автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Управление технологическими процессами агрегатов гидроэлектростанций, работающих с переменными напорами

ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Артюх Станислав Федорович

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ АГРЕГАТОВ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ, РАБОТАВШИХ С ПЕРЕМЕННЫМИ НАПОРАМИ

03.13.07. - автоматизация технологических процессов и производств б промышленности 05.14.10. - гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Харьков - 1994

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Харьковском инженерно-педагогическом институ на кафедре "Электроэнергетики"

Официальные оппоненты.-

доктор технических наук,. , профессор Ястребенецкий Михаил Анисимович доктор технических наук, профессор Палагин Анатолий Андреевич доктор технических наук, профессор Лепорский Владимир Дмитриевич

Ведущее предприятие:

НПО "Харьковский турбинный завод"

Зашита диссертации состоится - 17- марта._1994г.

на заседании специализированного научного Совета Д 068.39.02 в Харьковском политехническом институте сзюоог, Харьков 2. МСП ул. , Фрунзе," 215.

С диссетрацией можно ознакомиться в библиотеке.Харьковского пол технического инситута

Автореферат разослан ( 199^ г.

Общая характеристика работы

О^нин из важнейших требований, которые предъявляются в настоящее время к энергетическим объектам, и в первую очередь к электрическим станциям, является всемерное повышение экономичности их работы. Это вызвано сравнительно низкой эффективностью использования огромных объемов энергоресурсов, затрачиваемых для выработки электроэнергии, что объясняется несовершенством их оборудования и режимов его работы.

Именно поэтому совершенствование ресурсосберегающих технологий выработки электроэнергии и улучшение режимов работы оборудования электростанций является чрезвычайно актуальным.

Все это в полной мере касается и гидростанций, хотя, по сравнению с другими типами электростанций, они и обладают большей экономичностью.

В первую очередь требуется повысить экономичность гидроэлектростанций , работающих с резкопеременными напорами, к кото- • рым относятся гидроаккумулируюшие и приливные станции, гидростанции с отбором воды на ирригацию,каскадные ГЭС, а также строящиеся ГЭС в период наполнения их верхнего, водоема. Необходимость работы этих станций с переменными напорами вызвана как принципиальными их особенностями, так и необходимостью вынужденного выбора и использования уже менее эффективных створов и строительных площадок сооружаемых объектов гидроэнергетики.

Кроме того, необходимо разработать эффективные меры по предотвращению огромных] народно-хозяйственных ущербов от недоот-пуска электроэнергии в результате системных аварий.

Решение этих проблем с помощью традиционного подхода к выбору и проектированию основного оборудования ГЭС (в первую очередь турбин и генераторов) оказывается малоэффективным

Этой проблемой начиная с 70^х годов начали занийаться в бывшем СССР, а также в таких странах, как Канада, Швеция, Швейцария, Великобритания, США и Япония. О серьезности подобных исследований свидетельствует тот факт, что в США в одном из отделов НИИ энергетики создана специальная лаборатория посвященная этой проблеме.

Вопросами повышения экономичности ГЭС в разное время занимав

лись такие ученые, как Ботвинник М.М., Шакорян Э.Г.Дмитриев С.Г. Поташник С.И.,Пиковский A.B., Блоцкий Н .Н. ,Веремеенко И.Г., Виссариоонов В.И., Бендиткис Л.М., Федоров М.Ф., а также зарубежные ученые Л.Шелдон, С.Хаяси.И.Иокояма, Ю.Китабасари, Т.Кикути, П.С .Хугес ,f.Наир ,И.Найду , Р.М.Матхур, К.Фарелл, Э.Гулливер, Ченг Ланг-юн и др.

Анализ работ приведенных авторов показал, что большинство из, них посвящены главным образом применению в схемах ГЭС асинхронизировг ных синхронных генераторов, а в отдельных работах рассматриваются, как правило, вопросы повышения экономичности конкретных гидростанций с агрегетами сравнительно небольшой мощности. Но даже таких работ опубликовано крайне мало.

До настоящего времени нет четко изложенных и обобщенных науч ных основ управления технологическими процессами работы агрега'тов гидростанций' с переменными напорами, которые позволили бы существенно повысить их эффективность. Создание такого научного обобщения на базе широких исследований, проведенных в первуд очередь для гидротурбин и генераторов отечественного производства является исключительно актуальной задачей и имеет важное прикладное значение.

Выполненные в работе исследования дают возможность по-новому определить принципы управления технологическими процессами гидроэлектростанций, по сравнению с традиционными, что в свою очередь позволяет по-новому подойти к проектированию намеченных к сооружению ГЭС и к модернизации старых станций, оборудование которых уже выработало свой ресурс. По мнению автора такой подход приводит к появлению в них некоторых новых качеств, которые несвойственны традиционным ГЭС Необходимо при этом учитывать, что гидроагрегат является сложный объектом исследования и к его физическим и. математически»! моделям ставятся особо высокие требования, 4так как - они должны отличаться достаточной универсальностью и высокой эффективностью. .

Настоящая работа выполнялась в соответствии с Постановлением Президиума АН УССР N 311 от 22.07.1986 г о включении ее в "Республиканский план важнейших НИР в области общественных и

■стественных наук до 2000 года", письмом Киевэнерго н 30/56-520 от !5.08.87 г "0 разработке схемы электрической части з^сперименталь-ого блока генератор-преобразователь частоты - трансформатор для невской ГЭС".Координационным планом по Комплексной проблеме Научные основы электроэнергетики на 1991-2000 годы" (протокол N 8 т 16.09.1990 года), протокола совещания по вопросу реконструкции невской и Каневской ГЭС для работы в режиме ГЭС - ГАЭС от 7.01.87г. утвержденного Министром Энергетики Украины, а также ешением ВНТС от 16.09.1988 г. "0 состоянии и перспективах, азвития гидроэнергетики и научно-техническом прогрессе в проек-ировании и строительстве важнейших гидроэнергетических объектов"

. Целью работы является разработка научных методов управления ехнологическини процессами гидростанций с переменными напорами, эзволяюших повысить эффективность их. работы, что имеет большое чачение для экономии энергоресурсов Украины.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить педукмцие задачи:

разработать методический аппарат сравнительного анализа харак-гристик гидроагрегатов для всего диапазона- изменения их рабочих апоров:

исследовать степень влияния отдельных параметров технологичес-IX процессов на эффективность работы обратимых гидроагрегатов,-

выполнить сравнительный анализ эффективности работы различных шов гидротурбин при изменении их отдельных режимных параметров;

определить метод управления параметрами технологических про->ссов выработки электроэнергии и "Закачки воды" на гидростанциях, 1ботагощих с переменными напорами и предложить эффективные спосо-I его реализации;

определить наиболее целесообразные электромеханические маши-|-вентильные'системы для энергоблоков ГЭС с переменными напорами, зработать алгоритмы оптимизации их параметров;

исследовать влияние предлагаемых систем на качество вырабаты-емой электроэнергии, на механическую прочность и на устойчивость боты агрегатов ГЭС и энергосистемы в целом; оценить эффективность предлагаемых решений.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решаются с помощью методов анализа модельных характеристик гидротурбин и насс сов, методов теории подобия, обшей теории гидромашин и теории коле баний.

Анализ электромеханических машино-вентильных систегт проведен с помощью аналитических методов теории электрических машин, методов оптимизации, (наискорейшего- спуска, последовательного перебора с элементами релаксационного поиска) и методов теории силовых преобразовательных устройств.

Исследование электромагнитных и электромеханических процессов выполнено с помощью цифрового моделирования с использованием .методов декомпозиции, итеррации Ньютона, инверсии дифференциальных уравнений, численного их интегрирования методом Кутта-Мерсона и не тодом гармонического анализа, аналитических методов теории автоматического регулирования и аппарата графов и матриц.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными исследованиями при лабораториях и натурных испытаниях. ,

На защиту выносится,-

кетод сравнительного анализа энергетических, кавитацион-ных и вибрационных характеристик гидротурбин;

систематизированные и обобщенные результаты их исследований для всех типов гидротурбин отечественного производства широкого ди апазона мощностей и напоров; ' ; 4

принцип управления Технологическими процессами гидроагрегатов ГЭС с переменными напорами, обеспечивающий наибольшую эффективность их работы;

комплекс решений по'выбору наиболее,эффективных методов реализации переменной частоты вращения гидроагрегатов и структур энергоблоков ГЭС:

методы и алгоритмы оптимизации параметров и конструкций различного типа гидрогенераторов, обеспечивающих предлагаемый принцип управления техноло.гичёскими процессами выработки электроэнергии и -Закачки воды" на ГАЭС, ГЭС и ПЗС;

математические модели и результаты исследования анализа

качества электроэнергии и переходных процессов в электромеханических машино-вентильных системах, работающих по схеме "синхронный генератор + тиристорный преобразователь + трансформатор + система" в нормальных и аварийных режимах;

стратегия и алгоритм регулирования параметров агрегатов энергоблоков работающих с переменной частотой вращения ;

результаты расчета знерго-зкономической эффективности перевода агрегатов ГЭС в режим с переменной частотой вращения.

