بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
انتخاب بهینه دیزل ژنراتور اضطراري در واحدهاي صنعتی با درنظر گرفتن رفتار دینامیکی آن
چکیده :
در این مقاله روشی جهت تعیین بهینه ظرفیت دیزل ژنراتور اضطراري، مورد نیاز واحدهاي صنعتی ارائه میگردد. از مشخصه هاي واحدهاي صنعتی وجود موتورهاي القائینسبتاً بزرگ در آنها می باشد، که در شرایط قطع شبکه نیز بایستی به کار خود ادامه دهند. در شرایط اضطراري قطع شبکه برق سراسري که واحد صنعتی مورد نظر از طریق دیزل ژنراتور (ها) تغذیه میگردد، راهاندازي این موتورهاي بزرگ به دلایل مختلف منجر به تریپ دیزل ژنراتور می گردد. براي رفع این مشکل در مرحله طراحی، عموماً طراح استفاده از دیزل ژنراتور با ظرفیت نامی بالاتر (Over-design) را توصیه میکند که این امر منجر به افزایش هزینه
سرمایه گذاري میگردد. روش ارائه شده در مقاله حاضر بر اساس پاسخ دینامیکی سیستم کنترل گاورنر، سیستم تحریک و سیستم تنظیم کنندة اتوماتیک ولتاژ ( ( AVR دیزل ژنراتور بنا نهاده شده است و این واقعیت بحث میشود که تنها مشخصات استاتیک دیزل ژنراتور براي انتخاب آن کفایت نمیکند زیرا منجر به انتخابی غیر اقتصادي میگردد مورد بحث قرار گرفته است.
با انتخاب بهینه دیزل ژنراتور و در نظر گرفتن برخی ملاحظات فنی در سیستم حفاظتی آن نشان داده شده است که حد اقل25% در هزینه هاي مربوط به سیستم برق اضطراري صرفه جویی خواهد شد. نمونه اي از طراحی در یک پروژة صنعت نفت و گاز شامل مطالعات مربوط به راه اندازي یک موتور القایی بزرگ بهمراه پاسخهاي دینامیکی سیستمهاي کنترل دیزل ژنراتور و موتور القایی ارائه شده است.
-1 مقدمه
واحدهاي دیزل ژنراتور اضطراري جزء تفکیک ناپذیر صنایعی نظیر نفت و گاز و پتروشیمی میباشند. این واحدها بایستی قابلیت استارت، شتاب گیري و باردهی در طول زمانی مشخص را دارا باشند. از دیگر مشخصات آنها قابلیت حفظ ولتاژ ترمینال و فرکانس خروجی در محدودة تعیین شده توسط استانداردها می باشد، تغییر این دو کمیت (ولتاژ ترمینال و فرکانس خروجی) در وضعیتهاي کار عادي و شرایط گذراي ناشی از ورود و خروج بارهاي تغذیه شده توسط دیزل ژنراتور،عملاً موجب تنزل کارایی بارهاي شبکه می گردد. عملکرد دیزل ژنراتورهاي اضطراري تحت شرایط بارگذاري اضطراري در نیروگاههاي هستهاي و در واحدهاي صنعتی در شرایط راه اندازي موتورهاي بزرگ از اهمیت ویژه اي برخوردار بوده و شرایط مورد اشاره بایستی در مراحل طراحی و بهرهبرداري مورد تجزیه وتحلیل قرار گیرد 1 ] ، . [ 2
در واحدهاي صنعتی دیزل ژنراتور اضطراري در صورت قطع برق شبکه اصلی تغذیه بارهاي مهم را بعهده دارد که عدم تغذیه آنها موجب آسیب رسیدن به پرسنل و یا تجهیزات می گردد. مهندس طراح ابتدا در مرحله طراحی پایه و سپس در مراحل طراحی تفصیلی با مسئله انتخاب مناسب دیزل ژنراتور اضطراري روبروست. مقاله حاضر به موضوع این انتخاب در مراحل طراحی یک واحد صنعتی می پردازد. نگاه سنتی در طراحیعموماً به نتیجه بهینهاي از نظر فنی و اقتصادي منجر نمیگردد. این مقاله روشی را مبتنی بر تحلیل پاسخ دینامیک مجموعه سیستم پیشنهاد می کند، این روش نتایج دقیقتر و بهتري را چه از نظر فنی و چه از نظر اقتصادي بدست میدهد و میتواند به عنوان دستورالعملی در مرحله طراحی براي انتخاب دیزل ژنراتور اضطراري بکار گرفته شود.
