Принцип действия турбогенератора. Все о турбогенераторах. Турбогенераторы с воздушным охлаждением

В большинстве синхронных машин используется обращенная конструктивная схема по сравнению с , т. е, система возбуждения расположена на роторе, а якорная обмотка на статоре. Это объясняется тем, что через скользящие контакты проще осуществить подвод сравнительно слабого тока к обмотке возбуждения, чем тока к рабочей обмотке. Магнитная система синхронной машины показана на рис. 1.

Полюса возбуждения синхронной машины размещены на роторе. Сердечники полюсов электромагнитов выполняются так же, как в машинах постоянного тока. На неподвижной части - статоре расположен сердечник 2, набранный из изолированных листов электротехнической стали, в пазах которого размещена рабочая обмотка переменного тока - обычно трехфазная.

Рис. 1. Магнитная система синхронной машины

При вращении ротора в обмотке якоря наводится переменная э.д.с., частота которой прямо пропорциональна частоте вращения ротора. Протекающий по рабочей обмотке переменный ток создает свое магнитное поле. Ротор и поле рабочей обмотки вращаются с одинаковой частотой - . В двигательном режиме вращающееся рабочее поле увлекает за собой магниты системы возбуждения, а в генераторном - наоборот.

Рассмотрим конструкцию самых мощных машин - турбо- и гидрогенераторов . Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми турбинами, которые наиболее экономичны при высоких частотах вращения. Поэтому турбогенераторы выполняют с минимальным числом полюсов системы возбуждения - двумя, что соответствует максимальной частоте вращения 3000 об/мин при промышленной частоте 50 Гц.

Основная проблема турбогенераторостроения заключается в создании надежной машины при предельных величинах электрических, магнитных, механических и тепловых нагрузок. Эти требования накладывают отпечаток на всю конструкцию машины (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид турбогенератора: 1 - контактные кольца и щеточный аппарат, 2 - подшипник, 3 - ротор, 4 - бандаж ротора, 5 - обмотка статора, 6 - статор, 7 - выводы обмотки статора, 8 - вентилятор.

Ротор турбогенератора выполняется в виде цельной поковки диаметром до 1,25 м, длиной до 7 м (рабочая часть). Полная длина поковки с учетом вала составляет 12 - 15 м. На рабочей части фрезеруются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Таким образом получается двухполюсный электромагнит цилиндрической формы без явно выраженных полюсов.

При производстве турбогенераторов применяются новейшие материалы и конструктивные решения, в частности непосредственное охлаждение активных частей струями охлаждающего агента - водорода или жидкости. Для получения больших мощностей приходится увеличивать длину машины, что и придает ей весьма своеобразный вид.

Гидрогенераторы (рис. 3) по конструкции существенно отличаются от турбогенераторов. Экономичность режима гидравлических турбин зависит от скорости водяного потока, т. е. напора. На равнинных реках создать большой напор невозможно, поэтому частоты вращения турбин весьма низкие - от десятков до сотен оборотов в минуту.

Чтобы получить промышленную частоту 50 Гц, такие тихоходные машины приходится делать с большим числом полюсов. Для размещения большого количества полюсов приходится увеличивать диаметр ротора гидрогенератора, иногда до 10 - 11 м.

Рис. 3. Продольный разрез гидрогенератора зонтичного типа: 1 - ступица ротора, 2 - обод ротора, 3 - полюс ротора, 4 - сердечник статора, 5 - обмотка статора, 6 - крестовина, 7 - тормоз, 8 - подпятник, 9 - втулка ротора.

Создание мощных турбо- и гидрогенераторов представляет сложную инженерную задачу. Необходимо решить целый ряд вопросов механического, электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов и обеспечить технологичность конструкции в производстве. Эти задачи по плечу только мощным конструкторско-производственным коллективам и фирмам.

Весьма интересны конструкции различных типов , в которых широко используются системы с постоянными магнитами и реактивные системы, т. е. системы, у которых рабочее магнитное поле взаимодействует не с магнитным полем возбуждения, а с ферромагнитными выступающими полюсами ротора, не имеющими обмотки.

Но все-таки основная область техники, где синхронные машины сегодня не имеют конкурентов - это энергетика. Все генераторы на электростанциях от самых мощных до передвижных выполняются на базе синхронных машин.

Рис. 4. Синхронный турбогенератор

Что же касается , то их слабым местом является проблема пуска. Сам по себе синхронный двигатель обычно не может разогнаться. Для этого он снабжается специальной пусковой обмоткой, работающей по принципу асинхронной машины, что усложняет конструкцию и сам процесс пуска. Поэтому синхронные двигатели обычно выпускаются на средние и большие мощности.

Конструкция данного агрегата описывается еще в учебниках 8 класса по физике. Об устройстве паровой турбины рассказывается в книгах следующим образом. Данный вид турбины - это вид двигателя, в котором пар или же нагретый воздух способен вращать вал двигателя без взаимодействия с поршнем, шатуном или коленчатым валом.

