Учебники 80382

Рис. 1.10. Размещение основных объектов приплотинной ГЭС:

а) план: 1 - здание ГЭС; 2 - станционная бетонная плотина; 3 - бетонный водослив; 4 - каменно-набросные плотины; 5 -ОРУ ВН и СВН;

б) разрез по станционной плотине: 1 - плотина; 2 - водовод; 3 - площадка электротехнического оборудования высокого напряжения; 4 — здание машинного зала ГЭС

1.2.5. Газотурбинные электростанции

Основу современных газотурбинных электростанций составляют газовые турбины мощностью 25 —100 МВт. Упрощенная принципиальная схема энергоблока газотурбинной электростанции представлена на рис. 1.11.

Топливо (газ, дизельное горючее, керосин) подается в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается сжатый воздух. Горячие продукты сгорания отдают свою энергию газовой турбине, которая вращает компрессор и синхронный генератор. Запуск установки осуществляется при помощи разгонного двигателя и длится 1—2 мин, в связи, с чем газотурбинные установки (ГТУ) отличаются высокой маневренностью и пригодны для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах. Основная часть теплоты, получаемая в камере сгорания ГТУ, выбрасывается в атмосферу, поэтому общий КПД таких электростанций составляет 25

— 30%.

Для повышения экономичности газовых турбин можно применить следующие спосо-

бы:

21

Рис. 1.11. Принципиальная технологическая схема электростанции с газовыми турбинами: КС — камера сгорания; КП — компрессор; ГТ — газовая турбина; G — генератор; Т— трансформатор; М — пусковой двигатель; СП — сетевой подогреватель;

СН — сетевой насос

-использовать тепловую энергию отработавших газов для горячего водоснабжения;

-использовать тепловую энергию отработавших газов для второго паросилового цикла выработки электроэнергии.

Один из самых простых вариантов реализации первого способа предполагает установку в схему электростанции сетевого подогревателя (рис. 1.11).

Второй способ может быть реализован в схеме парогазовой электростанции (установки). Парогазовые установки (ПГУ) — сравнительно новый тип генерирующих станций, работающих на газе или на жидком топливе. Одна из первых газовых турбин с начальной температурой продуктов горения 1100 градусов была собрана в 1981 году компанией Siemens. Её мощность составляла 150 МВт, собственный КПД – около 33%, а КПД парогазовых установок, построенных на её базе, превышал 50%. Принцип работы самой экономичной и распространенной классической схемы таков. Устройство состоит из двух блоков: газотурбинной (ГТУ) и паросиловой (ПС) установок (рис. 1.12). В ГТУ вращение вала турбины обеспечивается образовавшимися в результате сжигания природного газа, мазута или солярки продуктами горения — газами. Образовавшиеся в камере сгорания газотурбинной установки продукты горения вращают ротор турбины, а та, в свою очередь, крутит вал первого генератора. В первом, газотурбинном, цикле КПД редко превышает 38%. Отработавшие в ГТУ, но все еще сохраняющие высокую температуру продукты горения поступают в так называемый котел-утилизатор. Там они нагревают пар до температуры и давления (500 градусов по Цельсию и 80 атмосфер), достаточных для работы паровой турбины, к которой подсоединен еще один генератор. Во втором, паросиловом, цикле используется еще около 20% энергии сгоревшего топлива. В сумме КПД всей установки оказывается около 58%. Существуют и некоторые другие типы комбинированных ПГУ, но погоды в современной энергетике они не делают.

Важным достоинством парогазовой установки является ее высокая манёвренность. Пуск и набор мощности или останов происходит за несколько минут.

Сегодня парогазовые установки получили широкое распространение на территории промышленно-развитых стран США, Канады, а также Западной и Восточной Европы. Так, в

22

Рис. 1.12. Схема парогазовой установки

США ежегодно вводится в эксплуатацию парогазовых установок на 40-50 млн кВт. В России ПГУ также широко внедряются. Построены энергоблоки ПГУ на Северо-Западной ТЭЦ в Петербурге, на Тюменской ТЭЦ-1, на Дзержинской ТЭЦ в Нижнем Новгороде и др. Согласно генеральной схеме размещения энергообъектов до 2020 года планируется ввести 120 ПГУ суммарной мощностью 54 ГВт.

Преимущества ПГУ:

1.Высокий КПД более 60%.

