CC BY
59
Окончание табл. 2
Мощность балансировочного узла 5, Мощность ветроустановки 1 Мощность ветроустановки 2 V июу2 Суммарная генерируемая мощность, МВА Суммарные потери мощности в системе, МВА Отклонение баланса мощности в системе, МВА
0,498 0,664 1,166 2,328 0,0777 0,000289
0,52 0,652 1,155 2,327 0,0769 0
0,543 0,64 1,143 2,326 0,0762 -0,00018
0,565 0,628 1,132 2,325 0,0754 -0,00042
0,588 0,616 1,121 2,325 0,0747 0,000341
0,61 0,604 1,109 2,323 0,0739 -0,0009
0,633 0,592 1,098 2,323 0,0731 -0,00013
0,656 0,58 1,087 2,323 0,0724 0,00063
0,678 0,568 1,076 2,322 0,0716 0,000393
0,701 0,556 1,064 2,321 0,0708 0,000156
0,723 0,544 1,053 2,32 0,0701 0
Результаты моделирования для режимов работы ЛЭС без координирующего управления и с координирующим управлением приведены соответственно в табл. 1 и 2. В качестве количественного параметра оценки качества регулирования использована величина небаланса полной
мощности, желаемое значение которого равно нулю [5]. Исследования показали, что система с координированным управлением позволяет обеспечить наилучшие характеристики баланса мощности и соответственно наилучшие электрические параметры в составе системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Холмский, В.Г. Расчет и оптимизация режимов электрических сетей [Текст] / В.Г. Холмс-кий,— М.: Высшая школа, 1975.
2. Беркович, М.А. Основы автоматики энергосистем [Текст] / М.А. Беркович, Н.А. Комаров, В.А. Семенов,— М.: Энергоатомиздат, 1981.
3. Бойчук, Л.М. Синтез координирующих
систем автоматического управления [Текст] / Л.М. Бойчук,— М.: Энергоатомиздат, 1991.
4. Васильев В.И. Многоуровневое управление динамическими объектами |Текст| / В.И. Васильев, Ю.М. Гусев, В.Н. Ефанов,— М.: Наука, 1987.
5. Идельчик, В.И. Электрические системы и сети / В.И. Идельчик,— М.: Энергоатомиздат, 1989.
УДК621.31 3.333
А.Н. Беляев, А.А. Смирнов, C.B. Смоловик
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ РЕЖИМОВ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ С ГАЗОПОРШНЕВЫМИ АГРЕГАТАМИ СОИЗМЕРИМОЙ МОЩНОСТИ
В статье рассматриваются вопросы, связанные с прямыми и плавными пусками асинхронных двигателей (4300 кВт) в автономной электроэнергетической системе (ЭЭС), которая содержит газопоршневые агрегаты и генераторы, соизме-
римые с двигателями по мощности, и осуществляет электроснабжение нефтеперекачивающей станции (НПС).
В системах, где мощности отдельных нагрузок соизмеримы с мощностью генераторов,
устойчивость может нарушаться и при нормальных с точки зрения эксплуатации режимах. Наиболее опасен в этом смысле прямой пуск асинхронных двигателей (АД). Большой пусковой ток таких АД вызывает резкое снижение напряжения в системе, что приводит к увеличению скольжения остальных работающих двигателей. Сочетания загрузок двигателей и снижения напряжения в сети при их пуске обычно таковы, что потребляемая при этом двигателями реактивная мощность возрастает. Это вызывает дальнейшее понижение напряжения и может привести к опрокидыванию работающих двигателей (в частности, собственных нужд). Происходящее при этом нарушение устойчивости станции ведет к длительному перерыву электроснабжения потребителей. Поэтому устойчивость таких систем должна особо проверяться по условиям пуска. Весьма опасен неудачный пуск двигателей, мощность которых соизмерима с мощностью генератора [1].
Устройства плавного пуска (УПП) высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей механизмов с «вентиляторной», квадратично зависящей от скорости характеристикой нагрузочного момента (а это — центробежные компрессоры, насосы, вентиляторы, дымососы, эксгаустеры и другие аналогичные механизмы) с точки зрения рассматриваемых переходных процессов обеспечивают:
плавное нарастание тока двигателя до величины начального токоограничения, обеспечивающего трогание двигателя с места;
формирование заданного токоограничения по времени для обеспечения разгона электродвигателя;
фиксацию окончания разгона и выдачу сигнала на включение высоковольтного выключателя, подключающего двигатель напрямую к сети по окончании разгона;
контроль времени разгона двигателя и выдачу сигнала на прекращение пуска при превышении заданного времени разгона.
