Vliv setrvačníku generátoru a stabilita regulačního systému turbínyVliv setrvačníku generátoru a stabilita regulačního systému turbínyVliv setrvačníku generátoru a stabilita regulačního systému turbínyVliv setrvačníku generátoru a stabilita regulačního systému turbíny
Velké moderní vodní generátory mají menší konstantu setrvačnosti a mohou čelit problémům se stabilitou regulačního systému turbíny. To je způsobeno chováním vody v turbíně, která kvůli své setrvačnosti způsobuje vodní ráz v tlakovém potrubí při provozu regulačních zařízení. To je obecně charakterizováno časovými konstantami hydraulického zrychlení. V izolovaném provozu, kdy je frekvence celého systému určena regulátorem turbíny, vodní ráz ovlivňuje regulaci otáček a nestabilita se projevuje jako kolísání nebo kolísání frekvence. U propojeného provozu s velkým systémem je frekvence v podstatě udržována konstantní tímto systémem. Vodní ráz pak ovlivňuje výkon dodávaný do systému a problém se stabilitou vzniká pouze tehdy, když je výkon regulován v uzavřené smyčce, tj. v případě těch vodních generátorů, které se podílejí na regulaci frekvence.
Stabilita převodu regulátoru turbíny je výrazně ovlivněna poměrem časové konstanty mechanického zrychlení v důsledku časové konstanty hydraulického zrychlení vodních hmot a zesílením regulátoru. Snížení výše uvedeného poměru má destabilizující účinek a vyžaduje snížení zesílení regulátoru, což nepříznivě ovlivňuje stabilizaci frekvence. Proto je nezbytný minimální efekt setrvačníku pro rotující části hydroagregátu, který lze normálně zajistit pouze v generátoru. Alternativně by mohla být časová konstanta mechanického zrychlení snížena použitím přetlakového ventilu nebo vyrovnávací nádrže atd., ale to je obecně velmi nákladné. Empirické kritérium pro schopnost regulace otáček hydroagregátu by mohlo být založeno na nárůstu otáček jednotky, ke kterému může dojít při odmítnutí celého jmenovitého zatížení jednotky pracující nezávisle. U energetických jednotek pracujících ve velkých propojených systémech, které jsou povinny regulovat frekvenci systému, byl výše vypočítaný procentuální index nárůstu otáček považován za nepřesahující 45 procent. U menších systémů je nutné zajistit menší nárůst otáček (viz kapitola 4).
Podélný řez od vstupu do elektrárny Dehar
(Zdroj: Článek autora – 2. světový kongres, Mezinárodní asociace vodních zdrojů 1979) Pro elektrárnu Dehar je znázorněn hydraulický tlakový vodní systém spojující vyrovnávací zásobník s energetickou jednotkou, který se skládá z přívodu vody, tlakového tunelu, vyrovnávací nádrže a potrubí. Při omezení maximálního nárůstu tlaku v potrubích na 35 procent se odhadovaný maximální nárůst otáček jednotky při odmítnutí plného zatížení vypočítaný na přibližně 45 procent se zavřeným regulátorem.
doba 9,1 sekundy při jmenovitém spádu 282 m (925 stop) s normálním setrvačným účinkem rotujících částí generátoru (tj. fixním pouze s ohledem na nárůst teploty). V první fázi provozu nebyl nárůst otáček větší než 43 procent. Proto bylo shledáno, že normální setrvačný účinek je pro regulaci frekvence systému dostatečný.
Parametry generátoru a elektrická stabilita
Parametry generátoru, které mají vliv na stabilitu, jsou setrvačníkový efekt, přechodová reaktance a zkratový poměr. V počáteční fázi vývoje systému EHV 420 kV, jako je tomu v Deharu, mohou být problémy se stabilitou kritické kvůli slabému systému, nižší úrovni zkratu, provozu s předstihovým účiníkem a potřebě úspor při zajišťování přenosových zásuvek a stanovování velikosti a parametrů výrobních jednotek. Předběžné studie přechodové stability na analyzátoru sítě (s použitím konstantního napětí za přechodovou reaktancí) pro systém EHV Dehar také ukázaly, že bude dosaženo pouze marginální stability. V rané fázi návrhu elektrárny Dehar se uvažovalo o tom, že specifikace generátorů s normálním...
