Стартовая >> Архив >> Генерация >> Гидроэлектрические станции

Гидрогенераторы - Гидроэлектрические станции

Оглавление
Гидроэлектрические станции
Введение
Гидравлическая энергия
Водные ресурсы и водохозяйственные комплексы
Водохозяйственные и энергетические комплексы
Состав сооружений и компоновка
Гидроэлектростанции с приплотинными зданиями
Деривационные гидроэлектростанции
Головные узлы, сооружения станционных узлов деривационных гидроэлектростанций
Использование технико-экономических показателей при проектировании
Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты
Многолетнее регулирование стока
Диспетчерское регулирование
Водноэнергетические расчеты на основе балансового метода
Работа гидроэлектростанций в энергосистеме
Гидроаккумулирующие электростанции
Схемы гидроаккумулирующих электростанций
Особенности компоновок ГАЭС
Приливные электрические станции
Нетрадиционные источники гидравлической энергии
Волновые энергетические установки
Состав оборудования зданий
Выбор агрегатов ГЭС
Гидрогенераторы
Системы и устройства гидрогенераторов
Схемы главных электрических соединений
Повышающие трансформаторы
Схемы питания собственных нужд
Элегазовые подстанции
Средства измерения
Механическое оборудование
Сороудерживающие стержневые решетки и их очистка
Подъемно-транспортное оборудование
Масляное хозяйство
Пневматическое хозяйство
Система осушения проточной агрегатов
Служебные помещения здания станции
Подъездные пути
Русловые здания
Русловые здания совмещенного типа
Русловые здания с горизонтальными агрегатами
Водоприемники русловых зданий станций
Особенности приплотинных зданий станций
Здания деривационных станций
Подземные здания гидроэлектростанций
Размещение главных повышающих трансформаторов
Конструкции обделок подземных зданий
Полуподземные здания станций
Русловые здания малых ГЭС
Приплотинные здания и здания деривационных малых ГЭС
Элементы конструкций зданий
Конструкции и размеры надагрегатной части зданий станций
Температурные и осадочные швы
Монтажная площадка
Специальные вопросы гидравлики зданий
Элементы отводящего русла
Здания гидроаккумулирующих электростанций
Здания ГАЭС с двухмашинными агрегатами
Специальные типы агрегатов и зданий ГАЭС
Здания приливных электростанций
Водоприемники гидроэлектростанций
Работа, типы и конструкции безнапорных водоприемников
Отстойники гидроэлектростанций
Типы отстойников гидроэлектростанций
Деривационные каналы
Деривационные туннели
Напорные деривационные   трубопроводы
Технико-экономические расчеты деривационных водоводов
Напорные бассейны ГЭС
Бассейны суточного регулирования ГЭС и верхние бассейны ГАЭС
Напорные станционные водоводы
Конструкции стальных трубопроводов
Опоры свободно лежащих стальных трубопроводов
Железобетонные и сталежелезобетонные трубопроводы
Туннельные станционные водоводы
Неустановившиеся режимы работы гидроэлектростанций
Строительство, монтаж оборудования
Пусковой комплекс
Эксплуатация гидроэлектростанций
Проектирование гидроэлектростанций
Порядок выполнения и утверждения проектов гидроэлектростанций
Список литературы

