книги из ГПНТБ / Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения

а запасы прочности принять одинаковыми для двух- и четырех­ полюсных машин, то, приравнивая к друг другу тангенциальные напряжения на поверхности центрального отверстия,

00≈√2Di,2. (В.З)

Учитывая, что предел текучести поковок роторов двухполюс­ ных генераторов составляет примерно 60 кГ/см2, а поковок рото-

10

водородного охлаждения обмоток (ТГВ-200 и ТГВ-300), водород­ ного охлаждения обмотки ротора и водяного охлаждения обмотки статора (ТВВ-200-2, ТВВ-320-2 и ТВВ-500-2), водяного охлажде­ ния обмоток статора и ротора (ТГВ-500), масляного охлаждения

обмотки статора и водяного охлаждения обмотки ротора (ТВМ-300).

В-3. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Создание турбогенераторов большой мощности является слож­

ной инженерной задачей, для выполнения которой необходимо проведение большого объема опытных работ и решение ряда слож­

ных инженерных проблем.

При создании турбогенераторов на 3000 об./мин. основными научно-техническими проблемами являются:

создание крупногабаритных поковок необходимой прочности для бандажных колец и роторов с диаметром бочки 1350—1400 мм

и длиной до 11 м; разработка более эффективных систем охлаждения, обеспечи­

вающих требуемую перегрузочную способность и тепловую устой­ чивость при несимметричных и асинхронных режимах;

разработка новых конструктивных решений на основе использо­ вания специальных схем соединения обмотки статора (много­ параллельные ветви, многофазные системы) и выноса ее в зазор;

создание новых материалов и конструкций высоковольтной изоляции, позволяющих увеличить напряжение на обмотке ста­ тора до 30—32 кВ; разработка более совершенных методов крепле­ ния статорной обмотки в пазово-лобовых частях на основе ис­

пользования новых синтетических материалов;

создание новых конструктивных решений узлов турбогенерато­ ров с уменьшенными местными потерями и нагревами; разработка уточненных методов расчета электромагнитных полей, потерь и нагревов;

создание новых средств повышения виброустойчивости турбо­ генераторов;

разработка уточненных методов расчета напряженного состоя­ ния и вибро-механических характеристик узлов и элементов турбо­

генератора, а также валопровода турбоагрегата в целом;

разработка и создание надежных конструкций токоподвода к обмотке ротора;

создание новых методов и аппаратуры автоматического кон­ троля теплового и вибрационного состояния турбогенератора, а также защитных устройств и др.

Основной проблемой при создании мощных четырехполюсных

турбогенераторов является изготовление роторов большого веса, производство поковок для которых еще не освоено металлургиче­

ской промышленностью. Поэтому при разработке перспективных

12

ГЛАВА ПЕРВАЙ

ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

Рост единичных мощностей турбогенераторов в основном осу­

ществляется за счет более интенсивного использования активных

материалов, что приводит к изменению всех основных параметров

Основные данные об изготовленных и проектируемых турбо­ генераторах большой мощности, приведенные в табл. В-5 и В-6,

показывают, что до настоящего времени с ростом единичной мощ­

ности имел место рост номинальных напряжений турбогенерато­ ров (рис. 1—1). По-видимому, эта тенденция сохранится в ближай­ шем будущем. Стремление повысить номинальное напряжение генераторов с ростом их мощности связано с желанием удешевить и упростить конструкцию шинопровода и другой аппаратуры. Однако одновременно с повышением напряжения значительно снижается использование активного объема генератора, увеличи­

вается его стоимость. При прочих равных условиях с повышением

напряжения генератор приходится выполнять с большим числом пазов статора. Учитывая, что с повышением напряжения одновре­ менно увеличивается толщина изоляции обмотки статора, за­ полнение активного объема генератора ухудшается, а электромаг­ нитные нагрузки повышаются. Создание же корпусной изоляции

уменьшенной толщины на повышенное напряжение представляет

собой исключительно сложную научно-техническую задачу. В ре­ зультате фирмы стремятся выполнять турбогенераторы на воз­ можно более низкое напряжение обмотки статора. В настоящее время максимально достигнутое напряжение обмотки статора составляет 26 кВ для двухполюсных турбогенераторов (напри­ мер, турбогенератор мощностью 815 МВт фирмы «Дженерал

14

Электрик», США) и 27 кВ для четырехполюсных турбогенерато­ ров (турбогенератор мощностью 1200 МВт фирмы «Крафтверкунион», ФРГ).

