Određivanje pojedinačnih gubitaka i stepena korisnog dejstva generatora

Transcription

1 Stručni rad UDK: : BIBLID: (2015)25.p doi: /zeint Određivanje pojedinačnih gubitaka i stepena korisnog dejstva generatora Ilija Klasnić 12 Zoran Ćirić 1 Slobodan Bogdanović 1 Dane Džepčeski 1 Dušan Joksimović 1 Dušan Arnautović 1 1 Elektrotehnički institut Nikola Tesla Univerzitet u Beogradu Koste Glavinića 8a Beograd Srbija Ilija.klasnic@ieent.org 2 Elektrotehnički fakultet Univerzitet u Beogradu. Bulevar kralja Aleksandra Beograd Srbija 1. Uvod Kratak sadržaj: U radu su prikazani rezultati izračunavanja pojedinačnih i ukupnih gubitaka generatora i određivanja stepena korisnog dejstva revitalizovanog hidrogeneratora agregata A4 u HE Đerdap 1. Merenja radi određivanja gubitaka i stepena korisnog dejstva generatora su izvršena u okviru garancijskih ispitivanja revitalizovanog agregata A4 u HE Đerdap 1. Ključne reči: stepen korisnog dejstva generatora kalorimetrijska metoda pojedinačni i ukupni gubici U ovom radu prikazani su rezultati merenja i izračunavanja ukupnih i pojedinačnih gubitaka generatora kao i stepena korisnog dejstva generatora. Prikazani su rezultati merenja ukupnih gubitaka generatora. Merenja ukupnih gubitaka izvršena su primenom kalorimetrijske metode u struji rashladne vode u četiri karakteristična režima rada generatora. Takođe prikazani su rezultati merenja omskih otpornosti namotaja statora i namotaja rotora glavnog (MG) i pomoćnog generatora () i rezultati merenja radi određivanja regulacionih karakteristika glavnog generatora pri cosφ = 09 ind. i cosφ=10. Ispitivanja su sprovedena u skladu sa važećim standardima [1] [2] [3] [4]. Istovremeno sa merenjima ukupnih gubitaka generatora u karakterističnim režimima izvršena su i merenja električnih veličina MG i. Ispitivanja su izvršena na revitalizovanom generatoru na agregatu br. 4 u HE Đerdap 1. Tehnički podaci i parametri MG i navedeni su u tabeli 1. [5] [6] 97

2 Tabela 1. Osnovni podaci o ispitivanom generatoru OPIS GLAVNI GENERATOR POMOĆNI GENERATOR Tip generatora СВ 1488/ УХЛ4 СВ 850/20-84 УХЛ4 Nominalna snaga МVA 2222 МVA Nominalni napon V 720 V Nominalna struja statora 7739 А 1782 А Nominalna struja rotora 1880 А 205 А Nominalni faktor snage Učestanost 50 Hz 50 Hz Nominalna brzina obrtanja 7143 ob/min 7143 ob/min Merenja ukupnih gubitaka generatora izvršena su u struji rashladne vode primenom kalorimetrijske metode u sledećim režimima rada generatora: - prazan hod generator nepobuđen (IR) - prazan hod generatora generator pobuđen na nominalni napon () - kratak spoj generatora sa nominalnom strujom (). 2. Merenja u režimu prazan hod generator nepobuđen U tabeli 2 prikazani su rezultati merenja temperatura na izlazu i na ulazu grupe hladnjaka generatora i protoka rashladne vode kroz te hladnjake u režimu prazan hod generator nepobuđen. Тabela 2. Merenja temperatura i protoka rashladne vode prazan hod generator nepobuđen Merno mesto θ Wјi ( C) θ Wј0 ( C) Hladnjaci Razlika temperatura Δθ Wј ( C) Protok (l/s) (m 3 /s) Δθ W1 = θ W1o - θ W1i 769 Q W Δθ W2 = θ W2o - θ W2i Δθ W3 = θ W3o - θ W3i 791 Q W Q W