Ekonomicky levnější alternativou by bylo dosažení požadavků na stabilitu optimalizací parametrů dalších faktorů, zejména budicího systému. Studie britského systému také ukázala, že změna parametrů generátoru má poměrně mnohem menší vliv na rezervy stability. Pro generátor byly proto specifikovány normální parametry generátoru, jak je uvedeno v dodatku. Podrobné provedené studie stability jsou uvedeny v následujících bodech.
Nabíjecí kapacita a stabilita napětí ze sítě
U vzdáleně umístěných vodních generátorů používaných k nabíjení dlouhých nezatížených vedení vysokého napětí (EVN), jejichž nabíjecí výkon v kVA je větší než nabíjecí kapacita stroje, se stroj může samobudit a napětí se může nekontrolovatelně zvýšit. Podmínkou pro samobuzení je, že xc < xd, kde xc je kapacitní reaktance zátěže a xd je synchronní reaktance přímé osy. Kapacita potřebná pro nabíjení jednoho nezatíženého vedení 420 kV E2/xc až do Panipatu (přijímací konec) byla přibližně 150 MVAR při jmenovitém napětí. Ve druhém stupni, kdy je instalováno druhé vedení 420 kV ekvivalentní délky, by nabíjecí kapacita vedení potřebná k současnému nabití obou nezatížených vedení při jmenovitém napětí byla přibližně 300 MVAR.
Nabíjecí kapacita sítě dostupná při jmenovitém napětí z generátoru Dehar, jak uvedli dodavatelé zařízení, byla následující:
(i) 70 procent jmenovitého MVA, tj. nabíjení sítě 121,8 MVAR, je možné s minimálním kladným buzením 10 procent.
(ii) S minimálním kladným buzením 1 procento je možné dosáhnout až 87 procent jmenovitého výkonu MVA, tj. nabíjecí kapacity sítě 139 MVAR.
(iii) Až 100 procent jmenovitého MVAR, tj. 173,8 nabíjecí kapacity sítě, lze dosáhnout s přibližně 5% záporným buzením a maximální nabíjecí kapacity sítě, které lze dosáhnout s 10% záporným buzením, je 110 procent jmenovitého MVA (191 MVAR) dle BSS.
(iv) Další zvýšení kapacity nabíjení sítě je možné pouze zvětšením velikosti stroje. V případě (ii) a (iii) není ruční ovládání buzení možné a je nutné se plně spolehnout na nepřetržitý provoz rychločinných automatických regulátorů napětí. Není ekonomicky proveditelné ani žádoucí zvětšovat velikost stroje za účelem zvýšení kapacity nabíjení sítě. Vzhledem k provozním podmínkám v první fázi provozu bylo proto rozhodnuto zajistit kapacitu nabíjení sítě 191 MVAR při jmenovitém napětí generátorů tím, že se generátory zajistí záporné buzení. Kritický provozní stav způsobující nestabilitu napětí může být také způsoben odpojením zátěže na přijímací straně. K tomuto jevu dochází v důsledku kapacitního zatížení stroje, které je dále negativně ovlivněno nárůstem otáček generátoru. K samobuzení a nestabilitě napětí může dojít, pokud...
Xc ≤ n² (Xq + XT)
Kde Xc je reaktance kapacitní zátěže, Xq je synchronní reaktance kvadraturní osy a n je maximální relativní překročení rychlosti, ke kterému dochází při odmítnutí zátěže. Podle provedených podrobných studií bylo navrženo, aby se tomuto stavu na Deharově generátoru zabránilo zavedením trvale připojené 400 kV zvýšeně vysokého napětí (75 MVA) vedlejších proudových tlumivek na přijímacím konci vedení.
Tlumič vinutí
Hlavní funkcí tlumicího vinutí je jeho schopnost zabránit nadměrnému přepětí v případě mezifázových poruch s kapacitními zátěžemi, a tím snížit přepěťové zatížení zařízení. S ohledem na odlehlé umístění a dlouhá propojovací vedení byla specifikována plně zapojená tlumicí vinutí s poměrem kvadraturní a přímé reaktance Xnq/Xnd nepřesahujícím 1,2.
Charakteristika generátoru a budicí systém
Poté, co byly specifikovány generátory s normálními charakteristikami a předběžné studie ukázaly pouze marginální stabilitu, bylo rozhodnuto, že se pro zlepšení rezerv stability a dosažení celkově nejekonomičtějšího uspořádání zařízení použije vysokorychlostní statické budicí zařízení. Byly provedeny podrobné studie za účelem určení optimálních charakteristik statického budicího zařízení, které jsou diskutovány v kapitole 10.
