Разработка структурных схем для расчёта переходных процессов паротурбогенератора

УДК 621.313.322-81

В. Е. Егоров, Ю. А. Радионов, Д. А Кодолич

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ДЛЯ РАСЧЁТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПАРОТУРБОГЕНЕРАТОРА

Техническая безопасность работы главных компонентов электростанции определяет безопасность всей электростанции. Наиболее опасным компонентом является паротурбогенератор (ПТГ). Опыт эксплуатации показывает, что аварии ПГТ приводят к полному разрушению машинного зала и гибели людей. Аварии на ПТГ могут происходить как по причине отказа противоаварийной защиты (ПАЗ), так из-за усталостных разрушений ПТГ. Исследованию параметров динамических режимов работы посвящена данная работа.

Ключевые слова: электростанция, паротурбогенератор, математическое моделирование, колебательность, переходные процессы.

При расчётах механической прочности валов паротурбогенератора необходимо с достаточной точностью определить динамические моменты, действующие на отдельные участки валопровода паротурбогенератора (ПТГ). Динамические моменты характеризуются формой, амплитудой, длительностью и частотой повторения и их принято называть возмущающей силой. Причём возмущения в ПТГ могут приходить как со стороны турбины (гидравлические удары в паропроводе и воздействия регуляторов турбин), так и со стороны нагрузки турбогенератора (изменения параметров нагрузки турбогенератора — вплоть до трёхфазного короткого замыкания). Эти возмущения (импульсные и скачкообразные) вызывают резонансные явления:

• в лопатках генератора;

• в соединительных валах ПГТ;

• в колебаниях турбогенератора (ТГ) в магнитном поле.

В [1] показано, что жёсткость магнитного поля Ст в приближённой модели магнитного поля нелинейна и колебания ротора ТГ в магнитном поле также будут нелинейными [2].

На первой стадии исследования переходных процессов (ПП) была рассмотрена 2-х массовая модель ТГ, где цилиндры турбины были добавлены к моменту инерции ТГ.

Таким образом, ставилась задача подтвердить нелинейность экспериментальных зависимостей углов нагрузки в(Ь), скорости шс(і) и токов фаз ¿(£)(в самом тяжелом ПП — при трехфазном коротком замыкании на шинах ТГ).

Решение данной задачи может быть выполнено по методикам:

• упрощённая по одномассовой модели ТГ [3];

• приближённая по двухмассовой электромеханической модели ТГ с учётом зависимостей М = f(в) [1, 2, 3];

• точная по одномассовой модели ТГ с учётом решений для токов: фаз статора, обмотки возбуждения, демпферной обмотки [3] а также потерь в стали статора и механических потерь [4].

На рис. 1 представлены соответственно три модели ТГ для расчёта ПП:

м„

а)

6)

МТ‘

Шр

М>'

Мт й) р

\ ір /

I \~

\

мдин

1чтг

мГси М% м* м‘ мЬ М' МП

в}

/

/

/

Мт СОр

Шр

Рис. 1. Электромеханические модели турбогенератора: а) упрощённая — одномассовая, б) приближенная — двухмассовая, в) точная одномассовая с учётом упругости магнитного поля

Г де Мэм — получаемый из расчёта по методике [2]:

Мэм = м;3 + м^3 + ,

М1ф3 — знакопеременный момент; М^3 — асинхронный момент статора;

— асинхронный момент ротора; Мдин — динамический момент МД™ = /($); в

— угол нагрузки; Му — упругий момент [1]; Мт — момент турбины; ]Е — суммарный момент упругости ПТГ; = шр и = ы0 — скорость ротора и поля статора; — момент от потерь в меди фазах статора.

Мст = мси —

ДРси

где АР^ДРси, ДРси — потери меди в фазах статора; М^е — момент от потерь в железе фазах статора [3]; ММех — момент от механических потерь в роторе.

ММех =

АР,

Мех

где А?Мех — механические потери ротора [3]; М^и — момент потерь в меди ротора.

Мрси =

АР^ +ЛРУ^+ЛРУ^ пгси^игси^игси

где АР/и потери в меди в обмотке возбуждения; АРси И АР^и — потери в меди

в обмотке в успокоительных обмотках по продольной и поперечной осям

Расчёт переходных процессов в турбогенераторе может быть выполнен по приближенной методике [1,2] численными методами например при помощи пакета проведённой в Matlab&Simulink.

