Гидроэлектрические станции - Системы и устройства гидрогенераторов

Системы возбуждения. Питание постоянным током обмоток ротора, создающих необходимое вращающееся магнитное поле, осуществляется системой возбуждения гидрогенератора, мощность которой составляет 0,5-1 % полной мощности. При потере возбуждения генератор сбрасывает всю нагрузку, поэтому система возбуждения должна быть чрезвычайно надежной. Предпочтительна автономная (отдельная для каждого генератора) система возбуждения.
До последнего времени широко применялось прямое машинное возбуждение с непосредственным приводом от вала генератора. В этой системе выше ротора гидрогенератора устанавливается генератор постоянного тока — возбудитель, якорь которого соединен с валом. От щеток коллектора постоянный ток подводится к контактным кольцам обмотки ротора.

В настоящее время, особенно для крупных генераторов, чаще используется непрямое возбуждение с источником постоянного тока, отделенным от гидрогенератора. Это либо машинная система, включающая асинхронный двигатель и генератор постоянного тока, либо система ионного возбуждения, состоящая из ртутных выпрямителей. Разрабатывается использование для возбуждения и более простых полупроводниковых выпрямителей. Выпрямители могут получать питание от электрической системы собственных нужд станции, но для большей надежности чаще осуществляется автономное питание от вспомогательного генератора переменного тока, смонтированного на общем валу с гидрогенератором.
Непрямое возбуждение удобнее для компоновки здания ГЭС, поскольку уменьшается «надстройка» гидрогенератора, а для тихоходных агрегатов и дешевле.
Тормозная система предназначена в основном для сокращения времени работы с пониженной частотой вращения при остановках агрегата, когда толщина масляной пленки между диском и сегментами подпятника значительно уменьшается. На нижней крестовине или на фундаменте устанавливаются тормоза, состоящие из стального цилиндра и поршня с фрикционной подушкой (колодкой). При торможении в цилиндр подается сжатый воздух давлением 0,6 — 0,8 МПа, под действием которого поршень поднимается и фрикционная подушка прижимается к тормозному кольцу ротора. Торможение обычно начинается, когда частота вращения снижается до 25 — 80 % номинальной.
Тормоза используются также в качестве домкратов, приподнимающих вращающиеся части гидроагрегата на 30 — 40 мм, что достаточно для выемки сегментов при ревизии или ремонте подпятника. В этом случае в тормоза специальным насосом подается масло под давлением около 10 МПа. Поршни тормозов могут фиксироваться стопором в верхнем положении, благодаря чему после подъема ротора давление масла может быть снято.
Система охлаждения. При работе гидрогенератора активной сталью и обмотками выделяется большое количество теплоты. Благодаря вращению ротора и лопаток (крыльчаток), устанавливаемых сверху и снизу на его ободе, нагретый воздух прогоняется через воздухоохладители от центра к периферии.
В настоящее время в подавляющем, большинстве случаев для генераторов мощностью более 15 МВ-А применяется замкнутая система охлаждения, работающая на постоянном объеме воздуха. Теплый воздух проходит через охладители, в которых по латунным трубкам протекает вода, на трубках для увеличения теплоотдачи устроены ребра или проволочная навивка. Охладители, как правило, прикрепляются непосредственно к статору (рис. 12.1 и 12.2), но могут быть также установлены и в радиальном направлении. Выбор способа установки охладителей зависит от их числа и удобства компоновки.
Теплый воздух из генератора может выпускаться для обогрева машинного зала ГЭС. С этой целью в перекрытии, изолирующем генератор от машинного зала, устраиваются специальные окна.
Повышение интенсивности отвода теплоты от обмоток и активной стали за счет охлаждения позволяет увеличить полезную мощность генератора без увеличения массы стали и обмоток. В связи с этим часто используют форсированное охлаждение. С этой целью увеличивают расход воздуха за счет большего размера крыльчаток на роторе или поддерживают повышенное давление воздуха путем установки специальных воздуходувок, что приводит к увеличению его теплоемкости.
Наиболее эффективным является применение непосредственного водяного охлаждения. При этом токопроводы статора, а часто и ротора делаются полыми (трубчатыми) и по ним пропускается дистиллированная вода. Нагретая вода проходит через охладители, работающие на обычной воде. Хотя водяное охлаждение сложнее воздушного, оно дает интенсивный отбор теплоты и его применение позволяет значительно увеличить мощность генератора или уменьшить его габариты (за счет сокращения до 70 % высоты активной стали).

Таблица 12.1

Система контроля защиты управления.
Назначение системы — полностью автоматизировать работу гидроагрегата, сигнализировать о нарушении нормального режима и при необходимости подавать импульс на его аварийную остановку. В систему входят электрические цепи предупредительной сигнализации (звуковой и световой), а также аварийного отключения гидрогенератора. Предупредительная сигнализация срабатывает в случае отклонения режима работы от нормального, а аварийное отключение — при достижении предельно допустимых уровней параметров.
Тепловой контроль осуществляется за подпятником, подшипниками, системой охлаждения. Одна пара контактов термосигнализаторов замыкается и дает сигнал при отклонении температуры от нормальной, а другая пара, включенная в цепь аварийной остановки, замыкается при достижении предельно допустимых температур. В случае прекращения циркуляции воды в трубах системы охлаждения замыкаются контакты струйных реле, включенных в цепь сигнализации.
Противопожарные устройства выполняются в виде кольцевых труб с отверстиями, расположенными против лобовых частей обмотки статора. Кольцевые трубы присоединяются к пожарному трубопроводу станции. Имеется также автоматически действующая запорная арматура и аппаратура управления и контроля.
Система для отжатия воды применяется в вертикальных агрегатах, предназначенных для работы в режиме синхронного компенсатора, и состоит из компрессоров, воздухосборников (ресиверов), воздуховодов с запорными задвижками и клапанами, а также средств автоматики, обеспечивающих подачу необходимого количества воздуха и поддержание требуемого давления в ресиверах. Подача сжатого воздуха в область рабочего колеса производится через специальные отверстия в крышке турбины и в верхней части конуса отсасывающей трубы.

Особенностью обратимых электрических машин — двигателей-генераторов — является то, что их роторы вращаются в обе стороны. В связи с этим вносятся некоторые изменения в конструкцию подпятника и подшипников, чтобы обеспечить создание масляной пленки независимо от направления вращения. Частая смена режимов, пуски и остановки обратимых агрегатов предъявляют более высокие требования к качеству исполнения двигателей-генераторов по сравнению с нереверсивными электромашинами ГЭС и крупных насосных станций.
Запроектированные и изготовленные заводом «Уралэлектротяжмаш» двигатели-генераторы для Загорской и Кайшядорской ГАЭС мощностью 236 МВ «А с частотой вращения 150 об/мин, зонтичного типа (с опорой на крышку гидромашины и одним направляющим подшипником над ротором) имеют улучшенное крепление обмотки неразъемного статора, собираемого непосредственно на месте монтажа. Сердечники полюсов ротора выполнены массивными с демпферными соединениями повышенной прочности. Применена специальная изоляция, устойчивая к интенсивным знакопеременным нагрузкам, возникающим при переходных процессах. Система охлаждения — воздушная. Двигатель-генератор рассчитан на прямой асинхронный пуск в насосный режим от полного напряжения сети за 3,75 мин (отжатие воды —40 с, разворот агрегата — 35 с, впуск воды в зону рабочего колеса — 150 с) при аварийных ситуациях в энергосистеме, что позволяет не отключать агрегаты ТЭС и АЭС.
Конструкция механической части обратимой электрической машины —двигателя-генератора — мало отличается от конструкции обычных генераторов, и при определении их размеров можно пользоваться соотношениями, приведенными выше, в § 12.4. Следует отметить, однако, что в случае применения обратимых гидромашин с коэффициентом быстроходности ns=100-:-200 об/мин диаметр D рабочего колеса может оказаться больше диаметра D расточки статора и тогда, как указывалось выше, выемка рабочего колеса осуществляется вниз при снятом конусе отсасывающей трубы.
Для двигателей-генераторов в диапазоне нормальной частоты вращения п0 — 250ч- 500 об/мин характерно соотношение
(12.24)
которым удобно пользоваться при предварительном определении D,·.
Предельная мощность Sпр, МВ-А, двигателей-генераторов при современных технических возможностях ограничивается частотой вращения n0 и системой охлаждения и может быть выражена зависимостью
(12.25)
где А* — коэффициент, зависящий от системы охлаждения: при воздушном А*=120Х 10 3, при форсированном воздушном А*= 180-103, при водяном А*=200-103.
Для ГАЭС, покрывающих пиковую часть графика суточной нагрузки, т. е. работающих 4 — 5 ч в турбинном режиме и 6 — 7 ч в насосном, допустимы два температурных уровня нагрева обмоток: до t=60 °С при cos φ= 1,0 и работе в качестве двигателя; до t=80 °С при cos φ—0,954-0,92 и работе в качестве генератора. Это позволяет получить кратковременную мощность в турбинном режиме на 10 — 15% больше, чем в насосном, не увеличивая габаритов двигателя-генератора.

Высота активной стали в ряде выполненных зарубежными фирмами двигателей-генераторов достигает 3,7 — 4 м.
Двухскоростные двигатели-генераторы. Оптимумы КПД обратимых гидромашин по приведенной частоте вращения в насосном и турбинном режимах не совпадают, причем расхождение тем существеннее, чем - больше коэффициент быстроходности. Соотношение в осевых гидромашинах достигает значений 1,3, что приводит к снижению КПД в турбинном режиме по сравнению с максимальным на 8 — 10%. Во избежание этого еще в 1934 г. на ГАЭС Бальденей в ФРГ, самой первой с осевыми поворотнолопастными обратимыми гидромашинами (Н=9 м,
D1=1,75 м), были установлены двухскоростные двигатели-генераторы, на которых благодаря наличию двух статорных обмоток в турбинном режиме частота вращения составляла 230,8, а в насосном — 333,3 об/мин.
Известны и более поздние примеры применения двухскоростных двигателей-генераторов на ГАЭС.
Однако значительные усложнения конструкции, необходимость применения дополнительной аппаратуры для переключения обмоток, а также снижение КГ1Д электромашины пока не оправдывают применения мощных двухскоростных двигателей-генераторов. В некоторых случаях, особенно когда диапазон изменения напоров ГАЭС с недельным или сезонным циклом аккумулирования достаточно большой и превышает значения, определенные по (11.5) и (11.6), не только для обеспечения работы агрегатов с более высокими значениями КПД, но и по условиям уменьшения пульсаций потока и вибраций, может оказаться целесообразным применение такого решения. При этом с увеличением напора до определенного предела производится переключение на более высокую частоту вращения в обоих режимах —как в турбинном, так и в насосном.