автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование режимов работы утилизационных газотурбинных установок в системах электроснабжения предприятий авиационного моторостроения

ОС

сг.

11а ирапах рукописи

£ ™ О- —

Кондраты-:» с1-р1 ей ивлнович

исследование режимов работы утилизационных газотурбинных установок в системах электроснабжения предприятий авиационного моторостроения.

Специальность 05.09 03 - 'Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических паук

Москва - I«ЭД

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Московскою нтертетическото и нети iy га (технического университета).

Научный руководитель - Заслуженный деятель

науки и техники РФ, доктор технических наук профессор Шевченко В.В.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Ключев В.И.,

кандидат технических наук Сокольников A.B.

Ведущее предприяше -

Казанское могоросгрои-1сльное производственное объединение (KMIIO)

Защита диссертации состоится 16 июня 1998 ( в аудитории М-214 в 14 час. 00 мин на заседании диссертационного Совета К 053.16 06 Московскою энергетическою института (технического университета) по адресу: ул. Красноказарменная, д 13.

Опыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, г.Москва. ул.Красноказарменная, 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссер1ацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан " & 1498 I

Ученый секретарь

диссертационно! о Совета К 053.16 (16 кандидат технических наук, доцент jf<f J v Анчарова Г.В

Af,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ьолмиими возможностями в решении проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов обладают предприятия, производящие и испытывающие авиационные газотурбинные двигатели (АГТД). При испытаниях двигатели помешаются на стенд, где они проходят несколько испытательных циклов. Продолжительность отдельных циклов достигает 500, а иногда и более часов, во время которых моделируются различные режимы работы АГТД (от малого газа ло форсажа). Образующийся при этом поток высокопотенциальных отработанных выхлопных гатон (ОВГ) (температура около 600 С, скорость до 600 м/с, давление до 2x10"* Па, ОВГ современных авиационных двигателей могут иметь и более высокие параметры) как правило, не используется и просто выбрасывается в атмосферу. Значительная доля этой энергии может быть преобразована в полезную. Величина фактически использованных вторичных энергоресурсов (ВЭР) будет определяться принятым способом и устройством для утилизации располагаемой энергии струи ОВГ.

Цель и ииачи работы. Целью работы являлось создание утилизационной газотурбинной установки (УГТУ), состоящей из утилизационной турбины (УТ) и синхронного генератора (СГ), отдающего энергию в промышленную сеть, что позволит рационально использовать жерт ию пыхлонных газов испытываемых АП'Д. При этом решались следующие задачи:

I . Выбор и обоснование оптимальною пути преобразования энергии выхлопных газов испытываемых АГТД в электрическую энергию промышленной частоты нормированного качества с выдачей ее в заводскую систему промышленного электроснабжения (СПЭ)

2. Исследование оптимальной структуры компоновки УГТУ (выбор типа и согласование параметров электрического генератора и утилизационной газовой турбины)

3. Анализ рабочих и аварийных режимов работы УГТУ.

4. Исследование электромагнитной совместимости СГ с СПЭ.

5. Разработка систем управления и защит УГТУ, обеспечивающих работе- и жизнеспособность в нормальных и аварийных режимах работы.

6 Экспериментальные исследования и опытно-промышленная эксплуатация установки совместно с заводской СПЭ в целях проверки и подтверждения теоретических положений работы

Методы исследования определялись каждой тн поставленных задач и опирались на положения теории »лектрогехннки и основ электроснабжения Технические исследования и расчеты выполнялись на ПЭВМ с использованием стандартных и специально рщрлботаимых ад|оритмов и протрамм. Обосно-

ванность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается как проведенными расчетами и экспериментальными исследованиями работы УГТУ, так и анализом известных, опубликованных в научно-технической литературе, результатов аналогичных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Проведенные поэтапно, многоплановые исследования позволили определить оптимальный способ утилизации струи ORI испытываемых АГТД и структуру компоновки УГТУ (включая как основные узлы - СГ" и УТ, так и системы управления, защит и автоматики).

2. Разрабоганы методы согласования параметров основных узлов установки --СГ и У'Г с целью получения максимальных технико-экономических показателей (КПД и мощности).

3 Разработана математическая модель УГТУ с синхронным нагрузочным генератором (СГ) при параллельной работе с заводской СПЭ, позволяющая решать вопросы статической и динамической устойчивости работы генератора, влияние автоматического регулирования возбуждения (APR) на работу установки, вопросы качества электрической энергии и т.д.

4. Для расчета токов КЗ в CID с УГТУ рекомендован и применен модифицированный метод типовых кривых, учитывающий реальные параметры СГ малой мощности

5. Для выбора коэффициентов усиления устройства ЛРВ в целях достижения наибольшей надежности работы генератора УГТУ в CID при изменении режимных параметров как СГ, так и системы был разрабоан и использован метод расчета на ")ВМ статических характеристик регулируемо!о синхронного турбо-т оператора.

Практическая ценность работы и реализация полученных гкчулыа юн.

