Вплив маховика генератора та стабільність системи регулювання турбіни

Вплив маховика генератора та стабільність системи регулювання турбіниВплив маховика генератора та стабільність системи регулювання турбіниВплив маховика генератора та стабільність системи регулювання турбіниВплив маховика генератора та стабільність системи регулювання турбіни
Великі сучасні гідрогенератори мають меншу константу інерції та можуть зіткнутися з проблемами, пов'язаними зі стабільністю системи регулювання турбіни. Це пов'язано з поведінкою води в турбіні, яка через свою інерцію призводить до гідравлічного удару в напірних трубах під час роботи регулювальних пристроїв. Це зазвичай характеризується постійними часу гідравлічного прискорення. В ізольованому режимі роботи, коли частота всієї системи визначається регулятором турбіни, гідравлічний удар впливає на регулювання швидкості, а нестабільність проявляється у вигляді коливань або коливань частоти. При взаємопов'язаній роботі з великою системою частота, по суті, підтримується постійною останньою. Гідравлічний удар впливає на потужність, що подається в систему, і проблема стабільності виникає лише тоді, коли потужність контролюється в замкнутому контурі, тобто у випадку тих гідрогенераторів, які беруть участь у регулюванні частоти.

На стабільність редуктора регулятора турбіни значно впливає співвідношення постійної часу механічного прискорення, зумовленої постійною часу гідравлічного прискорення водяних мас, та коефіцієнт підсилення регулятора. Зменшення вищезазначеного співвідношення має дестабілізуючий ефект і вимагає зменшення коефіцієнта підсилення регулятора, що негативно впливає на стабілізацію частоти. Відповідно, необхідний мінімальний ефект маховика для обертових частин гідроагрегату, який зазвичай може бути забезпечений лише в генераторі. Як альтернатива, постійну часу механічного прискорення можна зменшити, встановивши запобіжний клапан або розширювальний бак тощо, але це, як правило, дуже дорого. Емпіричний критерій здатності гідроагрегату до регулювання швидкості може базуватися на підвищенні швидкості агрегату, яке може відбуватися при відключенні всього номінального навантаження агрегату, що працює незалежно. Для енергоблоків, що працюють у великих взаємопов'язаних системах і які повинні регулювати частоту системи, відсотковий індекс підвищення швидкості, як розраховано вище, вважався таким, що не перевищує 45 відсотків. Для менших систем слід передбачати менше підвищення швидкості (див. розділ 4).

Поздовжній розріз від водозабору до електростанції Дехар
(Джерело: Доповідь автора – 2-й Всесвітній конгрес, Міжнародна асоціація водних ресурсів, 1979 р.) Для електростанції Дехар показано гідравлічну систему напірного водопостачання, що з'єднує балансувальне сховище з енергоблоком, що складається з водозабірника, тунелю тиску, резервуара диференціального вирівнювання та напірного трубопроводу. Обмеження максимального підвищення тиску в напірних трубопроводах до 35 відсотків, розрахункове максимальне підвищення швидкості блоку після відмови від повного навантаження, розраховане приблизно на 45 відсотків із закритим регулятором.
час 9,1 секунди при номінальному напорі 282 м (925 футів) з урахуванням нормального маховикового ефекту обертових частин генератора (тобто, враховуючи лише підвищення температури). На першому етапі роботи підвищення швидкості не перевищувало 43 відсотки. Відповідно, було визнано, що нормального маховикового ефекту достатньо для регулювання частоти системи.

Параметри генератора та електрична стабільність
Параметрами генератора, що впливають на стабільність, є ефект маховика, перехідний реактивний опір та коефіцієнт короткого замикання. На початковому етапі розвитку системи надвисокої напруги 420 кВ, як у Дехарі, проблеми стабільності можуть бути критичними через слабку систему, нижчий рівень короткого замикання, роботу з провідним коефіцієнтом потужності та необхідність економії на забезпеченні передавальних виводів та встановленні розмірів і параметрів генеруючих блоків. Попередні дослідження перехідної стійкості на мережевому аналізаторі (з використанням постійної напруги за перехідним реактивним опором) для системи надвисокої напруги Дехар також показали, що буде отримана лише гранична стабільність. На ранньому етапі проектування електростанції Дехар вважалося, що визначення генераторів з нормальним...
характеристики та досягнення вимог стабільності шляхом оптимізації параметрів інших факторів, особливо системи збудження, було б економічно дешевшою альтернативою. У дослідженні Британської системи також було показано, що зміна параметрів генератора має порівняно набагато менший вплив на запаси стабільності. Відповідно, для генератора були задані нормальні параметри генератора, як зазначено в додатку. Детальні дослідження стабільності, проведені нижче, наведено.

