A. Fogalomtár a modulhoz
2. Önállóan üzemelő erőmű teljesítményének szabályozása
A legegyszerűbb eset, amikor a 2.2.1. ábra szerint egyetlen turbina-generátor gépegység látja el a hozzákapcsolt fogyasztói terület időben változó igényeit.
2.2.1. ábra
Egy adott pillanatban a turbinának éppen a fogyasztók által igénybe vett teljesítményt kell szolgáltatnia úgy, hogy a frekvencia a névleges 50 Hz-es értékhez minél közelebb legyen. Ugyanakkor a generátor kapocsfeszültsége is maradjon az névleges feszültség tűrési határai között.
2.2.2. ábra
A 2.2.2. vektorábrában a generátor állórész ohmos ellenállását és a szórási reaktanciáját elhanyagoltuk, s csupán az ezeknél sokkal nagyobb Xdarmatúra reakciónak megfelelő reaktanciát vettük figyelembe. Tekintsük kiinduló vektornak a generátor kapocsfeszültségét. Az terhelési áramot, valamint annak wattos és meddő összetevőjét a fogyasztó szabja meg. Az terhelési áram az kapocsfeszültséghez képest ennek megfelelő δ szöggel késik. A generátorra kényszerített terhelési áram az armatúra reakció miatt belső feszültségesést hoz létre, amelynek vektora -re merőleges. A generátor forgórészét tehát akkora pólusfeszültségre kell gerjeszteni, hogy az egyenlő legyen az kapocsfeszültség és az belső
feszültségesés összegével. Az ábrából is kitűnik, hogy a terhelés okozta belső feszültségesés miatt az pólusfeszültség nagyobb, mint az kapocsfeszültség, továbbá, hogy az vektor az -hoz δ szöggel előre siet. Mivel az vektor egyúttal a póluskerék (forgórész) viszonylagos helyzetét is jelenti, végeredményben megállapíthatjuk, hogy terhelt generátor forgórésze a kapocsfeszültséghez képest δ szöggel előresiet. Az előresietés szögét terhelési szögnek nevezzük, mivel annak mértéke adott gerjesztés mellett a wattos terheléstől függ. Ez a fontos állítás a következőkből látható be:
A 2.2.2 ábrán a generátor egyszerűsített vektorábráján az belső feszültségesést külön az wattos és meddő áram által okozott (azokra merőleges) összetevőkre is felbontottuk.
Ebből leolvasható, hogy:
Az egyenlet mindkét oldalát szorozzuk meg kapocsfeszültséggel és rendezzük:
A kifejezés baloldala éppen a wattos teljesítmény, tehát:
generátor által szolgáltatott wattos teljesítmény és a terhelési szög ezen szinuszos összefüggését a 2.2.3. ábrán láthatjuk.
2.2.3. ábra
A generátor által leadható villamos teljesítmény felső határa:
a terhelési szög értékénél adódik. Adott által meghatározott teljesítménygörbéről bármilyen terhelésnél leolvasható a forgórész előresietésének mértéke, azaz a terhelési szög. Az ábrán két teljesítményértékre (Pt < Pt’) látható δ és δ’ meghatározása.
Könnyen belátható, hogy a generátor terhelhetősége nem haladhatja meg a δ = 90°-ot túllépő értéket, mivel a görbe leszálló ágában növekvő terhelési szöghöz már csökkenő teljesítmény tartozik. A karakterisztika e szakasza tehát labilis.
A leadott teljesítmény és a terhelési szög összefüggéséből az is kitűnik, hogy az szorzat növelésével a generátor által kibocsátott teljesítmény maximuma is nő. A viszonyokat a 2.2.4 ábra szemlélteti, ahol egy felvett Pt terhelésnek megfelelő szorzat három különböző értékét jelentő háromféle teljesítménygörbén határoztuk meg. A 3. görbe a felvett esetben már láthatóan nem ad stabil munkapontot.
2.2.4. ábra
Egyedül járó gépegység vagy erőmű esetében az szorzat növelésének határt szab az k
kapocsfeszültség megengedhető legnagyobb értéke. A szorzatot viszont , tehát egyedül a gerjesztés fokozásával nem növelhetjük, mert ez maga után vonja k emelkedését is. Természetesen a gyakorlatban a turbina és a generátor egymásnak megfelelően méretezett, így normálisnak tekinthető gerjesztés mellett egyedül járó gépnél nem áll rendelkezésre akkora turbinaoldali teljesítmény, ami a generátor labilis karakterisztikára kerülését okozhatná. A gerjesztés rendellenesen alacsony értékénél (pl. 2.2.4 ábra 3. görbe) azonban a jelenség előáll.
