Введение 3
1 Изучение существующей проблемы 16
2 Анализ применяющихся систем возбуждения 30
2.1 Электромашинное возбуждение с регулятором РВА-62 30
2.2 Высокочастотная полупроводниковая система возбуждения 38
2.3 Система тиристорного самовозбуждения 49
3 Определение параметров электрической схемы системы возбуждения 56
3.1 Расчет тиристорного выпрямителя обмотки возбуждения 56
3.1.1 Расчет и выбор трансформатора 56
3.1.2 Расчет и выбор тиристорного выпрямителя 58
3.1.3 Регулировочная и внешняя характеристики выпрямителя 60
3.1.4 Коэффициент полезного действия выпрямителя 65
3.2 Высшие гармоники в кривой выпрямленного напряжения и первичного тока выпрямителя 66
4. Обоснование и выбор серийной системы возбуждения 69
5 Экономическая часть 81
5.1 Экономическое обоснование внедрения модернизированной системы возбуждения 81
5.2 Расчет капитальных затрат 82
5.3 Расчет амортизационных отчислений 82
5.4 Расчет технико-экономических показателей 83
Заключение 86
Список использованных источников 88
Купить

Основным производственным потенциалом отечественной электроэнергетики на данный момент является более 700 электростанций, суммарная мощность которых составляет 227,5 ГВт, а также ЛЭП всех классов напряжений протяженностью свыше 2,5 млн. км. Примерно 90% от всего этого находится в Единой энергетической системе России - особом техническом комплексе, который обеспечивает энергией потребителей на большей части территории.
Тепловые станции превосходят другие в системе генерации мощностей российских электростанций, их часть в установленной мощности составляет 68,4%, у атомных электростанций - 10,7%, а часть гидроэлектростанций - 20,9%. Примерно 80% генерирующей мощности тепловых электростанций на европейской территории России (совместно с Уралом) потребляют газ и мазут, в то время как в Восточной части страны свыше 80% генерированной мощности получают за счет угля.
За прошедшие годы экономические показатели значительно ухудшились. С 1991 года относительные потери электроэнергии в электрических сетях при ее транспортировке увеличились более чем в 1,5 раза, количество персонала выросло более чем в 1,5 раза, а эффективность управления прибылью упало более чем в 2,5 раза. Внедрение нового и современного генерирующего оборудования значительно сократилось: с 1992 по 2006 год на отечественных электростанциях было введено примерно 20 000 МВт, в среднем около 1400 МВт в год, что существенно (в 5 раз) меньше, чем в 60 - 80-е года прошлого столетия.
Энергосистемы локального типа с распределённой генерацией, работающие как на топливных ресурсах, имеющихся поблизости, так и на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии, должны проектироваться с учетом использования принципа управляемой энергосистемы с автоматическим регулированием выработки, транспортировки и потребления электроэнергии и тепла. Автоматизированный учёт и управление потреблением энергии должны иметь место и у крупных потребителей в совокупности с применением гибких электрических сетей высокого напряжения магистрального типа, и это позволит выполнять оптимальное управление потреблением с учетом спроса на электроэнергию и обеспечением необходимой надёжности и оптимальными экономическими параметрами.
Комплекс мер по модернизации электроэнергетики является существенной составной частью Генеральной схемы развития электроэнергетики России на период до 2020 г.
Такая модернизация должна быть тщательно продумана и просчитана с использованием необходимых научных инструментов (математических моделей), позволяющих рассчитывать процессы функционирования и развития как локальных сложных систем (отдельных региональных субъектов), так и ЕЭС России в целом.
