Регуляторы частоты вращения паровых турбин

Расчет электромеханических
переходных процессов
Задачи эксплуатации и проектирования,
решаемые на основе расчетов ЭМПП
1. Обоснованный выбора структуры сети
2. Определение пропускной способности
линий электропередачи
3. Выбор параметров релейной защиты и
автоматики.
Первичные причины, вызывающие
возникновение и развитие аварийных
ситуаций
1. Отключение линий электропередачи из-за КЗ при
грозе, дожде, сильном ветре, пожаре, в результате
наброса постороннего предмета, перекрытия
изоляции на посторонний предмет, из-за обрыва
провода (40 %).
2. Повреждения или отказ оборудования из-за
разрушения опор, изоляторов, обрыва гирлянд
изоляторов, повреждения выключателей (17 %).
3. Отказ или неправильные действия релейной
зашиты и автоматики (14 %).
Первичные причины, вызывающие
возникновение и развитие аварийных
ситуаций
4. Отключение или снижение мощности блока,
котла, собственных нужд электростанций (9 %).
5. Отключение трансформаторов и
автотрансформаторов (8 %).
6. Превышение предела передаваемой мощности изза нарастания нагрузки (5 %).
7. Неправильные действия оперативного и
ремонтного персонала энергосистем (4 %).
8. Потеря возбуждения генераторов ( 2 %).
9. Прочие причины (1 %).
ЭГП
Средства моделирования
РЗ и А
АРЧВ
Пар
G
Т
LE
ТА
Электрическая
сеть
ТV
СВ
АД
ФВ АРВ
СД
SH
Зависимость частоты
переменного тока от изменения
нагрузки
PÑ   PÝ  PÏ
где PÑ — суммарная мощность турбоагрегатов,
питающих сеть; PÝ — мощность, передаваемая в сеть
отдельным турбоагрегатом; PÏ
— мощность,
потребляемая отдельным промышленным агрегатом.
M  I
где M — момент силы относительно оси
вращения; I — момент инерции массы относительно
той же оси вращения;  — угловое ускорение.
M   M i   MÒ   M Í  I ñ
где M i — момент сил, действуют на
лопатки турбины; M Ò — момент внутренних
сил сопротивления в турбоагрегате; M H момент
сопротивления,
определяемый
нагрузкой генератора; I ñ — суммарный момент
инерции всех вращающихся частей как в
турбоагрегат так и в машинах потребителя.
В нормальных условиях эксплуатации
колебания частоты переменного тока
происходят достаточно медленно из-за
очень
большого
числа
установок,
потребляющих энергию. Поэтому для
восстановления заданной частоты тока
не требуется большого быстродействия.
В аварийных же условиях при
отсоединении
генератора
от
сети
быстродействие систем регулирования
должно быть особенно большим.
При
необходимости
быстрых
воздействий в аварийных ситуациях они
производятся
через
электрогидравлический преобразователь
(ЭГП). При этом преобразователь не
мешает работе регулятора скорости, а
только дополняет при необходимости его
действие.
Важная особенность обоих воздействий
— их независимость от состояния
турбины и действия регулятора частоты
вращения, которое они дополняют.
Уравнение движения ротора
агрегата турбина-генератор
M Э  M j  M пот  M T ,
где M Э – электромагнитный момент генератора,
M j – момент инерционных сил,
M пот – момент механических потерь,
M T – момент турбины.
d
J
 MT  M Э ,
dt
где  – угловая частота вращения вала агрегата,
J – момент инерции вращающихся масс.
Перейдем к относительным единицам, приняв за
базисные номинальные значения частоты ном и
момента
J
M ном . Тогда
ном d
М ном dt
 M T   M Э .
d 
Tj
 M T   M Э .
dt
J
ном
М ном
 Tj
Механическая постоянная инерции равна
времени, в течение которого частота
вращения изменяется на 100% под
действием
приложенного
к
валу
постоянного результирующего момента,
равного номинальному моменту машины.
Из анализа уравнения движения ротора
электрической машины видно:
1. При M T  = M Ý  , в данном случае
момент на валу машины уравновешивается
электромагнитным моментом и электрическая
машина работает в установившемся режиме с
неизменной скоростью вращения ротора. В
таком режиме и отдельная машина, и
электроэнергетическая система в целом
находятся в положении равновесия под
влиянием как движущих сил. так и сил
сопротивления.
2. При M T 
d
 M Ý,
 0 имеет место
dt
ускорение ротора электрической машины.
3. При M T 
торможение
машины.
d
 M Ý,
 0 . имеет место
dt
ротора
электрической
Модель турбины
Основное назначение моделей турбин в
расчетах переходных процессов состоит в
отображении
влияния
систем
регулирования частоты на мощность
турбины при значительных изменениях
частоты вращения.
PT  AП  Д  H 0  ,
где Д
– расход пара в единицу
времени (т/час),
– коэффициент пропорциональности,
AП
H0
– располагаемый тепловой перепад,

– коэффициент полезного действия.
Мощность гидротурбины
PГ  AГ  Q  H  ,
где AГ –
коэффициент
пропорциональности,
3
Q
– расход воды (м /с),
Н
– напор воды,
–
коэффициент
полезного
действия.
Для поддержания требуемых ее момента
(мощности Рт) и скорости вращения
турбина имеет регулятор. Регулятор,
реагируя на отклонение момента и
скорости от требуемых значений, изменяет
впуск энергоносителя (пара, воды, газа) в
турбину, а с ним и момент Мт турбины до
тех пор, пока не будут обеспечены эти
требуемые значения. Изменение впуска
энергоносителя
в
паровой
турбине
осуществляется
путем
изменения
положения регулирующих клапанов, а в
гидравлической
направляющих
Эти устройства, как и механизмы, приводящие
их в действие, обладают значительной
механической инерцией. Это обстоятельство не
позволяет регулирование скорости турбины
осуществлять достаточно быстро и точно,
чтобы момент турбины
следовал
за
изменением
противодействующего
ему
электромагнитного момента генератора без
заметного запаздывания во времени, и тем
самым свести к минимуму их разницу,
являющуюся непосредственной причиной
нарушения устойчивости генератора.
Инерционность в изменении мощности
турбины в этом случае определяется
паровым объемом, заключенным между
регулирующими клапанами и первым
рядом сопл турбины.
Паровая турбина без
промежуточного перегрева пара
1
WТП  p  
,
TП p  1
где TП – постоянная времени парового
объема в ЦВД.
 – параметр,
характеризующий
положение регулирующих
PТ(p)
клапанов
(p)
WТП(p)
Паровая турбина с
промежуточным перегревом пара
2
6
8
9
7
5
15
1
1
2
M
3
4
M
14
10
13
12
11
1– котельный агрегат,
2 – цилиндр высокого давления (ЦВД),
3 – цилиндр среднего давления (ЦСД),
4 – цилиндр низкого давления (ЦНД),
5 – теплообменник промежуточного перегрева,
6 – стопорный клапан ЦВД,
7 – регулирующий клапан ЦВД,
8 – стопорный клапан ЦСД,
9 – регулирующий клапан ЦСД,
10 – АРЧВ – автоматический регулятор частоты
вращения турбины,конденсатор турбины,
11 – быстродействующая редукционная
охладительная установка (БРОУ),
12 – аварийный предохранительный клапан,
13 – устройство для измерения давления пара,
14 – устройство измерения давления пара,
15 – регулятор нагрузки котла – изменяет подачу
топлива в топку, по факту отклонения давления
пара от заданной величины.
1
WПП  p  
,
Т ПП р  1
где TПП – постоянная времени парового
объема в промперегреве.
*
 ЦСД*
1
ЦВД*
PТ*
0,1-0,15
1
С
 ЦВД (p)
PТ (p)
WП(p)
1- С
WПП (p)
НКН  kНКН PГ *  k 2 
Регуляторы частоты вращения
паровых турбин
n
PH
PC
Δμ
Гидравлический
сервомотор
1,1
PT 
0,9
0, 7
0,5
0,3

0,9
1
1,1
PT
PT max
P


PT min
0
P
Pmax
P10
P20
НЧ
Pmin

0