автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация работы электроприводов систем охлаждения мощных трансформаторов

Введение.

Глава 1 Системы охлаждения крупного трансформаторного оборудования с принудительной циркуляцией воздуха (воды) и масла.

1.1. Системы охлаждения крупного трансформаторного оборудования.

1.2. Типы систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования.

1.3. Управление приводами масляно-воздушных систем охлаждения.

1.4. Примеры построения применяемых масляно-воздушных систем охлаждения.

1.5. Недостатки применяемых систем охлаждения ДЦ и НДЦ и пути их устранения при помощи регулируемого привода.

1.6. Снижение энергопотребления за счет равномерного распределения потоков масла и воздуха.

1.7. Примеры определения энергетического эффекта при применении регулируемого привода.

1.8. Возможность повышения ресурса агрегатов системы охлаждения.

1.9. Основные задачи, возникаюп|иё'прй>й|)йменении регулируемого привода в системах охлаждёШ|г;1С|?.уЛ трансформаторного оборудования.

Глава 2 Исследование режимов работы систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования.

2.1. Обоснование необходимости исследования режимов работы трансформаторного оборудования.

2.2. Введение функции Греж.

2.3. Получение функции Рреж.

2.4. Применение функции Греж.•.

Глава 3 Система автоматического регулирования устройств охлаждения на базе регулируемого привода для крупного трансформаторного оборудования.

3.1. Выбор структуры системы автоматического регулирования.

3.2. Описание структурной схемы системы автоматического регулирования.

3.3. Причины использования математической модели объекта регулирования.

3.4. Параметры определяемые по модели.

3.5. Описание блок-схемы предложенной системы охлаждения.

Глава 4 Модель объекта регулирования для рассматриваемого трансформаторного оборудования.

4.1. Методы, использованные для построения модели.

4.2. Упрощения, принятые при построении модели.

4.3. Методики модели.

4.3.1. Методика определения основных геометрических и теплофизических параметров обмотки.

4.3.2. Методика определения свойств трансформаторного масла в зависимости от его температуры [°С].

4.3.3. Методика расчета осевого повышение температуры масла в обмотке температурных параметров обмоток.

4.3.4. Методика определения перепада температуры между маслом и обмоткой.

4.3.5. Методика определения средней температуры и температуры наиболее нагретой точки обмотки.

4.3.6. Методика определения потерь в обмотках и суммарных потерь в охлаждаемом устройстве.

4.3.7. Методика определения мощности отводимой через стенки бака.

4.3.8. Методика расчета гидравлических характеристик охладителей.

4.3.9. Методика расчета тепловых характеристик охладителя.

4.3.10. Методика расчета температур масла в верхней и нижней части бака, перепада температуры масла по баку и температуры масла бака.

4.4. Определение основных температурных и энергетических характеристик трансформатора в статике.

4.5. Определение основных температурных и энергетических характеристик трансформатора в динамике.

4.6. Описание структурной схемы объекта регулирования

4.7. Адекватность построенной модели.

Глава 5 Синтез системы автоматического регулирования.

5.1. Синтез системы регулирования в статике.

5.1.1. Задачи синтеза.

5.1.2. Обеспечение достаточной подачи масла.

5.1.3. Задача оптимизации режима работы систем охлаждения.

5.1.4. Задача локальной оптимизации.

5.1.5. Методика оптимизации статических режимов.

5.1.6. Статическая точность поддержания температуры.

5.2. Синтез системы регулирования в динамике.

5.2.1. Основные требования.

5.2.2. Настройка регулятора.

5.2.3. Определение скорости изменения температуры.

5.2.4. Примеры расчета переходных процессов.

Глава 6 Оценка эффективности применения регулируемого привода для системы охлаждения автотрансформатора 1АТ (2АТ), установленного на ОРУ Смоленской АЭС.

