CC BY
28
фективности может быть обеспечена наличием данных за рассматриваемый прошедший период времени о полезно отпущенной потребителям энергии и фактически имевших место при этом суммарных затратах.
5. Предложенная методика оценки эффективности основного оборудования ЭЭС может быть использована для оценки эффективности и сопоставления нового оборудования с оборудованием, которое длительное время находится в эксплуата-
Библиогра
1. Афанасенко А.С., Дубицкий М.А., Ильин Д.В. Эффективность основного оборудования электроэнергетических систем // Вестник ИрГТУ. 2014. № 7 (90). С. 110-116.
2. Дубицкий М.А., Руденко Ю.Н., Чельцов М.Б. Выбор и использование резервов генерирующей мощности в электроэнергетических системах. М.: Энер-гоатомиздат, 1988. 272 с.
3. Морошкин Ю.В., Скопинцев В.А. Анализ и прогнозирование аварийности в электроэнергетических системах на основе статистических методов // Электрические станции. 1997. № 12. С. 2-6.
4. Надежность систем энергетики и их оборудования; в 4 т. Т. 1. Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики / под ред. Ю.Н. Руденко. М.: Энергоатомиздат, 1994. 480 с.
ции. Результаты сопоставления могут служить основанием для замены старого оборудования на новое.
6. Старение оборудования обычно приводит к возрастанию аварийности в ЭЭС. Оценку надежности оборудования на предстоящий период работы целесообразно выполнять на основе анализа процесса изменения его надежности, представленного соответствующими статистическими данными.
Статья поступила 15.11.2015 г.
чий список
5. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. М.: Наука, 1986. 196 с.
6. Справочник по проектированию электрических сетей; под ред. Д.Л. Файбисовича. 2-е изд., перераб. и доп. М.: ЭНАС, 2007. 352 с.
7. Скопинцев В.А. Циклы аварийности в электроэнергетических системах // Электрические станции. 1997. № 7. С. 31-37.
8. Скопинцев В.А., Морошкин Ю.В. Анализ и прогноз аварийности в электроэнергетических системах // Электричество. 1997. № 11. С. 2-8.
9. Трухай А.А., Кудряшев С.Г. Теория вероятностей в инженерных приложениях: учеб. пособие. СПб.: Лань, 2015. 368 с.
10. Ушаков И.А. Курс теории надежности систем: учеб. пособие для вузов. М.: Дрофа, 2008. 239 с.
УДК 621.31
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
© Ю.В. Коновалов1, А.А. Дудко2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Исследована потребность в модернизации системы резервного возбуждения турбогенератора с учетом состава и взаимосвязей функций объекта. На базе экспертных оценок каждой функции присвоены относительная значимость и степень удовлетворения свойства в базовом и модернизируемом вариантах. Обоснован алгоритм проведения модернизации вследствие замены системы резервного возбуждения пропорционального действия на систему с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия, что существенно улучшает качество работы турбогенератора и уменьшает расход на его обслуживание.
Ключевые слова: турбогенератор; система возбуждения; функционально-стоимостной анализ; взаимосвязи функций объекта; экспертная оценка.
1
Коновалов Юрий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405238, e-mail: yrvaskon@mail.ru
Konovalov Yuriy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Drive and Electrical Transport, tel.: (3952) 405238, e-mail: yrvaskon@mail.ru
2Дудко Александр Александрович, аспирант, тел.: (3952) 405238, e-mail: dudkoaleks@yandex.ru Dudko Aleksandr, Postgraduate, tel.: (3952) 405238, e-mail: dudkoaleks@yandex.ru
IMPROVING THERMAL POWER STATIONS GENERATION SYSTEM EFFICIENCY Y.V. Konovalov, A.A. Dudko
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper studies the need for turbine generator backup excitation system modernization considering the composition and correlations of facility functions. On the basis of expert assessments each function is assigned a relative significance and a degree it satisfies the property in base and upgraded versions. A modernization algorithm including the replacement of the backup excitation system with proportional action into the system with automatic control of strong action excitation is substantiated. It will significantly improve the operation quality of the turbine generator and reduce its maintenance costs.
Keywords: turbine generator; excitation system; function value analysis; correlations of facility functions; expert review.
