Elektrická část elektráren

Transkript

1 Elektrická část elektráren Jan Švec Katedra elektroenergetiky, Fakulta elektrotechnická ČVUT, Technická 2, Praha 6

2 Statistika výroben Jednotka Výroba elektřiny celkem GWh parní elektrárny GWh jaderné elektrárny GWh spalovací elektrárny GWh vodní elektrárny GWh větrné elektrárny GWh solární elektrárny GWh Celkový instalovaný výkon MW parní elektrárny MW jaderné elektrárny MW spalovací elektrárny MW vodní elektrárny MW větrné elektrárny MW solární elektrárny MW Zdroj: ČSÚ

3 Kvalita elektrické energie Vyrobená elektrická energie musí splňovat požadavky na její kvalitu plynoucí především: Z požadavků distributora (DSO) např. PPDS příl. č. 4 Z požadavků přenosové soustavy (TSO) např. Kodex ČEPS Proč? Distributor je povinen dodávat el. energii dle ČSN EN resp. PNE zákon 458/2000 Sb. a související právní předpisy To klade pro výrobny požadavky na zejména: Frekvenci Úroveň velikosti napětí Podíl vyšších harmonických napětí Podíl nesymetrie napětí Kompenzaci jalového výkonu => Realizace kvalitoměry

4 Hospodárnost a spolehlivost elektrické energie Požadavky na spolehlivost plynou opět: Z požadavků distributora (DSO) např. PPDS příl. č. 4 Z požadavků přenosové soustavy (TSO) např. Kodex ČEPS Proč? ČSN EN resp. PNE tržní mechanismy + zákon 458/2000 Sb. a související právní předpisy To klade pro výrobny požadavky na zejména: Regulaci činného výkonu Regulaci jalového výkonu Schopnost startu ze tmy Schopnost ostrovního provozu => Realizace PpS (TSO), řízení z dispečinků DSO (pokud jsou na to dispečinky vybaveny )

5 Hlavní požadavky: Topologie schémat Spolehlivost a bezpečnost - zálohovatelnost napájení pro zařízení VS - zálohovatelnost při vyvedení výkonu - bezpečnost při manipulacích, údržbě a revizích - schopnost najetí ze tmy, ostrovního provozu - schopnost bezpečného odstavení elektrárny Operativnost - možnost výměny zařízení bez narušení běžného provozu Hospodárnost provozu - možnost vyvést výkon způsobem, který minimalizuje ztráty v DS / PS

6 Topologie schémat Hlavní rozvodna v elektrárně a) žádná Vyvedení výkonu je realizováno pomocí přímých vedení do blízké rozvodny v majetku distributora přípojnicový odpojovač vývodový odpojovač příčný spínač přípojnic

7 Topologie schémat Hlavní rozvodna v elektrárně b) jednoduchý systém přípojnic (jednosystémová r.) Vyvedení výkonu je realizováno do jednosystémové rozvodny větš. typu H vývodový odpojovač přípojnicový odpojovač podélný spínač přípojnic

8 Topologie schémat Hlavní rozvodna v elektrárně c) dvojitý systém přípojnic (dvousystémová r.) Vyvedení výkonu je realizováno do dvousystémové rozvodny, která v běžném stavu rozděluje dvě uzlové oblasti vývodový odpojovač přípojnicový odpojovač příčný spínač přípojnic

9 Topologie schémat Schéma bloku a) bez generátorového vypínače Nutný najížděcí transformátor i pro poruchové stavy. Levné, přehledné schéma. Bylo uplatňováno pro bloky menších výkonů blokový transformátor odbočkový transformátor

10 Topologie schémat Schéma bloku b) s generátorovým vypínačem za odbočkou VS Nutný najížděcí transformátor i pro poruchové stavy. Možnost provozu do VS i při poruše na blok. trf. Užívá se u JE blokový transformátor odbočkový transformátor

11 Topologie schémat Schéma bloku c) s generátorovým vypínačem před odbočkou VS blok. trf využíván k najíždění bloku Přesto se doplňuje rezervní najížděcí transformátor pro více bloků. Užívá se u bloků velkých výkonů blokový transformátor odbočkový transformátor