3 Merno mesto θ Wјi ( C) θ Wј0 ( C) Hladnjaci Razlika temperatura Δθ Wј ( C) Δθ W4 = θ W4o - θ W4i Δθ W5 = θ W5o - θ W5i Δθ W6 = θ W6o - θ W6i Protok (l/s) (m 3 /s) 788 Q W Q W Q W U tabeli 3 prikazani su rezultati merenja temeperatura radi određivanja snage gubitaka koji se razmenjuju preko gornjeg poklopca generatora donjeg poklopca generatora i kućišta nosećeg ležaja kao i rezultati merenja temeperatura radi određivanja gubitaka generatora usled termičke provodljivosti zida bureta generatora. U tabelama 4 i 5 prikazani su rezultati izračunavanja snage gubitaka generatora u hladnjacima generatora i gubitaka generatora usled radijacije konvekcije i provodljivosti. Tabela 3. Merenja temperatura Br. Gornji poklopac generatora θ UC θ AUC Br. Donji poklopac generatora Θ LC θ ALC Zid betonskog bureta Br. θ PIT i θ PIT o ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) AVE AVE AVE Δθ UC = θ UCave - θ AUCave 319 Δθ LC = θ LCave - θ ALCave 229 Noseći ležaj Br. Θ TB ( C) θ ATB ( C) AVE Δθ TB = θ ATBave - θ TBave 133 Δθ PIT = θ PIT iave-θ PIT oave

4 Tabela 4. Gubici u hladnjacima generatora prazan hod generator nepobuđen Merno mesto Hladnjaci Q W (m 3 /s) θ Wi θ Wo Δθ W θ Wavr W (kg/m 3 ) c PW (J/kgK) P 1Wi (kw) P 1W = P 1Wi (kw) Gubici u hladnjacima generatora se izračunavaju prema sledećoj formuli: P 1 Wi Qwwc pw w (1) Tabela 5. Gubici usled radijacije konvekcije i provodljivosti prazan hod generator nepobuđen Gornji poklopac generatora P 21 = 10-3 h 1 A 1 Δθ UC (kw) Δθ UC 319 Donji poklopac generatora P 22 = 10-3 h 2 A 2 Δθ LC (kw) Δθ LC 229 Noseći ležaj P 23 = 10-3 h 3 A 3 Δθ TB (kw) Δθ TB Bure generatora P 3 = λ A PIT Δθ PIT /(3600 d) (kw) 133 Δθ PIT 298 А 1 (m 2 ) 300 А 2 (m 2 ) 94 А 3 (m 2 ) 28 А PIT (m 2 ) 372 h 1 (W/m 2 K) P 21 (kw) 15 h 2 (W/m 2 K) 15 h 3 (W/m 2 K) 15 λ (kj/hkm) P 22 (kw 3225 P 23 (kw) 0557 d (m) 0450 P 2 = P 21 + P 22 + P P 3 (kw) 3697 Ukupni gubici generatora u režimu prazan hod generator nepobuđen iznose P IR = kw. Na isti način koristeći podatke merenja i za preostala dva režima izračunati su ukupni gubici generatora u režimu prazan hod generator pobuđen na nominalni napon P IRЕ = kw i u režimu kratak spoj generatora sa nominalnom strujom P = kw. Merenja ukupnih gubitaka izvršena su pri sledećim uslovima u struji rashladnog vazduha prikazanim u tabeli 6. [5] 100

5 Tabela 6. Uslovi u struji rashladnog vazduha Veličina / Radni režim IR Relativna vlažnost hladnog vazduha φ (%) Ambijentalni pritisak p b (mbar) Srednja temperatura toplog/hladnog vazduha θ AScave Sračunata gustina vazduha ρ A (kg/m 3 ) U okviru ovih ispitivanja izvršena su i merenja radi određivanja regulacionih karakteristika glavnog generatora pri dve vrednosti sačinioca snage cosφ =09 induktivmo i cosφ =10. Na osnovu rezultata merenja određene su analitičke formule na osnovu kojih se izračunavaju struja pobude glavnog generatora I fmg struja pobude pomoćnog generatora I f i struja statora pomoćnog generatora I s u apsolutnim jedinicama za razne vrednosti struje statora glavnog generatora I smg u relativnim jedinicama. To su sledeće formule [5] [7]: Za cos = I f MG I S MG 19592I S MG 16799I S MG MG I f I S MG 15831I S MG I S MG MG (2) 4 3 I I MG I MG 25630I MG S MG Za cos = I f MG II MG 65819I MG 12544I MG 14229I MG I f I S MG 15484I S MG 1390I S MG 30859I MG (3) 4 3 I I MG 23242I MG 22952I MG 4943I MG Merenja omskih otpornosti namotaja statora i rotora glavnog i pomoćnog generatora izvršena su u periodu neposredno pred puštanje agregata u eksploataciju kada su namotaji glavnog i pomoćnog generatora bili u hladnom-termički stacionarnom stanju. Pri tome su na temperaturi 31 C izmerene srednje vrednosti otpornosti faznih namotaja statora glavnog generatora 3077mΩ i namotaja rotora glavnog generatora 1627mΩ. Na temperaturi 315 C izmerene su srednje vrednosti otpornosti faznih namotaja statora pomoćnog generatora 4104mΩ i namotaja rotora pomoćnog generatora 75115mΩ. Preračunato na 75 C omska otpornost namotaja faze statora glavnog generatora iznosi 3586 mω namotaja rotora glavnog generatora 18961mΩ namotaja faze statora pomoćnog generatora 4773mΩ i namotaja rotora pomoćnog generatora 87376mΩ. Ove vrednosti koriste se prilikom izračunavanja gubitaka u generatoru. [1] [7] 2 101