-2 روش معمول در انتخاب دیزل ژنراتور اضطراري در مرحله طراحی یک واحد صنعتی اطلاعات کلی از بارهاي اضطراري در دسترس می باشد، این بارها بطور کلی شامل دو
نوع بارهاي استاتیک (مانند بارهاي روشنایی و گرمکنها ) و بارهاي موتوري میباشند. براي تعیین ظرفیت دیزل ژنراتور بطور مرسوم مهندس طراح حداکثر بار اضطراري را با توجه به فاکتور همزمانی بارهاي اضطراري بدست آورده با در نظر گرفتن درصد مشخصیمعمولاً( بین 20 تا 30 درصد) به عنوان رزرو براي توسعه آینده به نتایج اولیه اي دست می یابد. در این مرحله طراح به دو دلیل وارد مسائل جزئیتر نمیشود: اول اینکه در این مرحله در ارتباط با نوع بارها و جزئیات عملکرد تجهیزات اطلاعات کافی وجود ندارد و دوم بدلیل تغییرات متعددي که در طول فرآیند طراحی تفصیلی پیش میآید.
وجود موتورهاي القایی و یا سنکرون بزرگ در واحد صنعتی که در گروه بارهاي اضطراري نیز قرار دارند بایستی در مرحله طراحی مورد توجه خاص قرار گیرد. آنچه در ارتباط با این موتورها محدودیت ایجاد می کند راهاندازي مستقیم (Direct On-line:DOL) آنها تحت تغذیه دیزل ژنراتور میباشد. با توجه به امپدانس داخلینسبتاً بزرگ ژنراتورهاي بکار رفته در واحدهاي دیزلی، راهاندازي موتورهاي القایی که با جریانهاي بزرگ راهاندازي همراه است، موجب افت ولتاژ شدید در ترمینال ژنراتور و ترمینالموتورِ تحت راه اندازي می شود. در مراحل اولیه طراحیعموماً از داده هاي نمونه در انجام محاسبات استفاده می شود.
محاسبه افت ولتاژ در ژنراتور با توجه به رأکتانس سنکرون آن انجام میشود، البته استفاده از رأکتانس سنکرون در این حالت خطا ایجاد میکند، این خطا بدلیل تغییر رأکتانس ماشین سنکرون بوجود میآید. این پدیده که در حالتهاي گذرایی مانند اتصال کوتاه و راه اندازي موتورهاي بزرگ پیش می آیدکاملاً شناخته شده است . [ 3 ] بعنوان نمونه براي یک واحد 1400kVA 400V / 50Hz رأکتانسهاي سنکرون حالت مانا، گذرا و زودگذر بترتیب عبارتند از: Xd=285% ، Xd'=25.4% و Xd''=13.2%یعنی رأکتانس زودگذر آن در حدود 21 برابر و رأکتانس گذرا 11 برابر کوچکتر از رأکتانس سنکرون حالت ماناي آن میباشند.
البته این نسبتها در سطوح مختلف ولتاژ متفاوت میباشند ولی در سطح مشخصی از ولتاژ براي توانهاي مختلف این نسبتها در محدودة کوچکی تغییر میکند. نمودار شکل 1 نسبت رأکتانسهاي سنکرون گذرا و زودگذر به رأکتانس سنکرون را براي ژنراتورهاينسبتاً کوچک که در مجموعههاي دیزل ژنراتور یک سازندة خاص در سطح 400V بکار می روند، براي توانهاي مختلف نشان میدهد. در سطوح ولتاژ بالاتر ( 3.3kV و ( 6kV مقادیر نسبتهاي مورد بحث کوچکتر میباشند.
