книги / Математическое моделирование газотурбинных мини-электростанций и мини-энергосистем
..pdfСтопорный клапан СК предназначен для включения по дачи топливного газа на запуске и выключении при останов ке двигателя по командам от регулятора РЭД-90Э, подавае мым на СК через БК-90Э.
Работа САУ заключается в следующем. Электронный регулятор принимает информацию от датчиков САУ, от сис тем двигателя, от пульта управления, в соответствии с задан ными алгоритмами ведет ее обработку, выдает управляющие сигналы (непосредственно и через блок коммутации) на ис полнительные элементы агрегатов САУ и в системы двигате ля, обеспечивая открытие стопорного клапана, розжиг каме ры сгорания, запуск двигателя и, далее, поддержание посто янной величины оборотов свободной турбины двигателя.
Анализ характера нагрузки ГТУ в наземных условиях также имеет важное значение при синтезе алгоритмов управ ления ГТУ.
Нагрузки для ГТУ имеют свои характерные особенности [97, 162]. Характеристика нагрузки - это аналитическая или графическая зависимость мощности УЕ, передаваемой на грузке, или тормозного момента A4 от частоты вращения п и определяющего параметра Р:
Nz=A",P)- |
( U ) |
Нагрузка ГТУ может быть двух типов [162]:
1-й тип нагрузки (пример - генератор переменного тока, судовые и воздушные винты). Характеристика - линия на плоскости. Для генератора переменного тока при необходи мости поддержания постоянной частоты она выражается ана литической зависимостью
п = const, |
(1.2) |
а графически в координатах NE- в виде прямой.
2-й тип нагрузки (пример - генератор постоянного тока (Р = 7, где I - сила тока), вентиляторы и компрессоры с регу-
пирующим направляющим аппаратом). Характеристика - не которая плоскость.
Можно сделать вывод, что синхронный генератор газо турбинной электростанции относится к первому типу нагру зок. Нагрузки первого типа допускают работу ГТУ на режи мах, однозначно определяемых частотой вращения. При этом для простейших ГТУ исключен выбор программы регулиро вания и в общем случае использование оптимальной про граммы, а для многоагрегатных ГТУ выбор программ регу лирования значительно ограничен [162].
Система регулирования качественно меняет свойства агрегата. Нарушения равновесия в силовом поле порождают ся либо управляющим воздействием на систему регулирова ния с целью изменения рабочего режима турбины, либо воз мущающим воздействием на объект регулирования, идущим
восновном из электрической сети. Под влиянием этих нару шений протекает переходный процесс от старого состояния равновесия к новому. Надежное удержание режима работы турбины во всем диапазоне нагрузок с сохранением частоты
взаданных пределах - важнейшая задача статики регулиро вания. С другой стороны, устойчивость и быстродействие - это главные критерии качества систем регулирования турбин, работающих в современных энергосистемах [97].
1.2. Мини-энергосистемы на базе ГТУ-электростанций
Анализ существующей практики проектирования и при менения автономных электростанций на базе ГТУ позволяет сделать следующие выводы:
1. Газотурбинные электростанции могут выполняться с генераторами: а) синхронными (в основном); б) асинхрон ными (преимущество - не существует проблемы синхронной устойчивости, остается только устойчивость по скорости [25]; недостаток - невозможность выдачи реактивной мощ
ности, необходимость в ее источниках, например, статиче ские конденсаторные батареи.
2.Мощность электростанции соизмерима или равна мощности потребителей.
3.Существует сильное взаимное влияние всех элементов энергосистемы, поэтому необходим анализ работы на сосре доточенную и распределенную нагрузку.
4.При автономной работе возможен отказ от стандарт ных параметров электроэнергии, можно варьировать напря жение и частоту: U= var, / = var.
5.Необходимо при резких изменениях параметров учи тывать переходные процессы в генераторах и нагрузках.
6.Необходимо учитывать особенности параллельной работы автономных электростанций.