Введение
Современное состояние энергетических объектов требует неотложных мер по модернизации физически изношенного оборудования. При замене необходимо учитывать прогресс в генераторостроении и электронике и внедрять оборудование с качественно новыми техническими характеристиками. Существенного повышения функциональных возможностей достигли современные системы возбуждения (СВ) для синхронных машин [1]. К некоторым особенностям новых СВ можно отнести: модульный принцип их компоновки; повышенную нагрузочную способность тири-сторных выпрямителей; широкий диапазон мощностей; разнообразие типов и видов; унификацию конструкции; применение цифровой техники для целей управления, регулирования, защит и мониторинга. Так, начиная с 1999 г. системы, выпускаемые ОАО «Электросила», комплектуются микропроцессорным автоматическим регулятором возбуждения (АРВ-М), разработка и внедрение которого проходили в тесном сотрудничестве с Всероссийским электротехническим институтом (ВЭИ), Всероссийским научно-исследовательским институтом электроэнергетики (ВНИИЭ), Научно-исследовательским Институтом постоянного тока (НИИПТ) [2].
Новые возможности современных систем возбуждения с автоматическими регуляторами позволяют существенно повысить надежность и эффективность использования турбогенераторов на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Поэтому при оптимизации работы ТЭЦ необходимо рассматривать турбогенератор и его систему возбуждения как единый электромеханиче-
ский комплекс [3-9].
Постановка задачи
Замена турбогенератора на ТЭЦ -сложная и дорогая процедура, однако повысить эффективность генерирующих электротехнических комплексов можно за счет модернизации и разработки алгоритмов эффективного управления системами возбуждения. Так, на ТЭЦ-9 ПАО «Иркутскэнерго», на турбогенераторах ТГ № 1 и ТГ № 2 обоснована и внедряется современная тиристорная система резервного возбуждения с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия. В отличие от автоматического регулятора возбуждения пропорционального действия, автоматический регулятор возбуждения сильного действия осуществляет регулирование не только по отклонению напряжения генератора, но и по его скорости, путем формирования управляющего воздействия, пропорционального не только отклонению напряжения ДUг, но и скорости Ц'г. На рис. 1 приведена функциональная схема системы с автоматическим регулятором возбуждения (АРВ) синхронного генератора (СГ).
Из сказанного вытекает закон регулирования, реализующий АРВ СД, аналитическая форма записи которого имеет вид: ЛEг = - Ки Ц - Ки< иг , где КЦ - коэффициент усиления регулятора по скорости изменения напряжения генератора иг, определяющий степень принудительного производимого изменения ЭДС генератора при появлении скорости изменения напряжения генератора иг.
Работа генератора с АРВ СГ в переходном режиме, обусловленная наличием канала регулирования по отклонению напряжения генератора Лиг, происходит
№
Рис. 1. Функциональная схема системы с АРВ СГ
аналогично описанной выше работе генератора с АРВ пропорционального действия.
Наличие же канала регулирования по скорости изменения напряжения генератора Ц'г приводит к появлению дополнительного электромагнитного момента генератора АМ'р, стремящегося, как и отклонение внешнего момента АМ и отклонение электромагнитного момента АМр, вернуть генератор в состояние равномерного вращательного движения. Но поскольку сигнал, пропорциональный скорости изменения напряжения генератора, опережает по фазе на 900 сигнал, пропорциональный самому этому напряжению, то и момент АМ'р опережает по фазе на 900 действие момента АМР. В результате: если момент АМр запаздывает в действии по отношению к избыточному моменту АМ, то момент АМр опережает в действии последний. Это, в свою очередь, означает, что, в отличие от момента АМр, момент АМ'р за период колебаний совершает работу, уменьшающую энергию колебательной системы. Тем самым появляется возможность, влияя на величину момента АМр путем изменения коэффициента усиления Ки, принудительно влиять на интенсивность вывода энергии из колебательной системы. Так, если система неустойчива по причине увеличения ее энергии от периода к периоду колебаний, то можно, выбрав определенный коэффициент усиления Ки больше некоторого минимально допустимого значения Ки'тт, обеспечить наряду с потерями дополнительный вывод энергии из системы, причем такой, что полная энергия системы от периода к периоду станет убывать, ко-
лебания будут затухающими, а система устойчивой. Установив в АРВ СГ еще больший коэффициент усиления Ки, можно получить апериодический закон восстановления напряжения генератора. При увеличении коэффициента усиления Ки, по аналогии с увеличением коэффициента Ки, происходит увеличение запаздывания в действии момента АМ р. Это ведет к уменьшению принудительно выводимой энергии из колебательной системы, и, при коэффициенте усиления более значения Китах, ее может выводиться больше, чем, при совершении работы моментом АМр, -закачиваться. В результате энергия системы от периода к периоду станет увеличиваться, амплитуда колебаний возрастать, а система будет неустойчивой. Поэтому во избежание неустойчивости системы при применении АРВ СГ коэффициент усиления Ки в нем следует устанавливать не менее КЦтт и не более Китах.
