אפקט גלגל התנופה של הגנרטור ויציבות מערכת מווסת הטורבינה

אפקט גלגל תנופה של הגנרטור ויציבות מערכת וסת הטורבינה אפקט גלגל תנופה של הגנרטור ויציבות מערכת וסת הטורבינה אפקט גלגל תנופה של הגנרטור ויציבות מערכת וסת הטורבינה אפקט גלגל תנופה של הגנרטור ויציבות מערכת וסת הטורבינה
לגנרטורים הידרואלקטריים מודרניים גדולים יש קבוע אינרציה קטן יותר והם עלולים להיתקל בבעיות בנוגע ליציבות מערכת בקרת הטורבינה. ​​זאת בשל התנהגות מי הטורבינה, אשר בשל האינרציה שלהם גורמים לפטיש מים בצינורות הלחץ כאשר מתקני הבקרה מופעלים. זה מאופיין בדרך כלל בקבועי זמן של תאוצה הידראולית. בפעולה מבודדת, כאשר תדר המערכת כולה נקבע על ידי ווסת הטורבינה, פטיש המים משפיע על בקרת המהירות וחוסר היציבות מופיע כציד או תנודות תדר. בפעולה מקושרת עם מערכת גדולה, התדר נשמר למעשה קבוע על ידי האחרונה. פטיש המים משפיע אז על ההספק המוזן למערכת ובעיית יציבות מתעוררת רק כאשר ההספק נשלט בלולאה סגורה, כלומר, במקרה של גנרטורים הידרואלקטריים המשתתפים בוויסות התדר.

יציבות גלגל השיניים של הטורבינה מושפעת במידה רבה מהיחס בין קבוע הזמן של התאוצה המכנית עקב קבוע הזמן של התאוצה ההידראולית של מסות המים ומהגבר של הווסת. הפחתה של היחס הנ"ל גורמת לאפקט יציבות ומחייבת הפחתה של הגבר הווסת, דבר המשפיע לרעה על ייצוב התדר. לפיכך, יש צורך בהשפעת גלגל תנופה מינימלית עבור חלקים מסתובבים של יחידת מנוע הידרואלקטרית, שבדרך כלל ניתן לספק אותה רק בגנרטור. לחלופין, ניתן להפחית את קבוע הזמן של התאוצה המכנית על ידי התקנת שסתום שחרור לחץ או מיכל נחשול וכו', אך זה בדרך כלל יקר מאוד. קריטריון אמפירי ליכולת ויסות המהירות של יחידת ייצור הידרואלקטרית יכול להתבסס על עליית המהירות של היחידה, שעשויה להתרחש עם דחיית כל העומס המדורג של היחידה הפועלת באופן עצמאי. עבור יחידות כוח הפועלות במערכות גדולות המחוברות זו לזו ונדרש לווסת את תדר המערכת, מדד עליית המהירות באחוזים כפי שחושב לעיל נחשב כלא יעלה על 45 אחוזים. עבור מערכות קטנות יותר, יש לספק עליית מהירות קטנה יותר (ראה פרק 4).

חתך אורכי מנקודת היניקה לתחנת הכוח דהאר
(מקור: מאמר מאת המחבר - הקונגרס העולמי השני, איגוד משאבי המים הבינלאומי 1979) עבור תחנת הכוח דהר, מוצגת מערכת מים בלחץ הידראולי המחברת את מאגר האיזון עם יחידת הכוח המורכבת מכניסת מים, מנהרת לחץ, מיכל נחשול דיפרנציאלי ומחסום. הגבלת עליית הלחץ המקסימלית במחסומי המים ל-35 אחוז, עליית המהירות המקסימלית המשוערת של היחידה בעת דחיית עומס מלא מחושבת לכ-45 אחוז עם סגירת מווסת.
זמן של 9.1 שניות בעומס מדורג של 282 מטר (925 רגל) עם אפקט גלגל תנופה רגיל של החלקים המסתובבים של הגנרטור (כלומר, קבוע על סמך שיקולי עליית הטמפרטורה בלבד). בשלב הראשון של הפעולה נמצא כי עליית המהירות אינה עולה על 43 אחוזים. בהתאם לכך, הוחלט כי אפקט גלגל תנופה רגיל מספיק לוויסות תדירות המערכת.