C ростом единичных мощностей турбогенераторов увеличи­

вается также объем тока в пазу. В современных типах турбогене-

Рис. 1-1. Изменение номинального напряжения турбо­

генераторов в зависимости от мощности.

раторов объем тока в пазу достиг 20—21 кА. Увеличение объема тока в пазу приводит к росту усилий, действующих на стержни в пазу, снижает надежность работы генераторов, вызывает необ­ ходимость принятия специальных мер но усилению конструкции крепления обмотки статора. Для

ратора мощностью 1200 МВт, 3000 об./мин., изготовляемого ЛЭО «Электросила».

Анализ разработок турбогенераторов различной мощности показывает, что, несмотря на применение обмоток с повышенным

числом параллельных ветвей или фаз, с ростом мощности объем тока в пазу будет увеличиваться и в турбогенераторах мощностью 2000 МВт на 3000 об./мин. достигнет 22—23 кА и на 1500 об./мин.

будет равен 23—25 кА.

15

Как следует из рис. 1—2, кпд турбогенераторов мощностью порядка 800 МВт, 3000 (3600) об./мин. составляет 98.8%, для четырехполюсных турбогенераторов мощностью 1000—1200 МВт оно равно 98.7%.

Существенного повышения кпд в турбогенераторах большой мощности можно достигнуть при использовании сверхпроводни­ ков для обмотки возбуждения [140]. В последнем случае одно­ временно уменьшаются габариты и вес генератора.

12-. TOK И НАПРЯЖЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

C ростом единичной мощности турбогенераторов увеличи­ вается мдс возбуждения машин. Так, в турбогенераторе мощ­ ностью 1200 МВт, 3000 об./мин. мдс обмотки возбуждения будет

в 1.5 раза больше, чем в генераторе мощностью 500 МВт,

3000 об./мин.

Заданная величина мдс ротора может быть обеспечена за счет повышенного значения как тока, так и напряжения.

Наибольшая величина тока возбуждения, используемая в на­

Указанная величина тока определяется в большой мере надеж­ ностью работы щеточного контакта на большие токи возбуждения.

Некоторыми фирмами [88, 118] проводятся работы по созда­

нию конструкции узла контактных колец на токи до 10 кА, что позволит значительно расширить возможности создания турбо­ генераторов большой мощности.

Другие фирмы [90] идут по пути создания бесщеточных систем возбуждения. В частности, ЛЭО «Электросила» создает с бесщеточ­ ным возбудителем турбогенератор мощностью 1200 МВт,

3000 об./мин., ток возбуждения которого составит 7.7 кА.

Большинство фирм избегает применять напряжение возбужде­ ния, превышающее 600 В. Это объясняется трудностями создания

конструкции изоляции обмотки ротора на повышенное напря­ жение.

13-. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ, СТАТИЧЕСКАЯ ПЕРЕГРУЖАЕМОСТЬ И ПЕРЕХОДНАЯ РЕАКТИВНОСТЬ

По мере увеличения единичной мощности турбогенераторов коэффициент мощности cos φ в большинстве случаев также увели­ чивается. Если в турбогенераторах мощностью до 100—200 МВт cos φ, как правило, принимается равным 0.80, то в турбогенерато­ рах класса 200—500 МВт cos φ равен 0.85, класса 800—1200 Мвт —

0.90. Такое увеличение значения cos φ объясняется стремлением несколько снизить уровень механической, электромагнитной и

16

чительному понижению устойчивости, тогда как в случае примене­ ния быстродействующих релейных защит и выключателей (iκ3 ≤

≤ 0.1 сек.) величина Ti имеет сравнительно малое влияние на

устойчивость. Иногда уменьшение инерционной постоянной мо­ жет быть даже полезным, учитывая режимы работы энергосистем. Так, при внезапных больших набросах нагрузки или сбросах генерируемой мощности в приемной энергосистеме динамическая устойчивость получается выше при меньших значениях Tyгенера­ торов передающей электростанции.