Диссертационная работа выполнена в соотвеювии с координационным планом научных исследований, проводимых гто проблеме (0.01.11) "Разработка и внедрение новых методов и технических решений в области межотраслевых проблем промышленной энер!С1ики, направленных на энергосбережение" на кафедре "Электроснабжение промышленных предприятий" Московского энергетического института (технического университет) Основание для разработки проекта - комплексная программа МинВУЗа РСФСР " Человек и окружающая среда Проблема охраны природы", тема - " Газотурбинная установка для использования энергии выхлопных (азов 1171" . шифр- 05.03.02.03. R результате работы подтверждена принципиальная возможность рациональной утилизации энерши струи выхлопных га »on испытываемых ЛГТД. выбран ч обоснован наиболее приемлемый для заводских испыммельпых станций мегод использования терши оруи выхлопных юзов ЛГТД, рафабокшы проемы У1ТУ с

асинхронным и синхронным генераторами в качестве источников электрической энергии. Опытно-промышленная установка "УВГ-1" ("утилизация выхлопных газов" заводское название УГТУ) с синхронным генератором была смонтирована и успешно прошла испытания на Казанском моторостроительном производственном объединении (КМПО) Разработана и реализована комплексная система аварийной защиты генератора и турбины при раскручивании роторов до опасной скорости вращения (при КЗ на выводах генератора, потере возбуждения, отключении масляного выключателя и т.д.). Производится опытно-промышленная эксплуатация установки. Предложенный алгоритм и программа по определению коэффициентов усиления ЛРВ в соответствии с наибольшей надежностью работы генератора УГТУ в СП") при изменении режимных параметров как генератора, гак и системы был использован при расчете с 1атичсеких характеристик генераторов Запиской ГР')С.

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде международных. Всесоюзных и Российских научно-технических и методических конференциях, а также на научно-технических семинарах кафедр " Электроснабжение промышленных предприятий" Московского энергетическою института (ТУ) и Казанского филиала МЭИ Работа "Применение утилизационной гатотурбинной установки в системах промышленного электроснабжения" участвовала в республиканском конкурсе 1990 года на лучшее предложение по экономии электрической и тепловой >нер| ии. |дс мняла 2 место , раГкма "Снижение электропотребления системами промышленного электроснабжения при использовании утилизационных га-мпурбиннмх установок" является одним из победителей конкурса грантов по фундаментальным проблемам энергетики и электротехники по разделу Д-096 "Экономия шснтрнчсской эперши" (нотраздел О? "Рщрабожа нопых способов и ус фойе I в для экономии и повышении качеста электрической энергии") г Москва. 1995 г

Макет установки демонстрировался на 11ДПХ СССР в 1990 году в разделе "Лниадви1а1слесгроснис-90" и бы.ч удосюеи диплома выставки.а также на выставке в НИЦ в ратделе "Авиадви!а1ель-92". Проспект установки демонстрировался на международной выставке "Научно-исследовательские работы ВУЗов России по приоритетным направлениям пауки и техники" 12-16 декабря 1992 | ода, I 1>ерлин, ФРГ

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Обьсм н структура работы. Диссертация итожена на 219 страницах машинописною гскоа, содержи! 21 таблиц, 17 иллюстраций, список использованной литературы включает 126 наименований работ отечественных и зару-

бежных акторов. Работа состоит из введения. четырех глав, заключения, списка литературы, 6 приложений.

OCHOBIIOIC СОДКРЖ'АИИК РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, дана обшая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу возможных методов утилизации выхлопных (азов испытываемых АГТД и выбору типа ушлизационного усгройава.

1>ыли рассмотрены принципы дсисшия, основные ihhw, меюдика проведения и длительность испытаний АГТД. Знершя выхлопной струи газов на срезе реактивною сопла при испытаниях современных АГ'ГД составляет 100-150 кДж7кг. Гели учесть, что расход lata достигает при этом 100-200 ki/c, то можно сделать вывод о весьма значительных потенциальных энергорееурсах (мощность реактивной струи двигателя типа НК-8-2у достигает 35 МВт).

При выборе типа утилизационного устройства учитывались следующие основные требования: технически и экономически целесообразный процент извлечения вторичных энсргоресурсов; хорошая приспособляемость к переменным условиям на входе успновки и высокая надежность при /тигельной цикличной эксплуатации, проеюта конорукции, производства и обслуживания; небольшая установочная стоимость, включающая как стоимость самого устройства, так и капитальные заграш на его уоановку, небольшие эксплуатационные расходы; мобильность; и, наконец, принципиально важно то, что выбранное утилизационное ycrpoiiciBO не должно влиять на принятую icxho/югию и режим испытаний АГТД па испытательной станции.

