Наиболее важными из всех электропотребителей являются двигатели ответственных механизмов собственных нужд (с. н.) тепловых электростанций. Ответственными механизмами с. н. являются механизмы, прекращение работы которых вызывает остановку котлов или турбин, следствием чего является остановка генератора и в ряде случаев всей станции. К ответственным механизмам с. н. тепловой электростанции относятся питательные насосы, дымососы, дутьевые вентиляторы, циркуляционные насосы, насосы регулирования турбин и др.
Для привода ответственных механизмов с. н. ТЭЦ применяются в основном асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В некоторых случаях при. большой мощности применяются синхронные двигатели.
Мельницы, как правило, являются менее ответственными механизмами. Двигатели мельниц оборудуются защитой минимального напряжения с выдержкой времени примерно 0,5 с. Однако после отключения близкого к. з. быстродействующей защитой они могут участвовать в самозапуске, так же как и после АВР с ускоренным действием (§ 6-2).
Действующими «Нормами технологического проектирования тепловых электрических станций», разработанными Теплоэлектропроектом, предусматривается самозапуск двигателей ответственных механизмов. Для этого на секциях с. н. устанавливаются устройства АВР, действующие с выдержкой времени от пускового органа минимального напряжения на отключение выключателей рабочего ввода (или трансформатора). После отключения рабочего ввода секция включается на резервный источник питания без выдержки времени. Для ускорения действия АВР выключатель рабочего ввода секции с. н. может отключаться без выдержки времени при отключении блока, закрытии стопорного клапана турбины, отключении АГП генератора.
В качестве основных расчетных условий, при которых должен обеспечиваться самозапуск двигателей ответственных механизмов с. н., принимаются следующие:
а) перерыв питания на шинах с. н., обусловленный суммарным временем действия защиты, автоматики и коммутационной аппаратуры, должен быть кратковременным — не более 2,5 с;
б) все двигатели несут нагрузку, близкую к номинальной, и нагреты до установившейся температуры;
в) снижение скорости вращения механизмов определяется для индивидуального и группового выбега двигателей;
г) мощность резервного трансформатора с. н. станции с поперечными связями в тепловой части должна быть равна 1,5 мощности наиболее крупного трансформатора или реактора, установленных в качестве рабочего источника питания с. н.;
д) мощность резервного трансформатора блочных электростанций должна обеспечивать замену рабочего трансформатора одного блока и одновременный пуск или аварийный останов второго блока;
е) предельное время самозапуска двигателей ответственных механизмов по условиям устойчивости технологического процесса составляет для блочных станций высокого давления 18 с, блочных станций высокого давления с поперечными связями в тепловой части 25 с, станций среднего давления 35 с.
Характеристики моментов сопротивления ответственных механизмов с. н. при разгоне и выбеге можно считать примерно одинаковыми.
Характеристики моментов сопротивления насосных агрегатов типов 5Ц10, Ц3430, СВП-220-280, П7-600-300 и др., наиболее часто применяемых на тепловых электростанциях, которые были получены в результате испытания, позволяют получить усредненную характеристику в следующем виде:
а) до открытия обратного клапана — как функцию квадрата угловой скорости /ηΟι~0,6ο)2 (без учета статического момента трогания);
б) после открытия обратного клапана при скорости вращения насоса примерно 0,75—0,85 и более — пропорционально примерно кубу угловой скорости mc2≈0,95ω3.
В ряде случаев для регулирования скорости вращения питательных насосов применяются гидравлические муфты, при наличии которых момент инерции ротора агрегата и τi увеличивается примерно в 5 раз, что изменяет процессы выбега и самозапуска. Характеристика момента сопротивления в области изменения угловой скорости от 0,75 до номинальной остается примерно такой же, как и без гидромуфты.
В качестве привода для питательных электронасосов используются двухполюсные двигатели серин ATM, АТД (асинхронные) и СТМ, СТД (синхронные).
Для асинхронных двигателей при номинальном напряжении mм=2,2—2,8 в зависимости от типа и мощности двигателя. Скольжение, соответствующее максимальному моменту, для всех двигателей примерно одинаково и составляет sm≈0,05. Недостатком характеристик двигателей при U=1 (отн. ед.) является резкое снижение момента (до единицы и менее) при скольжении примерно 0,2, т. е. в точке открытия обратного клапана. Это может привести к «застреванию» двигателя при напряжении на зажимах статора, равном 0,7Un и ниже.
Характеристики синхронных двигателей являются более благоприятными с точки зрения самозапуска. Средний асинхронный момент при номинальном напряжении двигателей, как правило, равен 2,0mн и более. В области малых скольжений характеристики асинхронных моментов достаточно жесткие, что способствует быстрому вхождению двигателей в синхронизм.
Характеристики моментов сопротивления дымососа и дутьевого вентилятора имеют вентиляторный характер, т. е. пропорциональны квадрату частоты вращения. Для привода дымососов и дутьевых вентиляторов применяются асинхронные двухскоростные двигатели типа ДАЗО. Двигатели имеют максимальные вращающие моменты, при номинальном напряжении примерно равные 2,4— 2,8mн (меньшая цифра относится к двигателю дымососа). В обоих случаях sM = 0,05 отн. ед. Дутьевой вентилятор и дымосос имеют наибольшие времена ускорения из всех агрегатов с. н. тепловой электростанции, вследствие чего электродвигатели этих механизмов при групповом выбеге являются генераторами активной мощности, т. е. способствуют меньшему торможению остальных двигателей ответственных механизмов (§ 2-3).
В качестве циркуляционных насосов, как правило, применяются осевые одноступенчатые поворотно-лопастные вертикальные насосы типа ОП. Расчеты и практические исследования показывают, что характеристики моментов сопротивления насосов очень близки к вентиляторной характеристике. Для привода циркуляционных насосов применяются вертикальные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором типа ВДД, имеющие при номинальном напряжении примерно двукратный максимальный вращающий момент. На некоторых тепловых станциях для привода циркуляционных насосов устанавливаются синхронные двигатели типа ВДС. Асинхронные характеристики двигателей типа ВДС примерно соответствуют характеристикам вращающих моментов асинхронных двигателей типа ВДД.
Рис. 5-3. Самозапуск двигателей с. н. блока 100 МВт тепловой электростанции при отсутствии форсировки напряжения трансформатора с. н.
1ПЭН — первый питательный электронасос; 2ПЭН — второй питательный электронасос; ЦН — циркуляционный насос; Д — дымосос; ДВ — дутьевой вентилятор; БН — багерный насос; М — мельница.
Процессу самозапуска, как правило, предшествует выбег двигателей с. н. При индивидуальном выбеге наибольшее понижение частоты вращения наблюдается у циркуляционных и питательных насосов, наименьшее— у тягодутьевых механизмов. Например, через 2,5 с после отключения питания циркуляционные и питательные насосы; работающие в нормальном технологическом режиме, снижают свои частоты вращения до 0,45 и 0,6 номинальных соответственно. Дымосос и дутьевой вентилятор при этом понижают частоту вращения только до 0,86 и 0,95 номинальной. При таком режиме горение факела котла практически не меняется, однако давление питательной воды снижается более чем в 3 раза, обратный клапан закрывается, котел работает только за счет аккумулирующей емкости (если нет поперечных связей в тепловой части).
При исчезновении питания со стороны питающего трансформатора (без предшествующего к. з. или с отключением предшествующего к. з. быстродействующими защитами) при наличии только асинхронных двигателей выбег всех двигателей происходит практически индивидуально (взаимное влияние двигателей сказывается лишь в начальный момент). Если в выбеге участвуют синхронные двигатели, выбег будет групповым практически в течение всего перерыва питания. В случае выбега только асинхронных двигателей частота вращения циркуляционных и питательных насосов, работающих с нормальными технологическими загрузками, снизится до 0,75 и 0,8 номинальных соответственно, а частота вращения дымососов п дутьевых вентиляторов — до 0,92 и 0,86 пн. При наличии синхронных двигателей частота вращения всех двигателей снизится примерно до 0,84пн, что практически не отразится на работе котельного агрегата.
Практические исследования и расчет самозапуска, проведенные ВНИИЭ, ОРГРЭС, МЭИ и другими организациями, показали, что самозапуск двигателей с. н. станций при времени отключения электропитания 2,5 с и менее в большинстве случаев является успешным. Время самозапуска не превышает 10с, технологический процесс станции не нарушается. В начале самозапуска разворачиваются менее загруженные двигатели, имеющие малое время ускорения, затем более загруженные с малыми временами ускорения (циркуляционные, конденсатные и багерные насосы), менее загруженные агрегаты с большими временами ускорения, питательный насос (вследствие снижения характеристики вращающего момента при скольжении, примерно равном 20%) и дымосос.
При более длительных перерывах питания электродвигателей (до 5—6 с), вызванных, например, отключением трансформатора блока на стороне высокого напряжения, самозапуск двигателей может быть неуспешным и топка котла может погаснуть. Режим растопки котла после его аварийного останова является достаточно длительным процессом (8—12 ч и более). В подобных случаях необходимо применять специальные мероприятия, улучшающие условия самозапуска.
Одним из эффективных мероприятий является повышение напряжения на секции с. н. в процессе самозапуска двигателей. В качестве примера могут служить два опыта, проведенные на блоке 100 МВт одной из действующих конденсационных станций по влиянию форсировки напряжения трансформатора типа ТДАН 10000/32-10,5±4X2,5/6,3 кВ на процесс самозапуска двигателей с. н. Опыты проводились с перерывом питания примерно 5с в обоих случаях при двух работающих питательных насосах и напряжении перед началом опытов, равном 0,97U. По типам двигателей, участвующих в самозапуске, опыты отличались незначительно.
Нагрузка трансформатора во втором опыте была выше, чем в первом, примерно на 22% (в первом случае 0,83Uн; во втором — l,05Uн). Однако, несмотря на меньшую нагрузку трансформатора и меньшее число присоединенных двигателей, самозапуск в первом опыте, без форсировки напряжения, был неуспешным (рис. 5-3) — двигатели питательных насосов не смогли развернуться до угловой скорости, большей 0,75 номинальной, и препятствовали самозапуск остальных двигателей.
Рис. 5-4. Самозапуск двигателей собственных нужд блока 100 МВт тепловой электростанции при наличии форсировки напряжения трансформатора с. н. Обозначения см. на рис. 5-3.
Напряжение на шине с. н. при этом оставалось равным 0,6Uн. Только после отключения одного из питательных насосов мощностью 2000 кВт спустя 14 с после начала самозапуска напряжение на секции начало восстанавливаться, и последовательно закончили самозапуск двигатели циркуляционного насоса, дымососа и питательного насоса.
Во втором опыте с форсировкой напряжения в процессе самозапуска (рис. 5-4) нормальная работа всех двигателей секции восстановилась за 20,5 с.
