ассмотрени результати розробки математичної моделі первинних двигунів, що дозволяє без декомпозиції з високою (кой достовірністю моделювати всі види і типи первинних двигунів з детальним урахуванням різноманітних систем регулюються (вання котлоагрегатами і турбінами. Наведено відомості про апробацію та практичне використання результатів.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Гусєв А. С., Свічкарьов С. В., Плодістий І. Л.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2005
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Математична модель первинних двигунів синхронних генераторів'

    Текст наукової роботи на тему «Математична модель первинних двигунів синхронних генераторів»

    ?УДК 621.311.001

    МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ПЕРВИННИХ ДВИГАТЕЛЕЙ СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

    А.С. Гусєв, С.В. Свічкарьов, І.Л. Плодістий

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто результати розробки математичної моделі первинних двигунів, що дозволяє без декомпозиції з високою вірогідністю моделювати всі види і типи первинних двигунів з детальним урахуванням різноманітних систем регулювання котлоагрегатами і турбінами. Наведено відомості про апробацію та практичне використання результатів.

    Одним з найбільш складних елементів сучасних електроенергетичних систем (ЕЕС) є первинний двигун (ПД) електричних синхронних генераторів, яким зазвичай служить гідравлічна або парова турбіна зі своїми системами регулювання. В останньому випадку до складу ПД входить також парогенератор з властивими йому системами регулювання та допоміжним обладнанням (котлоагрегат).

    Відома специфіка енергосистем зводить до мінімуму можливість отримання інформації про процеси в устаткуванні і ЕЕС натурних шляхом, а їхня надзвичайна складність значно обмежує застосування фізичного моделювання. В результаті основним способом отримання інформації, необхідної для проектування, експлуатації та розвитку ЕЕС, виявляється математичне моделювання.

    Динаміка первинних двигунів істотно впливає на нормальні і аварійні процеси виробництва, розподілу і споживання електроенергії. Тому вимога до рівня адекватності математичної моделі ПД постійно зростає.

    Застосовувані в різних програмах розрахунку процесів в ЕЕС математичні моделі первинних двигунів вельми спрощені і відображають певний узагальнений ПД. В результаті достовірність інформації, отриманої при моделюванні, виявляється низькою. Використання такої інформації при проектуванні і експлуатації енергоблоків і ЕЕС в цілому прямо або побічно стає причиною неправильної настройки систем регулювання, протиаварійної автоматики і нерідко призводить до важких аварій. У зв'язку з вищевикладеним поставлена ​​задача розробки математичної моделі ПД, що дозволяє досить точно моделювати будь-якій його конкретний тип.

    Рішення поставленого завдання ускладнене тим, що в даний час в ЕЕС знаходиться в експлуатації безліч різних типів турбін і котло-агрегатів з різноманітними системами та законами регулювання. Хоча передавальні функції окремих елементів і ланок цього обладнання відомі, розробка цілісної математичної моделі для конкретного типу обладнання і компонування ПД виявляється унікальною. Це підтверджується численними дослідженнями особливостей і специфіки роботи парогенераторів з

    прямоструминними і барабанними котлоагрегатами, застосовуваних систем і законів регулювання цими агрегатами, конденсаційних турбін, в тому числі з проміжним пароперегревом, турбін з протитиском, турбін з промисловими і теплофікаційними відборами пара, гідротурбін і різноманітних систем регулювання перерахованими турбінами [1-5], які показують наявність у них як загальних, так і принципово відрізняються властивостей. Таким чином, математична модель навіть самого складного первинного двигуна не включає в себе більш прості, і її розробка не вирішує завдання в цілому. Отже, постає завдання розробки математичної моделі для кожного істотно відрізняється типу ПД. При цьому необхідно враховувати для кожного виду первинного двигуна тенденції їх модернізації, в тому числі можливість значних змін.

    Безліч складних математичних моделей, в яких, не дивлячись на істотні відмінності, є і загальні фрагменти або порівняно просто адаптуються, є не оптимальним і не зручним для практичного використання. Тому виникає ще й завдання синтезу, на основі розроблених для кожного виду і типу ПД математичних моделей, універсальної моделі.