Зарядна здатність лінії та стабільність напруги
Віддалено розташовані гідрогенератори, що використовуються для заряджання довгих ненавантажених ліній надвисокої напруги (НВН), зарядна потужність яких у кВА перевищує зарядну здатність машини, можуть призвести до самозбудження машини, а напруга може неконтрольовано зрости. Умовою самозбудження є те, що xc < xd, де xc – ємнісний реактивний опір навантаження, а xd – синхронний реактивний опір прямої осі. Потужність, необхідна для заряджання однієї ненавантаженої лінії 420 кВ E2/xc до Паніпата (приймальний кінець), становила близько 150 МВАР при номінальній напрузі. На другому етапі, коли встановлено другу лінію 420 кВ еквівалентної довжини, зарядна здатність лінії, необхідна для одночасного заряджання обох ненавантажених ліній при номінальній напрузі, становитиме близько 300 МВАР.

За даними постачальників обладнання, доступна зарядна здатність лінії за номінальної напруги від генератора Dehar становила:
(i) 70 відсотків номінальної потужності MVA, тобто зарядка лінії 121,8 MVAR можлива з мінімальним позитивним збудженням 10 відсотків.
(ii) До 87 відсотків номінальної потужності MVA, тобто зарядної потужності лінії 139 MVAR, можливе досягнення мінімального позитивного збудження 1 відсоток.
(iii) До 100 відсотків номінальної потужності в MVA, тобто 173,8 зарядної ємності лінії, можна отримати приблизно з 5-відсотковим негативним збудженням, а максимальна зарядна ємність лінії, яку можна отримати з негативним збудженням 10 відсотків, становить 110 відсотків номінальної потужності в MVA (191 MVA) згідно з BSS.
(iv) Подальше збільшення потужності заряджання лінії можливе лише шляхом збільшення розміру машини. У випадку (ii) та (iii) ручне керування збудженням неможливе, і повністю доводиться покладатися на безперервну роботу швидкодіючих автоматичних регуляторів напруги. Збільшення розміру машини з метою збільшення потужності заряджання лінії є економічно недоцільним і небажаним. Відповідно, враховуючи умови експлуатації на першому етапі експлуатації, було вирішено забезпечити потужність заряджання лінії 191 МВАР при номінальній напрузі для генераторів, забезпечуючи негативне збудження на генераторах. Критичний робочий стан, що спричиняє нестабільність напруги, також може бути спричинений відключенням навантаження на приймальному кінці. Це явище виникає через ємнісне навантаження на машину, на яке також негативно впливає зростання швидкості генератора. Самозбудження та нестабільність напруги можуть виникнути, якщо...

Xc ≤ n² (Xq + XT)
Де Xc – ємнісний реактивний опір навантаження, Xq – синхронний реактивний опір квадратурної осі, а n – максимальне відносне перевищення швидкості, що виникає при відхиленні навантаження. Згідно з проведеними детальними дослідженнями, цю умову на генераторі Дехара було запропоновано усунути, встановивши на приймальному кінці лінії постійно підключений шунтуючий реактор надвисокої напруги 400 кВ (75 МВА).

Демпферна обмотка
Основна функція демпферної обмотки полягає в її здатності запобігати надмірним перенапругам у разі міжфазних замикань з ємнісними навантаженнями, тим самим зменшуючи перенапруження на обладнання. Враховуючи віддалене розташування та довгі з'єднувальні лінії передачі, було задано повністю з'єднані демпферні обмотки зі співвідношенням квадратурного та прямого реактивних опорів Xnq/Xnd, що не перевищує 1,2.

Характеристика генератора та система збудження
Після того, як були визначені генератори з нормальними характеристиками, а попередні дослідження показали лише граничну стабільність, було вирішено використовувати високошвидкісне статичне збуджувальне обладнання для покращення запасів стабільності, щоб досягти загалом найбільш економічного розташування обладнання. Були проведені детальні дослідження для визначення оптимальних характеристик статичного збуджувального обладнання, які обговорюються в розділі 10.

