CC BY
91
УДК 621.313
А. Д. ЭРНСТ Д. Ю. РУДИ
A. А. РУППЕЛЬ А. И. АНТОНОВ
B. И. КЛЕУТИН К. В. ХАЦЕВСКИЙ
Т. В. ГОНЕНКО С. И. ПЕТРОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск Омский институт водного транспорта (филиал) Сибирского государственного университета водного транспорта,
г. Омск
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГЕНЕРАТОРАХ
РАСПРЕДЕЛЁННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Современное развитие распределенных источников ЭЭ в России невозможно без развития средств, позволяющих повысить запас динамической устойчивости. Важным условием надежной работы собственных источников электроэнергии является устойчивость синхронных генераторов. В данной работе приведены особенности динамических переходных процессов в газотурбинных установках. Актуальность исследования связана с тем, что в настоящее время в России распределенные источники энергии имеют небольшую мощность. С этим связаны потери запаса динамической устойчивости при КЗ или значительных перегрузках.
Ключевые слова: переходные процессы, динамическая устойчивости, особенности устойчивости, распределенная энергетика, устойчивости генераторов.
В последние годы пристальное внимание учёных привлекают важные проблемы так называемой «распределённой генерации». Чаще её называют распределённая энергетика [1]. Быстрые темпы развития собственной электроэнергетической базы крупных промышленных предприятий вызывают значительное усложнение установившихся и переходных эксплуатационных режимов и существенно расширяют круг задач, решаемых при управлении ими. В условиях развития мощных ОЭС возникает ряд проблем, связанных с передачей электрической энергии и устойчивостью энергосистем. При появлении в системе больших возмущений (резких изменений режима), таких как короткие замыкания с отключением элементов электрической сети (трансформаторов, ЛЭП, источников реактивной мощности и др.), скачкообразные аварийные небалансы активной мощности с отключением генератора или блока генераторов с общим выключателем, крупной подстанции, вставки постоянного тока или крупного потребителя и др. необходимо рассматривать задачу динамической устойчивости.
В связи с этим одной из важных проблем при проектировании и эксплуатации системы электроснабжения являются устойчивость и надежность ее синхронной работы с энергосистемой. Важная часть данной проблемы — оценка влияния динамических процессов в энергосистеме на режим работы генераторов местной электростанции, а также электрооборудования системы электроснабжения терминала — трансформаторов, двигателей, выключателей и др. [2].
Сохранение динамической устойчивости комплексов распределенной энергетики малой мощности при различных возмущениях является одной из существенных и актуальных проблем, имеющих важнейшее экономическое и производственное значение в любой отрасли современной промышленности.
В статье приведены способы повышения и улучшения динамической устойчивости генераторов и турбин малой мощности.
Динамическая устойчивость — это способность системы восстанавливать после большого возмуще-
ния исходное состояние или состояние, практически близкое к исходному [3 — 6].
О динамической устойчивости судят по характеру изменения параметров режима при конечных возмущениях. Рассматриваются не только конечные возмущения, но и вызванными вполне определёнными возмущающими факторами. Изменение режима при этом характеризуется нелинейными уравнениями, отражающими воздействие соответствующего возмущающего фактора.
Известны два принципиально различных подхода к решению задач анализа синхронной динамической устойчивости электроэнергетических систем [3, 5]. Первый, наиболее распространённый, состоит в численном интегрировании дифференциальных уравнений движения системы [3 — 6]. Об устойчивости или неустойчивости исследуемого динамического перехода судят на основе анализа характера изменения взаимных углов синхронных машин в переходном процессе. При этом имеется возможность рассматривать достаточно строгие математические модели электроэнергетических систем [7].
Однако метод численного интегрирования позволяет обнаружить устойчивость динамического перехода лишь в течение заданного интервала времени. Метод не даёт достаточных условий устойчивости процесса в целом и всегда ограничен по точности. Кроме того, расчёты для достаточно длительных интервалов времени применительно к сложным электроэнергетическим системам требует больших затрат вычислительного времени, а также времени на анализ полученных результатов расчёта. Существенным недостатком метода численного интегрирования является также частный характер получаемых решений, в то время как в задачах проектирования электроэнергетических систем часто требуется получение границ области устойчивости в пространстве параметров режима.
