Магистерский диплом на тему «Исследование параллельной работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинными и дизельными приводами»

Содержание:

Введение 4
Раздел 1. Обзор литературы по теме исследования. Особенности работы автономных электростанций и принципы компенсации реактивной мощности 7
1.1 Анализ современного состояния и перспектив развития автономных электростанций 7
1.2 Особенности работы параллельной работы многоагрегатных автономных электростанций 11
1.3 Принципы регулирования реактивной мощности. Актуальность анализа параллельной работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинными и дизельными приводами 13
1.4 Принцип работы газотурбинного двигателя и ГТУ 16
Раздел 2. Описание объекта исследования 27
2.1 Общий анализ объекта исследования 27
2.2 Расчет токов короткого замыкания и выбор релейной защиты 42
Раздел 3. Исследование параллельной работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинными и дизельными приводами с помощью программ имитационного моделирования 54
3.1 Выбор среды моделирования 54
3.2 Определение статизма активной и реактивной мощности при параллельной работе агрегатов 62
3.3 Анализ полученных результатов. Выводы и рекомендации 72
Заключение 73
Список использованной литературы 75
Приложение А. Листинг программы 77

Введение:

Введение

Актуальность темы. Основными потребителями электрической энергии в нашей стране являются предприятия, которые тратят около 70% [17] вырабатываемой электрической энергии. Система электроснабжения должна удовлетворять требования надежности, экономичности, удобства и безопасности эксплуатации, обеспечивать соответствующее качество электрической энергии.
Надежность электроснабжения обеспечивается выбором наиболее совершенных электрических аппаратов, силовых трансформаторов, кабельно-проводниковой продукции, соответствием электрических нагрузок в нормальных и аварийных режимах номинальной нагрузкой этих элементов, использованием структурного резервирования, устройств автоматики и релейной защиты.
Сооружение электрических сетей и подстанций систем электроснабжения связано с большими материальными затратами. Поэтому при проектировании должен проводиться детальный анализ экономичности проектных решений и режимов работы всех элементов системы электроснабжения.
Как известно, электроэнергия в силу целого ряда экономических и экологических факторов все дороже обходится человечеству, а также в силу своих физических свойств, на данном этапе развития науки и техники этот вид энергии не может быть накоплен в больших масштабах.
Соблюдение баланса потребления и генерации электрической энергии является одним из главных факторов стабильной и надежной работы энергосистем. По этим причинам задача оптимизации работы электросетей и становятся все более актуальными. В рамках такой обширной задачи актуальным становится вопрос исследования параллельной работы электростанций, в том числе и с газотурбинным и дизельным приводом.
Экономическая эффективность энергосистемы во многом определяется характером графика электрической нагрузки, выравнивание которого может быть невольным случайным процессом.
Данный процесс требует проведения целенаправленных мер по соответствующему материальному и финансовому обеспечению.
Участвовать в оптимизации и регулировании нагрузок должны все участники рынка электроэнергии: государство, энергосистема, потребители.
Таким образом, исследование, которое представлено в настоящей выпускной квалификационной работе, является актуальным.
Степень разработанности проблемы. В настоящее время проблема исследования параллельной работы электростанций является крайне актуальной. Можно проследить, что тема еще недостаточно изучена. Это подтверждает актуальность предлагаемого исследования.
Целью написания выпускной квалификационной работы является исследование параллельной работы электростанций с газотурбинным и дизельным приводом.
При написании выпускной квалификационной работы были поставлены следующие задачи:
1. Выполнить обзор литературы по теме исследования. Изучить особенности работы автономных электростанций и принципы компенсации реактивной мощности;
2. Выполнить описание объекта исследования;
3. Выполнить исследование параллельной работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинными и дизельными приводами с помощью программ имитационного моделирования
Теоретическая, методологическая, эмпирическая база. В основу работы положено методы анализа, сравнения, проектирования, моделирования.
Предмет исследования – автономные электростанции с газотурбинным и дизельным приводом.
Объект исследования – процесс анализа параллельной работы автономных электростанций.
Научная новизна выпускной квалификационной работы состоит в том, что впервые с помощью программы имитационного моделирования проведено исследование параллельной работы автономных электростанций с дизельным и газотурбинным приводом.

Текст работы:

Возможность обеспечения необходимых параметров колебаний и показателей качества электрической энергии для каждой многоагрегатной электрической станции автономного электроснабжения — при стационарном возмущений вращающих моментов первичных двигателей является индивидуальной.
Оценка качества демпфирования, выбор законов регулирования и оптимальных настроек регуляторов возбуждения синхронных генераторов в условиях нелинейных колебаний — достаточно трудные задачи, решаемые на основе расчета и анализа переходных процессов.
Системы распределения электроэнергии становятся более разветвленными и протяженными, а устройства выработки и преобразования энергии — более мощными. Меньшие, по сравнению с устройствами предыдущего поколения, электрические потери и габариты позволяют строить достаточно эффективные и надежные системы.
Электроснабжение объекта осуществляется от существующей газотурбинной электростанции (ГТЭС) на примере трехфазных турбогенераторов ТК-6-2РУХЛЗ.
В качестве объекта управления описывается реальная электростанция, предназначенная для электроснабжения технологического и вспомогательного оборудования, бытовых потребителей и прилегающей территории, а также выдачи мощности сторонним потребителям. Представлена структурная схема многоагрегатной газотурбинной электростанции. Выполнен расчет токов КЗ.
В третьей главе проведено исследование параллельной работы электростанций с газотурбинным и дизельным приводом.
Таким образом, в результате написания выпускной квалификационной работы были выполнены следующие задачи:
1. Выполнен обзор литературы по теме исследования. Изучены особенности работы автономных электростанций и принципы компенсации реактивной мощности;
2. Выполнено описание объекта исследования;
3. Выполнено исследование параллельной работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинными и дизельными приводами с помощью программ имитационного моделирования.

