تأثير دولاب الموازنة للمولد واستقرار نظام منظم سرعة التوربين

تأثير دولاب الموازنة للمولد واستقرار نظام منظم سرعة التوربين
تتميز مولدات الطاقة الكهرومائية الحديثة الكبيرة بثابت قصور ذاتي منخفض، وقد تواجه مشاكل تتعلق باستقرار نظام التحكم في التوربين. ويعود ذلك إلى سلوك مياه التوربين، التي تتسبب، بسبب قصورها الذاتي، في حدوث ظاهرة الطرق المائي في أنابيب الضغط عند تشغيل أجهزة التحكم. وتتميز هذه الظاهرة عمومًا بثوابت زمن التسارع الهيدروليكي. في التشغيل المنفرد، عندما يُحدد تردد النظام بأكمله بواسطة منظم التوربين، يؤثر الطرق المائي على التحكم في السرعة، ويظهر عدم الاستقرار على شكل تذبذب أو تقلب في التردد. أما في التشغيل المتصل بنظام كبير، فيُحافظ على التردد ثابتًا بشكل أساسي بواسطة هذا النظام. عندئذٍ، يؤثر الطرق المائي على الطاقة المُغذية للنظام، ولا تظهر مشكلة الاستقرار إلا عند التحكم في الطاقة ضمن حلقة مغلقة، أي في حالة مولدات الطاقة الكهرومائية التي تُشارك في تنظيم التردد.

يتأثر استقرار جهاز تنظيم سرعة التوربين بشكل كبير بنسبة ثابت التسارع الميكانيكي الناتج عن ثابت التسارع الهيدروليكي لكتل ​​الماء، وبمعامل كسب جهاز التنظيم. ويؤدي انخفاض هذه النسبة إلى زعزعة الاستقرار، مما يستلزم خفض معامل كسب جهاز التنظيم، الأمر الذي يؤثر سلبًا على استقرار التردد. وبناءً على ذلك، من الضروري تقليل تأثير دولاب الموازنة للأجزاء الدوارة في وحدة الطاقة الكهرومائية، وهو ما لا يمكن توفيره عادةً إلا في المولد. وبدلاً من ذلك، يمكن تقليل ثابت التسارع الميكانيكي من خلال توفير صمام تخفيف الضغط أو خزان موازنة، وما إلى ذلك، إلا أن ذلك مكلف للغاية. ويمكن وضع معيار تجريبي لقدرة وحدة توليد الطاقة الكهرومائية على تنظيم السرعة بناءً على ارتفاع سرعة الوحدة الذي قد يحدث عند فصل الحمل المقنن بالكامل للوحدة العاملة بشكل مستقل. وبالنسبة لوحدات الطاقة العاملة في أنظمة مترابطة كبيرة، والتي يُطلب منها تنظيم تردد النظام، فقد اعتُبر مؤشر ارتفاع السرعة المئوي، كما حُسب أعلاه، لا يتجاوز 45%. أما بالنسبة للأنظمة الأصغر، فيُفضل توفير ارتفاع أقل في السرعة (انظر الفصل 4).

مقطع طولي من مدخل المياه إلى محطة ديهار لتوليد الطاقة
(المصدر: ورقة بحثية للمؤلف - المؤتمر العالمي الثاني، الرابطة الدولية لموارد المياه 1979) يوضح الشكل نظام ضغط المياه الهيدروليكي لمحطة ديهار لتوليد الطاقة، والذي يربط خزان الموازنة بوحدة الطاقة، ويتكون من مدخل المياه، ونفق الضغط، وخزان التوازن التفاضلي، وأنبوب التوربين. وبتقييد أقصى ارتفاع للضغط في أنابيب التوربين بنسبة 35%، فإن أقصى ارتفاع مُقدَّر لسرعة الوحدة عند فصل الحمل الكامل يصل إلى حوالي 45% مع إغلاق منظم السرعة.
زمن التشغيل 9.1 ثانية عند ارتفاع مقنن يبلغ 282 مترًا (925 قدمًا) مع مراعاة تأثير دولاب الموازنة الطبيعي للأجزاء الدوارة للمولد (أي، مع الأخذ في الاعتبار ارتفاع درجة الحرارة فقط). في المرحلة الأولى من التشغيل، وُجد أن ارتفاع السرعة لا يتجاوز 43%. وبناءً على ذلك، اعتُبر تأثير دولاب الموازنة الطبيعي كافيًا لتنظيم تردد النظام.