Краткое описание устройства

Кратко устройство паровой турбины можно описать следующим образом. На основной элемент, то есть вал, закрепляется диск, к которому крепятся лопатки. Около данных элементов также располагаются такие части, как трубы-сопла. Через них и происходит подача пара из котла. При прохождении пара сквозь сопло он оказывает определенное давление на лопатки, а также диск всей установки. Именно это воздействие приводит во вращение диск турбины вместе с лопатками.

В настоящее время в таких агрегатах чаще всего используется несколько дисков, которые насаживаются на один вал. При таком устройстве паровой турбины происходит следующее. Энергия пара, проходя через каждую лопатку каждого диска, будет отдавать часть своей энергии этим элементам. Основное применение паровые турбины нашли на атомных, а также где они соединяются с валом электрического тока. Скорость вращения вала паровой турбины достигает 3000 оборотов в минуту. Данного значения хватает для приемлемой работы генераторов электрического тока.

Если говорить о применении данных агрегатов, то стоит упомянуть, что они успешно эксплуатируются на кораблях и суднах. Однако из-за устройства паровой турбины, в частности, по причине того, что необходимо большое количество воды для работы турбины, ее эксплуатация на сухопутных и воздушных средствах передвижения невозможна.

Устройство сопла турбины. На что оно влияет

Одним из важнейших элементов для работы устройства стало сопло, сквозь которое и осуществляется прохождение пара.

В наиболее раннем устройстве паровой турбины, когда еще до конца не были изучены такие вещи, как расширение пара, построить рационально функционирующий агрегат с высоким КПД было проблематично. Причина заключалась в том, что сопло, которое использовалось вначале, имело одинаковый диаметр по всей своей длине. А это влекло за собой то, что пар, проходя через трубу и попадая в пространство с меньшим давлением, чем внутри, терял давление и увеличивал свою скорость, но только до определенного значения. Если говорить о насыщении сухого пара, то его давление на выходе из трубки не может быть меньше, чем 0,58 от начального давления. Данный параметр называют Основываясь на этом значении, можно получить и предельную скорость движения пара, которую называют также критической скоростью, а ее значение для перегретого пара равно 0,546 от начального давления.

Таких параметров оказалось мало для нормального функционирования турбины. К тому же при выходе из сопла такой формы пар начинал клубиться из-за расширения в атмосфере. Все эти недостатки удалось устранить, когда устройство паровой турбины, ее сопла, было изменено. В начале отбора труба была узкой, постепенно расширяясь к концу. Основная отличительная особенность, которая стала решающим фактором, - это то, что с такой формой стало возможно привести давление у конца сопла к давлению окружающей среды после трубы. Это решило проблему с клубами пара, которые сильно снижали скорость, а также удалось добиться сверхкритических значений для этого параметра, а также давления.

Устройство паровой турбины и принцип работы

Здесь важно сказать о том, что паровая турбина использует два различных принципа работы, которые зависят от ее устройства.

Первый принцип называют активными турбинами. В этом случае, имеются в виду устройства, у которых расширения пара осуществляется только в неподвижных соплах, а также до поступления его на рабочие лопатки.

Устройство паровой турбины и принцип работы второго типа называют реактивным. К таким агрегатам относят те, у которых расширение пара происходит не только до вступления его на рабочие лопатки, но и во время прохождения между таковыми. Еще такие устройства называют работающими на реакции. Если падения тепла в соплах составляет примерно половину от общего теплопадения, то турбину называют также реактивной.

Если рассматривать устройство паровой турбины и ее основных элементов, то нужно обратить внимание на следующее. Внутри турбины происходит такой процесс: струя жидкости, которая направляется на лопатку, будет оказывать на нее давление, которое будет зависеть от таких параметров, как расход, скорость при входе, а также при выходе на поверхность, форма поверхности лопатки, угол направления струи по отношению к данной поверхности. Здесь важно отметить, что при такой работе вовсе не нужно делать так, чтобы поток воды бил о лопатку. Напротив, в устройствах паровых агрегатов этого принято избегать, и чаще всего делают так, чтобы струя плавно обтекала лопатку.

Активная работа

Каково устройство паровой турбины, работающей на таком принципе. Здесь за основу взят закон о том, что любое тело, обладающее даже малой скоростью, может иметь высокую кинетическую энергию, если движется с большой скоростью. Однако здесь сразу же надо учитывать, что эта энергия очень быстро пропадает, если скорость тела начнет падать. В таком случае, имеется два варианта развития событий, если струя пара ударится о плоскую поверхность, которая будет перпендикулярна ее движению.

Первый вариант - удар происходит о неподвижную поверхность. В таком случае вся кинетическая энергия, которой обладало тело, частично превратится в тепловую энергию, а остальная часть израсходуется на то, чтобы отбросить частицы жидкости в обратном направлении, а также назад. Естественно, что никакой полезной работы выполнено при этом не будет.

Второй вариант - поверхность может перемещаться. В таком случае некоторая часть энергии уйдет на то, чтобы сдвинуть платформу с места, а остальная все так же будет затрачена впустую.