Характерной особенностью ушли (анионной мошонки ннлиенн ю, чю условия ее ранены целиком определянпея режимом нсньнанип АГ1Д, i.e. количество и параметры рабочего тела установки определякися в каждый данный момент не чогребносп.ю в >нер1ии, а условиями и режимом испытаний, поэтому ут пли (анионная уоановка должна работам, по вынужденному графику и режим ее рабо1ы может не совпала и> с режимом работы потребителя. ">гим утили (анионные 1азо1урбинные установки резко оишчаюгея от стационарных энергетических установок Требовании к установке и особенности ее работы определяют выбор схемы ушли (ации, особенное in ее коне тру книи, peí уяирования и i д

Анализ требований к утилизационном установке, а также патентной литературы показывает, что наиболее распросфансппый и еоествснпый способ ушли шцни терши высокоскоросhimx и высок()1емнсра1урны\ laioiu.ix потоков -это применение в качестве утилизационного звена установки тазовой турбины с последующим приводом >лемрическото тенераюра и выдачей шергии в t'lD

Наиболее выгодно было-бы направлять всю массу струи газа в УТ и производить отбор газа непосредственно за реактивным соплом испытываемого А1ТД. Однако при этом имеются два ограничительных условия: максимальная пропускная способность УТ и возможное воздействие г азозаборного устройства, при его приближении к реактивному соплу, на замеряемые параметры А1ТД. Последнее вызывается увеличением газодинамического сопротивления на срезе сопла испытываемого АГТД и может явит ься причиной возникновения характерного нестационарного явления-помпажа, однако, при достаточном удалении гаэозаборного устройства от среза сопла испытываемого двигателя, параметры газа на срезе сопла останутся неизменными.

К генератору УГТУ предъявляется требование необходимости относительно высокой стабильности и точности поддержания параметров электроэнергии (частоты, амплигулы, формы и пофазной симметрии напряжения) при параллельной работе с заводской СЮ. имеющей в своем составе нелинейную и несимметричную нагрузку. Специфическим для СГ требованием будет условие статической и динамической устойчивости его при резких сбросах и набросах мощности У'Г при испытаниях АГТД, больших возмущениях в заводской СП') (например, короткие замыкания или коммутации крупных потребителей) и т.д.

Во второй главе произволен выбор и обоснование системы генерирования переменного тока промышленной частоты, наиболее рациональной для использования в У1ТУ при испытаниях А1ТД.

Переменный режим испытаний двигателей будет определять переменную мощность и. в общем случае, частоту вращения па палу утилизационной турбины Важнейшие параметры У'Г - мощное и, на налу и КПД жестко связаны со скоростью вращения ее ротора. Отсюда возникает вопрос согласования и опти-мтицин параметров УТ и электрического генератора в рабочем диапазоне вращения роторов УГТУ, а также возможности преобразования в таком случае энергии выхлопных газов испытываемых двигателей в электрическую энергию стабильной (промышленной) частоты.

Существует значительное число различных систем генерирования переменного тика промышленной частоты (табл I) Выбор юн или иной структуры преобразователей в наибольшей степени определяется диапазоном изменения частоты вращения приводного двигателя, его мощностью, а также техническими требованиями к установке. Ограничения, обусловленные требованиями к утилизационной установке и к его электрическому генератору, приведенные выше (особенность работы только параллельно с заводской О Ю, позволяющая упростить систему преобразования), диапазон рабочих мощностей (от 0 до 20-25 МВг) и скоростей вращения ротора У'Г значительно ограничивают область поиска оптимальной схемы преобразования и сводят их к рассмотрению лишь

Таблица 1

Классификация систем генерирования переменного тока стабильной частоты

I. Системы e прибором пастотнса частоты ¡ращения (ППЧВ)

-1 - о

at) У Г ппив ) ( (cr) )£■-О f-MMt

/ ' i «Уг» ЕЖГ У Ч^/ -°

' ТЯ = m Щ"

Классисрихация ППЧ&

ОЗнокалалныи ЛПчв со стпайилизатором частоты ¡ращения (CUS)

АЙухкананымй ПОЧВ с 5иротати8ной машиной ¡SMJ и амхтронаишнмьш лрео&азоваяго*ем (ЗИП), либо с Вм и вамаапным сопроти&гением

П, Пг

Ulttmst

ия«Л

тт

II__

ГУ

П. Системы с прюбразобатслем в Переме0наа скорость - стабильная частота (ЛССЧ)

wcg- мг

Ч^с?-

€

-О /-const

Классификация ОССЧ

ПССЧ с синхронны* ее-нералгором (СГ)и статическим преобразователем частоты (СПЧ)

ПССЧ с модулирующими генераторами (МГ) и статическим демодулятором (ДМ)

ИГ

Н§)€ЕЕ

W

1-0

ПССЧ с асинхронным ttntpa -тором (А Г) и устройством ¡аЗужЗечия (УВАГ)

s___» _

tar

У8АГ

* canst

ПССЧ с машиной д^ойноео питания (МДП) и системой ¡осуждения (СВНДП) (с контантным /поносимом и Sec -пнтантной -БМДП)

f const

'l J——tAj'

L-dOAWp.J

нескольких возможных или перспективных для данного способа утилизации систем:

1. Бесконтактная машина двойного питания в качестве генератора УГТУ.

2. Электромеханические устройства с дифференциальным редуктором.

3. УГТУ с асинхронным генератором.

4. УГТУ с синхронным генератором.

