Статические системы пуска - останова газотурбинных и паротурбинных агрегатов тепловых электростанций

• Автор: Виницкий, Юрий Данилович
• Шифр специальности: 05.14.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 61 с.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Одним из важнейших направлений повышения эффективности энергетических установок по производству электрической и тепловой энергии является использование' на тепловых электрических станциях (ТЭС) газотурбинных (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ). Другим важнейшим направлением является техническое перевооружение и модернизация устаревшего оборудования ТЭС
Структура энергетики СССР, а впоследствии энергетики России, начиная с 70-х г.г. предполагает возрастающий перевод отдельных тепловых электростанций в режимы регулирования переменной части графиков нагрузки, что обусловливает частые пуски-остановы энергоблоков.
С увеличением единичной мощности энергоагрегатов и усложнением режимов работы энергооборудования проблема создания эффективных систем пуска-останова энергоагрегатов ТЭС становится актуальной научно-технической задачей, определяющей надежность работы энергоблоков в маневренных режимах.
Промышленная эксплуатация мощных энергетических ГТУ началась в 60-х г.г. за рубежом и в начале 70-х г.г. в СССР. Опыт эксплуатации ГТУ показал, что пуск, являющийся для ГТУ одним из важнейших эксплуатационных режимов, существенно влияет на ее технико-экономические показатели. Изучение и оптимизация пусковых характеристик ГТУ необходимы для сокращения затрат топлива и внешней энергии на запуск, повышения эксплуатационной надежности и готовности к работе ГТУ.
Специфическим отличием пусковых режимов ГТУ от пусковых режимов обратимых гидроагрегатов ГАЭС или мощных синхронных машин (СМ) приводов общепромышленных механизмов' является тесная взаимосвязь технологических операций, реализуемых при пуске тепловой автоматикой газовой турбины, с мощностными и регулировочными характеристиками пускового устройства ГТУ, что определяет необходимость объектной ориентированности пускового устройства.
В качестве пусковых устройств для первых ГТУ использовались в основном разгонные двигатели (РД) и пусковые паровые турбины (ППТ). Начиная с 1971 г., для этих целей наряду с применением РД стали использоваться статические пусковые устройства (СПУ), основным элементом которых является тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ), включаемый в цепь статора турбогенератора (ТГ) с целью создания на его валу электромагнитного момента. РД и ППТ являются индивидуальными пусковыми устройствами, тогда как одно СПУ может использоваться для поочередного пуска нескольких ГТУ.
Применение СПУ позволяет, наряду с возможностью оптимизации пусковых характеристик ГТУ, обеспечить выполнение ряда технологических режимов, связанных с вращением валопроводов агрегата в собственных подшипниках с переменной частотой, тогда как реализация таких режимов невозможна при использовании РД или ППТ и требует применения специальных технических решений.
В 1971-1974 г.г. фирмами SIEMENS и BROWN BOVERI были выпущены газовые турбины, пуск которых впервые обеспечивался с помощью СПУ (A.Haböck., Н.Hofmann Anfhrumrichter fur Gasturbinen- und Pumpspeichersatze, Siemens Z., 1974, №2, 96-102; Statische Hochlaufeinrichtungen fur
Pumpspeichwerke, Phasenschieber und Gasturbogruppen. Brown Boveri Mitt. 9/10, 1974, b. 61, 440-447].
За период 1974-1978 г.г. фирмой ВВС было поставлено свыше 60 комплектов ГТУ с СПУ для ТЭС. За это же время фирмой ВВС был сформулирован перечень технологических режимов, реализуемых с помощью

СПУ, и разработан мощностной ряд СПУ, требуемых для обеспечения пуска и работы с промежуточной частотой вращения газовых турбин производства фирмы ВВС. Были также решены вопросы проектирования ГТУ с СПУ . на электростанциях, а в 1979 г. - и вопросы взаимодействия СПУ с АСУ ТП энергоблока, поставляемого фирмой- ВВС комплектно со всем оборудованием [Peneder F., Suchanek V. Normierte Aniahreinrichturgen, Brown Boveri Mit. 9 (1978), band 65, 607-613; Kolb O., Peneder F., Suchanek V. Static starting equipment for Gas Turbosets, Brown Boveri Rev. 1979, 66, №2.]
В отечественной и зарубежной литературе к моменту начала внедрения ГТУ па отечественных ТЭС [1970 г. внедрение установки ГТ-25, 1972 г. -внедрение установки ГТ-35) и еще ряд лет спустя отсутствовал систематический анализ пусковых характеристик мощных энергетических ГТУ, не было научно обоснованных технических требований и рекомендаций по выбору типа, мощности, режимов работы пусковых устройств и систем, сравнительной оценки пусковых свойств ГТУ разного типа и средств их улучшения. В зарубежной литературе были опубликованы только номограммы для выбора величины мощности СПУ под конкретную турбину конкретной фирмы-производителя.
Как показали исследования Г.Г.Ольховского, А.И.Механикова и других ученых и специалистов в области газотурбостроения, известные теоретические методы расчета пусковых режимов ГТУ давали приемлемое совпадение с опытом только в случаях, для которых существовали ранее полученные экспериментальные характеристики элементов ГТУ или результаты испытаний прототипов [Ольховский Г.Г. и др. Исследование режимов пуска газотурбинной установки ГТ-35, Теплоэнергетика 1976, №8, стр. 57-60; Механиков А.И. Совершенствование пусковых характеристик энергетических ГТУ на основе их экспериментального исследования и математического моделирования, Автореферат кандидатской диссертации, М., 1986 г.].
Для пуска первых отечественных газовых турбин с начала 70-х г.г. использовались только РД и ППТ, отсутствовали многофункциональные пусковые устройства с перестраиваемыми параметрами, с помощью которых можно было бы проводить эксперименты по оптимизации пусковых характеристик ГТУ.
В конце 70-х г.г., в связи с началом проектирования мощной отечественной газовой турбины ГТЭ-150, выяснилось, что проблему пуска этой установки невозможно решить с помощью РД и ППТ и альтернативы использованию СПУ для пуска ГТЭ-150 не существовало.
Имеющаяся ограниченная информация о системах пуска ГТУ фирм ВВС, SIEMENS и др. производителей не позволяла экстраполировать технические решения этих фирм на отечественные ГТУ и их пусковые устройства в связи с различием в подходах отечественных и зарубежных конструкторов и изготовителей к конструкции компрессоров, проточной части газовых турбин и камер сгорания, различием температурных режимов работы элементов проточной части, а также различием в подходах к созданию АСУ ТП энергоблока с ГТУ.
Характеристики отечественных ТГ, их систем возбуждения и защиты также отличались от зарубежных и требовалось проведение специальных исследований и разработок по обеспечению их работы при переменной частоте вращения, изменяющейся в широких пределах.
В СССР использовались как одновальные, так и двухвальные ГТУ с разрезным валом и компрессорами и камерами сгорания на каждом валу. Пуск двухиальных ГТУ производился только от ППТ со стороны вала высокого давления, что создавало проблемы обеспечения пара для работы ППТ на газотурбинных ТЭС (Ивановская ГРЭС, ГРЭС-3 Мосэнерго). Технология пуска таких ГТУ со стороны вала низкого давления, на котором располагался ТГ, с использованием СПУ не была разработана. Для обеспечения пуска и в этом

В соответствии с этой структурой оптимизатор: формирует кривую задания электромагнитного момента М*, соответствующую требуемой пусковой характеристике агрегата; задает закон изменения потока возбуждения фе* (пуск с током возбуждения, равным току возбуждения холостого хода, пуск с ослаблением поля возбуждения ), а также закон изменения частоты напряжения питания ротора- в функции частоты вращения валопровода агрегата ~ Цо>)- В такой структуре оптимизатор может быть настроен на формирование оптимальной динамической характеристики, например, в нашем случае, на минимизацию времени пуска.
При этом пусковой момент должен быть максимально большим, тогда как величины токов статора и ротора должны быть минимизированы с целью разгрузки преобразователей частоты.
Один из возможных вариантов закона управления может быть сформирован следующим образом;
• первый канал управления обеспечивает поддержание заданного закона изменения величины электромагнитного момента;
• второй канал управления поддерживает 1]х = 0, что означает, что пуск проходит при минимальном значении тока статора;
• третий канал управления поддерживает заданный закон изменения магнитного потока в воздушном зазоре СМ;
• четвертый канал управления формирует ток = 0, что означает, что магнитный поток создается только составляющей тока ротора г'2х = /2.
4.Принципы построения объектно-ориентированных ТПОУ [ 1, 3, 6, 8, 9, 11т 13, 21-52, 69-71 ].
Анализ требований к ССПО позволил сформулировать нижеследующие принципы построения объектно-ориентированных ТПОУ:
• ТПОУ всех типоисполнений по мощности и по напряжению должны создаваться на основе унифицированных тиристорных модулей.
• ТПОУ должно обеспечивать во всем диапазоне изменения частоты вращения от неподвижного состояния до заданной жесткую зависимость работы инвертора ТПОУ от углового положения ротора генератора при использовании только электрических способов получения информации о взаимном расположении магнитных осей статора и ротора.
• ТПОУ должно обеспечивать пуск турбоагрегата из неподвижного состояния или из состояния вращения валоповоротным устройством в строго заданном направлении с максимальным вращающим электромагнитным моментом независимо от параметров разгоняемого ТГ.
» Должна быть обеспечена эффективная управляемость инвертора ТПОУ при различных технологических алгоритмах пуска-останова в условиях изменения частоты вращения, напряжения статора и тока ротора независимо от параметров ТГ, как при непосредственном подключении ТПОУ к ТГ различного типа с различными параметрами, так и при подключении ТПОУ к турбогенератору через трансформатор.
• ТПОУ должно обеспечивать регулирование технологических параметров -частоты вращения, электромагнитного момента и мощности - с использованием только электрических способов получения информации по электрическим переменным (токам и напряжениям ТПОУ).
• ТПОУ должно обеспечивать реверс мощности и электромагнитного момента в соответствии с требованиями технологического алгоритма.