Газотурбинные электростанции малой мощности (1-2S МВт), созданные на базе конвертированных авиацион ных двигателей (наряду с дизельными и карбюраторными электростанциями), могут быть выделены в отдельный класс - мини-электростанции. Совокупность таких станций и свя занных с ними потребителей электроэнергии составляют ми- ни-элекгроэнергетическую систему или мини-энергосистему (мини-ЭЭС) [90].
Мини-электростанции могут подразделяться на следую щие разновидности:
1)передвижные - устанавливают на транспортном сред стве, открытой площадке, агрегат без предварительного мон тажа должен быть готов к пуску (пример - ПАЭС-2500);
2)стационарные - устанавливают в специально обору
дованных помещениях (пример - ТЭС 4000x2 «Янус», «Пермские моторы»);
3) блочно-контейнерные - выполнены в виде отдельных модулей, которые можно перевозить на любые расстояния различными видами транспорта (пример - ГТЭС-4000, ОАО «НПО “Искра”»).
В работах [6, 7] содержится подробная классификация электростанций по назначению, по мощности и т.д. Из требо ваний к подобным электростанциям особо выделяются тре бования к газотурбогенератору (ГТГ), как к главному агрега ту электростанции, их можно разбить на четыре группы: 1) общие; 2) к приводному двигателю; 3) к электрогенерато ру; 4) к САУ [162].
Наиболее важными из них являются: требования к каче ству вырабатываемой энергии, т.е. к допустимым отклонени ям и колебаниям частоты и напряжения, несимметрии на пряжения и коэффициенту искажения формы кривой напря жения, к времени запуска, к длительности работы без технического обслуживания и т.д. К числу основных требо ваний к приводному двигателю относятся требования к ре сурсу и межресурсным срокам, к максимальной топливной экономичности и оптимальным частотам вращения, к выбору топлива и т.д.
В принципе САУ автономной мини-электростанции аналогична САУ стационарной электростанции [123, 162]. САУ электростанции, как и САУ ГТУ, должна реагировать на изменение атмосферных условий (Д, Тв- давление и тем пература воздуха). Расчетные данные и опыт эксплуатации показывают, что при равномерной частоте вращения, но при различных параметрах атмосферного воздуха характеристики одного и того же двигателя сильно меняются [94]. Мощность двигателя изменяется пропорционально давлению воздуха, а удельный расход топлива остается неизменным, уменьше ние же только температуры приводит к увеличению мощно сти и уменьшению удельного расхода топлива [162].
При всех изменениях мощности двигателя САУ элек тростанции должна обеспечивать поддержание напряжения и частоты на выводах генератора неизменными, а при набро- сах-сбросах нагрузки обеспечивать требуемое качество пере ходных процессов восстановления этих параметров. Анализ
структурной организации мини-электростанций на базе ГТУ позволил выделить основные составные части газотурбинной электростанции: 1) газотурбинный двигатель; 2) редуктор; 3) синхронный генератор с системой возбуждения; 4) САУ
ГТД; 5) САУ генератора; |
6) система управления, |
контроля, |
защиты и сигнализации; |
7) распределительное устройство; |
|
8) вспомогательные системы (маслообеспечения, |
топливо- |
питания, пожаротушения, кондиционирования и вентилиро вания).
На рис. 1.3 представлен вариант функциональной схемы блочно-комплектной газотурбинной электростанции на базе ГТД Д-ЗОЭУ-1 и турбогенератора ТК-4-УЗ. На рисунке обо значено: СМО - система маслообеспечения, СТП - система топливопитания, СПТ - система пожаротушения, СКиВ - система кондиционирования и вентиляции, ИМ - исполни тельные механизмы, КА - командный агрегат, ТА - топлив ная автоматика, БК - блок коммутации, СДДиР - система датчиков двигателя и редуктора, СДГ - система датчиков ге нератора, БИТ - блок измерительных трансформаторов, ССН - система собственных нужд, СУВГ - система управле ния возбуждением генератора.