Схема энергосистемы и расчетные условия
Исследование переходных процессов при конечных возмущениях в автономной электроэнергетической системе НПС, вызванных прямыми и плавными пусками мощных асинхронных двигателей, выполнено в эквивалентной схеме, представленной на рис. 1 (все секционные выключатели считаются отключенными, поэто-
му моделируется только половина схемы). Очевидно, что в соответствии с физическими представлениями пуск АД той же мощности при увеличенной почти вдвое генерации должен происходить значительно легче.
Все вычисления произведены в относительных единицах, причем за базисные величины приняты напряжение Щ = 10,5 кВ и мощность S6 = 10,913 MBA. Графики взаимных углов между роторами эквивалентных синхронных машин даны в радианах, остальные — в относительных единицах.
Аппроксимация параметров асинхронных двигателей IM4-IM6 (375 и 4300 кВт) производилась по предоставленным производителем мо-ментно-скоростным характеристикам (зависимости электромагнитного и механического моментов от скольжения).
Моделирование элементов электроэнергетической системы
Асинхронные двигатели моделируются при различных допущениях и упрощениях, зависящих от необходимой степени детализации процессов и условий решаемой задачи. Если исследуются переходные процессы самого двигателя, то моделирование должно быть достаточно полным с обязательным учетом свободных процессов в роторных контурах, а также цепях статора. Последнее обязательно в тех задачах, когда возможно быстрое изменение скорости двигателя, а также при необходимости точно учитывать торможение двигателя апериодическими токами статора [2].
Учет свободных процессов в роторных контурах обязателен, когда должны быть отражены такие явления, как изменение напряжения на зажимах, возникновение токов короткого замыкания от двигателей, взаимное их влияние при групповом выбеге, поведение двигателей при ударной нагрузке на валу и т. п. Здесь можно отказаться от учета свободных процессов в статоре, т. е. в уравнениях в осях 0qd не учитывать трансформаторные ЭДС статора м^Р'д и ЭДС скольжения syd, .
Если уравнения внешней по отношению к двигателю электрической сети записаны в синхронных координатах dsys и qsys, вращающихся с некоторым скольжением ssys относительно синхронных осей, то для решения их совместно с уравнениями двигателя необходимо записать
375 кВт 4300 кВт 4300 кВт
/А/4 /А/5 /А/6
АД
АД
АД
©
N2
N3
250 кВА
/0102
/0103
600 м, 3x630
2200 кВА,
созф = 0,8
6851 + /3331 —©
350 м, 3x630
(Э О 6
а а а
Газопоршневая электростанция 2x8730 + 1x3888 кВт
Рис. 1. Упрощенная модель автономной энергосистемы НПС
последние непосредственно в осях и д . Пренебрегая трансформаторными ЭДС и ЭДС скольжения, получаем следующую упрощенную систему уравнений:
1 + 5,
) '
+ га1й=~ий
С-
1 ({'
гс1
Юг
Ж
_ 1*1
гд гй г й
(1)
1 с!'
п1
ю,. Л
2 (5 —
— Г I ' 'гд'гд*
1
(м
от особенностей технологического процесса, электромеханической и кинематической системы механизма и т. п. Аппроксимация зависимости механической мощности приводимого в движение механизма от скольжения наиболее просто выполняется для двух классов механизмов — с неизменным механическим моментом и с механическим моментом, являющимся функцией частоты вращения
М, = к,
р +(\-р )
ст V ст)
1-5 1-5,
ч2
ном /
С08фн
(2)
с1$ _
1ГТ}
При использовании этих уравнений предполагаем, что заданными являются составляющие напряжения ич и скольжение 51>х. Очевидно, что при необходимости могут быть учтены и быстро-переходные процессы статорной цепи двигателя.
Подведенный квалудвигателя момент Мтявляется моментом сил сопротивления, зависящим
Причем случай Рст = 1 соответствует моделированию механизмов первого из этих классов, а значение Рст в диапазоне от нуля до единицы — моделированию механизмов второго класса.
