Характеристики источника первичной энергии

Гидрогенераторы

Определения

Гидрогенератор – это электрогенератор, приводимый во вращение гидравлической турбиной. Гидротурбина – турбина, преобразующая механическую (кинетическую и потенциальную) энергию воды, текущей под напором, в энергию вращающегося вала. Гидроагрегат – совокупность гидрогенератора с гидротурбиной (рис. 3.1). Гидроэлектростанция (ГЭС) – электростанция, в качестве первичного источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Рис. 3.1. Гидроагрегат [7] 1 - гидротурбина, 2 - гидрогенератор

Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Каждая крупная ГЭС содержит несколько гидроагрегатов, мощность которых суммируется при определении общей мощности электростанции.

Примеры [16]:

- ГЭС "Три ущелья": 34 генератора;

- Волжская ГЭС: 22 генератора;

- ГЭС "Итайпу": 20 генераторов;

- Братская ГЭС: 18 генераторов;

- Саяно-Шушенская ГЭС: 10 гидрогенераторов.

Конструкция и параметры гидрогенераторов регламентируются ГОСТ 5616-89.

 

Область применения

Область применения: гидравлические электростанции (ГЭС); гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

В Разделе 3 речь будет идти о ГЭС большой мощности (если не оговорено иное).

О ГАЭС будет идти речь в Разделе 11.2.2.2 и Разделе 16.6.

 

Назначение

Назначение крупных ГЭС (и их гидрогенераторов): создание централизованной энергосистемы страны, т.е. обеспечение электроэнергией большой территории.

Наряду с ГЭС централизованная энергосистема создается также и другими типами электростанций.

 

Общие характеристики

Характеристики источника первичной энергии

Гидравлическая энергия относится к возобновляемым природным энергоресурсам (см. Раздел 4.2). Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются облака, идет дождь, и вода возвращается в водные бассейны. С таким круговоротом воды в природе связано колоссальное количество энергии. Географическая область умеренного климата, расположенная на высоте около 2500 м над уровнем моря, при количестве осадков порядка 1000 мм/год теоретически могла бы непрерывно давать более 750 кВт с каждого квадратного километра площади [17].

В мировом балансе энергетические ресурсы рек России составляют около 10% ресурсов мира (освоены на 32,8%) [44].

Помимо энергии рек можно использовать энергию приливов на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

 

Доля ГЭС в энергетике

В мире:

- установленная суммарная мощность 777 ГВт (2006г) [24]; 836 ГВт (конец 2005г, без учета малых ГЭС) [28];

- вырабатывают 2994 ТВт·ч/год (конец 2005г) [28];

- 19% от всей производимой электроэнергии [22], до 20 % (2006г) [24];

- 88 % от электроэнергии, вырабатываемой источниками возобновляемой энергии [24];

- используется 16% от технического потенциала гидравлической энергии (конец 2005г) [28].

В странах (конец 2005г) [28]:

- Китай: установленная мощность 108 ГВт, 397 ТВт·ч/год (максимальные показатели в мире);

- Норвегия: 27 ГВт (98,9% от общего производства электроэнергии в стране);

В России:

- установленная суммарная мощность 44 ГВт (конец 2005г) [28];

- 18,3% от общего производства электроэнергии в стране (конец 2005г) [28];

- вырабатывается 165*10⁹ кВт·ч/год (2010г) [42].

 

3.5. Тип электрической машины:

а) явнополюсный синхронный генератор;

(У турбогенератора, напомню, неявнополюсная конструкция).

Самый распространенный случай (применяется практически во всех гидрогенераторах крупных ГЭС) [1].

Это связано с тем, что гидрогенераторы работают при малых частотах вращения (Раздел 3.7), не критичных по отношению к прочности ротора, и в этих условиях в силу своих качеств более предпочтительной является явнополюсная конструкция (Разделы 13.4.2 и 13.4.3).

б) асинхронизированная машина (машина двойного питания) (Раздел 13.3).

Редко используемый вариант. Единственный пример в России: Иовская ГЭС (Мурманская обл.).