Вычисление выше наименованных моментов не представляет особой трудности за исключением потерь в обмотке возбуждения (ОВ) ТГ. На рис. 2 представлены эквивалентная схема замещения ОВ. Ток возбуждения ¿^0 представлен в виде источника тока, а всплеск тока возбуждения Аі^ создаётся трансформаторной ЭДС при коротком замыкании (к.з.). на шинах ТГ:

еТ

Рис. 2. Эквивалентная схема замещения обмотки возбуждения Тогда суммарные потери при к. з. можно определить:

АРси = (¿/0 + Д^/)2 *Г/.

Причём за счёт энергии ПТГ потери определяются как

Д^ = Ю/о + Д/)2 - гг2о]гг, где ту — сопротивление обмотки возбуждения.

По данным уравнениям (для точной методики) была также разработана структурная схема, фрагмент которой показан на рис. 3

В явном виде нелинейность типа Мдин = f(0) [3] не показана, но эта нелинейность содержится в трёх множителях sin в, cosO и cos (у — в) в выражениях для токов i¿, и следовательно она будет и в выражениях для моментов

В выражении тока фазы А выделены три компонента, содержащие нелинейность.

В отличии от уравнения ¿а в [3], угол нагрузки в врассматриваемой структурной схемы задается не как постоянная, а как переменная величина

Это сделано в соответствии с экспериментальными данными по 3ф к. з. [5], из которых следует, что угол 0 переменная величина даже на малом отрезке времени £ < 0,3 равному установки по защите ТГ противоаварийной защиты

Топология структурной схемы включает также возможность приложения возмущаемой по многим входам, в том числе и в явном виде переменной времени (модельного времени £).

Одновременно можно контролировать все параметры режимов важных для эксплуатации. Получить решения по трём методикам можно будет:

• оценить точность решения по упрощённой и приближённой методикам;

• перейти к следующим стадиям расчёта 1111 с учётом упругости валов ПТГ;

• получить реальные значения параметров возмущающих моментов, необходимых для оценки усталостного состояния валов ПТГ при наличии крутильных колебаний;

• определить степень опасности возмущений при изменении параметров сети вплоть до короткого замыкания.

М — f

Например [3]:

Е0

— + U cosO

в — 6q + АО.

[ПАЗ].

Рис. 3. Структурная схема. Определение момента, создаваемого фазой А Выводы.

1. Выполнен анализ динамических моментов, действующих на отдельные участки валопровода паротурбогенератора.

2. Разработаны методика и алгоритм расчёта нелинейных переходных процессов паротурбогенератора с учётом упругих связей магнитного поля при помощи пакета Matlab&Simulink.

3. Определены план расчёта ПП и контроля параметров режима ПТГ для следующих стадий теоретических исследований по повышению качества надёжности и безопасности работы турбоагрегата в сети.

Литература

1. Иванов-Смоленский А. В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. М.: «Высшая школа», 1989. С. 312.

2. Баллас К. А. и др. О колебательности в модели паротурбогенератора с учётом упругости магнитного поля. Вестник Псковского государственного университета. 20.1.2012. С. 230239.

3. Важнов А. И. Основы теории переходных процессов синхронных машин. ГЭИ 1962. С. 312.

4. Постников И. М. Проектирование электрических машин. ГИТЛ УССР Киев. 1960. С. 910.

5. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. Изд. «Энергия», 1973. С. 648.

Об авторах

Егоров Владимир Егорович — доцент кафедры «Электропривод и системы автоматизации» ФГБОУ ВПО ПсковГУ.

E-mail: egorov_v_e@mail.ru

Родионов Юрий Александрович — доцент кафедры «Электропривод и системы автоматизации» ФГБОУ ВПО ПсковГУ.

E-mail: egorov_v_e@mail.ru

Кодолич Денис Алексеевич — аспирант кафедры «Электропривод и системы автоматизации» ФГБОУ ВПО ПсковГУ.

E-mail: razelim@list.ru

V. E. Egorov, Y. A. Radionov, D. A. Kodolich

THE DEVELOPMENT THE STRUCTURAL SCHEMES FOR THE CALCULATION TRANSIENT PROCESSES STEAM TURBINE GENERATORS

Technical safety of the main components of power determines the safety of the power plant. The most dangerous component is the steam turbine generator. Experience has shown that accidents steam turbine lead to total destruction machine room and deaths. Accident at steam turbine can be either due to denial of emergency protection, so because of fatigue failures steam turbine generator. Research of the dynamic components of the subject of this work.

Keywords: power station, steam-turbogenerator, mathematical simulation, oscillate, transient processes.