Важным является модернизация энергоустановок и электростанций в секторе гидроэнергетики. Здесь актуальным является:
• проведение модернизации гидроэнергетического оборудования практически на всех гидроэлектростанциях России;
• производство мощных высокоэффективных гидроагрегатов переменной частоты вращения, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели и снижающих стоимость производимой энергии;
• проектировка и создание комплекса высокотехнологического оборудования для обратимых гидроагрегатов ГАЭС работающих на переменной частоте вращения и с мощностью каждого 300 - 350 МВт, имеющих возможность обеспечить высокую маневренность в генераторном и насосном режимах, что позволит увеличить КПД и уменьшить удельную стоимость строительства электростанций;
• создание гидрооборудования для электростанций приливного типа (ПЭС), в первую очередь - эффективных турбин ортогонального типа и средств сооружения ПЭС с помощью наплавных блоков, что даст возможность приступить к освоению приливной энергии;
• разработка и внедрение автоматизированных и автоматических систем непрерывного контроля состояния гидроагрегатов и гидротехнических сооружений.
В области развития технологии атомной энергетики последние 15 лет наблюдалось определённое затишье. Причинами его были не только эмоции широких слоев населения, но и экономика - изменение хозяйственных условий, затруднивших новое строительство. В итоге практически прекратилось строительство АЭС в Европе и США, сократилась реализация новых проектов. Дальнейшее развитие атомной энергетики в значительной степени зависит от того, будут ли АЭС совершенно безопасными как на рабочих режимах, так и в случае аварийных ситуаций и какие новые энергоустановки будут созданы.
Не менее важен подъём конкурентоспособности АЭС. Для этого необходимо повысить экономичность преобразования тепловой энергии в электрическую, снизить капитальные затраты на киловатт установленной мощности, решить экологические проблемы при осуществлении топливно­ядерного цикла. Это нелегкие задачи, тем более, что введение дополнительных систем пассивного отвода тепла, "ловушек" для расплавленной зоны, защитных оболочек и других устройств увеличивает затраты на строительство и себестоимость вырабатываемой электроэнергии.
На ближайшие годы (20 - 25 лет) в качестве главных рассматриваются три технологии производства реакторов:
• реакторы корпусного типа с водяным теплоносителем типа ВВЭР, разных модификаций;
• реакторы быстрого типа с жидкометаллическим теплоносителем;
• реакторы высокотемпературного типа с гелиевым теплоносителем.
Развитие технологий производства разнится во времени, и это позволяет сосредоточить ресурсы для получения большего эффекта на данном этапе создания ядерно-энергетической системы. До 2020 г. планируется увеличение мощностей атомной энергетики на базе последовательно совершенствуемых проектов водо-водяных реакторов типа ВВЭР-1000 (АЭС-2006). Планируется модернизация их топливного цикла и переход на большее сгорание топлива (примерно 60 ГВт-сут/т) и перегрузки топлива в 5 раз, в результате чего получается более экономный топливный цикл. Параллельно под руководством РНЦ "Курчатовский институт" создаётся новый реактор ВВЭР-1500. В этом случае для повышения КПД турбоустановок АЭС до 38% при использовании быстроходных (3000 об/мин) турбин необходимо увеличить начальное давление пара до 7,2 МПа. Последние проработки показали возможность создания на отечественных заводах основных компонентов АЭС с блоком ВВЭР-1500, параметры которого не уступают европейскому проекту EPR.
В 2012 г. или чуть позже, кроме уже работающего реактора на быстрых нейтронах БН-600, будет введён в эксплуатацию БН-800, который может показать замыкание топливного цикла, взяв за основу уран-плутониевое топливо. В 2018 - 2020 гг. может быть подготовлена малая серия реакторов на быстрых нейтронах. В них последовательно модернизируется активная зона с таким расчётом, чтобы к 2026 - 2029 гг. выйти на параметры перспективного реактора на быстрых нейтронах, который обеспечит избыточную наработку ядерного топлива, достаточную для развития многокомпонентной атомной энергетики. Выбор более выгодного инновационного проекта такого реактора планируется сделать, рассмотрев несколько вариантов быстрых реакторов.