Актуальность работы. Тема диссертации относится к вопросам энергосбережения и повышения надежности работы трансформаторного и реакторного электрооборудования средствами автоматизированного электропривода. Мощные трансформаторы, автотрансформаторы и реакторы (в дальнейшем крупное трансформаторное оборудование или просто трансформаторы) являются одними из наиболее сложных и дорогостоящих элементов современных энергетических систем. От надежной работы этих устройств зависит устойчивая работа как отдельных электростанций и подстанций, так и всей энергосистемы в целом. Повреждение крупного трансформаторного оборудования приводит к его длительному простою. В данной работе, для повышения надежности рассматриваемого оборудования, предложено усовершенствовать его системы охлаждения. До сегодняшнего дня для охлаждения крупного трансформаторного оборудования используются системы, практически не изменившиеся с 40-х годов прошлого века. Появился серьезный дисбаланс между сложностью и мощностью трансформатора и примитивностью системы его охлаждения. Совершенствование электроприводов насосов и вентиляторов систем охлаждения трансформаторного и реакторного оборудования направлено на сокращение расхода электроэнергии и износа агрегатов в системах охлаждения, уменьшение потерь электроэнергии в трансформаторах, автотрансформаторах и электрических реакторах большой мощности, повышение надежности и ресурса работы уникального оборудования.

В работе предлагается для систем охлаждения мощных трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов с принудительной циркуляцией масла и воздуха (воды) применить регулируемые приводы насосов и вентиляторов по системе ПЧ-АД. Это позволит снизить энергетические потери в системах охлаждения за счет равномерного распределения потоков масла и воздуха , плавности и экономичности регулирования потоков теплоносителя и улучшить температурный режим работы трансформаторного оборудования посредством оптимального выбора температуры и повышения ее стабильности. При этом энергетическая эффективность рассматривается в комплексе, с учетом потерь в самом трансформаторе.

Целью работы является исследование и обоснование эффективного применения систем регулируемого электропривода для систем охлаждения моп1;ных трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов электрических станций и подстанций с принудительной циркуляцией масла и воздуха (воды). Для достижения этой цели были поставлены следуюш;ие задачи:

1. Разработка методики, сбор и обработка статистической информации о нагрузке охлаждаемых устройств и температуре окружающего их воздуха;

2. Создание математической модели тепло и массообмена для систем охлаждения мощных трансформаторов и реакторов с регулируемым приводом;

3. Разработка алгоритма управления регулируемым приводом в зависимости от нагрузки трансформатора и температуры воздуха с целью стабилизации температурного режима охлаждаемого устройства, обеспечения выполнения технологических ограничений и достаточного срока службы изоляции;

4. Разработка структурной схемы системы автоматического управления регулируемым электроприводом охлаждающих устройств мощного трансформаторного оборудования;

5. Разработка методики оптимизации параметров структурной схемы системы автоматического регулирования охлаждения крупного трансформаторного оборудования с целью обеспечения минимальных энергетических потерь, увеличения срока службы охлаждаемого устройства и агрегатов системы охлаждения.

Результатом работы является техническая оптимизация работы системы охлаждения по минимуму расхода электроэнергии и обеспечению благоприятных температурных режимов работы охлаждаемого оборудования.

Методы исследования. С учетом поставленных задач были использованы методы статистики, гидродинамики, теории теплообмена, теории электропривода, теории автоматического управления, математического моделирования.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. На основе статистического анализа режимов работы мощных трансформаторов по нагрузке и температуре охлаждающей среды, найдено распределение вероятностей сочетания указанных параметров;

2. Предложено разделение режимов работы трансформаторов по условиям охлаждения на 4 зоны, для каждой из которых определены оптимальные алгоритмы управления системой охлаждения;

3. Разработана компьютерная энергетическая модель систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования с регулируемым приводом, позволяющая проводить оптимизацию работы этих систем.

Практическая значимость работы. Использование на практике результатов исследования позволит получить значительную экономию электроэнергии и повысить надежность основного трансформаторного оборудования. К практически значимым результатам работы относятся:

1. Результаты объектных исследований режимов работы систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования;

2. Разработка принципов построения систем охлаждения мощных трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов с принудительной циркуляцией масла и воздуха (воды) на основе регулируемого привода;

3. Разработка алгоритмов оптимизации работы этих систем в виде программных приложений, позволяющих определить наиболее выгодные режимы работы электроприводов системы охлаждения в зависимости от нагрузки и температуры подаваемого воздуха или воды.

