Выбор генератора для системы рекуперации избыточного давления магистральной жидкости

УДК 621.313.12

Выбор генератора для системы рекуперации избыточного давления магистральной жидкости

А. В. Богачев,

МЭИ (ТУ), инженер НЦ «Износостойкость», аспирант А. С. Иванов,

МЭИ (ТУ), инженер НЦ «Износостойкость», аспирант Е. В. Ежов,

МЭИ (ТУ), ведущий инженер НЦ «Износостойкость»

В статье рассматриваются два варианта исполнения системы рекуперации давления: с асинхронным и синхронным генератором. При этом исследуется зависимость бросков токов и моментов генераторов при различных условиях включения в сеть. Приводится экономический анализ.

Ключевые слова: рекуперация энергии, асинхронный генератор, синхронный генератор, включение в сеть.

Сегодня всё большую актуальность приобретают вопросы энергосбережения. Потенциал повышения энергоэффективности в России составляет 420 млн т у. т. (45 % от сегодняшнего уровня энергопотребления в России). Эта цифра соответствует почти годовому приросту потребления, то есть при реализации этого потенциала энергосбережения вся мировая экономика могла бы затормозить рост энергопотребления примерно на 1 год [1].

В России создана достаточная законодательно-нормативная база для увеличения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, однако практическая реализация мероприятий по энергосбережению в отечественной энергетике значительно отстает от декларируемых положений. Причиной этого является особая роль топливно-энергетического комплекса в экономике России. Очевидно, что компании, получающие свой доход от добычи и реализации природного топлива, не могут быть заинтересованы в экономном потреблении энергоресурсов.

В рамках решения проблемы рационального использования энергии специалистами ЗАО «Оптима» в сотрудничестве с Московским энергетическим институтом был предложен и реализован способ получения электрической энергии на основе рекуперации избыточного магистрального давления жидкостей. Эта система рекуперации магистрального давления (СРД) представляет собой совокупность гидротурбины, генератора переменного тока, запорно-регулирующей арматуры и блока автоматического управления. СРД, выполняя функции демпфирующего устройства, обеспечивает снижение давления в гидравлической системе до требуемой величины, а весь избыточный перепад давления посредством гидроагрегата преобразуется в электроэнергию и возвращается в сеть. СРД применяется в системах городского тепло- и водоснабжения. Выходная мощность установок в зави-

симости от варианта исполнения лежит в диапазоне от единиц до нескольких десятков киловатт [2, 3].

В качестве генератора первоначально был выбран серийный асинхронный двигатель. Наряду с высокой надёжностью, простотой эксплуатации и синхронизации этот генератор, однако, имеет существенный недостаток - большой бросок тока и момента при включении его в сеть. Уменьшить этот недостаток можно различными способами: переключением обмотки статора со звезды на треугольник, включением в цепь статора активных сопротивлений на время переходного процесса; пуск генератора от сети в режиме двигателя через устройство плавного пуска с последующей подачей рабочей среды в турбину и другие. Так как в данной установке имеют место частые включения на параллельную работу, то наиболее подходящим (простым, надежным и недорогим) способом является включение нерегулируемых токоогра-ничивающих резисторов. Также нежелателен переход в двигательный режим, поэтому предлагается использование именно этого способа.

Переходный процесс при включении резисторов имеет продолжительность не более 1 секунды, что позволяет говорить о незначительных потерях в активных сопротивлениях, при этом броски токов существенно снижаются.

Было проведено исследование зависимости величины броска тока и момента от скорости, при которой генератор включается в сеть, при условии равенства бросков токов при включении в сеть и шунтировании резисторов. Диапазон номинальных мощностей генераторов от 4 до 37 кВт с синхронной скоростью вращения 1500 об/мин. Исследование производилось в программном комплексе МАТЬАВ-БтиНпк с применением библиотеки 81шРошегБу81еш8 [4].

В эксперименте генератор, ротор которого был разогнан до определенной скорости, превышаю-

щей синхронную, подключался к сети через пусковые резисторы. Через одну секунду, когда переходный процесс уже заканчивался, пусковые резисторы шунтировались. Фиксировались броски токов в фазах при первом (включение в сеть) и втором (шунтирование резисторов) переходных процессах. Также фиксировались максимальные броски момента.