На этой же стадии, согласно прогнозу Курчатовского института, начнётся техническое проектирование высокотемпературных реакторов с гелиевым теплоносителем (ВТГР) для электроэнергетики. Концепция модульных ВТГР отлично дополнит ряд ядерных блоков мощностью 300-500 МВт, что подойдет требованию рынка. Лучшие термодинамические параметры теплоносителя в данных реакторах позволят значительно поднять термодинамический КПД и дадут возможность их применения в регионах, испытывающих нехватку водных ресурсов для передачи конечной тепловой энергии. Ввод в эксплуатацию ВТГР ориентирует эти регионы на неэлектрическое использование атомной энергии и развитие водородной энергетики.
Судя по всем разработкам, выполняемым в мире, стратегическое направление развития атомной энергетики - это замыкание ядерного топливного цикла. Разработка замкнутого топливного цикла решит две главные задачи. Во-первых, обеспечивает атомную энергетику надёжной сырьевой базой, поскольку в топливный цикл будет вовлечён уран-238, а, впоследствии, и торий-232. Во-вторых, решает проблему выделения, минимизации объёма и оконечной изоляции, не находящих на данный момент применения радиоактивных продуктов, которые образовываются я в процессе работы атомной энергетики. В результате замыкания цикла более полно будут использоваться природные ядерные ресурсы (уран, торий) и искусственные делящиеся материалы, возникающие при работе ядерных реакторов (плутоний и др.), и минимизироваться радиоактивные отходы. На базе указанных технологий и предполагается провести модернизацию атомного сектора электроэнергетики страны.
Нетрадиционные источники. В последнее время много исследований проводится в сфере водородной энергетики. Свою нишу в энергетике обозримого будущего она, безусловно, займёт, но особых оснований для глобального оптимизма, на наш взгляд, водородная энергетика не даёт. Причина проста: источник, который предполагается использовать, - водород - дорогое и сложное для эксплуатации рабочее тело. Так что этому перспективному направлению уготована существенная, однако всё же некая вспомогательная роль. Значение водородной энергетики может возрасти в случае массового строительства атомных электростанций и использования дешёвой электроэнергии в ночное время для производства водорода с помощью электролиза воды или высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов.
Возводить мощное энергетическое хозяйство в России на таких столь широко разрекламированных нетрадиционных направлениях, как солнечная или ветроэнергетика, с нашей точки зрения, объективно невозможно по причине климатических отношений. Разумеется, электрические станции, использующие солнечные фотоэлементы на основе каскадных гетероструктур или арсенид-галлиевые фотоэлементы, которые позволяют встроить дополнительный цикл с применением органики и существенно поднять эффективность производства электроэнергии, могут быть задействованы на региональном уровне. Ветровые установки, производящие электроэнергию, могут успешно работать в районах Северного Кавказа или Дальнего Востока, геотермальные электростанции - на Камчатке и в Сахалинской области и теплоснабжающие установки - на Северном Кавказе, в Краснодарском крае и Западной Сибири.
Глобальное изучение отечественного потенциала энергии приливов и отливов требует проектирования типового гидрооборудования для приливных электрических станций, прежде всего высоко производительных (КПД до 85 - 87%) ортогональных турбин, и технологий строительства самих станций, наплавных блоков. Над решением этих проблем работают учёные как в России, так и за рубежом.
Энергетика, использующая биомассу, просто обязана развиваться в России. Промышленные и бытовые отходы, отходы лесного хозяйства - это отнюдь не полный перечень топлив для так называемой малой энергетики и транспорта.
Серьёзным проектом может стать размещение фотоэлектрических преобразователей на солнечно-синхронных орбитах в космосе с последующей передачей электроэнергии в СВЧ - диапазоне. Передача электроэнергии может осуществляться по сверхпроводящим линиям электропередачи на основе высокотемпературной сверхпроводимости, что коренным образом изменит структуру электроэнергетических систем. Программа снабжения Земли энергией из космоса может стать международной основой для эффективной кооперации разных стран и платформой развития высоких технологий, что крайне важно для сегодняшней России.
