УДК 621.313.32-81.001.8 «313»
СИСТЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ И АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
И. А. ГЛЕБОВ, академик АН СССР
Для успешного развития энергетики и народного хозяйства СССР в целом основное значение имеют тепловые и атомные электростанции. Эта тенденция сохранится и в обозримом будущем, поэтому проблемы создания энергетического оборудования для этих станций, во многом определяющего технический уровень энергетики, являются весьма актуальными.
За последние годы в области электромашиностроения для энергетики выполнен ряд важных работ. Значительно возросло производство турбогенераторов мощностью 500 МВт и выше для тепловых и атомных станций. Такие станции, как Сургутская и Пермская ГРЭС, Запорожская АЭС, были оснащены новыми, современными системами энергетического оборудования.
Началось широкое внедрение турбогенераторов единой унифицированной серии [1]. Серийно выпускаются турбогенераторы мощностью 63, 110, 160 и 800 МВт, изготовлен и испытан на стенде турбогенератор 500 МВт, заканчивается изготовление головных образцов турбогенераторов 220 и 320 МВт.
Анализ показывает, что по своим параметрам турбогенераторы единой унифицированной серии соответствуют мировому техническому уровню турбогенераторостроения. Опыт, накопленный ВНИИэлектромашем при работе над единой серией турбогенераторов, безусловно будет полезен и при создании других серий. Как известно [2], единая серия турбогенераторов создавалась с участием стран, входящих в международную электротехническую организацию стран — членов СЭВ — Интерэлектро. Это позволило уже при разработке технического задания использовать коллективный опыт стран Интерэлектро. Совместно были разработаны технические требования на генераторы, определен необходимый уровень параметров турбогенераторов, соответствующий прогнозируемому уровню генераторов лучших зарубежных фирм. На основе единых требований было разработано техническое задание на серию, которое также утверждено как техническое задание на отечественные генераторы. Требования технического задания были реализованы в единых технических параметрах, основных размерах, единых присоединительно-установочных данных.
Опыт работы над серией показал также, что ее внедрение позволяет повысить технический уровень на всех заводах путем использования наиболее совершенных унифицированных технических решений. Оно обеспечивает также возможность широкой производственной и технической кооперации, маневра производственными мощностями, удешевление эксплуатации и ремонта, снижение стоимости совершенствования и доводки новых машин, широкое использование передовых достижений отдельных заводов и конструкторско-технологических коллективов. В то же время опыт показал, что создание и внедрение серии, единой для нескольких заводов, невозможно без активной работы головной организации — ВНИИэлектромаша
Опыт испытаний и исследований головных образцов турбогенераторов единой унифицированной серии подтвердил правильность принятых научных и конструктивных решений. Покажем это на примере турбогенератора ТВВ-500-2Е. В этой машине значительно усовершенствована система охлаждения обмотки ротора, что позволило ограничить превышение температуры при номинальном токе ротора на уровне 44 К. Улучшено крепление обмотки статора, что снизило ее вибрацию до 80 мкм (двойная амплитуда). Применены магнитные шунты в зоне лобовых частей обмотки статора, что сняло ограничения на работу генератора в режиме недовоз- буждения. Установка немагнитных распорок в вентиляционных каналах снизила потери на 300 кВт. Турбогенератор выполнен с кольцевыми уплотнениями вала ротора, что позволило избавиться от быстроизнашиваемых деталей. Полумуфты и щеточный аппарат генератора были закрыты шумозащитным кожухом — уровень шума снизился до 90 дБА. Общая масса турбогенератора уменьшена на 50 т.
ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ МАШИНЫ
Мощность. МВт ... 500
Частота вращения, об/мин.................................................................. 3000
Напряжение. кВ . . ....................... 20
К- п. д.. %................................................................................... 98.7
Удельный расход материалов. кг/(кВ-А).............................................. 0,58
Число пусков в год..................................................................... 330
Межремонтный период, лет..................................... 5
Наработка на отказ, ч .............................................. 18 000
Так как новый турбогенератор имеет существенно лучшие показатели, безусловно целесообразно его широкое внедрение на тепловых и атомных станциях.
