مقاله انتخاب بهینه دیزل ژنراتور اضطراری در واحدهای صنعتی با درنظر گرفتن رفتار دینامیکی آن

word قابل ویرایش
18 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
8700 تومان

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

انتخاب بهینه دیزل ژنراتور اضطراری در واحدهای صنعتی با درنظر گرفتن رفتار دینامیکی آن

چکیده :

در این مقاله روشی جهت تعیین بهینه ظرفیت دیزل ژنراتور اضطراری، مورد نیاز واحدهای صنعتی ارائه میگردد. از مشخصه های واحدهای صنعتی وجود موتورهای القائینسبتاً بزرگ در آنها می باشد، که در شرایط قطع شبکه نیز بایستی به کار خود ادامه دهند. در شرایط اضطراری قطع شبکه برق سراسری که واحد صنعتی مورد نظر از طریق دیزل ژنراتور (ها) تغذیه میگردد، راهاندازی این موتورهای بزرگ به دلایل مختلف منجر به تریپ دیزل ژنراتور می گردد. برای 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 گذاری میگردد. روش ارائه شده در مقاله حاضر بر اساس پاسخ دینامیکی سیستم کنترل گاورنر، سیستم تحریک و سیستم تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ ( ( AVR دیزل ژنراتور بنا نهاده شده است و این واقعیت بحث میشود که تنها مشخصات استاتیک دیزل ژنراتور برای انتخاب آن کفایت نمیکند زیرا منجر به انتخابی غیر اقتصادی 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 اقل۲۵% در هزینه های مربوط به سیستم برق اضطراری صرفه جویی خواهد شد. نمونه ای از طراحی در یک پروژه صنعت نفت و گاز شامل مطالعات مربوط به راه اندازی یک موتور القایی بزرگ بهمراه پاسخهای دینامیکی سیستمهای کنترل دیزل ژنراتور و موتور القایی ارائه شده است.

-۱ مقدمه

واحدهای دیزل ژنراتور اضطراری جزء تفکیک ناپذیر صنایعی نظیر نفت و گاز و پتروشیمی میباشند. این واحدها بایستی قابلیت استارت، شتاب گیری و باردهی در طول زمانی مشخص را دارا باشند. از دیگر مشخصات آنها قابلیت حفظ ولتاژ ترمینال و فرکانس خروجی در محدوده تعیین شده توسط استانداردها می باشد، تغییر این دو کمیت (ولتاژ ترمینال و فرکانس خروجی) در وضعیتهای کار عادی و شرایط گذرای ناشی از ورود و خروج بارهای تغذیه شده توسط دیزل ژنراتور،عملاً موجب تنزل کارایی بارهای شبکه می گردد. عملکرد دیزل ژنراتورهای اضطراری تحت شرایط بارگذاری اضطراری در نیروگاههای هستهای و در واحدهای صنعتی در شرایط راه اندازی موتورهای بزرگ از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و شرایط مورد اشاره بایستی در مراحل طراحی و بهرهبرداری مورد تجزیه وتحلیل قرار گیرد ۱ ] ، . [ ۲

در واحدهای صنعتی دیزل ژنراتور اضطراری در صورت قطع برق شبکه اصلی تغذیه بارهای 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 اضطراری روبروست. مقاله حاضر به موضوع این انتخاب در مراحل طراحی یک واحد صنعتی می پردازد. نگاه سنتی در طراحیعموماً به نتیجه بهینهای از نظر فنی و اقتصادی منجر نمیگردد. این مقاله روشی را مبتنی بر تحلیل پاسخ دینامیک مجموعه سیستم پیشنهاد می کند، این روش نتایج دقیقتر و بهتری را چه از نظر فنی و چه از نظر اقتصادی بدست میدهد و میتواند به عنوان دستورالعملی در مرحله طراحی برای انتخاب دیزل ژنراتور اضطراری بکار گرفته شود.

-۲ روش معمول در انتخاب دیزل ژنراتور اضطراری در مرحله طراحی یک واحد صنعتی اطلاعات کلی از بارهای اضطراری در دسترس می باشد، این بارها بطور کلی شامل دو

نوع بارهای استاتیک (مانند بارهای روشنایی و گرمکنها ) و بارهای موتوری میباشند. برای تعیین ظرفیت دیزل ژنراتور بطور مرسوم مهندس طراح حداکثر بار اضطراری را با توجه به فاکتور همزمانی بارهای اضطراری بدست آورده با در نظر گرفتن درصد مشخصیمعمولاً( بین ۲۰ تا ۳۰ درصد) به عنوان رزرو برای توسعه آینده به نتایج اولیه ای 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 متعددی که در طول فرآیند طراحی تفصیلی پیش میآید.