В устройстве паровой турбины и принципе действия, который называется активным, используется именно второй вариант. Естественно, нужно понимать, что при работе агрегата необходимо добиться того, чтобы расход энергии на бесполезную работу был минимальным. Еще одно важное условие заключается в том, что необходимо направить струю пара таким образом, чтобы она не повреждала лопатки при ударе. Достичь выполнения этого условия можно лишь при определенной форме поверхности.

Путем испытаний и расчетов было установлено, что наилучшей поверхностью для работы со струями пара является та, которая сможет обеспечить плавный поворот, после которого движение рабочего вещества будет перенаправлено в противоположную сторону от изначальной. Другими словами, необходимо придать лопаткам форму полукруга. В таком случае, сталкиваясь с препятствием, максимальная часть кинетической энергии будет передаваться механическом устройству, заставляя его вращаться. Потери же сведутся к минимуму.

Как работает активная турбина

Устройство и принцип действия паровой турбины активного типа заключается в следующем.

Свежий пар с определенными значениями давления и скорости передается в сопло, где происходит его расширение также до определенного показателя давления. Естественно, что вместе с этим параметром, будет увеличиваться и скорость струи. С увеличенным значением скорости, поток пара доходит до механических частей - лопаток. Воздействуя на эти элементы, струя рабочего вещества заставляет вращаться диск, а также вал, на котором он закреплен.

Далее, при выходе из лопаток, поток пара обладает уже другим значением скорости, которое обязательно будет ниже, чем перед этими элементами. Это происходит из-за того, что часть кинетической энергии преобразовалась в механическую. Здесь также важно отметить, что во время прохождения по лопаткам значение давления меняется. Однако важно то, что на входе и на выходе из этих элементов данный параметр имеет одинаковое значение. Это обусловлено тем, что каналы между лопатками обладают одинаковым сечением по всей своей длине, а также внутри этих деталей не происходит добавочного расширения пара. Для того чтобы выпустить пар, который уже отработал, имеется специальный патрубок.

Механическое устройство турбины

Устройство и работа паровой турбины с точки зрения механики выглядят так.

Агрегат состоит из трех цилиндров, каждый из которых представляет собой статор, имеющий неподвижный корпус, а также вращающийся ротор. Отдельно расположенные роторы соединяются муфтами. Цепочка, которая собирается из отдельных роторов цилиндров, а также из генератора и возбудителя, называется валопроводом. Длина данного устройства при максимальном значении составляющих компонентов (в настоящее время - это не больше 5 генераторов) - 80 метров.

Далее, устройство и работа паровой турбины выглядят так. Валопровод выполняет вращательное движение в таких элементах, как опорные подшипники скольжения вкладышей. Вращение происходит на тонкой масляной пленке, металлической же части этих вкладышей вал во время вращения не касается. На сегодняшний день все роторы конструкции размещаются на двух опорных подшипниках.

В некоторых случаях между роторами, принадлежащими к ЦВД и ЦСД, имеется лишь один общий опорный подшипник. Весь пар, который расширяется в турбине, заставляет каждый из роторов выполнять вращательное движение. Вся мощность, которая вырабатывается каждым из роторов, складывается на полумуфте в общее значение и там достигает своего максимального показателя.

Кроме того, каждый элемент находится под воздействием осевого усилия. Эти усилия суммируются, а их максимальное значение, то есть общая осевая нагрузка, передается с гребня на упорные сегменты. Эти детали устанавливаются в корпусе упорного подшипника.

Устройство ротора турбины

Каждый ротор помещается в корпус цилиндра. Показатели давления на сегодняшний день они могут достигать 300 МПа, так что корпус данных устройств выполняется двустенным. Это помогает уменьшить разность давления на каждый из них, что позволяет уменьшать толщину каждой из них. Кроме того, это помогает упростить процесс затяжки фланцевых соединений, а также дает возможность турбине при необходимости быстро изменить показатель своей мощности.

Обязательным является наличие горизонтального разъема, который предназначен для легкого процесса монтажа внутрь корпуса, а также должен обеспечивать быстрый доступ к уже установленному ротору, во время проведения ревизии или ремонта. Когда осуществляется непосредственный то все плоскости разъемов нижних корпусов монтируются специальным образом. Чтобы упростить данную операцию, принято считать, что все горизонтальные плоскости соединены в одну общую.

Когда в дальнейшем наступает момент монтажа валоповоротного устройства паровой турбины, то его помещают в уже имеющийся горизонтальный разъем, что обеспечивает его центровку. Это необходимо для того, чтобы избежать ударения ротора о статор во время вращения. Такой дефект может привести к довольно серьезной аварии на объекте. Из-за того, что пар внутри турбины характеризуется очень высокой температурой, а вращение ротора происходит на масляных пленках, температура масла должна быть не более чем 100 градусов по Цельсию. Это значение подходит как по требованиям пожаробезопасности, так и соответствует наличию определенных смазочных свойств у материала. Для того чтобы добиться таких показателей, вкладыши подшипников выносятся за корпус цилиндра. Их размещают в специальных точках - опорах.