Научная новизна работы. Впервые выполнен комплекс теоретических исследований эффективности различных типов гидротурбин отечественного производства, предназначенных для гидростанций, работающих с переменными напорами при изменении различных параметров их режимов.

На основе теоретического обобщения результатов исследования предложен принцип управления технологическими процессами гидроагрегатов, которые обеспечивают повышение»их эффективности при работе, сак в турбинном, так и в насосном режимах.

Предложены Наиболее целесообразные методы реализации переменной частоты вращения гидроагрегатов и структуры энергоблоков, эбеспечивающие необходимые показатели качества электроэнергии на винах ГЭС.

Сформулирована постановка задачи и реализован выбор'оптимальной конструкции генераторов для блоков с переменной частотой зращения, даны алгоритмы оптимизации отдельных их параметров.

Созданы цифровые модели, описывающие предложенные структуры энергоблоков ГЭС и систем их.регулирования. С их помощью подтвера-аены качественно новые возможности повышения устойчивости энерго-. :истем при использовании новых принципов упрарления технологичес-сими процессами гидроагрегатов.

Подтверждена электромагнитная совместимость предложенных гтруктур блоков ГЭС, ГАЭС и ПЭС с электрическими системами.

Разработана стратегия регулирования- блоков с преобразователями 4астоты в цепи статора гидрогенератора, обеспечивающая полный комплекс режимов работы гидроагрегатов.

Исследована энерго-экономическая эффективность работы

различных типов гидростанций при переводе их агрегатов в режим с переменной частотой вращения.

Практическая ценность работы заключается в решении комплекса вопросов, позволяющих проектировать и строить гидростанции, предназначенные для раьоты с переменными напорами, в том числе и с реверсивными режимами гидротурбин, которые будут иметь более высокую эффективность работы, по сравнению с аналогичными существующими станциями.

Предложенные методы позволяют производить расчетно-теоретиче! кие исследования выбора рациональных решений в части необходимого диапазона изменения частоты вращения гидротурбин как в турбинном, так и в насосном режимах, наиболее целесообразной структуры знергс блока, силовых схем преобразовательных агрегатов, фильтрокомпен-сируюших устройств и систем управления агрегатами энергоблоков широкого диапазона мощностей.

Предложенные принципы управления технологическими процессами могут быть осуществлены на действующих ГЭС, ГАЭС и ПЗС пу-тем модег низации их блоков при замене генераторов выработавших свой ресурс, что позволяет повысить их эффективность при сравнительно небольпш затратах и сроках ее выполнения.

Разработанные алгоритмы оптимизации конструкций гидрогенератс ров позволяют произвести разработку необходимых машиновентильных сяс/тем для новых структур энергоблоков, а предложенная стратегия регулирования блоков с вентильными вставками в статорных цепях гераторов может служить основой для разработки технических условий проектирования конкретных систем регулирования агрегатов энергоблоков.

Цифровые модели для исследования электромагнитных и электррме ханических процессов могут быть использованы заводами-изготовителями оборудования гидростанций для выбора параметров гидрогенераторов, а также уставок регуляторов агрегатов энергоблока при осуществлении реальных проектов ГЭС для реальных энергосистем.

Предложенный метод оценки энерго-экономической эффективности новых принципов управления технологическими процессами ГЭС может быть положен в основу составления ТЭО на проектирование конкретных

новых гидроэнергетических объектов.

Реализация результатов работы. Научные результаты работы, методики и результаты аналитических и экспериментальных исследований рекомендованы Минэнерго Украины.проектному институту "Гидропроект" для использования их при проектной проработке вариантов модернизации блока N 3 Киевской ГАЭС.а также использованы в проектной обосновании на поставку оборудования Тери ГЛЭС, и при разработке проектов реконструкции Снятинской и Низовской ГЭС и при разработке схемы использования малых ГЭС реки Тиссы.

Теоретические положения работы проверены при проведении натурных испытаний на гидроагрегате N 14 Киевской ГЭС. Режим переменной частоты вращения агрегатов предусматривается на строящейся . Каневской ГАЭС.

По результатам работы на кафедре электрических станций и электроснабжения Харьковского инженерно-педагогического института, введен раздел в цикл лекций по курсу "Электрическая часть станций и подстанций" для студентов специальности Оз.01.01, 10.01 и 10.04.

Апробация работы. Основные результы работы и ее отдельные положения докладывались: на Всесоюзной научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (Баку, 1982 г.), втором межведомственном научно-техническом совещании по проблемам электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей (Таллин,1982 г.), У1 Всесоюзной научной конференции по электроприводу переменного тока с полупроводниковыми преобразователями (Свердловск,1983 г.) IX Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (Алма-Ата ,1983г. :>. на Ш Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам преобразовательной технике (Киев, 1983 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт проектирования и строительства объектов Южно-Украинского знергокомплекса и перспективы создания энергокомплексов" (Ленинград,1984 г.), на республиканской научно-технической конференции "Коммутация-84", (Харьков,1984 г.), на III Всесоюзной научно-технической конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1984 г.), на 1У Всесоюзной научно-технической конференции по проблейам преобразовательной

техники (Киев, 1987 г.), на Всесоюзной научно-техниче.ском совещании по состоянию и перспективам развития гидроэнергетики (Ленинград, 1988 г.), на Республиканской научно-технической конференции по перспективам развития энергомашиностроения на Украине (Харьков, 1988 г.), на Ш Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам нелинейной электротехники (Киев, 1988 г.), на Республиканском научно-техническом семинаре по математическому моделированию и вычислительному эксперименту турбоустановок в процессе исследования,. проектирования, диагностирования и безопасност& Функционирований (Змиев, 1991 г.), на Всесоюзном научно-техническое совещании по будущему гидроэнергетики и основным направлениям создания гидроэлектростанций нового поколения (Дивногорск, 1991 г.).

Публикации. Результаты отражены в 36 публикациях, ю отчетах о научно-исследовательских работах. Приоритет новых технических решений, отраженных в диссертации, защищен 4 авторскими свидетельствами.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,6 глав, заключения, приложения и содержит з2з страницы. В общий объем работы входит 106^ рисунков, 46 таблиц, библиография из 143 наименований отечественных и зарубежных источников.

В первой главе рассмотрены методы сравнительного анализа характеристик различного типа гидротурбин и результаты исследования их эффективности при изменении режимных параметров ГЭС.

Во второй главе приведен анализ возможных методов реализации переменной частоты вращения гидроагрегатов, при обеспечении необходимого качества электроэнергии на шинах ГЭС. .

Третья глава посвящена исследованию работы электромеханических цашино-вентильных систем в структуре энергоблоков гидростанций, работающих по новому принципу управления их технологическими процессами, и оптимизации конструктивных параметров гидрогенераторов.

В четвертой главе выполнены исследования электромагнитных процессов блоков ГЭС и ГАЭС с преобразователями частоты, работающих с переменной частотой вращения.

В пятой главе приведены разработка стратегии управления

энергоблоком с тиристорными преобразователями в гтаторных цепях генераторов и исследование электромеханических переходных процессов.

Шестая глава посвящена экспериментальной проверке теоретических положений и расчету энерго-экономнческой эффективности гидростанций с переменными напорами при переводе их гидроагрегатов в режим переменной частоты вращения.

В заключении сформулированы общие выводы по результатам выполненной работы.

В приложении приведены материалы, подтверждающие внедрение результатов научной работы.

Таким образом, работа представляет собой теоретическое обобщение достигнутого и решение крупной народно-хозяйственной задачи, заключающееся в разработке новых принципов управления технологиче- • скими процессами ГЭС, предназначенных для работы с большими колебаниями напоров, которые позволяют экономить энергоресурсы и повысить эффективность работы станций, что.имеет для Украины важное народно-хозяйственное значение.

Глава 1. РАБОТА ГИДРОТУРБИН С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ

Традиционная методика выбора и проектирования основного Оборудования ГЭС, как известно, сводится к определению таких его параметров, которые обеспечивайт наибольшую эффективность работы станции в одном вполне определенном расчетном режиме, который определяется значениями расчетного напора, расхода, номинальной мощности и синхронной частоты вращения гидроагрегатов.Сконструированные таким образом гидроагрегаты способны обеспечить свою эффективную работу только в режимах с практически постоянными или мало отличающимися от расчетного напорами. Однако,целый ряд гидростанций работают с большими колебаниями напоров.при которых минимальные напоры составляют величину о.бН ^ и даже меньше. К таким станциям относятся гидроаккумулирующие электростанции сГАЗСэ. приливные гидростанции сПЭСэ.гидроэлектростанции.водоемы которых используются для целей ирригации, буферные электростанции энергокомплексов.станции расположенные на каскадах, а так>е

гтрояшеся ГЭС в период наполнения их водохранилищ. На таких станция:-: эффективность работы гидрооборудования при отклонении налог'-? иг ь одну, так и в другую сторону от расчетного резко

пада--- г.