ГЛАВА 12
ГИДРОГЕНЕРАТОРЫ И ДВИГАТЕЛИ-ГЕНЕРАТОРЫ. ГИДРОАГРЕГАТЫ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

Гидравлическая машина (турбина, насос, обратимая гидромашина) совместно с электрической машиной (генератором, двигателем, двигателем-генератором), как указывалось в гл. 10, образует гидроагрегат — соответственно турбинный, насосный, обратимый. Как правило, сочленение валов гидромашины и электрической машины жесткое, в таком случае частота вращения обеих машин одинакова. В особых случаях (иногда с целью уменьшения габаритов электромашины) и при относительно небольшой мощности агрегата соединение валов турбины и генератора производится через мультипликатор — устройство, повышающее частоту вращения ведомой машины. Устройство, понижающее частоту вращения ведомой машины, носит название редуктора. Применение мультипликатора целесообразно в капсульных гидроагрегатах ГЭС с целью снижения диаметра статора генератора, а следовательно, и капсулы, а редуктора — в капсульных агрегатах насосных станций с аналогичной целью. В обратимом гидроагрегате соответствующий механизм носит название мультипликатора-редуктора.
В данной главе рассматриваются конструкции генераторов и компоновки гидроагрегатов при жестком соединении валов электрической и гидравлической машин.
На гидроэлектростанциях, как правило, устанавливаются синхронные трехфазные гидрогенераторы. 

КОНСТРУКЦИИ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ И ГИДРОАГРЕГАТОВ

Гидроагрегаты в зависимости от положения оси вращения разделяются на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Вертикальные гидроагрегаты могут иметь подвесные и зонтичные гидрогенераторы. Подвесное исполнение принимается обычно для гидрогенераторов с частотой вращения >150 об/мин, а зонтичное — <150 об/мин.
Подвесные гидрогенераторы. Основная вращающая часть генератора — ротор (рис. 12.1), на котором закреплены полюсы с электрической обмоткой постоянного тока. Он состоит из ступицы 18, насаженной на вал 19, остова 16 и обода 13, на котором укреплены полюсы 12. Каждый полюс представляет собой электромагнит, состоящий из сердечника и обмотки. Он крепится к ободу при помощи хвостовика, который вдвигается в паз обода и затягивается клиньями. Обод собирается из стальных сегментов, выштампованных из листовой стали (шихтованный ротор) толщиной 4 — 5 мм. При небольшом диаметре ротора (менее 4,5 м) обод иногда делается из цельнокованых колец. Сердечники полюсов набираются из штампованных, листов толщиной 1,5 — 2 мм. Концы обмоток полюсов выведены на два контактных кольца, к которым подводится постоянный ток — возбуждение. Снизу к торцевой части обода ротора крепится состоящее из сегментов тормозное кольцо 15, к которому при торможении агрегата прижимаются колодки тормозов 14.
Вал 19 при диаметрах меньше 1400 мм изготовляется цельнокованым вместе с фланцем 17. При больших диаметрах вал и фланец вытачиваются на заводе из отдельных поковок, и свариваются. Иногда валы свариваются из двух полуцилиндров, изогнутых из толстых (до 100 мм) листов проката, и к ним привариваются фланцы. Обычно валы делаются полыми, и отверстие используется при изготовлении для осмотра изнутри и определения качества поковки, а при эксплуатации гидрогенератора во внутренней полости вала размещаются маслопроводы системы разворота лопастей рабочего колеса (-при поворотно-лопастных гидротурбинах). Внутренняя полость используется также для подачи воздуха под рабочее колесо жестоколопастных гидротурбин с целью уменьшения пульсаций давления в потоке.
Статор гидрогенератора — неподвижная часть, по условиям транспортировки с завода выполняется разъемным — из 2 — 6 частей, соединяемых фланцами и болтами, и устанавливается внутри кожуха 7. Статор состоит из сердечника 10, обмотки переменного тока 11 и корпуса 9, в котором крепится сердечник. Обмотка бывает катушечной или стержневой. Катушки соединяются последовательно, образуя фазы обмотай статора.
Сердечник (активная сталь), в пазы которого закладывается обмотка, с целью снижения индукционных потерь набирается из сегментов, отштампованных из высоколегированной холоднокатаной электротехнической стали толщиной около 0,5 мм. Для лучшего охлаждения в сердечнике предусматриваются вентиляционные каналы и устанавливаются охладители 2 и 8.
Корпус устанавливается на бетонный массив и закрепляется болтами. От статора шинами 6 ток отводится к трансформатору.
Опорные конструкции ротора гидрогенератора состоят из подшипников, верхней 1 и нижней 20 крестовин и распорных домкратов 5. Различают радиальные подшипники 4, воспринимающие нагрузки, направленные перпендикулярно оси вала, и упорный подшипник, называемый подпятником 3, воспринимающий нагрузки, направленные вдоль оси. В вертикальных гидрогенераторах радиальные подшипники состоят из самоустанавливающихся сегментов, частично погруженных в масло. Сегменты опираются на болты, с помощью которых регулируется зазор. На радиальные подшипники передается относительно небольшая нагрузка, поэтому они называются направляющими.
Подпятник воспринимает нагрузку от массы всех вращающихся частей генератора (ротор, вал) и турбины, а кроме того, и осевые усилия от давления воды, возникающие на рабочем колесе турбины, которые составляют от 80 до 140 % массы вращающихся частей.


