Проектирование электрических машин переменного тока - Турбогенераторы

ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ТУРБОГЕНЕРАТОРЫ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Непрерывный прирост производства электроэнергии в наиболее развитых странах мира достигается в значительной степени за счет увеличения установленной мощности на крупных тепловых электростанциях.
Производство электроэнергии в некоторых странах мира в 1970 г. было следующим:

Из этого количества электроэнергии на тепловых электростанциях, использующих органическое топливо, было выработано в СССР 84%, в США 83%, а в таких странах, как Англия, Бельгия, Голландия — практически 100%.
Производство электроэнергии на гидроэлектростанциях, как правило, обходится дешевле, чем на тепловых электростанциях. Однако на сооружение ГЭС требуется гораздо больше материальных затрат и времени, чем на сооружение тепловой станции той же мощности. Но решающим является, конечно, то обстоятельство, что гидроресурсы во многих странах оказываются ограниченными. Гидроэнергетика играет решающую роль в таких странах, как Швейцария, Исландия и Канада, где выработка электроэнергии на гидростанциях составляет 85—99,7%.
Изменение установленной мощности по годам на электростанциях Советского Союза представлена в табл. 7-1.

Таблица 7-1
Рост установленной мощности на электростанциях Советского Союза

В настоящее время кроме паровых электростанций, использующих органическое топливо, главным образом уголь, нефть, мазут или газ, получают все большее развитие электростанции, использующие атомную энергию. Пока еще установленная мощность таких станций относительно невелика.
В настоящее время за счет ядерных ресурсов покрывается менее 1% мирового потребления энергоресурсов, тем не менее это—важный зародыш нового направления в энергетике. Атомные станции укомплектовываются турбогенераторами.

Таблица 7-2
Удельные капиталовложения и стоимость электроэнергии в процентах к показателям агрегата 60 Мвт

Здесь характерным является то, что у некоторого типа ядерных реакторов, которые находят применение в Европе и США, начальные параметры пара оказываются существенно более низкими, чем у современных тепловых электростанций на органическом топливе.
Параметры свежего пара на электростанциях с органическим топливом обычно составляют 160— 240 кгс/см2, 540—560° С, в то время как для водо-водяных атомных реакторов эти параметры — 60—70 кгс/см2 и 250—300° С.
Это обстоятельство приводит к экономической целесообразности применения турбин на скорость вращения 1500 об/мин в Европе и 1800 об/мин в США вместо скорости вращения 3000 об/мин и 3600 об/мин на обычных тепловых станциях. В связи с этим вновь начали получать применение 4-полюсные турбогенераторы, причем достаточно большой мощности.
Удельные капитальные затраты на строительство атомных электростанций выше, чем тепловых станциях обычного типа. Следует, однако, предполагать, что ввиду низких эксплуатационных расходов атомные электростанции в дальнейшем будут достаточно экономичными. Ожидаемое снижение себестоимости атомной электроэнергии к 1980 г. составит примерно 30%. Особенно заметно удешевление производства электроэнергии на атомных станциях при применении агрегатов повышенной мощности.
Получают развитие также и газовые турбины, особенно для пиковых электростанций. Газовые турбины также служат приводом для турбогенераторов малой и средней мощности.
Значение производства электроэнергии в народном хозяйстве нашей страны исключительно велико. К 1975 г. планируется довести выработку в год до 1030—1070 млрд. квт-ч.
Бурный рост энергосистем в послевоенные годы вызвал необходимость в изготовлении турбогенераторов все большей мощности. Более или менее удовлетворительное покрытие потребности в электроэнергии может быть осуществлено только за счет ввода крупных тепловых электростанций с мощными турбогенераторами. Промышленность не может обеспечить запросов народного хозяйства простым увеличением турбогенераторов — увеличение числа выпущенных агрегатов должно сочетаться с резким увеличением мощности в единице.
Увеличение мощности в единице диктуется многими технико-экономическими соображениями, но в конечном счете все они сводятся к следующему: чем выше мощность в единице турбоагрегата, тем выше производительность труда в изготовляющей промышленности, в строительстве и при эксплуатации.
По данным энергетики Англии удельные капиталовложения на 1 квт установленной мощности и стоимость электроэнергии на тепловых станциях в зависимости от мощности агрегата представлены в табл. 7-2.
Примерно такая же зависимость существует и в других странах. Приведенные данные показывают, что повышение единичной мощности является
эффективным средством снижения капитальных затрат и стоимости электроэнергии. Возрастание мощности турбогенератора в единице является основной тенденцией в развитии турбогенераторостроения.
Наряду с выпуском больших и сверхбольших турбогенераторов продолжается также выпуск генераторов меньших мощностей для удовлетворения различных потребностей народного хозяйства. Однако средняя мощность выпущенных за год генераторов возрастает.