2.Высокая манёвренность.

3.Относительно более низкая стоимость единицы установленной мощности.

4.Меньшее потребление воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с ТЭС.

5.Короткие сроки возведения (9-12 мес.)

6.Могут размещаться непосредственно у потребителя, что сокращает затраты на ЛЭП и транспортировку электроэнергии.

7.Относительно более экологически чистые по сравнению с ТЭС.

Недостатки ПГУ:

1.Низкая единичная мощность оборудования (до 500 МВТ на 1блок).

2.Необходимость осуществлять фильтрацию воздуха, используемого для сжигания топлива.

3.Невозможность работы на твердом топливе.

1.2.6. Дизельные электрические станции

Дизельные электрические станции (ДЭС) применяют в качестве основного источника электроснабжения потребителей в районах, удаленных от сетей энергосистем. ДЭС — это стационарные установки. Их местоположение и мощность определяют с учетом схем развития электрических сетей и энергосистем района строительства.

23

Всостав стационарных ДЭС входят следующие основные элементы и системы: ди- зель-электрический агрегат, топливное хозяйство, хозяйство смазочных масел, система пуска, воздухоочистительная система, щит управления, аккумуляторное хозяйство и распределительное устройство низкого напряжения.

Все элементы и основные системы стационарных ДЭС размещают в несгораемых зданиях, выполненных из кирпича или железобетонных блоков. Повышающую подстанцию

ираспределительное устройство высокого напряжения в соответствии с рекомендациями действующих норм технологического проектирования можно располагать на открытом воздухе рядом со зданием электростанции.

ВДЭС используют преимущественно четырехтактные дизели. Число цилиндров колеблется от 2 до 12 в зависимости от типа и конструкции дизеля.

С повышением частоты вращения масса дизеля уменьшается, но одновременно возрастают силы инерции и трения, что приводит к более быстрому износу деталей. Дизели агрегатов и станций выполняют с различными системами охлаждения: воздушной, водовоздушной (радиаторной), водо-водяной (двухконтурной).

Дизели комплектуют синхронными генераторами трехфазного переменного тока с горизонтальным расположением вала. Генераторы изготовляют на номинальное напряжение 0,22; 0,4; 6,3 и 10,5 кВ. Обмотки статора у генераторов напряжением 0,23 и 0,4 кВ имеют нулевую точку, соединяемую с нулевым проводом электрической сети.

У синхронных генераторов ДЭС могут быть электромашинная и статическая системы возбуждения.

У генераторов с электромашинной системой возбуждения в качестве возбудителя используют генератор постоянного тока, связанный с валом генератора ременной передачей или муфтой. При данной системе возбуждения усложняется конструкция генератора, увеличиваются его размеры и масса, кроме того, коллектор и щетки имеют повышенную повреждаемость.

Статическая система возбуждения генератора состоит из неподвижных элементов (силового трансформатора, выпрямителей и т. д.) и преобразует переменный ток на выводах генератора в постоянный для питания его обмотки возбуждения. Достоинство такой системы возбуждения заключается в отсутствии вращающихся частей, высокой механической прочности конструкции, надежности и высокой точности регулирования напряжения (± 3 %), невысоких эксплуатационных затратах.

Генераторы мощностью более 150 кВ • А снабжают устройствами форсировки возбуждения, обеспечивающими увеличение напряжения при коротких замыканиях, а также устойчивость при параллельной работе генераторов.

Автоматическое регулирование на ДЭС выполняют с помощью компаундирования возбуждения генераторов.

Обычно на электростанции устанавливают несколько агрегатов, так как нагрузка постоянно меняется. При одновременном включении нескольких генераторов предусматривается их параллельная работа, что обеспечивает большую надежность электроснабжения, повышает эксплуатационные показатели и качество отпускаемой электроэнергии. На параллельную работу генераторы обычно включают методом самосинхронизации.

Мощность ДЭС выбирают по максимальной нагрузке станции Рmax. Общая мощность выбранных агрегатов должна быть больше Рmax. Перегрузка агрегатов автономно работающей электростанции по мощности недопустима, так как влечет за собой снижение частоты переменного тока.

Номинальная мощность генераторов РЭ должна быть больше максимальной нагрузки генераторов электростанции Рmax или равняться ей:

РЭ ≥ Рmax.