    Опускаючи проміжні результати аналізу, розробки і синтезу нижче наводиться кінцевий результат вирішення поставленого завдання. Найбільш наочною і вихідною формою складної динамічної моделі для всіх можливих методів, способів і засобів розрахунку є операційна схема, яка не тільки ілюструє математичний зміст моделі, а й показує структуру об'єктів, що моделюються, що дозволяє легко орієнтуватися в ній і адаптувати її для конкретних цілей. Така операційна схема розробленої математичної моделі первинних двигунів представлена ​​на рис. 1, де відповідними передавальними функціями відображені: КЗМ - завантаження енергоблоку, що визначає в регуляторі потужності (РМ) задається енергоблоку потужність Рзд; Кау - рівень по-слеаварійной розвантаження (довантаження) енергоблоку ± ДРПАУ, що впливає через РМ і через електро-гідравлічний перетворювач (ЕГП);

    Р_ = К їм

    РГ 1 + Тім Р

    - вимірювач потужності синхронного генератора (СГ);

    Кі

    юдч 1 + Т чк Р

    1 + Т Р

    зд-г

    - ланка динамічної корекції МДК РМ; Кдр - канал корекції МДК РМ по тиску свіжої пари;

    Рр

    кр

    До і

    -^ Мут * А

    рм

    1

    Рд

    1 + Тмута Р

    1 + Т І ч Р + Т Іч Р 2

    - вимірювач швидкості обертання турбіни;

    Ю1чК _ Т1ЧКР

    юд

    1 + Т1ЧК Р

    де: ДР АІР = таг - частина ДРдір, що знімається за експоненціальним законом Таїр = УАГ;

    - частотний коректор повільно діючої контуру (МДК) РМ;

    РДд_ ТЗД Р

    Р К

    1 ЕГП _ -''- ЕГП

    Р 1 + Т р

    1 ДЕ ^ 1 ЕГП І

    - загальний канал ВДК РМ;

    До РС =

    1

    РДЕ 1 + ТРМ Р

    - загальний канал МДК РМ; КРДС - загальний канал регулювання потужності конденсаційних турбін в режимах на ковзному тиску пара і регулювання тиску пара перед турбіною «до себе», включаючи стерегущий режим, а також регулювання потужності турбін з протитиском, турбін з промисловими і теплофікаційними відборами пара; Карчма - багатофункціональне управління, в тому числі для відтворення системного АРЧМ;

    - механізм управління турбіною; КП і КНКН - канал початкової динамічної корекції нерівномірності швидкодіючого контуру (ВДК) РМ, за допомогою якого через ЕГП формується коригувальний вплив РНК з обмеженням, відповідно до рівняння РНК = (РЕ-1ПрПП) 1НКН, де: РЕ - потужність СГ, а РПП - тиск пара за проміжним пароперегрівом; КСКН - статична корекція нерівномірності ВДК РМ;

    РДМ = 1 + ТДМ Р

    Рд 1 + ТДМ Р

    - ланка динамічної корекції ВДК РМ; КПА -динамічна корекція ВДК РМ;

    юіч = _______ Кіч ________

    ю 1 + Т Іч Р + Т Іч Р 2

    - вимірювач швидкості обертання турбіни; корекція ВДК РМ;

    ®іч До ич

    - регулятор швидкості (РС), де: а = УАГ - статизм; Кю - завдання уставки Ю0 РС;

    мп = 1

    р, 1 + ТЛР

    - проміжний золотник регулятора турбіни; ± КРДВ і ± КРДН - канали акцентного управління регулюючими клапанами (РК) частини високого тиску (ЧВД) і частини низького тиску (ЧНД) турбіни з промисловими і теплофікаційними відборами пара при здійсненні пов'язаного регулювання, що забезпечує автономність управління швидкістю обертання турбіни і тиском; До ,, і КЩ - коефіцієнти передачі каналів акцентного управління РК ЧВД і ЧНД турбіни по швидкості обертання;

    Л ™ = 1

    Мзво 1 + Тзво Р

    - відкриття вікон золотника сервомотора РК ЧВД;

