Крупнейшее предприятие Ленинграда — производственное электромашиностроительное объединение (ЛПЭО) «Электросила» имени С. М. Кирова создало для Саяно-Шушенской ГЭС гидрогенератор номинальной мощностью 640 тыс. кВт с номинальным напряжением статора 15 750 В с частотой вращения 142,8 об/мин. Аналогов такого гидрогенератора нет. Есть только прототип, созданный ранее и хорошо зарекомендовавший себя, — гидрогенераторы Красноярской ГЭС. Опыт их создания подсказал пути совершенствования конструкции и повышения надежности генераторов Саяно-Шушенской ГЭС. Опять были годы кропотливой исследовательской и экспериментальной работы. Они завершились изготовлением нового более экономичного гидрогенератора, способного развивать мощность 720 МВт, его коэффициент полезного действия 98,8%.
В свое время генераторы Красноярской ГЭС казались совершенными. И вот теперь создан новый еще более совершенный, мощный генератор.
Гидрогенераторы Саяно-Шушенской ГЭС — зонтичного типа с подпятником на крышке турбины с одним направляющим подшипником в центре верхней крестовины. Общая масса — 1860 т, максимальная монтажная масса — 890 т.
На одном валу с генератором расположены вспомогательный генератор возбуждения и тахогенератор питания электрогидравлического регулятора скорости вращения турбины. Впрочем, как уже говорилось, у гидрогенератора нет специального вала. Его роль выполняет массивная центральная часть ротора. К ней снизу крепятся вал турбины и вращающаяся часть опорной пяты, а сверху — надставка вала с ротором вспомогательного генератора.
Для саянского генератора выполнена система внутрипроводникового водяного охлаждения обмотки статора и форсированного воздушного охлаждения обмотки ротора, подобно красноярской системе. Это позволило значительно уменьшить габариты и массу генератора, а также расход активных материалов на единицу мощности по сравнению с расходом в обычно применяемых конструкциях. Следует отметить, что система водяного охлаждения не только обеспечивает возможность создания экономичного генератора, но также повышает надежность эксплуатации. Увеличивается и срок службы генератора за счет того, что обмотка статора работает при низких и стабильных температурах, не превышающих 60—70°С против допускаемых 105°С, что замедляет процесс старения изоляции.
Рис. 25. Монтаж 900-тонного ротора первого гидрогенератора. 22 ноября 1978 г.
Для охлаждения обмотки статора используется дистиллированная вода, циркулирующая в полых стержнях обмотки. Циркуляция происходит по замкнутому циклу и обеспечивается новыми мощными циркуляционными насосами, изготовленными объединением «Пролетарский завод». Охлаждение циркуляционной воды производится в теплообменниках. Качество циркуляционной воды должно быть очень высоким.
Подготовка воды для заполнения системы охлаждения статора — сложный процесс. Речная вода подается из трубопровода для хозяйственных нужд, проходит магнитный фильтр и поступает в электродистилляторы. Уже дистиллированная вода декарбонизируется и в горячем состоянии проходит вакуумную дегазацию. Вода хранится в вакуумных баках, и по мере необходимости ее перекачивают в систему охлаждения генераторов. В контуре дистиллята гидрогенератора установлены специальные ионно-обменные фильтры. Вся система выполнена из нержавеющей стали. Работа системы охлаждения статора полностью автоматизирована.
Форсированное охлаждение ротора осуществляется по замкнутому циклу. Охлаждающий воздух проходит через каналы в ободе ротора и поступает в зазор между сердечником полюса и катушкой обмотки ротора, затем проходит через каналы в катушке и выбрасывается в междуполюсное пространство. Источником напора является сам ротор. Расход охлаждающего воздуха через обмотку составляет 170 м3/с. Охлаждение воздуха производится в воздухоохладителях усовершенствованной конструкции с длительно эпизодическим давлением охлаждающей воды 0,5 МПа, что превышает давление, применяемое в воздухоохладителях для других генераторов. В схеме циркуляции воздуха предусматриваются мероприятия, исключающие попадание пыли на обмотку статора при торможении.
Принятая система охлаждения ротора позволила снизить высоту катушки и полюса, что было необходимо для уменьшения рассеяния магнитного потока полюсов. Изготовление катушек ротора гидрогенератора Саяно-Шушенской ГЭС потребовало освоения производства меди специального периодического профиля. Производство его было освоено объединением «Красный выборжец». Это же объединение поставляет медь для обмотки статора, охлаждаемой водой.
Ротор гидрогенератора имеет центральную литую втулку с присоединенными к ней сварными спицами. Обод ротора изготавливается из легированной стали с повышенным пределом текучести. Внешний диаметр статора гидрогенератора 14 800 мм.
В отличие от ранее осуществляемых в СССР конструкций гидрогенератора сборка сердечника статора производилась бесстыковым способом на месте установки в кратере агрегата. Там же осуществлялась укладка обмотки статора. Бесстыковая сборка статора снижает вибрацию, исключает возможность повреждения железа статора в местах стыковки шестерок в процессе работы, повышает прочность статора. А в целом возрастает надежность и долговечность гидрогенератора.
