УСТРОЙСТВО НОРМАЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ГЕНЕРАТОРА, УСТАНОВЛЕННОГО НА ВАЛУ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО ТУРБОАГРЕГАТА

Заявляемая полезная модель относится к области электроэнергетики, и может быть использована для устранения зависимости параметров электроэнергии (частоты, амплитуды и формы напряжения) генератора от изменения частоты вращения ротора турбины высокого давления (ТВД) газоперекачивающего агрегата (ГПА).
Газоперекачивающие агрегаты предназначены для повышения давления газа, транспортируемого по магистральному газопроводу.
Газоперекачивающий агрегат (ГПА) состоит из центробежного нагнетателя (компрессора) с приводом от газовой турбины. Для обеспечения электроэнергией вспомогательных устройств турбоагрегата (насосы смазки, вентиляторы охлаждения и т.п.) при его работе используется генератор собственных нужд, жестко связанный с ротором ТВД.
Системы централизованного контроля и управления газотурбинными газоперекачивающими агрегатами предназначены для работы в составе систем автоматики на компрессорных станциях магистрального газопровода. Основным регулятором в системе является регулятор скорости, поддерживающий заданную частоту вращения вала турбины.
Из уровня техники известна система для управления работой гидроэлектрической турбины, содержащая систему преобразователя, выполненную с возможностью преобразования мощности переменного тока, подаваемой генератором, соединенным с турбиной и имеющей напряжение и частоту, которые зависят от скорости вращения турбины, в мощность переменного тока, имеющую напряжения и частоту системы передачи для передачи мощности переменного тока к приемной подстанции, причем система дополнительно содержит модуль управления, который выполнен с возможностью взаимодействия с системой преобразователя, чтобы регулировать напряжение переменного тока, подаваемого генератором в зависимости от скорости потока воды через турбину, для управления таким образом вращением турбины, причем система преобразователя содержит преобразователь первой ступени и преобразователь второй ступени, при этом между преобразователями первой ступени и второй ступени расположено звено постоянного тока, причем преобразователь первой ступени выполнен с возможностью преобразования мощности переменного тока, подаваемой генератором, в мощность постоянного тока, а преобразователь второй ступени выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока для передачи к приемной станции (заявка на изобретение №2014108960 «Способ и система для управления гидроэлектрическими турбинами», дата подачи 10.08.2012, дата публикации 20.09.2014 г.).
Недостатки известного устройства связаны с выполнением системы преобразователя многоступенчатой, при этом мощность постоянного тока, преобразованная в мощность переменного тока, передается к приемной подстанции. Данное устройство имеет ограничения по применению, а именно, используется в гидроэлектрических турбинах.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство, содержащее, по меньшей мере, один генерирующий агрегат из турбины и генератора переменного тока, к шинам которого через цепи присоединения подключены накопитель электроэнергии с обратимым статическим преобразователем и, по меньшей мере, одна линия электропередачи, при этом обратимый статический преобразователь снабжен блоком управления, который подключен входом к датчику скорости вращения вала генератора и выполнен с возможностью перевода преобразователя в режим инвертора или выпрямителя при заданном отклонении скорости вращения вала генератора от ее синхронного значения вниз или вверх соответственно, а в линию электропередачи включено фазоповоротное устройство, управляющий вход которого предназначен для дистанционного регулирования активной мощности (патент №1074141 на полезную модель «Фрагмент интеллектуальной электроэнергетической системы с быстродействующим регулированием активной мощности», дата подачи 21.03.2011 г., опубликовано 10.08.2011 г.).
Недостатки прототипа обусловлены сложной многоступенчатой схемой преобразования, в которой используют специализированные узлы и агрегаты, что требует такого же специализированного обслуживания оборудования в процессе эксплуатации. Кроме того, в ближайшем аналоге генератор является основной нагрузкой турбины, а в газоперекачивающем агрегате (ГПА) основной нагрузкой турбины является центробежный нагнетатель, а генератор является вспомогательным оборудованием, поэтому применение указанного устройства затруднено.
Расчетные исследования, проведенные в ООО УНПП «Теплоэнергетик» показали, что для обеспечения максимального КПД газоперекачивающего турбоагрегата, необходимо поддержание постоянной приведенной частоты вращения ротора турбины высокого давления (ТВД), физическая частота вращения ротора ТВД при этом изменяется, что приводит к отклонению от нормы параметров электроэнергии, в частности частота вырабатываемой генератором электроэнергии изменяется в пределах 40-60 Гц, что неприемлемо для работы вспомогательных механизмов ГПА.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое устройство, является повышение качества электроэнергии при максимальном коэффициенте полезного действия газоперекачивающих агрегатов (ГПА) за счет устранения зависимости параметров электроэнергии (частоты, амплитуды и формы напряжения) генератора собственных нужд от частоты вращения ротора турбины высокого давления (ТВД).