Рис. 12.1. Вертикальный гидроагрегат Нурекской ГЭС с радиально-осевой турбиной и подвесным генератором. В левой части показано постоянное рабочее колесо, в правой — рабочее колесо для временной эксплуатации при пониженных напорах

Подпятники вертикальных гидрогенераторов, воспринимающие огромные осевые нагрузки, достигающие 34 МН, представляют собой чрезвычайно ответственные узлы гидроагрегатов. Для надежной и долговечной их работы необходимо, чтобы потери на трение были минимальными, а распределение нагрузки, передаваемой с вращающейся части на неподвижную, было по возможности равномерным.
Подпятники выполняются на жестких винтовых или на эластичных опорах. Последние могут быть либо гидравлическими (сильфоны), либо пружинными (рис. 12.1). Вращающаяся часть состоит из втулки а, насаженной на вал, и прикрепленного к ней диска 6, нижняя поверхность которого тщательно обработана («зеркало»). Неподвижными частями служат сегменты с, лежащие на сильфонах d, передающих нагрузку на несущую крестовину. Верхняя поверхность сегментов, по которой скользит диск, покрыта слоем баббита (антифрикционный сплав).
Долговечность и надежность подпятника обеспечиваются отсутствием контакта (сухого трения) между поверхностями вращающегося диска b и сегментов с. Это достигается тем, что подпятник помещен в масляную ванную е и движением диска масло увлекается в зазор между трущимися поверхностями. Здесь создается так называемый масляный клин с повышенным давлением, способный приподнять вращающиеся части агрегата на толщину масляной пленки (50 — 100 мкм). Это уменьшает коэффициент трения и создает хорошее охлаждение поверхностей. Площадь сегментов выбирают такой, чтобы среднее давление на сегментах не превосходило 4 — 6 МПа.
Благоприятные для работы подпятника условия создаются только при достаточно высокой частоте вращения. Для улучшения условий работы подпятника при пусках и остановках, когда частота вращения пониженная, применяется система принудительной смазки: в сегментах устраиваются каналы, по которым масло от специального насоса высокого давления, включающегося автоматически, подается на плоскость трения.
В Советском Союзе разработана конструкция эластичных металлопластмассовых сегментов (ЭМП-сегментов) с поверхностью трения из фторопласта, запрессованного в упругий вкладыш толщиной около 1 см, выполненный из бронзовых проволочных спиралей. Из известных в настоящее время материалов фторопласт обладает самым низким коэффициентом трения по стали— в 2,5 — 3 раза ниже, чем пара сталь — баббит. Опытная эксплуатация подпятников с ЭМП-сегментами на ряде ГЭС показала, что они не требуют применения системы принудительной смазки и обеспечивают высокую эксплуатационную надежность, в результате чего отпадает необходимость в шабровке (шлифовании) рабочих поверхностей сегментов и упорного диска — весьма трудоемкой операции при обычных подпятниках.
Крестовины представляют собой металлические конструкции, предназначенные для размещения на них подпятников или подшипников. Исполнение и размеры крестовины зависят от передаваемых на нее усилий, пролета и условий транспортировки. Различают верхнюю крестовину 1, которая располагается выше ротора, и нижнюю крестовину 20 — под ротором. Крестовина, на которой находится подпятник, носит название опорной.
Если подпятник размещается на верхней .крестовине, то ротор получается как бы подвешенным и такая компоновка гидроагрегата получила название подвесной (рис. 12.1). При расположении подпятника ниже ротора гидрогенератор называется зонтичным (рис. 12.2, 12.3).