Применение АРВ СГ дает возможность одновременно обеспечивать: требуемую точность поддержания напряжения цг генератора - путем установки соответствующего значения коэффициента усиления Кц (обычно Кц = 50) и его статическую устойчивость - путем установки коэффициента усиления Китт<Ки<Ки'тах. Причем нижняя граница этого интервала Ки'т1п будет больше, а верхняя граница Ки'тах меньше, при большем установленном коэффициенте усиления Ки. Это обусловлено необходимостью большего вывода энергии из системы при совершении работы моментом АМ'Р, вызванного увеличение закачиваемой энергии в систему при совершении
работы моментом ЛМР. Графически область допустимых коэффициентов усиления КЦ и КЦ, с точки зрения статической устойчивости генератора, может быть представлена в виде заштрихованной части площади первого квадрата системы координат, по осям которой отложены значения коэффициентов усиления КЦ и КЦ (рис. 2).
Рис. 2. Графическая область допустимых коэффициентов усиления ^ и ^
Координаты точки А КиА и Кия, лежащей внутри допустимой области, означают, что, если в АРВ пропорционального действия генератора установить коэффициент усиления КЦ = КиА и КЦ = КиА, то генератор будет статически устойчив. При этом, если коэффициент усиления КиА выбирается из условия обеспечения требуемой точности поддержания напряжения иг генератора, то коэффициент усиления КиА выбирается из условия обеспечения требуемого качества (времени, степени затухания и т.п.) переходного процесса.
Обоснование модернизации
Для обоснования модернизации использовался функционально-стоимостной анализ (ФСА). Цель функционально-стоимостного анализа состоит в поиске возможностей реализации функций при оптимальных затратах и обеспечении высоких требований к качеству и безопасности. В отличие от других методов снижения затрат, ФСА строится на функциональном подходе - изучении функций объекта исследования и применении ряда алгоритмов и приемов, позволяющих решить, каким образом данная функция может исполняться качественно при наименьших затратах.
В соответствии с целями различают три методические формы ФСА: корректирующую, творческую и инверсную. Первая форма используется для совершенствования освоенных и действующих объектов; вторая (творческая) - на стадии проектирования; третья (инверсная) - для поиска новых сфер применения, без изменения объекта. Для действующих электромеханических комплексов на ТЭЦ ПАО «Иркутскэнерго» была использована первая методическая форма функционально-стоимостного анализа.
В ходе ФСА пользуются несколькими видами описания систем: структурным, функциональным, функционально-структурным. Каждое порождает соответствующие виды моделей: структурную, функциональную и функционально-структурную (совмещенную). Кроме того, используются их модификации: функционально-стоимостная, функционально-рисковая, функционально-качественная модель и т.д. [10].
Для исследования потребности в модернизации применена разновидность представления функций функциональной моделью (ФМ), которая является логико-графическим изображением состава и взаимосвязей функций объекта, получаемое путем их формулировки и установления порядка подчинения. Каждая функция имеет свой индекс, отражающий принадлежность к определенному уровню ФМ, и порядковый номер. Оценка значимости и важности функций ведется последовательно по уровням ФМ, начиная с первого (т.е. сверху вниз). Для главной и второстепенных, т.е. внешних, функций электромеханического комплекса при оценке их значимости исходным является распределение требований потребителей (показателей качества, параметров, свойств) по значимости (важности). Те функции, которые способствуют удовлетворению наиболее важных требований потребителей или участвуют одновременно в реализации нескольких требований, имеют соответственно более высокую значимость. Для функций последующих уровней ФМ (т.е. внутренних) определение значимости ведется исходя из
их роли в обеспечении функций вышестоящего уровня.