6 3. Određivanje pojedinačnih gubitaka Ukupni gubici generatora izmereni u režimu prazan hod bez pobude iznose kw i oni su jednaki gubicima na trenje i ventilaciju P (fr+vent)ir = kw. Preračunati na referentne uslove ovi gubici iznose: A ref P( fr vent) nom P( fr vent) IR kW A IR gde je ρ A ref =11158kg/m 3. Ukupni gubici generatora izmereni u režimu prazan hod generator pobuđen na nominalni napon iznose kw. Gubici na trenje i ventilaciju u režimu prazan hod generator pobuđen iznose: A P( fr vent) P( fr vent) IR kW A IR Na osnovu podataka o rezultatima merenja i podataka konstruktora generatora određeni su sledeći gubici: Gubici u pobudi glavnog generatora P f MG kw Gubici u gvožđu pomomoćnog generatora P Fe pri izmerenom naponu pomoćnog generatora kw Gubici u bakru statora pomoćnog genertaora P Cu 6818 kw Gubici u pobudi pomoćnog generatora P f kw Dodatni gubici pomoćnog generatora P s 035 kw Gubici u tiristorskim pretvaračima glavnog generatora P tirmg 730 kw Gubici u sistemu pobude pomoćnog generatora P pob 205 kw Gubici u gvožđu glavnog generatora iznose: (4) (5) P Fe MG P P( fr P f MG P Fe P Cu P P P P kW f vent tir MG pob (6) Srednja vrednost napona statora glavnog generatora pri kojoj su izvršena merenja iznosi V pa gubici u gvožđu glavnog generatora pri nominalnom naponu i nominalnoj brzini iznose: U n PFe MG Un PFe MG kW U MG 2 Ukupni gubici generatora izmereni u režimu kratak spoj generatora sa nominalnom strujom iznose kw. Gubici na trenje i ventilaciju u režimu kratak spoj generatora sa nominalnom strujom iznose: (7) 102

7 A P( frvent) P( frvent) IR kW A IR Na osnovu podataka o rezultatima merenja i podataka konstruktora generatora određeni su sledeći gubici: Gubici u pobudi glavnog generatora P f MG kw Gubici u gvožđu pomomoćnog generatora P Fe pri izmerenom naponu pomoćnog generatora kw Gubici u bakru statora pomoćnog genertaora P Cu 9165 kw Gubici u pobudi pomoćnog generatora P f kw Dodatni gubici pomoćnog generatora P s 047 kw Gubici u tiristorskim pretvaračima glavnog generatora P tirmg 770 kw Gubici u sistemu pobude pomoćnog generatora P pob 212 kw Gubici pri kratkom spoju glavnog generatora pri srednjoj temperaturi namotaja statora 663 C i srednjoj struji faznih namotaja statora 77311A iznose: (8) P Cu MG P P P MG tir MG P P P pob ( frvent) p CuMG P P f MG P Fe MG kW P Cu P f (9) Gubici u bakru statora glavnog generatora iznose: 3586( ) 2 P Cu MG kW (10) 310 dok dodatni gubici iznose P MG = kW. Dodatni gubici svedeni na nominalnu struju glavnog generatora iznose P sin = kw. Gubici u namotaju statora P cumg i u namotaju rotora P fmg glavnog generatora pri temperaturi namotaja 75 C i za vrednosti sačinioca snage cos φ = 09 induktivno i cosφ = 10 prikazani su u tabeli 7. Tabela 7. Gubici u namotaju statora i u namotaju rotora glavnog generatora Gubici u bakru MG pri cos φ = 09; R MG =3586mΩ; R fmg =18961mΩ pri 75 C Opterećenje [p.u.] I MG [A] I fmg [A] P cumg [kw] P fmg [kw] Gubici u bakru MG pri cos φ = 10; R MG =3586mΩ; R fmg =18961mΩ pri 75 C Opterećenje [p.u.] I MG [A] I fmg [A] P cumg [kw] P fmg [kw]