Расчет параметров установившегося режима может быть проведен в относительных единицах по справочным данным с использованием следующих формул:
5кр = 5н ( Ач +
а =
Ун -^ёф
+ 5кр5н
Хя =-
1-G
xd =^xd;р
кр-
(3)
2ймасоБфн
Мощность, потребляемая из сети в устано вившемся режиме, определяется с учетом задан ного коэффициента загрузки к3:
Ц Ц\ + д)-^(\-д)2) (4)
2С08^Х™
Затем вычисляются начальные значения скольжения, тока и потокосцеплений роторных контуров:
(
т2
5 = 5,
кр
ЬЖ
2
-1
/ =
-P + JQ,
* '
и
(5)
где 5,5Н, 5^, — режимное, номинальное и критическое скольжения; Ьы — кратность максимального момента; ха,х'а — синхронное и переходное индуктивные сопротивления двигателя; а — коэффициент рассеяния; Рн, со8фн — номиналь-
ные активная мощность и коэффициент мощности; р — декремент роторных контуров; Р, Q — активная и реактивная мощности установившегося
режима; U — сопряженный комплекс напряжения; I — комплекс тока; Uq, Ud, 1Ц, ld — q- и d-составляющие напряжения и тока; — по-
токосцепления эквивалентных роторных контуров по поперечной и продольной осям.
Структура модели газопоршневого агрегата (датчик — регулятор — исполнительный механизм) для расчетов статической и динамической устойчивости (рис. 2) во многом аналогична блок-схемам газотурбинных [3] идизельно-элек-трических установок[4].
Опыт прямого пуска мощных асинхронных двигателей в составе автономной энергосистемы
Общая последовательность моделирования переходного процесса, связанного с пуском обоих мощных двигателей (IM5 и 1Mb), состоит в получении установившегося режима, соответствующего полному составу нагрузки (интервал времени 0—20 с), отключении обоих двигателей от сети с их полным остановом (20—100 с) и последующим поочередным их включением в моменты времени 110 (IM5) и 150 {1Mb) секунд. Оба пуска являются успешными, однако
о)
б)
Р[р и ]
I Nref |—
Droop [р"1
сю—
n[o.u.] Engine speed actual value
e_load_pu
- e_spd_ref_pu pid_out
—
rB
п
After Actua:or
Note! Kp.Ki.Kd load dependancy has been left out
x I wfnl -j-^
Vmin...Vmax
noload fuelsum4
Tc.s+1 Tb.s+1
►CD
_ Eng ne
Engine Torque
response delay [p.u'
Рис. 2. Блок-схема моделирования уравнения движения ротора агрегата (а) и автоматического регулятора скорости (б) газопоршневого двигателя
напряжения на шинах двигателей меняются весьма значительно.
Минимальное значение напряжения при пуске двигателя IM5 составляет 0,791 o.e. (8,306 кВ), аналогичная величина для двигателя 1Mb равна 0,7797 o.e., или 8,187 кВ. Это, в свою очередь, вызвано практически семикратным (1,972 /0,3143 = = 6,27 раз) возрастанием тока статора АД. Большинство моментно-скоростных зависимостей в переходных процессах для обоих АД практически идентичны, поэтому далее приводятся только графики для двигателя IM5 (рис. 5). Очевидно, что применение устройств плавного пуска позволит в значительной степени снизить упомянутые броски токов за счет постепенного увеличения напряжения на шинах двигателя. Основной вопрос исследования — алгоритм изменения напряжения с учетом ограничения пускового тока на уровне 4 /ном = 4-0,3143 = 1,257 o.e.
Наиболее удобны для оценки длительности пусков двигателей полученные из расчета реального переходного процесса моментно-скорост-ные характеристики (рис. 5, а). Их кардинальное отличие от представленных, например, в [5] состоит в значительном изменении напряжения и, как следствие, электромагнитного момента двигателя Ме, являющегося, как известно, квадратичной функцией напряжения. Уменьшение разницы между электромагнитным и механическим моментами приводит к затягиванию процесса пуска.
Опыт пуска мощного асинхронного двигателя на основе ступенчатого изменения напряжения на его шинах
Оптимизация алгоритмов плавного пуска, о которых речь пойдет далее, производилась на основе следующих соображений: ток двигателя
Л
/
А ) 1
/ 1,С o.e.
V
—
5,7 0 Т е.
0,69 о е.
0;63-< 0,66 о .е. I
Юс
14 с \ 0,59 o.e.
и,э/ o.e. 15, с 1 ЙТс
_
0,45 о .е.
4с
0,3 о.
0 с 2
110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 U С
Рис. 3. Оптимальный алгоритм ступенчатого пуска мощного асинхронного двигателя (пунктир) и кривая его пускового тока (сплошная)
не должен превышать величину 4/ном (1,257 o.e.), в то же время снижение напряжения на шинах должно быть минимальным. В данном случае рассматривается заведомо более тяжелый вариант пуска, при котором мощность механизма в номинальном режиме (или коэффициент загрузки) составляет 0,6 o.e. в собственных или 0,291 o.e. (рис. 5) в общих относительных единицах. Пуск менее нагруженного АД будет заведомо происходить в более простых условиях.
