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

тивного сопротивления x'd в пределах 0.4. Основные параметры такой машины (ТГВ-500-4) приведены в табл. 1-1. Создание ротора весом 135 т оказалось возможным на основе составной поковки. Однако, если пойти на некоторое увеличение переходного индук­ тивного сопротивления, то, выполнив ротор на основе цельноко­ ваной поковки, можно уменьшить его вес до 105 т. Снижение веса

ротора может быть достигнуто за счет увеличения линейных нагрузок статора, повышения плотности тока в обмотке ротора и роста величины магнитной индукции в зубцах ротора. В этих усло­ виях становится особенно важным использование водяного охла­

ждения статора и ротора турбогенератора.

Таблица 1-1

Четырехполюсные турбогенераторы с различным весом ротора

Одним из перспективных решений при создании такой машины является применение водяного охлаждения не только обмоток ста­

тора и ротора, но также и сердечника статора с помощью плоских охладителей, запрессованных между пакетами взамен радиальных вентиляционных' каналов. Турбогенератор и свободные объемы в системе водяного охлаждения будут заполнены азотом при давле­ нии, близком к атмосферному. Система водяного охлаждения ро­

тора проектируется самонапорной со свободным заливом и сли­ вом воды в открытые коллекторы у торцов бандажных узлов.

Водоподводы снабжены центробежными водяными затворами, слу­ жащими также для герметизации генератора. У обмотки возбу­

ждения все концы катушек выведены за торец лобовой части для

выполнения электрических и гидравлических соединений. Пита­ ние обмотки возбуждения может производиться от генератора

переменного тока через статический тиристорный выпрямитель

20

или от бесщеточного возбудителя. В случае применения статиче­ ской тиристорной системы возбуждения контактные кольца и щетки будут иметь водяное охлаждение.

Основные преимущества данной конструкции турбогенератора заключаются в отказе от водорода, низких температурах отдель­

ных частей, обеспечивающих значительный запас мощности по нагреву, и низком уровне вибрации ротора. В сочетании с улуч­ шенной работой щеточного аппарата, низким уровнем шума, от­ сутствием вентиляторов и газоохладителей это должно способ-

— ’ о/ /о

ствовать повышенной эксплуатационной надежности турбогене­ ратора.

Как уже отмечалось, вес ротора может быть уменьшен со 135 до 105 т. Аналогичные результаты для турбогенераторов мощ­ ностью 1000 и 2000 МВт со скоростью вращения 1500 об./мин. даны в табл. 1-1.

На рис. 1-3 представлены зависимости изменения веса ротора в функции от x'd для турбогенераторов рассмотренных мощностей. На рис. 1-4 дана зависимость изменения веса ротора, отнесенного

к полной мощности рассчитанных машин в диапазоне от 588 до 2220 MBA. Точками нанесены показатели для изготовленных или проектируемых турбогенераторов. При этом удельный вес ротора для четырехполюсных турбогенераторов на 1800 об./мин. пересчитан на скорость вращения 1500 об./мин. Для всех зарубеж­

ных турбогенераторов данные, характеризующие удельные веса роторов, лежат выше кривой, показанной на рис. 1-4. Лишь для турбогенератора 1500 MBA, 1500 об./мин., изготавливаемого фир­

мой «Крафтверкунион» (ФРГ), показатели соответствуют построен­ ной кривой. Такой результат объясняется тем, что специалисты

.21

фирмы «Крафтверкунион» при разработке четырехполюсных турбогенераторов стремятся в наибольшей мере уменьшить вес и размеры роторов за счет увеличения магнитной индукции в воз­ душном зазоре и применения для роторов водяного охлажде­ ния [46]. Использование повышенных магнитных индукций воз­ душного зазора способствует также снижению переходного индук­ тивного сопротивления. Однако несмотря на это, величину x'a в четырехполюсных турбогенераторах не удастся снизить до анало-

Є

Q3

в диапазоне 0.4—0.45 объясняется, по-видимому, тем, что для четырехполюсных турбогенераторов используется бесщеточная система возбуждения с быстродействием, близким к быстро­ действию обычного возбудителя постоянного тока, а кратность форсирования возбуждения ограничивается величиной 1.5—1.6.

Тем не менее пути снижения величины представляют существен­ ный интерес.

В связи с меньшими центробежными силами в четырехполюс­ ных роторах по сравнению с двухполюсными роторами имеется возможность увеличить площадь поперечного сечения паза по сравнению с площадью зубца. На рис. 1-6 показано отношение полезной площади пазов к площади поперечного сечения ротора,

22

Из этого рисунка видно, что указанное отношение, а следова­ тельно, количество меди и мдс обмотки ротора четырехполюсного ротора можно существенно увеличить по сравнению с двухполюс­ ным ротором. В результате этого в четырехполюсной машине возрастает магнитная индукция в зазоре. Наряду с этим растет

и поток рассеяния полюсов. Во избежание значительного насыще­ ния полюсов приходится увеличивать их ширину, доводя ее до

40—50 % от полюсного шага.

Из табл. 1-1 видно, что снижение веса роторов четырехполюс­ ных турбогенераторов связано с увеличением переходного индук­ тивного сопротивления x'd до величины 0.5. Поэтому появилась необходимость в исследовании устойчивости четырехполюсных

турбогенераторов.

Влияние параметров четырехполюсных турбогенераторов на статическую и динамическую устойчивость их работы в энерго­

системах было исследовано на электродинамической модели. Рассматривались турбогенераторы мощностью 500 и 1000 МВт с параметрами, приведенными в табл. 1-1. Для того чтобы влия­ ние параметров на устойчивость параллельной работы турбо­ генераторов не усложнялось другими факторами, была смоделиро­ вана простая электропёредача: станция с местной нагрузкой— линия—шины неизменного напряжения, позволившая провести исследование в схеме, близкой к типовой для АЭС на уровне

1977 г.

Модельная установка давала возможность в широких пределах варьировать параметры генераторов, вид возмущения, исходный режим и другие факторы, максимально учитывая основные не­

линейности и физические закономерности объекта. Турбогенера­ тор был оснащен натурным унифицированным APB сильного действия, модель турбины представлена специальной аналогово­ физической установкой, включающей в себя натурную электро­ приставку к регулятору скорости.

По специальному сигналу производилось регулирование по ско­ рости и аварийная разгрузка. При исследовании динамической

устойчивости осуществлялись трехфазные, двухфазные на землю

и однофазные короткие замыкания в начале и в конце линий. Отключение аварии производилось во время паузы АПВ iaι,s= = 0.4 сек.

Эксперименты еще раз подтвердили важный вывод о том, что при работе с современным APB сильного действия пределы стати­ ческой устойчивости электропередачи не зависят от параметров турбогенератора и практически определяются из условия по­

стоянства напряжения в точке регулирования (угол θ по линии в предельном режиме составляет ≈90o). Поэтому абсолютная вели­ чина предела статической устойчивости во всех рассмотренных

случаях зависела только от величины эквивалентного сопротивле­ ния связи станции с системой.

23

В более ранних работах ВНИИэлектромаша было показано, что параметры турбогенераторов вообще сравнительно слабо влияют на уровень динамической устойчивости. То же самое можно сказать и о влиянии реактивных сопротивлений генератора на динамическую устойчивость АЭС. Если допустить, что при од­ ной и той же величине Т. вся разница в пределах обусловлена только влиянием величины x'd, то имеющее место увеличение реактивного сопротивления x'd генератора с легким ротором по сравнению с генератором с тяжелым ротором в пределах 0.12 приводит к различию в пределах при крайних значениях этого параметра на 2—40∕0.

При оценке устойчивости турбогенераторов необходимо учесть, что инерционная постоянная агрегата АЭС за счет турбины воз­ растает в 1.8—2 раза по сравнению с агрегатами той же мощности,

работающими на ТЭС. Столь значительно увеличение инерцион­ ной постоянной повышает устойчивость агрегата в большей мере, чем ее снижение, вызванное ростом x'd.

Кроме того, как указано выше, имеются еще дополнительные возможности в повышении уровня динамической устойчивости за счет аварийной разгрузки агрегатов. Необходимое для целей противоаварийной автоматики быстродействие системы регулиро­ вания турбины все равно должно быть обеспечено, чтобы не допу­

стить опасного увеличения скорости при внезапном сбросе мощ­ ности.

В условиях повышенных инерционных постоянных влияние аварийной разгрузки успевает проявиться в большей мере, а с дру­ гой стороны — именно на АЭС по условиям устойчивой работы реактора особенно нежелательно аварийное отключение агрега­ тов от сети.

Таким образом, основной вывод, который может быть сделан после исследования устойчивости параллельной работы четырех­ полюсных турбогенераторов в энергосистемах, сводится к тому, что не следует предъявлять к их параметрам чрезмерно высоких

и недостаточно обоснованных требований, которые могли бы стать тормозом на пути создания новых прогрессивных конструк­ ций машин.

