Оптимизация режимов работы автономных систем электроснабжения с мощными тихоходными генераторами с дизельным приводом

В настоящее время повышенное внимание уделяется развитию систем автономного электроснабжения, которые не только дополняют стационарные электрические станции, но и во многих случаях обеспечивает решение важных технических проблем электроснабжения в труднодоступных районах. Автономная энергетика позволяет потребителю не зависеть от централизованного энергоснабжения и его состояния, использовать оптимальные для данных условий источники производства энергии. Закономерно, что такие технологии находят себе место и в промышленно развитых, и в развивающихся районах с различным климатом.

В электроэнергетике к малым электростанциям принято относить электростанции мощностью до 30 МВт с агрегатами единичной мощностью до 10 МВт. Обычно такие электростанции разделяют на три подкласса:

• микроэлектростанции мощностью до 100 кВт;

• миниэлектростанции мощностью от 100 кВт до 1 МВт;

• малые электростанции мощностью более 1 МВт.

Малая электроэнергетика России сегодня — это примерно 49 000 электростанций (98,6% от их общего числа) общей мощностью 17 млн кВт (8% от всей установленной мощности электростанций России), работающих как в энергосистемах, так и автономно [68]. Общая годовая выработка электроэнергии на этих электростанциях достигает 5% от выработки всех электростанций страны. Средняя мощность малых электростанций составляет примерно 340 кВт.

Современный этап развития экономики России характеризуется возрастанием роли энергетики в надежном и безопасном функционировании промышленных предприятий и экономики в целом.

Наиболее характерными особенностями современного этапа развития экономики России являются:

1. Увеличение доли перерабатывающих предприятий в общем объеме производимой в России продукции, внедрением на данных предприятиях новых энергоемких технологических процессов.

2. Существенное возрастание доли стоимости электроэнергии в общей себестоимости продукции промышленных предприятий, которое приводит к необходимости поиска потребителями новых вариантов электрои теплоснабжения своих предприятий.

3. Сверхнормативный износ основного оборудования большинства электростанций и электрических сетей, входящих в единую энергосистему и отсутствие у владельцев необходимых средств на ремонт или замену этого оборудования.

4. Большой дефицит электроэнергии во многих промышленных районах России и длительные перерывы электроснабжения потребителей различных объектов промышленности и сельского хозяйства.

5. Отсутствие у большинства предприятий, работающих с технологическими процессами повышенной опасности, резервных (аварийных) источников электроэнергии, позволяющих при прекращении электроснабжения от внешней энергосистемы безаварийно остановить технологический процесс или остановить технологический процесс с минимальным ущербом для предприятия.

Сверхнормативный износ основного оборудования большинства электростанций и электрических сетей и большой дефицит электроэнергии во многих промышленных районах России приводит к существенному увеличению количества и длительности перерывов электроснабжения от централизованных энергетических систем.

Вследствие длительных перерывов электроснабжения многие государственные и частные промышленные предприятия и финансовые учреждения (банки, биржи и т. п.) несут большие экономические убытки. Это заставляет таких потребителей все чаще решать проблему резервного или аварийного теплои электроснабжения самостоятельно вне зависимости от состояния внешних энергоисточников.

Наиболее ярким примером длительного перерыва электроснабжения, приведшего к большим экономическим убыткам, является системная авария в мае 2005 года в энергосистеме ОАО «Мосэнерго». В результате данной аварии более 50% потребителей трех областей (Московская, Тульская и Тверская) остались без электроснабжения на срок от 2-х часов до 3-х дней, а убытки потребителей превысили миллиард рублей [68].

Однако прекращение электроснабжения может привести не только к финансовым потерям, но и человеческим жертвам (например, при проведении операций в больницах, при авариях на нефтяных и газовых предприятиях и предприятиях химической промышленности и т. п.) [39].

Вместе с тем во многих регионах России (до 40% территории страны) отсутствует централизованное электроснабжение от единой энергосистемы. В таких регионах получили широкое развитие системы автономного электроснабжения (САЭ) на базе дизельных, газопоршневых и газотурбинных электростанций, способные, при отсутствии связи с внешней энергосистемой, длительно обеспечивать электроснабжение и теплоснабжение объектов различного назначения.