Верхняя крестовина опирается на корпус статора и, кроме того, раскрепляется винтовыми упорами в радиальном направлении, нижняя опирается непосредственно на бетонный массив здания ГЭС или на крышку турбины (рис. 12.3).
По форме различают лучевые крестовины с радиально расположенными балками (лучами), применяемые обычно при больших пролетах и нагрузках, и мостовые, состоящие из двух параллельных балок таврового сечения, поперечных стенок и днища. Мостовые крестовины применяются в гидрогенераторах малой и средней мощности. Лучи (лапы) лучевой крестовины для удобства транспортировки могут быть выполнены отъемными.
На верхней крестовине или между ее лучами монтируют перекрытие из листов рифленой стали, отделяющее генератор от машинного зала. От турбинной шахты генератор отделяется металлической диафрагмой, прикрепляемой к нижней крестовине или собираемой на специальных балочных конструкциях.
Зонтичные гидрогенераторы, как было отмечено, отличаются расположением подпятника ниже ротора. В гидрогенераторе на рис. 12.2 подпятник установлен на нижней крестовине, имеющей в данном случае форму усеченного конуса, который опирается на крышку турбины. Для крупных гидроагрегатов в настоящее время отдается предпочтение этой конструкции, она снижает общий вес генератора на 7 — 10 % по сравнению с конструкцией, в которой нижняя крестовина, имеющая горизонтальные лапы, опирается на бетонный массив.
Особенностью конструкции, показанной на рис. 12.2, по сравнению с конструкцией на рис. 12.3 является то, что у нее ротор генератора не имеет своего вала, а вал турбины на болтах крепится снизу к массивной центральной части остова ротора — ступице. К ней же прикреплена пята, а сверху к остову ротора крепится надставка вала, несущая цапфу направляющего подшипника, контактные кольца и масло приемник. Применение безвального ротора генератора позволяет снизить высоту машинного зала ГЭС, так как в этом случае при сборке агрегата высота «выемной» части меньше, чем при роторе с валом.
С целью снижения нагрузки на кран машинного зала остов ротора генератора может выполняться разъемным, соединяемым болтами со спицами ротора. Это дает возможность снизить грузоподъемность крана почти в 2 раза и уменьшить его габариты, что в свою очередь приводит к снижению высоты верхнего строения. Кроме того, при разъемном роторе в случае выемки рабочего колеса обод ротора может не выниматься.
Подвесные гидрогенераторы обладают большей равномерностью хода и лучшими балансировочными качествами по сравнению с зонтичными. Недостатками их являются необходимость демонтажа подпятника при снятии ротора для ремонта, а также громоздкость верхней крестовины, высота которой может достигать 2,5 м, а масса — 160 т.
Зонтичные гидрогенераторы имеют большее биение вала по сравнению с подвесными, однако позволяют демонтировать ротор без разборки подпятника, т. е. не нарушать центровки всего агрегата, в связи с чем длительность ремонта у них меньше, чем у подвесных.
Капсульные гидроагрегаты сначала предназначались для установки на приливных электростанциях, а в -последнее десятилетие получили широкое распространение на низконапорных ГЭС (20 м). Большая пропускная способность по сравнению с вертикальными агрегатами за счет спрямления водного тракта турбины дает возможность сократить размеры блока здания ГЭС и упростить его формы. Это приводит к снижению капиталовложений на 10 — 20 % по сравнению с вариантом при вертикальных гидроагрегатах и сокращению продолжительности строительства.