Заключение:

Введение

Актуальность темы. Основными потребителями электрической энергии в нашей стране являются предприятия, которые тратят около 70% [17] вырабатываемой электрической энергии. Система электроснабжения должна удовлетворять требования надежности, экономичности, удобства и безопасности эксплуатации, обеспечивать соответствующее качество электрической энергии.
Надежность электроснабжения обеспечивается выбором наиболее совершенных электрических аппаратов, силовых трансформаторов, кабельно-проводниковой продукции, соответствием электрических нагрузок в нормальных и аварийных режимах номинальной нагрузкой этих элементов, использованием структурного резервирования, устройств автоматики и релейной защиты.
Сооружение электрических сетей и подстанций систем электроснабжения связано с большими материальными затратами. Поэтому при проектировании должен проводиться детальный анализ экономичности проектных решений и режимов работы всех элементов системы электроснабжения.
Как известно, электроэнергия в силу целого ряда экономических и экологических факторов все дороже обходится человечеству, а также в силу своих физических свойств, на данном этапе развития науки и техники этот вид энергии не может быть накоплен в больших масштабах.
Соблюдение баланса потребления и генерации электрической энергии является одним из главных факторов стабильной и надежной работы энергосистем. По этим причинам задача оптимизации работы электросетей и становятся все более актуальными. В рамках такой обширной задачи актуальным становится вопрос исследования параллельной работы электростанций, в том числе и с газотурбинным и дизельным приводом.
Экономическая эффективность энергосистемы во многом определяется характером графика электрической нагрузки, выравнивание которого может быть невольным случайным процессом.
Данный процесс требует проведения целенаправленных мер по соответствующему материальному и финансовому обеспечению.
Участвовать в оптимизации и регулировании нагрузок должны все участники рынка электроэнергии: государство, энергосистема, потребители.
Таким образом, исследование, которое представлено в настоящей выпускной квалификационной работе, является актуальным.
Степень разработанности проблемы. В настоящее время проблема исследования параллельной работы электростанций является крайне актуальной. Можно проследить, что тема еще недостаточно изучена. Это подтверждает актуальность предлагаемого исследования.
Целью написания выпускной квалификационной работы является исследование параллельной работы электростанций с газотурбинным и дизельным приводом.
При написании выпускной квалификационной работы были поставлены следующие задачи:
1. Выполнить обзор литературы по теме исследования. Изучить особенности работы автономных электростанций и принципы компенсации реактивной мощности;
2. Выполнить описание объекта исследования;
3. Выполнить исследование параллельной работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинными и дизельными приводами с помощью программ имитационного моделирования
Теоретическая, методологическая, эмпирическая база. В основу работы положено методы анализа, сравнения, проектирования, моделирования.
Предмет исследования – автономные электростанции с газотурбинным и дизельным приводом.
Объект исследования – процесс анализа параллельной работы автономных электростанций.
Научная новизна выпускной квалификационной работы состоит в том, что впервые с помощью программы имитационного моделирования проведено исследование параллельной работы автономных электростанций с дизельным и газотурбинным приводом.

Список литературы:

Раздел 1. Обзор литературы по теме исследования. Особенности работы автономных электростанций и принципы компенсации реактивной мощности

1.1 Анализ современного состояния и перспектив развития автономных электростанций