Паровые установки на атомных станциях

Устройство паровой турбины на АЭС можно рассматривать на примере установок насыщенного пара, которые имеются лишь на тех объектах, где используется водяной теплоноситель. Здесь стоит отметить, что начальные характеристики паровых турбин на атомных станциях, характеризуются низкими показателями. Это вынуждает пропускать большее количество рабочего вещества, чтобы добиться нужного результата. Кроме того, из-за этого образуется повышенная влажность, которая быстро нарастает по ступеням турбины. Это привело к тому, что на таких объектах приходится использовать внутритурбинные и внешние влагоулавливающие устройства.

Из-за высокой влажности используемого пара снижается коэффициент полезного действия, а также довольно быстро развивается эрозийный износ проточных частей. Для того чтобы избежать данной проблемы, приходится использовать различные методы укрепления поверхности. К таким способам относятся хромирование, закаливание, электроискровая обработка и т. д. Если на других объектах удается использовать простейшее устройство паровых турбин, то на АЭС нужно не только думать о защите от коррозии, но и об отводе влаги.

Наиболее эффективным способом отвода лишней влаги из турбины стал отбор пара. Отбор вещества осуществляется на регенеративные подогреватели. Тут важно отметить, что если такие отборы установлены после каждой ступени расширения, то необходимость в разработке дополнительных внутритурбинных влагоулавливателей отпадает. Также можно добавить, что допустимые пределы влажности пара основываются на диаметре лопатки, а также на скорости вращения.

Каково устройство паровых и газовых турбин

Наилучшим качеством, которое стало важнейшим преимуществом паровой турбины, является то, что она не требует какого-либо соединения с валом электрического генератора. Также это устройство отлично справлялось с перегрузками, и его легко можно было регулировать по частоте вращения. у таких агрегатов также довольно высок, что в сочетании с другими преимуществами и вывело их на передний план, если возникала необходимость соединения с электрическими генераторами. Таким же является и устройство паровой турбины AEG.

Схожими объектами стали и газовые турбины. Если рассматривать эти приспособления с точки зрения конструкции, то они практически ничем не отличаются. Как и паровая турбина, газовая является машиной лопаточного типа. Кроме этого, в обоих агрегатах вращение ротора достигается за счет того, что происходит трансформация кинетической энергии потока рабочего вещества.

Существенное отличие между этими установками заключается как раз в типе рабочего вещества. Естественно, что в паровой турбине таким веществом является водяной пар, а в газовой установке - это газ, который чаще всего получен при сжигании каких-либо продуктов, либо является смесью пара и воздуха. Еще одно отличие заключается в том, что для образования этих рабочих веществ необходимо иметь разное дополнительное оборудование. Таким образом, получается, что сами по себе турбины очень похожи, но установки, образующиеся на объектах вокруг них, довольно сильно отличаются.

Паровая турбина с конденсатом

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в своей книге, выпущенной в 1964 году. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, а также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая находится в котле, имеет три среды - вода, пар и конденсат. Эти три вещества образуют между собой некий замкнутый цикл. Тут важно отметить, что в такой среде во время преобразования теряется достаточно малое количество пара и жидкости. Чтобы компенсировать небольшие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство. В этом агрегате жидкость подвергается воздействию различных химикатов, основное предназначение которых в удалении ненужных примесей из воды.

Принцип работы в таких установках следующий:

• Пар, который уже отработал и обладает пониженным давлением и температурой, попадает из турбины в конденсатор.
• При прохождении этого участка пути имеется большое количество трубок, по которым непрерывно качается охлаждающая вода при помощи насоса. Чаще всего эта жидкость берется из рек, озер или прудов.
• В момент соприкосновения с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще выше, чем в трубах.
• Весь скопившийся конденсат постоянно поступает в конденсатор, откуда он непрерывно откачивается насосом. После этого жидкость передается в деаэратор.
• Из этого элемента вода снова поступает в паровой котел, где превращается в пар, и процесс начинается сначала.

Кроме основных элементов и простого принципа работы, имеется пара дополнительных агрегатов, таких как турбонаддув и подогреватель.

Электрической энергии, приводимый во вращение паровой или газовой турбиной. Обычно это синхронный генератор, непосредственно соединенный с турбиной тепловой электростанции (ТЭС). Так как турбины, используемые на ТЭС, работающих на органическом топливе, имеют наилучшие технико-экономические показатели при больших частотах вращения, то турбогенераторы, находящиеся на одном валу с турбинами, должны быть быстроходными (частота вращения 1500 или 3000 об/мин).

Турбогенератор является электрической машиной горизонтального исполнения. Ее обмотка возбуждения расположена на роторе с неявно выраженными полюсами, трехфазная рабочая обмотка - на статоре. Ротор, испытывающий сильные механические напряжения, выполняют из целых поковок высококачественных сталей. По условиям прочности линейная скорость точек ротора не должна превышать 170-190 м/с, что ограничивает его диаметр до 1, 2-1, 3 м. Относительно малый диаметр ротора обусловливает его сравнительно большую длину, которая, однако, ограничена допустимым прогибом вала и не превышает 7, 5-8, 5 м. На поверхности ротора профрезерованы продольные пазы, в которые укладывают витки обмотки возбуждения. Обмотку крепят клиньями, закрывающими пазы, и массивными бандажами из немагнитной стали, охватывающими лобовые (торцевые) части обмотки. Питается обмотка от возбудителя электрических машин.

Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника с пазами для обмотки. Сердечник изготовляют из нескольких пакетов, набираемых из листов электротехнической стали толщиной 0, 35-0, 5 мм, покрытых слоем лака. Между отдельными пакетами оставляют вентиляционные каналы шириной 5-10 мм. В пазах обмотку крепят клиньями, а ее лобовые части укрепляют на специальных кольцах, расположенных в торцевой части статора. Сердечник помещают в стальной сварной корпус, закрываемый с торцов щитами.

Турбогенераторы атомных электростанций обладают особенностями, связанными с тем, что пар, вырабатываемый в ядерном реакторе, имеет относительно низкие параметры. Это позволяет выполнять ротор с диаметром до 1, 8 м. При этом размер поковки ротора ограничивается технологическими возможностями, максимальная масса поковки достигает 140-180 т. Турбогенераторы мощностью до 30 Мвт имеют замкнутую систему воздушного охлаждения; при мощности свыше 30 Мвт воздушную среду заменяют водородной с избыточным давлением около 5 кн/кв.м. Использование водорода в качестве теплоносителя позволяет увеличить съем тепла с охлаждаемых поверхностей, так как теплоемкость водорода в несколько раз превышает теплоемкость воздуха, и повысить мощность турбогенератора. Циркуляция теплоносителя обеспечивается вентиляторами, расположенными на одном валу с турбогенератором. Тепло снимается с поверхностей изолированных проводников и стальных сердечников. Нагревшийся теплоноситель поступает в специальный охладитель. При водородном охлаждении он встраивается в турбогенератор и вся система охлаждения герметизируется. Для интенсификации охлаждения при мощности турбогенератора свыше 150 Мвт давление водорода в системе повышают до 300-500 кн/кв.м, а при мощности свыше 300 Мвт используют внутреннее охлаждение проводников обмотки водородом или дистиллированной водой. При водородном охлаждении проводники обмотки делают с боковыми вырезами-каналами, а при водяном охлаждении применяют полые проводники. В крупных турбогенераторах охлаждение обычно комбинированное: например, обмотки статора и ротора охлаждаются водой, а сердечник статора - водородом. Повышение мощности турбогенератора приводит к снижению удельного расхода материалов и к снижению затрат на его изготовление в расчете на квт мощности.

В зависимости от конструкции первичного двигателя существует два основных типа синхронных генераторов :быстроходные и тихоходные.

Быстроходные генераторы на 3000 и 1500 об/мин предназначаются для непосредственного соединения с и называются турбогенераторами .

С увеличением числа оборотов размеры и вес паровой турбины и генератора уменьшаются, что дает ряд экономических преимуществ. В связи с этим в настоящее время широко применяют двухполюсные турбогенераторы на 3000 об/мин.

Синхронизация и принятие нагрузки турбогенератора

После того как турбина развернута до номинального числа оборотов, нужно проверить действие приспособления для изменения числа оборотов (синхронизатора). Убедившись, что оно работает исправно, можно включать генератор на сеть, помня, что работать длительное время без нагрузки турбина не должна во избежание чрезмерного нагрева части низкого давления. Если на данную сеть не работает какой-либо другой генератор, то включение осуществляется очень просто. Включают возбуждение генератора, доводят его напряжение до нормального и включают главный масляный выключатель, после чего поочередно включают масляные выключатели фидеров, передающих энергию к потребителям.

Иначе обстоит дело, когда генератор приключается к сети, на которую уже работают другие генераторы. Включение на параллельную или, как говорят, синхронную работу с другими генераторами должно быть произведено в момент, когда напряжение приключаемого генератора равно напряжению в сети, число периодов в секунду (частота) приключаемого генератора одинаково с частотой уже работающих на сеть генераторов (то есть с частотой сети) и имеет место совпадение фаз напряжения в сети и напряжения приключаемого генератора.

Равенство напряжений определяется по показаниям вольтметров, установленных на распределительном щите и указывающих действительные значения напряжений приключаемого генератора и сети. В случае, если показания вольтметров различны, то напряжение генератора подгоняют к напряжению сети, соответствующим образом регулируя возбуждение генератора.

Как известно, напряжение на зажимах (выводах) генератора переменного тока непрерывно изменяется; оно увеличивается от нуля до некоторого максимального положительного значения, затем уменьшается до нуля, после чего принимает отрицательное значение и, достигнув определенной величины, опять падает до нуля и так далее. Графически эти изменения изобразятся кривой, по форме близкой к синусоиде (рис. 8). Время, в течение которого напряжение проходит все свои положительные и отрицательные значения, называется периодом, а число периодов в секунду- частотой. Обычно применяется частота, равная 50 пер/сек.

