Vplyv zotrvačníka generátora a stabilita regulačného systému turbínyVplyv zotrvačníka generátora a stabilita regulačného systému turbínyVplyv zotrvačníka generátora a stabilita regulačného systému turbínyVplyv zotrvačníka generátora a stabilita regulačného systému turbíny
Veľké moderné hydrogenerátory majú menšiu zotrvačnosť a môžu čeliť problémom týkajúcim sa stability regulačného systému turbíny. Je to spôsobené správaním vody v turbíne, ktorá kvôli svojej zotrvačnosti spôsobuje vodný ráz v tlakových potrubiach pri prevádzke regulačných zariadení. Toto je vo všeobecnosti charakterizované časovými konštantami hydraulického zrýchlenia. V izolovanej prevádzke, keď je frekvencia celého systému určená regulátorom turbíny, vodný ráz ovplyvňuje reguláciu otáčok a nestabilita sa prejavuje ako kolísanie alebo kolísanie frekvencie. Pri prepojenej prevádzke s veľkým systémom je frekvencia v podstate udržiavaná konštantnou týmto regulátorom. Vodný ráz potom ovplyvňuje výkon dodávaný do systému a problém so stabilitou vzniká iba vtedy, keď je výkon riadený v uzavretej slučke, t. j. v prípade tých hydrogenerátorov, ktoré sa podieľajú na regulácii frekvencie.
Stabilita prevodového stupňa regulátora turbíny je výrazne ovplyvnená pomerom časovej konštanty mechanického zrýchlenia v dôsledku časovej konštanty hydraulického zrýchlenia vodných hmôt a zosilnením regulátora. Zníženie vyššie uvedeného pomeru má destabilizujúci účinok a vyžaduje si zníženie zosilnenia regulátora, čo nepriaznivo ovplyvňuje stabilizáciu frekvencie. Preto je potrebný minimálny zotrvačník pre rotujúce časti hydroagregátu, ktorý je bežne možné zabezpečiť iba v generátore. Alternatívne by sa časová konštanta mechanického zrýchlenia mohla znížiť inštaláciou pretlakového ventilu alebo vyrovnávacej nádrže atď., ale vo všeobecnosti je to veľmi nákladné. Empirické kritérium pre schopnosť regulácie otáčok hydroagregátu by mohlo byť založené na náraste otáčok jednotky, ku ktorému môže dôjsť pri odmietnutí celého menovitého zaťaženia jednotky pracujúcej nezávisle. Pre energetické jednotky pracujúce vo veľkých prepojených systémoch, ktoré sú potrebné na reguláciu frekvencie systému, sa percentuálny index nárastu otáčok, ako je vypočítaný vyššie, považoval za nepresahujúci 45 percent. Pre menšie systémy sa má zabezpečiť menší nárast otáčok (pozri kapitolu 4).
Pozdĺžny rez od vstupu k elektrárni Dehar
(Zdroj: Článok autora – 2. svetový kongres, Medzinárodná asociácia vodných zdrojov 1979) Pre elektráreň Dehar je znázornený hydraulický tlakový vodný systém spájajúci vyrovnávací zásobník s energetickou jednotkou pozostávajúci z prívodu vody, tlakového tunela, vyrovnávacej nádrže a potrubia. Pri obmedzení maximálneho nárastu tlaku v potrubiach na 35 percent sa odhadovaný maximálny nárast rýchlosti jednotky pri odmietnutí plného zaťaženia vypočítal na približne 45 percent so zatvoreným regulátorom.
čas 9,1 sekundy pri menovitom spáde 282 m (925 ft) s normálnym zotrvačníkovým efektom rotujúcich častí generátora (t. j. fixným len na základe úvah o náraste teploty). V prvej fáze prevádzky sa zistilo, že nárast rýchlosti nepresiahol 43 percent. Preto sa usúdilo, že normálny zotrvačníkový efekt je postačujúci na reguláciu frekvencie systému.
Parametre generátora a elektrická stabilita
Parametre generátora, ktoré majú vplyv na stabilitu, sú zotrvačník, prechodová reaktancia a pomer skratu. V počiatočnej fáze vývoja 420 kV systému EHV, ako je to v Dehare, sú problémy so stabilitou pravdepodobne kritické kvôli slabému systému, nižšej úrovni skratu, prevádzke s vedúcim účinníkom a potrebe úspor pri zabezpečovaní prenosových zásuviek a stanovovaní veľkosti a parametrov výrobných jednotiek. Predbežné štúdie prechodovej stability na analyzátore siete (s použitím konštantného napätia za prechodovou reaktanciou) pre systém EHV Dehar tiež naznačili, že sa dosiahne len marginálna stabilita. V počiatočnej fáze návrhu elektrárne Dehar sa uvažovalo o špecifikovaní generátorov s normálnym...
charakteristiky a dosiahnutie požiadaviek stability optimalizáciou parametrov iných faktorov, najmä parametrov budiaceho systému, by bolo ekonomicky lacnejšou alternatívou. V štúdii britského systému sa tiež ukázalo, že zmena parametrov generátora má relatívne oveľa menší vplyv na rezervy stability. Preto boli pre generátor špecifikované normálne parametre generátora, ako je uvedené v dodatku. Podrobné vykonané štúdie stability sú uvedené.
