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 napotykać problemy ze stabilnością układu regulacji turbiny. Wynika to z zachowania się wody w turbinie, która ze względu na swoją bezwładność powoduje uderzenie hydrauliczne w rurociągach ciśnieniowych podczas pracy urządzeń sterujących. Jest to na ogół charakteryzowane przez stałe czasowe przyspieszenia hydraulicznego. W pracy izolowanej, gdy częstotliwość całego układu jest określana przez regulator turbiny, uderzenie wodne wpływa na regulację prędkości, a niestabilność objawia się wahaniami częstotliwości. W przypadku pracy w układzie połączonym z dużym systemem częstotliwość jest zasadniczo utrzymywana na stałym poziomie przez ten regulator. Uderzenie wodne wpływa następnie na moc dostarczaną do systemu, a problem stabilności pojawia się tylko wtedy, gdy moc jest regulowana w pętli zamkniętej, tj. w przypadku generatorów wodnych, które biorą udział w regulacji częstotliwości.
Stabilność przekładni regulatora turbiny jest w znacznym stopniu zależna od stosunku stałej czasowej przyspieszenia mechanicznego, wynikającej ze stałej czasowej przyspieszenia hydraulicznego mas wody, do wzmocnienia regulatora. Zmniejszenie powyższego stosunku ma działanie destabilizujące i wymaga zmniejszenia wzmocnienia regulatora, co negatywnie wpływa na stabilizację częstotliwości. W związku z tym konieczne jest zapewnienie minimalnego efektu koła zamachowego dla obracających się części hydrozespołu, co zazwyczaj można osiągnąć jedynie w generatorze. Alternatywnie, stałą czasową przyspieszenia mechanicznego można zmniejszyć poprzez zastosowanie zaworu bezpieczeństwa lub zbiornika wyrównawczego itp., ale jest to zazwyczaj bardzo kosztowne. Kryteria empiryczne dotyczące zdolności regulacji prędkości hydrozespołu mogłyby opierać się na wzroście prędkości jednostki, który może mieć miejsce po odrzuceniu całego obciążenia znamionowego jednostki pracującej niezależnie. W przypadku jednostek energetycznych pracujących w dużych, połączonych systemach, które muszą regulować częstotliwość systemu, przyjęto, że obliczony powyżej procentowy wskaźnik wzrostu prędkości nie przekracza 45%. W przypadku mniejszych systemów należy zapewnić mniejszy wzrost prędkości (patrz rozdział 4).
Przekrój podłużny od wlotu do elektrowni Dehar
(Źródło: Artykuł autora – II Światowy Kongres, Międzynarodowe Stowarzyszenie Zasobów Wodnych 1979) W przypadku elektrowni Dehar przedstawiono hydrauliczny układ ciśnieniowy wody łączący zbiornik wyrównawczy z blokiem energetycznym składającym się z ujęcia wody, tunelu ciśnieniowego, różnicowego zbiornika wyrównawczego i rurociągu ciśnieniowego. Ograniczając maksymalny wzrost ciśnienia w rurociągach ciśnieniowych do 35%, szacowany maksymalny wzrost prędkości bloku po odrzuceniu pełnego obciążenia wyniósł około 45% 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. uwzględniając jedynie wzrost temperatury). W pierwszym etapie pracy stwierdzono, że wzrost prędkości nie przekroczył 43%. Uznano zatem, że normalny efekt koła zamachowego jest wystarczający do regulacji częstotliwości systemu.
Parametry generatora i stabilność elektryczna
Parametry generatora wpływające na stabilność to efekt koła zamachowego, reaktancja przejściowa i współczynnik zwarcia. Na początkowym etapie rozwoju systemu wysokiego napięcia 420 kV, takiego jak w elektrowni Dehar, problemy stabilności mogą być krytyczne ze względu na słabą sieć, niższy poziom zwarcia, pracę przy wyprzedzającym współczynniku mocy oraz konieczność oszczędności w zapewnianiu punktów przesyłowych oraz ustalaniu wielkości i parametrów jednostek wytwórczych. Wstępne badania stabilności przejściowej na analizatorze sieci (wykorzystującym stałe napięcie za reaktancją przejściową) dla systemu wysokiego napięcia Dehar również wskazały, że uzyskana zostanie jedynie marginalna stabilność. Na wczesnym etapie projektowania elektrowni Dehar rozważano specyfikację generatorów o normalnych
Osiągnięcie wymaganych charakterystyk i osiągnięcie wymagań stabilności poprzez optymalizację parametrów innych czynników, zwłaszcza układu wzbudzenia, byłoby ekonomicznie tańszą alternatywą. W badaniu systemu brytyjskiego 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 przeprowadzone badania stabilności przedstawiono poniżej.