وجود موتورهای القایی و یا سنکرون بزرگ در واحد صنعتی که در گروه بارهای اضطراری نیز قرار دارند بایستی در مرحله طراحی مورد توجه خاص قرار گیرد. آنچه در ارتباط با این موتورها محدودیت ایجاد می کند راهاندازی مستقیم (Direct On-line:DOL) آنها تحت تغذیه دیزل ژنراتور میباشد. با توجه به امپدانس داخلینسبتاً بزرگ ژنراتورهای بکار رفته در واحدهای دیزلی، راهاندازی موتورهای القایی که با جریانهای بزرگ راهاندازی همراه است، موجب افت ولتاژ شدید در ترمینال ژنراتور و ترمینالموتورِ تحت راه اندازی می شود. در مراحل اولیه طراحیعموماً از داده های 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 حالتهای گذرایی مانند اتصال کوتاه و راه اندازی موتورهای بزرگ پیش می آیدکاملاً شناخته شده است . [ ۳ ] بعنوان نمونه برای یک واحد ۱۴۰۰kVA 400V / 50Hz رأکتانسهای سنکرون حالت مانا، گذرا و زودگذر بترتیب عبارتند از: Xd=285% ، Xd’=25.4% و Xd”=13.2%یعنی رأکتانس زودگذر آن در حدود ۲۱ برابر و رأکتانس گذرا ۱۱ برابر کوچکتر از رأکتانس سنکرون حالت مانای آن میباشند.

البته این نسبتها در سطوح مختلف ولتاژ متفاوت میباشند ولی در سطح مشخصی از ولتاژ برای توانهای مختلف این نسبتها در محدوده کوچکی تغییر میکند. نمودار شکل ۱ نسبت رأکتانسهای سنکرون گذرا و زودگذر به رأکتانس سنکرون را برای ژنراتورهاینسبتاً کوچک که در مجموعههای دیزل ژنراتور یک سازنده خاص در سطح ۴۰۰V بکار می روند، برای توانهای مختلف نشان میدهد. در سطوح ولتاژ بالاتر ( ۳٫۳kV و ( ۶kV مقادیر نسبتهای مورد بحث کوچکتر میباشند.

شکل -۱ تغییرات نسبتهای Xd/Xd’ و Xd/Xd” با توان ژنراتورهای سنکرون ۴۰۰V/50Hz (مستخرج از اطلاعات یک سازنده خاص).

به دو دلیل بکاربردن رأکتانس سنکرون حالت مانا در محاسبه افت ولتاژ و تصمیم گیری در مورد ظرفیت دیزل ژنراتور بر اساس آن ما را به نتیجه غیربهینه هدایت مینماید. دلیل اول تغییر رأکتانس ماشین در حالتهای گذرای راه اندازی است و دلیل دوم لحاظ نکردن تاثیر سیستمهای کنترل دیزل ژنراتور در حالتهای گذراست. بعبارت دیگر وجود سیستم کنترل اتوماتیک ولتاژ ( ( AVR

و گاورنر در زمان راهاندازی موتورها موجب بهبود وضعیت افت ولتاژ شده و چشم پوشی از اثر آنها به نتیجهای غیر اقتصادی منجر میشود.

-۳اهمیت پاسخ دینامیک سیستم در انتخاب دیزل ژنراتور چنانکه اشاره شد وجود موتورهای بزرگ در واحد صنعتی مورد مطالعه و مسئله راه اندازی آنها مهندس طراح را به انتخاب

واحد دیزل ژنراتور با ظرفیت بالاتر هدایت میکند، در این مرحله آنچه اهمیت دارد افت ولتاژی است که در زمان راهاندازی در ترمینال موتور در حال راهاندازی اتفاق میافتد. بر اساس استاندارد این افت ولتاژ در زمان راهاندازی بایستی کمتر از ۱۵% و در حالت کار نرمال کمتر از ۵% باشد. اگر فرض کنیم در مسیر تغذیه موتور بعد از دیزل ژنراتور ترانسفورماتور و کابل تغذیه وجود دارد ( شکل ۲ )، افت ولتاژ در ترمینال موتور از سه مؤلفه افت بروی رأکتانس سنکرون ژنراتور، افت بروی امپدانس سری ترانسفورماتور و افت بروی کابل تغذیه تشکیل میگردد. از این سه مؤلفه فقط مؤلفه مربوط به افت ولتاژ بروی رأکتانس ژنراتور سنکرون بدلیل تغییر پارامتر رأکتانس ماشین با زمان، تغییر میکند و دو مؤلفه دیگر مرتبط با پارامترهای 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 جریانهای 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 گذرای 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 ۱ بدست میآید.

