О применении асинхронизированных турбогенераторов на электрических станциях

УДК 330.322.55

О ПРИМЕНЕНИИ АСИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ

Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО, Г.Н. МАРЧЕНКО, В.В. МАРФИН, Н.Н. МАРФИНА, Н.М.

ТВОРОГОВА, Е.А. ФЕДОТОВ, Г.И. ДРУЖИНИН

Казанский государственный энергетический университет

Применение асинхронизированных турбо- и электрогенераторов позволяет осуществить глубокое потребление реактивной мощности, а также обеспечить возможность векторного регулирования на электростанциях, что позволяет оптимизировать количество компенсирующих устройств в электрических сетях и одновременно нормализовать их работу в режиме недовозбуждения. В статье рассмотрена проблема в целом и даны конкретные предложения по применению более современных и эффективных в рассматриваемом смысле ассинхронизированных турбогенераторов на действующих и вновь проектируемых электрических станциях.

Ключевые слова: турбогенератор, электрогенератор, реактивная мощность, асинхронизированный турбогенератор, статор, ротор.

В ряде энергообъединений России существует проблема с нормализацией уровня напряжений, ставшая особенно острой в последнее время ввиду генерации реактивной мощности малозагруженными длинными линиями. В электрических сетях установлено недостаточное количество компенсирующих устройств, и к регулированию напряжения привлекаются синхронные генераторы. Длительная работа синхронного генератора в режиме недовозбуждения приводит к повреждению торцевых зон статора. Так, за период с 1990 по 2003 годы [1] из-за нарушения торцевых зон были проведены ремонты генераторов на Каширской, Конаковской, Кармановской и ряде других электрических станций.

При производстве новых генераторов был выполнен ряд конструктивных изменений и в новых генераторах, таких как, например, ТЗВ, вопросы нагрева торцевых зон решены, что позволяет нормализовать работу с недовозбуждением. Однако предел потребления реактивной мощности у них мал, ввиду ограничения по динамической и статической устойчивости, и заметного влияния оказать на нормализацию уровня напряжения они не могут.

Применение асинхронизированных турбо- и гидрогенераторов позволяет осуществить глубокое потребление реактивной мощности, а также обеспечить возможность векторного регулирования на электростанциях. На ОАО "Электросила" с участием ВНИИЭ разработана серия асинхронизирующих турбогенераторов мощностью 110-350 МВт с полностью водяным и 110-200 МВт с полным воздушным охлаждением [1]. Головной образец первого в мире асинхронизированного турбогенератора с полным воздушным охлаждением внедрен в декабре 2003 года на ТЭЦ 22 Мосэнерго. В 1985 и 1990 годы на Буштырской ГРЭС впервые в мировой практике АС были внедрены разработанные совместно ПО "Электротяжмаш" (г. Харьков), ВНИИЭ, ПО "Уралэлектротяжмаш" (г. Екатеринбуг) турбогенераторы мощностью 200 МВт с водородно-водяным охлаждением, которые работают успешно до сих пор.

Учитывая преимущество АС турбогенераторов, приказом "О внедрении асинхронизированных турбогенераторов в ЕЭС России" по ОАО "ЕЭС России" рекомендовано установить АСТГ номинальной мощностью от 110 до 800 МВт на следующих электростанциях: Гусиноозерской, Костромской, Троицкой, Каширской, Хараноской, Пермской, Киширской, Новочеркасской, Кармановской, Рязанской, Беловской, Приморской, Черепетской, Ставропольской, Ириклинской ГРЭС,

Хабаровской ТЭЦ-3, Омской ТЭЦ-4, Омской ТЭЦ-6, Новочебоксарской ТЭЦ-3, Читинской ТЭЦ-1. Особо следует отметить программу Мосэнгерго по внедрению АСТГ в период с 2003 по 2010 год на следующих электростанциях: ТЭЦ-200, ТЭЦ-21, ТЭЦ-22 (блоки 7,8), ТЭЦ-23 (блоки 3,4), ТЭЦ-27 (блоки 3,4) [1]. ОАО "Электросила" разработало серию АСТГ мощностью до 350 МВт (типа ТЗВА-120, 220, 350) с полным водяным охлаждением и мощностью 110 МВт с полным воздушным охлаждением (типа ТЗФА-110) [2-3]. Турбогенераторы типа ТЗВА (с полным водяным охлаждением) имеют "самонапорную" систему охлаждения ротора, в которой отсутствуют гидравлические связи обмотки с валом. Обмотка статора охлаждается по традиционной схеме, широко применяемой в мощных турбогенераторах отечественных и зарубежных фирм. На роторе расположены две сдвинутые по окружности на 90 градусов обычные концентрические обмотки. Для обеспечения устойчивой работы АСТГ в асинхронном неуправляемом режиме (с замкнутыми накоротко обмотками возбуждения) при малом скольжении, а также для компенсации высокочастотных полей и поля обратной последовательности в синхронном режиме на роторе расположена полная демпферная обмотка. Обмотка состоит из медных полых проводников, охлаждаемых водой аналогично обмотке возбуждения. Медные проводники демпферной обмотки уложены в пазы под пазовые клинья, короткозамкнутые кольца выполнены из двух медных листов и расположены под бандажными кольцами.

