4.       "Zavisnost pobudne struje i gubitaka snage u sinhronim generatorima Termoelektrana "Nikola Tesla" od nivoa reaktivnih opterećenja",


Urađeno za:       PD Tent Obrenovac


Rukovodilac:      Dr Miloje Kostić, dipl. ing.

Saradnik:           Igor Belić, dipl. ing.


Poznato je da rad generatora sa faktorom snage cosjG @ cosjGn predstavlja opasnost od havarijskih isključenja pošto je rezerva u reaktivnoj snazi mala. Manje je poznato da je rad bloka generator‑transformator, u tom režimu, praćen i sa relativno velikim gubicima snage (DPCu/DQG =1.2‑1.5%, ili 12-15 kW/Mvar), i da su isporuke reaktivne snage praćene većim jediničnim gubicima snage u generatoru (kW/Mvar), u odnosu na odgovarajuće gubitke po jedinici aktivne snage (kW/Mvar). Pri tome 60-70% tih gubitaka otpada na gubitke u pobudnom namotaju (rotoru) generatora. Gubici snage u rotoru su veći što je mašina zasićenja, pa npr. oni čine više od 1/3 ukupnih gubitaka u generatoru snage 620 MW u TENT-u B, a time i više od 2/3 gubitaka opterećenja u istom.

Predmet analiza su sve komponente gubitaka opterećenja u blokovima generator-transformator Termoelektrane "Nikola Tesla" u Obrenovcu, i to:

-         Gubici u namotaju statora generatora (PCu,s),

-         Dodatni gubici snage u generatoru (Pd-G),

-         Gubici u namotaju pobude (rotora) generatora (Pf), kao i

-         Gubici opterećenja u blok-transformatoru (PγT,opt),

kao i promene ovih gubitaka, pošto se oni bitnije povećavaju sa rastom reaktivnih opterećenja bloka. Promene navedenih gubitaka se određuje preko vrednosti dodatnih (marginalnih) povećanja gubitaka snage kako je to uobičajeno u energetskim analizama kada su u pitanju gubici snage u namotajima transformatora i vodovima mreža. Na osnovu zavisnosti navedenih komponenti gubitaka od reaktivnih opterećenja, PCu,s(Q), Pd-G(Q), Pf(Q) i PγT,opt(Q), utvrđuju se odgovarajuće promene marginalnih gubitaka snage u namotaju rotora DPCu,s/DQ, DPd-G/DQ, DPf/DQ i DPγT,opt/DQ , za P=const i UG=const.

Naime, poznato je da su povećanja gubitaka opterećenja u namotajima statora i blok transformatora, kao i povećanja dodatnih gubitaka snage u generatoru i transformatoru, srazmerna povećanju odgovarajuće prividne snage koje, npr. iznosi 17.6% (tj. 100/cosφ-100), kada se reaktivna snaga poveća od nulte (Q=0) do nominalne vrednosti (Q=Sn·tgφn). Retko se navodi da su odgovarajuća povećanja gubitaka snage u namotaju pobude znatno veća. Pokazaće se da odgovarajući priraštaj gubitaka u namotaju pobude premašuje zbirne priraštaje obe grupe navedenih gubitaka opterećenja u namotaju statora i blok transformatora. Tako reaktivna opterećenja generatora značajno utiču na povećanje gubitaka snage u generatorima a time i na povećanja temperature pojedinih delova, kao i na značajno opterećenje sistema za hlađenje, pa i na eventualne teškoće u funkcionisanju tih sistema. Posebno je taj uticaj veliki kada je u pitanju rotor jer povećanje gubitaka u namotaju pobude zbog reaktivnih opterećenja premašuje odgovarajuće gubitke u režimu aktivne snage (Pn, Q=0). Iz tog razloga je u ovoj studiji posebna pažnja posvećena određivanju gubitaka snage u pobudnom namotaju generatora.

Iako je uobičajeno da se reaktivna opterećenja karakterišu preko faktora snage , eksplicitnije je, kada su u pitanju režimi opterećenja turbogeneratora, da se režimi opterećenja karakterišu preko koeficijenta tgφ=Q/P, odnosno preko relativne vrednosti reaktivne snage q=Q/Qn, pošto se najčešći režimi sa nominalnim aktivnim opterećenjem PG=Pn (ili sa PG ≈ Pn), pri čemu promene reaktivnih opterećenja idu od 3-100% Qn. Tako generatori u TENT B rade u noćnim satima sa Q=10‑40 Mvar (ili sa 3-10%Qn), da bi već u popodnevnim satima bili opterećeni sa 340-380 Mvar (ili sa 90-100%Qn), dok se aktivna opterećenja malo menjaju, 590-620 MW (ili od 95-100% Pn). U toku rada na ovoj studiji, potvrđene su naše pretpostavke da je prikladnije da se odrede Zavisnosti pobudne struje od reaktivnih opterećenja generatora If=fQ (QG), pri datim vrednostima napona (UG=const) i aktivnih opterećenja (PG=const), umesto uobičajenih zavisnosti- karakteristika regulacije If=fI(IG), pri stalnim vrednostima napona (UG=const) i faktora snage (cosφ=const). Naime, iz zavisnosti If=ff(QG) se eksplicitno vidi kako promene reaktivnih opterećenja utiču na promenu vrednosti pobudne struje i vrednosti napona generatora, što se ne može reći za zavisnost If=fI(IG).

Proračun gubitke snage u namotaju pobude (rotoru) uključuje i proračun odgovarajućih marginalnih gubitaka snage (DPCu/DQG). Za to je bilo potrebno utvrditi marginalne promene struje pobude, za zasićenu mašinu, pri radu generatora sa različitim aktivnim i reaktivnim opterećenjima. Razvijen je odgovarajući (originalni) "Postupak za određivanje povećanja struje pobude zbog promena fluksa rasipanja pobudnog namotaja pri opterećenju sinhrone mašine", usled dodatnog zasićenja magnetnog kola mašine na delu rotora (Δif, r), koji je detaljno prikazan u posebnom poglavlju 2. Suština je da se prvo utvrđuje faktor povećanja komponente pobudne struje (Cf=Δif,r/Δif,s). Rezultati proračuna, na osnovu velikog broja eksperimentalnih podataka za svaki od generatora, pokazuju da je odnos vrednosti Δif,r/Δif,s≈const (približno stalan) za svaki od datih generatora u području analiziranih opterećenja, gde je Δif,s-povećanje struje pobude zbog dodatnog zasićenja magnetnog kola mašine na delu statora, koje se određuje iz karakteristike praznog hoda, if0(e). Postupak proračuna zavisnosti pobudnih struja od reaktivnih opterećenja se zasniva na utvrđenim vrednostima pomenutog parametra (Cf), čije su vrednosti određene za razmatrane generatore.

U ovom kratkom prikazu predmeta i ciljeva Studije se navode postupci koji su korišćeni u radu, uz naglašavanje jednog novog metoda kako bi se skrenula pažnja na isti, ali i da bi se ukazalo na potrebu da se što potpunije oceni. Zatim se navode najvažniji rezultati proračuna i analiza, i na osnovu njih se izvode zaključci, odnosno daju određeni predlozi.

1.1. Predmet proračuna i analiza su komponente gubitaka opterećenja u svim blokovima generator-transformator Termoelektrane "Nikola Tesla" u Obrenovcu, i to:

-         Gubici u namotaju statora generatora (PCu,s),

-         Dodatni gubici snage u generatoru (Pd,G), i

-         Gubici u namotaju pobude (rotora) generatora (Pf),

odnosno ukupni gubici opterećenja u generatoru (PγG,opt), koji predstavljaju zbir navedenih komponenti.

Određeni su i analizirani

-         Gubici opterećenja u blok-transformatoru (PγT,opt),

odnosno ukupni gubici opterećenja u bloku generator-transformator (PγG-T,opt), koji se određuju kao zbir gubitaka opterećenja u generatoru (PγG,opt) i gubitaka opterećenja u blok-transformatoru (PγT,opt).

1.2. Na osnovu zavisnosti navedenih komponenti gubitaka od reaktivnih opterećenja, Pf (Q), PCu,s (Q), PdG (Q) i PγT,opt (Q); kao i zavisnosti ukupnih gubitaka opterećenja PγG,op t(Q), i PγG-T,opt (Q), utvrđene su odgovarajuće (marginalne) promene datih komponenti gubitaka snage sa promenom reaktivnih opterećenja (kW/Mvar), DPf /DQ, DPCu,s /DQ , DPd,G /DQ , i DPT-opt /DQ, kao i vrednosti (marginalnih) promena ukupnih gubitaka opterećenja DPγG,opt /DQ i DPγG-T,opt /DQ, za P=const i UG=const.

1.3. Proračun gubitke snage u namotaju pobude Pf (Q) uključuje i proračun odgovarajućih marginalnih gubitaka snage (DPf /DQ). Za ovo je bilo potrebno prvo utvrditi marginalne promene struje pobude, za zasićenu mašinu, pri radu generatora sa različitim aktivnim i reaktivnim opterećenjima, ali su za primenu poznatih metoda postojala određena ograničenja. Naime, ni za jedan od generatora nisu dati podaci o vrednostima Potijeove reaktanse (xp) pa nismo bili direktno upućeni da za određivanje vrednosti pobudne struje (if) koristimo Potijeov vektorski dijagram ili Američki dijagram. Za određivanje vrednosti Potijeove reaktanse (xP) nedostajao je podatak o struji pobude za režim reaktivnog opterećenja sa nominalnom strujom (Un, In, cos=0). Uz to, Potijeova reaktansa je fiktivna reaktansa koja daje tačne rezultate samo za jednu radnu tačku, tj. samo za onaj režim za koji je određena (Un, In, cos=0). Kod većine mašina ona daje zadovoljavajuću tačnost ako se koristi za režime sa nominalnim naponom i nominalnom strujom. Greške su veće što se ispitivani režimi više razlikuju od datog referentnog režima. Dodatni problem je i nedovoljna tačnost grafičkih metoda, npr. kada je potrebno utvrditi kako male (marginalne) promene reaktivnih opterećenja (DQ) utiču na promenu pobudne struje (DIf,i=If,i–If,i–1), pošto greške u određivanju vrednosti If,i i If,i–1 mogu dostići iznose tražene razlike DIf,i. To je i bio razlog, da se pokuša sa razvojem nove metode

1.4. Razvijen je odgovarajući (originalni) "Postupak za određivanje povećanja struje pobude zbog promena fluksa rasipanja pobudnog namotaja pri opterećenju sinhrone mašine", usled dodatnog zasićenja magnetnog kola mašine na delu rotora (Δif, r), koji je detaljno prikazan u posebnom poglavlju. Suština je da se prvo utvrđuje faktor povećanje komponente pobudne struje (Cf =Δif,r/Δif,s). Rezultati proračuna, na osnovu velikog broja eksperimentalnih podataka za svaki od generatora, pokazuju da je odnos vrednosti Δif,r/Δif,s ≈ Const (približno stalan) za svaki od datih generatora, gde je Δif,s-povećanje struje pobude zbog zasićenja magnetnog kola mašine na delu statora, koje se određuje iz karakteristike praznog hoda, if0(e). Postupak proračuna zavisnosti pobudnih struja od reaktivnih opterećenja se zasniva na utvrđenim vrednostima pomenutog parametra (Cf), čije su vrednosti utvrđene za razmatrane generatore. Iako je to, unekoliko, analogno postupku povećanja rasipne reaktanse (uvođenju Potijeove reaktanse-XP Xl), ovaj postupak bi mogao da ima neke prednosti. Najvažnija je da su vrednosti faktora Cf utvrđene na osnovu registrovanih opterećenja u području ispitivanih režima, dok se Potijeova reaktansa (XP) uobičajeno utvrđuje za režim reaktivnog opterećenja (Un, In, cosφ =0), tj. režim sa visokim reaktivnim opterećenjem Q=Sn, kada je zasićenje mašine, po pravilu, veće.

1.5. Potvrđene su pretpostavke da je prikladnije da se utvrde Zavisnosti gubitaka snage u pobudnom namotaju od reaktivnih opterećenja generatora Pf=fP (QG), pri datim vrednostima aktivnih opterećenja (PG=const) i napona (UG=const), umesto uobičajenih zavisnosti - karakteristika regulacije If=fI(IG), pri stalnim vrednostima napona (UG=const) i faktora snage (cos φ=const). Za ovo je bilo potrebno prvo utvrditi zavisnosti pobudnih struja od reaktivnih opterećenja generatora If=fQ (QG),

U nastavku slede najvažniji kvalitativni i kvantitativni rezultati.

2.1. Vrednosti struja pobude (If), pri stalnom (nominalnom) aktivnom opterećenju generatora (Pn), i porastu reaktivnih opterećenja od nulte vrednost (Q=0) do nominalnog reaktivnog opterećenja (Qn=Pn·tgφn), se povećavaju:

-         od if =1454 A (Q=0), do if=1930 A (Q=Pn·tgφn=130 Mvar), kada su u pitanju generatori A1 i A2;

-         od if =2690 A (Q=0), do if=3900 A (Q=Pn·tgφn=200 Mvar), kada su u pitanju generatori A3-A6; i

-         od if =3837 A (Q=0), do if=5800 A (Q=Pn·tgφn=383 Mvar), kada su u pitanju generatori B1 i B2.

Navedena povećanja pobudne struje (If) iznose 33% (za A1 i A2), 45% (za A3- A6) i 51 % (za B1 i B2), i znatno su veća od povećanja odgovarajućih prividnih snaga generatora koja iznose 17.6% (tj. 100/co -100), pa su i odgovarajuća povećanja gubitaka snage u namotaju pobude znatno veća od odgovarajućih povećanja gubitaka opterećenja u namotajima statora i blok transformatora, kao i od povećanja dodatnih gubitaka u generatoru i transformatoru.

2.2. Gubici opterećenja čine od 60-70% ukupnih gubitaka u generatorima, i razvrstani su u dve grupe: gubitke koji potiču od aktivnih opterećenja, i gubitke snage koji potiču od reaktivnih opterećenja. Utvrđuje se da:

-         gubici opterećenja u režimu aktivne snage generatora (PnQ=0) iznose od 37.3% (A2), do 37.6% (B2), a

-         dodatni gubici snage u generatorima, koji su posledica reaktivnih opterećenja nominalne vrednosti (Qn ≈ 0.6Pn) idu od 22.3% (A2), do 32.6% za najveći generator (B2),

na osnovu čega se zaključuje da reaktivna opterećenja značajno povećavaju gubitaka u generatorima.

2.3. Uticaj reaktivnog opterećenja je najveći na povećanje gubitaka u namotaju pobude. Tako

-         gubici snage u namotaju pobude u režimu, aktivne snage (Pn, Q=0), iznose 15% (A2), 9.7% (A5) i

13.9% (B2), a

-         dodatni gubici u namotaju pobude, koji nastaju zbog pojave reaktivnih opterećenja nominalne vrednosti (Qn ≈ 0.6Pn), iznose 15.4% (A2), 14.4% (A5) i 23.7% (B2),

pa odgovarajući gubici u pobudnom namotaju (rotoru) po jedinici reaktivne snage (kW/Mvar) premašuju odgovarajuće gubitke u istom po jedinici aktivne snage (kW/MW). Tako su prosečni iznosi tih gubitaka, redom:

-         2.080 kW/MW (za A1 i A2), 1.556 kW/MW (za A3- A6) i 1.932 kW/MW (za B1 i B2), ali i

-         3.461 kW/Mvar (za A1 i A2), 3.571 kW/Mvar (za A3- A6) i 5.312 kW/Mvar (za B1 i B2).

2.4. Prosečne vrednosti ukupnih gubitaka opterećenja (Pf + PCu,s + Pd,G)n u nominalnom režimu, po jedinici aktivne (kW/MW) i jedinici reaktivne snage (kW/Mvar), za date generatore, redom, iznose:

-         5.176 kW/MW (za A1 i A2), 6.103 kW/MW (za A3- A6) i 5.228 kW/MW (za B1 i B2), ali i

-         5.000 kW/Mvar (za A1 i A2), 6.735 kW/Mvar (za A3- A6) i 7.309 kW/Mvar (za B1 i B2),

pa gubici po jedinici reaktivne snage (kW/Mvar) premašuju gubitke po jedinici aktivne snage (kW/MW).

2.5. Utvrđene su vrednosti dodatnih (marginalnih) gubitaka snage po jedinici dodatne reaktivne snage u generatorima, DPγG,opt /DQ (kW/Mvar), u području reaktivnih opterećenja od nulte vrednost (Q=0) do nominalnog reaktivnog opterećenja (Qn=Pn·tgφn). Tako marginalni gubici po jedinici dodatne reaktivne snage već dostižu ili malo premašuju, navedene prosečne iznose pod 2.4, kad reaktivna opterećenja postanu Q=0.7Qn, i imaju dvostruke iznose, već pri nominalnim reaktivnim opterećenjima QQn.

2.6. Marginalni gubici snage u bloku generator-transformator, DPγG-T,i /DQi (kW/Mvar), u nominalnom režimu (Pn, Qn), idu od 9.818 kW/Mvar (za blok A2) do 15.432 kW/Mvar (za blok A5), tj. premašuju granicu od 10 kW/Mvar (ili 1% MW/Mvar. Tek pri reaktivnim opterećenjima Q≤ 0,7Qn, ovi gubicu ulaze u prihvatljive granice ( 10 kW/Mvar). Na osnovu toga se zaključuje, da su reaktivna opterećenja u području od 0.7Qn ÷Qn, iako još u dozvoljenim granicama, ekonomski neopravdana, pogotovu ako su ona zastupljena u dužim vremenskim periodima tako da ukupno traju ≥ 4000 h/god.

2.7. Za dozvoljena reaktivna opterećenja iznad nominalnih vrednosti, Qm4 > Qm3 > Qm2 > Qn (koja su dozvoljena, redom, pri P4=0.85Pn, P3=0.90Pn, i P2=0.85Pn), marginalni gubici opterećenja po jedinici reaktivne snage (DPγG,i /DQi) postaju još veći, tako da kod generatora A5 i B2, postaju > 14 kW/Mvar, pri Q =Qm4. Otežavajuća okolnost je u tome što reaktivna opterećenja generatora značajno utiču na povećanje gubitaka snage u generatorima a time i na povišenje temperature pojedinih delova, kao i na dodatno opterećenje sistema za hlađenje, pa i na eventualne teškoće u funkcionisanju tih sistema. Tako bi za potpunu valorizaciju gubitaka snage u generatorima, trebalo uračunati i indirektne gubitke, kao što su potrošnja energije koja odlazi na pumpe za rashladnu vodi i druge prateće sisteme, odnosno uračunati sve ostale troškove koji su posledica ovih gubitaka.

2.8. Marginalni gubici u bloku generator-transformator (DPγG,i /DQ+DPγT,i /DQ) po jedinici reaktivne snage, kada su reaktivna opterećenja iznad nominalnih-navedene vrednosti Qm4 > Qm3 > Qm2 > Qn, su nešto veći, i iznose 17.138 kW/Mvar (za A3-A6) i16.298 kW/Mvar (za A1-B2).

2.9. Najveće posledice povećanih reaktivnih opterećenja (Qm>Qn) su na smanjenje maksimalno dozvoljene aktivne snage (P < Pn) koju može da razvije generatora. Navedena smanjenja aktivnih snaga (ΔPi =Pn-Pi) su veća od nametnutih povišenja reaktivnih snaga (ΔQi=Qi-Qn). Utvrđeno je da:

- povišenja od 9 Mvar, 16 Mvar i 22 Mvar dovode do smanjenja aktivne snage generatora (ΔPi =Pn-Pi),

redom, za 10 MW, 20 MW i 30 MW, kada je u pitanju blok A2 ( Pn=210 MW, Qn=130 Mvar),

- povišenja od 7 Mvar, 13 Mvar i 19 Mvar dovode do smanjenja aktivne snage generatora (ΔPi =Pn-Pi),

redom, za 15 MW, 30 MW i 45 MW, kada je u pitanju blok A5 ( Pn=305 MW, Qn=200 Mvar), i

- povišenja od 15 Mvar, 29 Mvar i 43 Mvar dovode do smanjenja aktivne snage generatora (ΔPi =Pn-Pi),

redom, za 30 MW, 60 MW i 95 MW, kada je u pitanju blok B2 ( Pn=620 MW, Qn=381 Mvar).

Tako su odgovarajući odnosi tih smanjenja visoki, ΔPi Qi > 1 MW/Mvar (za blokove A1 i A2), i vrlo visoki, ΔPi Qi > 2 MW/Mvar (za blokove A3-A6 i B1-B2).

Na osnovu svih izvršenih analiza predloženo je niz mera:

3.1. Predlaže se da blokovi rade u području reaktivnih opterećenja ≤ 0.7Qn, jer bi se time

-         značajno smanjili gubici snage i povišenja temperature pojedinih delova (a posebno rotora generatora), i

-         povećala bi se rezerva u reaktivnoj snazi, i time bi se smanjila opasnost od havarijskih isključenja.

Za dostizanju tog cilja, predlaže se, npr. uvođenje plaćanja za prekomernu reaktivnu energiju na pragu elektrana, tj. za količine sa Q≥ 0.7Qn ≈ 0.42Pn, ili cosφ ≤ 0.92, tako što bi se uzeli u obzir svi relevantni troškovi koji nastaju zbog isporuka prekomerne reaktivne energije na pragu elektrane.

3.2. Predlog je da se, za generatore Termoelektrane "Nikola Tesla" A (Blokova A1-A2; A3-A6 i Termoelektrane "Nikola Tesla" B (Blokova B1-B2) i parametre mašina u sadašnjem pogonskom stanju, utvrde:

-         Spoljnje karakteristike, u obliku Zavisnosti napona generatora od reaktivnih opterećenja UG=fU (QG), pri datoj vrednosti pobudne struje (If =const) i aktivnih opterećenja (PG=const), umesto uobičajenih zavisnosti UG=fI(IG), pri datoj vrednosti pobudne struje (If =const) i stalnim vrednostima faktora snage (cos φ = const), kao i

-         karakteristika regulacije, u obliku Zavisnosti pobudne struje od reaktivnih opterećenja generatora If=fQ (QG), pri datim vrednostima napona (UG=const) i aktivnih opterećenja (PG=const), umesto uobičajenih zavisnosti- karakteristika regulacije If = fI(IG), pri stalnim vrednostima napona (UG =const) i faktora snage (cos φ=const).

Naime, iz zavisnosti If=ff (QG) i UG=fU(QG) se eksplicitno vidi kako promene reaktivnih opterećenja utiču na promene vrednosti pobudne struje i vrednosti napona generatora, što se ne može reći za zavisnost I=fI(IG) i UG=fI(IG). Iako je uobičajeno da se reaktivna opterećenja karakterišu preko faktora snage , kada su u pitanju režimi opterećenja turbogeneratora, eksplicitnije je da se režimi opterećenja karakterišu preko koeficijenta tgφ=Q/P, odnosno preko relativne vrednosti reaktivne snage q= Q/Qn, pošto su najčešći režimi sa nominalnim aktivnim opterećenjem PG=Pn (ili sa PG Pn), pri čemu promene reaktivnih opterećenja idu od 3-100% Qn. Tako generatori u TENT B rade u noćnim satima sa Q=10-40 Mvar (ili sa 3-10%Qn), da bi već u popodnevnim satima ti isti generatori bili opterećeni sa 340-380 Mvar (ili sa 90-100% Qn), dok se aktivna opterećenja malo menjaju, od 590-620 MW (ili od 95-100% Pn).

3.3. Predlog je da se, za generatore Termoelektrane "Nikola Tesla" A (Blokova A1-A2; A3-A6 i Termoelektrane "Nikola Tesla" B (Blokova B1-B2), odrede novi dijagrami dozvoljenih aktivnih i reaktivnih snaga, P-Q krive generatora, pomoću prezentiranog postupka:

- na osnovu graničnih (nominalnih) dozvoljenih vrednosti pobudnih struja u sadašnjem stanju generatora (nivo hlađenja, stanje magnetnog kola, namotaja pobude ..), utvrđenih po predloženom postupku, kao i

- aktuelnih vrednosti napona generatora u režimima visokih reaktivnih opterećenja (generatora i EES) ,

i uporede sa eksperimentalnim vrednostima za pojedine režime rada generatora, kako bi se utvrdila tačnost predloženog, i za određivanje P-Q krivih generatora.

Kako su pokazali rezultati opsežnih istraživanja za slične generatore u SAD, navedene P-Q krive generatora se mogu bitnije razlikovati u odnosu na one koje su dobijene od proizvođača mašine.


Obim elaborata: 54 strana.