Сейсмічні міркування
Електростанція Дехар знаходиться в сейсмічній зоні. Наступні положення щодо конструкції гідрогенератора в Дехарі були запропоновані після консультації з виробниками обладнання та з урахуванням сейсмічних та геологічних умов на місці, а також звіту Комітету експертів із землетрусів Койна, створеного урядом Індії за допомогою ЮНЕСКО.

Механічна міцність
Генератори Dehar повинні бути спроектовані таким чином, щоб безпечно витримувати максимальну силу прискорення землетрусу як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямку, що очікується в Dehar, що діє в центрі машини.

Власна частота
Власна частота машини повинна бути значно віддаленішою (вищою) від магнітної частоти 100 Гц (вдвічі більша за частоту генератора). Ця власна частота буде значно віддалена від частоти землетрусу та перевірятиметься на наявність достатнього запасу відносно переважної частоти землетрусу та критичної швидкості обертової системи.

Опора статора генератора
Фундаменти статора генератора та нижніх опорних і напрямних підшипників складаються з кількох опорних плит. Опорні плити кріпляться до фундаменту не тільки у звичайному вертикальному напрямку, але й у поперечному напрямку за допомогою фундаментних болтів.

Конструкція направляючого підшипника
Напрямні підшипники мають бути сегментного типу, а деталі напрямних підшипників мають бути посилені, щоб витримувати повну силу землетрусу. Виробники також рекомендують з'єднувати верхній кронштейн збоку з корпусом генератора (корпусом генератора) за допомогою сталевих балок. Це також означатиме, що бетонний корпус, у свою чергу, доведеться посилити.

Виявлення вібрації генераторів
Рекомендовано встановити на турбінах та генераторах датчики вібрації або вимірювачі ексцентриситету для ініціювання зупинки та сигналізації у випадку, якщо вібрації, спричинені землетрусом, перевищують задане значення. Цей пристрій також може бути використаний для виявлення будь-яких незвичайних вібрацій агрегату, спричинених гідравлічними умовами, що впливають на турбіну.

Контакти Меркурія
Сильні трясіння внаслідок землетрусу можуть призвести до помилкового спрацьовування для ініціювання вимкнення блоку, якщо використовуються ртутні контакти. Цього можна уникнути, використовуючи ртутні вимикачі антивібраційного типу або, за необхідності, додавши реле часу.

Висновки
(1) Значна економія на вартості обладнання та споруд на Дехарській електростанції була досягнута завдяки застосуванню блоків великого розміру з урахуванням розміру мережі та її впливу на резервну потужність системи.
(2) Вартість генераторів була знижена завдяки застосуванню універсальної конструкції, яка тепер можлива для великих високошвидкісних гідрогенераторів завдяки розробці високоміцної сталі для штампування вінців ротора.
(3) Закупівля генераторів з природним високим коефіцієнтом потужності після детальних досліджень призвела до подальшої економії коштів.
(4) Звичайний маховиковий ефект обертових частин генератора на частотно-регулювальній станції в Дехарі вважався достатнім для стабільності системи регулювання турбіни через велику взаємопов'язану систему.
(5) Спеціальні параметри дистанційних генераторів, що живлять мережі надвисокої напруги, для забезпечення електричної стабільності можуть бути виконані за допомогою швидкодіючих систем статичного збудження.
(6) Швидкодіючі системи статичного збудження можуть забезпечити необхідні запаси стійкості. Однак такі системи потребують стабілізуючих сигналів зворотного зв'язку для досягнення стійкості після збоїв. Слід провести детальні дослідження.
(7) Самозбудження та нестабільність напруги віддалених генераторів, з'єднаних з мережею довгими лініями надвисокої напруги, можна запобігти, збільшивши зарядну здатність лінії машини шляхом використання негативного збудження та/або використовуючи постійно підключені шунтуючі реактори надвисокої напруги.
(8) У конструкції генераторів та їх фундаментів можна передбачити захист від сейсмічних впливів за невеликих витрат.

Основні параметри генераторів Dehar
Коефіцієнт короткого замикання = 1,06
Перехідний реактивний опір прямої осі = 0,2
Ефект маховика = 39,5 x 106 фунт-фут²
Xnq/Xnd не більше ніж = 1,2