12 Topologie schémat Schéma bloku d) s generátorovým vypínačem před i za odbočkou VS Kombinuje výhody b) i c) blokový transformátor odbočkový transformátor

13 Topologie schémat Schéma bloku e) s generátorovým vypínačem + 2 x trf. VS Zvýšená spolehlivost. Použití u velkých JE (kritérium n-2) blokový transformátor odbočkové transformátory

14 Schéma bloku Topologie schémat f) s generátorovými vypínači + 2 x trf. VS i BT blokové transformátory odbočkové transformátory

15 Vlastní spotřeba = Spotřeba elektrické energie při výrobě v hlavních i pomocných provozech elny Doprava a úprava paliva + ostatních médií nutných pro výrobu (např. vápenec, mazací olej ) Čerpání napájecí, chladící, (příp. topné) vody vč. úpravy Odsíření spalin Doprava a zpracování vedlejších energetických produktů (VEP) Ventilace vzduchu a spalin Buzení generátoru, napájení ŘS, ochran Poznámka: V některých provozech je jako zdroj energie použita technol. pára (např. turbonapaječky, parní oběhová čerpadla apod.)

16 Vlastní spotřeba Podíl VS podle typu technologie Klasická uhelná elektrárna 7-11% (je-li použita turbonapaječka 4-6%) Paroplynová elektrárna 5-6% (je-li použita turbonapaječka 2,5 3,5%) Jaderná elektrárna 6-7% Vodní, fotovoltaická elektrárna >1% Podíl spotřeby elektrické energie pro VS ovlivňuje: užití jiné formy energie (technol. pára) kvalita a dostupnost použitého paliva pracovní bod výrobního bloku a s tím související celková účinnost teplárenský provoz poruchovost a účinnost zařízení Poznámka: U obnovitelných zdrojů ještě také to, co je jako VS vykázáno (viz. problematika výkaznictví)

17 Vlastní spotřeba Vlastní spotřeba musí zajistit bezpečné a spolehlivé spouštění => zajištění dostatečné transformační kapacity => nesmí dojít k nepřípustným poklesům napětí provoz => záložní napájení technologických rozvoden => minimální četnost odstavování reaktoru u JE odstavování Při doběhu je nutné zajistit napájení všech zařízení, jejichž nefunkčnost by způsobila velké škody na technologii => dochlazování jaderného reaktoru u JE => čerpadla mazacího oleje do turbíny => napáječka / nouzová napáječka u TE => měření, ochrany a ŘS

18 Vlastní spotřeba Proto podle důležitosti spotřebičů dimenzujeme pro všechny projektové stavy a poruchy tři nezávislé zdroje* napájení: pracovní => pro běžný bezporuchový provoz záložní => při výpadku pracovního napájení, s časovou prodlevou Bloková rozvodna, rozvodna společné VS, další důležité technol. rozvodny Pozn. pro méně důležité technol. rozvodny se někdy používá systém 2 ze 3, 3 ze 4 apod. zajištěné => bezvýpadkové (usměrňovač + baterie / střídač) stř. ŘS, ochrany a měření, nouzové osvětlení, olejová čerpadla, přístroje v rozvodně (230 V AC) ss. ochrany, ss. olejová čerpadla, ss. nouzové osvětlení (110 nebo 220 V DC) * myšleno napájecí cesty

19 Vlastní spotřeba VS velkých i středních elektráren nikdy nespojujeme s generátorem přímo, ale přes odbočkový transformátor! Důvody: 1) Rozdílná hladina napětí 2) Velký zkratový proud v odbočce 3) Značný proud zemního spojení v rozvodech VS

20 Topologie schémat VS Elektrárna s více bloky základní principielní schéma napájení - Vlastní spotřeba bloku (VSB) - Společná vlastní spotřeba (SVS) záskokový transformátor blokový transformátor odbočkový transformátor