Исследования влияния параметров мощных турбогенераторов на статическую и динамическую устойчивость показывают следую­ щее:

1) в случае применения быстродействующих систем возбужде­

ния и APB сильного действия пределы статической устойчивости мало зависят от параметров турбогенераторов, поскольку регу­ ляторы практически компенсируют отрицательное влияние повы­

шенных индукционных сопротивлений на статическую устойчи­ вость;

2) сопоставление пределов динамической устойчивости мощных

турбогенераторов с параметрами: a) ¾=2.5, ⅛=0.35, Tj=S сек.

и б) ¾=3.0, ⅛=0.45, Tj=5 сек. показало, что при использова­ нии быстродействующих систем возбуждения и APB сильного действия пределы практически одинаковы при однофазных корот­

ких замыканиях и отличаются в среднем на 2.5—4% номиналь­ ной мощности при двухфазных на землю и трехфазных коротких замыканиях.

Если принять во внимание все большее внедрение электро-

гидравлических регуляторов скорости паровых турбин и возмож­ ность использования аварийного регулирования их мощности, то отрицательное влияние параметров на динамическую устойчи­ вость может быть еще более уменьшено.

Большие возможности, которые открывает использование

быстродействующих систем возбуждения с APB сильного действия

и аварийного регулирования мощности паровых турбин, должны быть использованы при разработке и создании турбогенераторов. В этих условиях турбогенератор должен рассматриваться как единый комплекс вместе с системами регулирования. Только в этих

условиях открываются наиболее благоприятные условия для вне­ дрения прогрессивных конструктивных решений, приводящих

к дальнейшему повышению использования активных и конструк­

тивных материалов с одновременным обеспечением высокого уровня надежности.

Вполне естественно, однако, что при разработке турбогенера­

торов необходимо стремиться находить такие конструктивные решения, которые без существенного ущерба для весовых показа­ телей машин, давали бы приемлемые значения параметров турбо­ генераторов.

18

В двухполюсных турбогенераторах большой мощности x'd

составляет порядка 40%, xd равно 230—250%, в четырехполюсных, соответственно, 40—50% и 170—230%.

В общем случае реактивности ¾ и x'd можно представить в виде

Как указывалось выше, индукция Bs с увеличением мощности

изменяется мало. Поэтому уменьшение xd и xd, необходимое по условиям работы генераторов в энергосистеме, может быть достигнуто лишь за счет магнитной проводимости λ.

Уменьшение магнитной проводимости λ, соответствующей Xll,

может быть достигнуто за счет увеличения зазора §, хотя при этом значительно усложняется охлаждение обмотки ротора. Что ка­ сается x'd, то уменьшения соответствующей ей магнитной прово­ димости можно добиться только путем увеличения магнитного со­ противления потокам рассеяния обмоток. Поэтому большой инте­ рес представляет проведение исследований по изучению влияния насыщения участков магнитопровода на величину λ, возможности использования отдельных сильно насыщенных участков магнит­ ной цепи для уменьшения x'd.

В целях снижения реактивностей турбогенераторов представ­

ляет интерес конструкция машины с размещением обмотки ста­ тора в зазоре (беззубцовое исполнение статора [47]). Такая кон­ струкция генератора позволяет также уменьшить вес активной стали и генератора в целом. Так, для четырехполюсного турбо­ генератора применение беззубцового исполнения статора позво­

ляет снизить вес ротора на 220∕0, вес статора на 350∕0 при неизмен­ ном ⅛=449∕0. Кроме того, наружный диаметр генератора уменьша­ ется на 0.5 м, а длина его на 1.5 м. Однако в беззубцовом исполнении усложняются условия работы обмотки статора, ее крепление.

При использовании четырехполюсных турбогенераторов при прочих равных условиях из-за повышенных значений инерцион­

ной постоянной (1.8—2.0 раза больше по сравнению с агрегатами

той же мощности при 3000 об./мин.) устойчивость работы генера­ торов в энергосистемах оказывается выше. В результате появ­ ляется возможность допустить некоторое увеличение x'd в четырех­ полюсных турбогенераторах по сравнению с двухполюсными, что

при прочих равных условиях в свою очередь позволит снизить вес ротора на 25—300∕0 [22].

41.- ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНЫЕ ТУРБОГЕНЕРАТОРЫ

C ПОВЫШЕННЫМ ИНДУКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

ИУМЕНЬШЕННЫМ ВЕСОМ РОТОРА

Всоответствии с требованиями Министерства энергетики и

электрификации СССР спроектированы четырехполюсные турбо­

генераторы мощностью 500 МВт со значением переходного индук­

2* 19