Эффективность работы гидротурбины определяется ее коэффициентом полезного действия который равен'.отношению снимаемой-с ее вала механической мощности, передаваемой затем на вал электрогенератора к подведенной мощности водяного потока. Он выражается следующим образом:

- М •

'т УОН

где N - вращающий момент на валу гидроагрегата'; п - частота вращения гидроагрегата; г - плотность воды; о - расход воды через турбину; н - напор воды на ГЭС.

Учитывай то, что напор на ГЭС является величиной заданной условиями эксплуатации, очевидно, что наиболее существенной величиной определяющей КПД турбины является расход воды через нее. Причем ,при установившемся напоре КПД гидротурбины будет тем больше, чем меньше будет расход при одной и той же вырабатываемой мощности.

Для определения зависимости расхода жидкости проходящего чере; гидромашину от различных режимных параметров агрегата, проведен анализ уравнения Эйлера. Для этого в уравнение подставлены все параметры движущегося потока на выходе направляющего аппарата и внутри рабочего колеса и произведено его решение относительно Потерями энергии между направляющим аппаратом и рабочим колесом пренебрегаем. Показано, что для реактивных гидротурбин

»г ЧН

г и +-

2 г ■

2П ьо г2 Аг

где ао - угол мекду векторами окружной и абсолютной скорости;

аоЬо2о=р - площадь сечения на входе в рабочее колесо, нормальная к направлению движения потока; р - угол проекции вектора относительной скорости жидкости на выходе рабочего колеса;

г -радиус, определяемый соответствующими конструктивными параметрами турбины; ш - угловая скорость рабочего колеса;

9

1

г)г - гидравлический КПД.

Уравнение С2Э можно преобразовать и так

8 = А п + -!— , ( 3 )

где А и В - константы для данного напора; п - частота вращения гидротурбины.

Аналитическое исследование функции с 25 показывает, что для каждого фиксированного напора она имеет один минимум, который соответствует определенней частоте вращения. Эта частота вращения является разной для разных сочетаний конструктивных параметров гидромашин.

Для осевых гидротурбин получали аналогичную зависимость

по! Г 4 I

гш + -НГ "г*н

Б2

йЕ« tg/3

где о - диаметр рабочего колеса;

с! - диаметр втулки рабочего колеса; 6 - параметр решетки осевой гидротурбины.

Как видно из ( 4 ) зависимость имеет тот же вид что и с 2 э, но отличается-от него наличием фактора <5 во второй составляющей числителя.

На основе полученных уравнений произведена оценка зависимости д = г(Н) при разных частотах вращения гидротурбин.

Выполненный теоретический анализ уравнений с 2 з и с 4 з показывает, что имеется возможность поддерживать минимальные значения расходов при каждом фиксированном напоре путем соответствующего управления частотой вращения гидроагрегатов, и тем самым повышать КПД гидротурбин. При таком управлении значение синхронной частоты вращения будет соответствовать только расчетному напора, а для всех других напоров п >< пном-

Суть полученных в этой главе результатов заключается в том, что был разработан метод сравнительного анализа характеристик гидротурбин, работающих с переменными.напорами, позволивший выявить

)

-овый принцип управления технологическими процессами гидроагрегатов. который повышает их эффективность за счет изменения частоты вращения, а таг.ж~ улучшает их кавитационные и вибрационньк? характер нстики.

Отличие полученных результатов от уже известных состоит в ток. что с целью выявления зон эффективного функционирования гидротурбин. предложено проводить анализ попарных зависимостей между тагими параметрами как КПД, напором, расходом, мощностью;- частотой вращения как в турбинном, так и в насосном режимах. При этом анализ производится в зонах реальной работы турбин с учетом ограничений режимных параметров.

Предложено, в качестве дополнительного критерия, использовать среднеэксллуатационный КПД, характеризуя»^ полный цикл работы машины с переменными напорами.

Достоверность полученных результатов обеспечена тем. что основные положения разработанного медота сравнительного анализа баэяф£ются на общепринятых логико-методологических принципах исследования режимных параметров гидротурбин -.и исходят из'принятого в мировой практике^срстава параметров, экспериментально полученных модельных характеристик.

При сравнении учитывались все факторы, влияющие на работу гидромашин, в том числе, кавитационные условия, гидроудар, работа подшипников, механическая прочность узлов машины, их собственные ■частоты и т.д.

На основании полученных характеристик проведен сравнительный ^-анализ. работы различных типов гидротурбин отечественного производства при постоянных и переменных частотах вращения. Были исследованы обратимые гидротурбины Киевской. Каневской. Днестровской и Тери ГАЭС. Киевской ГЗС-ГАЭС и Кольской ПЗС, а также крупные радиально-осевые гидронашины Нурекской и Рогунской ГЭС и гидротурбины буферной Днестровской ГЭС. Пример сравнительных характеристик для агрегатов Г АЭС приведен на рис. 1, г, и з.

Результаты исследований показали, что для всех гидромашин при управлении их частотой вращения имеется выигрыш в максимальном КПД по Сравнению с КПД т:н же машины, не при п - const.

!пзлс

Турбинный режим

35 33

91

91

§

1 " * 39

I §

|/7

— — -

1 .. —-

— .»л

4 г»'

-1 й УР £

чз »1 3 1

V

гщо V. ¿хам.

мог •ЯП»

¿%еас ш за/

322 38

Л3

Напор Н,п Рис.1

у-т

Насосный режим

■■КЕ

< \1 \

/ /1=2. т и № шш \

1

V

1 | —

§ -1 1 1Г 8

!

1 ?

ягве А

зи т

М/ щз

вЗзяк зы

Нагар н.п

Рис. 2

Коэффициент полезного Действия

ВО

CP во

> m

о»

8lO IB Ú lO 11 — Ы Ы —

/ 2 у. Ai

-/Л//. 2 ■1 и О» i •у. у/,

5 ■ / / !

■о « .0 г

\ S/,'.

—Y— \

M

X А 1 1

* 1 1 1 гз 1 3 р ère и» on -л tt ^ 1 11

Ъ» 1 '

н ^ s s '-V 2 с X 1 «Ль • • II i--J J5

V 'i ш Г

Г

H

1С ТЭ

Н1

I X ос-х>

П) *

С S

Применительно к исследуемому множеству гидротурбин этот

выигрыш при минимальных напорах для разных.их типов составляет от +1.5 до +20* , по сравнению с односкоростными турбинами аналогичной мощности. Особенно значительное повышение КПД как в турбинном, так и в насосном режимах имеют Тери ГАЭС с соответственно +8.2* и +8у. з и Кольская ПЭС с + зо% и +30% э.

Повышение КПД достигается в аналогичных режимах и при максимальных напорах.

Улучшение КПД позволяет получить ту же выработку электроэнергии в турбинном режиме, но при меньших расходах воды, а в насосном режиме обеспечить большую закачку воды при максимальных напорах при этом, для всех обратимых гидротурбин при их работе в насосных режимах отмечается существенное снижение величины потребляемой , мощности во всей зоне эксплуатации. Например, для Киевской ГЭС-ГАЭС гнижение необходимой мощности двигателя колеблется от - 20 у. при - з.з у. при Н„.„_, а для Каневской ГАЭС - 20 у. от номи-

НИН Маки

иальной мощности двигателя.

На основе проведенного анализа определен новый принцип управления технологическими процессами гидроагрегатов Сп -> уаг три г, -» опт для данного Н з,который обеспечивает их максимальную эффективность и является справедливым для всех известных в настоящее время типов гидротурбин.

Исследования показали, что работа гидротурбин с переменной 4астотай вращения позволяет улучшить кавитационные условия эксплуатации как в турбинном, так и в насосном режимах. В этом случае обеспечивается работа гидромашины с оптимальным КПД и оптимальным •аЕитационным коэффициентом &0ПТ- Появляется возможность значитель-ю, почти в 2 раза, уменьшить заглубление турбины Н ,. обеспечив при

3

этом оптимальные условия эксплуатации и существенное уменьшение ;троительных работ.

Глава 2. Способы реализации работы гидроагрегатов при управлении их частотой вращения

При любых режимах работы гидроагрегатов частота и напряжение

электроэнергии на выходных шинах гидроэлектростанции должны был номинальными. Поэтому при практической реализации работы гидрот> бин с переменной частотой вращения необходимо, чтобы в составе энергоблока ГЭС были такие механические или электрические устрой ства, которые позволили бы осуществлять преобразование их несинхронных частот вращения в синхронную частоту выдаваемой -в сеть "'I'' электроэнергии.

В работе рассмотрены различные способы технической реализации управления переменной частотой вращения гидроагрегатов, при которых обеспечивается выдача в систему электроэнергии ГЭС с номинальной частотой.