Турбогенераторы ТЗФА-110 (с полным воздушным охлаждением) имеют оригинальную конструкцию статора и ротора. На роторе расположены две обмотки возбуждения, сдвинутые по окружности на 90 градусов и изготовленные из полосовой меди с добавлением серебра. Сердечник статора собран из сегментов электротехнической стали и вдоль оси подразделен на пакеты, между которыми имеются и-образные вентиляционные каналы. Спрессованный сердечник статора стянут стальными ребрами и нажимными кольцами из немагнитного материала.

Система автоматического регулирования возбуждения [1] АСТГ формирует напряжение возбуждения по двум независимым каналам в системе координат Х, У, связанной с опорным вектором напряжения (напряжение шин станции):

К Г

иву = КъЬ + КsS + Кр АР + ——

Р ;

и ВХ = Аи

К и 3

Ки1 + Ки 2 р +-

V Р )

где Ки1, Ки2 , Киз , Къ , Ks, р - коэффициенты обратных связей; р - символ дифференцирования.

Структурная схема возбуждения показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема системы возбуждения АСТГ: ТБ - блочный трансформатор; Г- турбина; ОБй, ОБ? - обмотки возбуждения по осям й и q; РТП, РТП - реверсивные тиристорные преобразователи; АГП АТП - автоматы гашения поля; А3Рй, A3Pq - автомат замыкания обмоток ротора накоротко; ТРй, TPq - р тиристорный разрядник; 3Р^ 3Рй - защитный резистор; КШРй, К111Р,, - контактор, шунтирующий разрядник; ТВ - трансформатор системы возбуждения; ДП - датчик углового положения ротора; АРВ - автоматический регулятор возбуждения; СУТ - система управления тиристорами; ВВ - выключатель возбуждения; БВ - блочный выключатель

В канале У формируется сигнал управления электромеханическим процессом АСТГ-электромагнитным моментом и движением ротора. Для этого используются обратные связи (уравнение 1):

1 по угловому положению ротора (Ъ) для обеспечения работы АСТГ в установившемся режиме со скольжением равным нулю;

2 по скольжению $ для демпфирования колебаний в переходных режимах;

3 по электромагнитному моменту Мэ (р);

4 интегральная связь по разнице значений токов в обмотках й и q ротора (1вй и iвq) для выравнивания токов в обмотках возбуждения.

В канале регулирования по оси X формируется сигнал управления

электромагнитными процессами АСТГ - напряжением на выводах статора (реактивной мощностью), для чего используется пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования (уравнение 2).

Из приведенного описания следует, что "асинхронизированный" принцип управления заключается в регулировании по определенному закону двух ортогональных составляющих напряжения возбуждения [1].

Система возбуждения АСТГ отличается от системы возбуждения синхронных турбогенераторов наличием двух обмоток возбуждения, питание которых осуществляется от двух реверсивных тиристорных возбудителей. Каждый тиристорный мост представляет собой сборку из трех силовых блоков. Силовой блок включает в себя элементы двух плеч одной фазы. Тиристоры имеют принудительное воздушное охлаждение. Тиристорный мост содержит по одному мощному тиристору в каждом плече на ток 4500 А и напряжением 2800 В.

Секция регулирования и управления состоит из двух микропроцессорных автоматических регуляторов типа АРВ - МА (один в "горячем" резерве) контроллера управления системы возбуждения с дисплеем микропроцессорного устройства защит системы возбуждения [1]. Таким образом, применение асинхронизированных турбогенераторов повышает динамическую и статическую устойчивость, позволяет стабилизировать напряжение на шинах ТЭС за счет возможности работать в режиме потребления и выдачи реактивной мощности при номинальной нагрузке в пределах +Ои до -Он.