21 Příklady schémat VS Konvenční elektrárna x110 MW

22 Příklady schémat VS VS jaderné elektrárny Dukovany

23 Příklady schémat VS VS jaderné elektrárny Temelín

24 Rekapitulace: Najížděcí zdroje Příklady schémat VS Pracovní zdroje

25 Příklady schémat VS Záložní zdroje Nouzové zdroje (zdroje zajištěného napětí)

26 Výpočet velikosti zdrojů VS Výkon pracovních, najížděcích resp. záložních zdrojů se stanovuje na základě součtového výkonu všech spotřebičů tj. S P = Pni i. β cosϕ s koeficientem náročnosti nosti kv. ks β = η. η m Koeficient současnosti k S = i i P P Si ni S n Koeficient využití k V = i i P P i Si ηm ηs Střední účinnost spotřebičů při daném využití Účinnost napájecí soustavy od místa napojení VS Pozn. Místo středních hodnot jsou někdy tyto koeficienty uvedeny pro každý spotřebič zvlášť

27 Výpočet velikosti zdrojů VS Jmenovitý výkon napájecího zdroje musí být potom: S Z S P Dále musí být splněno: - napětí na svorkách elektromotorů musí být podle ČSN v rozmezí Un ± 5% - min. pokles napětí při spouštění největšího spotřebiče nemá klesnout pod 0,85 Un, nesmí však klesnout pod 0,8 Un - min. pokles napětí spouštění skupiny spotřebičů nesmí klesnout pod 0,65 Un, Pro záložní zdroje navíc: - jeden záskok. transformátor pro dva bloky, dva pro více bloků - Každý záskok. trf. musí zajistit současně běžný provoz jednoho bloku + chod druhého bloku naprázdno + 50% SVS + u JE navíc odstavení druhého bloku

28 Výpočet velikosti zdrojů VS Kontrola velikosti zdrojů pro VS: Kontrolují se napěťové poměry + volba převodu trf.: - při běžném provozu - při spouštění největšího spotřebiče - při spouštění skupiny (resp. skupin) spotřebičů Současně je nutné zkontrolovat nastavení ochran pro mimořádné provozní stavy!

29 Spouštění největšího spotřebiče Zdroj musí být dostatečně tvrdý a vyhovět i potřebným zkratovým výkonem: u S S ks Celková zátěž bude: x Z = x x VS VS. x + M x M kde x M je náhradní reaktance motoru při rozběhu xvs x T u M x M S nt zvolíme-li jako vztažný jmenovitý výkon trf. : x M = 1 S. nt i S zm nm rozběhový (záběrný) proud motoru i VS i M Náhradní reaktance předběž. zatížení VS: x VS = 1 sinϕ VS S. S nt VS

30 Volba elektromotorů pro pohony VS Specifické požadavky související s provozem, spolehlivostí, hospodárností a údržbou: - Zajištění dostatečného výkonu při jmenovitém i přechodných stavech - Momentová charakteristika umožňující plynulý rozběh - Schopnost provádět i tři déletrvající těžké rozběhy při studeném stavu (40 C) - Schopnost provádět dva rozběhy zahřátého motoru (120 C) /pozn. ŘS např. blokuje druhý start 1 min., třetí start 1 hod./ - Obecně vysoká spolehlivost při častých rozbězích ( x ročně) - Monitoring životnosti a stavu zařízení - Pokud lze, záběrový proud do 5,5xIn - Schopnost pracovat při sníženém napětí (~0,7 Un) - Maximální moment motoru více jak 2xMn - Hlučnost do 85 db /pozn. závisí na okolnostech tj. blízkost průmyslové zóny a zástavby, synergie hluku elny a okolních komunikací apod. hlukové studie, měření hluku / => Asynchronní motory s kotvou nakrátko

31 Volba elektromotorů pro pohony VS Volba napětí elektromotoru: - Pro pohony do 250 kw se používá napětí 400V (výjimečně do 350 kw napětí 500V), pro vyšší výkon se volí vn (typické 6,3 kv, ale dnes i hladiny jako 1,5 a 3 kv). Kromě provozních ztrát ještě hledisko vysokého přepětí při vypínání malých induktivních proudů na hladině vn Výkon elektromotoru: - Volí se 1,1 1,15 x příkon poháněného zařízení + zohlednění výše uvedených požadavků (doba a plynulost rozběhu). Max. výkon ASM je cca 10 MW, což postačí i jako napaječka u 500 MW bloku