В результате проведенных расчетно-экспериментальных ис­ следований могут быть сделаны следующие заключения по величи­ нам индуктивных сопротивлений мощных четырехполюсных турбогенераторов для атомных электростанций:

увеличение синхронного переходного индуктивного сопро­ тивления четырехполюсных турбогенераторов мощностью 500 МВт и более до величины ⅛=0.5 позволяет значительно уменьшить вес их роторов и существенно упростить создание цельнокованых поковок при водяном-водородном охлаждении обмотки ротора;

увеличение переходного индуктивного сопротивления до зна­ чения =0,5 несколько снижает пределы устойчивости турбр-

21

генераторов при их параллельной работе в энергосистеме. Однако

это снижение устойчивости компенсируется за счет значитель­

ного увеличения инерционной постоянной ротора четырехполюс­ ного турбоагрегата по сравнению с таким же по мощности двух­

полюсным и применения быстродействующих систем возбужде­ ния с APB сильного действия;

что касается синхронного продольного индуктивного сопро­

Таким образом, установлено, что за счет увеличенной инер­ ционной постоянной и применения быстродействующих систем возбуждения с APB сильного действия четырехполюсные турбо­ агрегаты по уровню устойчивости параллельной работы в энерго­ системе не уступают одинаковым по мощности двухполюсным.

Для четырехполюсных турбогенераторов мощностью 500 МВт

и более могут быть приняты следующие допустимые величины индуктивных сопротивлений:

⅞ ≤ 2.5, ⅛ ≤ 0.5

при условии применения быстродействующих систем возбужде­ ния с APB сильного действия, в том числе и бесщеточных со ско­ ростью нарастания возбуждения не менее 10 ед./сек.

51-. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МОЩНЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

При разработке турбогенераторов больших мощностей очень

важное значение имеет правильная оценка развития энергети­ ческих систем и на этой основе установление тенденций в допусти­

мых значениях параметров турбогенераторов [8].

На устойчивость параллельной работы генератора при задан­ ных характеристиках электроэнергетической системы влияют ве­ личины его синхронной xi и переходной xd реактивностей, а также

инерционной постоянной 71y, которые определяются конструктив­ ными размерами машины.

До сих пор величины синхронной и переходной реактивностей определяются эксплуатирующими организациями при составлении технических условий на основе интуиции и опыта эксплуата­ ции генераторов более ранних лет без достаточных технико­

экономических обоснований. В то же время условия эксплуатации генераторов меняются, поскольку в динамике развития ме­ няются характеристики энергосистем. Возникает важная тех­ нико-экономическая задача по обоснованию рациональных зна­ чений синхронных и переходных реактивных сопротивлений турбогенераторов большой единичной мощности. Комплексный подход при решении данной задачи обеспечивается учетом всех факторов по всей энергетической цепочке,

.25

Существенное влияние на экономическую эффективность оказы­ вают условия работы в энергосистеме: конфигурация электриче­ ских сетей, величина внешнего реактивного сопротивления стан­ ции, величина нагрузок и др. Эти показатели имеют решающее значение для определения предельных значений параметров вновь вводимых генераторов. При этом большое влияние оказывают характеристики вспомогательного оборудования: систем возбужде­ ния и регулирования, выключателей, релейной защиты, систем­

ной автоматики и т. п., поскольку устойчивость параллельной

работы генераторов определяется не только параметрами генера­ торов, но и перечисленными выше факторами.

Анализ работы турбогенератора, включенного в сеть бесконеч­ ной мощности, показал, что влияние синхронной и переходной реактивностей на предельную (по условиям динамической устой­ чивости) передаваемую мощность идентично. C увеличением электромагнитных параметров предельная передаваемая мощ­ ность уменьшается тем значительнее, чем меньше внешнее реак­

тивное сопротивление. При ¾a=0.25 отн. ед. увеличение xd или x'i в два-три раза может привести к снижению предельной пере­

даваемой мощности на 12—15%. При xbπ=1 отн. ед. изменение параметров в тех же пределах, что и выше, приведет к снижению предельной передаваемой мощности на 5—7%.

При заданных электромагнитных параметрах величина пре­

дельной передаваемой мощности в большой степени зависит от зна­ чения внешнего реактивного сопротивления. Так, при изменении хт с 0.25 до 1.0 отн. ед. предельная передаваемая мощность умень­ шается в 3—4 раза. Таким образом, поведение генератора с за­ данной совокупностью параметров в переходных режимах в зна­ чительной степени определяется величиной внешнего реактивного сопротивления, характеризующего уровень развития элек­ трической схемы энергетической системы, в которой работает исследуемая машина. Отсюда следует, что технические требова­ ния к генераторам должны базироваться на серьезном анализе направления развития энергетических систем и электрических сетей. Это особенно существенно, поскольку такой анализ и изуче­ ние помогут обоснованно выработать те средние, наиболее типич­ ные для энергосистем Советского Союза условия, на которые должна быть рассчитана работа турбогенераторов и исходя из ко­ торых должны выбираться их параметры. Разработка таких сред­ них для условий СССР требований к параметрам очень важна, так как создание турбогенераторов на одну и ту же мощность в не­ скольких модификациях в соответствии с условиями, в которых

они будут эксплуатироваться, привело бы к увеличению затрат

производства.