شکل -1 تغییرات نسبتهاي Xd/Xd' و Xd/Xd'' با توان ژنراتورهاي سنکرون 400V/50Hz (مستخرج از اطلاعات یک سازندة خاص).
به دو دلیل بکاربردن رأکتانس سنکرون حالت مانا در محاسبه افت ولتاژ و تصمیم گیري در مورد ظرفیت دیزل ژنراتور بر اساس آن ما را به نتیجه غیربهینه هدایت مینماید. دلیل اول تغییر رأکتانس ماشین در حالتهاي گذراي راه اندازي است و دلیل دوم لحاظ نکردن تاثیر سیستمهاي کنترل دیزل ژنراتور در حالتهاي گذراست. بعبارت دیگر وجود سیستم کنترل اتوماتیک ولتاژ ( ( AVR
و گاورنر در زمان راهاندازي موتورها موجب بهبود وضعیت افت ولتاژ شده و چشم پوشی از اثر آنها به نتیجهاي غیر اقتصادي منجر میشود.
-3اهمیت پاسخ دینامیک سیستم در انتخاب دیزل ژنراتور چنانکه اشاره شد وجود موتورهاي بزرگ در واحد صنعتی مورد مطالعه و مسئله راه اندازي آنها مهندس طراح را به انتخاب
واحد دیزل ژنراتور با ظرفیت بالاتر هدایت میکند، در این مرحله آنچه اهمیت دارد افت ولتاژي است که در زمان راهاندازي در ترمینال موتور در حال راهاندازي اتفاق میافتد. بر اساس استاندارد این افت ولتاژ در زمان راهاندازي بایستی کمتر از 15% و در حالت کار نرمال کمتر از 5% باشد. اگر فرض کنیم در مسیر تغذیه موتور بعد از دیزل ژنراتور ترانسفورماتور و کابل تغذیه وجود دارد ( شکل 2 )، افت ولتاژ در ترمینال موتور از سه مؤلفه افت بروي رأکتانس سنکرون ژنراتور، افت بروي امپدانس سري ترانسفورماتور و افت بروي کابل تغذیه تشکیل میگردد. از این سه مؤلفه فقط مؤلفه مربوط به افت ولتاژ بروي رأکتانس ژنراتور سنکرون بدلیل تغییر پارامتر رأکتانس ماشین با زمان، تغییر میکند و دو مؤلفه دیگر مرتبط با پارامترهاي الکتریکی ثابت میباشد و تغییرات زمانی آنها فقط ناشی از تغییر جریان با زمان است. چنانچه تغییر ناگهانی در بار ژنراتور پیش آید بدلیل تغییر ماهیت رأکتانس ژنراتور (به سبب کاهش سرعت ماشین از سرعت سنکرون و ایجاد جریانهاي القایی در سیم پیچ تحریک، هسته روتور و سیمپیچ مستهلک کننده) ابتدا جریانی شدید از ماشین کشیده می شود که خیلی سریع مستهلک شده جریان به حالت دائمی خود میرسد.
تغییرات جریان گذراي ایجاد شده بستگی به قدرت میرایی مدار روتور و بخصوص سیم پیچی مستهلک کننده دارد و مقدار
آن متناسب با ثابت زمانی بدون بار ماشین میباشد که این پارامتر نیز به نوبه خود بستگی به مشخصات سیم پیچی تحریک
و سیم پیچی میرا کننده دارد، این ثابت زمانی را با نشان داده و از رابطه 1 بدست میآید.
این ثابت زمانی براي ماشینهاي کوچک و متوسط از 0.01 تا 0.03 ثانیه و براي ماشینهاي بزرگ با قدرت بیشتر از 10 MVA بین 0.03 تا 0.06 ثانیه میباشد.