Важным элементом комплекса энергетического оборудования станций являются системы обеспечения турбогенераторов, включающие системы возбуждения и регулирования, водяного и газового охлаждения, масляных уплотнений вала ротора.
В турбогенераторах единой унифицированной серии мощностью до 320 МВт в качестве основной принята система тиристорного самовозбуждения, разработанная ВНИИэлектромашем. Эти системы по сравнению с системами независимого возбуждения характеризуются меньшей стоимостью (примерно в 1,5 раза), меньшим расходом материалов (в 1,5—1,8 раза), значительно меньшим уровнем шума (на 25 дБА), более высоким к. п. д. (на 8—12 %). Кроме того, опыт эксплуатации показывает, что системы самовозбуждения характеризуются более высоким коэффициентом готовности (99,6— 99,7 %), эксплуатационные расходы на их обслуживание меньше.
В системах самовозбуждения применена серия сухих преобразовательных трансформаторов мощностью 160— 6300 кВ-А с изоляцией монолит-2 для напряжений 3—24 кВ. В новой серии трансформаторов снижены массогабаритные показатели (на 30—50 %).
Для турбогенераторов мощностью 500—800 МВт единой серии применены системы независимого тиристорного возбуждения СТН. Так, для турбогенератора ТВВ-800-2Е применена система СТН-670-4200-2Е со следующими данными:
Номинальное напряжение, В ....................... ................................... 670
Номинальный ток, А .................................................................. 4200
к. п. д., %.................................................................................. 89
Быстродействие, с...................................................................... 0,05
Уровень шума, дБА........................................................................ 85
Для обеспечения повышенной надежности в системах самовозбуждения приняты два тиристорных преобразователя, управляемых самостоятельно со своей коммутационной аппаратурой. В системах независимого возбуждения принят один тиристорный преобразователь, а повышение надежности достигается благодаря увеличению числа параллельных ветвей и резервированию систем управления. Для выпрямителей в диапазоне выпрямленных напряжений 460—1500 В и токов 315— 3150 А применяется естественное воздушное охлаждение, в диапазоне 1050—2500 В и 2500—8000 А — водяное.
Для турбогенераторов единой серии ВНИИэлектромашем создан новый унифицированный регулятор возбуждения АРВ-СДП1 на интегральных микросхемах и полупроводниках. Регулятор соответствует мировому уровню техники в этой области. В нем значительно расширены функциональные возможности, в частности, предусмотрены трехступенчатая защита от повышения напряжения обмотки статора, резервирование устройства гашения поля, инвертирование тиристорного преобразователя при переводах возбуждения с рабочего возбудителя на резервный и наоборот, применена система управления, предусматривающая дублирование функций блоков и автоматическое слежение уставок устройства ручного управления возбуждения за уставкой АРВ. Одновременно в АРВ-СДП1 в 10 раз снижены масса, в 15—25 раз — потребление мощности. Новый регулятор может устанавливаться в шкафу вместе с другой аппаратурой системы возбуждения.
На атомных станциях, аналогичных Запорожской, устанавливаются турбогенераторы ТВВ-1000-4, которые по конструктивным решениям близки к генераторам единой серии. Всего в настоящее время изготовлено 12 турбогенераторов этого типа.
ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ГЕНЕРАТОРОВ ТВВ-1000-4 [5]
Мощность, МВт................................................................................... 1000
Напряжение, кВ....................................................................................... 24
Коэффициент мощности ....................................................................... 0,9
Частота вращения, об/мин. . . . . .............................. ..................... 1500
Давление водорода, кПа...................................................................... 490
Отношение короткого замыкания . . . ................................................. 0.45
к. п. д.. %............................................................................................ 98.8
Удельная масса, кг/(кВ-А)......................................................... -
Ток возбуждения, А.............................................................................. 7020
Напряжение возбуждения, В ............ 490
Турбогенераторы ТВВ-1000-4 успешно эксплуатируются на АЭС. Максимальная достигнутая мощность составила 1060 МВт. По данным эксплуатации уровни превышений температур при номинальной нагрузке составили (К):
обмотки ротора — 39,5
обмотки статора — 29
сердечника статора — 33
охлаждающего газа — 19
охлаждающего дистиллята — 20,
а уровни вибраций (двойная амплитуда, мкм):
лобовых частей обмотки статора — 35
сердечника статора — 5
корпуса статора — 5.
