Гидроэнергетика СССР - Гидрогенераторы

Отечественной промышленностью выпущены и успешно эксплуатируются гидрогенераторы различных параметров как по мощности, так и по частоте вращения (табл. 17.9).
Так же как и гидромашиностроение, отечественное гидрогенераторостроение развивается в соответствии с определенными тенденциями, главными из которых являются:
применение гидрогенераторов большой единичной мощности с использованием системы водяного охлаждения обмотки статора;
совершенствование конструкции и компоновки гидрогенераторов; создание надежно работающих тяжелонагруженных подпятников; разработка и создание мощных генераторов-двигателей для ГАЭС.

Таблица 17.9. Параметры некоторых гидрогенераторов изготовленных в СССР

Рост единичной мощности гидрогенераторов

Гидрогенераторы мощностью 500 МВт при частоте вращения 93,8 об/мин были впервые изготовлены заводом «Электросила» в 1967 г. для Красноярской ГЭС. Достижение столь большой мощности (мощность на один полюс составляет 7,82 МВт) оказалось возможным в связи с применением непосредственного водяного охлаждения проводников обмоток статора и форсированного воздушного охлаждения обмотки возбуждения. В 1977 г. этот же завод изготовил еще более мощный гидрогенератор для Саяно-Шушенской ГЭС. За рубежом наиболее мощными гидрогенераторами в настоящее время являются гидрогенераторы ГЭС Гранд-Кули III, где установлены три гидрогенератора по 615 MB-А с воздушным охлаждением и три мощностью по 815 МВ-А, которые имеют водяное охлаждение обмотки статора. В СССР такую систему охлаждения имеют кроме гидрогенераторов Красноярской ГЭС также гидрогенераторы Саяно-Шушенской, Нурекской и Ингурской ГЭС; такая система проектируется для гидрогенераторов Рогунской ГЭС мощностью 666 MB-А с частотой вращения 166,7 об/мин. На Нурекской ГЭС установлен опытный генератор с водяным охлаждением обмотки как статора, так и ротора.

Совершенствование конструкции гидрогенераторов

В настоящее время мощные вертикальные гидрогенераторы создаются безвального типа с двумя направляющими подшипниками агрегата и расположением подпятника под ротором с опорой на крышку турбины. Продолжаются работы по продвижению этой прогрессивной конструкции в область генераторов с более высокой частотой вращения. Такая компоновка ведет к уменьшению габаритов, массы и стоимости гидрогенераторов и ГЭС в целом; так, генераторы Братской ГЭС мощностью 264,7 MB-А при 125 об/мин были выполнены в подвесном исполнении, а генераторы Усть-Илимской ГЭС мощностью 282,5 МВ-А при 125 об/мин — в зонтичном, с опорой подпятника на крышку турбины, что позволило снизить массу гидрогенератора примерно на 30— 40 т. В настоящее время проектируются гидрогенераторы такой компоновки мощностью 214 МВ-А при 214,3 об/мин.
Совершенствуется и конструкция генераторов. Так, для увеличения надежности работы уникальных гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС принято решение о бесстыковой сборке сердечника статора, что предопределило необходимость сборки активной стали статора и укладки всей статорной обмотки на монтаже. Аналогичная сборка статоров применялась при монтаже гидрогенератора ГЭС Гранд-Кули III.
Для облегчения кранового оборудования здания ГЭС на малоагрегатных гидроэлектростанциях проектируются генераторы с разъемным ротором, т. е. такие, у которых возможна выемка остова ротора без обода и полюсов. Сборка обода ротора и полюсов для них производится в кратере агрегата. Такая конструкция гидрогенераторов находит все более широкое применение в проектах отечественных малоагрегатных ГЭС. Так, в 1976 г. прошли успешные испытания опытного гидроагрегата с разъемным ротором на Рижской ГЭС, что дало возможность принять решение об их установке на расширяемой Кегумской ГЭС.
Совершенствуется технология изготовления машин. Широко применяются новые материалы (электротехническая сталь с уменьшенными удельными потерями, стали для обода ротора с повышенными механическими характеристиками и др.). В течение длительного времени основным видом изоляции являлась непрерывная компаундированная микалентная изоляция на битумно-масляном связующем, недостатками которой являлись ее термопластичность и малая нагревостойкость, а также низкая механическая прочность при рабочих температурах.
В настоящее время разработана и внедряется новая изоляция на термореактивных связующих, обладающая значительно более высокими механическими свойствами при рабочих температурах; она имеет большую электрическую прочность и повышенную теплопроводность по сравнению с применяемой ранее. Все указанные положительные качества повой изоляции позволяют уменьшить ее толщину, снизить массу активных узлов и увеличить коэффициент использования машины.

Создание тяжелонагруженных подпятников

Одним из наиболее ответственных узлов, определяющих надежную работу гидрогенератора, является подпятник. Развитие теории гидродинамической смазки, применение новых конструктивных решений и использование новых материалов позволили создать подпятники на общую нагрузку 35 000 кН с удельным давлением до 600 Н/см².
В настоящее время в СССР для крупных гидрогенераторов в основном применяются два типа подпятников — с самоустанавливающимися сегментами на винтовых регулируемых опорах и с автоматическим выравниванием нагрузки на гидравлических опорах, причем в зависимости от нагрузки подпятники первого типа выполняются с однорядным или двухрядным расположением сегментов.
Для улучшения пусковых условий, особенно для подпятников с большими удельными пусковыми нагрузками, при пуске и остановке агрегатов применяется принудительная подача смазки под давлением между трущимися плоскостями.
Несмотря на большие достижения проблему создания надежно работающих тяжелонагруженных подпятников до сих пор нельзя считать решенной. Одним из перспективных направлений в этой области является применение новых антифрикционных материалов, основанных на использовании фторопластов.

Создание гидрогенераторов-двигателей для ГАЭС

При создании гидрогенераторов-двигателей для ГАЭС возникают существенные проблемы. Такая электрическая машина, применяемая в обратимых агрегатах, рассчитывается на вращение во взаимнопротивоположных направлениях при работе в турбинном и насосном режимах. Особенности конструкции и расчетов такой реверсивной машины обусловлены спецификой ее работы — необходимостью работы в генераторном, двигательном режимах и режиме синхронного компенсатора, частыми пусками и остановками, быстрым набором и сбросом нагрузки, многократными в течение суток переключениями и т. д. Так как у реверсивных электромашин обратное вращение является нормальным условием работы в двигательном режиме, подпятник и направляющие подшипники должны обеспечить надежную ее работу при вращении в обе стороны. С этой целью сегменты подпятников и направляющих подшипников вертикальных обратимых электромашин выполняются с нулевым эксцентриситетом.
Наиболее сложным вопросом при создании гидрогенераторов-двигателей ГАЭС является выбор способа пуска в двигательный режим. Выбор того или иного способа зависит от многих факторов, в том числе от единичной мощности агрегата и мощности электрической системы, в которую он включается, а также от допустимой посадки напряжения в системе в процессе пуска агрегата, от требуемого времени пуска и перевода из одного режима в другой, от пускового момента агрегата (для уменьшения последнего камеру рабочего колеса гидротурбины осушают сжатым воздухом, а в подпятник подается масло под высоким давлением). Таким образом, при выборе способа пуска в насосный режим должны тщательно учитываться характеристики агрегата, сети, экономические показатели, показатели надежности и быстродействия.
Прямой асинхронный пуск при полном напряжении сети является наиболее простым, экономичным и быстрым. Он не требует дополнительного оборудования, но вызывает большое (до 3—5%) падение напряжения в сети и повышенные пусковые токи. Кроме того, прямой асинхронный пуск предъявляет повышенные требования к надежной работе гидрогенератора-двигателя и трансформатора, а, следовательно, и к их конструктивному исполнению. Особенность конструктивного выполнения гидрогенератора-двигателя, предназначенного для асинхронных пусков, обусловлена протеканием больших токов в обмотке статора в течение нескольких десятков секунд и необходимостью рассеяния тепловой энергии с поверхности ротора.
Успешная реализация указанных выше требований возможна при применении массивных полюсов или мощных демпферных систем и форсированной системы охлаждения для ротора, усиления механического крепления обмоток статора, а в отдельных случаях и трансформатора. Крепление обмотки статора должно быть рассчитано на максимальные динамические воздействия, возникающие при коротких замыканиях на выводах генератора.
Для уменьшения толчков тока в системе иногда применяют асинхронный пуск при пониженном напряжении (от реактора или автотрансформатора). Однако он требует установки дополнительного оборудования (реактор или автотрансформатор, дополнительные шины, переключающее устройство и др.), а также вызывает дополнительные толчки реактивной мощности в системе при отключении.
В настоящее время в связи с ростом мощности энергосистем и возросшими возможностями заводов по производству машин область применения прямого асинхронного пуска за рубежом практически не ограничивается.
Пуск от вспомогательного электродвигателя или пусковой турбины снижает до минимума толчки тока в системе, но усложняет и удорожает конструкцию гидроагрегата и строительную часть ГАЭС.
Применение пусковой гидротурбины связано с трудностями размещения ее на одном валу с основным агрегатом. Преимущества использования пускового электродвигателя (асинхронного или постоянного тока) состоят в возможности его применения для агрегатов любой мощности, в относительной простоте пуска, в сравнительно малом пусковом токе от системы, в отсутствии дополнительных повышенных требований к конструкции основной машины, а также в возможности использования пускового двигателя в качестве тормоза при остановке агрегата и в качестве вспомогательного генератора для питания системы возбуждения, а в некоторых случаях и собственных нужд станции. Однако у этого способа ряд существенных недостатков — высокая стоимость, необходимость иметь пусковой двигатель с жидкостным реостатом со сложной схемой регулирования для каждого агрегата, относительно сложная схема в случае использования при торможении или в качестве вспомогательного генератора, достаточно длительное время пуска и ограниченное число последовательных пусков и др.
Применение пусковых электродвигателей характерно для малоагрегатных ГАЭС, этот способ пуска особенно распространен в Японии на ГАЭС с двумя агрегатами.
Мощность пусковых электродвигателей находится в пределах 5— 9% мощности основного агрегата, время пуска агрегата в насосном режиме до набора нагрузки — около 5—7 мин, а стоимость составляет, 10—12% стоимости основной машины.
Преимуществом частотного способа (пуск с помощью тиристорных преобразователей частоты или от другого агрегата ГАЭС, работающего в турбинном режиме) является большой пусковой электромагнитный момент, который передается двигателю со стороны системы или пускового генератора. Но он требует дополнительного независимого источника постоянного тока для возбуждения, несколько усложняет схему пуска и увеличивает время.
Одним из наиболее перспективных, все более широко применяемых за рубежом способов пуска является частотный пуск посредством статического преобразователя частоты. Этот способ достаточно надежен и может применяться для агрегатов любой мощности, возможно также его использование и для электрического торможения. Мощность установки составляет около 8—12% мощности основного агрегата, время пуска 5 мин и более. Статические преобразователи частоты в настоящее время еще сравнительно дороги и поэтому их применение целесообразно на многоагрегатных ГАЭС для осуществления последовательного пуска агрегатов (или для запуска последнего агрегата при частотном пуске остальных от соседней машины).
Частотный пуск посредством вращающейся машины с изменяемой частотой имеет на зарубежных ГАЭС широкое применение и обычно осуществляется от одной машины, частота напряжения которой может изменяться от нуля до номинального значения. Такой машиной может быть либо один из генераторов ГАЭС, либо, реже, специальный вращающийся агрегат с гидравлическим или электрическим приводом, находящийся на этой ГАЭС или на близрасположенной электростанции. Однако этот способ также требует дополнительных устройств (шинопроводов, коммутационных и других аппаратов).
В Советском Союзе к созданию мощных гидрогенераторов-двигателей приступили только в последние годы, но уже заводом «Уралэлектротяжмаш» для первых мощных отечественных ГАЭС — Загорской и Кайшядорской — разработан гидрогенератор-двигатель мощностью 200 МВт с частотой вращения 150 об/мин. По использованию активных материалов и другим технико-экономическим показателям он соответствует уровню лучших мировых образцов (табл. 17.10).

Таблица 17.10. Параметры гидрогенератора-двигателя Загорской ГАЭС

Безвальный гидрогенератор-двигатель зонтичного типа имеет один направляющий подшипник, размещенный в верхней крестовине, с опорой подпятника на крышку гидромашины. Подпятник сегментный однорядный на гидравлической опоре, сегменты имеют нулевой эксцентриситет, при пуске и останове агрегата в зону трения подается масло под давлением. Нагрузка на подпятник 14 100 кН, удельное давление на сегмент 350 Н/см². Предусмотрено охлаждение активных частей машины циркулирующим по замкнутому циклу воздухом.
Гидрогенератор-двигатель снабжен быстродействующей системой тиристорного самовозбуждения, обеспечивающей питание обмоток возбуждения машины автоматически регулируемым выпрямительным током. Расчетный способ пуска в двигательном режиме в аварийной ситуации — прямой асинхронный при полном напряжении сети. С учетом частых пусков крепление обмотки статора выполняется усиленным, сердечник полюса ротора — массивным. Кроме того, на ГАЭС в качестве оперативного предусматривается частотный пуск от специальной установки с тиристорными преобразователями частоты.
Разрабатываются эскизные проекты гидрогенераторов-двигателей и для других ГАЭС (Днестровской, Тереблинской, Теребля-Рикской, Ленинградской и др.).

Системы возбуждения гидрогенераторов

Современные мощные отечественные гидроэлектростанции связаны с потребителями электроэнергии высоковольтными линиями электропередачи значительной протяженности. Поэтому все большее значение приобретает использование быстродействующих систем возбуждения, являющихся эффективным средством повышения устойчивости таких передач. Практически на всех вновь проектируемых гидрогенераторах стали применяться тиристорные системы возбуждения либо по схеме независимого возбуждения (источник питания — синхронный генератор, расположенный на валу гидроагрегата), либо по схеме самовозбуждения (источник питания — трансформаторы, присоединенные к шинам генератора). Автоматическое регулирование возбуждения осуществляется регуляторами сильного действия, реагирующими не только на отклонение параметров по величине, но и на скорость этих отклонений.
В настоящее время успешно эксплуатируются тиристорные системы независимого возбуждения генераторов Красноярской и Зейской ГЭС (соответственно 600 В, 4100 А, кратность форсировки Кф = 3,5; 300 В, 2400 A, Кф= 3,5), а также система самовозбуждения с последовательными трансформаторами генераторов Нурекской ГЭС (330 В, 2700 А, Кф = 4). 
Разработаны системы независимого возбуждения и самовозбуждения для гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС (610 В, 3850 А, Кф = 3), система самовозбуждения без последовательных трансформаторов для гидрогенератора-двигателя Загорской ГАЭС (240 В 1680 А, КФ=2,5).

Высокий уровень разработки, изготовления и опыт эксплуатации тиристорных систем возбуждения, накопленный в Советском Союзе, позволили перейти к созданию унифицированного ряда систем возбуждения, а это существенно сократит затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию систем возбуждения. Разработан и введен в действие ГОСТ, определяющий тип системы возбуждения и ряды номинальных параметров возбуждения в зависимости от мощности гидрогенераторов. Для всех гидрогенераторов мощностью до 200 МВт рекомендовано применять систему возбуждения по схеме параллельного самовозбуждения без последовательных трансформаторов, а для гидрогенераторов мощностью более 200 МВт — преимущественно системы по схеме независимого возбуждения или самовозбуждения с последовательными трансформаторами.
Системы возбуждения, изготовляемые в настоящее время отечественными заводами, по техническим данным соответствуют, а по отдельным параметрам превосходят мировой уровень (табл. 17.11).
На ГЭС с большим числом гидрогенераторов относительно небольшой мощности применяются групповые возбудители. Эта система возбуждения целесообразна для многоагрегатных ГЭС, оснащенных горизонтальными капсульными агрегатами, с объединением по 2—4 генератора в блок без выключателей на генераторном напряжении.