Підвищення енергоефективності систем власних потреб теплових електричних станцій

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 "Електричні станції, мережі і системи" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертація присвячена підвищенню енергоефективності та зменшенню витрат електричної енергії в системах власних потреб теплових електричних станцій за рахунок впровадження групового регулювання частоти живильної напруги асинхронних двигунів, що приводять в дію механізми власних потреб. Для досягнення цієї мети були поставлені задачі: – дослідити структуру споживання електричної енергії в системах власних потреб теплових електричних станцій в залежності від режиму їх роботи; – виконати аналіз основних способів регулювання параметрів механізмів власних потреб теплових електричних станцій, що приводяться в дію електричними двигунами; – розвинути математичні моделі основних механізмів власних потреб теплових електричних станцій, як навантажувальних машин електроприводів, з урахуванням різних способів регулювання їх параметрів; – дослідити можливість впровадження групового керування механізмами власних потреб теплових електричних станцій, що приводяться в дію асинхронними двигунами; – розробити методи визначення оптимальної групової частоти живильної напруги асинхронних двигунів при впровадженні групового керування механізмами власних потреб теплових електричних станцій, що враховують режими роботи групового споживача власних потреб теплових електричних станцій; – дати практичні рекомендації щодо застосування результатів досліджень з метою підвищення енергоефективності системи власних потреб Харківської ТЕЦ-3. Об'єкт досліджень – фізичні процеси роботи електротехнічного та електромеханічного обладнання систем власних потреб ТЕС. Предмет досліджень – параметри та характеристики основних споживачів електричної енергії в системах власних потреб ТЕС. Методи дослідження. В основу дисертаційної роботи покладено системний підхід при проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, який базується на методах математичного моделювання; чисельних методах вирішення нелінійних рівнянь; використанні методу найменших квадратів для апроксимації табличних паспортних характеристик відцентрових механізмів; лінійної інтерполяції дискретних значень для визначення характеристик основного устаткування теплових електричних станцій; дискретного багатовимірного пошуку для визначення максимальних значень функції ККД при вирішенні задачі знаходження оптимальних параметрів керування відцентровими механізмами, що приводяться в дію асинхронними двигунами; методах статистики при аналізі структури споживання електричної енергії в системах власних потреб теплових електричних станцій. В роботі отримані такі наукові результати: – отримали подальший розвиток математичні моделі основних механізмів ВП ТЕС, які на відміну від відомих дозволяють провести уточнений аналіз і отримати загальну характеристику споживання електричної енергії в системах власних потреб ТЕС в різних режимах роботи; – обґрунтовані основні засади виконання енергозаощаджуючих заходів за рахунок виділення груп споживачів електричної енергії з близькими режимами роботи в системах власних потреб ТЕС, що дозволило знизити капіталовкладення при проведені модернізації; – вперше отримано метод визначення електричної потужності групового споживача ВП ТЕС, який враховує спосіб регулювання його параметрів, що дозволяє визначити загальний потенціал енергозбереження; – вперше запропоновано метод визначення оптимальної групової частоти живильної напруги АД для різних груп механізмів ВП ТЕС, що враховує режим роботи групового споживача ВП ТЕС та його середньозважений ККД, що дозволило досягти зменшення споживання електричної енергії в системах власних потреб ТЕС. Дисертація виконана відповідно до планів наукових досліджень кафедри електричних станцій Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" та у відповідності до НДР МОН України "Розвиток теорії та науково-методичних основ для створення і модернізації турбогенераторів, що задовольняють сучасним вимогам електроенергетичної системи України" (ДР № 0115U000528). НДР виконувалась спільно з кафедрою електричних машин.Dissertation for Candidate of Science Degree in Specialty 05.14.02 "Power plants, networks and systems" (14 – Electrical Engineering) – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to improving energy efficiency and reducing electric power loss in auxiliary systems of thermal power plants by means of applying group frequency regulation of induction motors that drive auxiliary mechanisms. The following tasks were set to achieve the goal: – to study auxiliary power consumption structure in thermal power plants as function of their operation; – to analyze the available parameter regulation methods widely applied to thermal power plant auxiliaries driven by induction motors; – to develop mathematical models of the main auxiliary mechanisms of thermal power plants as load on electric drive taking into consideration various techniques of the mechanisms operation parameter regulation; – to study feasibility of group control application to thermal power plant auxiliaries that are driven by induction motors; – to develop techniques for specifying optimal group frequency of the induction motors supply voltage under group control of the thermal power plant auxiliaries that take into account operation conditions of the group auxiliary consumer; – to work out practical recommendations for implementation of the dissertation research results in Kharkiv Combined Heat-and-Power Plant 3 aiming at improving energy efficiency of the plant auxiliary system. The object of research is physical processes occurring in electrical and electromechanical equipment of thermal power plant auxiliary systems. The subject of research is parameters and characteristics of the main auxiliary power consumers of thermal power plants. Research methods. The dissertation research is based on the system approach to conducting theoretical and experimental investigations that employs mathematical modeling, numerical techniques for solving nonlinear equations, the least square method for approximation of tabulated ratings of centrifugal mechanisms, linear interpolation of discrete data sets for specifying characteristics of thermal power plant permanent equipment, discrete multivariable search for determining maximum efficiency values when solving an optimal control parameter problem for centrifugal mechanisms driven by induction motors, statistics methods for analysis of auxiliary power consumption structure in thermal power plants. The following scientific results are obtained in the dissertation research: – Mathematical models of thermal power plant auxiliary mechanisms have been advanced, as compared with the available models, to allow conducting detailed analysis and obtaining the general characteristic of auxiliary power consumption in thermal power plants under various operation conditions. – The basic principles of energy-saving measures realization in thermal power plants through grouping auxiliary electricity consumers with close operating modes have been substantiated, which allows reducing investments in energy efficiency under the plant auxiliary systems renovation and modernization. – A technique for determining power consumption of thermal power plant auxiliary group consumer that takes into account the applied parameter regulation method has been introduced, which allows specifying the general energy saving potential for the plant auxiliaries. – A technique for determining the optimal group frequency of induction motor supply voltage for different groups of thermal plant auxiliaries that takes into consideration operation conditions and weighted average efficiency of the auxiliary group consumer has been developed, which allows noticeably reducing auxiliary power consumption in thermal power plants. The dissertation has been performed according to the research plans of the Department of Electric Power Stations in the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" (NTU "KhPI") and under Ministry of Education and Science of Ukraine Research Project DR № 0115U000528 "Development of theory and scientific-and-methodological basics for creation and modernization of turbogenerators that meet state-of-the-art requirements of the Power System of Ukraine". The project was performed jointly with the NTU "KhPI" Department of Electric Machines.