ЕЭС России. Безусловно, новые технологии должны создаваться в области не только генерации электроэнергии, но и её транспорта и распределения, поэтому развитие энергетической науки и технологической базы должно быть комплексным и всеохватывающим. Большое преимущество России заключается в том, что предыдущие поколения учёных и техников создали Единую энергетическую систему страны - постоянно развивающийся комплекс взаимосвязанных энергетических объектов, которые объединены общим технологическим режимом работы и централизованным оперативным управлением, обеспечивающим надёжное и экономичное электроснабжение основной части потребителей. По своим масштабам ЕЭС России относится к крупнейшим централизованно управляемым энергообъединениям в мире.
Высшим номинальным напряжением воздушных линий переменного тока в нашей стране в настоящее время является напряжение 1150 кВ, которое по- настоящему нами не освоено. Основой передающей энергосистемы России являются электрические сети напряжением 330, 500 и 750 кВ. Суммарная протяжённость воздушных линий этих классов напряжений к началу 2008 г. достигала 54,1 тыс. км, а установленная мощность трансформаторов подстанций - 157,5 млн. кВ-А. Протяжённость линий электропередачи напряжением ПО и 220 кВ на начало 2008 г. составляла около 390 тыс. км.
Представляется, что классы напряжений в обозримом будущем вряд ли будут меняться, потребуется лишь разработка оборудования и линий электропередачи постоянного тока на напряжение 1500 кВ (+750 кВ), в случае необходимости передачи громадных потоков электроэнергии (20 млрд. кВт-ч и более), и доработка научно-технических решений по линиям переменного тока напряжением 1150 кВ. Однако появление целого ряда технологий как в энергосистемах, так и в линиях электропередачи и подстанциях приведёт через 15-20 лет к возникновению электрических сетей нового поколения.
Рассмотрим главные из этих технологий, призванные оказать принципиальное влияние на будущую конфигурацию ЕЭС России, да и на построение сетей в мировой электроэнергетике.
Проводники с использованием композиционных материалов должны повысить токонесущую способность, уменьшить затраты на сооружение линий электропередачи, уменьшить потери в сетях, снизить вес, увеличить срок службы, поднять сопротивляемость коррозии, избавиться от провисания проводов. У "идеального" проводника проводимость должна иметь свойства высокочистой меди, вес алюминия, а прочность и срока службы как у усиленной стали. В зарубежных публикациях стоимость таких воздушных линий оценивается от 2 до 8 млн. дол. за 1 милю, а кабельных - от 5 до 15 млн. дол. Разработка "идеальных" проводников началась в технически развитых странах, и срок их создания оценивается в 8 - 10 лет.
Высокотемпературные сверхпроводниковые материалы и устройства на их основе - кабели, ограничители токов короткого замыкания, трансформаторы, синхронные компенсаторы, накопители энергии и др. Их применение может принципиально изменить не только электрические сети, но и используемое электрооборудование, частично вернув мир в эпоху до разработки техники трёхфазного тока М.О. Доливо-Добровольским.
Наиболее продвинуты исследования по созданию высокотемпературных сверхпроводящих кабелей на основе материалов первого и второго поколений. В мире в опытной эксплуатации находится около 15 сверхпроводящих кабелей, изготовленных из высокотемпературных сверхпроводниковых материалов, длиной от 30 до 600 м. Самый протяжённый из установленных в распределительных сетях (Нью-Йорк, США) сверхпроводящий кабель имеет длину 600 м и параметры: ток 2,4 кА, напряжение 138 кВ, передаваемая мощность 574 МВ-А. Пущен в эксплуатацию в апреле 2008 г.
В России в 2009 г. под руководством Энергетического института им. Г. М. Кржижановского и при участии Московского авиационного института, Всероссийского научно-исследовательского института кабельной промышленности и НТЦ электроэнергетики был создан первый в России сверхпроводящий кабель длиной 200 м, рассчитанный на следующие параметры: длительный рабочий ток 1,5 кА (с перегрузкой 2,0 кА), напряжение 20 кВ, передаваемая мощность 50 - 65 МВ-А. Кабель снабжён новой системой криообеспечения и криостатирования.