В рамках данного раздела коротко рассмотрим перспективы развития автономных электростанций.
Автономное производство электроэнергии распространяется параллельно с централизованным электро- и теплоснабжением на крупных предприятиях, в учебных заведениях, воинских частях, аэропортах, больницах, а также в отдаленных ареалах, на островах, северных, горных или пустынных территориях [1].
Автономное производство электрической энергии позволяет решить несколько важных задач:
1) повышение надежности поставок электрической энергии потребителям, в том числе при непредвиденном отключении от сетей;
2) поставки электроэнергии удаленным потребителям при отсутствии электрических сетей;
3) обеспечение независимости потребителей от централизованного энергоснабжения, в том числе за счет использования возобновляемых источников;
4) повышение степени использования теплового потенциала первичного топлива при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии;
5) замещение энергии дорогих топлив — природного газа, дизельного горючего — энергией отходов при использовании различных отходов в качестве первичного источника энергии.
Благодаря этим преимуществам автономное производство электроэнергии и комбинированное производство электрической и тепловой энергии получает распространение в мире.
Развитие автономной генерации будет расти вместе с развитием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Рост доли энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, является основным трендом как европейской, так и мировой энергетики [2].
Эта тенденция отражена как основная в последнем обзоре мировой энергетики World Energy Outlook, подготовленном Международным энергетическим агентством (IEA) [18].
Развитие ВИЭ в обзоре названо «мейнстримом» энергетики. Но за незначительными исключениями возобновляемая энергетика во всем мире субсидируется государствами и существует благодаря так называемым «зеленым» тарифам. Ограничивающим фактором распространения ВИЭ является нестабильность поставок энергии в сети. Средства аккумуляции энергии находятся еще в стадии разработки и пока очень дорогими — $ 850 / кВт [18].
В комментариях от промышленников в обзоре IEA говорится, что нестабильность поставок энергии от ВИЭ побудило сооружения на промышленных предприятиях и в отдельных общинах автономных энергоисточников на основе двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.
Попутно отметим, что в связи с необходимостью дотаций для функционирования ВИЭ часть стран возвращается к угольной энергетике. В этом смысле показателен пример Германии, которая является самой «мощной» экономикой Европы. После аварии на АЭС «Фукусима» (Япония) в Германии было принято решение об остановке всех АЭС и в настоящее время уже остановлено восемь из 17 АЭС. Доля производства энергии на АЭС составляла 30% [19] и было принято решение заменить ее ВИЭ. Началось активное строительство ветровых станций (ВЭС), и в настоящее время доля энергии, вырабатываемой ВЭС, составляет 10%[19].
Еще столько же добавляют солнечная и биоэнергетика. Но альтернативная энергетика оказалась очень дорогой, по ее субсидирования уже потрачено 100 млрд евро. Для предотвращения потерь экономики страны правительство Германии приняло решение о строительстве угольных станций, несмотря на протесты экологов. И сейчас в Германии строятся 23 угольных электростанции общей мощностью 24 ГВт, десятки угольных ТЭС строятся в Японии и Южной Корее [20].
Всего в Германии доля энергии, вырабатываемой на угольных ТЭС, составляет 40%. Среди многочисленных приведенных в различных источниках примеров по теме «Отходы в энергию» следует отметить первый в своем роде совместный проект компании SynTech Bioenergy в партнерстве с Британским институтом энергетических технологий (Britain’s Energy Technologies Institute). В основу проекта положено запатентованную технологию термохимической конверсии, которую основатели называют «революционной», передовой (advanced).
Проект основан на принципах государственно-частного партнерства. Среди основателей энергетические и инженерные компании Rolls-Royce, BP, Shell, Caterpillar, EDF и Британское правительство.
Установка имеет мощность 1,5 МВт и будет использовать отсортированные и переработаны муниципальные твердые отходы в электрическую энергию и теплоту в непрерывном режиме. Установка будет потреблять 40 тонн в день и поставлять электроэнергию в 2500[20] домов. Никаких выбросов в атмосферу кроме чистых продуктов сгорания из двигателя не будет. Воздушная или воздушно-кислородная газификация биосырья в фонтанирующем слое под давлением будет совмещена с горячей фильтрацией и другими очистными технологиями для газовых выбросов.
Следует заметить, что в когенерационных установках небольшой мощности (например, в диапазоне 250 кВт — 6 МВт) в качестве приводов электрогенераторов используются преимущественно двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Они имеют ряд преимуществ перед микротурбинами: меньшая стоимость установленной мощности, более высокий КПД, меньше зависимость КПД от нагрузки и температуры воздуха. Принципиально важно то, что для них нужно высокое давление газа. В то время как турбины, так и особенно ДВС требующие высокого качества газа, особенно в части содержания смолы.
Таким образом, автономное производство электрической и тепловой энергии распространено в Европе и США в виде систем на природном газе и в меньшей степени на отходах; автономное производство электроэнергии будет распространяться как следствие увеличение доли НИЭ в общем производстве энергии; на сегодняшнем этапе развития энергетических технологий производство электроэнергии с использованием ВИЭ, комбинированное производство и на природном газе, на биотопливе и на отходах незначительными исключениями являются экономически убыточным и дотируются из государственных бюджетов.
Основанием для принятия решений об использовании вышеупомянутых источников есть соображения о сохранении климата или ликвидационная необходимость в случае опасных отходов.
Экономически оправданным может быть производство энергии на основе использования недорогих отходов сельского и лесного хозяйства, которые не требуют специальной подготовки и использования сложных очистных систем продуктов сгорания, на основе новых энергетических технологий. Одной из таких технологий является газификация отходов путем окислительного пиролиза. Преимуществом такой технологии является возможность использования как привода электрогенератора поршневого газового двигателя который, обеспечивает достаточно высокий КПД преобразования энергии при небольших мощностях, а также эффективное использование вторичных ресурсов и коксозольного остатка.
Однако в настоящее время также развивается направление совместной (параллельной) работы автономных электростанций, что будет рассмотрено далее в выпускной квалификационной работе.