Для сборки объединением «Электросила», трестом «Спецгидроэнергомонтаж» и Ленгидропроектом разработана специальная технология, а также методика испытания собранного статора. Объединением «Электросила» создан ряд специальных монтажных приспособлений. Обрезка полок статора и проверка концентричности производились при помощи специальной опорной колонки для крепления стрелы с инструментами. Колонка устанавливалась либо на фланец турбинного вала, либо на специальное балочное перекрытие шахты турбины, имеющее минимальный прогиб.
В связи с совмещением монтажно-сборочных работ по статорам первых генераторов со строительными работами по машинному залу был разработан специальный легкий сборно-разборный шатер. Он оснащен подвесным краном-балкой грузоподъемностью 5 т, системой отопления и вентиляции для создания микроклимата со стабильной температурой и влажностью. Сюда же подведены энергоразводки для сварочных работ, сжатый воздух и техническая вода, выполнено эффективное освещение. Применение указанной технологии и оснастки позволило осуществить в короткие сроки монтаж статора, совместив его со строительными работами. Это обеспечило досрочный пуск первого гидроагрегата в 1978 г., ускорив его на полгода.
Долговечность и надежность генератора находится в прямой зависимости от технического уровня изоляции обмоток статора генератора. Изоляция, кроме того, определяет массу, габарит, коэффициент полезного действия и стоимость гидрогенератора. Совершенствование изоляции включает в себя увеличение ее электрической и механической прочности, повышение теплостойкости. Повышение электрической прочности позволяет уменьшить толщину корпусной изоляции обмоток статора и дает возможность снизить расход электротехнической стали, меди и улучшить условия охлаждения обмоток. В конечном итоге масса и габариты гидрогенератора уменьшаются.
Примененная в гидрогенераторах Саяно-Шушенской ГЭС термореактивная изоляция класса нагревостойкости F обладает высокой электрической и механической прочностью, практически неизменяемой от температуры. Эта изоляция не впитывает влагу, маслостойкая и негорючая.
Для уменьшения потерь от магнитного поля в зубцах сердечника статора сделаны продольные прорези. Кроме того, для уменьшения нагрева торцевых зон статора нажимные щеки полюсов ротора и пальцы нажимных гребенок статора выполнены из немагнитных материалов. Для щек полюсов применены титановые сплавы, вентиляционные распорки сделаны из немагнитной стали. Это позволило значительно снизить потери и увеличить выработку электроэнергии.
Подпятник гидрогенератора — двухрядный, рассчитан на восприятие нагрузки 36 000 кН. Он размещен в цельносварной масляной ванне диаметром 6 м и охлаждается встроенными трубчатыми маслоохладителями. Для обеспечения лучших условий смазки трущихся частей подпятника при вращении агрегата с малой скоростью при пуске и остановке предусмотрен высоконапорный насос принудительной смазки, автоматически включающийся на это короткое время.
Торможение агрегата осуществляется поршневыми пневматическими тормозами. Тормозной диск, к которому тормозные колодки с накладками прижимаются при торможении, надежно прикреплен снизу к ободу ротора генератора. Сжатый воздух для торможения подается из общестанционного воздухосборника, периодически пополняемого компрессором. Эти же тормоза выполняют роль гидравлических домкратов при необходимости приподнять вращающиеся части агрегата для ремонта подпятника. Масло при этом подается от специального стационарного насосного агрегата под давлением около 10 МПа.
Подшипник генератора — баббитовый, с самоустанавливающимися сегментами, работающими на самосмазке.
Пожаротушение гидрогенератора предусмотрено распыленной водой, поступающей через дренчерные кольцевые трубопроводы в области верхних и нижних лобовых частей обмотки статора, а также в зону над статором вспомогательного генератора. Управление подачей воды осуществляется задвижкой с электромоторным приводом.
Система возбуждения выбрана с учетом условий обеспечения устойчивой работы гидрогенераторов в энергосистеме. В ротор гидрогенератора подается постоянный ток от тиристорных преобразователей, питаемых от вспомогательного генератора мощностью 4815 кВ-А. От соответствующих отпаек вспомогательного генератора питаются тиристорный преобразователь форсировочной и рабочей групп.
Тиристорные преобразователи разработаны и изготовлены ЛПЭО «Электросила». Общее число тиристоров в возбудителе на 25% меньше, чем в аналогичном возбудителе Красноярской ГЭС. Каждая из групп преобразователей (при выходе из работы одной из них) может обеспечить ток ротора гидрогенератора, соответствующий номинальной мощности генератора при коэффициенте мощности, равном единице.
Управление тиристорными преобразователями осуществляется системой управления, выполненной на базе логических элементов с использованием микросхем. Охлаждение тиристорных преобразователей — водяное, по замкнутому циклу. Впервые в практике применена общая с гидрогенератором система охлаждения.
Для возбуждения вспомогательного генератора применяются также разработанные ЛПЭО «Электросила» тиристорные преобразователи с естественным воздушным охлаждением.