Для выработки правильных требований к генераторам суще­ ственным является изучение условий их работы в энергосистемах

и учет тенденций развития электрических сетей и энергосистем.

26

Рост числа генерирующих и потребляющих узлов, появление но­ вых более высоких ступеней напряжения линий электропередачи, удельный рост протяженности линий высших классов напряже­ ний (330, 500 и 750 кВ) приводят к изменению конфигурации и

характеристик электрических сетей энергосистем.

По шести крупным объединенным энергосистемам произведена оценка тенденции развития энергосистем на три расчетных уровня

их развития, соответствующих выработке электроэнергии по Со­

ветскому Союзу примерно 600, 850 и 1200 млрд кВт-ч. -Ниже

приведены результаты статистического анализа изменения про­

тяженности линий электропередачи напряжением 220 кВ и выше,

результаты расчетов на ЭВМ внешнего реактивного сопротивле­ ния и результирующей проводимости крупных конденсационных станций энергосистем Центра, Северо-Запада, Среднего Поволжья,

Юга, Урала и Центральной Сибири, а также результаты расчетов

динамической устойчивости наиболее характерных станций на трех уровнях развития энергосистем.

Число линий напряжением 220, 330 и 500 кВ протяженностью свыше 200 км составляет в настоящее время (I уровень — 70-е годы) менее 8% и на III уровне (90-е годы), несмотря на удельный рост линий электропередачи 500 и 330 кВ, будет составлять 5—6% . Число линий протяженностью до 100 км возрастает с 62% на

I уровне до 74% на III уровне.

Характерным показателем уровня развития электрических сетей энергосистем является внешнее реактивное сопротивление

станций. По своей физической сущности этот показатель отли­ чается от хвв станции, включенной в сеть бесконечной мощности,

поскольку жвн станции, работающей в объединенной энергосистеме, представляет собой внешнее сопротивление всей сложной разветт вленной энергосистемы, включая реактивные сопротивления всех эквивалентированных станций, приведенное к шинам исследуемой станции.

Проведенные измерения жвы по 40. крупным электрическим станциям показали, что значения внешних реактивных сопротив­ лений станций с развитием энергосистем уменьшаются: на I уровне хвп равно 0.63, на II уровне (80-е годы) — 0.46, а на III уровне — 0.33. Эти данные позволяют сделать заключение о том, что с разви­ тием энергосистем условия работы генераторов (по устойчивости параллельной работы) облегчаются.

После установления тенденций в развитии энергосистем исходя из условий работы турбогенераторов были проведены расчеты по установлению предельных по динамической устойчивости значений параметров турбогенераторов для наиболее тяжелых

условий, когда не используются системные средства автоматиза­ ции. Так как вопрос о технико-экономическом обосновании пре­ дельных значений параметров турбогенераторов имеет значение

Для вновь проектируемых машин, то расчеты проводились для

~ 27

условий работы, соответствующих III уровню. Для этой цели была выбрана электростанция с наименьшим временем отключения короткого замыкания. Динамическая устойчивость станции про­ верялась при нормативных условиях—двухфазное короткое замы­ кание длительностью 0.12 сек. Расчеты проводились для электро­ машинной системы возбуждения с кратностью форсирования 2, постоянной времени возбудителя 0.3 сек. и соблюдения на осталь­ ных электростанциях энергосистемы постоянства эдс за x'd

(табл. 1-2).

Таблица 1-2

Предельные сочетания параметров турбогенераторов

Инерционная постоянная Tj, сек.

Увеличение допустимых значений электромагнитных парамет­ ров может дать существенную экономию в народном хозяйстве за счет снижения дополнительных затрат. Снижение электромаг­ нитных параметров в пределах заданного числа пазов генератора приводит к увеличению потерь и, следовательно, к возрастанию дополнительных затрат в энергосистеме. Снижение параметров путем перехода на меньшее число пазов приводит к повышению объема тока в пазу и снижению надежности генератора.

Как показали расчеты, проведенные во ВНИИэлектромаше [13,

141, дополнительные затраты, связанные с уменьшением синхрон­ ной и переходной реактивностей, тем больше, чем меньших зна­ чений параметров требуется добиться конструктору. Пользуясь полученными во ВНИИэлектромаше удельными значениями до­ полнительных затрат, можно ориентировочно оценить тот ущерб, который будет нанесен народному хозяйству при выпуске турбо­ генераторов с электромагнитными параметрами в соответствии с проектом: ¾=2.4 отн. ед.; ⅛=0.37 отн. ед. При инерционной постоянной турбогенератора 1200 МВт 7 =5.0 сек. и условно

0.4 отн. ед. При этом варианте сочетания параметров можно сни­

зить приведенные затраты на одну машину по сравнению с проек­

том на 186 тыс. руб. в год.

28