Введение к работе
Одним из важнейших требований, которые предъявляются в настоящее время к энергетическим объектам, и в первую очередь к электрическим станциям, является всемерное повышение экономичности их работы. Это вызвано сравнительно низкой эффективностью использования огромных объемов энергоресурсов, затрачиваемых для выработки электроэнергии, что объясняется несовершенством их оборудования и режимов его работы.
Именно поэтому совершенствование ресурсосберегающих технологий выработки электроэнергии и улучшение режимов работы оборудования электростанций является чрезвычайно актуальным.
Все это в полной мере касается и гидростанций, хотя, по сравнению с другими типами электростанций, они и обладают большей экономичностью.
В первую очередь требуется повысить экономичность гидроэлектростанций , работающих с резкопеременными напорами, к кото- рым относятся гидроаккунулируюшие и приливные станции, гидростанции с отбором воды на ирригацию,каскадные ГЭС, а также строящиеся ГЭС в период наполнения их верхнего, водоема. Необходимость работы этих станций с переменными напорами вызвана как принципиальными их особенностями, так и необходимостью вынужденного выбора и использования уже менее эффективных створов и строительных площадок сооружаемых объектов гидроэнергетики.
Кроме того, необходимо разработать эффективные меры по предотвращению огромных] народно-хозяйственных ущербов от недоот-пуска электроэнергии в результате системных аварий.
Решение этих проблем с помощью традиционного подхода к выбору и проектированию основного оборудования ГЭС (в первую очередь турбин и генераторов) оказывается малоэффективным
Этой проблемой начиная с 70^х годов начали заниматься в бывшем СССР, а также в таких странах, как Канада, Швеция, Швейцария, Великобритания, США и Япония. О серьезности подобных исследований свидетельствует тот факт, что в США в одном из отделов НИИ энергетики создана специальная лаборатория посвященная этой проблеме.
Вопросами повышения экономичности ГЭС в разное время занимав
лись такие ученые, как Ботвинник М.М., Шакорян Э.Г.Дмитриев С.Г. Поташник СИ. ,Пиковский А. В., Блоцкий Н .Н. ,Веремеенко И. Г., Виссариоонов В.И., Бендиткис Л.М., Федоров М.Ф., а также зарубежные ученые Л.Шелдон, С.Хаяси.И.Иокояма, Ю.Китабасари, Т,.Кикути, П.С .Хугес.Р .Наир.И.НаЙду, Р.М.Матхур, К.Фарелл, Э.Гулливер, Ченг Ланг-юн и др.
Анализ работ приведенных авторов показал, что большинство из. них посвящены главным образом применению в схемах ГЭС асинхронизировг ных синхронных генераторов, а в отдельных работах рассматриваются, как правило, вопросы повышения экономичности конкретных гидростанций с агрегетами сравнительно небольшой мощности. Но даже таких работ опубликовано крайне мало.
До настоящего времени нет четко изложенных и обобщенных науч ных основ управления технологическими процессами работы агрега'тов гидростанций" с переменными напорами, которые позволили бы существенно повысить их эффективность. Создание такого научного обобщения на базе широких исследований, проведенных в первуя очередь для гидротурбин и генераторов отечественного производства является исключительно актуальной задачей и имеет важное прикладное значение.
Выполненные в работе исследования дают возможность по-новому определить принципи управления технологическими процессами гидроэлектростанций, по сравнению с традиционными, что в свою очередь позволяет по-новому подойти к проектированию намеченных к сооружению ГЭС и к модернизации старых станций, оборудование которых уже выработало свой ресурс. По мнению автора такой подход приводит к появлению в них некоторых новых качеств, которые несвойственны традиционным ГЭС Необходимо при этой учитывать, что гидроагрегат является сложный объектом исследования и к его физическим и. математическим моделям ставятся особо высокие требования, <так как - они должны отличаться достаточной универсальностью и высокой эффективностью. .
