Efekt koła zamachowego generatora i stabilność układu regulatora turbiny

Efekt koła zamachowego generatora i stabilność układu regulatora turbinyEfekt koła zamachowego generatora i stabilność układu regulatora turbinyEfekt koła zamachowego generatora i stabilność układu regulatora turbinyEfekt koła zamachowego generatora i stabilność układu regulatora turbiny
Duże nowoczesne generatory wodne mają mniejszą stałą bezwładności i mogą mieć problemy ze stabilnością układu regulacji turbiny. Wynika to z zachowania wody turbiny, która ze względu na swoją bezwładność powoduje uderzenie hydrauliczne w rurach ciśnieniowych, gdy obsługiwane są urządzenia sterujące. Jest to ogólnie charakteryzowane przez stałe czasowe przyspieszenia hydraulicznego. W przypadku pracy izolowanej, gdy częstotliwość całego układu jest określana przez regulator turbiny, uderzenie wodne wpływa na regulację prędkości, a niestabilność pojawia się jako polowanie lub wahania częstotliwości. W przypadku pracy połączonej z dużym układem częstotliwość jest zasadniczo utrzymywana na stałym poziomie przez ten ostatni. Uderzenie wodne wpływa następnie na moc dostarczaną do układu, a problem stabilności pojawia się tylko wtedy, gdy moc jest kontrolowana w zamkniętej pętli, tj. w przypadku tych generatorów wodnych, które biorą udział w regulacji częstotliwości.

​Stabilność przekładni regulatora turbiny jest w dużym stopniu zależna od stosunku stałej czasowej przyspieszenia mechanicznego ze względu na stałą czasową przyspieszenia hydraulicznego mas wody i wzmocnienia regulatora. Zmniejszenie powyższego stosunku ma efekt destabilizujący i wymaga zmniejszenia wzmocnienia regulatora, co niekorzystnie wpływa na stabilizację częstotliwości. W związku z tym konieczny jest minimalny efekt koła zamachowego dla obracających się części hydrozespołu, który normalnie może być zapewniony tylko w generatorze. Alternatywnie stała czasowa przyspieszenia mechanicznego może zostać zmniejszona przez zapewnienie zaworu bezpieczeństwa lub zbiornika wyrównawczego itp., ale jest to na ogół bardzo kosztowne. Kryteria empiryczne dotyczące zdolności regulacji prędkości hydrozespołu mogą być oparte na wzroście prędkości zespołu, który może mieć miejsce po odrzuceniu całego obciążenia znamionowego zespołu pracującego niezależnie. W przypadku jednostek energetycznych pracujących w dużych połączonych systemach i które są wymagane do regulacji częstotliwości systemu, uznano, że obliczony powyżej procentowy wskaźnik wzrostu prędkości nie przekracza 45 procent. W przypadku mniejszych systemów należy zapewnić mniejszy wzrost prędkości (patrz rozdział 4).

Przekrój podłużny od wlotu do elektrowni Dehar
(Źródło: Praca autora – 2. światowy kongres, International Water Resources Association 1979) W przypadku elektrowni Dehar pokazano hydrauliczny układ ciśnieniowy wody łączący zbiornik wyrównawczy z jednostką energetyczną składającą się z wlotu wody, tunelu ciśnieniowego, różnicowego zbiornika wyrównawczego i rurociągu doprowadzającego. Ograniczając maksymalny wzrost ciśnienia w rurociągach doprowadzających do 35 procent, szacowany maksymalny wzrost prędkości jednostki po odrzuceniu pełnego obciążenia wyniósł około 45 procent przy zamykającym się regulatorze
czas 9,1 sekundy przy nominalnej wysokości podnoszenia 282 m (925 stóp) z normalnym efektem koła zamachowego obracających się części generatora (tj. przy uwzględnieniu jedynie wzrostu temperatury). W pierwszym etapie działania stwierdzono, że wzrost prędkości nie był większy niż 43 procent. Uznano zatem, że normalny efekt koła zamachowego jest wystarczający do regulacji częstotliwości układu.

Parametry generatora i stabilność elektryczna
Parametry generatora, które mają wpływ na stabilność, to efekt koła zamachowego, reaktancja przejściowa i współczynnik zwarcia. Na początkowym etapie rozwoju systemu EHV 420 kV w Dehar problemy stabilności mogą być krytyczne ze względu na słaby system, niższy poziom zwarcia, pracę przy wiodącym współczynniku mocy i potrzebę oszczędności w zapewnianiu wyjść przesyłowych oraz ustalaniu wielkości i parametrów jednostek generujących. Wstępne badania stabilności przejściowej na analizatorze sieciowym (używającym stałego napięcia za reaktancją przejściową) dla systemu EHV Dehar również wskazały, że uzyskana zostanie jedynie marginalna stabilność. Na wczesnym etapie projektowania elektrowni Dehar rozważano, że określenie generatorów z normalnymi
charakterystyki i osiągnięcie wymagań stabilności poprzez optymalizację parametrów innych zaangażowanych czynników, zwłaszcza tych układu wzbudzenia, byłoby ekonomicznie tańszą alternatywą. W badaniu brytyjskiego systemu wykazano również, że zmiana parametrów generatora ma stosunkowo znacznie mniejszy wpływ na marginesy stabilności. W związku z tym dla generatora określono normalne parametry generatora podane w załączniku. Szczegółowe badania stabilności przeprowadzone są podane