К таким объектам относятся поселки нефтяников и газовиков, строителей, моряков и пограничников, буровые по добыче нефти и газа, промышленные объекты перекачки и переработки нефти и газа, стартовые комплексы космической отрасли, а также многие другие объекты в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Однако современный этап развития автономной энергетики требует перехода к созданию быстровозводимых блочно-модульных электростанций на базе модулей контейнерного исполнения и стационарных зданий в легко возводимых строительных конструкциях общей мощностью от 3 до 50 МВт в формате «под ключ».

При разработке электростанции любого исполнения специалисты должны ориентироваться на создание электростанций «единого технологического комплекса» включающего:

1 Источники электроэнергии и их вспомогательное оборудование.

2. Ограждающие конструкции (либо в контейнерном исполнении, либо в легко возводимых сборных конструкциях).

3. Устройства преобразования и распределения электроэнергии (высоковольтные закрытые распределительные устройства, комплектные контейнерные трансформаторные подстанции, низковольтные распределительные устройства и т. п.).

4. Автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) выработки электрической и тепловой энергии.

5. Вспомогательное оборудование и помещения электростанции (мастерская по ремонту оборудования электростанции, помещения для хранения запасных частей, бытовые помещения, помещения начальника электростанции и т. п.).

В настоящее время усиливается направление создания стационарных и блочно-модульных электростанций контейнерного исполнения с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии (коогенерационные электростанции или МИНИ-ТЭЦ). Поэтому в состав электростанций вводятся источники тепловой энергии (газо-водяные и водо-водяные утилизаторы) и системы утилизации тепла на их основе, позволяющие довести коэффициент полезного действия автономных энергоисточников до 7585%.

Среди наиболее существенных причин, побуждающих потребителей принять решение о строительстве собственных автономных источников энергии (АИЭ), можно выделить следующие:

1. Себестоимость электроэнергии от собственных АИЭ (особенно работающих на природном или попутном нефтяном газе) значительно ниже стоимости покупаемой у энергосистемы электроэнергии.

2. Стоимость строительства таких электростанций для многих предприятий соизмерима со стоимостью ущерба от перерыва в электроснабжении длительностью более 2 часов, а для некоторых (например, космическая отрасль) — со стоимостью ущерба от перерыва в электроснабжении длительностью 15−30 минут.

3. Надежность электроснабжения от АИЭ значительно выше, чем от энергосистемы, особенно если для АИЭ предусмотрен режим параллельной работы с внешней энергосистемой.

4. Наличие АИЭ позволяют предприятиям обеспечить энергетический суверенитет, а как следствие — экономическую независимость от рынка электроэнергии.

Большую роль играет малая энергетика в обеспечении надежности электроснабжения и энергетической безопасности (ЭБ) потребителей электроэнергии, которая является важной компонентой национальной безопасности страны и трактуется как состояние защищенности граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита всех видов энергии и энергетических ресурсов. По ситуативному признаку при анализе ЭБ выделяют три основных варианта, соответствующих нормальным условиям функционирования, критическим ситуациям и чрезвычайным ситуациям. ЭБ в условиях нормального функционирования связывается с необходимостью обеспечения в полном объеме обоснованных потребностей в энергетических ресурсах. В экстремальных условиях (то есть в критических и чрезвычайных ситуациях) ЭБ требует гарантированного обеспечения минимально необходимого объема потребностей в энергии и энергоресурсах. Непосредственно на ЭБ нашей страны сказываются острый дефицит инвестиционных ресурсов, недофинансирование капиталовложений в топливно-энергетический комплекс и многие другие угрозы экономического характера. В связи со значительной выработкой технического ресурса энергооборудованием всё большее влияние на ЭБ оказывают аварии, взрывы, пожары техногенного происхождения, а также стихийные бедствия. События последних лет показали существенную неустойчивость в обеспечении электроэнергией и теплом потребителей различных категорий от централизованных энергетических систем. Одна из причин этого — состояние «отложенного кризиса» в энергетике страны, обусловленное быстрым старением основного оборудования, отсутствием необходимых инвестиций для обновления и строительства новых энергетических объектов и их ремонта, сложности со снабжением топливом.