В системе криообеспечения используется уникальный крионасос и сверхпроводящий электропривод к нему, что позволяет вместе с уникальным криорефрижератором создать модульную систему криообеспечения протяжённых высокотемпературных силовых кабелей.
Эта система, принципиально отличающаяся от всех существующих ныне в мире, в состоянии с высокой эффективностью и надёжностью обеспечить криоснабжение сверхпроводящих кабелей практически любой длины. Появляется возможность для проектирования и эксплуатации длинных (несколько десятков километров) сверхпроводящих линий.
Создан также первый российский гибкий криостат, позволяющий уменьшить внешние тепловые притоки почти в 2 раза по сравнению с широко распространёнными за рубежом криостатами фирмы "Nexans". Необходимо также разработать сверхпроводящий токоограничитель для установки в электрических сетях и другие энергетические установки с использованием явления сверхпроводимости (трансформатор, компенсатор, накопители и др.). Это позволит начать экспериментальную эксплуатацию нового оборудования в реальных сетях и, тем самым, подготовку к широкому использованию сверхпроводниковой техники в реальной электроэнергетике.
Третьей новой технологией для использования в электрических сетях являются недорогие и надёжные накопители электроэнергии разных типов на всех уровнях: основной сети, распределительной сети и конечных потребителей. Их широкое применение может кардинальным образом повлиять на электроэнергетический рынок за счёт выравнивания графиков нагрузок и повышения эффективности использования генерирующих, передающих и распределительных средств, а, следовательно, и на развитие электроэнергетики страны. Здесь важно отметить необходимость создания новых накопителей с большими возможностями, в том числе на базе нанотехнологий. Пока мир умеет создавать накопители относительно небольшой ёмкости (7- 10 МДж), которые не являются дешёвыми.
Создание распределённой генерации и распределённых интеллектуальных систем управления. Концепция распределённой генерации сводится к построению независимых от централизованных сетей генерирующих мощностей для выработки электроэнергии в непосредственной близости от локальных потребителей, при этом учитываются их специфические запросы по объёмам и профилю потребления.
Выгодные инвестиции и финансовая эффективность распределённых систем объясняется низким уровнем первоначальных вложений, возможностью скорого и частичного ввода в эксплуатацию, также полным контролем от потребителя. С учетом отмеченных свойств привлечения система распределённой генерации энергии рассматривается как главная составляющая в современной парадигме развития энергетики во всем мире.
Обратим внимание на достоинства распределённых систем.
1. Большая экономическая и технологическая эффективность. В режимах когенерации и тригенерации суммарный КПД свыше 90%. Себестоимость получаемой электроэнергии и тепла более чем в два раза меньше тарифов, благодаря более эффективным технологиям генерации, снижению потерь и дополнительных расходов. Средний срок окупаемости - от пяти (электроэнергия) до 2 - 3 лет при утилизации тепла на 100% в режимах когенерации и тригенерации.
2. Мобильность, модульность и масштабируемость. Транспортировка блоков необходимой мощности, возможность их быстрого подключения к уже действующей станции, как и их демонтажа и перемещения на другие объекты.
3. Быстрые сроки ввода в работу. В среднем строительство электростанции мощностью до 2 МВт длиться 9-12 месяцев, а строительство станций более высокой мощности (10 - 20 МВт) - 12 - 18 мес.
5. Энергетический контроль и независимость. Заказчик и его подрядные организации полностью контролируют сроки строительства генерирующих объектов и режим их эксплуатации. Исчезает проблема сбоев, отключений, отклонение от параметров тока и напряжения по не зависимым от потребителей причинам.
6. Большое количество вариантов использования технологий. Распределённые энергетические системы очень часто являются автономными источниками электроэнергии, а в режимах когенерации и тригенерации - источниками холода и тепла. Они используются также: для поддержания пиковых нагрузок в режимах совместной работы с централизованной энергосистемой; в проектах, где используется альтернативное топливо - биогаз, попутный нефтяной газ, шахтный метан и др.; в проектах с особенными требованиями к качеству энергии, надёжности, срокам запуска, экологии и др., которые в определенных условиях не могут осуществляться централизованными энергосистемами.
