книги / Математическое моделирование газотурбинных мини-электростанций и мини-энергосистем

Стопорный 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:

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

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

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.