مقادیر پارامترهاي الکتریکی ژنراتور، ترانسفورماتور و کابل تغذیه براي شبکههاي نمونه نشان میدهد که بیشترین افت ولتاژ در مسیر تغذیه موتور در ژنراتور پیش میآید، با توجه به تغییرات پارامترهاي الکتریکی ژنراتور در حالتهاي گذرا و همچنین وجود سیستمهاي کنترل ولتاژ و فرکانس که خود نیز در تغییرات دینامیکی پارامترهاي الکتریکی مؤثر می باشد، مدلسازي دقیق سیستم دیزل ژنراتور براي تعیین وضعیت ولتاژ و فرکانس در حالتهاي گذرا امري ضروري می باشد. علاوه بر دیزل ژنراتور براي شبیه سازي فرآیند راهاندازي موتورهاي القایی به مدلی از موتور القایی که قادر باشد با دقت قابل قبول راهاندازي موتور را نشان دهد نیاز داریم. بخش بعد به معرفی مدلهاي مناسب براي این منظور میپردازد.
شکل -2 شماي تک خطی یک شبکه شعاعی ساده شامل ژنراتور، ترانسفورماتور، کابل تغذیه و موتور
-4 مدل اجزاي سیستم تکنولوژي سخت افزار و نرم افزارهاي کامپیوتري امکان مدلسازي و شبیه سازي رفتار عناصر مهم شبکه هاي تولید، انتقال وتوزیع انرژي الکتریکی را فراهم کرده است. در این بخش به معرفی جزئیات مدلهاي مورد نیاز براي دو المان مهم از منظر رفتاردینامیک یعنی دیزل ژنراتور و موتور القایی میپردازیم.
الف - مدلسازي دیزل ژنراتور اهمیت واحدهاي دیزل ژنراتور بعنوان منابع تغذیه پشتیبان و بدلایلی که در زیر می آید مدلسازي دقیق سیستم دیزل ژنراتور
در یک واحد صنعتی ضرورت پیدا میکند:
از آنجائیکه واحدهاي دیزل ژنراتور منابعی ضعیفتر از شبکه سراسري میباشند، بایستی راهاندازي و شتاب گیري موتورهاي القایی که در وضعیتهاي اضطراري توسط دیزل ژنراتور تغذیه میشوند بررسی شوند.
- به منظور بـــررســـی شــتــاب گیــــري مجــدد (reacceleration) موتورهایی که قبل از قطع شبکه در حالت کار بوده اند.
- به هدف بررسی وضعیت کنتاکتورهاي ac که آیا در زمان راه اندازي موتورها ولتاژ مورد نیاز را براي فعال ماندن (پیکاپ : ( pickup دارند.
- براي بررسی وضعیت بارگذاري دیزل ژنراتور با اضافه شدن بارها و تغییرات در میزان مقادیر نامی بارهاي موجود.
- براي تعیین ترتیب راهاندازي موتورها و احتراز از همپوشانی حالتهاي گذراي راه اندازي آنها که میتواند موجب تریپ بعضی از بارها یا دیزل ژنراتور گردد.
ژنراتور : مدل ژنراتور با نمایش ماشین سنکرون قطب برجسته با لحاظ نمودن اثر سیم پیچهاي مستهلک کنندة آن در نظر گرفته میشود. مدل مورد نظر اثر تغییر فرکانس را بر اساس استاندارد IEEE در نظر گرفته و پارامترهاي آن با استفاده از پارامترهاي ارائه شده توسط سازندگان قابل محاسبه می باشد. جزئیات مدل در ضمیمه 1 آمده است.
سیستم تحریک و : AVR سیستم تحریک ماشینهاي با سرعت بالا و متوسط عموما از نوع بدون جاروبک میباشد.