Рис. 7-1. Производство электроэнергии в Советском Союзе и рост единичной мощности турбогенераторов завода «Электросила» по годам
При быстром увеличении установленной мощности энергосистем возрастание мощности в единице вновь подключаемых генераторов не отражается на надежности работы системы в целом, так как единичная мощность будет составлять относительно небольшую часть мощности энергосистемы. Создание же единой высоковольтной системы страны позволит принимать единичные мощности турбогенераторов очень больших размеров.

На каждом историческом этапе развития турбогенераторостроения существовала предельная мощность турбогенераторов, которая ограничивалась с одной стороны техническими возможностями турбогенераторостроения и с другой стороны мощностью энергосистем. Рост предельной мощности турбогенераторов завода «Электросила» по годам показан на рис. 7-1.
В настоящее время в Советском Союзе уже изготовлен двухполюсный турбогенератор мощностью 800 Мвт, проектируется двухполюсный генератор мощностью 1200 Мвт.
Из рис. 7-1 следует, что темпы роста предельной мощности в единице и выработка электроэнергии примерно соответствуют друг другу.
После 1947 г. рост предельной мощности в единице для завода «Электросила» приблизительно удваивается за 7 лет.
Само по себе увеличение мощности турбогенератора в единице является процессом количественного изменения, и только на определенных этапах это количественное изменение требует качественной перестройки принципов конструирования, применяемых материалов и пр. На определенных отрезках шкалы мощностей рост мощности не требует качественной перестройки конструкции, а только количественного увеличения веса самой машины. Построенный на таком принципе ряд турбогенераторов образует серию, которая опирается на единые принципы расчета, конструкции и технологии.
С этой точки зрения каждая серия турбогенераторов характеризуется важными качественными показателями: удельным расходом материалов на единицу мощности, к. п. д. и другими параметрами.
В пределах одной серин удельный расход материалов может оставаться примерно постоянным, имея тенденцию к понижению с ростом мощности машины: к. п. д., как правило, возрастает с увеличением мощности (при примерно одинаковых параметрах).
При переходе к новым сериям наблюдается резкий скачок в снижении удельного расхода материалов. На рис. 7-2 показаны удельные расходы материалов турбогенераторов для некоторых серий.
Развитие турбогенераторостроения показывает, что переход к новым сериям всегда связан с ростом мощности в единице.

Практически каждая серия машин заканчивается предельной мощностью, достигаемой при данном принципе конструирования и применяемых материалах. Возникая как необходимость при создании турбогенераторов предельной мощности, новые конструктивные формы распространяются затем и на турбогенераторы меньших мощностей, образуя новую серию.
Следует, однако, иметь в виду, что одни и те же конструктивные решения не могут быть одинаково технически, и экономически целесообразными для всех мощностей. То, что необходимо и выгодно для турбогенераторов больших мощностей, может оказаться невыгодным для более мелких машин и наоборот.
Границы распределения установившихся конструктивных форм определяются технико-экономическими показателями серий. В нашей стране, например, изготовляются турбогенераторы мощностью от 2,5 до 12 Мвт кг/кв-с с воздушным охлаждением, от 50 до 100 Мвт — с водородным непосредственным охлаждением обмотки ротора и косвенным охлаждением обмотки статора, от 150 до 800 Мвт — с непосредственным водородным охлаждением обмотки ротора и с водяным охлаждением обмотки статора. Наряду с этим турбогенераторы мощностью 200 и 300 Мвт изготовляются с непосредственным водородным охлаждением обмоток ротора и статора, эксплуатируются генераторы с масляным заполнением статора и т. д.

Рис. 7-2. Зависимость удельного расхода материалов от мощности и системы охлаждения: а — косвенное воздушное; б — косвенное водородное; в — непосредственное водородное ротора; г — непосредственное водородное ротора и водяное статора

Как развитие энергетики, так и развитие турбогенераторостроения показывают, что процесс дальнейшего увеличения мощности турбогенераторов в единице еще не исчерпал себя. Турбогенераторы пока еще не достигли абсолютного предела мощности, за которым генерирование электрической энергии таким путем будет уже нецелесообразным.
Мощность электрических машин Р связана с ее размерами и электромагнитными нагрузками соотношением:
(7-1),
где Аi—линейная нагрузка статора, а/см; Вδ—индукция в воздушном зазоре, тл; D1 — диаметр расточки статора, мм; l1 — активная длина сердечника статора, мм; п — скорость вращения, об/мин.