Частота определяется выражением

Где р- число пар полюсов генератора;
n- число оборотов в минуту;
60- число секунд в минуте.
Следовательно, равенство частот работающего и приключаемого генераторов будет иметь место при условии, что

Это значит, что при равном числе полюсов работающего и приключаемого генераторов, то есть р= p 1 , должны быть равны и числа их оборотов n= n 1 . Таким образом, для получения близкого совпадения частот число оборотов приключаемого генератора должно быть возможно точно доведено до числа оборотов работающего генератора.

При большем числе полюсов у работающего генератора число оборотов приклчаемого должно быть соответственно больше, и наоборот.

После того как равенство напряжений и близость частот достигнуты, нужно уловить момент совпадения фаз напряжения в сети и напряжения приключаемого генератора и включить генератор именно в этот момент. Это условие требует некоторого пояснения.

Известно, что напряжение в сети, к которой мы должны приключить генератор, изменяется по кривой, аналогичной изображенной на (рис. 8) Практически почти неизбежно, что напряжение генератора, уже работающего на сеть, и напряжение приключаемого генератора, даже имея равные амплитуды, окажутся сдвинутыми по фазе, то есть будут достигать каждого из своих мгновенных одинаковых значений разновременно (рис.9) Если мы при этом условии соединим в момент М генераторы для параллельной работы, то между зажимами генераторов окажется разность потенциалов, равная (b - a) , и через обмотки пойдет ток, который может оказаться даже больше тока короткого замыкания. Указанная разность потенциалов будет изменяться по величине примерно так, как показано на (рис. 10) На этой фигуре кривая е 1 изображает напряжение работающего на сеть генератора, кривая

Напряжение приключаемого генератора, а кривая е р - равнодействующую напряжений, которое получается от взаимодействия е 1 и е 2 .

Задача состоит в том, чтобы приключить генератор в такой момент, когда его напряжение и напряжение уже работающего на сеть генератора достигнут своих максимальных значений одновременно, будучи при этом равными и взаимно противоположными(будучи взаимно противоположными в внутренней цепи (в обмотках машины), совпадут по фазе по отношению к внешней цепи тока (сборным шинам)) .

В этот момент результирующее напряжение е р будет равно нулю, и включение может быть произведено совершенно безопасно.

Рассматривая диаграмму, представленную на (рис. 10), мы видим, что кривые е 1 и е 2 имея равные амплитуды, постепенно сдвигаются одна относительно другой. Этот сдвиг вызывается некоторой разностью в числе оборотов генератора, которая практически всегда имеет место до включения на параллельную работу. Соответственно изменяется и амплитуда кривой е р , которая достигает своего максимального значения в момент совпадения одноименных максимальных значений е 1 и е 2 (точки А и В ).

Своего нулевого значения е р достигает в моменты одновременности равных, но взаимно противоположных значений е 1 и е 2 (точка D ) или одновременности нулевых значений (точка С ).

Таким образом, приключать генератор можно в моменты, соответствующие точкам С и D . Для определения этих моментов между соединяемыми шинами включают электрические лампы, называемые фазовыми лампами (рис. 11) . Ток, проходящий в этих лампах, вызывается равнодействующим напряжением е р . Очевидно, что в соответствии с изменениями е р будет изменяться накал фазовых ламп, которые будут ярко светиться в моменты, соответствующие точкам А и В , и постепенно погасать с уменьшением е р . При этом, чем ближе совпадают скорости вращения генераторов, тем продолжительнее будут периоды вспыхивания и затухания фазовых ламп, так как тем реже будет иметь место совпадение фаз е 1 и е 2 . Схема параллельного соединения двух трехфазных генераторов с включением фазовых ламп показана на (рис. 12). Как видно из этой схемы, обе фазовые лампы при включении выключателей В 3 и В 4 будут вспыхивать одновременно.

Фазовые лампы не дают возможности точно уловить момент, когда е р становится равным нулю, так как они перестают светиться уже с того момента, когда е р становится недостаточным для их накала, но имеет еще существенную величину. Поэтому в параллель к фазовым лампам обычно приключают вольтметр, по которому можно более точно наблюдать разность потенциалов между соединяемыми шинами. В таком случае включение генератора производят в момент, когда вслед за потуханием фазовой лампы стрелка вольтметра займет нулевое положение. Предварительно добиваются возможно более продолжительных периодов загорания и потухания фазовых ламп, регулируя от руки или со щита число приключаемого генератора посредством приспособления для изменения числа оборотов турбины (синхронизатора).

Эксплуатация турбогенератора

Величина длительно допускаемой (без ограничения времени) нагрузки генератора зависит: 1)температуры охлаждающего воздуха; 2)коэффициента мощности с которым работает генератор; 3)длительно допускаемой температуры нагрева обмоток и стали статора, а также обмоток ротора.

Большинство генераторов, установленных на электростанциях, рассчитано на отдачу номинальной мощности при температуре входящего охлаждающего воздуха +35 или +40 0 С . При этом нагрев воздуха в генераторе (температурный перепад) в зависимости от типа генератора обычно составляет не более 25-30 0 С, соответственно чему температура выходящего из генератора воздуха обычно не превышает +60-70 0 С.