Kapacita nabíjania zo siete a stabilita napätia
Vzdialene umiestnené hydrogenerátory používané na nabíjanie dlhých nezaťažených vedení EVN, ktorých nabíjací výkon v kVA je väčší ako nabíjacia kapacita stroja v sieti, môžu spôsobiť samobudenie stroja a nekontrolovateľný nárast napätia. Podmienkou samobudenia je, aby xc < xd, kde xc je kapacitná reaktancia záťaže a xd je synchrónna reaktancia priamej osi. Kapacita potrebná na nabíjanie jedného nezaťaženého vedenia 420 kV E2/xc až po Panipat (prijímací koniec) bola približne 150 MVAR pri menovitom napätí. V druhej fáze, keď je nainštalované druhé vedenie 420 kV s ekvivalentnou dĺžkou, by nabíjacia kapacita vedenia potrebná na súčasné nabíjanie oboch nezaťažených vedení pri menovitom napätí bola približne 300 MVAR.
Dodávatelia zariadenia uviedli, že dostupná nabíjacia kapacita z generátora Dehar pri menovitom napätí bola nasledovná:
(i) Nabíjanie zo siete s menovitým výkonom 70 percent MVA, t. j. 121,8 MVAR, je možné s minimálnym kladným budením 10 percent.
(ii) S minimálnym kladným budením 1 percento je možné dosiahnuť až 87 percent menovitého MVA, t. j. nabíjaciu kapacitu siete 139 MVAR.
(iii) Až 100 percent menovitého MVAR, t. j. 173,8 nabíjacej kapacity siete, je možné dosiahnuť s približne 5 percentným negatívnym budením a maximálna nabíjacia kapacita siete, ktorú je možné dosiahnuť s negatívnym budením 10 percent, je 110 percent menovitého MVA (191 MVAR) podľa BSS.
(iv) Ďalšie zvýšenie kapacity nabíjania zo siete je možné iba zvýšením veľkosti stroja. V prípade (ii) a (iii) nie je možné ručné ovládanie budenia a je potrebné sa plne spoľahnúť na nepretržitú prevádzku rýchločinných automatických regulátorov napätia. Nie je ekonomicky uskutočniteľné ani žiaduce zväčšovať veľkosť stroja za účelom zvýšenia kapacity nabíjania zo siete. Vzhľadom na prevádzkové podmienky v prvej fáze prevádzky sa rozhodlo zabezpečiť kapacitu nabíjania zo siete 191 MVAR pri menovitom napätí pre generátory zabezpečením záporného budenia generátorov. Kritický prevádzkový stav spôsobujúci nestabilitu napätia môže byť spôsobený aj odpojením záťaže na prijímacom konci. Tento jav sa vyskytuje v dôsledku kapacitného zaťaženia stroja, ktoré je ďalej nepriaznivo ovplyvnené nárastom rýchlosti generátora. K samobudeniu a nestabilite napätia môže dôjsť, ak...
Xc ≤ n² (Xq + XT)
Kde Xc je reaktancia kapacitnej záťaže, Xq je synchrónna reaktancia kvadratúrnej osi a n je maximálne relatívne prekročenie rýchlosti, ku ktorému dochádza pri odmietnutí záťaže. Navrhlo sa, aby sa tento stav na Deharovom generátore vyriešil inštaláciou permanentne pripojenej 400 kV EVN paralelnej tlmivky (75 MVA) na prijímacom konci vedenia podľa podrobných vykonaných štúdií.
Tlmič vinutia
Hlavnou funkciou tlmiacej vinutia je jej schopnosť zabrániť nadmernému prepätiu v prípade medzifázových porúch s kapacitným zaťažením, čím sa znižuje prepäťové zaťaženie zariadenia. Vzhľadom na vzdialenú polohu a dlhé prepojovacie prenosové vedenia boli špecifikované plne zapojené tlmiace vinutia s pomerom kvadratúry a reaktancie priamej osi Xnq/Xnd nepresahujúcim 1,2.
Charakteristika generátora a budiaci systém
Keďže boli špecifikované generátory s normálnymi charakteristikami a predbežné štúdie preukázali iba marginálnu stabilitu, bolo rozhodnuté, že sa na zlepšenie rezerv stability použije vysokorýchlostné statické budiace zariadenie, aby sa dosiahlo celkovo najekonomickejšie usporiadanie zariadenia. Boli vykonané podrobné štúdie na určenie optimálnych charakteristík statického budiaceho zariadenia, ktoré sú diskutované v kapitole 10.