Проанализированы преимущества и недостатки применения механических редукторов, гидродинамических муфт, измеменения числа ш полюсов электрических машин, использование асинхронизированных синхронных генераторов и включения тиристорных преобразователей е статорную цепь синхронных машин. Показано, что первые три способа кроме существенных технических недостатков, снижающих их эксплуатационную надежность, принципиально не могут обеспечить работу гидроагрегата с оптимальными показателями эффективности по всему полю универсальной характеристики и в генераторном, и в двигательном режимах, так как осуществляют изменения частоты вращения дискретно.

Выводы подкреплены примераки из отечественной и мировой практики гидротуроостроения.

Научно обоснована целесообразность управления переменной частотой вращения путем применения в структуре энергоблоков асинхронизированных синхронных генераторов-двигателей сАСГДэ или тиристорных преобразователей частоты сТПЧ:> соизмеримой с генератором ИОЦлНОСТИ.

Глава 3. Работа генераторов-двигателей в энергоблоках

ГАЭС и ПЭС при управлении их частотой вращения

При применении в структуре энергоблока ГАЭС и ПЭС асинхро-. низированных синхронных генераторов-двигателей возникает задача ,-выбора оптлпа-льных их конструкций, которые обеспечивали бы работу гидроагрегата в требуемом диапазоне частот вращения и обладали бы

наилучшими технико-экономическими показателями. Разработать оптимальную конструкцию АСГД для всех случаев их работы на указанных ГЭС весьма затруднительно. Выбор такой конструкции может быть произведен только при сравнении всеобъемлемых характеристик отдельных их вариантов, что возможно в условиях задания вполне конкретных исходных параметров, продиктованных необходимыми режимными и компановочными требованиями.

В данной работе такая оптимизация произведена для условия уже действующей Киевской ГАЭС. генераторы-двигатели которой уже исчерпали свой ресурс и подлежат замене.

В качестве исходных параметров приняты параметры существующих синхронного генератора-двигателя СВО 733/130-36.

Произведены расчеты и сравнения для 4-х вариантов АСГД. Первые из двух вариантов предусматривали сохранение габаритов существующей машины и выполнялись для случая 3-х и 2-х фазных обмоток ротора. Третий и четвертый варианты должны были обеспечить при том же диаметре машины максимально возможный КПД или по крайней мере не меньший, чем у машины СВО 733/130-36 при номинальной частоте вращения. Варианты отличались лишь количеством обмоток на роторе.

Электромагнитные и тепловые расчеты машин выполнялись по методике математической модели, разработанной на Харьковском заводе "Электротяжмаш".

В результате проведенных расчетов показано, что оптимальным вариантом АСГД для заданных условий является вариант машины с трехфазной обмоткой ротора и увеличенными на 60* размерами активных ее частей по сравнению с аналогичной синхронной машиной с рис.4 з При этом мощность возбуждения АСГД должна увеличиваться от 1У. при П=ПН0М Д° 70+100У- При П=0.7пном

В работе обоснована возможность применения в статооных цепях синхронных генераторов-двигателей б и 12 - пульсных "тиристорных преобразователей частоты с естественной и искусственной коммутацией. Подтверждены количественные зависимости величин высших гармоник токов в статорных цепях генераторов от угла коммутации тиристоров выпрямительных мостов, приведены математические выраже-

Забисипостб Ai/Щ. асшлроназ<;ро6атаго гидрогенератора- дбигателя от чостоть/ вращения

97----------

-----------

юо но i га /Л7 m isa tso mm m ¿ao гю Частота 0ращения1 пин

/. АСГ£ 733//30 - ЗБ (тренеразнал aSnomxa ротора), ¿. ACrjû 733/730-ЗВ (дёу*(разноя adnamza ротора);

3.АСГд 733/MQ-38 (трехфазная охотка ротора);

4. 'АС/2 733//7û'J6 (дёухфазная oSnamca ротора)

Рас. 4

ния для расчета дополнительных потерь б генераторе от токов высших гармоник. Произведена оценка этих потерь при работе генератора с ТПЧ с управлением частоты вращения по закону п = уаг-

На примере реальных конструкций генераторов показано, что подключение ТПЧ к выводам генератора существенно изменяет его собр. Показано.что применение в качестве ТПЧ управляемых компенсированных преобразователей значительно улучшает энергетические характеристики синхронного генератора при изменении его частоты вращения. При этом потери внутри машины существенно уменьшаются, по сравнению с другими типами ТПЧ. Путем соответствующего выбора угла коммутации г они могут быть уменьшены в 2.5 раза.

Показано, что применения 12-ти пульсных преобразователей сникает потери от высших гармоник. Однако,в том случае, когда выпрямительные мосты ТПЧ включаются на выход 2-х, смещенных относительно зруг друга на зо эл.градусов обмоток синхронной машины, из-за наложения на переменное напряжение нормального проводника постоянного (апряжения изоляцию этих обмоток надо выполнять на бЦф. С этой точ-:и зрения в схемах энергоблоков целесообразно применять 12-пульсные 'ПЧ с параллельным соединением мостовых схем.

Применение в энергоблоках ГЭС тиристорных преобразователей ¡астоты повышает эффективность их работы, но вместе с тем увеличи-1ает стоимость их электрооборудования. Существенное снижение этой тоимости может быть достигнуто путем применения в таких блоках инхронных генераторов сгенераторов-двигателей} с пониженной номи-альной частотой. В работе приводится алгоритм оптимизации пара-етров синхронных генераторов-двигателей по критерию расхода активу ых материалов с учетом затрат на их эксплуатацию, и учетом ограни-ения параметров машины по условиям обеспечения нормальной работы иристорных преобразователей частоты.

Глава 4. Исследование электромагнитных процессов в

энергоблоках ГАЭС с преобразователями частоты

Работа гидростанций с энергоблоками, содержащих в своей струк-уре ТПЧ, требует детального исследования их электромагнитной сов-естимости с электрической системой." Применительно, к системам с ентнльными преобразователями это понятие означает способность ис-

точника преобразуемой энергии, вентильного преобразователя и потребителей преобразованной энергии работать совместно так, чтобы неблагоприятные, но всегда'возникающие при такой работе явления ж приводили бы к недопустимому снижению показателей системы. ,

Для решения проблемы электромагнитной совместимости требуета выполнить спектральный анализ возникающих помех то есть полное исследование электромагнитных процессов в силовых цепях блока.

Математическая модель для исследования таких процессов в реальны* энергосистемах содержит несколько тысяч координат и -может иметь очень высокий порядок, что затрудняет проведение необходимы} расчетов. Суть полученных научных результатов заключается в том, что в работе предложена математическая' модель для исследования электромагнитных процессов в блоках ГЭС.ГАЭС и ПЭС,содержащих в своей составе блоки с ТПЧ. и на основе этой модели получен обширный массив данных для ;оценки электромагнитной совместимости .этих энергоблоков с энергосистемой.

Научная новизна результатов состоит в том, что обобщен, развит и распространен на новый класс блоков ГЭС - ГАЭС метод моделирования электромагнитных процессов в гидроагрегатах. Модель выполнена по принципу декомпозиции и содержит в своей структуре гидроэлектростанции с энергоблоками, имеющими ТПЧ, включенные непосредственно на*выводы генераторов - двигателей. Это позволяет вместо громоздких расчетов решать совокупность подсистем сравнительно невысокого порядка.

Созданная имитационная модель позволяет исследовать электромагнитные процессы в системе "СГ + ТПЧ +.система" при широком диапазоне изменения углов управления выпрямителя и инвертора, а также различной частоте вращения-синхронногЬ генератора и определять:

- гармонический состав напряжения. И тока на вьводах синхронного генератора и в точке подключения к системе при"полной его заг рузке и различных углах управления выпрямителя и инвертора;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и тока на шинах синхронного генератора и -системы.

С помощью разработанной модели был проведен значительный обьем исследований работы энергоблоков.с ТПЧ для условий Киевской

ГЭС и Киевской ГАЭС. В процессе исследований получен гармонический состав напряжения и тока на выводах синхронного генератора и в точке подключения энергоблока к системе при полной его загрузке. Указанные исследования проводились при разных углах управления выпрямителя и инвертора, при этом изменялась и частота вращения в пределах-от 0.8 до 1.2 г>нон. Оценка искажения кривых токов и напряжения производилась с помощью коэффициентов искажения синусоидальности соответствующих кривых Кин и Ки.

Исследования были приведены для условий применения в качестве ТПЧ б и 12 - пульсных тиристорных преобразователей с естественной коммутацией,без установки и с установкой фильтров высших гармоник, при разных местах подключения этих фильтров и при разных их параметрах.

Исследования подтвердили, что наибольший уровень искажения

кривой дают 5 й 7 гармоники. В зависигёйсти от угла управления а

их'величины на зажимах генератора лежат в пределах от 11 до 19*. •

Анализ полученных результатов показал, что в случае понижения

частоты вращения гидроагрегатов до 0.8 п„_„ коэффициенты искажения

ном

синусоидальности кривых напряжения и токов увеличиваются.Для кривых напряжения эт.о увеличение составляет +27*, а для кривых токов, соответственно, .для на +15%, а для I на +1*. При повышении частоты вращения до 1.2 п„„„ К„„ для и,_ увеличивается лишь на

НОЛ ин г

+13* .а для ис падает на -37*. Что касается Ки^,то в обоих случаях достигается значительное его уменьшение с от 20 до 37* э.*

Исследования позволили установить наиболее целесообразную точку подключения фильтров высших гармоник в случае применения 6-пульсных ТПЧ с естественной коммутацией, оценить их состав и параметры.

В работе показано.что применение в качестве ТПЧ б- пульсных преобразователей с искусственной коммутацией вдвое уменьшает искажение синусоидальности кривых токов и напряжений,а применение : 12- пульсных преобразователей, даже с, естественной коммутацией, полностью обеспечивает необходимое количество выдаваемой электроэнергии даже без установки' дополнительны^ фильтров высших гармоник.

Доказана полная электромагнитная совместимость энергоблоков с ТПЧ с системой.

Показано, что возникающие в статорных цепях гидрогенераторов высшие гармонические токов, вызывают соответственные пульсации их электромагнитной мощности и,как результат, вынужденные колебания вращающегося момента гидроагрегата. Впервые было оценено влияние этих возмущающих сил на различные элементы конструкции гидроагрегатов с разными типами гидротурбин, путем сравнения собственных частот этих элементов с частотами возмущающих сил. Проведенные проверки показали отсутствие какой-либо опасности для прочности конструкций агрегатов с точки зрения возможных резонансов частот

Достоверность полученных результатов полностью подтверждается проверенной работоспособностью компьютерных программ,реализующих указанную выше модель.а также адекватностью полученных результатов реальным данным.

Практическая ценность их состоит в том.что получены инструментальные средства для исследования, уже на этапе проектирования, энергоблоков с ТПЧ их электромагнитной совместимости с энергосистемой и оценки качества выдаваемой ими электроэнергии.

Глава 5. Принципы управления частотой вращения.

гидроагрегатов и исследование их электромеханических. процессов

Пятая глава посвящена разработке средств реализации предложенного принципа управления частотой вращения гидроагрегатов в блоках.,содержащих в своей структуре обратимую гидротурбину, синхронный генератор, тиристорный преобразователь и силовой трансформатор, которые обеспечивают устойчивые установившиеся режимы, качественные переходные процессы, а также необходимое качество выдаваемой в сеть электроэнергии.

Суть научных результатов изложенных в этой главе, состоит в разработке принципов построения системы управления энергоблоками ГЭС, ГАЭС и ПЭС и структуры их регуляторов, осуществляющих управление их технологическими процессами по- методу п=уаг при п л опт для данного напора Н.

Предложена математическая модель для моделирования электро-

механических процессов в таких блоках и исследовано значительное

число переходных процессов при различного рода аварийных ситуациях в энергосистеме.

Научная новизна результатов состоит в том .что впервые предложена структурная схема комплексного регулятора параметров энергоблоков с ТПЧ. обеспечивающая реализацию предложенного в первой главе принципа управления технологическими процессами агрегатов ГЭС, ГАЭС и ПЭС. Доказана целесообразность включения в такой регулятор корректора мощности, работающего по входному сигналу, пропорциональному отклонению частоты на шинах системы.

Впервые выполнена математическая модель, содержащая в своей структуре ГЭС с энергоблоками, имеющими ТПЧ, включенные непосредственно на выводы генераторов-двигателей.

Произведена сравнительная оценка качества переходных процессов агрегатов,-работающих по новому принципу управления их технологическими процессами.и агрегатов с традиционным управлением.

Достоверность порченных результатов подтверждается апробированной на практике работоспособностью компьютерных программ, реализующих данную модель, и адекватностью полученных.результатов реальным данным.

Практическая ценность результатов состоит в том, что во-первых, получены конкретные рекомендации заводам-изготовителям энергооборудования ГЭС для проектирования регуляторов блоков с ТПЧ, которые могут быть положены в основу технических заданий на их разработку, а во-вторых, получены инструментальные средства для оценки уже на стадии проектирования качества переходных процессов агрегатов ГЭС и выбора уставок их регуляторов, обеспечивающих гарантии регулирования.

Вопросы регулирования гидроагрегатов работающих с переменной частотой вращения и исследования электромеханических процессов в них разработаны еще очень мало. Немногие работы, посвященные згой проблеме, связаны главным образом с блоками, имеющими в своем составе асинхронизированные синхронные генераторы. Что касается управления и регулирования энергоблоков с ТПЧ в статорных цепях синхронных гидрогенераторов, то они вообще крайне редки.

Известна статья Кривенкова В.В. но в ней рассмотрены вопрос принципов регулирования гидроагрегатов ГЭС, работающих на линии электропередач постоянного тока. Имеется несколько зарубежных источников, но они посвящены регулированию энергоблоков малой мощности, которые не содержат регуляторов частоты вращения гидротурбины.

Такой регулятор должен обеспечивать:

- пуск и останов гидротурбины в турбинном и насосном режимах-.

- синхронизацию блока с системой;

- осуществление режима холостого хода гидроагрегата как отключением блока от сети, так и без отключения;

- включение гидроагрегата под нагрузку и поддержание тре буемого уровня активной мощности блока или же изменение ее по заданному закону! включая работу гидротурбины с очень низкими нагрузками ;

- поддержание частоты вращения гидроагрегата на оптималь-

НСЖ уровне;

- автоматическое регулирование необходимого уровня напря,-женчя на выводах генератора и в точке примыкания блока к системе;

- ограничение частоты вращения гидроагрегата по условиям Кавитации;

- защиту инвертора от опрокидывания;

- обеспечение формированного принятия нагрузки на блок их соответственно сброса нагрузки при аварийной ситуации в энергосистеме. связанной с возникновением небаланса активных мощностей.

Для обеспечения всех перечисленных функций регулятора необходимо осуществлять:

-- измерение величины действительного напора на гидротурби

не Н;

- измерение величины активной мощности гидрогенератора р;

- измерение напряжения на вьюодах генератора иг;

- измерение напряжения на шинах гидростанции ис;

- измерение частоты сети

В соответствие с этими требованиями разработана структурная

схема регулятора энергоблока, которая включает в себя-.

Блок оптимизации частоты вращения сБОЧВэ.который представляет собой вычислительное устройство, построенное на микропроцессорной основе, содержащее в своей памяти банк данных характеристик турбины и при введении в него величин текущего значения напора Н и заданного значения мощности р3. определяет требуемое значение оптимальной частоты вращения гидротурбины. Это значение вводится затем в регулятор турбины как уставка и поддерживается на.заданном уровне. Величина Рэ корректируется введением сигнала в случае отклонения частоты системы от номинального значения.

Регулятор напряжения на генераторе, который регулирует иг в соответствии с уставкой, определяемой частотой вращения турбины, и обеспечивающий оптимальное значение угла управления выпрямителем сю-15 градусов:». Такое его значение обеспечивает необходимый регулировочный диапазон мощности преобразователя и незначительное потребление им реактивной мощности.

Систему управления тиристорами,которая обеспечивает быстрое управление углами включения тиристоров выпрямителя и инвертора.

Систему управления инвертора, который кроме ограничения угла включения тиристоров, выполняет и регулирует напряжения в точке примыкания ГЭС к системе. При этом обеспечивается формирование /ставки угла выключения инвертора ч.ерез регулятор напряжения и ограничения, обеспечивающие устойчивую работу инвертора. Выпрями-1итель преобразователя обеспечивает необходимую мощность преобра-зания.

В регуляторе имеется корректор уставки регулятора мощности по склонению частоты сети в узле, примыкания ГЭС к системе, так чтобы :пособствовать восстановлению частоты в энергосистеме путей увели-!ения сили уменьшения з мощности преобразования агрегата. При этом юрсировка^ выдачи мощности возможна за счет значительного снижения астоты вращения гидротурбины.

В насосном режиме функции регулирования напряжения и частоты стаются на тех же элементах преобразователя, что и в турбинном ежиме. то есть преобразователь со стороны энергосистемы должен

осуществлять регулирование напряжения, а преобразователь со стороны генератора - потребляемую мощность двигателя. В качестве регулятора частоты вращения сАРМЧз может быть использован любой электрогидравлический регулятор, в том числе и штатный, которым комплектуются современные гидротурбины. Требуется лишь увеличить диапазон уставок механизма изменения частоты вращения сМИЧВз.

В работе приведена математическая модель разработанная специально для исследования электромеханических процессов энергоблоков ГЭС. в структуре которых имеются тиристорные преобразователи частоты.

В этой модели начальные условия определяются из предварительно рассчитанного установившегося режима. В переходном процессе кроме основного оборудования моделируются регулятор частоты вращения гидротурбины, регулятор возбуждения генератора и корректор мощности преобразователя. В преобразователе учитывается инерционность обусловленная наличием сглаживающего реактора.