Длительно допускаемые температуры нагрева обмоток и стали различны для генераторов различного типа и зависят от рода их изоляции. Точные значения температур указывают в станционных инструкциях для каждого генератора, однако в большинстве случаев они не должны превышать 100-120 0 С для статорных обмоток и 120-145 0 С для роторных обмоток. Температура стали в месте расположения обмотки не должна быть больше допускаемой температуры последней. При этом предполагается, что температура нагрева обмоток и стали статора измеряются термодетекторами (термометрами сопротивления), заложенными между стержнями обмоток и на дно пазов статора, а температура нагрева обмоток ротора определяется по методу изменения сопротивления при нагреве.

Изоляция генераторов постепенно изнашивается или, как принято говорить, стареет. Старение изоляции происходит в следствии воздействия на нее электрического поля, под действием различных механических нагрузок (вибрации машины, электродинамических действий токов к. з., трения струи охлаждающего воздуха и т. д.). В следствии ее загрязнения, увлажнения, окисления кислородом воздуха и ряда других причин. Особенно большое влияние на старение изоляции оказывает ее нагрев - чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она разрушается, тем меньше ее срок службы. Например, если взять наиболее распространенную для статорных и роторных обмоток изоляцию класса В (изделия из слюды, асбеста и других минеральный материалов со связующими материалами на шеллаке), то оказывается, что если при нагреве до температуры 120 0 С срок службы ее составляет около 15 лет, то при нагреве до 140 0 С срок службы ее резко уменьшается почти до 2 лет. Значительный нагрев изоляции приводит к уменьшению ее эластичности, она становиться хрупкой, электрическая прочность ее резко уменьшается. Так же изоляция класса В при температуре нагрева порядка 105 0 С стареет медленно и срок службы ее становится более 25-30 лет.
Из сказанного следует, что в эксплуатации при любых режимах работы генераторов нельзя допускать нагрева их изоляции свыше установленных для них предельно допустимых температур.

Если температура входящего в генератор воздуха меньше номинальной (соответственно +35 или +40 0 С), то условия охлаждения генератора улучшаются и его мощность может быть несколько увеличена по сравнению с номинальной. Наоборот, если температура входящего воздуха выше номинальной, то мощность генератора должна быть несколько уменьшена. Значения допускаемых нагрузок генераторов при различных температурах входящего воздуха указываются в станционных и типовых инструкциях на генераторы.

Наибольшая допускаемая температура входящего в генератор воздуха +50 0 С, а выходящего (горячего) +75 0 С.

Для большинства генераторов номинальный коэффициент мощности cos f составляет от 0,8 до 0,9. От величины коэффициента мощности, с которым работает генератор, зависит величина тока возбуждения генератора. При одной и той же нагрузке генератора в киловольтамперах, чем меньше коэффициент мощности, тем больше ток возбуждения, тем больше загрузка ротора. Работа генератора с коэффициентом мощности меньше номинального приводит к неполному использованию мощности агрегата.

Если напряжение на зажимах генератора отличается от номинального не более чем на 5%, то генератор может быть загружен на номинальную мощность. Допускаются следующие предельные повышения напряжения на зажимах: для генераторов 6,6 кв - 10%, а для генераторов 10,5 кв и выше - 5%. В случае увеличения напряжения на зажимах генераторов до 6,6 кв и ниже более чем на 5% нагрузка их должна быть несколько уменьшена. Объясняется это тем,что в следствии недопустимости перегрузки ротора повышенное напряжение на зажимах генератора может быть получено только за счет уменьшения его нагрузки Наоборот, в случае уменьшения напряжения на зажимах тех же генераторов более чем на 5%, нагрузка их может быть несколько увеличена.

Генераторы, присоединенные к сети с незаземленными нейтралями или к компенсированной сети (с дугогасящими катушками в нейтралях), могут продолжать работу при однофазных замыканиях на землю в сети. При этом длительность такого режима не должна превышать: для генераторов напряжением 6,6 кв и ниже - 2 часа; а для генераторов напряжением 10,5 кв - 1 часа. Ток замыкания на землю должен быть не более 50 А.

Лекция 9

Электрическая часть электростанций

Электрическая станция представляет собой промышленное предприятие, на котором производится электрическая, а в некоторых случаях и тепловая энергия на основе преобразования первичных энергоресурсов.
В зависимости от вида природных источников энергии (твердое топливо, жидкое, газообразное, ядерное, водяная энергия) станции подразделяются на тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС). Станции, на которых одновременно с электрической вырабатывается и тепловая энергия, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Независимо от типа электростанции ее электрическую часть составляют электрогенераторы – устройства для преобразования первичной энергии (чаще всего механической) в электрическую, а также другие аппараты для преобразования и управления потоком электрической энергии: трансформаторы, выключатели, разъединители.

Электрогенераторы

Для выработки электроэнергии на современных электрических станциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Различают турбогенераторы (ТГ) (первичный двигатель – паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель - гидротурбина).