    МВО = _1_

    М * у Тво Р

    - переміщення поршня сервомотора РК ЧВД на відкриття;

    1

    Мзвз 1 + Тзвз Р

    - закриття вікон золотника сервомотора РК ЧВД;

    МВВ _ 1

    - динамічна частотна корекція ВДК РМ; КР - багатофункціональне управління розвантаженням через ВДК РМ, в тому числі протиаварійного автоматичного імпульсної розвантаженням (АІР), що здійснюється шляхом функціонального зміни КР, що забезпечує формування:

    ін = ін (0). е

    ^ АІР ^ АІР з

    М * вз ТВЗ Р

    - переміщення поршня сервомотора РК ЧВД на закриття;

    М, з = 1

    МЗСО 1 + Тзсо Р

    - відкриття вікон золотника сервомотора РК частини середнього тиску (ЧСД) або ЧНД, або їх узагальнення, яке зазвичай також позначають ЧНД;

    Мсо = _ ± _

    М, з ТсоР

    - переміщення поршня сервомотора РК ЧСД, ЧНД на відкриття;

    1

    Моз сз 1 + Тз сз Р

    - закриття вікон золотника сервомотора РК ЧСД, ЧНД;

    ю

    ЧК

    ст

    ю

    ДРТ

    ДРТ

    Тіз Р

    1+

    № р

    диз 1

    Т "0 р

    До "

    Т, Р

    Дот11 г

    _У дт11

    Тс0 Р

    1 + ТЗС

    ,^ г

    ТСЗ Р

    1 + ТЗС

    1

    1 РС

    до

    До ЕГП

    1 + Т ЕГП Р

    1 ®ДЧ Г1ЧК Р й ^ ЧК

    / Чк 1 + Тчк Р

    /

    -0-

    До

    ДР

    КЧК Р Т "Р РДД ^

    1 + Тчк Р ^ ЧК? 1 + Т3 ^ Р 1 ^

    До,

    кп

    ± ДР

    - 1 п /

    ?11 12 'г

    -ч2>

    до "

    1 + Тім Р

    рии

    До

    1 Дш, ДТХ Г < 4 Г Д *

    1 + Т == ° р д = 3 V:

    1 ДГ

    1 + Т ™ Р і

    Кп

    <%) *-

    ± К ,

    РБ

    Кп

    1

    1 + Т мутР

    1 РДХ КРМ Р рм / С 15

    1 + ТРМ Р

    До

    до "

    1 + Т .мР

    1 + т "Р

    Кп

    • € ь

    а®8 2 X "Кнкн Р ^ НК г Р 1 НКН .

    До ",

    кр

    1 + Т "Р

    До "

    КВ1

    Дрр1

    ДР>,

    1

    ± К

    1

    1

    1

    1

    1

    1

    Р

    Р

    Р

    Р

    Р

    Д

    Р

    Р

    Р

    Мал. 1. Функціональна операційна схема математичної моделі первинних двигунів

    Т р

    СГ

    РПП

    Дпп

    тпп р

    - проміжний пароперегрівач, де: ДПП-витрата пара через пароперегрівача; Дв - витрата пара через ЧВД, що дорівнює добутку 4 на відповідний тиск пара, в залежності від типу турбіни і режиму роботи згідно функціональної операторної схемою, або витрата води при моделюванні гідротурбіни, що дорівнює добутку 4 (ступінь відкриття засувки направляючого апарату) на ^ 1 + Д , відповідно до закону витікання рідини через засувку, де: Нв - відносне перевищення напору води перед засувкою направляючого апарату, яке визначається з урахуванням явища гідроудару (ГУ) передавальної функцією [3]

    Ред 2'І - ^ Р

    Дв 1 + ^ 1г р '

    Ау

    2 Н

    ударна характеристика водоводу,

    8

    а - швидкість поширення хвилі ГУ, V- швидкість потоку води, Ні - номінальний напір води,

    21

    тг =----

    а

    - фаза ГУ для трубопроводу довжиною Ь;

    Д ™ = 1

    Дв 1 + Твд Р

    - парової обсяг ЧВД, де: ДВД - витрата пара через цей обсяг; КВД - частка потужності і відповідно моменту турбіни (МТ) за рахунок ЧВД; КСД - частина частки потужності і відповідно МТ за рахунок ЧСД;

