Часть 1 Краткая характеристика и обоснование решений по технологии производства.
В мини-энергосистемах газотурбинные установки выполняют функцию энергопривода для привода электрогенераторов. Анализ ситуации в этой области позволил сделать некоторые выводы.
Первоначально ГТУ для привода генераторов выполнялись на базе турбовинтовых двигателей: АИ-24, АИ-20. На этой основе были выполнены передвижные электростанции с выходной мощностью соответственно в 1250 кВт и 2500 кВт.
В течение последнего десятилетия широкое распространение в странах Западной Европы и США получило использование газотурбинных технологий для комбинированного производства энергии и тепла. Такие газотурбинные электростанции с утилизацией тепла уходящих газов называются когенерационными и известны во всем мире как наиболее эффективные в техническом и коммерческом аспектах. Решающим преимуществом этих ГТУ-ТЭЦ является то, что природный газ в них используется с топливной экономичностью до 75-90% по сравнению с 35-40% при производстве теплоэнергии традиционными способами. В качестве примера можно привести: электростанции ГТЭС-4000 (НПО “Искра” совместно с “Пратт энд Уитни”, США), двухагрегатную ТЭС 4000 “Янус” с утилизацией продуктов сгорания (АО “Авиадвигатель”).
Из выше изложенного следует, что турбовинтовые двигатели вытесняются турбореактивными, причем использование для этих целей все более современных двигателей позволяет значительно улучшать характеристики ГТУ. Преимуществом данных установок является также их двухвальная конструкция, что дает повышение экономичности и позволяет свободно выбирать частоту вращения.
В настоящее время для привода генераторов все шире применяются конвертированные двухвальные турбореактивные двигатели со свободной турбиной (на базе авиационных Д-30, ПС-90).
Компрессор здесь выделяется в особый агрегат, который служит газогенератором для свободной турбины, вращающий синхронный генератор. Обычно турбины низкого давления используются для привода нагрузки (генератора). На рис. 1.1 представлен наиболее распространенный вариант двухвальной ГТУ со свободной турбиной низкого давления.
Необходимо отметить, что по мере усложнения схем ГТУ предъявляются все более высокие требования к их системам автоматического регулирования и защиты.
Высокая сложность задач, которые решает САУ мини-электростанции, вызывает необходимость использования методов математического моделирования при ее создании и настройке [36,83], а также связанную с этим необходимость моделирования различных режимов работы электростанции на широкий диапазон нагрузок.
При разработке новых алгоритмов управления необходимо изучать поведение ГТУ при коммутации различных нагрузок и их сочетаний, учитывать переходные процессы в электрических нагрузках.
1.1 Краткая характеристика теплоэлектростанции.
Теплоэлектростанция ТЭС-4000*2 "Янус" включает в себя сооружения: технологическое основное и дополнительное оборудование и электрооборудование, предназначенные для производства и распределения тепловой и электрической энергии путем сжигания природного газа, а также для потребления ее на нужды предприятия и для проведения испытательных работ на ГТУ. ГТУ обеспечивает привод ротора синхронного генератора. Одновременно с производством электроэнергии выхлопные газы ГТУ являются источником тепловой энергии для производства пара в котле - утилизатора.
Газотурбинные электростанции малой мощности, созданные на базе авиационных двигателей, могут быть выделены в отдельный класс – мини-электростанции.
В принципе САУ газотурбинной мини-электростанции аналогична САУ стационарной электростанции. CАУ электростанции, как и САУ ГТУ, должна реагировать на изменение атмосферных условий. Расчетные данные и опыт эксплуатации показывают, что при равномерной частоте вращения, но при различных параметрах атмосферного воздуха характеристики одного и того же двигателя сильно меняются. Мощность двигателя изменяется пропорционально давлению воздуха, а удельный расход топлива остается неизменным, уменьшение же только температуры приводит к увеличению мощности и уменьшению удельного расхода топлива.
При всех изменениях мощности двигателя САУ электростанции должна обеспечивать поддержание напряжения и частоты на выводах генератора неизменными, а при набросах-сбросах нагрузки обеспечивать требуемое качество переходных процессов восстановления этих параметров.