شکل – 3 مدل سیستم تحریک و تنظیم کنندة اتوماتیک ولتاژ نوع IEEE 1
شکل 4-مدل گاور نر detroid diesel
مجموعه سیستم تحریک و AVR میتواند بسیار پیچیده باشد، مدلسازي کامل این سیستم براي مطالعات پایداري گذرا در سیستم قدرت مورد نیاز میباشد. براي سیستمهاي AVR و تحریک نوع توابع تبدیل و پارامترهاي آنها در مرجع [ 4] داده شده است. در اینجا ما مدل نوع IEEE 1 که سیستم تحریک با یکسوساز گردان را بهمراه یک رگولاتور استاتیک مدل میکند براي دیزل ژنراتور در نظر گرفته ایم. بلوك دیاگرام مجموعه سیستم تحریک و AVR در شکل 3 نشان داده شده است. پارامترهاي مدل فوق در ضمیمه معرفی شدهاند.
گاورنر : براي سیستم کنترل سرعت دیزل ژنراتور از مدل داده شده توسط یک سازنده شرکت DetroitDiesel استفاده شدهاست. پارامترهاي این سیستم کنترل که بلوك دیاگرام آن در شکل 4 ارائه شده است نیز در ضمیمه معرفی شدهاند.
ب- مدل موتور القایی مدلهاي مختلف با درجه دقت متفاوت براي موتورهاي القایی ارائه شدهاند. در بحثی که مقاله حاضر با آن روبروست
شبیهسازي فرآیند راهاندازي این موتورها مورد علاقه میباشد. براي این منظور مشخصههاي الکتریکی و مکانیکی موتور، مشخصه گشتاور-سرعت، ممان اینرسی موتور و بار مکانیکی و مشخصه راهاندازي آن بایستی در دسترس باشد.
شکل 5 مدار معادل یک موتور القایی با قفس دوبل را نشان می دهد، این مدل از موتور القایی بخوبی و با دقت کافی اثر شیارهاي عمیق را کهعموماً در روتور موتورهاي با گشتاور راهاندازي بالا بکار میروند، نشان میدهد و براي مطالعه مورد نظر ما مناسب میباشد [5]
شکل – 5 مدار معادل موتور القایی با قفس دوبل
-5 مطالعه یک شبکه نمونه شبکه الکتریکی تأسیسات یک پروژه در زمینه نفت و گاز را به عنوان نمونه مورد مطالعه قرار دادهایم. شماي تک خطی شبکه مورد نظر در شکل 6 نشان داده شده است. شبکه در حالت عادي توسط یک خط هوایی دو مداره 20 kV و از طریق ترانسفورماتور 20/3.3kV , 2500 kVA تغذیه میشود. در سطح 3.3 kV سه موتور کمپرسورنسبتاً بزرگ PC -201A / B / C با توان نامی 560 kW وجود دارند که در حالت عادي یکی در حالت رزرو و دو موتور دیگر در حالت کار میباشند. مشخصات الکتریکی خط هوایی و ترانسفورماتور بایستی طوري انتخاب شوند که راهاندازي موتورهاي القایی بزرگ بدون مسئله انجام پذیرد. در وضعیتهاي اضطراري که شبکه برق سراسري قطع میشود دیزل ژنراتور EDG1 وارد مدار شده موتورهاي فوق الذکر به ترتیب تحت دیزل ژنراتور اضطراري راهاندازي میشوند.
براي تعیین ظرفیت دیزل ژنراتور اضطراري چنانچه مجموعه بارهاي سایت شامل بارهاي موجود در سطح ولتاژ پایین (LV) و بارهاي سطح ولتاژ متوسط (MV) با ضرایب همزمانی مربوطه در حالت عادي در نظر گرفته شوند و با لحاظ نمودن ضریب بهرة ترانسفورماتورها و موتورها و همچنین 20%
شکل – 6 شبکه نمونه مورد مطالعه
به عنوان ظرفیت رزرو جهت توسعه آینده، مطابق رابطه 2 ظرفیت دیزل ژنراتور بالغ بر 1995Kw خواهد شد که در ضریب توان نامی 0.85 توان ظاهري آن 2347 KVA بدست میآید
در رابطه ضرایب همزمانی بار های mv و lv ، توان مصرف بار های lv موتور های