Мощность на зажимах генераторов

n

РЭ Ре ГЕН ПЕР ,

1

24

где n — число агрегатов станции; Ре — эффективная мощность двигателя по паспорту; ηГЕН — КПД генератора; ηПЕР — КПД передачи (при ременной передаче с вала двигателя на генератор).

Правила технической эксплуатации рекомендуют при непрерывной работе дизеля свыше 24 ч снижать нагрузку для четырехтактного дизеля до 90 %, а для двухтактного -

до 85 %.

В соответствии с этим мощность на зажимах генератора

РЭ' 0,9РЭ.

В основу выбора числа агрегатов nр дизельной электрической станции положены экономические соображения. Мощность агрегата не должна более чем в 2 раза превышать минимальную нагрузку суточного графика. Число агрегатов (округляемое до целого) определяют по формуле

n РMAX / PЭ' .

К числу агрегатов, определенных по формуле (1.1), должны быть добавлены резервные агрегаты, число которых составляет:

nP BP n/(0,8MP ),

где ВР — продолжительность всех видов ремонтов дизеля, в том числе и капитального, за период моторесурса, ч; МР — моторесурс дизеля по данным завода-изготовителя, ч.

Электрические схемы дизельных электрических станций различны по мощности агрегатов и назначению станций.

Рекомендуется применять упрошенные главные схемы электрических соединений с минимальным числом выключателей. При наличии потребителей электроэнергии, расположенных от электростанций в пределах до 1 км, их питание осуществляется на напряжении 380 В и на станциях применяют генераторы напряжением 400 В.

При небольшом числе потребителей и их малой мощности на станции устанавливают один генератор. Однако для обеспечения более высокой надежности электроснабжения следует применять схему с двумя генераторами, работающими раздельно на свою секцию шин.

При установке двух генераторов секции шин соединяют автоматическим выключателем. При необходимости передачи электроэнергии от генераторов электростанции с напряжением 400 В на расстояние (более 1 км), к низковольтным шинам через автоматический выключатель присоединяют повышающий трансформатор напряжением 0,4/10 кВ (рис. 1.13).

Для электростанций, расположенных на значительных расстояниях (до 20 км) от потребителя и имеющих мощность 4...5 тыс. кВт, выбирают генераторы на напряжение 6,3 или 10,5 кВ. Для более экономичной работы электростанции и повышения надежности электроснабжения потребителей применяют связь с другими подстанциями. Как правило, линию связи выполняют на напряжение 35 кВ, для чего на электростанциях устанавливают трансформаторы напряжением 6... 10/35 кВ. Генераторы станции и отходящие линии напряжением6...10 кВ присоединяют к шинам через высоковольтные выключатели и разъединители. Повышающий трансформатор соединяют с шинами напряжением 6,3...10,5 и 35 кВ выключателями соответствующих напряжений. Выключатель напряжением 35 кВ необходим при авариях на линии связи и при ревизиях и ремонтах трансформатора напряжением 6,3...10,5/35 кВ. Питание собственных нужд для ДЭС с генераторами напряжением 0,4 кВ осуществляют с шин генераторного напряжения, для ДЭС с генераторами напряжением 6,3...10,5 кВ — от трансформаторов собственных нужд.

Систему шин собственных нужд рекомендуется принимать одинарной секционированной. Каждая секция должна иметь резервное питание (от резервного трансформатора или соседних секций).

Присоединение основного и резервного электродвигателей ответственных механизмов надо предусматривать, как правило, к разным секциям шин собственных нужд. В цепях электродвигателей собственных нужд независимо от их мощности в качестве защитных аппаратов следует устанавливать автоматы.

25

Рис. 1.13. Электрическая схема дизельной электростанции мощностью 400...1200кВт: G1...G3— генераторы ДЭС; QF1...QF11— автоматические выключатели;

Q1… Q3— высоковольтные выключатели; S1...S7— рубильники;

QS1...QS5— разъединители; Т1 — силовой трансформатор;

RU1 —ограничитель перенапряжений; F1 — предохранитель;

TV1 — измерительный трансформатор напряжения

Выключателями главной схемы электрических соединений управляют с главного щита, а выключателями отходящих линий напряжением 10 кВ — со шкафов КРУ. Управление электрическими агрегатами электростанции может быть автоматическим, полуавтоматическим и ручным.

