В статье обосновано применение разгрузки паровых турбин с целью повышения запасов устойчивости электроэнергетических систем при больших возмущениях. Приведены основные принципы действия импульсной разгрузки паровых турбин и электрогидравлического преобразователя.
Ключевые слова: электрическая система, разгрузка паровых турбин, динамическая устойчивость, электрогидравлический преобразователь.
Причина выпадения генераторов из синхронизма, т. е. нарушения устойчивости электрической системы — возникновение небаланса моментов на валу агрегата генератор-турбина. Очевидно, что если при авариях в электрической системе момент турбины М т можно было бы изменять так же быстро, как изменяется момент (мощность) генератора М э , то избыточный момент на валу ΔМ=М т — М э был бы сведен к минимуму и возможность нарушения устойчивости была бы практически исключена. Одним из эффективных мероприятий по повышению динамической устойчивости генераторов электростанций является использование импульсной разгрузки (ИР) турбин энергоблоков. Она применяется с целью компенсации избыточной кинетической энергии, приобретенной за время короткого замыкания, и заключается в быстром снижении механической мощности турбины с последующим ее плавным восстановлением до заданного значения. ИР инициируется противоаварийной автоматикой (ПА), размещенной на объектах энергосистемы по каналам телемеханики, или устройствами релейной защиты и автоматики электрической станции. Для отработки требуемых законов изменения мощности турбины должны быть сформированы управляющие импульсы тока через электрогидравлический преобразователь (ЭГП). Исследования показали, что при чисто прямоугольном импульсе скорость восстановления нагрузки у современных турбин такова, что могут возникнуть глубокие качания, вызывающие нарушения динамической устойчивости [1, с. 17].
Быстрая разгрузка паровых турбин как способ обеспечения динамической устойчивости генераторов стала возможной после того как были сконструированы ЭГП, позволяющие подавать в гидравлическую систему регулирования частоты вращения турбины форсированные импульсы от внешних электрических устройств. Воздействие противоаварийной автоматики на разгрузку турбин по сравнению с отключением генераторов и делением системы более благоприятно тем, что при этом не изменяется состав оборудования энергосистемы и ее целостность [2, с. 143].
Современные паровые и гидравлические турбины оснащены электрогидравлическими системами регулирования скорости. Эти системы позволяют вводить электрические сигналы от различных устройств и том числе от устройств ПА. Изменение мощности турбины в нормальном режиме производится относительно медленно с помощью механизма изменения скорости вращения. При авариях в электрической системе от системных устройств ПА может поступить управляющий сигнал на экстренную разгрузку паровых турбин. Этот сигнал поступает в систему регулирования турбины, которая воздействует на регулирующий клапан, быстро закрывает его и прекращает подвод пара к турбине [3, с. 226]. Изменение мощности турбины при такой аварийной разгрузке определяется так называемой импульсной характеристикой (рис. 1).
Запаздывание начала изменения мощности турбины объясняется инерцией гидравлической части системы регулирования. Разгрузка на 100 % невозможна из-за наличия пара в камере промперегрева.
Рис. 1. Характеристика импульсной разгрузки паровой турбины
Импульсная разгрузка паровых турбин обеспечивает динамическую устойчивость системы за счет существенного увеличения площадки торможения (рис. 2).
Рис. 2. Площадки ускорения, торможения и выбег генератора при двухфазном КЗ на землю и использовании импульсной разгрузки турбины
Аналогичное управление мощностью гидравлической турбины невозможно из-за возникновения гидравлического удара при быстром закрытии направляющего аппарата и поэтому на гидростанциях в подобных случаях используют отключение генераторов. Хотя в отдельных случаях на тепловых станциях прибегают к отключению генераторов, но применение здесь такого способа нежелательно, так как восстановление мощности агрегата тепловой станции занимает много времени.
Обычный механизм управления турбиной, используемый в нормальном режиме, для быстрого изменения мощности турбин в переходном процессе непригоден из-за медленного действия; поэтому в настоящее время устройства ЭГП устанавливаются на всех турбинах мощностью 300 МВт и выше, (для турбин 200 МВт устройства ЭГП выполняются по специальному заказу).
Наличие ЭГП, связанного через усилители или непосредственно с электрическими входами, позволяет использовать это устройство для решения не только задач устойчивости, но и целого ряда других задач управления и защиты агрегатов.
Амплитуда и длительность импульса, формируемого внешним устройством для сохранения устойчивости и поступающего через ЭГП в систему регулирования турбины, должна в принципе учитывать тяжесть аварии (вид КЗ и его длительность), предшествующий режим (значения и направления потоков мощности и т. п.), послеаварийный режим; таким образом, «дозировка» разгрузки турбины должна определяться совместным анализом ряда факторов (это относится и к автоматике отключения и электрического торможения генераторов). Для решения этой задачи в полном объеме требуются специальные логические устройства [2, с. 145].
С целью упрощения возможно применение программного управления, при котором определенным авариям соответствует заранее рассчитанный управляющий сигнал, формируемый релейным устройством.
Кроме того, принципиально разгрузка поддается более точной дозировке, чем другие средства повышения устойчивости, т. к. дозировка может быть выполнена непрерывной по величине, отсутствует обязательный в других случаях элемент дискретности (как, например, в случае отключения генераторов или форсировки, продольной компенсации).
Поскольку турбины допускают как кратковременную, так и длительную разгрузку система разгрузки тепловой станции состоит из устройства импульсной разгрузки предназначенного для сохранения динамической устойчивости энергосистемы, и устройства длительной разгрузки для сохранения статической устойчивости послеаварийного режима и создания необходимого нормативного запаса по пропускной способности передачи [1, с. 17].
Таким образом, требуемой величине разгрузки каждой турбины может быть поставлена в соответствие определенная амплитуда и длительность прямоугольного импульса, дополненная амплитудой и постоянной времени части импульса, снимаемой по экспоненциальному закону. Выбор сочетания амплитуды и длительности прямоугольного импульса для определенного значения максимальной разгрузки неоднозначен. Поэтому, ориентируясь на конкретные импульсные характеристики турбины, необходимо амплитуду и длительность прямоугольного импульса подбирать так, чтобы при достаточной скорости была бы обеспечена наименьшая погрешность в величине разгрузки при возможных погрешностях амплитуды и длительности импульса [2, с. 148].
Литература:
- Киракосов В. Г. Опыт внедрения устройств аварийного управления мощности паровых турбин / В. Г. Киракосов, Я. Н. Лугинский. — М.: Информэнерго, 1985. — 32 с.
- Барзам А. Б. Системная автоматика. М.: Энерrоатомиздат, 1989. — 446 с.: ил.
- Соловьев И. И. Автоматические регуляторы синхронных генераторов / Под ред. Н. И. Овчаренко. — М.: Энерrоиздат, 1981. — 248 с., ил.