Получение строгих критериев устойчивости, лишенных отмеченных недостатков, возможно при использовании качественных методов анализа. А. А. Горев, впервые обратив внимание на неудовлетворительность оценки устойчивости при численном интегрировании уравнений движения, предложил первые критерии динамической устойчивости, основанные на энергетических соотношениях для консервативной модели электроэнергетической системы [7]. Впоследствии эти подходы получили развитие на основе второго метода Ляпунова [7].
Исследование синхронной динамической устойчивости электроэнергетической системы с помощью метода функций Ляпунова сводится к анализу устойчивости установившегося движения системы в послеаварийном режиме по отношению к начальным возмущениям и позволяет судить об устойчивости динамического перехода без траектории возмущенного движения, т.е. без определения решений соответствующих дифференциальных уравнений.
Весьма перспективен метод функции Ляпунова для анализа динамической устойчивости энергосистем в реальном масштабе времени, т.к. он в наибольшей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к проведению таких расчётов с точки зрения вычислительных затрат.
Однако необходимо отметить, что в настоящее время практическое использование метода функции Ляпунова для расчёта устойчивости электроэнергетических систем остаётся всё ещё ограниченным, по причине отсутствия общих методов построения
самой функции и использования её для моделей, достаточно точно отражающих свойства электроэнергетических систем, в силу чего результаты, получаемые на основе метода Ляпунова, зачастую далеки от действительных.
Малая генерация в основном представлена установками на органическом топливе. Вопрос переменности вращающего момента, а значит, регулирования частоты вращения, в нормальном эксплуатационном режиме отсутствует. Одна из проблем эксплуатации таких установок малой генерации заключается в недостаточной устойчивости используемых в них генераторов, связанная с их небольшой инерцией.
Вопросами динамической устойчивости генераторов газотурбинных установок малой мощности занимаются относительно недавно. Работ, посвященных изучению и анализу данной проблемы, мало, так как, в целом, методы решения подобных задач аналогичны тем, что сформулированы для классических паросиловых установок. Основные подходы к расчету переходных процессов и динамической устойчивости изложены в работах [2, 3, 5, 6].
Проблемы динамической устойчивости генераторов ГТУ и их особенностей рассмотрены в [8—10]. Основная особенность, негативно влияющая на устойчивость генераторов газотурбинных установок, — малое значение механической постоянной инерции Т. Это характерно только для многоваль-ных ГТУ без редуктора.
Другая особенность, снижающая динамическую устойчивость многовальных ГТУ без редуктора, — оснащение генераторов системами самовозбуждения.
На сегодняшний день именно газовая промышленность (после авиационной) является основным потребителем выпускаемых газотурбинных установок (ГТУ) [11]. Особенности эксплуатации ГТУ в той или иной отрасли предъявляют свои специфические требования к выбору и обоснованию схем ГТУ.
Острый недостаток в ГТУ, специально созданных для работы на газопроводах, привел к тому, что в настоящее время на компрессорных станциях используется большое число газотурбинных установок различных схем и конструкций: стационарных, транспортных, авиационных, судовых, разнообразных по назначению импортных установок, в том числе с когенерацией, тригенерацией — утилизирующих теплоту отходящих газов [12, 13].
Все эти установки вместе с центробежными нагнетателями получили наименование с газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом, который является определяющим видом привода на газопроводах как по числу установленных агрегатов, так и по их суммарной мощности. Более 80 % всей установленной мощности на газопроводах составляют газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом [14].
Как показывает практика отработки и эксплуатации ГТУ, наибольшее количество аварийных и нештатных ситуаций возникает в момент запуска и перехода турбины на новый режим работы. Запуск и смена режимов сопровождается колебаниями турбины и вибрациями и, из-за больших градиентов давлений, она, как правило, трудно прогнозируема, вследствие чего происходит разрушение турбины или нарушение нормального функционирования жизненно важных узлов и устройств
как ГТУ, так и всей компрессорной станции (КС) в целом [15].
Для оценки работоспособности газотурбинной установки требуется комплексное изучение влияния всех ее систем и подсистем на нестационарных режимах работы, что является сложной технической задачей, а успеха в этом вопросе можно достичь только при наличии достоверных математических моделей, позволяющих прогнозировать и идентифицировать динамические параметры ГТУ [16].
Проведенное исследование [17] показало, что современные системы регулирования скорости вращения газовых турбин в совокупности с относительно небольшими эквивалентными инерционными постоянными агрегатов оказывают значительное влияние на электромеханические переходные процессы, вызванные, в том числе, аварийными возмущениями, не связанными с небалансами мощности в энергосистеме.