Диапазон скоростей был выбран от 1510 до 1600 об/мин, что соответствует скольжениям от 0,667 % до 6,667 %.

Результаты эксперимента представлены на рис. 1 и 2. На рис. 1 показаны зависимости значения шунтирующих резисторов и величины бросков тока от мощности генератора для различных скоростей при условии равенства бросков токов при включении в сеть и шунтировании резисторов.

Было отмечено, что при значениях добавочных сопротивлений, не лежащих на кривых рис. 1 а, один из бросков тока превысит значения, указанные на рис. 1 б.

На рис. 2 представлены зависимости величины бросков момента от мощности генератора без

10 15 20 25 P, кВт

•л=1520 -----л=1540

Рис. 1. Зависимости значения шунтирующих резисторов и величины бросков тока от мощности генератора: а) И=Ш б) 1уДар/1ном=

10

15 20 25 P, кВт

30

35

40

без резисторов

с резисторами

30 35 40 -л=1560

Рис. 2. Зависимости величиныI бросков момента от

мощности генератора без включения токоограничивающих резисторов и с их включением

включения токоограничивающих резисторов и с их включением при условии равенства бросков токов при включении в сеть и шунтировании резисторов для скорости 1520 об/мин.

Видно, что введение добавочных резисторов позволяет снизить броски электромагнитного момента практически в два раза и тем самым уменьшить механические усилия на вал ротора гидрогенератора, что крайне важно для данных установок.

В качестве альтернативы асинхронному генератору в статье рассматривается синхронная машина. Её преимущество в том, что благодаря возбуждению постоянным током синхронный генератор может работать с cos ф = 1 и не потреблять при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдавать реактивную мощность в сеть. Но есть и существенный недостаток: сложность включения на параллельную работу. При включении генератора на параллельную работу необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждения генератора, а также аппаратов управления, контроля и защиты. Поскольку в данной установке имеют место частые включения, то эти броски могут сказаться на надёжности ее работы. Поэтому необходимо было выяснить два вопроса:

1) как влияет на броски токов и моментов скольжение, с которым осуществляется включение генератора в сеть при грубой синхронизации (самосинхронизации)?

2) как влияет на броски токов и моментов разность фаз напряжения генератора и сети при точной синхронизации?

Объектом исследования стал переходный процесс, возникающий при включении генератора в сеть. Для решения поставленных задач была составлена математическая модель установки, реализованная в программном пакете MATLAB-Simulink. Блок-схема модели представлена на рис. 3.

6

5

4

3

2

0

0

5

a

8

7

6

5

4

3

2

0

0

5

б

Л

"D

Sep2

—I I Synchronous Machine Stepl SI Fundamental

1

¡5

<Output active power Peo (W)>

<Output active power Peo Qeo

t>-

-N

Load angle delta

<Rotor speed deviation cW (pu)>

Electromagnetic tcrç^e Te (N'm)>

<Fld current ifd (A)>

u

1 L^1-

О

Three-Phase Breaker

=E3-

Three-Phase Programmable voltage Source1

43

Scope5 Scope6

Lg

Рис. 3. Схема модели в программном пакете МАПАБ-ЯтиНпк: 1 — синхронный генератор; 2 — блок задания внешнего момента; 3 — блок возбуждения СГ; 4 — трехфазный ключ; 5 — электрическая сеть; 6 — измерительный блок

В параметрах блока «синхронная машина» были введены параметры рассчитанного серийного генератора ЕСС 5:

полная мощность £=5 кВА; линейное напряжение и=400 В; частота /=50 Гц;

схема соединения обмотки статора: У; синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси Х^=1,5;

переходное индуктивное сопротивление по продольной оси Х'^=0,276;

сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси Х"^=0,252;

синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси Хд=0,899;

переходное индуктивное сопротивление по перечной оси Х'д=0,243;

сверхпереходное индуктивное сопротивление по перечной оси Х"д=0,18;

постоянные времени: Т'^=0,012 с; Т"^=0,003 с; Т"д=0,003 с;

сопротивление обмотки статора 0,06 о. е.; коэффициент инерции 1,7 с; число пар полюсов р=2.