Введена в эксплуатацию в 1962 году. Мощность генератора 40 МВт, частота вращения 136,4 об/мин. Предложена М.М.Ботвинником [6].

Мощность гидрогенераторов

Номинальная мощность

По мощности гидрогенераторы крупных ГЭС разделяются на следующие классы [43]:

- малой мощности — до 5 МВт;

- средней — от 5 до 25 МВт;

- большой мощности — свыше 25 МВт.

Самые мощные гидрогенераторы в России: гидрогенераторы Саяно-Шушенской ГЭС, сооруженной на реке Енисей: 640 МВт (711 МВА [6]).

Самые мощные гидрогенераторы в мире: гидрогенераторы ГЭС "Сянцзяба" (Китай, река Янцзы): 800 МВт [31].

Мощность некоторых крупнейших гидрогенераторов:

- гидрогенераторы ГЭС "Итайпу" (Бразилия): 700 МВт [16]; 823,6 МВА (самый мощный гидрогенератор в мире) [6];

- гидрогенераторы ГЭС "Три ущелья" (Китай): 700 МВт [16];

- гидрогенераторы Красноярской ГЭС: 500 МВт [16];

- гидрогенераторы Братской ГЭС: 250 и 255 МВт[16];

- гидрогенераторы Усть-Илимской ГЭС: 240 МВт[16].

Выходная мощность гидрогенератора Р _вых.г зависит от выходной мощности гидротурбины Р _вых.т, являющейся входной мощностью для гидрогенератора

Р _вых.г = η_г* Р _вых.т,

где η_г – КПД гидрогенератора.

Выходная мощность гидротурбины Р _вых.т зависит от мощности водотока N, являющейся входной мощностью для гидротурбины

Р _вых.г = η_г* N,

где η_т – КПД гидротурбины.

Чтобы на выходе генератора была обеспечена заявленная мощность, на гидротурбину должна быть подана достаточная мощность водотока.

Мощность водотока может быть рассчитана по формуле [1]: , где ρ - плотность воды =1000 g - ускорение свободного падения =9,81 м/с; Q - расход воды, [м^3/сек]; Н - напор воды, м. Для создания повышенного напора строится плотина, поднимающая уровень воды в реке и создающая напор воды в месте расположения турбин (рис. 3.2) [11]. В зависимости от максимального использования напора воды ГЭС делятся на [30]: - высоконапорные — более 60 м; - средненапорные — от 25 м; - низконапорные — от 3 до 25 м. Не следует путать высоту плотины и значение напора (напор меньше).

Рис. 3.2. Схема плотины ГЭС [24]

Примеры (величина расчетного напора) [16]:

- Гизельдонская ГЭС (Северная Осетия, Россия): 289 м (самая высоконапорная ГЭС в России) [29];

- Саяно-Шушенская ГЭС: напор 194 м (плотина 245 м);

- ГЭС "Итайпу": 118,4 м;

- Братская ГЭС: 106 м;

- ГЭС "Три ущелья": от 79 до 109 м.

 

Перегрузка

В требованиях для гидрогенераторов задается перегрузка по току.

Согласно ГОСТ 183-74 гидрогенераторы должны без повреждений и остаточных деформаций выдерживать:

- при косвенном охлаждении обмоток статора - 1,5-кратный номинальный ток в течение 2 минут;

- при непосредственном охлаждении обмотки статора - 1,5-кратный номинальный ток в течение 2 минут.

 

Выходное напряжение

Выходное напряжение – трехфазное переменное. Если говорят о значении переменного трехфазного напряжения без уточнения, то имеют в виду действующее значение линейного напряжения. Номинальное напряжение гидрогенераторов выбирается из ряда значений, определенных государственным стандартом [8]:0,4; 0,63; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18,0; 20 кВ. Чем больше мощность машины, тем выше выбирается уровень напряжения (чтобы при этом получить меньший рост фазного тока) (табл.3.1). Таблица 3.1 – Зависимость напряжения гидрогенераторов от мощности [8]

Мощность, МВА	5-10	10-25	25-50	50-150	150-500	Более 600
Напряжение, кВ	3,15-6,3	6,3-10,5	10,5-13,8	13,8-15,75	15,75-18,0	18,0-20,0

Допустимое изменение действующего значения напряжения на выводах обмотки статора составляет ±5% при номинальной мощности и номинальном коэффициенте мощности.

Пример: выходное напряжение гидрогенераторов Саяно-Шушенской и Красноярской ГЭС – 15,75 кВ [44].

Для передачи электроэнергии отдаленным потребителям даже такое высокое переменное напряжение мощных гидрогенераторов дополнительно увеличивается в силовых трансформаторах до 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

Пример: на Красноярской ГЭС используются трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ мощностью 630 МВА и однофазные трансформаторы на напряжение 500 кВ мощностью 417 МВА (в свое время самые мощные в нашей стране) [44].

 

Фазный ток

Большая выходная мощность гидрогенераторов (несмотря на большой уровень выходного напряжения) достигается большими токами в обмотке статора генератора:

Пример: номинальный фазный ток гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС составляет 28,5 кА [44].

 

Охлаждение

Общие принципы охлаждения крупных машин смотри в Разделе 2.10.

В крупных гидрогенераторах применяются следующие способы охлаждения:

- воздушное (как пример: дополнительно с использованием воздухоохладителей – трубопроводов, по которым циркулирует вода, воздух, соприкасаясь с ними, охлаждается, и после этого поступает в машину для охлаждения ее нагретых частей);

- водяное (более эффективное, используется для гидрогенераторов большой мощности);

- воздушно-водяное (наиболее распространено [27]) (водяное – для наиболее напряженных в тепловом отношении элементов – обмотки якоря).

Повышение интенсивности охлаждения позволяет снизить расход изоляции, меди и активной стали.

Водородное охлаждение в гидрогенераторах не применяется ввиду больших размеров ротора и трудностей герметизации корпуса генератора [39].

 

Требования, предъявляемые к системам возбуждения

Основные требования:

- надежное электропитание постоянным током обмотки возбуждения гидрогенератора в любых режимах, в том числе и при авариях в энергосистемах;

- устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки гидрогенератора от нуля до номинальной при заданном уровне напряжения (Раздел 3.16.1);

- достаточное быстродействие (малое время переходного процесса - между подачей команды на изменение тока возбуждения до достижения им соответствующего значения);

- форсировка возбуждения, т.е. быстрое нарастание напряжения, подаваемого на ОВ, от номинального значения до предельного;

Форсировка возбуждения требуется, в частности, для поддержания устойчивой работы гидрогенератора во время аварии в энергосистеме и восстановления нормального режима после ликвидации аварии. (Предельное значение напряжения возбуждения в гидрогенераторах принимают не менее 1,8…2 от номинального напряжения возбуждения).

- быстрое уменьшение тока возбуждения (гашение магнитного поля);

Это качество исключает недопустимое значительное повышения напряжения в фазных обмотках гидрогенератора при оперативных отключениях гидрогенератора от сети, а также в случае аварии в гидрогенераторе, т.е. при быстром отключении гидрогенератора от нагрузки.

 

Регулирование

Две задачи:

- стабилизация уровня выходного напряжения;

- стабилизация частоты напряжения.

 

Понятие угонной скорости

Предположим, что система регулирования вышла из строя и происходит полный сброс нагрузки. При отсутствии момента сопротивления турбина разгонит гидрогенератор до максимальной частоты вращения. Эта скорость называется угонной. Она может превосходить номинальную скорость в 1,8...3,5 раза. Гидрогенератор по механической прочности должен выдерживать такую скорость [9].

 

3.17. Показатели надежности [15]

Гидрогенераторы характеризуются высокой степенью надежности:

- средняя наработка на отказ — 27 000 ч (прогнозируемое время работы с начала эксплуатации до первого отказа);

- средний срок эксплуатации между капитальными ремонтами — 7 лет;

- средний срок эксплуатации — 40 лет;

- коэффициент готовности -0,996.

Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени (кроме периодов планового технического обслуживания).