Практика расчетов показывает, что в случае двигателей, имеющих более пологую характеристику электромагнитного момента, для эффективного токоограничения достаточно формировать устройством плавного пуска постепенное возрастание напряжения от 0 до 1 o.e. (рис. 3, пунктирная кривая). Характеристика электромагнитного момента рассматриваемого асинхронного двигателя мощностью 4300 кВт (IM5
и IM6) имеет две ярко выраженные части — более пологую в диапазоне скольжений от 1 до 0,2 (в начале пуска) и значительно возрастающую до 1,35 o.e. в диапазоне скольжений от 0,2 до лном (рис. 5, б). В этой связи целесообразно некоторое снижение напряжения во время пуска после уменьшения скольжения ниже уровня 0,2 (особенно для моментов времени 125—126 с). Это приводит к незначительному увеличению длительности самого пуска (за счет уменьшения максимального значения электромагнитного момента), однако колебания тока (рис. 3, сплошная кривая) и напряжения весьма существенны (до 30—40 %). Кроме того, снижаются и колебания механических электромагнитных мощностей генераторов газопоршневых агрегатов. Фактически в момент времени 127,5 с процесс пуска можно считать завершившимся, и в дальнейшем необходим лишь постепенный подъем напряже-
Рис. 4. Оптимальный алгоритм плавного пуска мощного асинхронного двигателя и кривая его пускового тока
^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование Г 2011 о)
\
\
\
\
\
\
\
V
м
V — ...
б)
в)
Рис. 5. Моментно-скоростные характеристики асинхронного двигателя IM5 при прямом (а), ступенчатом (б) и плавном (в) пусках от источника соизмеримой мощности
ния от текущего значения до номинального с шагом 0,1 o.e. и интервалом в 1 секунду (здесь не показано). Полученные кривые свидетельствуют о том, что напряжения на всех шинах модели автономной ЭЭС не опускается ниже отметки 0,934 o.e., а ток двигателя в течение всего переходного процесса не увеличивается выше 1,257 o.e. (фактически это четырехкратное значение тока в рассматриваемом, т. е. при коэффициенте загрузки равном 0,65 o.e., режиме). При этом полная длительность пуска АД не превышает 20 с.
Опыт плавного пуска мощного асинхронного двигателя при экспоненциальном изменении напряжения на его шинах
Проведенные расчеты переходных процессов, связанных с пуском мощного асинхронного двигателя при ступенчатом изменении напряжения на его шинах, показывают, что по энергетическим соображениям можно считать целесообразным изменение напряжения в соответствии с непрерывной функцией (речь идет о законе управления тиристорами), наиболее простой из которых является экспоненциальная зависимость. В этом случае можно добиться плавного изменения тока двигателя и напряжений в сети на всем протяжении переходного процесса.
С учетом высказанных ранее соображений во многих случаях достаточно дл этих целей простой возрастающей функции вида Um( 1 — е^(!М10)/т). В данной ситуации ввиду необходимости некоторого снижения напряжения в диапазоне скольжений 0,2—0 o.e. были использованы три экспоненциальные зависимости, представленные на рис. 4 (штрих-пунктирная кривая). Моменты их переключения (123,2 и 125,3 с) подбирались так, чтобы добиться наименьшего размаха колебаний токов и напряжений. Таким образом, обеспечивается пуск двигателя к моменту времени 125 с.
Применение непрерывной функции в законе управления тиристорами для обеспечения плавного нарастания статорных токов асинхронного двигателя приводит к незначительно-
СПИСОК J
1. Гуревич, Ю.Е. Особенности электроснабжения, ориентированного на бесперебойную работу промышленного потребителя |Текст| / Ю.Е. Гуревич, К.В. Кабиков,- М.: ЭЛЕКС-КМ, 2005,- 407 с.
му и равномерному снижению напряжения в системе — не ниже отметки 0,949 o.e. Кроме того, достигается оптимальное снижение максимума моментно-скоростной характеристики электромагнитного момента в диапазоне скольжений 0,2-0 o.e. (рис. 5, в).
Основные результаты исследований, о которых шла речь в статье, следующие:
1. Показано, что прямой пуск мощного асинхронного двигателя сопровождается чрезмерным увеличением пускового тока и недопустимым снижением напряжения на шинах асинхронной нагрузки. Длительность пуска асинхронного двигателя при этом минимальна и составляет около 6 с.