Pojemność ładowania sieciowego i stabilność napięcia
Zdalnie zlokalizowane hydrogeneratory, używane do ładowania długich, nieobciążonych linii wysokiego napięcia, których moc ładowania kVA jest większa niż zdolność ładowania linii maszyny, mogą powodować samowzbudzenie maszyny i niekontrolowany wzrost napięcia. Warunkiem samowzbudzenia jest to, że xc < xd, gdzie xc to pojemnościowa reaktancja obciążenia, a xd to synchroniczna reaktancja osiowa. Moc wymagana do ładowania jednej nieobciążonej linii 420 kV E2/xc do Panipat (końca odbiorczego) wynosiła około 150 MVAR przy napięciu znamionowym. W drugim etapie, po zainstalowaniu drugiej linii 420 kV o równoważnej długości, moc ładowania linii wymagana do jednoczesnego ładowania obu nieobciążonych linii napięciem znamionowym wyniosłaby około 300 MVAR.
Dostępna wydajność ładowania linii 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 mocy ładowania MVA, tj. 139 MVAR przy minimalnym wzbudzeniu dodatnim wynoszącym 1 procent.
(iii) Do 100 procent znamionowej mocy wyjściowej (MVAR), tj. 173,8 MVAR, można uzyskać przy ujemnej mocy wyjściowej wynoszącej około 5 procent, a maksymalna liniowa moc wyjściowa, jaką można uzyskać przy ujemnej mocy wyjściowej wynoszącej 10 procent, wynosi 110 procent znamionowej mocy wyjściowej (MVA) (191 MVAR) zgodnie z BSS.
(iv) Dalsze zwiększenie mocy ładowania linii jest możliwe jedynie poprzez zwiększenie rozmiarów 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 rozmiarów maszyny w celu zwiększenia mocy ładowania linii nie jest ani ekonomicznie wykonalne, ani pożądane. W związku z tym, biorąc pod uwagę warunki pracy w pierwszym etapie eksploatacji, postanowiono zapewnić moc ładowania linii generatorów wynoszącą 191 MVAR przy napięciu znamionowym, poprzez zapewnienie wzbudzenia ujemnego generatorów. Krytyczne warunki pracy powodujące niestabilność napięcia mogą być również spowodowane odłączeniem obciążenia po stronie odbiorczej. Zjawisko to występuje z powodu obciążenia pojemnościowego maszyny, na które dodatkowo negatywnie wpływa wzrost prędkości obrotowej generatora. Samowzbudzenie i niestabilność napięcia mogą wystąpić, jeśli:
Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Gdzie Xc to pojemnościowa reaktancja obciążenia, Xq to kwadraturowa reaktancja synchroniczna osi, a n to maksymalna względna prędkość nadprądowa występująca podczas odłączania obciążenia. Zaproponowano, aby uniknąć tego problemu w generatorze Dehar poprzez zastosowanie trwale podłączonego dławika bocznikowego wysokiego napięcia 400 kV (75 MVA) na końcu linii odbiorczej, zgodnie ze szczegółowymi badaniami.
Uzwojenie tłumika
Główną funkcją uzwojenia tłumika jest jego zdolność do zapobiegania nadmiernym przepięciom w przypadku zwarć międzyprzewodowych z obciążeniami pojemnościowymi, zmniejszając w ten sposób obciążenie przepięciowe urządzeń. Biorąc pod uwagę odległe położenie i długie linie przesyłowe, określono w pełni połączone uzwojenia tłumika o stosunku reaktancji kwadraturowej i osiowej Xnq/Xnd nieprzekraczającym 1,2.