 

Гидрогенераторы

Определения

Гидрогенератор – это электрогенератор, приводимый во вращение гидравлической турбиной. Гидротурбина – турбина, преобразующая механическую (кинетическую и потенциальную) энергию воды, текущей под напором, в энергию вращающегося вала. Гидроагрегат – совокупность гидрогенератора с гидротурбиной (рис. 3.1). Гидроэлектростанция (ГЭС) – электростанция, в качестве первичного источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Рис. 3.1. Гидроагрегат [7] 1 - гидротурбина, 2 - гидрогенератор

Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Каждая крупная ГЭС содержит несколько гидроагрегатов, мощность которых суммируется при определении общей мощности электростанции.

Примеры [16]:

- ГЭС "Три ущелья": 34 генератора;

- Волжская ГЭС: 22 генератора;

- ГЭС "Итайпу": 20 генераторов;

- Братская ГЭС: 18 генераторов;

- Саяно-Шушенская ГЭС: 10 гидрогенераторов.

Конструкция и параметры гидрогенераторов регламентируются ГОСТ 5616-89.

 

Область применения

Область применения: гидравлические электростанции (ГЭС); гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

В Разделе 3 речь будет идти о ГЭС большой мощности (если не оговорено иное).

О ГАЭС будет идти речь в Разделе 11.2.2.2 и Разделе 16.6.

 

Назначение

Назначение крупных ГЭС (и их гидрогенераторов): создание централизованной энергосистемы страны, т.е. обеспечение электроэнергией большой территории.

Наряду с ГЭС централизованная энергосистема создается также и другими типами электростанций.

 

Общие характеристики

Характеристики источника первичной энергии

Гидравлическая энергия относится к возобновляемым природным энергоресурсам (см. Раздел 4.2). Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются облака, идет дождь, и вода возвращается в водные бассейны. С таким круговоротом воды в природе связано колоссальное количество энергии. Географическая область умеренного климата, расположенная на высоте около 2500 м над уровнем моря, при количестве осадков порядка 1000 мм/год теоретически могла бы непрерывно давать более 750 кВт с каждого квадратного километра площади [17].

В мировом балансе энергетические ресурсы рек России составляют около 10% ресурсов мира (освоены на 32,8%) [44].

Помимо энергии рек можно использовать энергию приливов на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

 

Доля ГЭС в энергетике

В мире:

- установленная суммарная мощность 777 ГВт (2006г) [24]; 836 ГВт (конец 2005г, без учета малых ГЭС) [28];

- вырабатывают 2994 ТВт·ч/год (конец 2005г) [28];

- 19% от всей производимой электроэнергии [22], до 20 % (2006г) [24];

- 88 % от электроэнергии, вырабатываемой источниками возобновляемой энергии [24];

- используется 16% от технического потенциала гидравлической энергии (конец 2005г) [28].

В странах (конец 2005г) [28]:

- Китай: установленная мощность 108 ГВт, 397 ТВт·ч/год (максимальные показатели в мире);

- Норвегия: 27 ГВт (98,9% от общего производства электроэнергии в стране);

В России:

- установленная суммарная мощность 44 ГВт (конец 2005г) [28];

- 18,3% от общего производства электроэнергии в стране (конец 2005г) [28];

- вырабатывается 165*10⁹ кВт·ч/год (2010г) [42].

 

3.5. Тип электрической машины:

а) явнополюсный синхронный генератор;

(У турбогенератора, напомню, неявнополюсная конструкция).

Самый распространенный случай (применяется практически во всех гидрогенераторах крупных ГЭС) [1].

Это связано с тем, что гидрогенераторы работают при малых частотах вращения (Раздел 3.7), не критичных по отношению к прочности ротора, и в этих условиях в силу своих качеств более предпочтительной является явнополюсная конструкция (Разделы 13.4.2 и 13.4.3).

б) асинхронизированная машина (машина двойного питания) (Раздел 13.3).

Редко используемый вариант. Единственный пример в России: Иовская ГЭС (Мурманская обл.).

Введена в эксплуатацию в 1962 году. Мощность генератора 40 МВт, частота вращения 136,4 об/мин. Предложена М.М.Ботвинником [6].