Seismické úvahy
Elektrárna Dehar se nachází v seismické zóně. Následující opatření v projektu vodního generátoru v Deharu byla navržena po konzultaci s výrobci zařízení a s ohledem na seismické a geologické podmínky v lokalitě a zprávu Výboru expertů pro zemětřesení v Koyně, který zřídila indická vláda s pomocí UNESCO.
Mechanická pevnost
Generátory Dehar musí být navrženy tak, aby bezpečně odolaly maximální síle zrychlení zemětřesení ve svislém i vodorovném směru, která se u Deharu očekává a působí ve středu stroje.
Přirozená frekvence
Vlastní frekvence stroje by měla být udržována v dostatečné vzdálenosti (vyšší) od magnetické frekvence 100 Hz (dvojnásobek frekvence generátoru). Tato vlastní frekvence bude značně vzdálena od frekvence zemětřesení a bude kontrolována z hlediska dostatečné rezervy vůči převládající frekvenci zemětřesení a kritické rychlosti rotujícího systému.
Podpěra statoru generátoru
Základy statoru generátoru a spodních axiálních a vodicích ložisek se skládají z několika základových desek. Základové desky jsou k základům připevněny bočně i ve svislém směru základovými šrouby.
Konstrukce vodicího ložiska
Vodicí ložiska musí být segmentového typu a části vodicích ložisek musí být zesíleny tak, aby odolaly plné síle zemětřesení. Výrobci dále doporučují spojit horní konzolu bočně s válcem (krytem generátoru) pomocí ocelových nosníků. To by také znamenalo, že by betonový válec musel být následně zesílen.
Detekce vibrací generátorů
Byla doporučena instalace detektorů vibrací nebo měřičů excentricity na turbíny a generátory pro zahájení odstavení a spuštění alarmu v případě, že vibrace způsobené zemětřesením překročí předem stanovenou hodnotu. Toto zařízení lze také použít k detekci neobvyklých vibrací jednotky v důsledku hydraulických podmínek ovlivňujících turbínu.
Kontakty Mercury
Silné otřesy způsobené zemětřesením mohou vést k falešnému vypnutí jednotky, pokud jsou použity rtuťové kontakty. Tomu se lze vyhnout buď specifikací antivibračních rtuťových spínačů, nebo v případě potřeby přidáním časových relé.
Závěry
(1) Významných úspor nákladů na vybavení a konstrukci elektrárny Dehar bylo dosaženo použitím velkých bloků s ohledem na velikost sítě a její vliv na volnou kapacitu systému.
(2) Náklady na generátory byly sníženy přijetím zastřešujícího konstrukčního řešení, které je nyní možné u velkých vysokorychlostních vodních generátorů díky vývoji vysokopevnostní oceli pro děrování věnců rotorů.
(3) Pořízení přirozených generátorů s vysokým účiníkem po podrobných studiích vedlo k dalším úsporám nákladů.
(4) Normální setrvačný efekt rotujících částí generátoru ve stanici pro regulaci frekvence v Deharu byl považován za dostatečný pro stabilitu systému regulátoru turbíny vzhledem k rozsáhlému propojenému systému.
(5) Speciální parametry vzdálených generátorů napájejících sítě vysokého napětí pro zajištění elektrické stability lze splnit rychloreagujícími statickými budicími systémy.
(6) Rychle působící statické budicí systémy mohou poskytnout potřebné rezervy stability. Takové systémy však vyžadují stabilizační zpětnovazební signály pro dosažení stability po poruše. Měly by být provedeny podrobné studie.
(7) Samobuzení a napěťové nestabilitě vzdálených generátorů propojených se sítí dlouhými vedeními vysokého napětí (EVN) lze zabránit zvýšením nabíjecí kapacity stroje v síti využitím záporného buzení a/nebo použitím trvale připojených shuntovacích tlumivek EVN.
(8) V návrhu generátorů a jejich základů lze přijmout opatření k zajištění ochrany proti seismickým silám s nízkými náklady.
Hlavní parametry generátorů Dehar
Zkratový poměr = 1,06
Přechodová reaktance přímé osy = 0,2
Efekt setrvačníku = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd ne větší než = 1,2
Čas zveřejnění: 11. května 2021