Другими причинами нарушения энергоснабжения являются природные (прежде всего климатические) катаклизмы, приводящие в ряде случаев к тяжелым последствиям для значительных территорий и населенных пунктов. Весьма уязвимыми являются централизованные системы энергоснабжения и с военной точки зрения. Например, с помощью сравнительно недорогих боевых блоков, разбрасывающих проводящие нити или графитовую пыль, НАТО удалось всего за двое суток вывести из строя до 70% электроэнергетических систем Югославии [68]. Кроме того, стратеги ядерных держав в качестве одного из вариантов начала войны рассматривают «ослепляющий удар»: взрыв над территорией противника на большой высоте ядерного боеприпаса, в том числе и специального, с усиленным выходом электромагнитных излучений. Электромагнитный импульс (ЭМИ) высотного взрыва охватывает огромные территории (с радиусом в несколько тысяч километров) и может выводить из строя не только системы управления, связи, но и системы электроснабжения, прежде всего за счет наведения перенапряжений на воздушных и кабельных ЛЭП. Характерно, что одним из стандартов МЭК рекомендуется проверка устойчивости энергетических систем к воздействию ЭМИ высотного ядерного взрыва. Насколько известно, в России работа в этом направлении практически не ведется. Уязвимыми являются централизованные системы энергообеспечения и для террористических актов. Опасность прекращения энергоснабжения вследствие указанных выше причин весьма значительна. Устранить ее средствами централизованного энергоснабжения по тем же причинам затруднительно. Однако задача повышения ЭБ ответственных объектов может быть решена средствами малой энергетики. Государство должно поощрять повышение энергетической безопасности объектов за счет строительства собственных электростанций малой мощности, например, снижением налогов или их отменой на определенное время с момента ввода электростанции в строй (опыт такого поощрения есть за рубежом).

Таким образом, несмотря на относительно скромную долю малой энергетики в общем энергобалансе страны по сравнению с большой энергетикой, которой уделяется основное внимание нашей науки и промышленности, значимость малой энергетики в жизни страны трудно переоценить.

В первой главе рассказывается о перспективах развития дизельных, газотурбинных и газопоршневых электростанциях, приводится ряд научно-технических и методологических проблем систем энергоснабжения на основе многоагрегатных дизель-генераторных электростанций. Рассматриваются вопросы управления и регулирования процессов в них.

Вторая глава посвящена вопросам комплексного математического моделирования элементов автономной энергосистемы для определения составляющих электромагнитного момента, учета насыщения и для обеспечения качества потребления электроэнергии системы автономного электроснабжения.

Математическая модель для анализа электромеханических переходных процессов разработана на основе уравнений синхронного генератора Парка-Горева. Выполнена разработка комплексной математической модели, включающей математическую модель нагрузки.

Реализованы математические модели автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) и регуляторов частоты вращения. В основу математического описания АРВ и регуляторов частоты вращения положен набор передаточных функций его отдельных элементов.

В третьей главе приведены результаты расчетов демпферного и синхронизирующего моментов, колебаний мощности и напряжения при регулировании возбуждения и учете влияния насыщения на установившиеся и переходные процессы синхронного генератора при конечных возмущениях.

В четвертой главе рассмотрены способы снижения колебаний электромагнитной мощности при сохранении приемлемого качества напряжения в условиях автономной электрической станции с разнотипными генераторами с дизельным приводом. Предлагается использование дополнительных сигналов в законе регулирования возбуждения генераторов и применение дополнительных устройств стабилизации напряжения.

В результате выполнения работы были получены следующие результаты:

— Разработана математическая модель генератора с учетом насыщения для анализа колебательных процессов системы автономного электроснабжения и оценки показателей качества электрической энергии.