Распределительное устройство (РУ) предназначено для распределения электрической энергии, защиты генератора от нагрузок и коротких замыканий [7]. Для управления и кон троля работы электростанции применяются программируе мые контроллеры, представляющие собой быстродействую щие многофункциональные микропроцессорные устройства. Рабочие процессы ГТУ осуществляются под контролем сис темы автоматического управления (САУ), взаимодействую щей с основными системами и устройствами электростанции:
скомплектным распределительным устройством; с устройст вом точной синхронизации генераторов; с блоком сигнализа ции о пожаре; с системой контроля загазованности воздуха;
свиброаппаратурой электрогенератора; с блокоми автомати-
ки электростанции. Работу САУ дополняет электрическая система контроля и сигнализации САУ. Статор генератора подключается через масляный выключатель к шинам распре делительного устройства, к этим же шинам подключены: масляный выключатель нагрузки, системный масляный вы ключатель, который подключает распределительное устрой ство к энергосистеме (ввод на трансформаторную подстан цию).
бкВ
Устройство управления и отображения
информации (ПУ)
Рис. 1.3. Структурная схема ГТУ-электростанции
Устройство точной синхронизации (АС) предназначено для автоматизации точной синхронизации генератора с энер госистемой и управления включения масляного выключателя генератора без броска уравнительного тока, толчка активной мощности на вал генератора и глубоких качаний напряжения [24]. Оперативный контроль основных параметров и сигна
лов, управление электростанцией осуществляется операто ром с дистанционного пульта контроля и управления.
Анализ режимов работы газотурбинных электростанций позволяет выделить следующие основные особенности.
Электрическая энергия, выработанная в генераторах, пе редается по линиям электропередачи и распределяется элек трическими сетями между нагрузками-потребителями, вновь преобразующими электроэнергию в другие виды энергии. В нагрузках при подключении их к сети, при изменении усло вий их работы или нарушениях режима системы (изменение напряжения, частоты, параметров передач и сетей) происхо дят переходные процессы. При изучении этих процессов обычно рассматривают не отдельные нагрузки, а узлы нагруз ки [30,147]. Состав потребителей, присоединенных к узлу на грузки может меняться в довольно широких пределах [30]. Но в то же время отраслевые нагрузки представляют совокуп ность однородных по режиму работы и характеру выполняе мого производственного процесса потребителей. Для опреде ления параметров комплексной нагрузки необходимо знать структуру узлов потребителей [85]. Рассмотрим примерный состав комплексной нагрузки потребителя в нефтедобываю щей и газовой промышленности (согласно данным [85]).
1.Нефтедобывающая промышленность. Главные потре бители - синхронные и асинхронные двигатели, а также ос вещение. Общее количество электродвигателей может со ставлять 800-2500 шт. мощностью от 1,7 кВт до 25 МВт.
2.Газовая промышленность. Наиболее распространены на компрессорных станциях, мощных газопроводах в качест ве электропривода: асинхронные двигатели с фазным рото ром на 4,5 МВт или синхронные двигатели на 4 МВт.
Переходные процессы в узлах нагрузки могут рассмат риваться с двух точек зрения:
1)поведение собственно нагрузки при переходных про цессах и влияние этих процессов на работу потребителей;
2) влияние переходных процессов в нагрузке на режим всей системы [25].
Очевидно, что при решении задач математического мо делирования мини-элеюгростанций основным является вто рой принцип рассмотрения переходных процессов, обуслов ленных электрической нагрузкой.
Нагрузка и характеристика сети не остаются постоян ными [96]. В любых режимах реальной электрической систе мы, в том числе и в установившихся, параметры режима не постоянны, они непрерывно изменяются - отклоняются от некоторого среднего значения, но эти отклонения в устано вившемся режиме настолько малы, что режим практически может оцениваться как установившийся; в переходных ре жимах отклонения существенны. Любые переходные режимы возникают в результате изменения параметров системы, вы званного какими-либо причинами. Эти причины, называемые возмущающими воздействиями, приводят к появлению на чальных отклонений параметров режима - возмущений ре жима [25]. Анализ влияния возмущений режима необходим при разработке электростанции и ее САУ.