Charakterystyka generatora i układ wzbudzenia
Po określeniu parametrów generatorów o normalnej charakterystyce i wstępnych badaniach, które wykazały jedynie marginalną stabilność, zdecydowano o zastosowaniu wysokoobrotowego urządzenia do wzbudzenia statycznego w celu poprawy marginesów stabilności, aby uzyskać najbardziej ekonomiczne rozwiązanie. Przeprowadzono szczegółowe badania w celu określenia optymalnych parametrów urządzenia do wzbudzenia statycznego, które omówiono w rozdziale 10.
Rozważania sejsmiczne
Elektrownia Dehar znajduje się w strefie sejsmicznej. Poniższe ustalenia w projekcie hydrogeneratora w Dehar zostały zaproponowane w porozumieniu z producentami sprzętu, z uwzględnieniem warunków sejsmicznych i geologicznych na miejscu oraz raportu Komitetu Ekspertów ds. Trzęsień Ziemi w Koyna, powołanego przez rząd Indii przy wsparciu UNESCO.
Wytrzymałość mechaniczna
Generatory Dehar muszą 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 własna maszyny powinna być utrzymywana w znacznej odległości (wyższej) od częstotliwości magnetycznej 100 Hz (dwukrotnie wyższej niż częstotliwość generatora). Ta częstotliwość własna będzie znacznie odbiegać od częstotliwości trzęsień ziemi i zostanie sprawdzona pod kątem odpowiedniego marginesu w stosunku do dominującej częstotliwości trzęsień ziemi i prędkości krytycznej układu wirującego.
Podpora stojana generatora
Fundamenty stojana generatora oraz dolnego łożyska oporowego i prowadzącego składają się z szeregu płyt fundamentowych. Płyty fundamentowe są mocowane do fundamentu w kierunku poprzecznym, a także w kierunku pionowym, za pomocą śrub fundamentowych.
Konstrukcja łożyska prowadzącego
Łożyska prowadzące powinny być segmentowe, a ich elementy wzmocnione, aby wytrzymać pełną siłę trzęsienia ziemi. Producenci zalecali również boczne połączenie górnego wspornika z bębnem (obudową generatora) za pomocą stalowych dźwigarów. Oznaczałoby to również konieczność wzmocnienia betonowego bębna.
Detekcja drgań generatorów
Zaleca się instalację detektorów drgań lub mierników mimośrodowości na turbinach i generatorach, aby inicjować wyłączenie i alarm w przypadku przekroczenia przez drgania spowodowane trzęsieniem ziemi określonej wartości. Urządzenie to może być również wykorzystywane do wykrywania nietypowych drgań jednostki, wynikających z warunków hydraulicznych wpływających na turbinę.
Kontakty Mercury
Silne wstrząsy spowodowane trzęsieniem ziemi mogą prowadzić do fałszywego zadziałania wyłącznika inicjującego wyłączenie urządzenia, jeśli stosowane są styki rtęciowe. Można tego uniknąć, stosując wyłączniki rtęciowe odporne na drgania lub, w razie potrzeby, dodając przekaźniki czasowe.
Wnioski
(1) Znaczne oszczędności w kosztach sprzętu i konstrukcji elektrowni Dehar uzyskano dzięki zastosowaniu jednostek o dużej wielkości, 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 hydroelektrycznych dzięki opracowaniu stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie wykorzystywanej do wykrawania krawędzi wirnika.
(3) Zakup naturalnych generatorów o wysokim współczynniku mocy po przeprowadzeniu szczegółowych badań przyniósł dalsze oszczędności kosztów.
(4) Zwykły 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 można spełnić za pomocą szybko reagujących układów wzbudzenia statycznego.
(6) Szybko działające układy wzbudzenia statycznego mogą zapewnić niezbędne marginesy stabilności. Takie układy wymagają jednak stabilizujących sygnałów sprzężenia zwrotnego, aby osiągnąć stabilność po zwarciu. Należy przeprowadzić szczegółowe badania.
(7) Samowzbudzenie i niestabilność 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
Reaktancja przejściowa w osi bezpośredniej = 0,2
Efekt koła zamachowego = 39,5 x 106 funtów stóp kwadratowych
Xnq/Xnd nie większe niż = 1,2
Czas publikacji: 11 maja 2021 r.