Настоящая работа выполнялась в соответствии с Постановлением Президиума АН УССР N 311 от 22.07.1986 г о включении ее в "Республиканский план важнейших НИР в области общественных и
стественных наук до 2000 года", письмом Киевэнерго N 30/56-520 от :5.08.87 г "0 разработке схемы электрической части а^сперименталь-ого блока генератор-преобразователь частоты - трансформатор для невской ГЭС".Координационным планом по Комплексной проблеме Научные основы электроэнергетики на 1991-2000 годы" (протокол N 8 т 16.09.1990 года), протокола совещания по вопросу реконструкции невской и Каневской ГЭС для работы в режиме ГЭС - ГАЭС от 7.01.87г. утвержденного Министром Энергетики Украины, а также ешением ВНТС от 16.09.1988 г. "0 состоянии и перспективах, азвития гидроэнергетики и научно-техническом прогрессе в проек-ировании и строительстве важнейших гидроэнергетических объектов"
- Целью работы является разработка научных методов управления ехнологическини процессами гидростанций с переменными напорами, эзволяюших повысить эффективность их. работы, что имеет большое чачение для экономии энергоресурсов Украины.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить педующие задачи:
разработать методический аппарат сравнительного анализа харак-гристик гидроагрегатов для всего диапазона- изменения их рабочих шоров;
исследовать степень влияния отдельных параметров технологичес-IX процессов на эффективность работы обратимых гидроагрегатов,-
выполнить сравнительный анализ эффективности работы различных шов гидротурбин при изменении их отдельных режимных параметров;
определить метод управления параметрами технологических провесов выработки электроэнергии и "Закачки воды" на гидростанциях, іботагощих с переменными напорами и предложить эффективные спосо-I его реализации;
определить наиболее целесообразные электромеханические маши-i-вентильные'системы для энергоблоков ГЭС с переменными напорами, зработать алгоритмы оптимизации их параметров;
исследовать влияние предлагаемых систем на качество вырабаты-емой электроэнергии, на механическую прочность и на устойчивость боты агрегатов ГЭС и энергосистемы в целом;
оценить эффективность предлагаемых решений.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решаются с помощью методов анализа модельных характеристик гидротурбин и насс сов, методов теории подобия, обшей теории гидронашин и теории коле бании.
Анализ электромеханических машино-вентильных систем- проведен с помощью аналитических методов теории электрических машин, методов оптимизации, (наискорейшего- спуска, последовательного перебора с элементами релаксационного поиска) и методов теории силовых преобразовательных устройств.
Исследование электромагнитных и электромеханических процессов выполнено с помощью цифрового моделирования с использованием .методов декомпозиции, итеррации Ньютона, инверсии дифференциальных уравнений, численного их интегрирования методом Кутта-Мерсона и не тодом гармонического анализа, аналитических методов теории автоматического регулирования и аппарата графов и матриц.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций под
тверждена экспериментальными исследованиями при лабораторних и
натурных испытаниях. ,
На зашиту выносится.-
кетод сравнительного анализа энергетических, кавитацион-ных и вибрационных характеристик гидротурбин;
систематизированные и обобщенные результаты их исследований
для всех типов гидротурбин отечественного производства широкого ди
апазона мощностей и напоров; ' ; 4
принцип управления технологическими процессами гидроагрегатов ГЭС с переменными напорами, обеспечивающий наибольшую эффективность их работы;
комплекс решений по'выбору наиболее,эффективных методов реализации переменной частоты вращения гидроагрегатов и структур
ЭНерГОбЛОКОВ ГЭС;
методы и алгоритмы оптимизации параметров и конструкций различного типа гидрогенераторов, обеспечивающих предлагаемый принцип управления технологическими процессами выработки электроэнергии и -Закачки воды" на Г АЭС, ГЭС и ПЗС;
математические модели и результаты исследования анализа
качества электроэнергии и переходных процессов в электромеханических машино-вентильных системах, работающих по схеме "синхронный генератор + тиристорный преобразователь + трансформатор + система" в нормальных и аварийных режимах;
стратегия и алгоритм регулирования параметров агрегатов энергоблоков ,- работающих с переменной частотой вращения ;
результаты расчета знерго-экономической эффективности перевода агрегатов ГЭС в режим с переменной частотой вращения.
Научная новизна работы. Впервые выполнен комплекс теоретических исследований эффективности различных типов гидротурбин отечественного производства, предназначенных для гидростанций, работающих с переменными напорами при изменении различных параметров их режимов.
На основе теоретического обобщения результатов исследования предложен принцип управления технологическими процессами гидроагрегатов, которые обеспечивают повышение»их эффективности при работе. шк в турбинном, так и в насосном режимах.
Предложены Наиболее целесообразные методы реализации пере
менной частоты вращения гидроагрегатов и структуры энергоблоков,
эбеспечивающие необходимые показатели качества электроэнергии на
линах ГЭС. «
Сформулирована постановка задачи и реализован выбор оптималь-чой конструкции генераторов для блоков с переменной частотой зращения, даны алгоритмы оптимизации отдельных их параметров.
Созданы цифровые модели, описывающие предложенные структуры энергоблоков ГЭС и систем их.регулирования. С их помощью подтверя-аены качественно новые возможности повышения устойчивости энерго-. :истем при использовании новых принципов упрарления технологичес-сими процессами гидроагрегатов.
Подтверждена электромагнитная совместимость предложенных ггруктур блоков ГЭС, ГАЭС и ПЭС с электрическими системами.
Разработана стратегия регулирования- блоков с преобразователями 4астоты в цепи статора гидрогенератора, обеспечивающая полный комплекс режимов работы гидроагрегатов.
Исследована энерго-экономическая эффективность работы
различных типов гидростанций при переводе их агрегатов в режим с переменной частотой вращения.