Сравнительный анализ достоинств и недостатков указанных систем при использовании их в специфических условиях работы УГТУ в СПЭ позволяет еще более уменьшить круг поиска оптимальною решения, отдав предпочтение синхронному или асинхронному генератору в составе УГТУ. Асинхронная машина (АМ) потребляет из СПЭ значительное количество реактивной мощности, в то же время синхронная машина (СМ) даже в период между испытаниями, будучи переведенной в режим синхронного компенсатора, будет выдавать в сеть реактивную мощность. Последнее обстоятельство предоставляет возможность непрерывной работы СГ с СПЭ. позволяет отказаться от регулярных отключений УГТУ и повторных синхронизаций СГ с сетью.

Учитывая, что мощность выпускаемых, в настоящее время, АМ на напряжение 6 и 10 кВ ограничивается величиной 6.3 МВт, можно сделать вывод о более широком диапазоне возможною применения в утилизационных установках СГ. Как было показано выше, мощность струи ОВГ при испытаниях АГТД может достигать десятков мегаватт, что. при использовании в качестве генератора АМ. пошолит утилизировать лишь незначительную долю энергии выхлопных газов. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о предпочтительности использования в большинстве случаев СГ , ограничив возможное применение АМ в УГТУ предприятиями, производящими только сравнительно маломощные АГТД

Вывод о предпочтительности использовании СГ в УГТУ ставит вопрос о согласовании технических данных СГ и УТ с целью получения максимальных технико-экономических показателей (мощности и КПД) установки. Максимальная скорость вращения ротора СГ (при одной ггарс полюсов) - 3000 об/мин. Оптимальные энергетические показатели газовой турбины при номинальной мощности достигаются при скорости вращения ротора Пт~6000-9000 об/мин, при этом величина КПД современных авиационных турбин достигает значения Пт 0,91.

Для турбины 16 СГ, исполыованной в дальнейшем совместно с СГ в составе УГТУ "УВГ-1" была прои»ведена серия расчетов, давшая следующие результаты (расчеты произведены дня работы утилизационной установки при испытаниях АГТД ПК-8-2У). В соответствии с. серией выходных характеристик тазовых турбин, полученных при различных расходах топлива, максимум мощно-

сти и КПД УТ 16СТ сдвигается, ири взлетном режиме испытаний АГТД, в сторону более низких скоростей вращения роюра турбины, а, именно, с номинальной скорости вращения ротора 5300 об/мин до 3000 об/мин . Т,,кая скорость вращения ротора турбины допускает их непосредственную стыковку ее с СГ при существенном повышении энергетических показателей установки с 4,5 МВт при 5300 об/мин до 6,2 МВг при 3000 об/мин.

Имеются и другие методы, позволяющие дополнительно повысить энергетические характеристики УП'У в целом. Из литературы известно о влиянии изменения угла входа энергоносителя на лопатки рабочего колеса турбины (а]) на ее энергетические показатели которые, при пониженных скоростях вращения ротора (в нашем случае - при 3000 об/мин) получаются выше, чем у унифицированных серийно выпускаемых, при тех же оборотах. Это может быть достигнуто путем соответствующей механической обработки лопаток соплового аппарата турбины с изменением их геометрии (профилирование лопаток). Был проведен расчет влияния угла «1 на КПД и мощность утилизационной турбины 16СТ (а 1 серийно выпускаемой турбины составляет 18,24®) Расчет турбины производился для условий, соответст вующих взлетному режиму испытаний АГТД НК-8-2У при скорости вращения ротора У'Г пт - 3000 об/мин. Расчеты показали, что при 3000 об/ мин оптимальным будет угол « | При этом максимальная мощность турбины возрастает с N-r-6200 кВт до 7200 кВт, т.е. на 16% .

(мце одним из возможных технических решений, позволяющих согласовать скорости вращения роторов СТ и У'Г, различные при своих оптимальных энергетических параметрах, является использование к У1 ТУ редукторов а. именно, планетарных передач.

Окончательный выбор того или иного варианта согласования энергетических параметров У'Г и генератора производится на основании технико-экономического сравнения с учетом сложившихся к моменту проектирования цен на электроэнергию, оборудование и монтаж, а ьэкже количества и типов производимых и испытываемых АГТД (что определяет степень загруженности и энертептчсские показатели УГТУ в целом ) При этом не исключается возможность проектирования и изготовления специально рассчитанной для конкретных испытаний несерийной сравнительно тихоходной (п-|-3000 об/мин) газовой турбины. Принимая во внимание, что стоимость такого изделия будет намного больше, чем у серийно прои водимых, целесообра зно подбирать и использовать газовые турбины из числа уже освоенных п производстве. Колее того, для этих целей могут быть приспособлены |урбины, даже отработавшие свой ресурс.

В i рот i.cii главе описана конструктивное исполнение, результаты испытаний и особенности работы опыию-промышлепной УП'У "УВГ-1". внедренной на Казанском моторостроительном производственном объединении.

Создание установки (рис 1) было обусловлено необходимостью подтверждения практической возможное ги рациональной утилизации энергии выхлопных газов испытываемых А1ТД, разработки отдельных узлов и систем автоматики, технологических и электрических зашит УП'У.