פרמטרים של גנרטור ויציבות חשמלית
פרמטרי הגנרטור המשפיעים על היציבות הם אפקט גלגל התנופה, תגובת המעבר ויחס הקצר. בשלב הראשוני של פיתוח מערכת EHV של 420 קילו-וולט כמו בדהר, בעיות יציבות עלולות להיות קריטיות בגלל מערכת חלשה, רמת קצר נמוכה יותר, פעולה במקדם הספק מוביל, והצורך בחיסכון באספקת שקעי הולכה וקביעת גודל ופרמטרים של יחידות ייצור. מחקרי יציבות מעבר ראשוניים על מנתח רשת (המשתמש במתח קבוע מאחורי תגובת המעבר) עבור מערכת EHV בדהר הצביעו גם הם על כך שתושג יציבות שולית בלבד. בשלב המוקדם של תכנון תחנת הכוח בדהר, נחשב כי הגדרת גנרטורים עם מתח רגיל...
מאפיינים והשגת דרישות יציבות על ידי אופטימיזציה של פרמטרים של גורמים אחרים המעורבים, במיוחד אלו של מערכת העירור, יהיו אלטרנטיבה זולה יותר מבחינה כלכלית. במחקר של המערכת הבריטית הוכח גם כי שינוי פרמטרי הגנרטור משפיע באופן יחסי פחות על שולי היציבות. בהתאם לכך, פרמטרי גנרטור רגילים כפי שניתנו בנספח פורטו עבור הגנרטור. מחקרי היציבות המפורטים שבוצעו ניתנים כאן.

קיבולת טעינת קו ויציבות מתח
גנרטורים הידרואלקטריים הממוקמים מרחוק, המשמשים לטעינת קווי EHV ארוכים ולא עמוסים, אשר ה-kVA שלהם גבוה מיקבולת טעינת הקו של המכונה. המכונה עלולה לעורר את עצמה והמתח עולה ללא שליטה. התנאי לעירור עצמי הוא ש-xc < xd כאשר, xc הוא תגובת העומס הקיבולית ו-xd הוא תגובת הציר הישיר הסינכרוני. הקיבולת הנדרשת לטעינת קו יחיד של 420 קילו-וולט ללא עמלה, E2 /xc, עד לפאניפאט (קצה המקבל), הייתה כ-150 MVAR במתח המדורג. בשלב השני, כאשר מותקן קו שני של 420 קילו-וולט באורך שווה ערך, קיבולת טעינת הקו הנדרשת לטעינת שני הקווים ללא עמלה בו זמנית במתח המדורג תהיה כ-300 MVAR.

קיבולת טעינת הקו הזמינה במתח מדורג מגנרטור Dehar כפי שצוין על ידי ספקי הציוד הייתה כדלקמן:
(i) 70 אחוז MVA מדורג, כלומר, טעינת קו של 121.8 MVAR אפשרית עם עירור חיובי מינימלי של 10 אחוז.
(ii) קיבולת טעינה של עד 87 אחוזים מה-MVA המדורג, כלומר, קיבולת טעינה של קו 139 MVAR אפשרית עם עירור חיובי מינימלי של 1 אחוז.
(iii) ניתן להשיג עד 100 אחוז מה-MVAR המדורג, כלומר, קיבולת טעינה של קו 173.8 עם עירור שלילי של כ-5 אחוזים, וקיבולת טעינה מקסימלית של קו שניתן להשיג עם עירור שלילי של 10 אחוזים היא 110 אחוז מה-MVA המדורג (191 MVAR) לפי BSS.
(iv) הגדלה נוספת של קיבולות טעינת הקו אפשרית רק על ידי הגדלת גודל המכונה. במקרה של (ii) ו-(iii) שליטה ידנית של העירור אינה אפשרית ויש להסתמך באופן מלא על פעולה רציפה של ווסתים אוטומטיים מהירים. לא כדאי מבחינה כלכלית ולא רצוי להגדיל את גודל המכונה לצורך הגדלת קיבולות טעינת הקו. בהתאם לכך, בהתחשב בתנאי ההפעלה בשלב הראשון של ההפעלה, הוחלט לספק קיבולת טעינת קו של 191 MVAR במתח מדורג עבור הגנרטורים על ידי מתן עירור שלילי על הגנרטורים. מצב פעולה קריטי הגורם לחוסר יציבות במתח עלול להיגרם גם עקב ניתוק העומס בקצה המקבל. התופעה מתרחשת עקב עומס קיבולי על המכונה, אשר מושפע לרעה עוד יותר מעליית מהירות הגנרטור. עירור עצמי וחוסר יציבות במתח עלולים להתרחש אם.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
כאשר Xc הוא תגובת העומס הקיבולית, Xq הוא תגובת הציר הסינכרוני של הציר הריבועי ו-n הוא מהירות היתר היחסית המקסימלית המתרחשת בעת דחיית עומס. הוצע למנוע מצב זה בגנרטור Dehar על ידי אספקת כור שאנט EHV של 400 קילו-וולט (75 מגה-וולט) המחובר לצמיתות בקצה המקבל של הקו, בהתאם למחקרים מפורטים שבוצעו.

סליל דמפר
התפקיד העיקרי של סליל בולם הוא יכולתו למנוע מתח יתר מוגזם במקרה של תקלות קו לקו עם עומסים קיבוליים, ובכך להפחית את עומס המתח על הציוד. בהתחשב במיקום מרוחק ובקווי תמסורת ארוכים המחוברים זה לזה, צוין כי סלילי בולם מחוברים במלואם כאשר יחס הריאקציות הריבועיות והציר הישיר Xnq/Xnd אינו עולה על 1.2.

מאפיין גנרטור ומערכת עירור
לאחר שצוינו גנרטורים בעלי מאפיינים תקינים ומחקרים ראשוניים הצביעו על יציבות שולית בלבד, הוחלט להשתמש בציוד עירור סטטי במהירות גבוהה כדי לשפר את שולי היציבות ולהשיג את הסידור החסכוני ביותר של הציוד. נערכו מחקרים מפורטים כדי לקבוע את המאפיינים האופטימליים של ציוד העירור הסטטי ונדונים בפרק 10.

שיקולים סייסמיים
תחנת הכוח דהאר נופלת באזור סייסמי. ההוראות הבאות בתכנון גנרטור ההידרואלקטרי בדהר הוצעו בהתייעצות עם יצרני הציוד ובהתחשב בתנאים הסייסמיים והגיאולוגיים באתר ובדו"ח ועדת המומחים לרעידות אדמה של קוינה שהוקמה על ידי ממשלת הודו בסיוע אונסק"ו.

חוזק מכני
גנרטורים של Dehar יתוכננו לעמוד בבטחה בכוח התאוצה המרבי של רעידת אדמה, הן בכיוון האנכי והן בכיוון האופקי, הצפוי ב-Dehar הפועל במרכז המכונה.

תדר טבעי
יש לשמור על התדר הטבעי של המכונה רחוק (גבוה יותר) מהתדר המגנטי של 100 הרץ (פי שניים מתדר הגנרטור). תדר טבעי זה יהיה רחוק מתדר רעידת האדמה וייבדק כמרווח הולם מול התדר השולט של רעידת האדמה ומהירותה הקריטית של המערכת המסתובבת.