В торцевой зоне сердечника статора генератора ТВВ-1000-4, так же как и других генераторов единой серии, установлены магнитные шунты; обмотки крепятся в лобовых частях с помощью жестких стеклотекстолитовых деталей, в пазовой части — встречных клиньев и гофрированных прокладок; для интенсификации охлаждения лобовых частей обмотки ротора применены неполные подпазовые каналы.
Высоких технико-экономических показателей турбогенератора ТВВ-1000-4 удалось достичь, приняв более высокое значение переходного индуктивного сопротивления x’d, равного 45 %, что стало возможным благодаря интенсивным исследованиям устойчивости систем с генераторами ТВВ-1000-4, выполненным на электродинамической модели БНИИэлектромаша. В результате исследований массу поковки ротора удалось снизить с 200 до 150 т, что имело важнейшее значение для производства генераторов.
ВНИИэлектромашем совместно с НИИ «Электросила» для турбогенератора ТВВ-1000-4 создан бесщеточный возбудитель со следующими данными [6]:
Номинальная мощность, кВт........................................................ 4600
Номинальное выпрямленное напряжение, В.................................. 575
Номинальный выпрямленный ток, А............................................ 8000
Кратность форсировки ....... ........................................ 2
Частота переменного тока, Гц . ................................................ 150
Число вентильных блоков.......................................................... 72
К- П. д . % ..................................................................... 90
Скорость нарастания напряжения. 1/с.............................................
Масса, т. ... ................................................................. 08,6
В возбудителях применена унифицированная аппаратура. Особо следует отметить, что подвозбудитель заменен тиристорным выпрямителем, питаемым через высоковольтный трансформатор ОСЗП-133/24, который подключается к статорной обмотке. Такая система позволяет получить высокие кратности форсирования и ввести жесткую отрицательную обратную связь. При форсировании возбуждения АРВ открывает тиристорный выпрямитель, и на обмотке возбуждения возбудителя появляется полное напряжение. Ток возбуждения возбудителя увеличивается с постоянной времени не более 0,1 с, что в сочетании с регулятором АРВ-СДП1 позволяет обеспечить высокий уровень устойчивости генератора с бесщеточным возбудителем.
В вентильных колесах возбудителей применены более совершенные роторные вентили ДШ5-630 (630 А, 2800 В) и роторные предохранители. Для повышения надежности работы предусмотрено параллельное включение двух вентилей, каждый из которых снабжен собственным предохранителем. В новых исполнениях вентильных колес предусматривается применение блочной конструкции. В состав каждого вентильного блока входят два параллельно соединенных роторных вентиля с роторными предохранителями и защитная цепочка. Все элементы закрепляются на полуцилиндрических алюминиевых радиаторах, которые устанавливаются в специальные гнезда вентильных колес на внутренней поверхности обода Г-образного колеса. Для контроля за состоянием вентилей ВНИИэлектромашем разработано специальное контрольно-измерительное устройство УКБВ-1000.
Важным элементом системы обеспечения турбогенераторов является система водяного охлаждения. В последнее время здесь достигнуты существенные успехи. Благодаря применению ингибиторов коррозии, ионнообменных фильтров удалось существенно уменьшить скорость коррозии меди в водяном тракте генератора.
Для надежной работы турбогенераторов важно обеспечить низкую влажность водорода внутри корпуса. Последнее было достигнуто осушкой водорода с помощью холодильной установки. В унифицированной системе газоснабжения обеспечиваются также централизованное снабжение водородом, подпитка, контроль водорода в корпусе, шинопроводах, выводах, картерах подшипников генератора с помощью автоматического газоанализатора.
В турбогенераторах применена унифицированная система маслоснабжения уплотнений вала ротора. Предусмотрены кольцевые уплотнения без вакуумной обработки масла, демпферные баки, фильтры (механические и магнитные), современные регуляторы перепада давления.