И» испытываемого авиационного двигателя I газ поступает в выхлопную шахту 2 , где установлено газоэаборное устройство 3 , спроектированное по 1ипу самолетного воздухозаборника для отбора части ОВГ. Основной газовый тракт 4 предназначен для подвода выхлопных ¡азов к утилизационной турбине 5 Пройдя через нее и отдав энергию, газы поступают в выхлопное устройство "улитку" 6 и выбрасываются в атмосферу. Турбина приводит во вращение синхронный (оператор 7 , который вырабатывает электроэнергию с выдачей ее в »аводскую СЮ. На "УВГ-Г. установлен синхронный генератор типа СГС-14-100-6У2 мощностью 2,5 МВт с возбудителем 8 типа ПВ-92. Газовая турбина использована от газоперекачивающей установки НК-16СТ. Валы синхронного генератора и газовой турбины соединены с помощью упорного подшипника и муфты с упругими вставными элементами. На основном газовом тракте установлена регулирующая заслонка с электроприводом МП-750А, предназначенная для регулирования скорости вращения роторов установки при синхронизировании генератора с сетью, а также ограничения мощности генератора величиной 2,5 мВт при испытаниях авиационных двигателей в режиме форсажа

Автомагические устройства системы защит предназначены для предохранения турбины и генератора от выхода из строя по аварийным параметрам. В установке предусмотрены следующие виды технологических защит.

- по низкому оперативному напряжению,

- по понижению давления масла в турбине;

- по превышению допустимой вибрации 1снсраюра и турбины;

- по псрегручкс г енератора;

- по превышению допустимой гсмпсрагурм масла в подшипниках генератора и турбины.

Наиболее жесткие требования из сис!ем акюмашки и тащит УВГ-1 по степени надежное!и и бысгродсисшия предъявляются к системе аварийной защиты СГ и УТ от раскручивания роторов до опасной скорости вращения. Разгон роторов установки може! происходить (при потере возбуждения, отключении масляного выключателя. КЗ на выводах 1снерагора и г.д ).

Для защиты СГ и УТ была разработана аварийная отсечная заслонка, позволившая добиться необходимой скорости перекрытия основного газового тракта. В случае раскручивания ротора генератора до частоты 1100 об/мин аварийная заслонка, в нормальном рабочем состоянии перекрывающая обходной тракт, под действием механических тяг займет положение , полностью перекрывающее поступление газов в турбину. За время срабатывания защиты (0,4 с) ротор генератора не успеет достичь предельной частоты вращения - 1200 об/мин.

Для защиты основного электрооборудования установки предусмотрены следующие виды релейных защит, действующие на отключение масляного выключателя на выводах генератора;

- от междуфазных замыканий генератора (продольная дифференциальная защита);

- от междуфазных замыка:шй на кабеле связи с системой (максимальная токовая защита).

Также предусмотрены защит ы, действующие на сигнал:

- от замыканий обмотки статора на землю;

- от замыканий обмотки ротора на землю.

Приведенные испытания и опытно-промышленная эксплуатация "УВГ-1" при параллельной работе с заводской СГ1Э подтвердили принципиальную возможность рациональной утилизации энергии выхлопных газов испытываемых АГТД. Ожидаемый годовой экономический эффект при эксплуатации "УВГ-1" составляет 40000 рублей (в ценах 1985 гола), выработка электроэнергии - до 2000 МВтхчас. Однако существует возможность, при некоторых конструктивных доработках отдельных узлов установки, значительно повысить ее технико-экономические показатели при незначительных затратах:

I Синхронный генератор УВГ-1. имеющий номинальную скорость вращения 1000 об/мин, не обеспечивал оптимального режима работы (максимальных значений мощности и КПД) турбины 16 СТ. Предусматривается замена генератора на генераторе номинальной скоростью вращения 3000 об/мин и большей

мощности, что позволит увеличить съем активной мощности с 2,5 МВт до 6,2 МВт.

2. Выполнены вариантные расчеты УТ на взлетном режиме работы испытываемого агтд типа НК-8-2У. Расчет произведен для случая использования серийно выпускаемой УТ 16СТ с сохранением 1сомегрииее лопаток, а также при дополнительной механической доработке. Результаты расчета показывают, что при обхвате ядра струи (40% от расхода газа) мощность на валу УТ в первом случае при скорости вращения ее 3000 об/мин составляет 6,2 МВт. При оптимизации геометрии сопловых и рабочих лопаток, мощность УГТУ может быть повышена до 7,2 МВт.

3. Предлагается каждую утилизационную установку, использующую энергию выхлопных газов испытываемых авиационных двигателей, располагать между парой испытательных боксов. Выхлопные газы на турбину можно будет направлять от каждого из боксов независимо друг от друга. Это позволит, во-первых увеличить загрузку генератора, и. во-вторых, увеличить время выработки активной мощности. Предварительный расчет параметров режимов работы "УВГ-1" был произведен для проверки соответствия одного из основных показателей качества вырабатываемой электроэнерт ии а, именно, отклонения напряжения йи нормам ГОСТ 14705-89 во всем возможном диапазоне работы ус-(лнонки Анализ показал, что "УВГ-1" может работам, параллельно с СПЭ, с соблюдением указанного условия, при любом режиме иены пиши АГТД независимо от нагрузки предприятия.