В литературе рассматриваются следующие, представ ляющие основной интерес, возмущения режима систем элек троснабжения [25].
1.Малые возмущения при питании от источника соиз меримой мощности. В связи с этим выделяются проблемы: а) неустойчивость асинхронных двигателей, проявляющаяся
ввиде «лавины напряжения»; б) влияние на устойчивость малых понижений напряжения; в) влияние на устойчивость регуляторов возбуждения и конденсаторов в нагрузке.
2.Большие возмущения, приводящие к быстрому и зна чительному изменению мощности, отдаваемой генератором. Сюда относятся: а) пуск асинхронных двигателей соизмери мых по мощности с ГТУ (допустимое снижение напряже ния); б) короткое замыкание и его устранение; в) отключение
нагрузки и затем обратное включение; г) наброс нагрузки на двигатели; д) самозапуск двигателей после исчезновения и возобновления питания; е) толчкообразные нагрузки (силь но влияют при соизмеримости мощности).
В связи с этим при рассмотрении устойчивости электри ческой системы различают: а) статическую устойчивость (способность системы восстанавливать исходный режим по сле малого его возмущения); б) динамическую устойчивость (способность системы после большого возмущения восста навливать исходное состояние); в) результирующую устой чивость (нарушение устойчивости, а затем восстановление). Устойчивость и быстродействие являются главными крите риями качества систем регулирования электростанций.
Различают основные (регуляторы, выключатели) и до полнительные (вспомогательное оборудование) способы улучшения устойчивости [25,148].
Отдельным вопросом является также распределение на грузки между параллельно работающими элекгроагрегатами [7], в связи с тем, что проблема регулирования значительно усложняется при параллельной работе генераторов на элек трическую сеть. В этом случае образуется единая динамиче ская система, надежная работа которой предъявляет жесткие требования к САУ.
Важным вопросом, как показал анализ ситуации, являет ся вопрос испытаний и настройки систем регулирования. Для ГТУ электростанций, естественно, эти операции во многом подобны процессам настройки и испытаниям САУ авиацион ных двигателей. Отличительной особенностью, которая про является при исследовании этих операций, служит тот факт, что электрическая нагрузка СЭС, ее характер непосредствен но влияют на качество систем автоматического регулирова ния. Учет электрической нагрузки в данном случае является необходимым при настройке систем регулирования и, в том числе, при синтезе законов регулирования. Таким образом,
информация о нагрузке, которую можно получить, исследуя математическую модель системы, имеет важное значение на этапах испытания и настройки алгоритмов САУ ГТУ.
Регулировка и настройка параметров ГТУ [9, 20] и их САУ производится на специальных стендах. До недавнего времени большинство операций по обработке измерений, ре гулировки параметров двигателя выполнялись «вручную». В настоящее время разрабатываются и используются систе мы автоматического регулирования (САР) параметров двига теля в процессе сдаточных и контрольных испытаний [9].
Существует два основных способа автоматизации регу лирования параметров:
1) исходя из результатов, полученных при измерении параметров двигателя и расчета на математической модели, выдаются рекомендуемые величины кодов регулировочных винтов в виде таблицы для последующей их установки и проверки параметров отрегулированного двигателя (авто матический совет оператору по оптимальной настройке ха рактеристик САР);
2) выполняется автоматическая настройка в ходе испы таний, в этом случае САР параметров агрегата представляет собой систему, состоящую из измерительно-вычислитель ного комплекса и управляющей системы в виде миниатюр ных шаговых двигателей, устанавливаемых на регулировоч ные винты.
В процессе эксплуатации регулировочные элементы вы ступают как инструмент обеспечения заданных выходных параметров ГТД. При этом целенаправленная регулировка выходных параметров ГТД осуществляется на основе мате матических моделей, устанавливающих зависимость основ ных выходных параметров от физических параметров про цесса двигателя и регулировочных элементов. При настройке аппаратуры регулирования широко применяется электронная модель ГТД.