32 Rozběh elektromotoru Typické doby rozběhů:

33 Typické hodnoty Odpovídají parametrům bloku 200 MW Vysokým nárazovým proudům při rozběhu elektromotoru se předchází: - Spouštění pomocí přepínání hvězda-trojúhelník - Softstartéry (regulují napětí na svorkách, tak aby snížily proudový ráz) - Frekvenční měniče (regulují frekvenci a tím i synchronní otáčky a momentovou charakteristiku) => Rozběh je plynulejší, ale i pomalejší

34 Chránění elektromotorů Menší motory na nn: Jistič nebo stykač s bimetal. relé u motorů s dlouhým rozběhem nutno nadproudovou ochranu kombinovat s tepelnou ochranou (teplotní čidlo nebo tepelný model) Motory větších výkonů: Digitální multifunkční ochrany vybavené řadou dalších funkcí jako - Nesymetrie - Podpětí/Přepětí - Zpětná wattová - Sled fází

35 Druhy zkratových proudů 2. I k 3 1 = t 2 i. dt 2. I k i p k 3 I ke k t k 0 2.II 2. k 3

36 Alternátory Pro elektrárenské aplikace se využívají: - Synchronní stroje s hladkým rotorem (dvou nebo čtyřpólové) pro parní turbíny s výkony až 1000 MW - Synchronní stroje s vyniklými póly (mnohapólové) pro vodní elny s výkony až stovky MW - Asynchronní stroje s kotvou nakrátko - Asynchronní stroje s dvojitě napájeným vinutím (DFIG) s výkony až 10 MW pro VTE Turbostroje Hydrostroje DFIG

37 Alternátory Konstrukce: Ventilační kanály Rotor Vzduchová mezera Vinutí statoru Magnetické póly Stator Směr otáčení rotoru

38 Volba parametrů alternátoru Jmenovitý výkon: Odvíjí se od výkonu turbosoustrojí tj. 63 MVA / 125 MVA / 235 MVA / 588 MVA / 1176 MVA Jmenovité napětí: Volí se s ohledem na In, parametry izolace a chránitelnost bloku+části soustavy, do které je zapojen Orientační tabulka s typickými hladinami Un: Pn do 50 MW Un 6,3 kv MW 10,5 kv MW 13,8 kv MW 15,75 kv 1000 MW Temelín 24 kv Pozn. V současné době již napěťové hladiny nejsou v ČR pevně dány, ale závisí i na std. a značné přizpůsobivosti výrobců

39 Regulace U-Q

40 Regulace P-f

41 Budící systémy Skládají se z: - Systém zdroje budícího proudu - Systém regulace buzení - Systém odbuzování Požadavky: - Vysoká provozní spolehlivost - Plynulá a rozsáhlá regulace budících proudů a napětí (až 2.Ufn) - Dostatečná rychlost změny budícího napětí - Dostatečná rychlost odbuzení Detail ss napájení přes kroužky

42 Zdroje budícího proudu Dle provedení: - S rotačním budičem (dynamo) - Statický systém vyvedený na kroužky - Statický systém v rotoru - Systém s permanentními magnety (pouze malé aplikace) Dle napájení: - Odbočkou ze svorek generátoru přes trf. buzení - Nezávislý zdroj (např. pomocný budič ss dynama) Rotační budič (s pom. budičem) Bezkartáčový tyristorový systém integrovaný v rotoru

43 Fázování alternátoru Průběh připojení generátoru k síti: Soustrojí turbína-generátor se uvede na jmenovité otáčky, nabudí na jmenovité napětí, přifázuje a poté se uvede na požadované hodnoty P a Q. Přifázování musí být provedeno s minimálními proudovými a momentovými rázy, které jsou dány zejména: - různým sledem fází generátoru/sítě - různou velikostí napětí generátoru/sítě - různým fázovým rozdílem napětí generátoru/sítě - různou frekvencí generátoru/sítě Tyto podmínky nelze splnit naprosto přesně, tolerované odchylky jsou následující: Sled fází: Nutno dodržet, kontrola sledu fází je dnes součástí každé multiunkční digitální ochrany bloku