Возмущения в энергосистеме моделируются изменением генерируемой мощности или нагрузки в узлах системы, отключением линии электропередач или коротким замыканием, которое иммитируется включением шунта в месте замыкания.

Математическая модель турбины учитывает гидравлический удар, в водоводе, что особенно важно для ГАЭС, имеющих длинные водоводы. Турбина представлена в виде трех линеризованных уравнений:

уравнения расхода воды через турбину

<з = рИ

уравнения движущего момента рабочего колеса

уравнения напора воды с учетом гидравлического удара

Ь = - Т ■ -4а_ + 1.

е аъ.

где а = - относительный расход турбины; и - относительное

пОИ

открытие направляющего аппарата; ъ = Н/Ннои - относительный напор на турбине-, щ = - относительный момент на валу рабочего

пОМ

колеса-, рг - относительная величина частоты вращения гидротурбины; т)т - КПД турбины; Т& - постоянная инерции массы воды, с1-ззс. Модель регулятора гидротурбины записывается в таком виде:

уравнение движения сервомотора направляющего аппарата

TS "ЗГ = - - + "к + - ол>>'

де Ts - постоянная времени сервомотора; р - выходная координата ибкой обратной связи; <5 - интенсивность жесткость обратной связи. Для открытия направляющего аппарата вводятся ограничения

И-г - V ^ Мт Tmin Tmax

де MTmin,мТтох - минимальное и максимальное открытие направляющего аппарата, выраженное в относительных единицах. Ограничения вводятся также для скорости закрытия и открытия аправляющего аппарата

V < -— < V

зак dt отк'

де v,„ „ v__„ - допустимые скорости закрытия и открытия направляю-

idN ОТк

щего аппарата. Уравнение гибкой обратной связи

т _= т 6 - Я .

1 dt ii dt 'к*

~де Т.. - постоянная времени гибкой обратной связи; - временной статизм. В целом синхронная машина с системой возбуждения и регулято-зм, а также гидротурбина с регулятором частоты вращения описыза-гся моделью с 15 координатами.

Выходной информацией для анализа установившегося режима ТПЧ зляются параметры преобразователей и блочного трансформатора, груктура и параметры компенсирующих устройств, а также координаты злов примыкания выпрямителя и инвертора. К этим координатам отно-!тся активная и реактивная мощности, модули напряжений в узлах >имыкания и значения частот со стороны выпрямителя и инвертора, (утренний режим ТПЧ также зависит от уровней напряжений, которые )ддерживаются автоматическими регуляторами напряжения, и количест->м включенных преобразователей.

Алгоритм расчета внутреннего режима ТПЧ 'зависит от мест деком-1зиции схем переменного и постоянного токов. Модель позволяет считывать переходные процессы, находя зависимости скольжения S [дроагрегата, момента на валу гидротурбины.М^.,электромагнитного .мента гидрогенератора Меи углов вылетов их роторов 6.

Для исследования была выбрана схема Киевэне.рго, в которой вы-

делены агрегаты Киевской ГАЭС. Схема эквивалентирована относительн узлов нагрузки.

Проведены исследования большого количества переходных процессов в энергоблоках этих гидростанций, соответствующих различным аварийным ситуациям в энергосистеме. Для сравнения получены переходные процессы для случая, когда энергоблоки не содержат в своей структуре преобразователей частоты и когда в з энергоблоках Киевской ГЭС введены ТПЧ.

Анализ.переходных процессов для первого случая показывает, чт во всех случаях нарушения нормальных режимов, все агрегаты ГЭС pea тируют на них практически одинаково, а небольшое отличие в кривых объясняется лишь некоторой неидентичностью параметров гидроагрегатов. с рис. 5 3.

При тех же нарушениях режима, но при наличии в структуре блок; ТПЧ, переходные процессы в этих блоках отличаются от переходных процессов в традиционных блоках и их характер во многом определяется настройкой корректора мощности сКМэ. При неработающем КМ, когда регулятор мощности блока настроен на уставку р - const, генератор, работающий через ТПЧ, практически не воспринимает возмущения в системе. При включении КМ, гидроагрегат с ТПЧ имеет повышение быстродействия по сравнению с традиционными блоками,с точки зрения реакции на баланс мощности в энергосистеме. Он быстрее забирает нэ себя большую часть наброса мощности, иди же сбрасывает с себя необходимую мощность срис.б-э тем самый существенно улучшаются условия работы остальных гидроагрегатов и качество их переходных процессов. При этом улучшается и устойчивость энергосистемы в целом.

Глава 6. Экспериментальная' проверка и »нерго-экономическая эффективность предлагаемых принципов управления технологическими процессами гидроэлектростанций

Для проверки возможности внедрения расчетных предложений на ГЭС были использованы натурные испытания на гидроагрегате N1.4 Киевской ГЭС, которые проводились для проверки возможности перевода Киевской и Каневской ГЭС в режим ГЭС-ГАЭС. При этих испытаниях проверялась возможность работы гидротурбину в турбинном и насосном режимах при переменной частоте вращения.

Рис. S

Э'Щ

о "j is M ¿'e re s

»......I I ( I I I I I I II I.....Il , t I I I . . I . ! )

5'f 7Sb 0

i 11 » < 11 111 i i ■ 11 .-i i i. i ■ ii.

CS? 767

m sa

Результаты испытания показали, что существующая конструкция гидротурбин и их система смазки обеспечивает устойчивую работу агрегатов при переменной частоте вращения. Кроме-того подтверждены теоретические расчеты об уменьшении потребляемой мощности двигателя при закачке воды в верхний резервуар.-

Зкспериментальная проверка работы обратимой горизонтальной гидромашины Кислогубской ПЗС, проведенной институтом Гидропроект совместно с ВНИИЭ в прямом и обратном турбинных режимах, также полностью подтвердили теоретические расчеты о повышении КПД гидроагрегата и его значениях пр» его работе с переменной частотой

вращения. При этом она изменялась в диапазоне от -зоу. до +30у. п„„..

ном

В обоих случаях сравнение экспериментальных и расчетных характеристик показали их совпадение с точностью выполнения экспериментов.

Произведена оценка энерго-экономической эффективности внедрения на исследованных в первой главе гидростанциях рекомендуемых законов управления технологическими процессами их гидроагрегатов. В с'ачестве критериев этой- оценки принимались увеличения выработки электроэнергии при работе агрегатов в турбинных режимах и экономия энергопотребления при закачке воды в верхний водоем при их работе в исосных режимах. В качестве исходных величин выработки электроэнергии для действующих гидроэнергетических объектов принимались зеличины среднемноголетних выработок, а для проектируемых и строя-цихс'я ГЭС - расчетная среднегодовая 'выработка электроэнергии. В ;ачестве исходного режима для Г'АЭС принималась их двухтактная работа "на разряд" св утренний и вечерний максимум нагрузки? и "на ¡аряд" в ночной провал нагрузки.

Результаты расчета приведены в таблице 1.

заключение

Результатом представленных в диссертации исследований является •еоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы повыше-1ия.эффективности работы гидроэлектростанций с переменными напорами ¡а основе нового принципа управления технологическими процессами ¡х гидроагрегатов, что имеет важное народно-хозяйственное значение (Ля Украины.

Таблица £

с ;е Z Z Наименование ГЭС. ГАЭС. ПЭС Стадия разработки о е а ГО ш а м а о «; и =3 Т Турбинный режим Насосный режим Суммарный энергетический эффект Примечание

Мощность тыс.кВт i Выработка млн. кВт-ч Энергетический эффект Мощность тыс.кВт Эл. потребл млн. кВт-ч Энергетический эффект

Д N тшс.кВт ДЭ млн. кВт-ч AN тыс.кВт ДЭ млн. кВт-ч Г Д N иыс.кВт I ДЭ млн. кВт-ч

1 Днестровская ГЭС MtJfCfKO«) рабочий проект 3 42.6 107 1.62 1.62

J Днестровская ГАЭС рабочий проект 7 2268 2700 37.8 2870 3600 21.6 59.4

3 Киевская ГЭС-ГАЭС предложение 20 В 361 140 823 254 161 192.8 40.8 40.8

.4 Киевская ГАЭС эксплуатация 6 3 225 200 4 120 286 0.572 4.572

5 Коишаняиновсхая ГАЭС рабочий проект в 380 625 15,56 520 1327 15.56

* Кольская ПЗС (прили&моя) предложение 2 36.6 146.4 3.2 40 195 20.2 23.4

7 Нурекская ГЭС эксплуатация 9 3 2700 1020 11200 $35й 135-336 135 ТЯГ В числитеде-эо год постоянной эксплуатации В знаменателе -суммарно за периоЭ временной эксплуатации

8 Рогунскоя ГЭС рабочий проект 6 2 3600 1230 13200 11000 13.2 159.5 13.2 159.5

''S Терц ГАЭС предложение 4 1130 1780 11.4 1200 2380 71 185

« Каневская TAX технический проект , 16 3600 5610 33.6 3960 7480 82.2 115.8

Суммарно 357.9В 236.372 594.352

Основные результаты и выводы по работе заключаются в следую-

ем.