Оперативный ток для питания устройств управления, сигнализации и релейной защиты элементов главной схемы электрических соединений и собственных нужд станции принимают переменным или постоянным.

Для ДЭС мощностью 3500 кВт и выше предусматривают систему автоматического обнаружения пожара. Для питания оперативных цепей и цепей аварийного освещения на таких станциях используют постоянный оперативный ток от аккумуляторной батареи напряжением 220, 110 или 24 В.

Объемы топливохранилища и маслохранилища следует принимать для месячного запаса топлива и масла, а на электростанциях в глубинных районах — для запаса, необходимого на время бездорожья или на межнавигационный период.

На электростанциях применяют следующие системы охлаждения агрегатов: прямоточную оборотную с водохранилищем, оборотную с воздушными охладителями или градирнями и комбинированную. Применение любой из них должно быть обосновано расчетами.

Для машинного зала необходимо предусмотреть дежурное отопление с расчетной внутренней температурой воздуха не ниже 80С. Отопление служебно-бытовых и вспомогательных производственных помещений должно соответствовать санитарным нормам.

Задачи изменения режимов работы и наиболее экономичного использования дизельэлектрических агрегатов решают с помощью их автоматизации.

26

Рассмотрим устройство дизельной автоматизированной электростанции мощностью 1890 кВт с тремя дизелями Г73 по типовому проекту 407-1-75.

Станция предназначена для работы в качестве основного изолированного источника электроснабжения. На станции установлены три дизель-электрических агрегата ДГ-73-6300 (дизельТ73, генератор СГД-15-41-16) мощностью 630 кВт каждый, напряжением 6,3 кВ, автоматизированных по первой степени и работающих параллельно на сборные шины генераторного напряжения (рис. 1.14).

Дизель — четырехтактный, нереверсивный, вертикальный, с рядным расположением цилиндров, газотурбинным поддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Он имеет сле-

В главной схеме электрических соединений предусмотрена установка повышающих трансформаторов.

Рис. 1.14. Электрическая схема соединений дизельной электростанции мощностью 1890 кВт

Распределительное устройство напряжением 6 кВ внутренней установки собирают из шкафов КРУ2-6П. Потребители собственных нужд получают электроэнергию от двухтрансформаторной подстанции мощностью 2 х 160 кВ • А.

27

Схема охлаждения дизелей принята оборотной двухконтурной, с использованием градирни в качестве охладителя. Месячный запас дизельного топлива хранится в двух металлических резервуарах вместимостью 100 м3 каждый.

Постоянное отопление вспомогательных помещений ДЭС обеспечивается от наружной тепловой сети. Теплоноситель — вода. Отопление машинного зала воздушное. В здании ДЭС предусмотрена механическая и естественная приточно-вытяжная вентиляция. Произ- водственно-противопожарное водоснабжение осуществляется от местного источника, выбираемого при привязке проекта. Стоки сбрасываются в местную сеть канализации. Здание дизельной электростанции имеет несущие стены из кирпича. Покрытие здания — из сборных железобетонных плит по сборным железобетонным балкам. Фундаменты под стены — из сборных бетонных блоков, под оборудование — монолитные бетонные и железобетонные.

Удельный расход топлива составляет 243 г/(кВт • ч).

Для рассматриваемой ДЭС число машино-часов т, определяемое из годового графика нагрузок по продолжительности, зависит от числа часов использования установленной мощности Т следующим образом:

При использовании установленной мощности 2500, 3000 и 3500 ч в год удельный расход топлива соответственно равен 281,9; 275,7 и 269,4 г/(кВт • ч).

Часовой расход масла на дизель составляет 3,5 кг/ч.

Для пуска дизеля используют сжатый воздух, хранящийся в баллоне вместимостью 400 л. При начальном давлении пускового воздуха в баллоне 3 МПа обеспечивается не менее шести последовательных пусков дизеля. Минимальное давление пускового воздуха, обеспечивающее пуск холодного дизеля, составляет 1,2 МПа.

Пусковые баллоны пополняют воздухом с помощью двух электрокомпрессоров: один

— рабочий, другой — резервный, Выпускные газы от дизеля отводятся через выпускной трубопровод и выпускную

трубу высотой не менее 12 м.