معايير المولد والاستقرار الكهربائي
تُعدّ معلمات المولد التي تؤثر على الاستقرار هي تأثير دولاب الموازنة، والمفاعلة العابرة، ونسبة قصر الدائرة. في المرحلة الأولية لتطوير نظام الجهد العالي الفائق 420 كيلوفولت في ديهار، من المرجح أن تكون مشاكل الاستقرار حرجة نظرًا لضعف النظام، وانخفاض مستوى قصر الدائرة، والتشغيل بمعامل قدرة متقدم، والحاجة إلى ترشيد الإنفاق في توفير منافذ النقل وتحديد حجم ومعلمات وحدات التوليد. كما أشارت الدراسات الأولية لاستقرار العابر على محلل الشبكة (باستخدام جهد ثابت خلف المفاعلة العابرة) لنظام الجهد العالي الفائق في ديهار إلى أنه لن يتم الحصول إلا على استقرار هامشي. في المرحلة الأولى من تصميم محطة ديهار لتوليد الطاقة، تم النظر في تحديد مولدات ذات خصائص عادية.
يُعدّ تحسين خصائص النظام الكهربائي وتحقيق متطلبات استقراره من خلال ضبط معايير العوامل الأخرى ذات الصلة، وخاصةً معايير نظام الإثارة، بديلاً اقتصادياً أقل تكلفة. وقد أظهرت دراسة أُجريت على النظام البريطاني أن تغيير معايير المولد له تأثير ضئيل نسبياً على هوامش الاستقرار. وبناءً على ذلك، تم تحديد معايير المولد العادية كما هو موضح في الملحق. وتُعرض دراسات الاستقرار التفصيلية التي أُجريت في الملحق.

سعة شحن الخط واستقرار الجهد
في حالة استخدام مولدات الطاقة الكهرومائية البعيدة لشحن خطوط نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي جدًا (EHV) الطويلة غير المحملة، والتي تتجاوز قدرتها على الشحن (kVA) قدرة المولد على شحن الخط، فقد يتعرض المولد للإثارة الذاتية، مما يؤدي إلى ارتفاع الجهد بشكل خارج عن السيطرة. ويتحقق شرط الإثارة الذاتية عندما تكون xc < xd، حيث xc هي مفاعلة الحمل السعوية و xd هي مفاعلة المحور المباشر المتزامنة. تبلغ القدرة المطلوبة لشحن خط واحد غير محمل بجهد 420 كيلوفولت (E2 /xc) حتى بانيبات ​​(نقطة الاستقبال) حوالي 150 ميجا فار عند الجهد المقنن. وفي المرحلة الثانية، عند تركيب خط ثانٍ بجهد 420 كيلوفولت بنفس الطول، تبلغ قدرة شحن الخط المطلوبة لشحن كلا الخطين غير المحملين في آن واحد عند الجهد المقنن حوالي 300 ميجا فار.