Турбогенераторы предназначены для непосредственного соединения с паровыми или газовыми турбинами и, так как особенностью этих турбин является их быстроходность, имеют высокую частоту вращения. Чем выше частота вращения турбины, тем меньше ее габариты и больше к. п.д., поэтому естественно стремление повысить быстроходность турбогенераторов. Однако эта быстроходность имеет предел, ограниченный номинальной частотой сети f = 50 Гц и минимальным числом пар полюсов генератора р = 1.

Для синхронных генераторов в установившемся режиме существует строгое соответствие между частотой вращения агрегата n , об/мин, и частотой сети f , Гц

где – число пар полюсов обмотки статора генератора.

Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 об/мин), так как при этом турбогенераторы имеют наилучшие технико-экономические показатели. На ТЭС, сжигающих обычное топливо, частота вращения агрегатов составляет, как правило, 3000 об/мин, а синхронные генераторы имеют два полюса.

Таким образом, при частоте сети 50 Гц, принятой в нашей стране и в странах Западной Европы, максимальная частота вращения турбогенераторов равна 3000 об/м, а в США и Японии, где частота сети 60 Гц, наибольшая частота вращения двухполюсных турбогенераторов равна 3600 об/мин.

На АЭС применяют также генераторы с двумя парами полюсов. К турбине они подключаются через редуктор, снижающий частоту вращения до 1500 об/мин.

Высокая частота вращения ТГ определяет и особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным расположением ротора. Ротор ТГ работает при больших механических и тепловых нагрузках. Поэтому он изготовляется из цельной поковки специальной высококачественной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.

У турбогенераторов ротор , как правило, выполняется неявнополюсным . Вследствие значительной частоты вращения размеры его ограничены: по длине (во избежание прогибов, приводящий к вибрациям) – 6-6,5 м и по диаметру (для снижения окружных усилий при вращении) – 1,1-1,2 м.

В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными легкими, но прочными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали.

Турбогенераторы – применение в энергетике

Турбогенераторы с комбинированным водородно-водяным охлаждением предназначены для работы на атомных электростанциях (АЭС). Асинхронные турбогенераторы используются в составе мощных ТЭЦ и в энергосистемах со значительными колебаниями нагрузки. Асинхронные турбогенераторы также имеют комбинированное водородно-водяное охлаждение. Турбогенераторы с воздушным и масляным охлаждением применяются на тепловых электростанциях (ТЭС) с различной мощностью.

Гидравлические турбины имеют обычно относительно малую частоту вращения (60 – 600 об/мин). Частота вращения тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и массы, а также большое число пар полюсов.

Частота вращения гидрогенератора принимается равной наиболее выгодной частоте вращения турбины, отвечающей при данных напоре (Н) и расходе воды наилучшим гидравлическим характеристикам турбины и её наибольшей экономичности

,

где К б - коэффициент быстроходности, зависящий от типа турбины, об/мин;

Н - напор, м;

Р - мощность турбины, МВт.

Так как напоры и расходы воды на различных гидроэлектростанциях отличаются большим разнообразием, частота вращения гидрогенераторов лежит в широком диапазоне, от 50 до 750 об/мин. Частота вращения тем меньше, чем ниже напор воды и выше мощность гидроагрегата.

Гидроагрегаты поэтому являются тихоходными машинами, имеют большие размеры и массы, а также большое число полюсов.

К б составляет 20-40 об/мин для ковшевых турбин, 50-450 об/мин для радиально осевых турбин и 400-1200 об/мин (чаще 600-800 об/мин) для поворотно-лопастных турбин.
Как видно из формулы (1-2), частота вращения тем меньше, чем выше мощность гидроагрегата и ниже напор. Большая часть исполненных машин имеет частоту вращения в пределах от 50 до 125 об/мин, т. е. относится к тихоходным машинам. Число полюсов всегда выражается целым числом, поэтому частота вращения гидрогенераторов иногда оказывается дробной, например гидрогенераторы Иркутской ГЭС имеют частоту вращения 83,3 об/мин (р = 36), Саратовской ГЭС - 51,5 об/мин (р = 58), Краноярской ГЭС - 93,8 об/мин (р = 32).

Гидрогенераторы выполняют с явнополюсными роторами и преимущественно с вертикальным расположением вала. Диаметры роторов мощных гидрогенераторов достигают 14 – 16 метров, а диаметры статоров – 20 – 22 м (рис. 6.2).

В машинах с большим диаметром ротора сердечником служит обод, собираемый на спицах, которые крепятся на втулках ротора. Полюсы, как и обод, делают наборными из стальных листов и монтируют на ободе ротора с помощью Т-образных выступов. На полюсах помимо обмотки возбуждения размещается еще так называемая демпферная обмотка, которая образуется из медных стержней, закладываемых в пазы на полюсных наконечниках и замыкаемых с торцов ротора кольцами. Эта обмотка предназначена для успокоения колебаний ротора агрегата, которые возникают при всяком возмущении, связанном с резкими изменениями нагрузки генератора.