режиму у 1.98--2.22 рази. Визначено вплив параметрів асинхронізованого режиму АСТГ на величину струмів КЗ, показане зниження на 13% величини струму КЗ при роботі з глибоким споживанням реактивної потужності.

5. Для забезпечення незалежності напруги на шинах ВП від режиму роботи АСТГ запропонована схема, в якій живлення ТВП здійснюється від виводів ВН блочного трансформатора, наведено варіант конструктивного виконання такої схеми.

6. Доведено, що при роботі АСТГ в асинхронному режимі значно знижуються величини ударних струмів КЗ у порівнянні з асинзхронізованим, що підтверджує результати, отримані методами математичного моделювання для оригінальних машин та шляхом фізичного моделювання АСТГ в різних режимах роботи.

турбогенератор асинхронізований енергоблок

Література

1. Миняйло А.С., Шматюк Н.П., Покровский К.Б. Асинхронные характеристики асинхронизированных синхронных турбогенераторов с петлевой обмоткой, полученные на физической модели. Вестник Львовского политехнического института №224. Теплоэлектроэнергетические системы. Львов: изд. "Вища школа" при Львовском университете.-1988.-с.68-70.

2. Миняйло А.С.,Покровский К.Б., Шматюк Н.П., Кобаль Я.Б. Исследование на физической модели рабочих характеристик АСТГ с петлевой насимметричной обмоткой. Вестник Львовского политехнического института. Электроэнергетические и электромеханические системы. №234. Львов: изд. "Вища школа" при Львовском универсистете.-1989.-с.72-75.

3. Миняйло А.С., Покровский К.Б., Скробач Е.М. Режимы работы АСТГ при различных исполнениях обмотки ротора. Вестник Львовского политехнического института. Электроэнергетические и электромеханические системы. №244. Львов: изд. "Свит".-1990.-с.93-96.

4. Мiняйло О.С., Покровський К.Б. Частотнi характеристики модельного асинхронiзованого турбогенератора с несиметричною обмоткою на роторi. Вiсник Львiвського полiтехнiчного iнституту. Електроенергетичнi та електромеханiчнi системи. №253. Львiв: Вид. "Свiт".- 1990. -с.78-80.

5. Мiняйло О.С., Покровський К.Б., Лема О.С. Збудження асинхронізованих турбогенераторів із трифазним ротором. Вiсник Львiвського полiтехнiчного iнституту. Електроенергетичнi та електромеханiчнi системи. №263. Львiв: Вид. "Свiт".- 1992. -с.43-44.

6. Миняйло А.С., Покровский К.Б. Математическое моделирование электроснабжения собственных нужд блока с АСТГ. Тезисы докладов на XXII сессии Всесоюзного научного семинара "Кибернетика электрических систем". "Электроснабжение промышленных предприятий". Гомель - 19-22 XI.1991.-с.83.

7. Миняйло А.С., Шматюк Н.П., Пылыпюк Р.В., Покровский К.Б. Технико-экономическая эффективность применения на электростанциях асинхронного режима асинхронизированных турбогенераторов. Известия ВУЗов "Энергетика". Минск. -1991. -№11.-с.84-87.

8. Мiняйло О.С., Покровський К.Б. Статична математична модель енергоблоку з АСТГ. Вiсник Державного унiверситету "Львiвська полiтехнiка". Електроенергетичнi та електромеханiчнi системи. №279. Видано при ДУ "Львiвська полiтехнiка". Львiв.- 1994. -с.84-87.

9. Мiняйло О.С., Покровський К.Б. Робота блоку з АСТГ в асинхронiзованому режимi// Техническая электродинамика.- 1995. -№3.-с.53-58.

10. Мiняйло О.С., Покровський К.Б. Короткi замикання у схемi енергоблоку з асинхронiзованим турбогенератором та iх вплив на роботу електрообладнання. Тези доповiдей 1-ї Мiжнародної Науково-технiчноi конференцiї "Математичне моделювання в електротехнiцi й електроенергетицi".- Львiв.- 19-22 XI.1995.- с.260.

11. Мiняйло О.С., Покровський К.Б. Статична математична модель блоку з АСТГ. //Техническая электродинамика.-1995. №2.- s.56-60.

12. Миняйло А.С. Покровский К.Б. Исследование уровней напряжения на шинах СН блока при работе АСТГ-200 в асинхронном режиме. //Энергетика и электрификация.-1996. -№1. -с.43-47.

13. АС №1749978 СССР, МКИ Н02J9/06 Способ аварийного электроснабжения ответственного потребителя. /Миняйло А.С., Шакарян Ю.Г., Чевычелов В.А., Кожан С.М., Покровский К.Б. (СССР). -4с.:Ил.

Размещено на Allbest.ru