Экспериментальные исследования У1ГУ "УВГ-1" подтвердили штатную работу систем автоматики, аварийных и релейной защит, сигнализации и контрольно-измерительной аппаратуры; соответствие качества вырабатываемой электроэнергии нормам ГОСТ; статическую и динамическую устойчивость СГ и живучесть самой установки во пссч возможных режимах испытаний АГТД, а также при возможных нарушениях режима в СПЭ предприятия, и, что принципиально важно, подтвердилось отсутствие влияния УГТУ на режим испытаний АГТД-

В четвертой главе был исследован вопрос работы утилизационных газотурбинных установок с СГ мощностью до 20 МВт совместно с СПЭ предприятий авиационного моторостроения. Подключение генератора УГГУ к шинам 610 кВ 1Т1Г1 обуславливает необходимость проверки электрических аппаратов и проводников(особенно высоковольтных выключателей и кабелей) на термическую и динамическую стойкость из-за дополнительной подпитки места КЗ.

Для расчета периодической составляющей тока КЗ в произвольный момент времени широко применяется метод типовых крипых, характеризующий изменение периодической составляющей тока но времени при ра зличных удаленно-

и

стях точки КЗ. Кривые получены на fíate параметров i илро- и турбогенераторов мощностью до 500 МВт включительно и ориентированы на определение токов КЗ в крупных энергосистемах. Показано, что применение этого метода, в случае использования СГ малой мощности ( до 20 МВт), может привести к значительным погрешностям, так как их параметры существенно отличаются от параметров мощных 1енераюров, для которых были посфосны эги кривые. Поэтому, возникла необходимость построения аналогичных кривых с учетом реальных параме1ров СГ малой мощности. В результат расчета были определены параметры схемы замещения эквивалентного СГ и, соответствующие этим данным, типовые кривые изменения во времени периодической составляющей тока КЗ. lGn^f(0 Предварительный расчет для конкретной СЮ и устанавливаемой в ней УГТУ позволяет сделать вывод о соответствии электрических аппаратов и проводников увеличивающемуся уровню токов КЗ и, в необходимых случаях, произвести их замену. Также, соответствующая проверка и коррекция, должна быть произведена с системами релейной защиты и автоматики СГО предприятия.

Электрическая энергия, получаемая от СГ УГТУ при испытании АГТД и выдаваемая в СП'), должна соответствовать требованиям ГОСТ 19705-89 , предъявляемым к ее качеству. Показано, что влияние синхронного генератора, входящего в состав УГТУ , на качество электро»нер| ии в CI Г) oí раничивается, практически одним показателем, а, именно, отклонением напряжения 611 в узле нафузки из-за изменения выдаваемой СГ активной и реактивной мощности и. вследствие мою, потерь напряжения от генератора до потребителей.

При исследовании установившихся режимов работы СПЭ с УГГУ, а также расчете токов КЗ был использован программный комплекс "SEZAM", разработанный на кафедре'ЗПГ1 МЭИ. Программный комплекс позволяет производить расчеты с учетом специфики статических характеристик конкретною, исследуемого в данном случае узла нафузки ( а, именно, предприятий энергетического машиностроения) путем введения в состав исходных данных значений рету-лирующего эффекта натрузки. Выл произведен расчет установившихся режимов работы УГТУ с 3 возможными типоразмерами С1'6,12 и 20 МВт, работающих параллельно с СПЭ предприятия. Установлено, что при работе УГТУ в СГТЭ могут существовать такие режимы, при которых превышаются допустимые уровни напряжения у потребителей. Однако, необходимо подчеркнуть, что все расчеты и выводы об установившихся режимах работы СПЭ с УГТУ были сделаны в предположении о постоянстве ЭДС Fq (или тока возбуждения If) СГ в проводившихся сериях расчетах, то есть, рассматривался случай нерегулируемого генератора.

В настоящее время генераторы большинства электрических станций малой мощности снабжены, как правило, АРВ пропорционального типа, которые стремятся, хотя и не всегда в состоянии, поддерживать постоянным напряжение на выводах генератора при всех изменениях режимов электрической системы. Поэтому, при превышении заданных напряжений на выводах сг устройство APR будет уменьшать ток возбуждения If, что, наряду с уменьшением эдс генератора liq и напряжения UG, вызовет уменьшение действительного предела мощности. В этих условиях возможно ухудшение статической устойчивости системы.

Существующий метод D-разбиения позволяет определить область значений коэффициентов усиления APR, которая соответствует устойчивой работе гене-раюра для заданных режимов. Встает задача выбрать из этой области значения коэффициентов усиления, которые давали бы наибольший запас устойчивости, ю есть наибольшую режимную надежность.

'Задача была решена путем построения статических характеристик используемого в УГТУ СГ для наиболее характерных режимов СТТЭ. Разработан метод расчета коэффициентов усиления, позволяющий осуществить настройку АРВ в соответствии с наибольшей надежностью работы генератора в системе при изменениях режимных параметров как генератора, так и системы. Получаемые при этом статические характеристики позволяют оценить пределы передаваемой мощности и изменения напряжения системы, соответствующие ус-юйчивой работе генератора в конкретных условиях.