    дід

    Дс

    1

    1 + Т р

    сд-Г

    - переміщення поршня сервомотора РК ЧСД, ЧНД на закриття; Кожвен і КОЖС - коефіцієнти жорсткої негативного зворотного зв'язку систем управління РК ЧВД і ЧСД, ЧНД, відповідно;

    В * = Т Р ь 1 + т; р

    - гнучка негативний зворотний зв'язок системи управління засувкою направляючого апарату гідротурбіни, функції якої в цьому випадку покладаються на систему управління РК ЧВД з відповідними змінами параметрів передавальних функцій, а аналогічна система ЧСД, ЧНД при цьому не використовується; 4 - ступінь відкриття РК ЧВД парової турбіни або засувки направляючого апарату гідротурбіни; ± К, зд - багатофункціональне завдання попереднього положення РК ЧВД, засувки направляючого апарату або різного роду впливів, що обурюють типу брязкоту і ін .; 4 - ступінь відкриття РК ЧСД, ЧНД парової турбіни; ± К; зд - багатофункціональне завдання попереднього положення РК ЧСД, ЧНД або різного роду впливів, що обурюють і ін .;

    1

    - еквівалентний парової обсягу ЧСД, розташований за контуром промперегрева, де: ДСД - витрата пара через цей парової обсяг, Дс ​​- витрата пара через ЧСД, що дорівнює добутку ос на відповідний тиск пара згідно функціональної схемою; Кс - частка потужності і відповідно МТ за рахунок ступенів ЧСД, розташованих за вказаними вище еквівалентним паровим об'ємом;

    ДНС = 1

    ДСД 1 + ТНС Р

    - еквівалентний парової обсяг, розташований за РК ЧНД, де: ДНС - витрата пара через ЧНД; КНС-частка потужності і відповідно МТ за рахунок ЧНД; КМГ - багатоцільове управління, зокрема для моделювання різного роду збурень, а також обнулення моменту гідротурбіни МГ = АМГД »(1 + Д,), при моделюванні парової турбіни; КМО - відтворення різноманітних адитивних збурень МТ; Kп ', Кр1-! Kpi ?, Кча-! ^ ^ О'KДо, KД, KДв, КПП -

    багатофункціональні коефіцієнти, що дозволяють, зокрема, задавати тип і режим роботи моделируемого первинного двигуна:

    Рк = _ ± _

    ВДК ТКР

    - парогенератор (котел (КА)), де: 0дК - кількість тепла, необхідне для виробництва витрачається кількості пара Дд з тиском рК;

    Яд_ Д д

    ДД

    до т

    1 + Тт р

    бдт

    - тракт подачі палива, де:

    кт

    1 + Тт р

    - топка;

    РДК = ТДК р

    Р 1 + Т Д до Р

    ДК /

    - динамічна корекція контуру регулювання виробленого КА тепла по тиску; КДР - пропорційна частина пропорційно-інтегрального (ПІ) регулятора палива (головного регулятора) КА;

    дд

    ДДР Т гр р

    - інтегральна частина ПІ - регулятора палива КА;

    до

    -вудь = ^ ір

    Дс

    кс

    1 + Т СН р

    - корекція продуктивності КА через зміну режиму роботи обладнання власних потреб, обумовленого відхиленнями частоти од; КДЗ - завдання паропродуктивності ДЗД КА і її зміни Д ^; КРМД - канал РМ управління продуктивністю КА; До $ - перепад тиску пара перед турбіною, який визначається рівнянням

    1

    і

    д

    Мал. 2. Процес протиаварійного розвантаження енергоблока 800 МВт Сургутської ГРЕС-2, де: МТ - момент турбіни, РГ - активна потужність генератора, Delta - взаємний кут генератора

    ДРГ = К ^ Д2 порівняно з тиском на виході КА рК, де: Д - витрата пара через турбіну;

    рт _ Ккт

    РКТ 1 + ТКТ Р

    - паропровід між КА і турбіною; Крт - узагальнений вимірювач тиску пара перед турбіною; КРЗ - завдання тиску пара перед турбіною; КДІ - узагальнений вимірник витрати пари через турбіну;