Miután a terhelési szög fogalmát és jelentőségét tisztáztuk, térjünk vissza a 2.2.2 ábrához és vizsgáljuk meg az
p pólusfeszültség, k kapocsfeszültség, a terhelési áram és a cosφ változásának kölcsönhatásait az üzemi szempontból legfontosabb esetekben. Tartsuk azonban szem előtt, hogy az k kapocsfeszültség megközelítő állandóságára kell a gyakorlatban törekedni. Végeredményben arra keresünk választ, hogyan kell a terhelési jellemzők változása miatt a generátor gerjesztését szabályozni.
a. A terhelés állandó cosφ mellett változik (2.2.5 ábra).
2.2.5. ábra
A vektorábra szerint az eredetileg terhelő áramot -re növeltük. Ezzel arányosan belső feszültségesés -re nő. Ha nem módosítanánk a generátor gerjesztését, az új helyzetben is azonos nagyságú maradna az pólusfeszültség. Az ábrából leolvashatóan ez csak úgy lehetséges, ha szöge (a terhelési szög) δ’’-re nyílik, és az eredeti feszültség -re zsugorodik. Az eredeti feszültség helyreállításához a gerjesztés fokozásával pólusfeszültséget kell előállítani. Ekkor δ’ szög alakul ki, ami szükségszerűen nagyobb, mint az eredeti kisebb terheléshez tartozó δ érték, de feltétlenül kisebb, mint a δ’’, ami a gerjesztés utánszabályozása nélkül jött volna létre. Külön bizonyítást nem igényel, hogy a terhelés csökkenése esetén az pólusfeszültséget is csökkenteni kell.
A terhelés csökkenésének szinguláris esete a terhelés teljes ˝leszakadása” (pl. a generátor megszakítója kikapcsol). A 2.2.5. ábrából közvetlenül belátható, hogy ekkor lesz, tehát a kapocsfeszültség rendellenesen nagy értékre ugrik.
b. Állandó meddő terhelés mellett a wattos terhelés változik (2.2.6. ábra).
2.2.6. ábra
A wattos terhelés növekedése miatt megnő -re és az áram elfordulását követi. Ahhoz, hogy emiatt az kapocsfeszültség ne csökkenjen az ábrán megszerkesztett értékre, az pólusfeszültséget –re kell növelni.
c. Állandó wattos terhelés mellett a meddő terhelés változik (2.2.7 ábra).
2.2.7. ábra
A két előző eset elemzése után az ábrából leolvasható, hogy az eredeti pólusfeszültséget –re kell emelni, hogy ne süllyedjen a bejelölt értékre.
Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy az egyedül járó generátor gerjesztése mind a terhelés nagysága, mind annak fázistényezője változásai során szabályozást igényel. Az energetika fejlődésének kezdeti időszakában az állandó feszültségre törekvő szabályozás kézi úton történt.
2.1. A turbinák primer és szekunder szabályozása
Mint láttuk, a turbina-generátor gépegységének minden pillanatban akkora wattos teljesítményt kell termelni, amennyit a fogyasztói terület (az átviteli veszteségekkel együtt) felvesz. Mivel a terhelés időben változik, ingadozik, a turbinák által szolgáltatott mechanikai teljesítmény is állandó szabályozást igényel.
A szabályozás elvének megértéséhez induljunk ki gondolatban abból, hogy egy adott pillanatban a Pt terhelés és Pf fogyasztás éppen egyensúlyt tart. Most csökkenjen a Pf fogyasztás Pf’ értékre. Ekkor a termelés és fogyasztás között előbbi javára teljesítménykülönbség keletkezik, ami a gépegység forgórészét gyorsítja, s a fordulatszámmal a frekvenciát is emeli. Ha a változás fordított, a terhelés nő, ennek eredményeként a fordulatszám és a frekvencia csökken. Mivel közel állandó frekvenciára kell szabályozni, a turbina beömlő szelepeit előbbi esetben kissé zárni, utóbbiban pedig kissé nyitni kell. Ezt a feladatot automatikusan a turbinák primer szabályozói végzik.
A primer szabályozók jelleggörbéjét a 2.2.1.1. ábrán a vastag folytonos vonal tünteti fel. A jelleggörbe jó közelítéssel egy ferde egyenes.
2.2.1.1. ábra
A gép terheletlen, üresjárási állapotban forog a leggyorsabban, akkor a frekvencia f0. A terhelés növekedésével a frekvencia arányosan csökken. Az ábrán példaként bejelölt Pa terhelésnél fa, Pb terhelésnél fb frekvenciánál jön létre egyensúlyi helyzet. A gép legnagyobb, Pmax terheléséhez tartozó fmax frekvencia a gyakorlatban 4….6 %-kal kisebb, mint az f0 üresjárási frekvencia. A szabványos 50 Hz-es frekvenciához képest tehát a frekvenciaterheléstől függő változásnak a tartománya 2-3 Hz is lehet. E tartomány százalékos értékét a névleges
frekvenciához viszonyítva, azaz az mérőszámot nevezik a szabályozó átlagos arányosságának, más szóval átlagos sztatizmusának.
A fogyasztói terhelés ingadozását követő primer szabályozás tehát a frekvencia nem kívánatos mértékű változásával jár. Elvben lehet meredekebb jelleggörbéjű, tehát kisebb sztatizmusú szabályozót is készíteni, de 2...3 % alá szorítani a sztatizmust veszélyes, mert a szabályozáslengésre hajlamossá, esetleg instabillá válik. A primer szabályozás elkerülhetetlen frekvencia ingadozásai természetesen sokkal nagyobb mértékben jelentkeznek egyedül járó gép vagy erőmű esetében, amikor az aránylag kicsiny fogyasztói terület teljes ingadozása viszonylag nagy. A hatalmas energiarendszerekben viszont az egyedi fogyasztók ingadozásai annyira kiegyenlítődnek, hogy a frekvencia csak kisebb határok között mozog.
A primer szabályozás alapvető fogyatékosságát, a frekvencia nem kielégítő tartását az ún. Szekunder szabályozás hivatott kiküszöbölni. A szekunder szabályozás azt jelenti, hogy a primer szabályozó 2.2.1.1. ábrán feltüntetett jelleggörbéjét önmagával párhuzamosan, a vízszintes tengely mentén (jobbra-balra) úgy toljuk el, hogy az adott terhelési állapotban a frekvencia minél jobban megközelítse a névleges értéket. A 2.2.1.1. ábra a szekunder szabályozás hatására is mutat példát. Tételezzük fel, hogy a kiinduló terhelés Pa, amihez az A munkapont és fa frekvencia tartozik.
Ha a terhelés Pb–re nő, a primer szabályozó a B munkapontba áll be, a kialakuló fb frekvencia nemkívánatosan alacsony. A szekunder szabályozás feladata ilyenkor az fa frekvencia helyreállítása. Ehhez a primer szabályozó jelleggörbéjét fa- fb értékkel kell jobbra tolni. Az eltolt karakterisztikát az ábrán eredményvonal mutatja. Rajta helyezkedik el a C jelű, új munkapont.
A szekunder szabályozás nem jelent feltétlenül automatikus beavatkozást. Mivel segítségével nem a pillanatnyi ingadozásokat egyenlítik ki, hanem a frekvencia normálistól eltérő szintjét korrigálják; sok esetben kézi úton hajtják végre.
Ugyancsak a 2.2.1.1 ábrából belátható, hogy a szekunder szabályozás teremti meg az üresjárási fordulatszám (f0
frekvencia) beállításának lehetőségét, ami nélkül nem lehetne egy gépet egy másikhoz vagy a rendszerhez párhuzamosan kapcsolni.
A 2.2.1.2 ábra segítségével vizsgáljuk meg annak az egyszerű szabályozási feladatnak a lebonyolítását, amikor egy egyedül járó erőmű egyik gépét egy másikkal akarjuk kiválasztani. Más szóval: a kikapcsolandó gép terhelését az újonnan belépőnek kell úgy átvennie, hogy közben a frekvencia állandó maradjon.
2.2.1.1. ábra
Az átterhelési művelet három jellegzetes mozzanatát mutatja az ábra. A bal oldali ábra a kiinduló helyzetnek felel meg, amikor az I. gépegység látja el előírt fn frekvencián a teljes Pf terhelést. A II. gép (jobb szemléltetés miatt lefelé rajzolt) jelleggörbéjének üresjárási pontja /PII=0/ ekkor éppen fn frekvencián van, hiszen ez a párhuzamosan kapcsolás feltétele. A terhelés átvétele mindkét gép egyidejű, de ellentétes irányú szekunder szabályozásával történik. A terhelést csökkentő I. gép primer szabályozójának jelleggörbéjét bal felé, tehát csökkenő frekvencia irányába, míg a terhet felvevő II. gép primer szabályozójának jelleggörbéjét jobbra, a növekvő frekvencia felé kell tolni. A középső ábra azt a helyzetet mutatja, amikor a két gép az adott Pf terhelést éppen fele-fele arányban viseli, az előírt fn frekvencia mellett. A jobb oldali ábra a szabályozási művelet befejezése utáni állapotot szemlélteti. A II. gép a teljes Pf terhelést átvette, az I. gép üresjárásba került, tehát kikapcsolható és legerjeszthető.
2.2. A terhelés frekvenciától való függése és annak következményei
E fejezeten belül eddig – egyelőre az egyedül járó gépre korlátozva – az energiarendszer forrásainak, az erőműveknek alapvető szabályozási feladatait és módszereit ismertük meg vázlatosan. A wattos teljesítmény szabályozásának bemutatásánál a szolgáltatandó teljesítményt meghatározó fogyasztásnál hallgatólagosan – az egyszerűség érdekében – azt feltételeztük, hogy az adott pillanatban jelentkező fogyasztást a frekvencia ingadozása, változása nem befolyásolja. Ezt az egyszerűsített felfogást tükrözte a primer szabályozást mutató 2.2.1.1. ábra is.
A valóságban egy energiarendszer, illetve jelen tárgyalásunk keretei között egy erőművi gépegység adott pillanatban működő fogyasztóinak összessége MW-ban kifejezhetően nem határozza meg pontosan a fogyasztói összteljesítményt, mert az maga is egyrészt a frekvencia, másrészt a feszültség függvénye. Mivel a fogyasztói terület sokféle (motoros, világítási stb.) fogyasztót tartalmaz, ezek a hatások csak eredőben, statikusan, tapasztalati adatok alapján értékelhetők. A frekvencia és a feszültség együttes, összefonódó hatása bonyolult,
azért célszerű abból a feltételezésből kiindulni, hogy a frekvencia változásakor az erőművi és hálózati feszültségszabályozók közel állandó feszültséget tartanak.
A tapasztalatok szerint egy elegendően nagy, adott fogyasztói terület felvett teljesítménye a névleges (50 Hz-es) frekvencia gyakorlatilag szóba jövő környezetében (kb. 46….52 Hz között) egyenesen arányosnak tekinthető a frekvenciával. Az arányossági tényező, a fogyasztás frekvenciatényezője:
azt fejezi ki, hogy a frekvencia 1 %-os csökkenése vagy növekedése a fogyasztói teljesítmény hány százalékos csökkenését, ill. növekedését vonja maga után. A k-tényező értéke pontosan nem határozható meg, mert maga is függ a fogyasztók pillanatnyi összetételétől, így más az ipari és az világítási csúcsidőszakban, munkanapokon, ünnepen stb. Sok országban végzett nagyszámú mérés szerint azonban, a k-tényező rendszerint 1 és 3 között van. Az UCTE országok egyesített energiarendszerében megállapodás szerint k=2 értékkel szokás számolni. Ez azt jelenti, hogy a frekvencia minden 1 %-os, tehát (fn = 50 Hz miatt) 0,5 Hz-es változása az adott fogyasztók által felvett teljesítményt hozzávetőlegesen 2%-kal módosítja, a frekvencia változásával azonos irányba.
Példaként tételezzük fel, hogy egy adott egyedül járó erőmű fn = 50 Hz mellett Pf=100 MW fogyasztást lát el. Ha a frekvencia bármi okból 2 %-kal, tehát 49 Hz-re csökken, ugyanezen fogyasztók összessége kb. 4 %-kal kevesebb teljesítményt, azaz csak 96 MW-ot igényel.
Mivel a fogyasztás frekvenciafüggősége az együttműködő energiarendszer üzemében fontos, a teljesítményegyensúly üzemzavari megbomlásánál pedig döntő szerephez jut, szükséges, hogy a primer és szekunder szabályozás 2.2.1.1. ábra kapcsán egyszerűsítve bemutatott alapelvét a valóságot jobban megközelítően finomítsuk.
A 2.2.2.1. ábrán látható viszonyok ismét egyetlen gépre és arról ellátott fogyasztásra vonatkoznak. Kiindulásnak tekintsük, hogy a PA(f) fogyasztást a gép a névleges frekvenciával azonos fA frekvencián látja el. Ekkor a fogyasztás PA’ és a primer szabályozó jelleggörbéjén A a munkapont. Növekedjék meg most a terhelés a PB(f) fogyasztói jelleggörbének megfelelő mértékűre.
2.2.2.1. ábra
Az eredeti fA frekvencián ez PB” teljesítménynek felelne meg. A primer szabályozó sztatizmusa miatt azonban az új munkapont B’ lesz, a tényleges teljesítmény pedig csak PB’, ugyanekkor az új frekvencia fB’. A gépegység tehát a jelentkezett fogyasztói többletigényt nem teljesen veszi fel. Ha most szekunder szabályozással a turbina primer szabályozójának jelleggörbéjét annyira jobbra toljuk, hogy az eredeti és megkívánt fA frekvencia helyreálljon, úgy a gépegység teljesítménye PB”–re növekszik és a szabályozási munkapont a B” lesz.
A fogyasztás frekvenciatényezőjének megismerésével feleletet tudunk adni arra a fontos üzemi kérdésre is, hogy mi történik a géppel, ha maximális teljesítményét meghaladó terhelést kapcsolunk rá.
A 2.2.2.2. ábrában egy gépegység szabályozási karakterisztikáját és három különböző terhelés jelleggörbéjét tüntettük fel.
2.2.2.2. ábra
Mivel az egység Pmax-nál nagyobb teljesítményt szolgáltatni nem képes, hiszen akkor már a turbina valamennyi beömlő szelepe teljesen nyitott, nyilvánvaló, hogy a szabályozási karakterisztika e ponttól kezdve vízszintes egyenes. Leolvasható, hogy az ábrán felvett PA(f) teljesítmény kisebb, mint a gépegység legnagyobb teljesítőképessége, így ez problémát nem okoz. Tételezzük fel, hogy az ehhez tartozó f frekvencia a névleges frekvencia tűrési határán belül van. Ha most a terhelés a PB(f) értékre nő, olyan határhelyzethez jutunk, ahol a fogyasztás jelleggörbéje éppen a szabályozási jelleggörbe töréspontján halad át. Az ábrából leolvasható, hogy kialakuló új egyensúlyi helyzetet az fB frekvencia jellemzi, ami kisebb, mint az előírt fA normális frekvencia.
Könnyen belátható, hogy ebben az esetben nincs lehetőségünk arra, hogy szekunder szabályozással, tehát a szabályozó jelleggörbéjének jobbra tolásával az fA frekvenciát helyreállítsuk, mivel ekkor a PB(f) fogyasztás teljesítménye nagyobb kellene, hogy legyen, mint a turbina Pmax határteljesítménye. A szekunder szabályozás tehát hatástalanná válik.
Ha a generátorra kapcsolt fogyasztói terület terhelését még tovább növeljük, pl. az ábrán PC(f) mértékűre, minőségileg is szembetűnő hatást tapasztalunk. A gépegység fordulatszáma, s ezzel a frekvencia kénytelen olyan fC értékre csökkenni, amelynél a fogyasztók teljesítménye a frekvenciatényező miatt már nem haladja meg a turbina által szabályozható Pmax legnagyobb teljesítményt. Érdemes megfigyelni, hogy a PB és PA
teljesítmények közötti aránylag nagy különbség csak az fA - fB viszonylag kisebb frekvenciacsökkenést okozza, viszont a PC és PB közötti kisebb különbség, a frekvencia nagymértékű csökkenéséhez vezet.
A megvizsgált jelenségből – mind egyedül járó gépre, mind az együttműködő rendszerre általánosítva – megállapítható, hogy a szekunder szabályozási lehetőséget meghaladó mértékű túlterhelés a frekvencia lényeges csökkenését eredményezi. Ez az állapot tulajdonképpen nem más, mint a fogyasztás arányos, automatikus korlátozása, vagyis a teljesítményhiány szétosztása a fogyasztók között.
A villamos teljesítményszabályozás bemutatott alapvető fizikai képénél a szabályozási jelleggörbéket némileg idealizáltuk. A valóságban a jelleggörbék a több szelep egymás utáni nyitása-zárása miatt nem teljesen egyenesek, hanem azt megközelítő ívdarabokból állnak, s ugyanezen okból a 2.2.2.2. ábrán rajzolt töréspont helyett is ívelt átmenet van. Az alkalmazott egyszerűsítés azonban a megállapítások lényegét nem befolyásolja.