این ثابت زمانی برای ماشینهای کوچک و متوسط از ۰٫۰۱ تا ۰٫۰۳ ثانیه و برای ماشینهای بزرگ با قدرت بیشتر از ۱۰ MVA بین ۰٫۰۳ تا ۰٫۰۶ ثانیه میباشد.

مقادیر پارامترهای الکتریکی ژنراتور، ترانسفورماتور و کابل تغذیه برای شبکههای نمونه نشان میدهد که بیشترین افت ولتاژ در مسیر تغذیه موتور در ژنراتور پیش میآید، با توجه به تغییرات پارامترهای الکتریکی ژنراتور در حالتهای گذرا و همچنین وجود سیستمهای کنترل ولتاژ و فرکانس که خود نیز در تغییرات دینامیکی پارامترهای الکتریکی مؤثر می باشد، مدلسازی دقیق سیستم دیزل ژنراتور برای تعیین وضعیت ولتاژ و فرکانس در حالتهای گذرا امری ضروری می باشد. علاوه بر دیزل ژنراتور برای شبیه سازی فرآیند راهاندازی موتورهای القایی به مدلی از موتور القایی که قادر باشد با دقت قابل قبول راهاندازی موتور را نشان دهد نیاز داریم. بخش بعد به معرفی مدلهای مناسب برای این منظور میپردازد.

شکل -۲ شمای تک خطی یک شبکه شعاعی ساده شامل ژنراتور، ترانسفورماتور، کابل تغذیه و موتور

-۴ مدل اجزای سیستم تکنولوژی سخت افزار و نرم افزارهای کامپیوتری امکان مدلسازی و شبیه سازی رفتار عناصر مهم شبکه های تولید، انتقال وتوزیع انرژی الکتریکی را فراهم کرده است. در این بخش به معرفی جزئیات مدلهای مورد نیاز برای دو المان مهم از منظر رفتاردینامیک یعنی دیزل ژنراتور و موتور القایی میپردازیم.

الف – مدلسازی دیزل ژنراتور اهمیت واحدهای دیزل ژنراتور بعنوان منابع تغذیه پشتیبان و بدلایلی که در زیر می آید مدلسازی دقیق سیستم دیزل ژنراتور
در یک واحد صنعتی ضرورت پیدا میکند:

از آنجائیکه واحدهای دیزل ژنراتور منابعی ضعیفتر از شبکه سراسری میباشند، بایستی راهاندازی و شتاب گیری موتورهای القایی که در وضعیتهای اضطراری توسط دیزل ژنراتور تغذیه میشوند بررسی شوند.

– به منظور بـــررســـی شــتــاب گیــــری مجــدد (reacceleration) موتورهایی که قبل از قطع شبکه در حالت کار بوده اند.

– به هدف بررسی وضعیت کنتاکتورهای ac که آیا در زمان راه اندازی موتورها ولتاژ مورد نیاز را برای فعال ماندن (پیکاپ : ( pickup دارند.

– برای بررسی وضعیت بارگذاری دیزل ژنراتور با اضافه شدن بارها و تغییرات در میزان مقادیر نامی بارهای موجود.

– برای تعیین ترتیب راهاندازی موتورها و احتراز از همپوشانی حالتهای گذرای راه اندازی 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 پیچهای مستهلک کننده آن در نظر گرفته میشود. مدل مورد نظر اثر تغییر فرکانس را بر اساس استاندارد IEEE در نظر گرفته و پارامترهای آن با استفاده از پارامترهای ارائه شده توسط سازندگان قابل محاسبه می باشد. جزئیات مدل در ضمیمه ۱ آمده است.

سیستم تحریک و : AVR سیستم تحریک ماشینهای با سرعت بالا و متوسط عموما از نوع بدون جاروبک میباشد.