Проведенное исследование устойчивости не было достаточно полным, так как не рассматривались нарушения устойчивости, имеющие характер самораскачивания. Такие нарушения могут возникать при наличии в CI1D устройств автоматического регулирования, например при наличии в узлах нагрузки СМ с различными законами регулирования побуждения и типами возбудительных устройств с неудачно выбранным законом регулирования возбуждения или коэффициентов усиления по отдельным каналам регулирования любой из СМ ( в рассматриваемом случае - генератора У1ТУ) в узле натрузки.

Периодическую статическую устойчивость узла нагрузки можно опепигь, не решая характеристическое уравнение, а с помощью методов, которые позволяют, по тем или иным признакам, судить о наличии или отсутствии у этого уравнения корней с положительной вещественной частью, что свидетельствует о возможности самораскачивания При этом можно использовать любой из известных методов (чаще всего используется критерий Михайлова), что позволяет окончательно решить вопрос о статической устойчивости СГ УГТУ и СЮ в целом Проверка по условию самово<Пужления не требуется, так как внешнее сопротивление СГ (СПЭ) не может ноешь емкостного характера

При расчете и анализе динамической устойчивости IX УГТУ, необходимо отметить некоторые особенности самой утилизационной установки, дополнительно влияющие на переходный процесс, а. именно, значительно меньший (в 1,5-2 раза) момент инерции, чем у турбогенератора с паровой турбиной, и худшую управляемость.

Таким образом, определяющей для сохранения устойчивости генератора при больших возмущениях представляется связь с энергосистемой (или, как принято говорить, "жесткость"). Чем слабее электрическая связь утичизаци-ошюго СТ с энергосистемой, тем труднее обеспечить динамическую устойчивость при больших возмущениях. При этом резко сокращается та длительность КЗ, при которой не нарушается динамическая устойчивость СХ. Расчетным путем получены предельные по устойчивости длительности трехфазных КЗ на линиях, отходящих к электроприемникам от шин генераторного напряжения в функции величины, характеризующей "жесткость" связи СХ с энергосистемой и равной отношению составляющей тока КЗ от энергосистемы к составляющей тока КЗ от генераюра. И} полученной зависимости можно сделать вывод, что устойчивость при "слабых" связях без специальных прогивоаварийиых мер может не обеспечиваться.

При больших возмущениях в СП'), возникают 1акжс значительные колебания электромагнитного момента, прикладываемою к валу генератора и турбины, что можег привести к поломке а!регата. Основным расчетным случаем является, как известно, момент, возникающий при внезапном трехфазном КЗ на выводах . генератора Кщс более значительные колебания момента возможны при несинхронных включениях генератора УГТУ на параллельную работу с СП') при неконтролируемой разности частот и фаз их напряжений. Последствия такой коммутации могут привести к весьма значительным колебаниям момента, резкому снижению напряжения и нарушению устойчивости нагрузки.

В какой мере указанные броски момента СГ могут быть опасными, полностью определяется конкретными условиями и делает необходимым предварительный проверочный расчет

злключшшр:

Подводя итоги теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в настоящей работе, можно следующим образом сформулировать основные результаты.

I. Проведенный сравшпсльпый анализ возможных способов утилизации струи ОВГ испытываемых ЛГТД с учетом требований, предъявляемым к УГТУ

и специфических особенностей ее работы показал, чго наиболее перспективным будет использование в качестве утилизационного звена установки газовой турбины и электрического генератора с выдачей энергии в СПЭ.

В специфических условиях работы испытательных станций ЛГ'ТД конкурентоспособно использование асинхронных и синхронных машин в качестве генератора УГТУ Сравнительный анализ позволил сделать вывод о предпочтительности использования СГ в У1 "ГУ.

2. Исследован вопрос о согласовании технических данных СГ и У'Г с целью получения максимальных технико-экономических показателей (мощности и КПД) установки. Рассмотрены несколько, возможных вариантов решения проблемы согласования скорости вращения СГ и У'Г. в том числе, использование газовых турбин повышенной, по сравнению СГ, номинальной мощности, профилирование лопаток газовой турбины; использование планетарного редуктора; использование специально спроектированной и изготовленной тихоходной турбины. Окончательный выбор того или иного варианта согласования производится на основании технико-экономического сравнения для конкретных заданных условий.

3. Особенности работы УГТУ в СПЭ позволили составить расчетную схему замещения, а также рекомендован, для расчета токов КЗ модифицированный метод 1ИПОВЫХ кривых разработанный с учетом реальных параметров СГ малой мощности.

Даны рекомендации о предварительном расчете и проверке соответствия электрических аппаратов и проводников увеличивающемуся уровню токов КЗ чтобы, в необходимых случаях, произвести их замену. Также, соответствующая проверка и коррекция необходима для устройств релейной защиты и автоматики СП") предприятия

4 Расчеты установившихся режимов работы СГ в СПЭ, сделанные в предположении о постоянстве ЭДС Fq СГ в проводившихся сериях расчетов показал, что могут существовать такие режимы работы УГТУ, при которых превышаются допустимые уровни напряжения у приемников Однако, соответствующий подбор коэффициентов усиления ЛРВ СГ позволяет поддерживать уровни напряжения на выводах топератора и. следовательно, у приемников н допустимых пределах.