На защиту выносятся:

1. Предложение об использовании регулируемого электропривода для вентиляторов и насосов систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования;

2. Математическая модель систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования с принудительной циркуляцией масла и воздуха на базе регулируемого привода по системе ПЧ-АД;

3. Методика оптимизации рабочих параметров системы охлаждения с помощью регулируемого привода.

Реализация результатов работы. Разработанные математическая модель, алгоритм управления, методика оптимизации параметров системы охлаждения, методика обработки статистической информации, структура системы управления были реализованы в виде программного обеспечения, позволяющего работать с конкретными объектами рассматриваемого трансформаторного оборудования. Результаты работы были использованы для анализа возможности применения регулируемого привода в системах охлаждения автотрансформаторов ОРУ Смоленской АЭС.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в трех научных статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, списка литературы из 55 наименований. Объем работы составляет 230 машинописные страницы, в том числе 142 страницы основного текста.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика сбора и обработки статистической информации о нагрузках трансформаторного оборудования и температурах охлаждающего их воздуха (воды). При этом:

• Обоснована необходимость исследования режимов работы систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования;

• Введена функция Рреж, позволяющая определить вероятность работы трансформатора в заданном диапазоне температур воздуха и нагрузок.

• Предложена методика получения Рреж с применением статистических данных о температурах воздуха (воды) и статистических методов обработки этих данных и показана возможность применения Рреж для определения среднегодовых потерь электроэнергии и срока службы изоляции;

2. Собрана и обработана статистическая информация о температурах воздуха и нагрузках для автотрансформатора 1АТ (2АТ) (тип АОДЦТН 167000/500/330), установленного на ОРУ Смоленской АЭС за 1996-1998 годы. Полученная в результате Рреж позволила выделить наиболее и наименее вероятные зоны работы рассматриваемого автотрансформатора. что было использовано при выборе параметров системы управления его охлаждением;

Создана математическая модель тепло и массообмена для систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования с регулируемым приводом. При этом была выработана методика определения основных, необходимых для модели, параметров. Построенная в результате модель объекта регулирования позволяет:

Рассчитывать в статике основные температурные и мощностные параметры трансформатора и его системы охлаждения в зависимости от температуры воздуха, нагрузки трансформатора и производительности агрегатов системы охлаждения;

Моделировать переходные процессы с учетом переменных динамических параметров охладителя и обмоток трансформатора;

Разработан алгоритм управления регулируемым приводом в зависимости от нагрузки трансформатора и температуры воздуха, с целью стабилизации температурного режима охлаждаемого устройства, обеспечения выполнения технологических ограничений и достаточного срока службы изоляции;

Разработана структурная схема системы автоматического управления регулируемым электроприводом охлаждающих устройств мощного трансформаторного оборудования. При этом обосновано применение модели объекта регулирования (трансформатор с его системой охлаждения) в системе автоматического регулирования;

Разработана методика оптимизации параметров структурной схемы системы автоматического регулирования охлаждения крупного трансформаторного оборудования с целью обеспечения минимальных энергетических потерь, увеличения срока службы охлаждаемого устройства и агрегатов системы охлаждения. Предложенная методика позволила:

• Производить оптимизацию зонального разбиения области температур воздуха и нагрузок выбором стабилизируемой температуры в верхней части бака и максимальной температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора с целью минимизации энергетических затрат и обеспечения достаточного срока службы изоляции;

• Добиться приемлемого качества переходных процессов посредством выбора параметров регулятора контура температуры и адаптивного задатчика интенсивности.

В результате решения поставленных задач было показано, что применение регулируемого электропривода в системах охлаждения крупного трансформаторного оборудования приводит к суш;ественному снижению энергетических потерь, улучшению температурного режима охлаждаемого оборудования и повышению ресурса агрегатов системы охлаждения.