В главной схеме электрических соединений ДЭС предусмотрены параллельная работа трех дизель-электрических агрегатов с генераторами СГД-15-41-16 мощностью 630 кВт каждый на сборные шины генераторного напряжения 6,3 кВ и возможность ввода двух повышающих трансформаторов. Генератор СГД-15-41-16 — синхронный, дизельный, трехфазный, горизонтального исполнения, с самовентиляцией, частота вращения 375 мин-1, коэффициент мощности 0,8, напряжение 6,3 кВ, сила тока статора 72,5 А, частота 50 Гц, ОКЗ 1,1, КПД - 93%.

Возбуждение генератора происходит от электромашинного возбудителя ПВА-81. Для автоматического регулирования напряжения служит электромагнитный регулятор напряжения РНА-60. Он обеспечивает поддержание постоянства напряжения на выходах генератора при его холостом ходе и всех нагрузочных режимах, а также форсировку возбуждения при коротких замыканиях и самосинхронизации.

Возбуждение генератора можно регулировать также вручную с помощью шунтового реостата. Для гашения поля возбудителя предусмотрено гасительное сопротивление в цепи обмотки возбуждения возбудителя. На параллельную работу генератор включается методом автоматической синхронизации. В качестве распределительного устройства напряжением 6 кВ служит КРУ2-6П с вакуумными выключателями ВБП-10 со встроенным приводом. От атмосферных перенапряжений оборудование защищено ограничителями перенапряжений ОПН-6. Для питания цепей напряжения измерительных приборов, а также контроля изоляции применяют трансформатор напряжения НАМИ-6. Шины напряжением 0,4 кВ распределительного устройства собственных нужд секционированы. Для питания цепей управления силовыми выключателями и сигнализацией в РУ предусмотрен силовой трансформатор.

28

Для генераторов и трансформаторов установлены защиты в соответствии с ПУЭ. Для защиты линий напряжением 0,38 кВ от всех видов замыканий, включая и однофазные, применяют максимальные расцепители автоматов.

Дизель оборудован технологическими защитами, действующими на отключение генератора, остановку агрегата и сигнал при параметрах, превышающих нормированные. В соответствии с нормами выполняют заземления. Здание ДЭС относят к третьей категории молниезащиты, поэтому специальных молниезащитных мероприятий не требуется.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Какие электростанции в России являются наиболее мощными?

2.Каковы особенности технологического процесса производства электроэнергии на КЭС?

3.Каковы особенности технологического процесса производства электроэнергии на ТЭЦ?

4.Каковы особенности технологического процесса производства электроэнергии на АЭС?

5.Каковы особенности технологического процесса производства электроэнергии на ГЭС?

6.Каковы особенности технологического процесса производства электроэнергии на ГАЭС?

7.Схема технологического процесса производства электроэнергии на ГТУ и ПГУ?

8.Какие устройства и агрегаты входят в состав ДЭС?

9.Схема электрических соединений ДЭС мощностью до 1200 кВт?

10.Схема электрических соединений ДЭС мощностью 1890 кВт?

29

Основу электрической части электростанций составляют синхронные генераторы (СГ). Конструктивно СГ электростанций разделяются на турбо и гидрогенераторы. На автономных дизельных электростанциях устанавливают дизель генераторы. Удельная мощность СГ зависит от эффективности охлаждения обмоток и стали, поэтому разработаны различные конструкции систем охлаждения, которые непрерывно совершенствуются. Помимо систем охлаждения СГ снабжены системами возбуждения, гашения поля, регулирования и форсировки возбуждения, особенности конструктивного исполнения и работы данных устройств рассмотрены в данной главе. К основному электрическому оборудованию подстанций относятся силовые трансформаторы и автотрансформаторы, характеристики данных электростатических преобразователей представлены в материале главы.

Цель главы – показать особенности конструктивного выполнения СГ электростанций; рассмотреть системы охлаждения, возбуждения, автоматического гашения поля, автоматического регулирования возбуждения и форсировки СГ; представить основные параметры и характеристики силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

Конструкцию турбо и гидрогенераторов.

Особенности конструкции косвенных систем охлаждения.

Особенности конструкции непосредственных систем охлаждения.

Принцип работы и схемы систем возбуждения СГ.

Принцип работы и схемы систем автоматического гашения поля СГ.

Особенности работы и схемы автоматического регулирования и форсировки возбуждения.

Типы трансформаторов и их параметры.

Способы заземления нейтрали трансформаторов.

30