1. Разработан методический аппарат сравнительного анализа арактеристик гидротурбин для всего диапазона изменения их рабочих апоров. Исследована степень влияния отдельных параметров ехнологических процессов на эффективность обычных и обратимых идротурбин и показана принципиальная возможность улучшения их асходных характеристик путем соответствующего изменения частоты ращения.

2. На основе разработанного метода проведен сравнительный нализ эффективности различных типов гидротурбин действующих и роектируемых ГЭС, ГАЭС и ПЭС при изменении их отдельных режимных араметров /напора, частоты вращения, мощности и т.п./

< Приведенные результаты исследований показывают, что на бъектах, имеющих значительные колебайия напоров* эффективное;!!» ндроагрегатов существенно возрастает при их работе с частотой ращения отличной от синхронной. При этом управление частотой ращения должно осуществляться таким образом, чтобы каждому напору □ответствовала строго фиксированная величина этой частоты ращения. Требуемый диапазон изменения частоты вращения, который беспечивает оптимальный уровень КПД турбины, является разным для азных типов гидротурбин, но для большинства из них он не выходит а пределы с-зох + +15;о пном.

Такое управление частотой вращения гидроагрегатов позволяет звысить КПД турбинного режима при минимальных напорах для разных ипов гидротурбин от 1.5 у. до го у. , по сравнению с односкорортныни грегатами аналогичной мощности. Соответственно увеличивается и. реднезкеплуатационный КПД.

Во всех без исключения обратимых гидротурбин при напорах ниже асчетного повышается КПД насосного режима и уменьшается величина эщности двигателя необходимая для закачки воды в верхний водоем.

3. Обоснована возможность улучшения кавитационных условий ксплуатации гидротурбин путем возможного снижения необходимой ысоты всасывания. Перевод штатных гидроагрегатов ГЭС в пусковой гриод на управление их частотой вращения по закону п - уаг.

исключает необходимость во временных рабочих колесах 'и во времени схеме работы генератора, что, в свою очередь, исключа продолжительный и дорогостоящий перемонтаж оборудования, сокращает сроки, ввода в эксплуатацию основного оборудования, обеспечив дополнительную выработку электроэнергии.

4. Обоснована возможность и целесообразность применения ря способов технической реализации переменной частоты врашен гидроагрегатов, при которых обеспечивается выдача в систе электроэнергии, с номинальной частотой. Показано, что наибол целесообразными со всех точек зрения, является два из них. Один предусматривает применение в качестве гидрогенератор! асинхронизированных синхронных генераторов /или генераторов-двига телей/, а другой-включение в статорную цепь синхронного генератор, тиристорного преобразователя частоты соизмеримой мощности.

5. Исследована работа генераторов-двигателей в блоках ГАЭС переменной частотой вращения. Для случая применения асинхронизированных синхронных генераторов-двигателей выполнены сравнит'ельш расчеты различных вариантов их возможных конструкций и показанс что наиболее целесообразной из них является конструкция АСГД трехфазными обмотками на статоре и роторе. Такая конструкт

-обладает Наибольшими значениями КПД во всем диапазоне управлет частотой вращения. Одновременно показано, что расширение диaпaзo^ частоты вращения требует увеличения мощности возбужден электрической машины, что удорожает ее.

6. Обоснована возможность применения в статоркых цеп? синхронных генераторов /генераторов-двигателей/ 6 и 12 - пульснь тиристорных преобразователей частоты с естественной и искусственнс коммутацией. Показано, что применение 6 - пульсных ТПЧ искусственной коммутацией уменьшает степень искажения формы кривс напряжения и тока генератора по сравнению с аналогичным ТПЧ естественной коммутацией. Применение 12 - пульсных ТПЧ параллельным соединением постов предпочтительнее, так как при это изоляция фаз генератора может быть рассчитана на более низко напряжение.

7. Обоснована возможность и целесообразность применения

«ах с ТПЧ синхронных генераторов-двигателей рассчитанных на инальную частоту ниже 50Гц, что упрощает конструкцию ктрической машины, уменьшает число пар полюсов и упрощает юсные и статорные обмотки. Предложен алгоритм оптимизации таких кронных генераторов-двигателей по объему активных материалов, воляющий выбрать их оптимальное число пар полюсов.

8. Предложена математическая модель, позволяющая определять ичину высших гармоник напряжения и тока на всех участках схемы ргоблоков при разных типах и схемах ТПЧ и параметры ьтро-компенсирующих устройств, обеспечивающие требуемые ГОСТом азатели качества электроэнергии. Показано что применение пульсных ТПЧ с естественной коммутацией обеспечивает высокое гство электроэнергии и без установки фильтров.

Приведены результаты модельных исследований Киевских ГЭС и при введении в. структуру их блоков ТПЧ. и подтверждена их ;тромагнитная совместимость с электрической системой.

9. Разработана и предложена математическай модель позволяющая юдовать электромеханические переходные процессы агрегатов ГЭС, : и ПЭС с ТПЧ% с учетом гидроудара в трубопроводах и систем 'лирования гидротурбин.

Разработаны основные принципы построения системы 1матического регулирования этих энергоблоков, обеспечивающие ¡изацию всех эксплуатационных режимов и опережающую. по нению с традиционной системой регулирования, реакцию на ланс мощности энергосистемы.

Приведены результаты модельных исследований переходных ессов гидроагрегатов Киевской ГЭС и Киевской ГАЭС при обычных ктурах и при включении в них ТПЧ. Исследования проведень1 для ьной системы Киевэнерго и для реальных аварийных ситуаций.

Показано, что энергоблоки с ТПЧ улучшают устойчивость ГЭС и

к различным возмущениям и положительно влияют на устойчивость госистемы в целом, а введение в структуру регулятора корректора эсти их быстродействие, по сравнению с традиционными гоблоками.

ю. Теоретические расчеты полностью подтверждены результатами

испытания на крупномасштабных физических моделях гидротурб! „ проведенных в гидротурбинных лабораториях Харьковского турбиннс завода и Ленинградского металлического завода. Приведены результг натурных испытаний на действующих ГЭС! которые подтверждают вывол о повышении КПД в турбинных режимах и уменьшения потребляемой мощности двигателя гидроагрегата в насосном режиме при их работе с переменной частотой ьращения.

. Предложен метод расчета знерго-зкономической эффективное перевода гидроагрегатов ГЭС, ГАЭС и ПЭС на работу их с управляемо частотой вращения. Приведены расчеты эффективности для ю гидростанций, которые показали суммарный годовой энергетический эффект 595 млн.кВт.ч.

13. Результаты исследований. предложенные алгоритмы математические додели положены в основу при выполнении проектн проработок по модернизации гидроагрегатов Киевской и Каневской Г институтом Гидропроект и Харьковским турбинным заводом, а также

ряда малых ГЭС.

Основное содержание диссертационной работы отражено в cjit.дующих работах;

1. Артюх С.Ф. Анализ целесообразности работы агрегатов электростанций б режиме переменной частоты вращения // Энергохозяйство за рубежом.-1988.- N з.-С.зо-зз.

2. Артюх С.Ф. Позышенне экономичности ГАЭС при замене устаревшего оборудования // Энергетика и электрификация.-1992. -N4.-с.11-13.

3. Артюх С.Ф. Повышение экономичности работы ГЭС-ГАЭС с переменны напорани Известия вузов. Энергетика. -1993. -N3-4. С. иб-120.

4. Артюх С.Ф. Предпосылки нормальной работы гидроагрегатов ГЭС. ГАЭС и ПЭС с переменной частотой вращения // Кр. тез. докл. Всесоюзн науч. техн. совещания "Будущее гидроэнергетики. Основные направлени создания гидроэлектростанций нового поколения", октябрь 1991, Див ногорская КГЭС. -JI. . 1991 -С.91-93.

5. Артюх С.Ф. Обоснование целесообразности применения в блоках ГЭ тиристорных преобразователей чатоты, мощность которых соизмерима с мощностью генератора // Состояние и перспективы развития гидроэнергетики. Научно-технический прогресс в проектировании и строи-

эльстве важнейших гидроэнергетических объектов-. Тез. докл. к Все-эюз.науч. -техн. совещанию. -Ji. , 1988.-е 84-86. . Артюх С.Ф. Оптимизация параметров синхронных гидрогенераторов, ^назначенных для работы в блоке с»тиристорными преобразователями асп»ты. //Вестн. Харьк.политехи.ин-та. -1993-N17. Техн. Киберкети-з v. ее прил. вып. 12 -с 106-113.

Артюх С.Ф. Исследование электромеханических процессов в блоках с }дроагрегатами, работающими на систему через тиристорные преобра-эватели частоты. //Вестн. Харьк. политехи. ин-та.-1993- N17, Техн. ¡бернетика и ее прил. Вып. 12 -с 113-129.

Артюх С.Ф. Панченко Н.С. Повышение"энергоотдачи гидроагрегатов в ;риод строительства гидростанций. АН Украины. Проблемы энергосбе-?жения. "Наукова думка". Киев -1993 -N1 с.89-93.