— Выполнено математическое описание элементов автономной энергосистемы.

— Разработана математическая модель системы возбуждения бесщеточного типа и системы фазового компаундирования для анализа эффективности регулирования системы возбуждения с точки зрения подавления колебательных процессов.

— Разработаны математические модели регуляторов частоты вращения дизель-генератора для прогнозирования нестабильности частоты вращения и влияния на неё до момента критических значений.

— На основе аналитической методики оценки демпферного момента синхронной машины выполнены оценки влияния параметров демпферной системы генератора с дизельным приводом на демпферный момент в заданных условиях.

— Рассмотрены условия демпфирования колебаний, вызванных неравномерностью вращающего момента первичного двигателя (дизеля) в условиях ЭЭС различной структуры.

— Выполнена оценка эффективности использования каналов регулирования возбуждения по производной тока статора и по производной частоты как в условиях параллельной работы с ЭЭС, так и при работе многоагрегатных систем электроснабжения.

На основе применения разработанных моделей и выполненных условий показано, что:

1. Параметры демпферной системы генератора должны отрегулироваться на этапе конструирования.

2. Наибольшую эффективность в подавлении колебаний электромагнитной мощности генератора обеспечивает регулирование возбуждения.

Заключение

.

1. Разработана математическая модель генератора с учетом насыщения для анализа колебательных процессов САЭ и оценки показателей качества электрической энергии. Выявлено значительное насыщение стали генератора СБГД 16,5. В установившихся режимах уровень насыщения стали на пути основного магнитного потока, выражаемый коэффициентами насыщения, достигает: по продольной оси Kad = 0,95, ^ по поперечной оси Kaq =0,82. Увеличение тока возбуждения при учете насыщения составляет 24%. Для компенсации влияния насыщения, при проектировании генераторов, увеличивают мощность системы возбуждения.

2. На языке Modelica реализована математическая модель дизельгенератора и системы его регулирования, позволяющая воспроизвести требуемые режимы САЭ.

3. Разработана математическая модель системы возбуждения бесщеточного типа и система фазового компаундирования для анализа эффективности регулирования системы возбуждения с точки зрения подавления колебательных процессов. ДБС и СФК обеспечивают надежное демпфирование колебаний во всем возможном диапазоне настроек АРВ.

4. Выполнено математическое описание элементов автономной энергосистемы, в том числе, разработаны математические модели регулятора частоты вращения изодромного типа и регулятора частоты вращения фирмы «Вудвард».

5. Рассмотрена качественная методика оценки демпферного момента генератора. На ее основе выполнены оценки влияния параметров демпферной системы генератора на демпферный момент в заданных условиях. Применение данной методики позволяет на этапе проектирования рекомендовать параметры демпферной системы, обеспечивающие оптимальные показатели демпфирования на заданной частоте. Наличие демпферной обмотки обуславливает высокие значения демпферного момента на протяжении всей области изменения углов. Наличие демпферных контуров оказывает существенное влияние на демпфирование колебаний.

6. Рассмотрены условия демпфирования колебаний, вызванных неравномерностью вращающего момента первичного двигателя (дизеля) в условиях ЭЭС различной структуры. Определены особенности колебательных процессов при параллельной работе с системой бесконечной мощности и при автономной работе многоагрегатных систем электроснабжения.

7. Обеспечение устойчивости и надежности работы ЭЭС обеспечивается за счет применения различных систем управления, важное место среди которых занимают системы автоматического регулирования возбуждения генераторов. Достижение высоких демпферных свойств реализуется благодаря использованию в АРВ в качестве параметров стабилизации сигналов производной напряжения статора, отклонения частоты напряжения статора и производной частоты. Установлена высокая эффективность использования канала регулирования возбуждения по производной тока статора и по производной частоты. Показано, что подавление колебаний электромагнитной мощности генератора за счет регулирования возбуждения приводят к увеличению колебаний напряжения на шинах приемной станции. Даны рекомендации по выбору настройки канала регулирования по производной тока статора и по производной частоты, обеспечивающих удовлетворение всех ограничений.