Частота выходного напряжения

Соответствует стандартному значению частоты промышленной и бытовой сети:

- в России: f =50±0,2 Гц;

- в ряде других стран: f =60 Гц.

Согласно ГОСТ 32144-2013 в России отклонение частоты в синхронизированных системах электроснабжения не должно превышать ±0,2 Гц в течение 95% времени интервала в одну неделю и ±0,4 Гц - в течение 100% времени интервала в одну неделю.

 

Частота вращения и число пар полюсов

Турбогенераторы соединяются с турбиной непосредственно, то есть без использования редукторов (мультипликаторов).

Выбор частоты вращения турбогенератора n зависит от трех факторов:

- оптимальной области частот вращения генератора n;

- оптимальной частоты вращения турбины n _т;

- требуемой частоты выходного напряжения:

f = pn /60, (2.1)

где p – число пар полюсов генератора.

Оптимальная частота вращения генератора

Для генератора оптимальной является частота вращения, при которой масса и размеры генератора будут минимальными. Производство такого генератора станет более экономичным по затратам и материалов, и труда при их изготовлении.

Проанализируем одну из главных формул проектирования электрических машин:

D ² l º P/АВ _δ n, (2.2)

где D, l – диаметр ротора и активная длина машины соответственно; P – мощность машины; А, В _δ, n – линейная нагрузка, магнитная индукция в воздушном зазоре и частота вращения машины.

В соответствии с выражениями (2.1) и (2.2) оптимальной частотой вращения генератора (с точки зрения массы и габаритных размеров) является максимальная частота вращения, позволяющая получить переменное напряжение требуемой частоты (в России - 50 Гц).

Записав формулу (2.1) в виде n =60 f / p, получим, что в России оптимальной частотой вращения для турбогенератора будет n =3000 об/мин (при двухполюсном исполнении генератора, р =1).

В отличие от гидрогенераторов, которые являются тихоходными машинами, турбогенераторы являются быстроходными.

Оптимальная частота вращения турбины

Для турбины оптимальная частота вращения зависит от параметров пара, вращающего эту турбину. В первую очередь речь идет о давлении пара и его температуре.

	Тепловые электростанции (ТЭС)	АЭС с реакторами на тепловых нейтронах
Давление пара	16-24 МПа	4,5-7,0 МПа
Температура пара	540-550 °С	250-350 °С

В результате турбины на ТЭС работают эффективнее (с более высоким КПД) и надежнее при бóльших частотах вращения, а на АЭС – при меньших частотах.

Поэтому частота вращения турбогенераторов, используемых на теплоэлектростанциях, составляет (в России) 3000 об/мин (двухполюсное исполнение), а турбогенераторов, используемых на атомных электростанциях, как правило, 1500 об/мин (четырехполюсное исполнение) [12].

Пример: частота вращения турбогенератора АЭС "Библис" (Германия) – 1500 об/мин [35].

По сравнению с двухполюсными турбогенераторами, четырехполюсные турбогенераторы, как правило [10]:

- позволяют развивать большую предельную мощность (+);

- имеют меньший уровень механических напряжений от центробежных сил в роторе (+);

- имеют меньшую вибрацию сердечника статора (+);

- требуют больших материальных и трудовых затрат (–).

В период 1900-1920 крупные турбогенераторы изготавливались в шестиполюсном исполнении из-за ограниченных возможностей металлургии по изготовлению поковок для роторов [6].

 

Мощность

Номинальная мощность

Турбогенераторы – это довольно мощные генераторы. Самая мощная электрическая машина в мире относится именно к этому классу электрогенераторов.

Номинальная мощность турбогенераторов составляет:

- от 0,25 МВт до 1200 МВт при частоте вращения n =3000 об/мин (р =1) (ГОСТ 533-2000).

- до 1600 МВт при n =1500 об/мин (р =2).

60% общей мощности вырабатывают турбогенераторы с номинальной мощностью 100–320 МВт [15].

При фиксированной частоте вращения и прочих равных условиях справедливо: чем больше мощность турбогенератора, тем больше его размеры, масса и стоимость.