Указанный технический результат достигается тем, что устройство нормализации параметров электроэнергии генератора, установленного на валу газоперекачивающего турбоагрегата, включающее силовой преобразователь, оснащенный блоком управления, через цепи подключения и коммутационные устройства связанный с питающей линией генератора и распределительными шинами потребителей электроэнергии, отличающееся тем, что в качестве силового преобразователя используют преобразователь частоты общего применения, к выходу которого последовательно присоединены синус-фильтр и разделительный трансформатор, к которому через выходной контактор подключены распределительные шины потребителей электроэнергии.
Предлагаемая к защите полезная модель поясняется чертежами, где
фиг. - однолинейная блок-схема устройства нормализации параметров электроэнергии.
Устройство нормализации параметров электроэнергии 1 встраивают в штатную схему управления газоперекачивающего турбоагрегата с полным сохранением существующих алгоритмов его работы, управления, блокировок и резервирования и размещают между выходной линией генератора собственных нужд 2 и автоматическим выключателем 3, размещенным в стойке управления турбоагрегата 4 и связанным с распределительными шинами потребителей (позиция не указана).
В питающую цепь между генератором собственных нужд 2 и входом силового преобразователя 5, в качестве которого используют частотно-регулируемый привод общего применения (преобразователь частоты общего применения), присоединен сетевой дроссель 6, способствующий уменьшению уровня помех, влияющих на работу генератора 2.
Силовой преобразователь 5 оснащен блоком управления с контроллером (на чертеже не показан), который, в свою очередь, связан с распределительными шинами потребителей электроэнергии и при необходимости выдает силовому преобразователю корректирующие сигналы.
Из-за особенностей конструкции частотно-регулируемого привода - преобразователя частоты общего применения, обусловленных наличием пассивного выпрямителя 7 и инвертора 8, его выходное напряжение и ток имеют искаженную, несинусоидальную форму с большим количеством гармонических составляющих (помех).
С целью эффективного подавления упомянутых высокочастотных помех и получения синусоидальной формы напряжений и токов к выходу силового преобразователя 5 последовательно подключены синус-фильтр 9 и разделительный трансформатор 10, к выходу которого подключен фильтрующий трехфазный конденсатор 11.
Благодаря ручному расщепителю нагрузки 12, встроенному между генератором собственных нужд 2 и сетевым дросселем 6, и подключенному к выходному контактору 13, связанному с распределительными шинами потребителей электроэнергии, обеспечивается возможность отключения устройства нормализации параметров от генератора и стойки управления турбоагрегата и подключения генератора непосредственно к распределительным шинам стойки управления турбоагрегата, что способствует оперативному восстановлению штатной схемы электроснабжения и предотвращает аварийную остановку турбоагрегата при отказе устройства стабилизации. При включении байпасной линии устройство нормализации полностью исключается из схемы электроснабжения, питание потребителей осуществляется по штатной схеме. Такой переход делается в следующих случаях:
- при отказе (неисправности) устройства стабилизации;
- при работе турбоагрегата по штатному алгоритму (с поддержанием не приведенных, а физических оборотов ТВД), когда генератор выдает стабильно 50 Гц, и нет необходимости использования устройство нормализации.
Устройство работает следующим образом.
Защита генератора собственных нужд 2 от помех, возникающих при работе силового преобразователя в устройстве нормализации 1, осуществляется за счет сетевого дросселя 6. Затем трехфазное напряжение 380 В с частотой 40-60 Гц генератора собственных нужд 2 выпрямляется в силовом преобразователе пассивным выпрямителем 7 и преобразуется в постоянное напряжение амплитудой 510-540 В. Инвертор 8, входящий в состав силового преобразователя, из постоянного напряжения амплитудой 510-540 В вырабатывает широтно-импульсно-модулированное (ШИМ) напряжение амплитудой 510-540 В и частотой 5 кГц, при этом эффективное (RMS) значение этого ШИМ напряжения равно 380 В.
Посредством синус-фильтра 9, подключенного к выходу силового преобразователя 5, выделяют из ШИМ сигнала напряжение 380 В частотой 50 Гц. После чего разделительный трансформатор 10 симметрирует схему электроснабжения и компенсирует гармоники сетевого напряжения, кратные 3 (трем). Фильтрующий трехфазный конденсатор 11 отфильтровывает оставшиеся помехи с частотой ШИМ, доводя качество электроэнергии до соответствия требованиям ГОСТ Р 54149-2010 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
Во время работы управляющий контроллер (на чертеже не показан) анализирует параметры выдаваемой устройством нормализации электроэнергии и в случае необходимости выдает силовому преобразователю 5 корректирующие сигналы.
Работа газоперекачивающего агрегата со встроенным устройством нормализации параметров электроэнергии с постоянной приведенной частотой вращения ротора ТВД обеспечивает максимальный КПД во всем диапазоне режимов работы, что, в свою очередь, позволяет значительно экономить топливный газ.
Результаты расчетных исследований ООО УНПП «Теплоэнергетик» подтверждены проведенным на Комсомольском ЛПУМГ опытными испытаниями.
Преимуществами предлагаемого устройства являются повышенное качество выдаваемой электроэнергии, соответствующее ГОСТ Р 54149-2010, а также работа при максимально возможном КПД за счет постоянной приведенной частоты вращения ротора ТВД.