Применение АСТГ на ТЭС с парогазотурбинными установками значительно повышает надежность их работы.

Диапазон мощности ПТУ достаточно широк: от 300 до 2600 МВт [4]. Разнообразна и структура оборудования. Наибольшее распространение получила так называемая трехагрегатная структура: две газовые турбины, два котла-утилизатора, одна паровая турбина. Газовые турбины, входящие в состав ПТУ, и паровые турбины обладают разными постоянными инерции. Так, в составе трех агрегатов, входящих в ПТУ, могут оказаться два сравнительно "легких" ГТУ: один обычный -паротурбинный, что относится к ПТУ-80, а для ПГУ 450 - обратное сочетание: два "тяжелых" одновальных ГТУ и один более "легкий" паротурбинный. Такое сочетание оборудования ТЭС создает определенные проблемы в отношении управляемости и живучести ТЭС. Параметры агрегатов, определяющие статическую и динамическую устойчивость, становятся особенно ощутимыми при работе ТЭС, присоединенной к энергосистеме небольшим числом протяженных линий электропередач. В этом случае вероятность нарушения динамической устойчивости возрастает. Нарушение синхронизма и отделение ТЭС от энергосистемы (обычно действие автоматизации ликвидации асинхронного режима) переводит ТЭС в автономную работу. Переход может произойти со значительным избытком или дефицитом мощности. Оба эти режима могут привести к погашению местной нагрузки. Так значительный избыток мощности может вызвать отключение ТЭС из-за сброса нагрузки, а значительный дефицит может вызвать лавину напряжения.

Организация надежного энергоснабжения от ТЭС при наличии слабых связей с энергосистемой или вообще рассчитанной на автономную работу представляет достаточно сложную техническую задачу, которую можно решить установкой асинхронизированных турбогенераторов.

Выводы

1. Одной из возможностей изменить динамическую характеристику ПТУ и ГТУ является применение разработанных отечественных асинхронизированных турбогенераторов.

2. Выдача АСТГ номинальной реактивной мощности дает возможность исключить лавинообразное падение напряжения на шинах ТЭС.

3. Применение АСТГ позволяет увеличить пропускную способность линий электропередач за счет возможного фазового управления.

Summary

Application asynchronized turbo- and electrogenerators allows to carry out deep consumption of jet power, and also to provide an opportunity of vector regulation on power stations that allows to optimize amount of compensating devices in electric networks and, simultaneously, to normalize their work in a mode not excitation. In clause the problem as a whole is considered and specific proposals on application more modern and effective, in considered sense asynchronized turbogenerators on working and again projected power plants are given.

Key words: turbogenerator, electrogenerator, jet power, nonsynchronous turbogenerator, stator, rotor.

Литература

1. Лабунец И. А., Кади-Оглы И. А., Сокур П.В. и др. Асинхронизированные турбогенераторы как средство повышения устойчивости и регулирования напряжения в электрических сетях. Электрические станции. 2004. №8.

2. Дмитриева Г.А., Макаровский С.Н., Поздняков А.Ю. и др. Перспективы применения асинхронизированных турбогенераторов в европейской зоне ЕЭС России. Электрические станции, 1997. № 8.

3. Зинаков В.Е., Лабунец И.А., Сокур П.В. Динамическая устойчивость режимов электростанций, содержащих асинхронизированные турбогенераторы. Электро. 2001. № 2.

4. Гуревич Ю.Е., Каспаров Э.А., Лабунец И.А., Двощинская З.Г., Шакрян Ю.Г. О применении турбогенераторов различных типов на парогазовых и газотурбинных электростанциях. Электричество. 1996, № 4.

Поступила в редакцию 30 декабря 2008 г.

Петрушенко Юрий Яковлевич - д-р физ-мат. наук, профессор, зав. кафедрой «Механика», ректор Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-02.

Марченко Герман Николаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Экономика и организация производства» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 55453-74.

Марфин В.В. - соискатель кафедры «Экономика и организация производства» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 261-27-62.

Марфина Н.Н. - соискатель кафедры «Экономика и организация производства» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 263-64-82

Творогова Н.М. - аспирант кафедры «Экономика и организация производства» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-905-0260428

Федотов Е.А. - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрические станции» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 298-41-30.

Дружинин Григорий Иванович - канд. техн. наук, профессор кафедры «Котельные установки и парогенераторы» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8(843) 262-57-01.