Базовый и модернизируемый варианты должны обеспечивать следующие функции:
^ - возбуждение генератора;
f11 - надежность возбуждения;
Г|2 - управляемость возбуждения;
f1з - простоту в обслуживании и ремонте
системы возбуждения;
- безопасность в работе; f111 - применение резервирования систем; ^12 - обеспечение быстродействия системы;
f113 - применение современной полупроводниковой базы;
^14 - обеспечение высокой перегрузочной способности;
f121 - возможность широкого регулирования напряжения;
^22 - глубокая автоматизация процесса регулирования;
^23 - обеспечение возбуждения при вводе генератора в работу;
^24 - быстрый вывод генератора из работы; ^31 - использование блочной системы; f132 - легкость настройки и ввода в эксплуатацию;
Рис. 3. Функциональная модель для модернизируемого варианта
^33 - легкость монтажа;
^34 - простота контроля параметров;
^41 - ограничение доступа к системе;
^42 - применение негорючих материалов;
^43 - использование пожарозащиты;
f1111 - резервирование каналов управления;
^112 - резервирование силовой части.
Взаимосвязь перечисленных функций с учетом важности и значимости отражена на функциональной модели (рис. 3).
На базе экспертных оценок каждой функции присвоены относительная значимость г и степень удовлетворения свойства Р в базовом и модернизируемом вариантах. Полученные значения позволяют перейти к обоснованной стоимостной диагностике системы исходя из программно-целевого подхода и определить степень соответствия между затратами, относительной важностью и качеством исполнения функций с помощью функционально-стоимостных моделей (диаграмм). В результате расчетов получено, что суммарная абсолютная стоимость реализации всех рассматриваемых функций составляет 3580 тыс. рублей, а в модернизируемом варианте - 1655 тыс. рублей.
Последовательность шагов проведения данной модернизации была следующей:
1. Проведено исследование устойчивости генератора с точки зрения электромеханических процессов в генераторе и выявлена целесообразность замены системы автоматического регулирования возбуждения пропорционального действия на быстродействующие системы сильного действия.
2. Выбрана тиристорная система возбуждения, обеспечивающая заданные режимы работы генератора в соответствии с нормативным документам (ГОСТ 183-74, ГОСТ 533-85 и ГОСТ 5616-89).
3. Выполнен выбор оборудования и расчет уставок реле защит, автоматизации и сигнализации. Осуществлено организа-
ционно-экономическое обоснование модернизации с использованием теории функционально-стоимостного анализа и построением функциональной модели.
Выводы
Таким образом, в результате исследования функций системы резервного возбуждения с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия с помощью функционально-стоимостного анализа были выявлены избыточные затраты на функции и низкое качество их исполнения у базового варианта. При установке тири-сторной системы резервного возбуждения существенно уменьшаются расходы на обслуживание турбогенератора, а также возможные сбои при отпуске электроэнергии.
Статья поступила 20.11.2015 г.
Библиографический список
1. Коновалов Ю.В., Абрамович Б.Н., Устинов Д.А. Электромеханические комплексы с синхронными двигателями. Моделирование, выбор и реализация энергоэффективных режимов / LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2013, 121 с.
2. Логинов А.Г. Системы возбуждения турбо- и гидрогенераторов ОАО «Электросила» // Электротехника. 2003. № 5. С. 43-48.
3. Коновалов Ю.В. Применение цифровых регуляторов для оптимального использования компенсирующей способности синхронных двигателей совместно с конденсаторными батареями // Вестник ИрГТУ. 2010. № 7(47). С. 175-182.
4. Коновалов Ю.В. Моделирование координатных преобразований в электромеханических системах с учетом пространственного положения ротора // Вестник ИрГТУ. 2011. № 12 (59). С. 234-240.
5. Коновалов Ю.В. Моделирование электромеханических процессов в синхронном двигателе // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4 (32). С. 84-89.
6. Коновалов Ю.В., Герасимов Д.О. Исследование пуска электроприводов с двигателями переменного тока // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4 (36). С. 142-149.
7. Коновалов Ю.В. Математическое моделирование процесса пуска электродвигателей переменного тока. Вестник СГТУ. № 4 (68). 2012. С. 146 - 149.
8. Коновалов Ю.В. Учет пространственного положения ротора синхронной машины при преобразовании координат // Известия вузов. Горный журнал. 2013. № 2. С. 97-102.
9. Арсентьев О.В., Ляпушкин С.В., Гусев Н.В. Алгоритм адаптивной работы автоматической системы дозирования сыпучих материалов на основе статистических баз данных // Вестник ИрГТУ. 2012. № 10. С. 181-186.
10. Кузьмина Е.А., Кузьмин А.М. Функционально-стоимостный анализ. Концепции и перспективы. Методы менеджмента качества. М: РИА «Стандарты и качество», 2002. № 8. С. 8-14.