Pojemność ładowania sieciowego i stabilność napięcia
Zdalnie zlokalizowane hydrogeneratory używane do ładowania długich nieobciążonych linii EHV, których ładowanie kVA jest większe niż pojemność ładowania linii maszyny, maszyna może stać się samowzbudna, a napięcie wzrosnąć poza kontrolę. Warunkiem samowzbudzenia jest to, że xc < xd, gdzie xc jest pojemnościową reaktancją obciążenia, a xd synchroniczną reaktancją osi bezpośredniej. Pojemność wymagana do ładowania jednej nieobciążonej linii 420 kV E2 /xc do Panipat (koniec odbiorczy) wynosiła około 150 MVAR przy napięciu znamionowym. W drugim etapie, gdy zainstalowana jest druga linia 420 kV o równoważnej długości, pojemność ładowania linii wymagana do jednoczesnego ładowania obu nieobciążonych linii przy napięciu znamionowym wyniosłaby około 300 MVAR.

Dostępna wydajność ładowania liniowego przy napięciu znamionowym generatora Dehar, zgodnie z informacjami podanymi przez dostawców sprzętu, przedstawiała się następująco:
(i)Możliwe jest ładowanie linii o mocy znamionowej 70 procent MVA, tj. 121,8 MVAR przy minimalnym wzbudzeniu dodatnim wynoszącym 10 procent.
(ii) Możliwe jest osiągnięcie do 87 procent znamionowej MVA, tj. 139 MVAR pojemności ładowania liniowego przy minimalnym wzbudzeniu dodatnim wynoszącym 1 procent.
(iii) Do 100 procent znamionowej MVAR, tj. 173,8 MVAR, można uzyskać przy ujemnej wartości wzbudzenia wynoszącej około 5 procent, a maksymalna liniowa moc ładowania, jaką można uzyskać przy ujemnej wartości wzbudzenia wynoszącej 10 procent, wynosi 110 procent znamionowej MVA (191 MVAR) zgodnie z BSS.
(iv) Dalsze zwiększenie pojemności ładowania liniowego jest możliwe tylko poprzez zwiększenie rozmiaru maszyny. W przypadku (ii) i (iii) ręczne sterowanie wzbudzeniem nie jest możliwe i należy w pełni polegać na ciągłej pracy szybko działających automatycznych regulatorów napięcia. Zwiększanie rozmiaru maszyny w celu zwiększenia pojemności ładowania liniowego nie jest ani ekonomicznie wykonalne, ani pożądane. Zatem biorąc pod uwagę warunki pracy w pierwszym etapie pracy, postanowiono zapewnić pojemność ładowania liniowego 191 MVAR przy napięciu znamionowym dla generatorów, zapewniając ujemne wzbudzenie na generatorach. Krytyczne warunki pracy powodujące niestabilność napięcia mogą być również spowodowane odłączeniem obciążenia na końcu odbiorczym. Zjawisko to występuje z powodu pojemnościowego obciążenia maszyny, na które dodatkowo niekorzystnie wpływa wzrost prędkości generatora. Samowzbudzenie i niestabilność napięcia mogą wystąpić, jeśli.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Gdzie Xc jest pojemnościową reaktancją obciążenia, Xq jest kwadraturową reaktancją synchroniczną osi, a n jest maksymalną względną nadprędkością występującą przy odrzuceniu obciążenia. Zaproponowano, aby ten warunek w generatorze Dehar został wyeliminowany poprzez zapewnienie trwale podłączonego 400 kV dławika bocznikowego EHV (75 MVA) na końcu odbiorczym linii zgodnie ze szczegółowymi badaniami.

Uzwojenie tłumika
Główną funkcją uzwojenia tłumika jest jego zdolność do zapobiegania nadmiernym przepięciom w przypadku zwarć między liniami przy obciążeniach pojemnościowych, zmniejszając w ten sposób obciążenie przepięciowe sprzętu. Biorąc pod uwagę odległe położenie i długie linie przesyłowe łączące, określono w pełni połączone uzwojenia tłumika ze stosunkiem reaktancji kwadraturowej i osiowej bezpośredniej Xnq/ Xnd nieprzekraczającym 1,2.

Charakterystyka generatora i układ wzbudzenia
Po określeniu generatorów o normalnych charakterystykach i wstępnych badaniach wskazujących jedynie na marginalną stabilność, zdecydowano, że należy użyć szybkiego statycznego sprzętu wzbudzającego, aby poprawić marginesy stabilności, tak aby osiągnąć najbardziej ekonomiczny układ sprzętu. Przeprowadzono szczegółowe badania w celu określenia optymalnych charakterystyk statycznego sprzętu wzbudzającego i omówiono je w rozdziale 10.