Повышение энергетической эффективности гидроагрегатов с помощью »есбразователей частоты / Артюх С.Ф.," Барский В.А., Кацман В.. (лков И. // Проблемы преобразовательной техники: Тез. докл. ' Всесоюзн. науч.-техн.конф. -К., 1987. -Т.IV.-с.20-21. |. Артюх С.Ф..Барский В.А..Антоненко 0.Н.Преобразователь частоты в емах электроснабжения импульсных нагрузок // "Электроприводы ременного тока с полупроводниковыми преобразователями": Тезисы кладов VI научной конференции / - Свердловск, 1983.

Артюх С.Ф.. Барский В.А., Столов A.M. Об электроприводе хо'вичных накопителей энергии для термоядерных реакторов // Тезисы кладов IX Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам томатизированного электропривода. Алма-Ата, .27 - 30 сентября. .ЙНфОрМЭНерГО, 1983.-с.17. .

Артюх СТФ.. Барский В.А., Столов'A.M. Об использовании еобразователей частоты при связи электромагнитных накопителей ергии с сетью // Тезисы докладов IIJ. Всесоюзной учно-технической конференции "Проблемы.. преобразовательной' ХНИКИ". - К.:АН УССР. 1983.-С.223-225.

. Артюх С. Ф. ? Барский В.А.. Воскресенский О.Е. Разработка схем

■'. V

арийного резервирования шин надежного питания АЭС от гидрогенера-ров ГЭС-ГАЭС и накопителей энергии при их работе и составе энер-комплекса //Тез. докл. Всесоюз.науч.-техн. семинара "Опыт проекти-

рования и строительства объектов Юяно-Украинского энергокоиплек и перспективы создания энергокомплексов хЭК-ВЦ^, -JI. . 1984.-с. 2

л -у

14. Артюх С.ф., Барский В.А., Раковская Н.Л. .Использов вентильного дьигателя для раскрутки и подпитки электромагнит накопителя энергии .-v Тезисы докладов республикам научно-технической конференции "Коммутация-84". S-6 декабря'198 АН УССР. Минвуз УССР. - Харьков. 1984.-с.15.

15. Артюх С.Ф.. Фрумин В.Л.. Тесленко В.Н. Энергетичес показатели синхронного генератора, при работе, на- выпрямитель Тезисы докладов научно-технической конференции *"Перепек развития электромашиностроения на Украине". - Харьков, 1988.-е.

16. Артюх С.Ф., Барский В.А. Гусев П.В. Цифровая модель системы питания физической установки с злектромашинными накопителями и вентильными преобразователями ss Тезисы докл. Всесоюзной научи. конф. "Моделирование электроэнергетических систем". -

Баку. 1982.-С.307-308.

17. Артюх С.Ф., Барский В.А.. Столов A.M. Об электромагни совместимости преобразователей в системах питания электрофизнче установок //Теэйсы докл. второго межвед. научн.-техн. совеш •Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводник преобразователей. - Таллинн: Изд - во АН Эст.ССР. 1982.-с.51-5

18. Артюх С.Ф. .Шелепов И.Г. Использование математического модел рования для диагностики электрогенераторов электростанций // Ре науч.-техн. конференция " Математическое моделирование и вычисл тельный эксперимент для совершенствования энергетиеских и транс портных турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диагностирования и безопасного функционирования" Змиев, 18 -20 сент.1991 г.: Тез.докл.в 2ч./ АН УССР и др.-Харьков,1991.-Ч.1 -С. 1.18.

19. Артюх С.Ф., Козлов B.C., Воскресенский O.E. Исследова внутренней устойчивости электростанций различного типа при их р те в составе энергоксмплекса ^v Тез. докл. Всесоюзн. научн.-т семинара "Опыт проектирования и строит, объектов Юано-Украи комплекса и перспективы создания энергокомплексов " ЭК - ВЦ ✓ -

984.-с.47-50.

0. Артрх С.Ф., Барский В.А., Артенов А.. Цифровое, моделирование омпенсационных преобразователей и источников реактивной мощности, остроенньвг по принципу утверждающей принудительной коммутации ' /Проблемы нелинейной электротехники: Тез. докл. ш всесоюзной аучн.-техн. конференции АН СССР. - К. . 1988.

1. Артюх С.Ф.. Барский В.А., Воскресенский O.E. Схема связи с етью и регулирования активной мощности электромашинного накопителя нергии для термоядерного ректора // Докл. in Всесоюз. конф.' по яженерным проблемам термоядерных реакторов. 20-22 июня 1984. -И.-. ?84. -Т.З.

2. Артюх С.Ф.. Барский В.А..Гусев П.В. Цифровая модель системы *тания физической установки с электрбЙашинными накопителями и ?нтильными преобразователями //Тез: докл. Всесоюз. науч. конф. Моделирование электроэнергетических систем. -Баку"» 1982.-с. 30738. .

3. Тепловые и атомные электростанции и установки с Математические эдели для проектирования 5: / Артюх С.Ф..Шелепов И.Г..Дуэль НА.. Груба В.К. -К.. 1992.-С.18-22.

L. Артюх С.Ф..Бенин В.Л. О способах включения датчика ускорения электрогидравлических регуляторах скорости гидротурбин // Злект-[ческие станции.-1971.-N4.-с.34-37.

[. Электрогидравлический регулятор гидротурбин / Артюх С. Ф. , ¡рамова Л.И. .Бенин В.Л..Литовский Ю. А..Ривлин М.К. Электромашино-роение.-1962.-N10.-с. 18-22.

,. Артюх С.Ф. Сравнительный анализ схем измерительных элементов ¡стоты электрогидравлического регулятора Скорости гидротурбин • Энергетическое машиностроение -М.:НИИНФОРМТЯЖМАШ. -1967. -N3--1.-С.90-94.

.Артюх С.Ф. Электрогидравлический регулятор скорости гидротур-ны ХТГЗ-ХПИ и результаты его испытаний на действующей ГЭС Гидромашиностроение: Сб-К.: Техника. -1967,. -ч. 1 . . Артюх С.Ф. Исследование динамики группового регулирования тивной мощности гидростанций // Рефераты докладов НТК ХПИ по огам науч. работы за 1966 год:/Сб.-Харьков: Изд.ХПИ.-1968.-с.23.

29. Исследованиесистем регулирования гидравлических машин с помо! аналоговой вычислительной напшны /Артюх С.Ф..Балтер Д.Б..Литовский Ю. А. , Рыв лин М. К, //Энергетическое оборудование. -JI. : Минформ-тяжнаш,-1973.-N25.-С. 55-59.

30. Артюх С.Ф. .Пантелеева И.В. Современное состояние и перслектш развития микроГЭС //Известия ВУЗ.Энергетика.-1990.-N5.-с.24-28.

31 Артюх С.Ф. .Токарь И.Я. Устранение опасных вибраций трубопроводов систем мощных турбоблоков //Энергетика и электрификация.-19SS -N2. -с.4-7.

32 Артюх С. Ф.'.МарИняк А.Н. Автоматизация экспериментальных работ на стендах крупной промышленной гидротурбинной лаборатории ХТГЗ им. С. й. Кирова //Энергомашиностроение. -1967. -N8. -с. 37-39.

АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА

33. A.c. 183138 СССР. МКИ 03. 05 с.Электрогидравлический регулятор скорости гидротурбин / Абрамова JLH.. Артюх С.Ф., Бенин B.J Бородин Н.И.. Кизйлов Л.У.. Литовский Ю.А.. Потаповский И.Я., Рив ЛИН М. И. . ХарЬК.Турбин.3-Д; ХарЬК.ПОЛИТеХН.ИН-Т. -N921557/24-6; Заявл. 7.06.64 // Изобретения, промышленные образцы и товарные з* *;и. -1966. -N12. -С.172.

34. А.р. 313076 СССР. МПК Устройство для контроля подшипников Артюх С.Ф., Воробьев Н.П.. Хохлов В.А. Харьк.турбин.з-д.

N1402427/25-28. -Заявл. 9.02.70 //Изобретения, промышл. образцы к товарн.знаки. -1971. N26. -С.132.

35; A.c. 323984 СССР Способы управления стопорением направляющегс аппарата гидромашин / Артюх С.Ф., Горбунова Р.В., Литовский Ю. А., Иариняк Л.П., Ривлин M.J1. ; Харьк. турбин, з-д. -N1423741/24-6; ЗаяЕ 03.04.70 //Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки -1972. -N1. -с.234.

36. A.c. 323985 СССР Система управления стопорением направляющегс аппарата гидромашин / Артюх С.Ф.. Горбунова Р.В.. Литовский Ю.Л. ,

Мариняк А.Н., Ривлин М.И.,; Харьк.турбин.з-д. -N1423740/24-6 ЗаяЕ 030470 // Открытия, изобретения, промышлен. образцы и товаразнак -1972. -N1. -С.234.