5 Особенностями утилизационной установки, дополнительно влияющие на переходный процесс, значительно меньший ( в 1,5-2 раза) чем у турбогенератора с паровой турбиной момент инерции, и худшая управляемость. Расчетным путем получены предельные по устойчивости длительности трехфазных КЗ на линиях. отходящих к э.чектроприемникам от шин генераторного напряжения в функции величины, характеризующей "жесткость" связи СГ с энергосистемой

1В

Из полученной зависимостей сделан вывод, что устойчивость при "слабых" связях без специальных противоаварийных мер не обеспечивается.

Установлено, что наиболее значительные колебания момента, прикладываемого к роторам СТ и УТ возможны при несинхронных включениях генератора У (ТУ на параллельную работу с СПЭ, что может привести к поломке агрегата, резкому снижению напряжения и нарушению устойчивости нафузки В какой мере указанные броски момент О мотут бы п. опасными, полностью определяется конкретными условиями и делает необходимым предварительный проверочный расчет.

6. Проведенные испытания опытно-промышленной утилизационнаой газотурбинной установки "УВГ-Г, внедренной на Казанском моторостроительном производственном обьединении при работе синхронною генератора параллельно с сетью 10 кВ предприятия, показали штатные действия систем автоматики, контрольно-измерительной аппаратуры, технологических и электрических защит, соответствие качества вырабатываемой электроэнергии нормам ГОСТ. Отработка генератором динамических режимов резкого сброса и наброса на-фузки, соответствующих режимам испытаний серийных двигателей, подтвердила устойчивую ею работу параллельно с сетью. Разработанная аварийная заслонка. перекрывающая основной газовод УП"У, надежно защищает СГ и УТ от разрушения при разгоне роторов установки до опасной скорости вращения при потере синхронизма. В период между испытаниями двигателей предусмотрена возможность работы генератора УВГ-1 в режиме синхронно го компенсатора для регулирования реактивной мощности в сети 10 кВ предприятия. Подтвердилось отсутствие влияния УГТУ на режим испытаний АГТД. Опытно-промышленная УП'У "УВГ-Г. обеспечила годовой экономический эффект в 40 тыс рублей (в ценах 1985 года), выработку электроэнергии - до 2000 МВт час в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Федотов А.И., Кондратьев С.И. Преобразование вторичных энергоресурсов в электрическую энергию для питания сиоем электроснабжения промышленных предприятий // Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта Тез. докл. Всесоюзной научн -техн. копф - Днепропетровск, 1990. -С.232-233.

2. Федотов А.И., Кондратьев С И. Использование асинхронного двигателя в качестве генератора утилизационной газотурбинной установки //Юбилейная научная конференция Казанск филиала Моек энерг. ин-та, посвященная 25-летию Казанск. филиала М')И: Тез. докл. - Казань. Казанск. филиал МЭИ, 1993 С. 38

3. Шевченко В.В. Федотов Л.И.. Кондратьев С.И. ОГ> опыте промышленной эксплуатации утилизационной газотурбинной установки (УГТУ) "УВГ-1" // Основные направления развития тепло-элсмроэнсргетики: Тез докл. итоговой научн. конф. профессорско-преподавательского состава. - Казань, Казанск. филиал МЭИ, 1995. С.7-8.

4 Шевченко В В., Федотов Л И , Кондратьев С И. Система аварийной зашиты утилизационной газотурбинной установки // Юбилейная научная конференция Казанск. филиала Моск. энерт. ин-та. посвященная 25-летию Казанск. филиала МЭИ' Тез локл - Казань, Казанск. филиал МЭИ. 1993. С.39

5 Шевченко В.В , Федотов Л И . Конлршьсв С И. Мероприятия по улучшению технико-экономических покупателей утилизационной газотурбинной установки (У1 ГУ) "УВГ-1" // Электрооборудование, электроснабжение, электропотребление. Московская международная научно-техническая и методическая конференция, посвященная 50-лс1ито факулмстн электрооборудования и автоматизации промышленности и транспорта МЭИ: Тез. докл. научн.-техн. и метод. Конф - Москва, Моск. энерг. ин-т, 1995. С.34-35.

6. Шевченко В В, Федотов ЛИ, Кондратьев С И К вопросу о надежности утилизационных газотурбинных установок в системах промышленного электроснабжения//Промышленная'»нерте тика - IWS - N6. С.21-23

7. Федотов ЛИ., Кондратьев СИ. Применение утилизационных газотурбинных установок п системах промышленного »лектроснабження // Повышение >ффек1ивнос1и и качества глсмроснабжения let. докл. Всесоюзной конф. -Мариуполь. 1990. С.34-35

X Шевченко ВВ. Кондратьев С. И Сот тасование основных параметром i а-зовой турбины и синхронного тенерагора " УВГ-1" //Проблемы энергетики: Гетдокл Республ научн конф - Казань. Катанск .филиал МЭИ. 1998 -С. 28.

7.0

Подписано к iiciaiii J1-

Печ л 1.2 Л" Тираж {00 Заказ

Типография М')И, Красноказарменная. 13