А вот удельная масса и стоимость в расчете на 1 кВт мощности уменьшается с ростом номинальной мощности.

Пример: удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности для турбогенератора мощностью 200 МВт почти в 2,5 раза меньше, чем для турбогенератора мощностью 32 МВт [15].

Пример: при мощности 300 МВт расходуется 1 кг металла на 1 кВт, а для машины мощностью 800 МВт – только 0,58 кг/кВт [35].

Пример: обеспечение требуемой мощности в 2400 МВт тремя турбогенераторами по 800 МВт по сравнению с восемью турбогенераторами мощностью по 300 МВт имеет следующие преимущества: капиталовложения меньше на 10,6%, трудозатраты – на 30% [35].

Поэтому развитие турбогенераторов направлено в сторону увеличения их единичной мощности [10].

Примеры самых мощных турбогенераторов [6]:

- четырехполюсные турбогенераторы фирмы «Dongfang Electric» для АЭС (мощность 1750МВА водяное охлаждения) (Китай) [32];

- четырехполюсные турбогенераторы фирмы "Альстом-атлантик" для АЭС (мощность 1600 МВА, водородно-водяное охлаждение);

- четырехполюсные турбогенераторы фирмы ABB (мощность 1500 МВА, n =1800 об/мин, водородно-водяное охлаждение);

- четырехполюсные турбогенераторы АЭС "Библис" (Германия) (мощность 1300 МВт, водяное охлаждение) [35];

- двухполюсный турбогенератор Костромской ГРЭС (мощность 1200 МВт, n =3000 об/мин, завод "Электросила", г.Санкт-Петербург).

[ВА] – вольт-ампер, единица измерения полной выходной мощности (S=mUI), характеризующей загрузку проводов, трансформаторов и автоматов; [Вт] – ватт, единица измерения активной (полезной) выходной мощности (P=mUIcosφ); m – число фаз.

Повышение номинальной мощности турбогенераторов ограничивают три фактора:

- ограничение по размерам (Раздел 2.9);

- проблемы отвода тепла (Раздел 2.10);

- социально-экономические последствия выхода из строя турбогенератора [15].

 

Перегрузка

В требованиях для турбогенераторов задается перегрузка по току.

Согласно ГОСТ 183-74 турбогенераторы 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.

 

Размеры

Диаметр

Для крупных генераторов справедливо следующее: удельные энергетические показатели Е тем выше, чем выше линейная скорость v перемещения проводников относительно потока. Эта линейная скорость зависит, в частности, от диаметра ротора: Е ≡ v = f (n, D). В соответствии с этим, чем больше диаметр ротора генератора, тем он по удельным энергетическим показателям лучше.

На величину максимально допустимого диаметра накладываются два ограничения:

- условия прочности ротора;

- возможности его изготовления и транспортировки (цельные конструкции больших диаметров затруднительно перевозить).

При частоте вращения 3000 об/мин на турбогенераторы (с учетом немалых размеров их роторов) действуют громадные центробежные силы (тем большие, чем больше диаметр ротора).

По условиям прочности линейная скорость точек ротора v не должна превышать 170—190 м/сек [2]. Эта скорость зависит от диаметра ротора и частоты вращения:

D = 60 v /p n (2.3)

При n= 3000 об/мин максимально допустимый диаметр D _макс=1,2—1,3 м.

При n =1500 об/мин – D _макс=1,8 м (в этом случае начинают учитываться ограничения, связанные с возможностью изготовления и транспортировки) [10].

Для перевозки турбогенератора мощностью 1200 МВт для Костромской ГРЭС пришлось построить сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась на 16 вагонных осей [35].

Данные по некоторым турбогенераторам, находящимся в эксплуатации [10]:

1) Р =1200 МВт, n =3000 об/мин, D =1250 мм, масса 105 тонн.

2) Р =1500 МВт, n =1500 об/мин, D =1800 мм, масса 210 тонн.