ВНИИэлектромашем, как головной организацией совместно с заводом «Электросила», выполнен большой объем работ по доводке турбогенераторов с полным водяным охлаждением ТЗВ-800-2 [3, 4]. В результате достигнуты повышенные показатели надежности турбогенераторов этого типа, установленных на Рязанской и Пермской ГРЭС. Особо следует отметить разработку и внедрение системы осушки, длинномерной полой меди для обмотки ротора, фторопластовых шлангов в системе охлаждения сердечника статора, разработку более совершенной конструкции торцевой зоны сердечника статора. Предполагается, что исполнение ТЗВ после 1995 г. станет основным для турбогенераторов мощностью свыше 220 МВт.
Как показывает опыт эксплуатации станций различных типов, для обеспечения их надежности и экономичности важное значение имеет работа электропривода собственных нужд. До последних лет электростанции комплектуются, как правило, электродвигателями общего применения, которые выпускаются по техническим условиям, не полностью учитывающим особенности эксплуатации в энергетике. В последнее время были разработаны специальные требования к асинхронным двигателям собственных нужд; необходимо расширить и ускорить выпуск двигателей по этим требованиям.
ВНИИэлектромаш считает прогрессивным применение регулируемых приводов на основе силовой тиристорной техники. Такие приводы позволяют значительно сократить расход электроэнергии и легко поддаются автоматизации. Для их внедрения требуются необходимые двигатели, в частности, мощные асинхронные двигатели не ниже класса IP44 с фазным ротором.
Институт имеет большой опыт создания регулируемых асинхронных и синхронных двигателей и может обеспечить разработку соответствующих систем с применением таких двигателей мощностью 4—12,5 МВт, 4500 об/мин с уменьшенными индуктивными сопротивлениями рассеяния. В дальнейшем может быть осуществлен переход от привода с контактными кольцами на бесконтактные системы.
Представляется рациональным также разработка систем привода вспомогательных механизмов собственных нужд мощностью до 100 кВт на базе асинхронных двигателей с преобразователями на запираемых тиристорах или транзисторах большой мощности.
Дальнейшие задачи в области генераторов и комплексов оборудования, наряду с повышением их надежности, связаны с увеличением заводской готовности агрегатов, расширением принципа модульности изготовления узлов и систем обеспечения, оснащением их устройствами диагностики, при этом важное значение имеет объединение отдельных устройств в системы диагностики на базе микропроцессорной техники.
Особый вопрос — проведение заводских испытаний оборудования. По мнению института в объединении «Электросила» должен быть восстановлен стенд для нагрузочных государственных испытаний турбогенераторов в сборе со всеми системами обеспечения. Представляется рациональным создать стенды для испытания и настройки систем возбуждения и регулирования, что позволило бы избежать перепаек и изменений в схемах при их настройке. Модернизация стендов для испытаний генераторов и их систем обеспечения должна быть проведена и на других заводах, выпускающих турбогенераторы.
Рационально перейти на сервисное обслуживание турбогенераторов заводом-изготовителем с целью оперативной замены вышедших из строя узлов (модулей) в течение срока эксплуатации. Одновременно при модернизации и совершенствовании оборудования необходимо следить за снижением затрат на производство турбогенераторов и их систем, которые представляются в настоящее время завышенными, особенно для машин большей мощности. Снижение затрат должно быть обеспечено путем внедрения более совершенных технологических процессов и экономии материалов.
Список литературы
- Глебов И. А., Данилевич Я. Б., Хуторецкий Г. М. Единая унифицированная серия турбогенераторов // Электричество. 1981. № II.
- Сафронков Л. П. Интерэлектро: новые рубежи сотрудничества // Электротехника. 1986. № 12.
- Турбогенератор мощностью 800 МВт, 3000 об/мин с полным водяным охлаждением/И. А. Глебов, Я. Б. Данилевич, В. И. Иогансен и др. // Электричество. 1980. № 2.
- Волков В. И., Кади-оглы И. А. Результаты испытаний, опыт эксплуатации и отработка конструкции турбогенераторов ТЗВ-800-2// Электрические станции. 1984. № 11.
- Турбогенераторы мощностью 1000 МВт для АЭС / Г. М. Хуторецкий, А. М. Трофимов, А. Г. Вартаньян, Г. Ф. Агафонов// Электротехника. 1986. № 1.
- Воробей В. К·, Федоров В. Ф. Пути развития бесщеточных систем возбуждения мощных турбогенераторов // Электротехника. 1986, № 1.