7. Автономные источники. Примерами использования распределённой генерации в качестве автономных источников могут служить энергоцентры собственных нужд новых промышленных предприятий, офисов компаний, объектов социальной инфраструктуры. Потребность в собственных энергоцентрах возникает в тех случаях, когда централизованное подключение либо недоступно по причине удалённости объектов, износа транспортной инфраструктуры, недостатка генерирующих мощностей в регионе, либо экономически не эффективно в силу, например, высокой платы за подключение, либо неприемлемо по срокам, так как увязывается с глобальными планами реконструкции и развития сетей и централизованной генерации. В связи с этим всё большее число вновь возводимых или реконструируемых заводов, средних и малых предприятий в области промышленного производства и переработки выбирают распределённую генерацию в качестве альтернативы подключению к сетям.
8. Распределённые системы, объединённые в локальную сеть и автоматически управляемые (smartgrids), вполне подходят для энергоснабжения комплексно застраиваемых микрорайонов и даже городов. Часто такое строительство ведётся на новых, необустроенных территориях. Распределённая генерация позволяет внедрять энергетические мощности постепенно по мере роста потребности - от механизации строительных работ до ввода в эксплуатацию в соответствии с очерёдностью жилых и инфраструктурных объектов. Таким образом, обеспечивается наиболее мягкий и эффективный режим инвестиций, снижаются риски простоя работ и объектов, устраняются необоснованные затраты в инфраструктуру централизованных энергосистем.
9. Параллельная работа с централизованной энергосистемой. Это наиболее разумный компромисс с экономической и технологической точек зрения при решении проблемы дефицита централизованных мощностей. Данный режим функционирования системы снижает уровень необходимого резервирования и способствует сглаживанию пиковых нагрузок. Подобные проблемы приходится решать при расширении производства или перепрофилировании объекта, если суточный график потребления энергии неравномерный. Распределённая система может дополнять имеющиеся мощности энергосистемы в момент возникновения пиковых нагрузок. Однако технологически и экономически наиболее эффективно рассчитывать мощности распределённых систем, исходя из максимальной величины постоянного потребления, а пиковые нагрузки покрывать за счёт энергосистемы.
10. Использование альтернативного топлива (включая местные различные виды энергоресурсов). Как правило, альтернативные виды топлива находят применение при решении комплексной задачи - улучшения экологической ситуации и удовлетворения собственных потребностей в энергии. Попутный нефтяной газ используется при обустройстве новых нефтяных месторождений, шахтный метан - в эффективных системах взрывобезопасности.
Для реализации рассмотренной концепции модернизации необходимо разработать детальную комплексную программу модернизации электроэнергетики, выстроить приоритеты её выполнения и разработать механизмы её практического осуществления. Частью этой программы должна стать задача по модернизации системы возбуждения генераторов.
Актуальность этой задачи вполне обоснована, так как эта система относится к числу самых важных элементов генератора. Систему возбуждения у генератора необходимо выполнять с максимальной надежностью. Работа систем возбуждения в полной мере влияет на устойчивую работу генераторов, и, следовательно, всей энергосистемы. Ей необходимо обеспечивать нормальную и безаварийную работу генератора.
При явной необходимости в проведении модернизации системы возбуждения, можно обозначить и цель данной диссертации. Целью работы является - модернизация системы возбуждения синхронных генераторов на Тольяттинской ТЭЦ.
Также, с поставленной целью сформулированы и задачи, которые требуется рассмотреть при исследовании данного вопроса:
- Выполнить анализ применяемых систем возбуждения на данном объекте и определить систему, которая в первую очередь, нуждается в модернизации.
• Провести обоснование и выбор оборудования, необходимого для модернизации системы.
• Исследовать выбранную систему возбуждения, провести технико-экономические расчеты.
Купить