Ανάλυση Δυναμικής Συμπεριφοράς Σταθμού Συνδυασμένου Κύκλου

Abstract

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδυασμένου κύκλου κοινού άξονα και η μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς του. Για την υλοποίηση του μοντέλου αυτού χρησιμοποιήθηκε το περιβάλλον Simulink της Matlab. Κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών παρουσιάζεται μια συνεχής ανάπτυξη των μονάδων συνδυασμένου κύκλου, τόσο λόγω του αυξημένου βαθμού απόδοσης, όσο και λόγω του χαμηλού επιπέδου των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου και άλλων ρύπων. Η δυναμική συμπεριφορά των μονάδων συνδυασμένου κύκλου έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διότι τόσο η διάταξη τροφοδοσίας καυσίμου, όσο και ο συμπιεστής είναι προσαρμοσμένα στον άξονα της μονάδας, και συνεπώς η συχνότητα λειτουργίας επιδρά άμεσα σ'αυτές, μέσω της ταχύτητας του άξονα. Αντίστροφα, διαταραχές στην συχνότητα της μονάδας επηρεάζουν άμεσα την τροφοδοσία του θαλάμου καύσης με αέρα και καύσιμο, αποσταθεροποιώντας την λειτουργία του. Οι διατάξεις ελέγχου που εισάγονται προκειμένου να είναι δυνατή η αξιόπιστη λειτουργία της μονάδας αποτελούνται από δυο βασικούς βρόχους. Ο πρώτος βρόχος αποτελείται από τον ρυθμιστή στροφών, ο οποίος ανιχνεύοντας αποκλίσεις της συχνότητας λειτουργίας από την ονομαστική διαμορφώνει ανάλογα μια μεταβλητή κατάστασης που εκφράζει την ζήτηση του καυσίμου. Ο δεύτερος βρόχος είναι ο έλεγχος θερμοκρασίας ο οποίος αποτελείται από δύο κλάδους. Ο πρώτος διαμορφώνει μια μεταβλητή ελέγχου η οποία μειώνεται όσο η θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο του αεριοστροβίλου είναι μεγαλύτερη από την θερμοκρασία αναφοράς. Η μεταβλητή αυτή μαζί με την ζήτηση καυσίμου εισάγονται σε μια συνάρτηση ελάχιστης επιλογής και η έξοδος της συνάρτησης αυτής καθορίζει την ροή καυσίμου στον θάλαμο καύσης. Ο δεύτερος κλάδος ρύθμισης θερμοκρασίας είναι ο έλεγχος του αέρα, για τον οποίο ισχύει ότι όσο η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι μεγαλύτερη από την θερμοκρασία αναφοράς αυξάνει την ροή του αέρα στο θάλαμο καύσης προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία. Στο μοντέλο έγινε προσομοίωση διαφόρων τύπων διαταραχών (βηματική μεταβολή φορτίου και συχνότητας, μεταβολή φορτίου με σταθερό ρυθμό) σε κατάσταση απομονωμένης λειτουργίας. Οι διαταραχές αυτές καθώς και η εξαγωγή των ιδιοτιμών του μοντέλου ανέδειξαν τον μείζονα ρόλο του επιλογέα ελάχιστης τιμής. Ο βρόχος ελέγχου θερμοκρασίας είναι ένας ασταθής βρόχος, άρα προϋπόθεση για να περάσει το σύστημα σε μόνιμη κατάσταση είναι όσο το δυνατόν νωρίτερα ο επιλογέας αυτός να ενεργοποιήσει τον βρόχο ρύθμισης στροφών. Στην διαδικασία μεταγωγής από τον βρόχο ελέγχου θερμοκρασίας στον βρόχο ρύθμισης συχνότητας κομβικό ρόλο έχει το τμήμα ελέγχου του αέρα, το οποίο ανακόπτει την βύθιση της συχνότητας (στην περίπτωση αύξησης του φορτίου) καθώς επιτρέπει την αύξηση της παραγόμενης ισχύος χωρίς να παρουσιάζονται φαινόμενα υπερθέρμανσης. Έτσι όταν οι βαλβίδες ροής αέρα έχουν φτάσει στην μέγιστη τιμή τους (100% άνοιγμα) και δεν μπορούν να ανοίξουν περισσότερο, το σύστημα του σταθμού συνδυασμένου κύκλου, παρουσιάζει αστάθεια. Για να περιοριστεί αυτή ο κίνδυνος αυτής της αστάθειας προτείνεται στην εργασία, το μέγιστο άνοιγμα της βαλβίδας τροφοδοσίας αέρα να επιτρέπει ροή αέρα τουλάχιστον 10% ανώτερη από αυτή που αντιστοιχεί σε ονομαστική λειτουργία (ονομαστική παραγωγή υπό ονομαστική συχνότητα).