3) Турбогенератор АЭС "Библис" (Германия): Р=1300 МВт, n =1500 об/мин, D =1800 мм, масса статора 371 тонна, масса ротора 204 тонны [35]

 

Длина

С учетом ограничения на величину диаметра ротора, увеличение единичной мощности турбогенератора шло в направлении увеличения его длины (в соответствии с формулой (2.2)). Относительно малый диаметр ротора (при таких больших мощностях) обусловливает его сравнительно большую длину.

Пример: длина турбогенератора АЭС "Библис" (Германия) – 7,5 м [35].

Длина ротора (рис.2.2) (точнее, расстояние между опорами) в турбогенераторах не должна быть больше 7,5÷8,5 м, так как она ограничивается следующими факторами [2]:

- допустимым прогибом вала;

- вибрациями.

Рис.2.2. Ротор турбогенератора [34]

 

Общее

С учетом изложенного в Разделах 2.9.2 и 2.9.3, о турбогенераторе можно сказать следующее [12]:

- диаметр турбогенератора всегда меньше его длины (в 3-6 раз);

- воздушный зазор достаточно велик: 10-15 см;

- расположение турбогенератора всегда горизонтальное.

Возможность повышения мощности путём увеличения длины активной части машины была практически исчерпана в 1930–1940 годах, когда в 1937 году в СССР был построен турбогенератор с воздушным охлаждением мощностью 100 МВт [12].

В процессе увеличения мощности были достигнуты максимально возможный диаметр и максимально возможная длина. Осталась ли еще какая-либо возможность дальнейшего увеличения мощности турбогенераторов?

В соответствии с формулой (2.2) увеличение мощности при ограниченных размерах (т.е. увеличение удельной мощности [кВт/кг]) может быть обеспечено за счет повышения электромагнитных нагрузок: магнитной индукции в воздушном зазоре В _δ и линейной нагрузки А, связанной с плотностью тока.

Повышение электромагнитных нагрузок приведет также к увеличению потерь (электрических, связанных с током, а, следовательно, с линейной нагрузкой, и магнитных, связанных с магнитной индукцией). Увеличение потерь приведет к перегреву генератора, поэтому повышение электромагнитных нагрузок должно сопровождаться применением более интенсивных способов охлаждения, позволяющих отводить большее количество тепла.

 

Охлаждение

Охлаждение мощных электрических машин является важнейшим вопросом их проектирования и эксплуатации.

Пример: КПД турбогенератора мощностью 1200 МВт примерно равен 99 %, однако, отводимые в виде теплоты потери в нем достигают 12 000 кВт, что приводит к значительному повышению температуры меди и изоляции, а следовательно, требует обеспечения интенсивного охлаждения [15].

В этом параграфе, наряду с материалом, относящимся к турбогенераторам, будут подняты некоторые общие вопросы, связанные с охлаждением электрических машин.

 

Типы систем охлаждения

В турбогенераторах применяются следующие способы охлаждения [16]:

- воздушное;

- водяное (жидкостное);

- масляное;

- водородное;

- комбинированное, например, водородно-водяное или масляно-водяное охлаждение.

Хладагент - охлаждающая среда (жидкость или газ), обладающая более низкой температурой, чем охлаждаемая часть машины, и отводящая от нее тепло [19].

При косвенном охлаждении хладагент не соприкасается с проводником обмоток, а теплота, выделяемая в них, передается газу через изоляцию, которая таким образом оказывается перегруженной в тепловом отношении и значительно ухудшает теплопередачу [3].

При непосредственном охлаждении водород, вода или масло циркулируют по внутрипроводниковым каналам и, соприкасаясь непосредственно с нагретой медью, отводят от нее теплоту при максимальной эффективности теплопередачи, так как между источником тепла и охлаждающей средой нет никаких барьеров. Большим преимуществом такой системы является также небольшая тепловая нагрузка изоляции [3].

Турбогенераторы выполняются закрытыми, с замкнутой системой вентиляции.

В случае воздушного охлаждения это способствует защите обмоток от загрязнения пылью, парами масла и другими веществами, содержащимися в окружающем воздухе, так как через машину циркулирует один и тот же объём очищенного воздуха, который охлаждается в установленных под генератором воздухоохладителях [12].