2. Предложен алгоритм ступенчатого изменения напряжения с учетом эффективного токо-ограничения и особенностей моментно-скоростной характеристики электромагнитного момента рассматриваемого двигателя. При этом полная длительность пуска АД не превышает 20 с. Предложенные снижения напряжения как при ступенчатом, так и при плавном пуске не являются обязательными, поскольку они лишь обеспечивают естественное токоограничение на уровне 4/ном. В устройстве плавного пуска такое ограничение будет произведено искусственно с незначительным возрастанием напряжения при достижении номинального скольжения двигателя.
3. Рассмотрен вариант плавного изменения напряжения на шинах двигателя за счет применения набора экспоненциально возрастающих или убывающих функций в законе управления тиристорами. Полная длительность пуска АД составляет 15 с.
4. Изменение механической мощности генераторов различной мощности происходит достаточно быстро как при снижении, так и при увеличении частоты, что свидетельствует о корректности настроек системы регулирования. Изменение частоты при аварийном отключении и последующем прямом пуске мощного асинхронного двигателя происходит в пределах допустимых значений.
2. Герасимов, С.Е. Исследование влияния параметров асинхронного электродвигателя на электромеханические и электромагнитные переходные процессы [Текст] / С.Е. Герасимов, В.А. Маслен-
ников, C.B. Смоловик // «Переходные процессы и условия работы оборудования электрических систем»,— Труды ЛПИ. N° 380,— Л.: Изд-во ЛПИ, 1981,- С. 18-21.
3. Андрус, С.Т. Управляемые источники реактивной мощности для обеспечения устойчивости узлов нагрузки нефтедобывающих комплексов [Текст] / С.Т. Андрус, А.Н. Беляев // Научно-технические ведомости СПбГПУ,— 2008. N° 1,— С. 92-97.
4. Беляев, А.Н. Регулирование синхронных генераторов с дизельным приводом [Текст] /
A.Н. Беляев, О.В. Епифанова, C.B. Смоловик // Научно-технические ведомости СПбГПУ,— 2006. Т. 1. № 5,- С.74-79.
5. Веников, В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах [Текст]: учебник для электроэнергетических спец. вузов /
B.А. Веников,— Изд. 4-е,— М.: Высшая школа, 1985,- 536 с.
УДК 621.438
К.Д. Андреев, Н.А. Забелин, В.А. Рассохин, Е.А. Ходак
РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТИПА НК-16СТ
Одна из основных проблем современной теплоэнергетики — неуклонное повышение термической эффективности электрогенерирующего оборудования. Основным типом тепловых установок электростанций являются паротурбинные установки (ПТУ), которые достигли высокой степени совершенства за счет сверхкритических начальных параметров в сложных тепловых схемах. Дальнейшее повышение экономичности ПТУ проблематично[1 ].
Значительное сокращение расхода органического топлива может быть достигнуто при использовании комбинированных установок, в которых пар паротурбинных установок и газ газотурбин-ныхустановок (ГТУ) используются в едином энергетическом комплексе. Опыт эксплуатации уже имеющихся комбинированных установок позволяет рассчитывать на снижение удельных расходов топлива до 20—25 % по сравнению с показателями лучших паротурбинных блоков. Генерация пара в комбинированных установках может быть решена за счет использования теплоты уходящих газов ГТУ в котлах-утилизаторах (КУ). Такие комбинированные установки отличаются относительно низкими относительными расходами пара. Количество теплоты со стороны газа ограничено температурой за турбиной ГТУ. Такой цикл комбинированной установки называется бинарным газопаровым цик-
лом. Анализ простых схем комбинированных установок (без дожигания в КУ) показывает, что оптимальные соотношения мощностей между ГТУ и ПТУ составляет примерно 3:1.
В нашей статье рассматривается возможность создания парогазовой комбинированной установки типа ПГУ-20 на базе газотурбинной установки Н К-16СТ с разработкой ПТУ, использующей генерируемый пар в котле-утилизаторе (по терминологии правильнее — ГПУ-20). Традиционно такие проблемы решаются при применении в качестве ПТУ многоступенчатых паротурбинных установок соответственной мощности [2]. Однако такие ПТУ имеют большое количество турбинных ступеней, значительные массогаба-ритные показатели при относительно невысокой экономичности и сложную технологию изготовления лопаточных аппаратов роторной части.
Выбор и оптимизация параметров комбинированной установки ПГУ-20 на базе НК-16СТ
Согласно предварительным расчетам для газотурбинной установки НК-16СТ при температуре атмосферного воздуха +15 °С расход уходящих из газотурбинного двигателя газов составляет 98 кг/с при температуре 428 °С. Особенность комбинированных установок — наличие оптимального начального давления перед паровой турби-