Рис. 12.2 Гидроагрегат Зейской ГЭС с диагональной поворотно-лопастной турбиной и зонтичным генератором (опора на крышку турбины):
1 — лопатки направляющего аппарата; 2 — статорные колонны; 3 — сферическая часть камеры рабочего колеса; 4 — нижний пояс камеры рабочего колеса; 5 — рабочее колесо турбины; 6 — крышка турбины; 7 — спиральная камера; 8 — опорный фланец; 9 — сервомотор направляющего аппарата; 10 — турбинный подшипник; 11 — коаксиальные маслопроводы к сервомотору рабочего колеса; 12 — вал агрегата; 13 — маслоприемник; 14 — генераторный подшипник; 15 — надставка вала; 16 — ступица ротора генератора; 17 — опорный конус; 18 — крышка рабочего колеса; 19 — сервомотор рабочего колеса; 20 — подпятник

 

Гидроагрегат Волжской ГЭС
Рис. 12.3. Гидроагрегат Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС (обозначения см. на рис. 12.2)

В СССР сооружен ряд ГЭС с капсульными гидроагрегатами:      Киевская, Каневская,
Череповецкая, Перепадные на р. Ингури. На Саратовской ГЭС установлены два опытных капсульных гидроагрегата мощностью 45 МВт при расчетном напоре 10,5 м с диаметром рабочего колеса 7,5 м, являющиеся одними из самых крупных в мире.
Советскими заводами. изготовлены капсульные гидроагрегаты для ГЭС Дженпег в Канаде, Клостерфосс в Норвегии, Джерда-II —Железные ворота (СФРЮ —СРР).


Рис. 12.4. Капсульный гидроагрегат Киевской ГЭС

Капсульный агрегат Киевской ГЭС показан «на рис. 12.4. Металлическая герметичная капсула 7, в которой помещается генератор, располагается обычно со стороны верхнего бьефа, что обеспечивает наилучшие гидравлические качества проточного тракта. Капсула удерживается в потоке железобетонным бычком 8 и полыми статорными колоннами 1, через которые проходят масло- и шинопроводы. Направляющий аппарат 9 — конический. Регулирующее кольцо направляющего аппарата и сервомоторы расположены снаружи капсулы. Вход в капсулу из машинного зала предусмотрен по вертикальной герметизированной металлической шахте 2.
Вал агрегата опирается на турбинный 11 и два генераторных подшипника. Статор генератора является частью капсулы. В связи с ограниченными габаритами для обеспечения необходимой мощности применена система полного водяного охлаждения как ротора 3, так и статора 4, при которой дистиллированная вода от масловодоприемника 5 протекает по полым стержням обмоток. Подпятник 6 имеет пяту и контр пяту, чтобы воспринимать прямое и обратное осевое гидродинамическое усилие. Диаметр капсулы составляет обычно 1,0 — 1,2 диаметра рабочего колеса 10.
При низких напорах частота вращения получается небольшой, что требует увеличения диаметра ротора, а следовательно, и размеров капсулы. Это приводит к снижению КПД гидротурбины. Поэтому иногда между валами турбины и генератора устанавливают мультипликатор, повышающий частоту вращения ротора в 6 — 10 раз. Однако для передачи больших мощностей создание надежно работающего мультипликатора представляет серьезную проблему.
Ведутся работы по созданию капсульных гидроагрегатов «на напоры до 25 м и мощности до 55 МВт. Диаметр рабочего колеса целесообразно принимать 4 — 8 м. Нижний предел обусловлен удобством разборки и сборки узлов машины внутри капсулы, верхний— затруднениями в создании конструкции гидротурбин большого диаметра.