תמיכה בסטטור של גנרטור
יסודות הסטטור של הגנרטור, מיסבי הדחף והמדריך התחתונים מורכבים ממספר לוחות בסיס. לוחות הבסיס מחוברים ליסודות לרוחב בנוסף לכיוון האנכי הרגיל באמצעות ברגי יסוד.

עיצוב מיסב מדריך
מיסבי ההנחיה יהיו מסוג סגמנטליים וחלקי מיסב ההנחיה מחוזקים כדי לעמוד בעוצמת רעידת אדמה מלאה. היצרנים המליצו בנוסף לקשור את התושבת העליונה לרוחב הקנה (מתחם הגנרטור) באמצעות קורות פלדה. משמעות הדבר היא שגם חבית הבטון בתורה תצטרך להתחזק.

גילוי רעידות של גנרטורים
הומלץ להתקין גלאי רעידות או מדי אקסצנטריות על טורבינות וגנרטורים לצורך כיבוי והתרעה במקרה שהרעידות עקב רעידת אדמה עולות על ערך קבוע מראש. ניתן להשתמש במכשיר זה גם לגילוי רעידות חריגות של יחידה עקב תנאים הידראוליים המשפיעים על הטורבינה.

מגעי מרקורי
רעידות חזקות עקב רעידת אדמה עלולות לגרום לניתוק שגוי לצורך כיבוי היחידה אם משתמשים במגעי כספית. ניתן להימנע מכך על ידי הגדרת מתגי כספית מסוג נוגדי רעידות או, במידת הצורך, על ידי הוספת ממסרי תזמון.

מסקנות
(1) חיסכון משמעותי בעלות הציוד והמבנה בתחנת הכוח דהאר הושג על ידי אימוץ יחידות גדולות תוך התחשבות בגודל הרשת והשפעתה על קיבולת הרזרביות של המערכת.
(2) עלות הגנרטורים הופחתה על ידי אימוץ עיצוב מטריה של בנייה, שכעת אפשרי עבור גנרטורים הידרואלקטריים גדולים במהירות גבוהה הודות לפיתוח פלדה בעלת מתיחה גבוהה עבור ניקובי שפת הרוטור.
(3) רכישת גנרטורים בעלי גורם הספק גבוה טבעי לאחר מחקרים מפורטים הביאה לחיסכון נוסף בעלויות.
(4) השפעת גלגל התנופה הרגילה של החלקים המסתובבים של הגנרטור בתחנת ויסות התדר בדהר נחשבה מספקת ליציבות מערכת ויסות הטורבינה בגלל המערכת המחוברת הגדולה.
(5) פרמטרים מיוחדים של גנרטורים מרוחקים המזינים רשתות EHV להבטחת יציבות חשמלית ניתנים לעמוד בהם באמצעות מערכות עירור סטטיות בעלות תגובה מהירה.
(6) מערכות עירור סטטיות בעלות פעולה מהירה יכולות לספק את שולי היציבות הנדרשים. עם זאת, מערכות כאלה דורשות אותות משוב ייצוביים כדי להשיג יציבות לאחר תקלה. יש לבצע מחקרים מפורטים.
(7) ניתן למנוע עירור עצמי וחוסר יציבות במתח של גנרטורים מרוחקים המחוברים לרשת באמצעות קווי EHV ארוכים על ידי הגדלת קיבולת טעינת הקו של המכונה באמצעות עירור שלילי ו/או על ידי שימוש בכורי שאנט EHV המחוברים באופן קבוע.
(8) ניתן לבצע הוראות בתכנון גנרטורים ויסודותיהם כדי לספק אמצעי הגנה מפני כוחות סייסמיים בעלויות נמוכות.

פרמטרים עיקריים של גנרטורים של Dehar
יחס קצר חשמלי = 1.06
ציר ישר של ריאקטנס חולף = 0.2
אפקט גלגל תנופה = 39.5 x 106 ליברות רגל רבועות
Xnq/Xnd לא גדול מ- = 1.2