Для повышения надежности в системе возбуждения вспомогательного генератора используются два параллельно включенных преобразователя, каждый из которых может обеспечить возбуждение вспомогательного генератора. Автоматическое регулирование возбуждения осуществляет полупроводниковый регулятор сильного действия, разработанный и изготовленный ВЭИ имени В. И. Ленина. Расчеты по выбору параметров регулятора и его отдельных блоков проводились Ленгидропроектом, ВНИИЭлектромашем, ЛПИ имени М.. И. Калинина, НИИ постоянного тока. Испытания макета регулятора были проведены ВНИИЭлектромашем, а также на Саратовской ГЭС. Регулятор изготовлен с использованием интегральных микросхем и логических элементов. Управление системой возбуждения выполнено на релейных элементах и согласовано с логическими элементами, на базе которых выполнена система автоматики и управления агрегатом. Наладка и первые испытания всех элементов схемы системы возбуждения показали их полную работоспособность.
Особенности конструкции гидроэнергетического оборудования Саяно- Шушенской ГЭС потребовали уделить особое внимание комплексу вспомогательного оборудования.
Мы уже упоминали, что машинный зал и монтажная площадка обслуживаются двумя полукозловыми кранами грузоподъемностью по 500/100 т, пролет кранов 31,35 м. Разработало и изготовило их объединение «Ждановтяжмаш». Конструкторы учли и форму машинного зала и необходимость обеспечения маневренности и быстроходности: 28,8 м/мин — с такой скоростью движется кран по концентрическим путям, скорость главного подъема 0,91 м/мин, а вспомогательного — 6,1 м/мин. На крайней ферме каждого крана смонтирована электроталь грузоподъемностью 10 т.
Краны собирались на специальных рамах на внешней сборочной площадке, а затем были перемещены по железнодорожным путям в машинный зал. Совмещение строительства блока монтажной площадки гидроэлектростанции и монтажа кранов значительно приблизило срок ввода первого гидроагрегата.
Компрессорное оборудование рассчитано на два рабочих давления: 6,4 и 0,8 МПа. Первое — для зарядки маслонапорных установок гидротурбин, отжатия воды из камер рабочих колес турбин, питания выключателей аппаратного генераторного комплекса. Второе давление используется в системе торможения генератора, питания пневмогидравлических приборов и прочих технических нужд. Суммарная производительность компрессоров — 30 м3/мин.
В системе технического водоснабжения первых агрегатов Саяно- Шушенской ГЭС впервые осуществлена опытно-промышленная эксплуатация регулируемых эжекторов с производительностью до 2000 м3/ч. Коллектив объединения ЛМЗ разработал конструкцию эжектора по заданию Ленгидропроекта. Проточная их часть отработана и исследована на модели во ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева. Два эжектора входят в систему технического водоснабжения (ТВС) каждого агрегата. Один эжектор питает воздухоохладители генератора, другой — служит для водоснабжения теплообменников охлаждения статоров генератора, маслоохладителей подпятника и подшипника, смазки подшипника турбины. Система трубопроводов закольцована. Эжекторы могут взаимно резервировать друг друга на каждом агрегате. В случае необходимости можно соединиться с системой технического водоснабжения двух соседних агрегатов, создав надежный резерв. Рабочий поток через сетчатый фильтр подается к эжектору по трубопроводу из спиральной камеры турбины, а подсасываемая из нижнего бьефа вода предварительно проходит через деаэратор.
Для охлаждения главных трансформаторов используется вода, про шедшая через теплообменники статора, что позволяет снизить потребное количество воды на охлаждение. Из помещений здания гидроэлектростанции профильтровавшаяся через бетон вода удаляется 10 эжекторами производительностью по 15 м3/ч.
При необходимости осмотра спиральных камер и отсасывающих труб турбин откачка воды осуществляется четырьмя артезианскими насосами. У двух из них подача по 1200 м3/ч, а другой пары — по 600 м3/ч. При освобождении проточной части турбины вода сбрасывается из спиральной камеры в отсасывающую трубу. Здесь гидроприводом открывается тарельчатый клапан и вода сливается из отсасывающей трубы в галерею к насосам. За 3—4 ч можно откачать воду из проточной части турбины. Для сокращения протечек через уплотнение затворов перед их опусканием вода из вертикальной части отсасывающей трубы отжимается сжатым воздухом.
Весь сложный комплекс гидроэнергетического и вспомогательного оборудования Саяно-Шушенской ГЭС в высокой степени надежен и приспособлен для подключения к системе АСУ технологического процесса гидроэлектростанции.
Гидроэнергетическое оборудование Саяно-Шушенской ГЭС во многом превосходит достигнутый мировой уровень в этой области техники. Выполненные при создании гидротурбин теоретические и экспериментальные исследования в области гидротурбостроения являются надежной основой для разработки гидротурбин мощностью до 1500 МВт.
Следует отметить, что монтаж сверхмощного гидроэнергетического оборудования по новой технологии осуществлялся в исключительно короткие сроки и при высоком качестве работ. Сборка третьего гидроагрегата выполнена за четыре месяца.