Прямоточный гидроагрегат
Рис. 12.5. Прямоточный гидроагрегат мощностью 5800 кВт:
1 — лопасти рабочего колеса; 2 — обод рабочего колеса; 3 — обод генератора; 4 — статор генератора; 5, 6 — опорные колонны; 7 — цапфы вала; 8- корпус; 9 — коническая вставка вала; 10 — натяжной стержень; 11 — направляющие лопатки; 12 — подшипник-подпятник; 15 — подшипник; 14 — вход в капсулу
Модификацией капсульного гидроагрегата является так называемый прямоточный гидроагрегат, идея которого предложена еще в 1919 г. В нем ротор генератора насажен на обод осевого рабочего колеса (рис. 12.5). Такие агрегаты с диаметром рабочего колеса 3,3 м были установлены в 1953 г. на Орточальской ГЭС (р. Кура), но затем демонтированы из-за попадания влаги в генератор.
В последние годы швейцарскими фирмами разработана новая надежная конструкция уплотнения между наружным кольцом рабочего колеса и ободом генератора, в результате чего этот тип гидроагрегата, носящий за рубежом название «Страфло», опять начал находить применение. Его достоинства — малый диаметр капсулы [Dk=(0,5-0,8)D1] и снижение длины гидроагрегата, приводящее к уменьшению примерно на 10 % его стоимости по сравнению с капсульным при тех же напоре и мощности. Кроме того, увеличивается диаметр ротора генератора и, следовательно, маховой момент (см. гл. 31, 33), что благоприятно сказывается на протекании переходных процессов и динамической устойчивости агрегата.
Недостатком является пропеллерное рабочее колесо, исключающее возможность использования агрегата в качестве обратимого, так как для насосной работы требуется другой угол установки лопастей. С 1984 г. опытный агрегат «Страфло» с диаметром рабочего колеса 7,6 м, мощностью 17,6 МВт работает на ПЭС Аннаполис в Канаде. Намечена установка 150 таких агрегатов мощностью по 20 мВт с диаметром рабочего колеса 7,6 м на строящейся ПЭС Фанди (Канада).
В Японии запатентована конструкция, в которой полюсы ротора и статора заключены в пластмассовые оболочки, в результате чего отпадает необходимость в устройстве сложных уплотнений.
Режим синхронного компенсатора. Для компенсации сдвига фаз между током и напряжением и регулирования напряжения в линиях электропередачи агрегаты ГЭС и ГАЭС могут работать в качестве синхронных компенсаторов (СК), т. е. в двигательном режиме, вырабатывая (при перевозбуждении ротора) или потребляя (при недовозбуждении или отрицательном возбуждении) реактивную энергию.
Работая при закрытом направляющем аппарате, гидроагрегат потребляет из сети активную мощность для покрытия электрических потерь на нагрев обмоток, на возбуждение, вентиляционных потерь от вращения ротора и рабочего колеса, потерь на трение в опорах и др. При вращении рабочего колеса в воде потребляемая мощность составляет 15 — 20 % номинальной, при вращении в воздухе 2 — 4%. Поэтому в вертикальных гидроагрегатах, если высота отсасывания Hs положительная, производится срыв вакуума в предколесном пространстве при помощи специальных клапанов. В случае, когда высота отсасывания Hs отрицательна, применяется отжим воды из камеры рабочего колеса сжатым воздухом, а при поворотно-лопастных гидротурбинах, кроме того, — установка лопастей на минимальный угол.
Следует отметить, что работа агрегатов ГЭС в режиме синхронного компенсатора должна планироваться на те часы, когда в соответствии с графиком работы ГЭС в энергосистеме все или часть агрегатов не участвуют в выработке активной мощности. Важно, что, работая в режиме СК, агрегаты ГЭС создают вращающийся аварийный н нагрузочный резервы энергосистемы, так как обеспечивают возможность очень быстрого перевода в генераторный режим с выдачей полной активной мощности [54].
В горизонтальных капсульных гидроагрегатах отжим воды от рабочего колеса невозможен. Единственным средством снижения потребляемой активной мощности при работе в режиме СК здесь является установка лопастей «а минимальный угол. Опыты, проведенные на Киевской ГЭС, показали, что при угле установки лопастей 0=—17° потребляемая мощность равна 2,6 МВт, а при φ=—22° лишь 1,3 МВт, т. е. 6,5 % поминальной.



 
« Гидратный водно-химический режим на электростанциях с барабанными котлами   Главные электрические схемы электростанций »
электрические сети