كانت سعة شحن الخط المتاحة عند الجهد المقنن من مولد ديهار، كما أشار موردو المعدات، على النحو التالي:
(i)70 بالمائة من القدرة الظاهرية المقدرة، أي 121.8 ميجا فولت أمبير تفاعلي، يمكن شحن الخط بحد أدنى من الإثارة الموجبة بنسبة 10 بالمائة.
(ii) يمكن الوصول إلى 87 بالمائة من سعة شحن الخط المقدرة MVA، أي 139 MVAR، مع حد أدنى من الإثارة الإيجابية بنسبة 1 بالمائة.
(iii) يمكن الحصول على ما يصل إلى 100 بالمائة من سعة شحن الخط المقدرة MVAR، أي 173.8، مع ما يقرب من 5 بالمائة من الإثارة السلبية، وأقصى سعة شحن خط يمكن الحصول عليها مع إثارة سلبية بنسبة 10 بالمائة هي 110 بالمائة من سعة MVA المقدرة (191 MVAR) وفقًا لـ BSS.
(رابعًا) لا يمكن زيادة قدرات شحن الخط إلا بزيادة حجم الآلة. في الحالتين (ثانيًا) و(ثالثًا)، لا يمكن التحكم اليدوي في الإثارة، ويتعين الاعتماد كليًا على التشغيل المستمر لمنظمات الجهد الأوتوماتيكية سريعة الاستجابة. ليس من المجدي اقتصاديًا ولا من المستحسن زيادة حجم الآلة لغرض زيادة قدرات شحن الخط. وبناءً على ذلك، مع الأخذ في الاعتبار ظروف التشغيل في المرحلة الأولى، تقرر توفير قدرة شحن خط تبلغ 191 ميجا فولت أمبير تفاعلي عند الجهد المقنن للمولدات من خلال توفير إثارة سالبة عليها. قد تتسبب ظروف التشغيل الحرجة التي تؤدي إلى عدم استقرار الجهد أيضًا في فصل الحمل عند الطرف المستقبل. تحدث هذه الظاهرة بسبب التحميل السعوي على الآلة، والذي يتأثر سلبًا بزيادة سرعة المولد. قد يحدث الإثارة الذاتية وعدم استقرار الجهد في حال...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
حيث تمثل Xc مفاعلة الحمل السعوية، وXq مفاعلة التزامن على محور التربيع، وn أقصى سرعة زائدة نسبية تحدث عند فصل الحمل. وقد اقتُرح، وفقًا لدراسات تفصيلية، تجنب هذا الشرط في مولد ديهار بتوفير مفاعل تحويلة عالي الجهد للغاية (400 كيلوفولت، 75 ميجا فولت أمبير) موصول بشكل دائم عند طرف الاستقبال للخط.

ملف التخميد
تتمثل الوظيفة الرئيسية لملف التخميد في قدرته على منع ارتفاع الجهد الزائد في حالة حدوث أعطال بين الخطوط مع الأحمال السعوية، مما يقلل من إجهاد الجهد الزائد على المعدات. وبالنظر إلى الموقع البعيد وخطوط النقل الطويلة المتصلة، تم تحديد ملفات تخميد متصلة بالكامل بنسبة مفاعلة المحور التربيعي إلى مفاعلة المحور المباشر (Xnq/Xnd) لا تتجاوز 1.2.

خصائص المولد ونظام الإثارة
بعد تحديد خصائص المولدات العادية، ونظرًا لأن الدراسات الأولية أشارت إلى استقرار هامشي فقط، تقرر استخدام معدات إثارة ثابتة عالية السرعة لتحسين هوامش الاستقرار، وذلك لتحقيق الترتيب الأمثل والأكثر اقتصادية للمعدات. وقد أُجريت دراسات تفصيلية لتحديد الخصائص المثلى لمعدات الإثارة الثابتة، ونوقشت هذه الدراسات في الفصل العاشر.

الاعتبارات الزلزالية
تقع محطة ديهار لتوليد الطاقة الكهرومائية في منطقة زلزالية. وقد تم اقتراح الأحكام التالية في تصميم المولد الكهرومائي في ديهار بالتشاور مع مصنعي المعدات، مع مراعاة الظروف الزلزالية والجيولوجية في الموقع، وتقرير لجنة خبراء زلزال كوينا التي شكلتها حكومة الهند بمساعدة اليونسكو.

القوة الميكانيكية
يجب تصميم مولدات ديهار لتحمل بأمان أقصى قوة تسارع زلزالي متوقعة في الاتجاهين الرأسي والأفقي عند ديهار، والتي تؤثر في مركز الآلة.

التردد الطبيعي
يجب أن يكون التردد الطبيعي للآلة بعيدًا (أعلى) من التردد المغناطيسي البالغ 100 هرتز (ضعف تردد المولد). وسيتم التحقق من هذا التردد الطبيعي للتأكد من وجود هامش أمان كافٍ مقارنةً بالتردد السائد للزلازل والسرعة الحرجة للنظام الدوار.

دعامة الجزء الثابت للمولد
يتألف الجزء الثابت للمولد وقاعدة محامل الدفع والتوجيه السفلية من عدد من الصفائح السفلية. تُربط هذه الصفائح بالقاعدة جانبياً بالإضافة إلى الاتجاه الرأسي العادي بواسطة مسامير تثبيت.

تصميم محامل التوجيه
يجب أن تكون محامل التوجيه من النوع القطاعي، وأن تُعزز أجزاء محامل التوجيه لتحمل قوة الزلزال كاملةً. كما أوصى المصنّعون بربط الدعامة العلوية جانبيًا بالهيكل (غلاف المولد) باستخدام عوارض فولاذية. وهذا يعني أيضًا ضرورة تعزيز الهيكل الخرساني بدوره.

كشف اهتزازات المولدات
يوصى بتركيب أجهزة كشف الاهتزازات أو مقاييس اللامركزية على التوربينات والمولدات لإيقاف التشغيل وإطلاق الإنذار في حال تجاوزت الاهتزازات الناتجة عن الزلازل قيمة محددة مسبقًا. كما يمكن استخدام هذا الجهاز لكشف أي اهتزازات غير طبيعية في الوحدة نتيجةً لظروف هيدروليكية تؤثر على التوربين.

جهات اتصال ميركوري
قد يؤدي الاهتزاز الشديد الناتج عن الزلزال إلى فصل خاطئ للوحدة عند استخدام مفاتيح الزئبق. ويمكن تجنب ذلك إما بتحديد مفاتيح زئبقية مضادة للاهتزاز، أو بإضافة مرحلات توقيت عند الضرورة.

الاستنتاجات
(1) تم تحقيق وفورات كبيرة في تكلفة المعدات والهيكل في محطة ديهار للطاقة من خلال اعتماد حجم وحدة كبير مع مراعاة حجم الشبكة وتأثيرها على القدرة الاحتياطية للنظام.
(2) تم تخفيض تكلفة المولدات من خلال اعتماد تصميم المظلة للبناء، وهو أمر ممكن الآن للمولدات الكهرومائية الكبيرة عالية السرعة بفضل تطوير الفولاذ عالي الشد لثقوب حافة الدوار.
(3) أدى شراء مولدات ذات معامل قدرة عالي طبيعي بعد دراسات مفصلة إلى مزيد من التوفير في التكلفة.
(4) تم اعتبار تأثير دولاب الموازنة الطبيعي للأجزاء الدوارة للمولد في محطة تنظيم التردد في ديهار كافيًا لاستقرار نظام منظم التوربين بسبب النظام المترابط الكبير.
(5) يمكن تلبية المعايير الخاصة للمولدات البعيدة التي تغذي شبكات الجهد العالي للغاية لضمان الاستقرار الكهربائي من خلال أنظمة الإثارة الثابتة سريعة الاستجابة.
(6) يمكن لأنظمة الإثارة الساكنة سريعة الاستجابة توفير هوامش الاستقرار اللازمة. ومع ذلك، تتطلب هذه الأنظمة إشارات تغذية راجعة لتحقيق الاستقرار بعد حدوث العطل. ينبغي إجراء دراسات تفصيلية.
(7) يمكن منع الإثارة الذاتية وعدم استقرار الجهد للمولدات البعيدة المتصلة بالشبكة بواسطة خطوط الجهد العالي جدًا الطويلة عن طريق زيادة سعة شحن الخط للآلة باللجوء إلى الإثارة السلبية و/أو عن طريق استخدام مفاعلات التحويلة ذات الجهد العالي جدًا المتصلة بشكل دائم.
(8) يمكن وضع أحكام في تصميم المولدات وأساساتها لتوفير ضمانات ضد القوى الزلزالية بتكاليف منخفضة.

المعايير الرئيسية لمولدات ديهار
نسبة قصر الدائرة = 1.06
المفاعلة العابرة على المحور المباشر = 0.2
تأثير دولاب الموازنة = 39.5 × 106 رطل قدم مربع
Xnq/Xnd لا يزيد عن = 1.2