Принимая п постоянной, получим, что мощность определяется объемом расточки статора D/U и произведением электромагнитных нагрузок А1Вδ и, следовательно, увеличение мощности машины может быть связано с увеличением ее геометрических размеров или электромагнитных нагрузок либо того и другого одновременно.
Существенное изменение электромагнитных нагрузок связано с внедрением новых систем охлаждения и изменением параметров машины, т. е. с созданием турбогенераторов новых серий.
Типовые турбогенераторы требуют меньше времени и средств не только на проектирование, но также, что является главным, на изготовление и освоение в эксплуатации. Увеличение мощности за счет геометрических размеров позволяет сохранить основные принципы конструирования, технологии и параметры машин. Поэтому почти всегда является оправданным технически и экономически проверка возможности изготовления новой машины на базе существующих принципов конструирования, если, конечно, само задание уже не предусматривает определенного исполнения.
Повышение мощности в единице за счет увеличения размеров ограничивается механической прочностью, массой и транспортными возможностями.
Центробежные силы ограничивают диаметр бочки ротора, масса поковки— его длину. При этом наибольшие механические напряжения при вращении возникают в бандажных кольцах, удерживающих лобовые части обмотки ротора. Относительно медленный рост предельного диаметра бочки и веса вала ротора во времени может характеризоваться данными, приведенными в табл. 7-3.
Таблица 7-3
Характеристики бочки и вала ротора

Следовательно, активный объем бочки ротора с 1937 по 1970 г. возрос на 62%, в то время как мощность турбогенератора в единице за тот же период возросла в 8 раз.
Незначительное относительное возрастание размеров поковки ротора сопряжено с большими металлургическими трудностями ввиду высоких механических требований к материалу поковки и чрезвычайно большой ее массе.
Следует ожидать, что в ближайшем будущем, несмотря на значительные успехи металлургии в способах литья, ковки, тепловой обработки и методов контроля, рост размеров поковок роторов и бандажных колец будет отставать от роста мощности в единице.
Возрастание мощности, с одной стороны, и ограниченные возможности металлургии, с другой, являлись и являются побудительными причинами прогрессивного развития турбогенераторов.
Зачастую ограничивающим фактором увеличения размеров турбогенераторов являются транспортные габариты и масса наиболее тяжелой его части — статора. Однако в настоящее время этот фактор в большинстве случаев не является определяющим, хотя транспортировка турбогенераторов большой мощности с завода-изготовителя на место установки представляет сложную техническую задачу.
Вследствие этого прогресс в развитии турбогенераторов в основном связан с повышением электромагнитных нагрузок. Произведение линейной нагрузки и индукции А1βδ имеет размерность усилия па единицу площади. Таким образом, произведение А1Вδ отражает степень использования материалов. Кроме того, электромагнитные загрузки А1 и Вδ характеризуют интенсивность выделения потерь. Зависимость потерь как от линейной нагрузки, так и от индукции носит приблизительно квадратичный характер.

Возрастание удельных потерь в машине должно привести к повышению температуры обмоток и активных частей, если при этом интенсивность охлаждения не будет соответственно повышаться.
До последнего времени тепловые ограничения были определяющими при выборе электромагнитных загрузок. Внедрение непосредственного охлаждения позволило практически снять температурные ограничения, в том числе тепловой барьер в повышении мощности турбогенераторов. Газовое, а затем и жидкостное охлаждение дало возможность значительно увеличить электромагнитные нагрузки машины. Следует, конечно, иметь в виду, что непосредственное охлаждение зачастую может усложнить конструкцию, технологию изготовления и эксплуатацию турбогенераторов, и поэтому та или иная степень интенсификации охлаждения должна получить в каждом конкретном случае технико-экономическое обоснование.
Кроме влияния на общее использование, потери и нагрев, электромагнитные нагрузки А1 и Вδ влияют самым существенным образом на параметры машины. В общем виде индуктивные сопротивления турбогенератора
в относительных единицах можно представить так: х =(А1 /Вδ)хλ, где λ — эквивалентная магнитная проводимость.
Индукция в воздушном зазоре Вδ практически мало возросла за последнее время, а линейная нагрузка А1 возросла значительно: в 2,5—3 раза за последние 10—12 лет.
В связи с тем что электромагнитные нагрузки А1 и Вδ по-разному воздействуют на параметры машины, имеется определенная тенденция в возрастании индуктивных сопротивлений вместе с ростом использования материалов. При этом регулирование индуктивных сопротивлений машины возможно лишь в той степени, в какой может быть уменьшена магнитная проводимость.
Например, индуктивное сопротивление реакции якоря xad может быть принято любого уровня (конечно, технически и экономически целесообразного) за счет увеличения воздушного зазора. Оставаясь в рамках классического выполнения обмоток ротора и статора, уложенных в пазы сердечников из магнитных материалов, трудно сколько-нибудь значительно уменьшить эквивалентную проводимость рассеяния пазов ротора и статора. Вследствие этого индуктивные сопротивления — переходное xd и сверх переходное xd, обусловленные в основном рассеянием обмоток, возрастают вместе с ростом использования машины.
Как известно, с ростом x'd ухудшаются условия параллельной работы синхронных машин. Поэтому повышение использования материалов за счет преимущественного роста линейной нагрузки приводит к ухудшению параметров турбогенераторов. В этом смысле параметры машины могут рассматриваться как ограничивающий фактор роста мощности. При этом, конечно, подразумевается определенная система требовании к синхронной машине, работающей на дальние линии передачи. В настоящее время нет общепринятых норм, свыше которых возрастание x'd было бы нежелательно. Но общая тенденция к увеличению xd в мощных машинах может привести к снижению запасов устойчивости синхронной параллельной работы системы.