Практическая ценность работы заключается в решении комплекса вопросов, позволяющих проектировать и строить гидростанции, предназначенные для работы с переменными напорами, в том числе и с реверсивными режимами гидротурбин, которые будут иметь более высокую эффективность работы, по сравнению с аналогичными существующими станциями.
Предложенные методы позволяют производить расчетно-теоретичеі кие исследования выбора рациональных решений в части необходимого диапазона изменения частоты вращения гидротурбин как в турбинном, так и в насосном режимах, наиболее целесообразной структуры знергс блока, силовых схем преобразовательных агрегатов, фильтрокомпен-сируюших устройств и систем управления агрегатами энергоблоков широкого диапазона мощностей.
Предложенные принципы управления технологическими процессами ногут быть осуществлены на действующих ГЭС, ГАЭС и ПЭС путем модеї низации их блоков при замене генераторов выработавших свой ресурс, что позволяет повысить их эффективность при сравнительно небольпш затратах и сроках ее выполнения.
Разработанные алгоритмы оптимизации конструкций гидрогенератс ров позволяют произвести разработку необходимых машиновентильных систем для новых структур энергоблоков, а предложенная стратегия регулирования блоков с вентильными вставками в статорных цепях гераторов может служить основой для разработки технических условий проектирования конкретных систем регулирования агрегатов энергоблоков.
Цифровые модели для исследования электромагнитных и электррме ханических процессов могут быть использованы заводами-изготовителями оборудования гидростанций для выбора параметров гидрогенераторов, а также уставок регуляторов агрегатов энергоблока при осуществлении реальных проектов ГЭС для реальных энергосистем.
Предложенный метод оценки энергр-экономической эффективности новых принципов управления технологическими процессами ГЭС может быть положен в основу составления ТЭО на проектирование конкретных
новых гидроэнергетических объектов.
Реализация результатов работы. Научные результаты работы, методики и результаты аналитических и экспериментальных исследований рекомендованы Минэнерго Украины.проектному институту "Гидропроект" для использования их при проектной проработке вариантов модернизации блока N 3 Киевской ГАЭСа также использованы в проектном обосновании на поставку оборудования Тери ГЛЭС, и при разработке проектов реконструкции Снятинской и Низовской ГЭС и при разработке схемы использования малых ГЭС реки Тиссы.
Теоретические положения работы проверены при проведении натурных испытаний на гидроагрегате N 14 Киевской ГЭС. Режим переменной частоты вращения агрегатов предусматривается на строящейся . Каневской ГАЭС.
По результатам работы на кафедре электрических станций и электроснабжения Харьковского инженерно-педагогического института, введен раздел в цикл лекций по курсу "Электрическая часть станций и подстанций" для студентов специальности Оз.Оі.Оі, lO.Oi и 10.04.
Апробация работы. Основные результы работы и ее отдельные положения докладьшались: на Всесоюзной научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (Баку, 1982 г.), втором межведомственном научно-техническом совещании по проблемам электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей (Таллин,1982 г.), YI Всесоюзной научной конференции по электроприводу переменного тока с полупроводниковыми преобразователями (Свердловск,1983 г.) іХ Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (Алма-Ата,1983г. з . на Ш Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам преобразовательной технике (Киев, 1983 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт проектирования и строительства объектов Южно-Украинского энергокомплекса и перспективы создания энергокомплексов" (Ленинград,1984 г.), на республиканской научно-технической конференции "Коммутация-84". (Харьков,1984 г.), на III Всесоюзной научно-технической конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1984 г.), на iy Всесоюзной научно-технической конференции по проблейам преобразовательной
техники (Киев, 1987 г.), на Всесоюзной научно-техническом совещании по состоянию и перспективам развития гидроэнергетики (Ленинград, 1988 г.), на Республиканской научно-технической конференции по перспективам развития энергомашиностроения на Украине (Харьков, 1988 г.), на Ш Всесоюзной научно-технической
КОНфереНЦИИ ПС Проблемам НеЛИНеЙНОЙ ЭЛеКТрОТеХНИКИ (КИЄВ, 1988 г.),
на Республиканском научно-техническом семинаре по математическому моделированию и вычислительному эксперименту турбоустановок в процессе исследования,, проектирования, диагностироЪания и безопасность Функционирований (Змиев, 1991 г.), на Всесоюзном научно-техническое совещании по будущему гидроэнергетики и основным направлениям создания гидроэлектростанций нового поколения (Дивногорск,
1991 г.).
Публикации. Результаты отражены в 36 публикациях, і о отчетах о научно-исследовательских работах. Приоритет новых технических решений, отраженных в диссертации, защищен 4 авторскими свидетельствами.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,6 глав, заключения, приложения и содержит зз страницы. В общий объем работы входит 106 рисунков, 46 таблиц, библиография из 143 наименований отечественных и зарубежных источников.