Seizmické úvahy
Elektráreň Dehár sa nachádza v seizmickej zóne. Nasledujúce opatrenia v projekte hydrogenerátora v Deháre boli navrhnuté po konzultácii s výrobcami zariadení a s ohľadom na seizmické a geologické podmienky na mieste a správu Výboru expertov na zemetrasenie v Koyne, ktorý zriadila indická vláda s pomocou UNESCO.
Mechanická pevnosť
Generátory Dehar musia byť navrhnuté tak, aby bezpečne odolali maximálnej sile zrýchlenia zemetrasenia vo vertikálnom aj horizontálnom smere, ktorá sa očakáva v Dehare pôsobiacom v strede stroja.
Prirodzená frekvencia
Vlastná frekvencia stroja sa musí udržiavať v dostatočnej vzdialenosti (vyššej) od magnetickej frekvencie 100 Hz (dvojnásobok frekvencie generátora). Táto prirodzená frekvencia bude ďaleko od frekvencie zemetrasenia a bude sa kontrolovať z hľadiska dostatočnej rezervy voči prevládajúcej frekvencii zemetrasenia a kritickej rýchlosti rotačného systému.
Podpora statora generátora
Základy statora generátora a spodných axiálnych a vodiacich ložísk pozostávajú z niekoľkých základových dosiek. Základové dosky sú k základom pripevnené aj bočne, okrem normálneho vertikálneho smeru aj základovými skrutkami.
Konštrukcia vodiaceho ložiska
Vodiace ložiská musia byť segmentového typu a časti vodiacich ložísk musia byť zosilnené tak, aby odolali plnej sile zemetrasenia. Výrobcovia ďalej odporúčajú spojiť hornú konzolu bočne s valcom (krytom generátora) pomocou oceľových nosníkov. To by tiež znamenalo, že betónový valec by musel byť následne zosilnený.
Detekcia vibrácií generátorov
Odporúča sa inštalácia detektorov vibrácií alebo meračov excentricity na turbíny a generátory na spustenie odstavenia a spustenie alarmu v prípade, že vibrácie spôsobené zemetrasením prekročia vopred stanovenú hodnotu. Toto zariadenie sa môže použiť aj na detekciu akýchkoľvek nezvyčajných vibrácií jednotky v dôsledku hydraulických podmienok ovplyvňujúcich turbínu.
Kontakty Merkúra
Silné otrasy spôsobené zemetrasením môžu viesť k falošnému vypnutiu jednotky, ak sa používajú ortuťové kontakty. Tomu sa dá vyhnúť buď špecifikovaním antivibračných ortuťových spínačov, alebo v prípade potreby pridaním časových relé.
Závery
(1) Významné úspory nákladov na zariadenia a konštrukciu v elektrárni Dehar sa dosiahli prijatím veľkých blokov s ohľadom na veľkosť siete a jej vplyv na rezervnú kapacitu systému.
(2) Náklady na generátory sa znížili prijatím konštrukčného riešenia typu „zastrešujúci dizajn“, ktoré je teraz možné použiť pri veľkých vysokorýchlostných hydrogenerátoroch vďaka vývoju vysokopevnostnej ocele na dierovanie okrajov rotorov.
(3) Obstaranie prirodzených generátorov s vysokým účinníkom po podrobných štúdiách viedlo k ďalším úsporám nákladov.
(4) Normálny zotrvačník rotujúcich častí generátora v stanici regulácie frekvencie v Dehare sa považoval za dostatočný pre stabilitu systému regulátora turbíny z dôvodu rozsiahleho prepojeného systému.
(5) Špeciálne parametre diaľkových generátorov napájajúcich siete EVN na zabezpečenie elektrickej stability možno splniť systémami statického budenia s rýchlou odozvou.
(6) Rýchlo pôsobiace statické budiace systémy môžu poskytnúť potrebné rezervy stability. Takéto systémy však vyžadujú stabilizačné spätnoväzobné signály na dosiahnutie stability po poruche. Mali by sa vykonať podrobné štúdie.
(7) Samobudeniu a nestabilite napätia vzdialených generátorov prepojených so sieťou dlhými vedeniami EVN možno zabrániť zvýšením nabíjacej kapacity stroja v sieti použitím záporného budenia a/alebo použitím trvalo pripojených paralelných tlmiviek EVN.
(8) V konštrukcii generátorov a ich základov je možné prijať opatrenia na zabezpečenie ochrany pred seizmickými silami pri nízkych nákladoch.
Hlavné parametre generátorov Dehar
Pomer skratu = 1,06
Prechodová reaktancia na priamej osi = 0,2
Efekt zotrvačníka = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd nie väčšie ako = 1,2
Čas uverejnenia: 11. mája 2021