Это обстоятельство определяет необходимость подробного учета современных газотурбинных установок при проведении расчетов электромеханических переходных процессов.
11. Дерюшев Д. В. Моделирование переходных процессов газотурбинной установки // Новый университет. Сер. Технические науки. 2013. № 8-9 (18-19). С. 98-109.
12. Белослудцев И. С. Применение когенерационных систем // Новый университет. Сер. Технические науки. 2012. № 4. С. 26-31.
13. Белослудцев И. С. Анализ существующих моделей когенерационных установок // Вестник Камского института гуманитарных и инженерных технологий. 2011. № 5 (18). С. 54-62.
14. Поршаков Б. П., Апостолов А. А., Никишин В. И. Газотурбинные установки. М.: Изд-во РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2003. 240 с.
15. Митюков Н. В. Имитационное моделирование переходных процессов в системе подачи ракетного двигателя: авто-реф. ... канд. техн. наук. Ижевск, 1997. 19 с.
16. Макаров С. С., Митюков Н. В. Моделирование поведения летательного аппарата на пусковом столе // Вестник Ижевского государственного технического университета. 2001. № 1. С. 45-47.
17. Герасимов А. С., Смирнов А. Н. Моделирование газотурбинных установок при анализе электромеханических переходных процессов // Известия НТЦ Единой энергетической системы. 2013. № 2 (69). С. 6-13.
Библиографический список
1. Авраменко В. Н., Гуреева Т. М. Динамическая устойчивость газотурбинной электростанции комбинированного цикла на Алчевском металлургическом комбинате // Техшчна електродинамжа. 2011. № 6. С. 48-54.
2. Гашимов А. М., Рахманов Н. Р., Ахмедова С.Т., Рахманов Р. Н. Переходные процессы в системе электроснабжения нефтяной нагрузки с собственной газотурбинной электростанцией // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. 2009. № 2. С. 10-16.
3. Мелешкин Г. А., Меркурьев Г. В. Устойчивость энергосистем. В 2-х кн.: моногр. СПб.: Центр подготовки кадров энергетики, 2006. Кн. 1. 369 с.
4. Руди Д. Ю., Попова М. В. Устойчивость электроэнергетических систем // Молодежь и системная модернизация страны: сб. науч. ст. Междунар. науч. конф. студентов и молодых ученых, 25-26 мая 2016 г. В 2 т. Курск: Университетская книга, 2016. Т. 2. С. 303-307.
5. Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е., Окин А. А. Расчёты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990. 390 с.
6. Меркурьев Г. В., Ю. М. Шаргин. Устойчивость энергосистем. В 2 т. СПб.: Центр подготовки кадров энергетики, 2008. Т. 2. 376 с.
7. Шемпелев В. А. Приближённые методы качественного анализа устойчивости электроэнергетических систем: дис. ... канд. тех. наук: 05.14.02. Екатеринбург, 1993. 159 с.
8. Борисов Ю. В., Гуревич Ю. Е., Пойдо А. И., Хвощин-ская З. Г. О применении газотурбинных генераторов в энергосистемах России // Электричество. 1995. № 11. С. 2-8.
9. Гуревич Ю. Е., Каспаров Э. А., Лабунец И. А. О применении генераторов различных типов на парогазовых и газотурбинных электростанциях // Электричество. 1996. № 6. С 2-7.
10. Джапаридзе Н. Р., Сыромятников С. Ю. Обеспечение устойчивости энергосистемы с ГТЭС небольшой мощности // Газотурбинные технологии. 2005. № 5. С. 4-5.
ЭРНСТ Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), г. Омск
РУДИ Дмитрий Юрьевич, магистрант гр. ЭЭм-154 факультета элитного образования и магистратуры ОмГТУ.
РУППЕЛЬ Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электротехника и электрооборудование» Омского института водного транспорта (ОИВТ) (филиал) Сибирского государственного университета водного транспорта (СГУВТ). АНТОНОВ Александр Игоревич, ассистент кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ.
КЛЕУТИН Владислав Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ. ХАЦЕВСКИЙ Константин Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ; профессор кафедры «Электрическая техника» ОмГТУ.
ГОНЕНКО Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ. ПЕТРОВ Святослав Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 05.12.2016 г. © А. Д. Эрнст, Д. Ю. Руди, А. А. Руппель, А. И. Антонов, В. И. Клеутин, К. В. Хацевский, Т. В. Гоненко, С. И. Петров