    Ддд _ КДД

    ДДП 1 + ТДД Р

    - зміна споживання пара з колектора внаслідок будь-яких збурень у споживача ДДП; КПТР - взаємозв'язок між зміною тиску в колекторі ДрРВК і відхиленням витрати пари ДД; Крк - завдання уставки тиску в колекторі РКО; КДЛ - загальний канал головного ПІ-регулятора КА; КРВ - пропорційна частина ПІ-регулятора тиску КА;

    РРВ _ КРПК

    рдс ТРПКР

    - інтегральна частина ПІ-регулятора тиску КА.

    Синтезована модель враховує практично всі основні процеси в первинних двигунах, в результаті чого значно підвищується точність моделювання динамічного балансу генерується і споживаної потужності в ЕЕС, а, отже, процесів зміни частоти і перерозподілу генерації між енергоблоками і електростанціями з урахуванням їх коливальної стійкості. Значно точніше відтворюються динамічні переходи, пов'язані з протидії-

    аварійної розвантаженням енергоблоків, що дозволяє більш достовірно оцінювати динамічну стійкість ЕЕС і оптимально налаштовувати засоби протиаварійної автоматики.

    Адекватність розглянутого моделювання різних видів і типів первинних двигунів підтверджені результатами його використання в складі створених в НДЛ «Моделювання ЕЕС» гібридних моделюючих комплексів, зокрема для ВАТ «Тюменьенерго», на якому проведені успішні дослідження протиаварійного розвантаження енергоблоків Сургутских ГРЕС-1 і ГРЕС-2 [6]. Фрагмент цих досліджень ілюструє рис. 2.

    Слід також відзначити велике значення розглянутого моделювання первинних двигунів для створення надійних і ефективних Отладочная-тренажерних комплексів АСУТП енергоблоків [7].

    висновки

    1. Розроблена математична модель первинних двигунів синхронних генераторів дозволяє адаптувати її для моделювання всіх видів і типів використовуваних первинних двигунів з урахуванням їх систем і законів регулювання.

    2. В отриманій математичній моделе первинних двигунів відображені всі значущі елементи обладнання, що служить об'єктивної гарантією підвищення рівня адекватності моделювання.

    3. Основні результати розробки підтверджені практикою їх використання при експлуатації гібридних моделюючого комплексу Тюменської енергосистеми.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Сєров Е.П., Корольков Б.П. Динаміка парогенераторів. - М .: Енергія, 1972. - 416 с.

    2. Плетньов ДП., Штробель В.А., Мухін В.С. Дослідження систем автоматичного регулювання потужності парогенератора і турбіни в режимі регулювання частоти // Теплоенергетика. - 1972. - № 11. - С. 55-57.

    3. Стернінсон Л.Д. Перехідні процеси при регулюванні частоти і потужності в енергосистемах. - М .: Енергія, 1975. -216 с.

    4. Рабинович Р.С., Полонська М.А. Моделі теплових електростанцій для розрахунку тривалих електромеханічних перехідних процесів в енергосистемах // Електрика. - 1983. - № 3. - С. 11-19.

    5. Бушуєв В.В. Динамічні властивості електроенергетичних систем. - М .: Вища школа, 1987. - 122 с.

    6. Гусєв А.С., Свічкарьов С.В., Плодістий І.Л. Гібридний моделює комплекс ЕЕС: результати розробки, дослідження і дослідної експлуатації // Енергетика: управління, якість і ефективність використання енергоресурсів: Зб. праць III Всеросс. науково-техн. конф. з міжнародною участю в 2 т. - Благовєщенськ: Вид-во АмГУ, 2003. - Т. 1. -С. 216-222.

    7. Гусєв А.С., Свічкарьов С.В., Плодістий І.Л. Гібридний моделює комплекс для налагодження АСУ ТП енергоблоків і тренаж персоналу // Електроенергія і майбутнє цивілізації: Матер. Міжнар. науково-техн. конф. - Томськ: Томський державний університет, 2004. - С. 327-328.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити