книги из ГПНТБ / Усов С.В. Основы эксплуатации электрических станций конспект лекций

В условиях эксплуатации определение зоны нежелательной нагрузки по условиям кавитации несложно, так как наложе­ ние множества кавитационных ударов приводит к появлению грохочущего звука и кавитационный режим турбины легко оп­ ределить на слух.

Существуют также экономические ограничения диапазона регулирования гидротурбин, которые определяются характе­ ром изменения потерь в них при изменениях нагрузки.

Наглядно эти изменения видны на кривых к. п. д. турбин (рис. 73). Наиболее широкий диапазон регулирования с уче­ том потерь имеют поворотно-лопастные турбины, а наиболее узкий — радиально-осевые.

§ 28. Скорость изменения нагрузки гидротурбины

Регулирование нагрузки гидротурбины связано с измене­ нием расхода воды через турбину и, следовательно, с измене­ нием скорости ее движения.

Известно, что изменение скорости движения воды, напри­ мер, в трубопроводе вызывает изменение давления противо­ положного знака. Если скорость воды уменьшается, давление в трубопроводе растет. Если направляющий аппарат открыва­ ется и расход воды увеличивается, давление падает.

Это явление носит название гидравлического удара и зна­ чительно усложняет регулирование нагрузки турбин, а в неко­ торых случаях может оказаться опасным для их прочности. Например, при повышении скорости вращения турбины регу­ лятор прикрывает направляющий аппарат, и вследствие этого напор повышается на величину, обусловленную появлением гидравлического удара. Расход воды через турбину уменьша­ ется при этом не до величины Q, = Q0— AQ, как это требова­ лось по условиям регулирования, а до Q / = Qi — AQ + iAQ', причем здесь a Q '— добавочный расход воды, вызванный по­ вышением напора из-за появления гидравлического удара. При некоторых определенных соотношениях размеров трубо­ провода это явление может привести в первый момент про­ цесса регулирования к тому, что мощность турбины не умень­ шается, а даже возрастает или остается в течение некоторого времени постоянной, прежде чем она начнет следовать за ре­ гулятором. По крайней мере, в обоих случаях требуемое из­ менение мощности турбины будет замедлено.

Таким образом, явление гидравлического удара может привести к тому, что турбина по сигналу «разгрузить» в пер­ вый момент начнет набирать мощность, вследствие чего регу­ лятор усилит сигнал-на закрытие и вызовет сильное перерегу­ лирование.

100

Колебания давления при гидравлическом ударе носят вол­ новой характер и описываются известными из физики волно­ выми уравнениями:

Общий интеграл этих уравнений показывает, что ударная волна состоит из прямой и обратной волн, накладывающихся одна на другую:

дината сечения трубопровода; х — время. Отсюда

т. е. изменение давления в потоке воды равно изменению ско­ рости потока, умноженному на волновую постоянную трубо­ провода, зависящую от материала, из которого он изготовлен.

Так как изменение скорости потока воды

где AQ— изменение расхода воды, м3/с; FTV— сечение трубопровода, м2, то

ЛЯ = aAQ

g F т р '

Относительное изменение давления при полном изменении расхода от максимального Q0 до нуля носит название ударной характеристики трубопровода:

Как видно, величина повышения давления может быть уменьшена, если изменять расход воды не внезапно, а с за­ медлением. Следовательно, изменяя скорость закрытия на­ правляющего аппарата, можно влиять на величину гидравли­ ческого удара и таким образом смягчить или предотвратить его нежелательные последствия.

101

Максимальное повышение давления, вычисляемое по фор­ муле (9), будет иметь место при прямом гидравлическом ударе, который возникает при времени закрытия направляю­ щего аппарата

2г

ления будет частичным. В этом случае гидравлический удар называют непрямым.

Обычно Гна = 2—8 с, а длина трубопровода 200—400 м, и так как аср = 1000 м/с, то Ттр = 0,4—0,8 с.

Допускаемые повышения давления в долях номинального напора

+Д/Удоп = (0,15 -0,5) Я п>

апонижения давления (отрицательный гидравлический удар) ~-д^доп = (0,4 - 0,75)

Если повышения давления превосходят указанные величи­ ны, к турбинному трубопроводу или к спиральной камере при­ страивают холостой сброс, который открывается при закры­ тии направляющего аппарата и затем, независимо от регули­ рующих воздействий, очень медленно закрывается, чтобы во­ дяной поток в напорном трубопроводе во избежание появле­ ния гидравлического удара замедлялся постепенно.

У турбин Пельтона (ковшовых) с этой же целью устанав­ ливают дефлекторы, которые при внезапном сбросе нагрузки направляются на струю и отклоняют ее от ковшей рабочего колеса, снимая таким образом вращающий момент с вала тур­ бины.

При указанных выше величинах повышения давления до­ стижима скорость изменения нагрузки от 150 до 500 МВт/мин в зависимости от параметров станции и турбин.

На некоторых гидростанциях с длиной напорного трубо­ провода больше 1000 м, где вероятно появление прямого гид­ равлического удара, кроме холостого сброса, который всту­ пает в действие обычно при полных сбросах нагрузки с ма­ шины, связывают регулятор скорости турбины с датчиком дав­ ления в напорном трубопроводе для ограничения скорости повышения нагрузки по гидравлическому режиму.

102

Г Л А В А V

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНЫХ НАГРУЗОК МЕЖДУ АГРЕГАТАМИ И СТАНЦИЯМИ

§ 29. Общие сведения

Нагрузки распределяют между агрегатами и станциями с учетом всех технических ограничений, накладываемых на ■оборудование станций ремонтами, аварийным или недоста­ точно надежным состоянием отдельных элементов, заводскими дефектами и особенностями отдельных агрегатов и устройств

(«узкие места») [12—16].

При этом принимается во внимание наличие топлива на ■складах тепловых станций и перспективы его получения, а для гидростанций согласуются краткосрочные режимы с длитель­ ными (ограничения по топливу и воде).

Наконец, в каждый данный момент нагрузку распределяют между отдельными агрегатами и станциями так, чтобы расход топлива в системе был наименьшим. Последнее выполнимо только при наличии достоверных энергетических характери­ стик оборудования.

Так как основным критерием оптимальности распределения является наименьший расход топлива, то при диспетчерском распределении нагрузки остальные составляющие себестои­ мости энергии обычно не учитываются. При задании электри­ ческой станции переменного графика нагрузки предполага­ ется, что изменения режима происходят мгновенно и не тре­ буют дополнительного расхода топлива, другими словами, переменный режим станции рассматривается как смена ряда установившихся режимов.

Диспетчер может воздействовать на расход топлива сле­ дующим образом.

1. Распределять нагрузку Р(т) между отдельными агрега­ тами или электростанциями с учетом их энергетических ха­ рактеристик B{(Pi), где Bi — часовой расход топлива.

2. Выводить из работы менее экономичные агрегаты в часы малой нагрузки и включать их в периоды роста нагрузки. При этом остановка агрегата производится только в том случае, если расход топлива на остановку и последующий пуск, зави­ сящий от продолжительности остановки Атг-, окажется меньше перерасхода топлива на неэкономичный режим при его непре­ рывной работе.

103

вие выгодности остановки примет вид

Здесь finyci;(Ат{) — зависимость пускового расхода топлива or продолжительности остановки Лп-

3. В гидротепловых системах нагрузка гидроэлектростан­ ций Ргэс (т) должна назначаться с учетом рациональной экс­

плуатации водохранилищ, а также наибольшего благоприятст­ вования для тепловых электростанций. В периоды маловодья гидростанции должны преимущественно вырабатывать энер­ гию во время пиков нагрузки, а при отсутствии ограничений по воде нагрузка их должна быть максимальной.

4. Уменьшать потери в сети путем оптимального распреде­ ления реактивной нагрузки (Эреакт(т) между генераторами гг

синхронными компенсаторами, поддержания оптимальных уровней напряжения в узловых пунктах системы, установки: оптимальных коэффициентов трансформации трансформато­ ров, выбора наивыгоднейшей конфигурации сети и, наконец,, путем задания оптимальной программы обменных мощностей.

Каждая из перечисленных задач представляет значитель­ ные трудности для решения из-за их многомерности (сотни переменных величин), а также из-за многочисленных взаим­ ных связей и взаимного влияния большинства рассматривае­ мых переменных.

В основном уравнении баланса активных мощностей, кото­ рый должен при нормальной работе системы соблюдаться в. каждый момент времени,

Тр = 2 р М ~ 2 р№ ~ я пог(т) = о,

*j

Pi(т) обозначает мощность, вырабатываемую станцией i;

ных тепловых электростанций, но и гидростанций с водохра­ нилищами, гидроаккумулирующих станций, гидростанций на бытовом стоке, ТЭЦ, тепловых станций с ограничениями рас­ хода топлива, а также обменные мощности. При распределе­ нии нагрузки между этими станциями следует учитывать их расходные характеристики, а также вынужденные условия,, ограничивающие расход топлива на ТЭС и воды на ГЭС.

Выработка энергии тепловых станций с ограниченным рас­ ходом топлива, ГЭС с водохранилищем и ГАЭС определяется изопериметрическими условиями:

J ?а(Ра) = Яа-

О

104

Если а — ТЭС, то

<?(Р) = ВТЭС(РТЭС) т/ч;

Г

J ВТЭС(РТЭС) dt = 9тэс = -^огр Т,

где 5 0гр— расход топлива за период времени Т (сутки), огра­ ниченный по условиям запасов топлива.

Если а — ГЭС, то

<Р(^) = <3гэс(р гэс) м3/4'-

т

J Фгэс^гэс) — 9гэс = ^ГЭС м3»

где Егэс — объем воды, который возможно израсходовать за период времени Т (сутки) по условиям запаса воды в водо­ хранилище ГЭС.

При наличии в системе гидроэлектростанций с большим временем наполнения водохранилищ определение располагае­ мых объемов воды проводится для больших периодов, порядка квартала или года, в связи с чем многие параметры процесса обязательно рассматриваются как параметры стохастическогопроцесса, а эксплуатация системы ведется с учетом планиро­ вания этих параметров.

Нагрузку ТЭЦ и гидростанций, работающих на бытовом стоке, обычно принимают вынужденной (заданной), что в не­ которой степени упрощает решение общей задачи.

Потери в сети Рпот(т) являются сложной функцией актив­ ной и реактивной мощности станций и потребителей, выбран­ ных коэффициентов трансформации трансформаторов, уров­ ней напряжения в узлах, а также конфигурации сети (экс­ плуатационной схемы). Учет потерь в сети вносит дополни­ тельные усложнения в уравнения баланса реактивной мощ­ ности

?Q= 2 Qi(*) - 2 ОД*) - Qnoxtt) = о,

»i

которые здесь не рассматриваются подробно.

Значения всех переменных величин ограничены еще и тех­ ническими пределами, причем эти ограничения выражаются обычно неравенствами. К ним относятся ограниченные пре­ делы колебания напряжения (Um мии— Цпмакс), недопусти­ мость перегрузки отдельных элементов системы по току ( A n n ^ A n n м а к с ) 1ограниченные пределы изменения реактивной мощности генераторов и т. д.

Несмотря на мощную вычислительную технику, имею­ щуюся в распоряжении энергосистем, задача определения

105.

оптимального режима системы в ее полном объеме в настоя­ щее время еще не решается как единая системная задача из-за ее многомерности и отсутствия надежных математиче­ ских методов для нахождения минимального значения слож­ ного функционала, содержащего непрерывные и дискретные переменные стохастической природы.

Существующая практика сводится к отказу от высокой точности решения, принятию ряда допущений и разделению задачи нахождения оптимального режима в широком и общем смысле на несколько меньших и более узких задач с после­ дующим учетом явно выраженных обратных связей между отдельными результатами.

К числу таких отдельных задач, решение которых всегда необходимо для эксплуатации, относятся:

1) наивыгоднейшее распределение нагрузок;

2) диспетчерский график регулирования водохранилищ ГЭС;

3)остановка агрегатов в горячий резерв и выбор состава оборудования;

4)оптимальная программа обменных мощностей;

5)наивыгоднейший режим отдельных ГАЭС и т. д.

§ 30. Наивыгоднейшее распределение нагрузок

Задача наивыгоднейшего распределения нагрузок обычно ограничивается распределением суммарной активной нагруз­ ки системы между агрегатами и станциями системы при за­ данном составе работающего оборудования [12, 13].

Ее решение сводится к нахождению относительного мини­ мума функции

min £ 5,(Р ()

при условии

которое должно соблюдаться в каждой точке Р графика сум­ марной активной нагрузки системы Р{т).

Результатом является уравнение наивыгоднейшего распре­ деления

или иначе

106

а условием, что определяемый экстремум является действи­ тельно минимумом расхода топлива, служит неравенство

дР > 0.

Здесь б,-—'Частичный удельный расход t-й станции, под кото­ рым понимают истинное значение удельного расхода топлива в каждой точке нелинейной расходной характеристики элек­ тростанции, получаемое путем дифференцирования этой характеристики:

ности; К— неопределенный множитель Лагранжа.

Из уравнения (10) следует, что наивыгоднейшее распреде­ ление нагрузок будет достигнуто в том случае, когда частич­ ные удельные расходы всех станций с поправками на потери в сети будут равны между собою:

основную трудность при решении задачи наивыгоднейшего распределения. Как указывалось, эти потери являются слож­ ной функцией многих переменных: схемы сети, ее параметров, распределения нагрузок станций и потребителей, характера изменения нагрузок в узлах потребления.

До настоящего времени не существует строгих аналитиче­ ских методов вычисления ст,-, а приближенные методы, не давая точных результатов, достаточно громоздки и трудоемки. Например, метод коэффициентов сетевых потерь [14], основан­ ный на замене реальной сети фиктивной звездой, имеющей единственный центр потребления и служащейэквивалентом действительной сети по потерям, требует много времени для вычисления этих коэффициентов, линеаризующих зависимость Oi(Pi), так как при каждом йзменении схемы сети необходимо находить соответствующие новые значения для всего комплек­ та коэффициентов.

Пока наилучшим и наиболее быстрым способом определе­ ния частичных удельных потерь остается нахождение их при помощи модели-аналога реальной сети, на которой воспроиз­ водится расчетный режим системы и которая позволяет непо­ средственное получение потерь в заданных масштабах.

Влияние сетевых потерь (точнее, той их части, которая за­ висит от распределения активных нагрузок между станциями)

107

на экономичность работы системы относительно невелико, и во' многих случаях учет их не изменяет оптимального распределе­ ния нагрузок, найденного только по характеристикам станций.

Это обстоятельство позволяет без большой погрешности, производить деление энергосистемы на районы с концентриро­ ванной нагрузкой и незначительными потерями, влиянием которых можно пренебречь, а учитывать потери только в тех элементах, где они могут существенно изменить распреде­ ление.

Значительно большее влияние сетевые потери оказываютна распределение реактивных мощностей, на выбор коэффи­ циентов трансформации трансформаторов и в других расче­ тах, связанных с оптимизацией уровней напряжения и потоков реактивной мощности. В этих случаях учет потерь обязателен, причем очевидно, что сложность и трудоемкость задачи уве­ личится, так как потребуется введение еще и других частич­ ных удельных потерь, например

Рассмотренный метод частичных удельных расходов можно легко распространить на оптимизацию суточного режима гид­ роэлектростанции с водохранилищем и ограниченным объемом воды Усут, который возможно израсходовать за сутки по усло­ виям рационального режима водохранилища.

Задача сводится к нахождению минимума функционала

min J Ц.АГД/3,)

о /

при условии

г

ср = 0; j Q rac^rac^ = ^сут*

о

Решение этой задачи дает

где Агэс — постоянный коэффициент, обеспечивающий выпол­ нение изопериметрической связи:

г_ д(?гэс

°г э с - дргэс ■

Условием, при котором экстремумы функционала, опреде­ ленные вышеуказанным способом, достигнут минимума, слу­ жат неравенства:

108

Б этой задаче трудным является не только определение ■частичных удельных потерь огэс, но и назначение суточного

расхода воды Усут, который может быть определен правильно только при рассмотрении значительно более длительного, чем сутки, периода времени Т, тем более длительного, чем больше время наполнения водохранилища. При очень больших водо­ хранилищах этот период должен быть не менее года.

Приточность воды за такой длительный период нельзя трактовать как детерминированную функцию, но следует рас­ сматривать как стохастический процесс. Это обстоятельство и осложняет прогнозирование режима реки и правильный выбор Усут, требуя обработки обширных статистических данных за много лет и создания специальной гидрологической модели для такого прогнозирования.

Такие модели усложняются в том случае, когда на одной и той же реке расположено несколько гидростанций с различны­ ми характеристиками: водохранилищами большими и малыми (шлюзами), без водохранилищ (работающие на бытовой приточности); вода, израсходованная на одной станции, является приточностыо на другой и т. д. Здесь на помощь приходит статистика: можно установить коэффициенты взаимной связи (так называемые коэффициенты корреляции) между энергией, вырабатываемой на гидроэлектростанциях различных типов, или даже совсем не оперировать расходами воды, но эквива­ лентными им количествами энергии, что значительно упростит расчеты.

Следует отметить особенности построения характеристик частичных удельных расходов гидроэлектростанций, имеющих различные расходные характеристики.

Различают два типа расходных характеристик ГЭС.

К первому типу относятся те станции, у которых работа одной машины с точки зрения расхода воды экономичней ра­ боты двух машин на всем диапазоне изменения нагрузок ма­ шины от нуля до номинальной. В этом случае пуск дополни­ тельных машин производится лишь после того, как работаю­ щие машины нагружаются до номинальной мощности и рас­ ходная характеристика таких станций в точках пуска новых (добавочных) машин будет изменяться скачком (прибавля­ ется расход холостого хода).

На других станциях машины имеют такие характеристики, что при работе в диапазоне от 60 до 100% номинальной натрузкн с точки зрения расхода воды выгодней включить две машины, и, таким образом, пуск каждой последующей маши­ ны не вызывает скачка суммарной характеристики, так как со­ провождается некоторым понижением общего расхода. Харак­ теристики таких станции имеют в точках пуска машины из­ ломы, а не скачки.

109