Чтобы ответить на первый вопрос, генератор на холостом ходу подключается к сети по методу самосинхронизации. Результаты эксперимента представлены на рис. 4, где показаны зависимости ударного тока и момента от скольжения ротора. Видно, что минимальное значение тока и момента получается при отрицательном скольжении ротора «=-2 %. Поэтому желательно включать синхронный генератор на параллельную работу при скорости вращения больше синхронной.

Для ответа на второй вопрос генератор на холостом ходу подключается к сети по методу точной синхронизации при различных фазах напряжения генератора и сети.

5 О \ / 6

4

3 2

4 -3 } - 2 - 1 С 5, % 2 34

5 0 1 4

3,5

3

2,5

2

1,5 1,5

1

0,5

4- 3- 2- 1 5, %

Рис. 4. Зависимости ударного тока и момента от скольжения ротора:

а) 1удар/'ном=М; б) Мудар/Мном=*М

Результаты эксперимента представлены на рис. 5, где показаны зависимости тока включения и ударного момента от угла рассогласования. В диапазоне углов 6=±30° 1уд<21ном. Поэтому с точки зрения ограничения токов и моментов точная синхронизация более предпочтительна, однако при неудачной точной синхронизации механические усилия на вал ротора, обусловленные синхронным моментом, могут в несколько раз превысить усилия от номинального момента. При самосинхронизации синхронный момент отсутствует, так как генератор включается невозбужденным. Кроме того, достоинство способа самосинхронизации состоит в простоте, позволяющей полностью автоматизировать включение генератора в сеть, и в быстроте включения.

Экономическая оценка целесообразности внедрения системы рекуперации давления на основе синхронного генератора показала, что применение в СРД синхронного генератора вместо асинхронного приводит к увеличению себестоимости установки всего лишь на 4 %. Эта величина весьма мала и практически сводит на нет основное преимущество асинхронного генератора - его меньшую стоимость.

б

р2г5—

2

\5

-40 -30 -20 -10 0

0, град

10

20

30

40

1,4

4

1

0,4

0,2

0- 0- 20 - 0 10 01 02 03 0 40

0, град

Рис. 5. Зависимости ударного тока и момента от угла рассогласования:

а) 1уДаРЛом=т; б) МуДар/Мн0м=1№

Выводы

1. При использовании способа самосинхронизации предпочтительно включать синхронный генератор на параллельную работу при отрицательном скольжении порядка 2 %. Полученные результаты соответствуют режиму работы СРД в асинхронном варианте.

2. Использование способа точной синхронизации синхронного генератора позволяет получить меньшие ударные токи и моменты, чем при использовании активных сопротивлений,

включающихся в цепь статора в асинхронном варианте.

3. Экономический анализ показал, что стоимость синхронного генератора незначительно увеличивает себестоимость системы рекуперации давления и синхронная машина может быть вполне конкурентоспособной по сравнению с асинхронной.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

б

a

Литература

1. Башмаков И. А. Потенциал энергосбережения в России // Энергосбережение. - 2009. - № 1. - С. 28-36.

2. Пат. 2239752 РФ, С1 7 F 24 D 17/00, 19/10, F 28 F 27/00, Е 03 В 7/02. Система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения / Волков А. В., Погорелов С. И., Рыженков В. А. (Ии). № 2003136705/03; заявл. 22.12.2003; опубл. 10.11.2004. Бюл. № 31.

3. Получение электрической энергии в системах тепло- и водоснабжения на основе рекуперации избыточного магистрального давления / Волков А. В., Парыгин А. Г., Рыженков В. А., Щербаков С. Н. // Новости теплоснабжения. - 2007. - № 10. - С. 46-50.

4. Иванов А. С., Котеленец Н. Ф. Особенности использования пусковых резисторов в асинхронном генераторе при включении в сеть // Изв. вузов. Электромеханика. - 2010. - № 6. - С. 25-27.

Selection of generator for overpressure recuperation system.

A. V. Bogachev,

Moscow Power Engineering Institute, postgraduate student

A. S. Ivanov,

Moscow Power Engineering Institute, postgraduate student

Y. V. Yezhov,

Moscow Power Engineering Institute, leading engineer

There are two ways of the overpressure recuperation system considered in this paper. The first one is with asynchronous generator and the second with synchronous generator. The authors researched the dependence of current and torque inrushes under the various conditions of switching to the grid and gave the economic analysis.

Keywords: recuperation of energy, asynchronous generator, synchronous generator, switching on the grid.