Практические результаты работы представлены в виде программного обеспечения, которое включает в себя методику обработки статистической информации, математическую модель, алгоритм управления, структуру системы управления, методику оптимизации параметров системы охлаждения. Указанное программное обеспечение позволяет работать с конкретными объектами рассматриваемого трансформаторного оборудования. Результаты работы были использованы для анализа возможности применения регулируемого привода в системах охлаждения автотрансформаторов ОРУ Смоленской АЭС.

Заключение

В результате проведения исследования была решена задача, имеюш;ая суш,ественное значение для обеспечения надежной и эффективной работы крупного трансформаторного оборудования. В рамках данной работы и в соответствии с поставленной целью было произведено исследование и обоснована возможность эффективного применения регулируемого привода для систем охлаждения крупного трансформаторного оборудования с принудительной циркуляцией масла и воздуха (воды).

1. Андреев В. А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. М.: Госэнергоиздат, 1961. - 174 с.

2. Батурин Т. А. Детали машин. Учебник. М.: Машиностроение, 1968. 466 с, ил.

3. Бернштейн И. Я. Износ изоляции и нагрузочная способность.-Энергетика за рубежом. Трансформаторы. Вып. 5 М.—Л.: Госэнергоиздат, 1960, с. 62—91.

4. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы. Издание пятое, переработанное. Л.: Энергия, 1969. 408 с, ил.

5. Боднар В. В., Суханов В. М. О нагрузочной способности силовых масляных трансформаторов.-Электротехника, 1972, №3 с. 16, 17.

6. Боднар В. В., Матысько В. С. Температура охлаждающей среды трансформаторов с масляно—водяным охлаждением. Электротехническая промышленность. Сер. Трансформаторы, силовые конденсаторы, 1973, вып. 9(29).

7. Боднар В. В. Нагрузочная способность силовых трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с, ил. (Трансформаторы; Вып. 40 ).

8. Борисенко А. И. и др. Охлаждение промышленных электрических машин. -М.: Энергоатомиздат, 1983. 296 с, ил.

9. Булгаков Н. И. Расчет тепловых процессов в трансформаторах. Итоги науки и техники. Электрические машины и аппараты, 1965. М.: ВИНИТИ, 1966, с. 185-370.

10. Бурченков В. В. Исследование теплообмена в охлаждающих каналах силовых обмоток масляных трансформаторов. Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук, Иваново, 1975.

11. Васильченко Ю. А. Охлаждение трансформаторов с насосным побуждением циркуляции. -М.: Энергия, 1969. 175 с.

12. Васильченко Ю. А. Интенсификация теплопередачи в трубах трансформаторных охладителей. Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук, М.: 1973.

13. Васютинский С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. Л.:: Энергия. 1970. с. 374 - 380.

14. Годунов А. М. Сещенко Н. С. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. -М.: Энергия, 1976. 124 с.

15. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1961. 480 с.

16. Дулькин И. Н.,. Люблин И. Ш. Метод теплового расчета силовых масляных трансформаторов. Электротехника, 1997. №2 с. 16-21.

17. Енанешников А. М., Епанешников В. А. Программирование в среде Turbo Paskal 7.0 M.: ДИАЛОГ - МИФИ, 1993. 230 с.

18. Ефимова М. Р., Петрова Е. В., Румянцев В. Н. Общая теория статистики: Учебник М.: ИНФРА-М, 1998. - 416 с.

19. Зенова В. П., Левицкая Е. И., Лурье А. И. и др. Система программ РЭСТ для расчета динамической стойкости, потерь и нагрева трансформаторов и реакторов. Электротехника. 1996. №8.

20. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.- М.: Машиностроение, 1975.-559 с.

21. Исаченко В. П. и др. Теплопередача. Учебник для вузов, изд. 3-е переработанное и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с, ил.

22. Карабаев В. Н. Исследование и оптимизация внешнего охлаждения силовых масляных трансформаторов массовых серий. Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук, М.: 1975.

23. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов. М.: Энергия 1980. 208 с, ил.

24. Кузнецов Е. Ф. и др. Маслоохладители из труб с низкими спиральными ребрами. Энергомашиностроение 1965. №10 с. 18-22.

25. Кулаковский В. Б., Иванов М. В. Эквивалентные температуры охлаждающего воздуха для трансформаторов наружной установки. -Электрические станции. 1968, № 1, с. 54 58.

26. Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторное масло. М.: Энергия, 1968. 351 с.

27. Машкин В. А. Исследование стационарных температурных полей обмоток трансформаторов методом математического моделирования. Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук, М.: 1972.

28. Онищенко Г. Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок. М.: РАСХН - 2001. - 520 с.

29. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов М.: Энергия, 1972.-240 с.

30. Рассальский А. Н. Исследование температурных полей обмоток трансформаторов с принудительной циркуляцией масла. Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук, 1975.

31. Рудников К. А. Применение регулируемых электроприводов в системах охлаждения силовых трансформаторов автотрансформаторов и реакторов. Промышленная энергетика, 1997. №3.

32. Рудников К. А. Оптимизация систем охлаждения мощных трансформаторов.-М.: Научно-технический информационный бюллетень «Новые технологии», МГОУ, 1997. №4.

33. Рудников К. А. Анализ режимов работы систем охлаждения крупных трансформаторов.-М.: Научно-технический информационный бюллетень «Новые технологии», МГОУ, 1999. №6.

34. Рыженко В. И. Влияние эксплуатационных факторов на электрическую прочность трансформаторной изоляции маслобарьерного типа. Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук, 1984.

35. Сещенко Н. С. Охлаждение силовых масляных трансформаторов М.: Отделение ВНИИЭМ по научно технической информации, стандартизации и нормализации в электротехнике, 1968. 96 с.

36. Сещенко Н. С. Эксплуатация вентиляторов систем охлаждения Д и ДЦ силовых трансформаторов (обзор), М.: Информэнерго 1972.

37. Смирнов А. Д., Антинов К. М. Справочная книжка энергетика М.: Энергоатомиздат 1987. 568 с.

38. Тарле Г. Е. Ремонт и модернизация систем охлаждения трансформаторов. -М.: Энергия, 1975. 192 с.

39. Тимченко Б. С, Панченко Д. В., Кореневский Г. И. и др. Прямой контроль температуры обмоток силовых трансформаторов-Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1978, вып. 8 (88), с. 7, 8.

40. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов, изд. 3 е , перераб. и доп., М.: Энергия, 1968. 544 с, ил.

41. Филинов И. Ф. Основы теплообмена в электрических машинах. Л.: Энергия, 1974.-384 с.

42. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры-М.: Энергоатомиздат, 1984. 515 с.

43. Шерстюк А. Н. Насосы вентиляторы и компрессоры. Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1972. 344 с.

44. Юдин В. Ф. Тахтарова Л. С. Теплопередача и сопротивление пучков оребренных труб с различными высотами и шагами ребер при больших числах. Энергомашиностроение. 1972. №12 с. 21 -23.

45. Kuchler R. Die Transformatoren. Berlin - Gottingen - Heidelberg: Springer -Verlag, 1956 321 S.

46. Limbora К Die Weiterentwiklung der Methode fur die Messung der lokalen Temperaturen in Wicklungen von Hoch- und Hochstspannungstransformatoren Gastfortrag 11. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium TH, Ilmenau 1966, № 76, S. 1-9.

47. Пат. 1273 617 (ФРГ). Saltung und Anordnung zur thermischen Uberwachung von Transformatorenwicklungen/ Y. Simon, G. Mieth.

48. Пат. 1151 314 (ФРГ). Einrichtung zur Erfassung von Grenztemperaturen / U. Hruschka.

49. A. C. 181190 (СССР) Устройство для дистанционного контроля температуры высоковольтных электрических аппаратов/ И. П. Хрипков. Опубл. В Б. И., 1966, №9.

50. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. -М.: Энергия, 13-е изд., 1977. 288 с.

51. Руководство по нагрузке масляных трансформаторов. Публикация 354, издание 1, МЭК, 1972. 83 с.

52. РД 16 424 88 Трансформаторы силовые масляные с системами охлаждения ДЦ и Ц. Тепловой расчет обмоток. Запорожье. 1988.

53. ГОСТ 14209 69. Трансформаторы (и автотрансформаторы) силовые масляные. Нагрузочная способность.143