8 Ukupni gubici u pomoćnom generatoru pri temperaturi namotaja statora i rotora 75 C prikazani su u tabeli 8. Tabela 8. Ukupni gubici u pomoćnom generatoru Ukupni gubici u pri cos φ = 09; R =4773mΩ; R f =87376mΩ pri 75 C Opterećenje [p.u.] I [A] I f [A] P Cu [kw] P [kw] P f [kw] P fe [kw] P [kw] Ukupni gubici u pri cos φ = 10; R =4773mΩ; R f =87376mΩ pri 75 C Opterećenje [p.u.] I [A] I f [A] P Cu [kw] P [kw] P f [kw] P fe [kw] P [kw] Gubici u tiristorskim mostovima glavnog generatora P tirmg i u sistemu pobude pomoćnog generatora P pob za vrednosti sačinioca snage cos φ = 09 induktivno i cosφ = 10 prikazani su u tabeli 9. Tabela 9. Gubici u tiristorskim mostovima GG i u sistemu pobude PG Opterećenje [p.u.] P tirmg +P pob za cos φ = 09 [kw] P tirmg +P pob za cos φ = 10 [kw] Gubici na četkicama izračunavaju se na osnovu izraza P BG = 2 (I fmg +I f ). Vrednosti gubitaka na četkicama za vrednosti sačinioca snage cos φ = 09 induktivno i cosφ = 10 prikazane su u tabeli

9 Tabela 10. Gubici na četkicama Gubici na četkicama P BG cosφ=0.9 Opterećenje [p.u.] I fmg [A] I f [A] P BG [kw] Gubici na četkicama P BG cosφ =1.0 Opterećenje [p.u.] I fmg [A] I f [A] P BG [kw] Izvršena su merenja gubitaka u ležajevima u nominalnom režimu rada agregata. Parametri rada agregata u nominalnom radnom režimu dati su u tabeli 11. Tabela 11. Parametri rada agregata u nominalnom radnom režimu H n (m) Q T (m 3 /s) φ runner ( ) α WG (%) Y WG (mm) t oiltb t oilrb Rezultati merenja za noseći ležaj prikazani su u tabelama 12 i 13. Tabela 12. Gubici u hladnjacima nosećeg ležaja Merno mesto Q WТB (m 3 /s) θ WТBi θ WTBo Δθ WTB θ WTBavr W (kg/m 3 ) c PW (J/kgK) P 1TBi (kw) P 1TB = P 1TBi (kw) Tabela 13. Gubici usled radijacije i konvekcije Noseći ležaj kućište P 23TB = 10-3 h 3 A 3 Δθ TB (kw) Δθ TB А 3 (m 2 ) 28 h 3 (W/m 2 K) 15 P 2 3TB (kw) Rezultati merenja za vodeći ležaj prikazani su u tabeli

10 Tabela 14. Gubici u hladnjacima vodećeg ležaja Q WRB Merno θ WRBi θ WRBo Δθ WRB θ WRBavr W c PW P RB mesto (m 3 /s) (kg/m 3 ) (J/kgK) (kw) Gubici u nosećem ležaju koji se pri sračunavanju stepena korisnog dejstva generatora uzimaju da pripadaju generatoru izračunati su prema podacima dobijenim od rukovodioca projekta proizvođača opreme i navedeni su u tabeli 15. P G TBN GG (11) G G P P T G 1TB 2 3 OIL N OIL N Tabela 15. Gubici u nosećem ležaju koji pripadaju generatoru u referentnim uslovima G G (kn) 8000 G T (kn) 5000 F W (kn) P 1TB + P 23 (kw) oiln (45 C) (m 2 /s) oiltb (m 2 /s) P TBN/G (kw) Gubici u vodećem ležaju generatora u referentnim uslovima izračunati su prema podacima navedenim u tabeli 16. OIL N P RBN P RB (12) OIL TB Tabela 16. Gubici u vodećem ležaju generatora u referentnim uslovima P RB (kw) oilrb (m 2 /s) oiln (40 C) (m 2 /s) P RBN (kw) Ukupni gubici u ležajevima koji se uzimaju da pripadaju generatoru u referentnim uslovima iznose P TBN/G + P RBN = kw. 4. Određivanje stepena korisnog dejstva generatora Stepen korisnog dejstva generatora izračunat je indirektnom metodom na osnovu određenih pojedinačnih gubitaka generatora merenih u rashladnoj 106

11 vodi. Stepen korisnog dejstva je izračunat za osam opterećenja generatora pri cosφ = 09 induktivno po sledećoj formuli [1] [7]: P G (13) P gde je: Pg η G stepen korisnog dejstva generatora P aktivna snaga generatora Pg zbir izmerenih i sračunatih gubitaka generatora koji odgovaraju aktivnoj snazi Rezultati izračunavanja prikazani su u tabeli 17. Tabela 17. Stepen korisnog dejstva revitalizovanog generatora pri cosφ = 0.9 ind HE ĐERDAP 1 -. Opterećenje p.u Prividna snaga Aktivna snaga Napon statora Struja statora Struja rotora Gubici na trenje i ventilaciju Gubici u ležajevima Gubici na četkicama Gubici u gvožđu Gubici u bakru statora Dodatni gubici Gubici u rotoru MVA MW kv A A kw kw kw kw kw kw kw

12 HE ĐERDAP 1 -. Gubici u tirist. pretvar. MG i sist. pobude Ukupni gubici Ukupni gubici MG Aktivna snaga generatora Snaga na vratilu turbine Stepen korisnog dejstva η Srednji energetski stepen korisnog dejstva η kw kw kw kw kw % % Garantovani stepen korisnog % dejstva η gar Garantovani Srednji energetski stepen korisnog dejstva η sr gar % Zaključak U radu je prikazan postupak za izračunavanje pojedinačnih i ukupnih gubitaka i stepena korisnog dejstva generatora primenom kalorimetrijske metode merenja gubitaka u rashladnoj vodi. Stepen korisnosti generatora izračunat je indirektnom metodom određivanjem i sabiranjem pojedinačnih gubitaka generatora. Pojedinačni gubici generatora određeni su na osnovu merenja gubitaka u karakterističnim režimima rada generatora. Stepen korisnosti je određen za razna aktivna opterećenja i sa nominalnim sačiniocem snage. Dobijena vrednost stepena korisnog dejstva generatora je veća od garantovane vrednosti. 108

13 Literatura [1] Rotating electrical machines Part 1: Rating and performance IEC Standard - Publication [2] Rotating electrical machines Part 4: Methods for determining synchronous machine quantities from tests.iec Standard - Publication [3] Test Procedures for Synchronous Machines IEEE Standard [4] ГОСТ Машины электрические трехфазные синхронные. Общие методы испытаний. [5] Izveštaj o garancijskim ispitivanjima revitalizovanog agregata A4 u HE Đerdap 1.Elektrotehnički institut Nikola Tesla Beograd godine. [6] Специалъные технические условия Раздел 2: Гидрогенератор. [7] Metodologija tipskih ispitivanja glavnog generatora tipa CB 1488/ УХЛ4 u HE Đerdap 1. Zahvalnica Rad je nastao kao rezultat istraživanja u okviru naučno-istraživačkog projekta TR33020 Ministarstva prosvete nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije. Abstract: The paper presents the results of deriving by calculation the local and total losses of the generator as well as efficiency determination of the revitalised hydro-generator unit A4 in HPP "Djerdap 1". In order to determine the generator losses and generator efficiency measurements are performed during the acceptance tests of revitalised aggregate A4 in HPP "Djerdap 1". Keywords: generator efficiency calorimeter method local and total losses Determination of Generator Losses and Efficiency Rad primljen u uredništvo: godine. Rad prihvaćen: godine. 109

14 110