Rozważania sejsmiczne
Elektrownia Dehar znajduje się w strefie sejsmicznej. Następujące postanowienia w projekcie hydrogeneratora w Dehar zostały zaproponowane w konsultacji z producentami sprzętu i biorąc pod uwagę warunki sejsmiczne i geologiczne na miejscu oraz raport Komitetu Ekspertów ds. Trzęsień Ziemi Koyna powołanego przez rząd Indii przy pomocy UNESCO.

Wytrzymałość mechaniczna
Generatory Dehar powinny być zaprojektowane tak, aby bezpiecznie wytrzymać maksymalną siłę przyspieszenia trzęsienia ziemi zarówno w kierunku pionowym, jak i poziomym, spodziewaną w przypadku generatora Dehar działającego w środku maszyny.

Częstotliwość naturalna
Częstotliwość naturalna maszyny powinna być utrzymywana z dala (wyższa) od częstotliwości magnetycznej 100 Hz (dwukrotność częstotliwości generatora). Ta częstotliwość naturalna będzie znacznie odbiegać od częstotliwości trzęsień ziemi i będzie sprawdzana pod kątem odpowiedniego marginesu w stosunku do dominującej częstotliwości trzęsień ziemi i krytycznej prędkości obrotowego układu.

Podpora stojana generatora
Stojan generatora i dolne łożyska oporowe i prowadzące składają się z szeregu płyt fundamentowych. Płyty fundamentowe są przymocowane do fundamentu poprzecznie oprócz normalnego kierunku pionowego za pomocą śrub fundamentowych.

Konstrukcja łożyska prowadzącego
Łożyska prowadzące mają być segmentowe, a części łożysk prowadzących wzmocnione, aby wytrzymać pełną siłę trzęsienia ziemi. Producenci zalecają ponadto przywiązanie górnego wspornika bocznie do beczki (obudowy generatora) za pomocą stalowych dźwigarów. Oznaczałoby to również, że betonowa beczka musiałaby zostać wzmocniona.

Wykrywanie drgań generatorów
Zaleca się instalację detektorów drgań lub mierników mimośrodu na turbinach i generatorach w celu inicjowania wyłączenia i alarmu w przypadku, gdy drgania spowodowane trzęsieniem ziemi przekroczą ustaloną wartość. Urządzenie to może być również używane do wykrywania wszelkich nietypowych drgań jednostki spowodowanych warunkami hydraulicznymi wpływającymi na turbinę.

Kontakty Mercury
Silne wstrząsy spowodowane trzęsieniem ziemi mogą skutkować fałszywym wyzwalaniem w celu zainicjowania wyłączenia jednostki, jeśli używane są styki rtęciowe. Można tego uniknąć, określając przełączniki rtęciowe typu antywibracyjnego lub, jeśli okaże się to konieczne, dodając przekaźniki czasowe.

Wnioski
(1) Znaczne oszczędności w kosztach sprzętu i konstrukcji elektrowni Dehar uzyskano dzięki zastosowaniu dużych jednostek, biorąc pod uwagę wielkość sieci i jej wpływ na zapasową moc systemu.
(2) Koszt generatorów obniżono dzięki zastosowaniu konstrukcji parasolowej, co jest obecnie możliwe w przypadku dużych, szybkich generatorów wodnych dzięki opracowaniu stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie wykorzystywanej do wykonywania otworów w obręczach wirników.
(3) Zakup naturalnych generatorów o wysokim współczynniku mocy po przeprowadzeniu szczegółowych badań przyniósł dalsze oszczędności kosztów.
(4) Normalny efekt koła zamachowego obracających się części generatora na stacji regulacji częstotliwości w Dehar uznano za wystarczający do zapewnienia stabilności układu regulatora turbiny ze względu na dużą liczbę połączonych ze sobą układów.
(5) Specjalne parametry zdalnych generatorów zasilających sieci EHV w celu zapewnienia stabilności elektrycznej mogą być spełnione przez szybko reagujące układy wzbudzenia statycznego.
(6) Szybko działające statyczne układy wzbudzenia mogą zapewnić niezbędne marginesy stabilności. Jednakże takie układy wymagają stabilizujących sygnałów sprzężenia zwrotnego w celu osiągnięcia stabilności po awarii. Należy przeprowadzić szczegółowe badania.
(7) Samowzbudzeniu i niestabilności napięcia oddalonych generatorów połączonych z siecią długimi liniami wysokiego napięcia można zapobiec, zwiększając pojemność ładowania linii maszyny przez zastosowanie wzbudzenia ujemnego i/lub stosując trwale podłączone dławiki bocznikowe wysokiego napięcia.
(8) W konstrukcji generatorów i ich fundamentów można uwzględnić rozwiązania zapewniające ochronę przed siłami sejsmicznymi przy niewielkich kosztach.

Główne parametry generatorów Dehar
Współczynnik zwarcia = 1,06
Przejściowa reaktancja osi bezpośredniej = 0,2
Efekt koła zamachowego = 39,5 x 106 funtów stóp kwadratowych
Xnq/Xnd nie większe niż = 1,2