شکل – ۳ مدل سیستم تحریک و تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ نوع IEEE 1

شکل ۴-مدل گاور نر detroid diesel

مجموعه سیستم تحریک و AVR میتواند بسیار پیچیده باشد، مدلسازی کامل این سیستم برای مطالعات پایداری گذرا در سیستم قدرت مورد نیاز میباشد. برای سیستمهای AVR و تحریک نوع توابع تبدیل و پارامترهای آنها در مرجع [ ۴] داده شده است. در اینجا ما مدل نوع IEEE 1 که سیستم تحریک با یکسوساز گردان را بهمراه یک رگولاتور استاتیک مدل میکند برای دیزل ژنراتور در نظر گرفته ایم. بلوک دیاگرام مجموعه سیستم تحریک و AVR در شکل ۳ نشان داده شده است. پارامترهای مدل فوق در ضمیمه معرفی شدهاند.

گاورنر : برای سیستم کنترل سرعت دیزل ژنراتور از مدل داده شده توسط یک سازنده شرکت DetroitDiesel استفاده شدهاست. پارامترهای این سیستم کنترل که بلوک دیاگرام آن در شکل ۴ ارائه شده است نیز در ضمیمه معرفی شدهاند.

ب- مدل موتور القایی مدلهای مختلف با درجه دقت متفاوت برای موتورهای القایی ارائه شدهاند. در بحثی که مقاله حاضر با آن روبروست

شبیهسازی فرآیند راهاندازی این موتورها مورد علاقه میباشد. برای این منظور مشخصههای الکتریکی و مکانیکی موتور، مشخصه گشتاور-سرعت، ممان اینرسی موتور و بار مکانیکی و مشخصه راهاندازی آن بایستی در دسترس باشد.

شکل ۵ مدار معادل یک موتور القایی با قفس دوبل را نشان می دهد، این مدل از موتور القایی بخوبی و با دقت کافی اثر شیارهای عمیق را کهعموماً در روتور موتورهای با گشتاور راهاندازی بالا بکار میروند، نشان میدهد و برای مطالعه مورد نظر ما مناسب میباشد [۵]

شکل – ۵ مدار معادل موتور القایی با قفس دوبل

-۵ مطالعه یک شبکه نمونه شبکه الکتریکی تأسیسات یک پروژه در زمینه نفت و گاز را به عنوان نمونه مورد مطالعه قرار دادهایم. شمای تک خطی شبکه مورد نظر در شکل ۶ نشان داده شده است. شبکه در حالت عادی توسط یک خط هوایی دو مداره ۲۰ kV و از طریق ترانسفورماتور ۲۰/۳٫۳kV , 2500 kVA تغذیه میشود. در سطح ۳٫۳ kV سه موتور کمپرسورنسبتاً بزرگ PC -201A / B / C با توان نامی ۵۶۰ kW وجود دارند که در حالت عادی یکی در حالت رزرو و دو موتور دیگر در حالت کار میباشند. مشخصات الکتریکی خط هوایی و ترانسفورماتور بایستی طوری انتخاب شوند که راهاندازی موتورهای القایی بزرگ بدون مسئله انجام پذیرد. در وضعیتهای اضطراری که شبکه برق سراسری قطع میشود دیزل ژنراتور EDG1 وارد مدار شده موتورهای فوق الذکر به ترتیب تحت دیزل ژنراتور اضطراری راهاندازی میشوند.

برای تعیین ظرفیت دیزل ژنراتور اضطراری چنانچه مجموعه بارهای سایت شامل بارهای موجود در سطح ولتاژ پایین (LV) و بارهای سطح ولتاژ متوسط (MV) با ضرایب همزمانی مربوطه در حالت عادی در نظر گرفته شوند و با لحاظ نمودن ضریب بهره ترانسفورماتورها و موتورها و همچنین ۲۰%

شکل – ۶ شبکه نمونه مورد مطالعه

به عنوان ظرفیت رزرو جهت توسعه آینده، مطابق رابطه ۲ ظرفیت دیزل ژنراتور بالغ بر ۱۹۹۵Kw خواهد شد که در ضریب توان نامی ۰٫۸۵ توان ظاهری آن ۲۳۴۷ KVA بدست میآید

در رابطه ضرایب همزمانی بار های mv و lv ، توان مصرف بار های lv موتور های

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 18 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد