Виницкий Ю. Д., Лохматов А. П., Мамиконянц Л. Г.
В период очередной 38-й сессии СИГРЭ 2000 г. в Париже проблемы электрических машин обсуждались на заседании дискуссионной группы ДГ-11.
На заседании рассматривалось 17 заранее представленных и разосланных делегатам докладов. Они были посвящены трем предпочтительным темам.
Первая предпочтительная тема “Новые достижения в областях конструирования электрических машин и их эксплуатации, включая: влияние на конструкции и на стоимости машин требований к ним со стороны эксплуатационников и условий, отражаемых в договорах на поставку ”.
По этой теме было представлено семь докладов:
11 - 101 Турбогенератор с полностью воздушным охлаждением мощностью порядка 500 MB-А, прошедший типовые испытания (Швейцария).
11 - 102 Разработка гидрогенератора 400 МВт с испарительным охлаждением для электростанции Lijiaxia (Китай).
11 - 103 Расчеты физических полей гидрогенераторов (Китай).
11 - 104 Исследование подпятника, рассчитанного на нагрузку 6000 т, с тефлоновым или баббитовым покрытием для агрегатов электростанции “Три ущелья” (Швейцария, Китай).
11 -105 Мощные генераторы-двигатели для ГАЭС (Франция).
11-106 Разработка и опыт эксплуатации турбогенераторов 1000 МВт, 3000 мин-1, установленных на АЭС в Китае (Китай, Великобритания, Франция).
11 -107 Последние достижения по созданию сверхпроводникового генератора класса 70 МВт (Япония).
Общая характеристика состояния проблем, затрагиваемых первой предпочтительной темой, была дана специальным докладчиком, обобщившим представленные на сессию СИГРЭ 2000 г. доклады по ДГ-11. Он отметил, что в прошедшее десятилетие наблюдались значительные и разнообразные преобразования в энергетике, поскольку экономические факторы и ослабление госконтроля электроэнергетики на глобальном уровне повлияли на подходы к проектированию. В большинстве прикладных программ отдается предпочтение газотурбинным и парогазовым установкам (ГТУ и ПГУ соответственно) из-за гибких рабочих характеристик и высоких уровней КПД, которые могут быть достигнуты в агрегатах с комбинированным циклом. Увеличиваются мощности разрабатываемых генераторов с воздушным охлаждением, которое предлагается как альтернатива традиционному водородному охлаждению. При малых номинальных мощностях рассматривается применение с приводом через редуктор четырехполюсных машин как более экономичный вариант по сравнению с двухполюсным. Реализована концепция создания генераторов высокого напряжения, присоединенных непосредственно к электрической сети без повышающего трансформатора.
Общим результатом происшедших в электроэнергетике изменений является стремление снизить затраты на производство электроэнергии путем уменьшения начальной стоимости оборудования за счет уменьшения материалоемкости, а также путем снижения затрат на его эксплуатацию.
Перечисленные доклады по первой предпочтительной теме в той или иной степени отражают реализацию указанных тенденций.
Продолжающаяся тенденция увеличения мощности более простых в эксплуатации турбогенераторов с полностью воздушным охлаждением, предназначаемых, в основном, для ГТУ и ПГУ, подтверждается докладом 11-101. В нем рассматриваются результаты разработки и испытания очень мощного (500 МВ-А) турбогенератора с воздушным охлаждением. Эта машина является примером применения воздушного охлаждения в области номинальных мощностей, при которых еще десятилетие назад обычно применялось водородное охлаждение в сочетании с непосредственным жидкостным охлаждением обмотки статора.
В докладе показано, что для осуществления такой разработки потребовалось применение существенных новшеств в области систем охлаждения и теплообмена, а также использование изоляции класса Н (при нагревах, соответствующих классу F). КПД этого турбогенератора 98,78%. Первоначально машина создавалась как имеющая номинальную мощность 480 MB-А; испытания, начатые в 1998 г., показали, что номинальная мощность может быть увеличена до 500 MB-А при нагревах, соответствующих нагревам, допустимым для изоляции класса F. По оценкам авторов доклада стоимость такого турбогенератора примерно на 1 млн. дол. США меньше стоимости турбогенератора с водородноводяным охлаждением. Эксплуатационные затраты без учета потерь меньше на 0,5 - 2,5 млн. дол. США. Эта экономия перекрывает ущерб от несколько больших потерь у турбогенератора с воздушным охлаждением при частичных нагрузках. В докладе утверждается, что есть возможность дальнейшего увеличения мощности турбогенераторов с воздушным охлаждением.
В дискуссии по вопросу о турбогенераторах с воздушным охлаждением достигнутых предельных мощностей высказывалось мнение о том, что их приемлемость для рынка еще должна быть доказана.
Интересным является опыт создания в Китае генераторов с испарительным охлаждением (доклад 11 - 102). Этой проблемой китайские специалисты активно занимаются с 1958 г. В 1984 г. были введены в эксплуатацию два гидрогенератора мощностью по 10 МВт с такой системой охлаждения.
В 1992 г. был введен в работу еще один гидрогенератор такого типа мощностью 50 МВт. Наконец, в конце 1999 г. - гидрогенератор мощностью 400 МВт, которому и посвящен доклад 11-102. В этом гидрогенераторе применена система двухфазового испарительного охлаждения полых проводников обмотки статора. Для охлаждения используется хладагент с температурой кипения 47,6°С при давлении 1 кгс/см2. Тип хладагента, к сожалению, не указан. Отвод тепла от обмотки осуществляется за счет скрытой теплоты парообразования охлаждающего агента.
На основании обширных натурных испытаний и расчетов авторы доклада говорят о высокой эффективности такой системы охлаждения; в частности, отмечается более равномерное, чем при других системах охлаждения, распределение температуры в обмотке. Система считается перспективной. Ее планируется применить для гидрогенераторов 300 и 600 МВт, мощных генераторов-двигателей ГАЭС, а также трансформаторов большой мощности.
В связи со стремлением обоснованного максимального использования материалов в машинах большой мощности значительное внимание уделяется повышению точности расчетов всех процессов в таких машинах и совершенствованию их конструкции и систем их охлаждения. В этом аспекте представляют интерес доклады 11 - 103, 11 - 104 и 11 - 105.
В докладе 11-103 (Китай) приведены результаты исследований электромагнитных, тепловых и механических деформационных полей в гидрогенераторе путем комплексного решения уравнений физических полей методом конечных элементов с учетом нелинейностей рассматриваемой системы. Результаты расчетов хорошо согласуются с результатами проведенных в широком масштабе тщательных экспериментов.
В докладе 11 - 104 представлены результаты совместно проведенных специалистами Швейцарии и Китая сопоставлений двух известных решений в отношении подпятников мощных гидроагрегатов - с баббитовыми и тефлоновыми покрытиями. Исследования проведены в связи с созданием гидроагрегатов для ГЭС “Три ущелья”. Нагрузка на подпятники этих агрегатов равна 6000 т. Отмечаются достоинства подпятников с тефлоновыми покрытиями и делается вывод о целесообразности их использования для рассматриваемых агрегатов. Этот вывод не нов. Металлопластмассовые покрытия используются на подпятниках крупных гидрогенераторов уже давно. Однако такие большие нагрузки, как 6000 т, на них не имели места.
В докладе 11 - 105 приведены обобщения результатов разработок и опыта применения мощных двигатель-генераторов для ГАЭС во Франции и других странах. Тяжелые условия обеспечения пускового режима двигателей-генераторов ГАЭС обусловливают применение ряда специальных конструкторских решений, специфических для этих машин. Большое внимание уделено выбору рациональной системы циркуляции охлаждающего воздуха в таких машинах. В условиях маневренных режимов усиливается роль фактора грамотного обслуживания как непременного условия обеспечения нормальной работы этих машин. Отмечается перспективность сооружения ГАЭС, в частности, с агрегатами, имеющими генераторы-двигатели асинхронизированного типа, обеспечивающими возможность регулирования частоты вращения ротора в зависимости от режимов работы и гидравлического напора.
В связи с продолжающимся развитием в мире атомной электроэнергетики не снимается с повестки дня вопрос о создании и эксплуатации весьма мощных турбогенераторов. При этом, естественно, острыми являются вопросы максимального использования материалов при больших удельных нагрузках. В этом плане представляет интерес доклад 11 - 106 об особенностях конструкции и опыте эксплуатации двухполюсных турбогенераторов мощностью порядка 1000 МВт, установленных на АЭС “Daya Вау” в Китае. Первый генератор был введен в эксплуатацию в 1993 г., а второй - в 1994 г. Генераторы работают надежно. На базе положительного опыта работы этих турбогенераторов две аналогичные машины должны быть введены в эксплуатацию в 2002 - 2003 гг. на АЭС “Ling Ао” (Китай). При общем высоком уровне надежности работы этих турбогенераторов в начальный период эксплуатации отмечалась повышенная вибрация опорной рамы статора, которая в связи с этим была несколько модифицирована для устранения этого явления.
В Японии продолжают активно развиваться работы по созданию турбогенераторов с использованием явления сверхпроводимости. Значительный интерес представляет доклад 11-107, в котором сообщается о создании и испытаниях трех моделей таких турбогенераторов класса мощности 70 МВт. Модели испытывались с апреля 1997 г. до июня 1999 г. Нагрузка при испытаниях достигла 79 МВт. Длительность работы составила 1500 ч с 44 ежедневными циклами “пуск - остановка”. Результаты признаны положительными. В июне 1999 г. одна из моделей была присоединена к коммерческой сети 77 кВ для работы в режиме синхронного компенсатора с нагрузкой до 40 Мвар. В докладе отмечалось, что машины класса 70 МВт созданы как прообразы турбогенераторов мощностью 200 МВт с обмотками возбуждения из сверхпроводникового материала. В дискуссии по этому докладу делегат из Японии сообщил, что к 2012 г. планируется создать такой турбогенератор мощностью 600 МВт.
В общей дискуссии по первой предпочтительной теме был отмечен дальнейший прогресс в отношении создания и применения бестрансформаторных агрегатов с генераторами высокого напряжения (“Пауэрформер”). В конце 2000 г. введен в эксплуатацию в Эскельстуне (Швеция) турбогенератор такого типа мощностью 42 MBA, напряжением 136 кВ. Текущая эксплуатация первого гидрогенератора “Пауэрформер” мощностью 11 МВ·А, напряжением 45 кВ в Борджусе успешна.
Согласно общему мнению существующие стандарты по электрическим машинам должны быть приведены в соответствие с последними достижениями в области их создания и эксплуатации. При этом в стандартах обязательно должны быть отражены вопросы координации машин и электрических сетей энергосистем, к которым первые присоединены.
