книги из ГПНТБ / Усов С.В. Основы эксплуатации электрических станций конспект лекций

•обходимое для повышения давления в промежуточном паро­ перегревателе, в этом случае больше, чем в случае пропорцио­

нального изменения нагрузки увеличения расхода свежего пара, а следовательно, получается замедление процесса, а не

его ускорение. Вторым недостатком такого способа является понижение экономичности работы турбины на все время ра-

90

боты с повышенной нагрузкой. Кроме того, усложняется теп­ ловая схема турбины. По-видимому, этот способ перспективы не имеет.

3.Впрыск конденсата

влинию промежуточного

на диаграмме рис. 69, где кривые 1 относятся к про­ порциональному повыше­ нию расхода пара при увеличении нагрузки тур­ бины, а кривые 2 — к ме­ тоду «впрыска», этот метод значительно уско­ ряет процесс набора на­

грузки в ЦВД. При необходимости повысить нагрузку тур­ бины открывают вентиль В (см. рис. 68) и впрыскивают

высокого давления не испытывает резких температурных коле­

91

баний, паровой котел чувствует себя легче, так как дополни­ тельный пар получается за счет постороннего источника.

На рис. 70 показано изменение температуры перегрева пара после промперегревателя, а также изменение влажности этого пара. Как видно, температура пара падает, а влажность его растет, и это является единственным недостатком метода впрыска, так как экономичность работы турбины при таком изменении параметров несколько падает.

Определение циклических температурных напряжений и допустимой частоты и амплитуды колебаний мощности паровой турбины

Уравнение теплопроводности Фурье в случае трехмерного температур­ ного поля упрощается принятием

дуdz3

и сводится к плоской одномерной задаче

dt = J__ дЧ dx а дх-

Общнй интеграл этого уравнения

t° = Ср + TKapPlu) exp {j [ют + <?(«)]},

где p — некоторая функция от угловой частоты ю,

р[и) = уА(cos и ch «)2-J-(sin и sh и)-;

ю

2а

<? — также некоторая функция от угловой частоты ю,

<р= агctg. sin и sh и cos и ch и

а — коэффициент температуропроводности,

_ _Х

а ~ п '

Значения р и <р вычисляют или определяют по вспомогательным номо­ граммам.

Зная размах колебании температуры острого пара AD, можно легко

определить А,ар (размах колебаний температуры на наружной поверхности цилиндра) и Аш, (то же на внутренней поверхности):

Авн

С

92

где С — коэффициент эффективности амплитуды колебании температуры

.острого пара,

c= / ( ‘ +w)s+ ( #

Bi — критерий Био,

Рис. 71

При малых частотах колебаний температуры пара, т. е. при

-Ъ- 0,

- V - 2а

величина — 0 и циклические температурные напряжения равны нулю:

0. Р

При больших частотах колебаний £/р->-1. В этом случае

S.E А п

1 - , х

Для больших значений Bi С -+ I, —Д -> AD, ац/о -+ ац,<,ыакс.

С

Зависимость ац ,0 от частоты колебаний нагрузки показана на рис. 71.

93

Г Л А В А IV

МАНЕВРЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОТУРБИН

Под маневренными характеристиками гидротурбин под­ разумеваются показатели, определяющие регулировочный диапазон турбин, их пусковые характеристики, способность участвовать в регулировании частоты и покрытии быстро из­ меняющихся нагрузок, а также в ликвидации системных ава­ рийных ситуаций. Сюда также относится скорость перевода гидроаккумулирующих станций в насосный режим и обратно.

§ 26. Пусковые режимы

Гидротурбины — тихоходные машины, рабочая темпера­ тура которых не отличается от температуры окружающей среды, и поэтому с точки зрения эксплуатации они значитель­ но проще паровых турбин.

Их пуск производится за несколько десятков секунд (30—60), а то обстоятельство, что естественный выбег у них длится больше, чем у паровых турбин, не вызывает затрудне­ ний, так как при необходимости в любой момент времени ма­ шина, находящаяся на выбеге, может быть переведена в ре­ жим пуска, а система тормозов-домкратов позволяет сокра­ тить продолжительность остановки до 3—5 минут.

Сложнее обстоит дело с пуском агрегатов гидроаккумули­ рующих станций (ГАЭС), которые приобретают все более ши­ рокое распространение в энергетических системах для получе­ ния дешевой пиковой мощности. В последнее время отмеча­ ется определенная тенденция предпочтительного применения обратимых агрегатов перед трехмашинными и четырехмашин­ ными из-за меньшей стоимости машинного оборудования и строительных сооружений. Однако при этом усложняются пусковые режимы, так как обратимые агрегаты нельзя пускать в насосном режиме обычным способом из-за того, что направление их вращения в этом режиме противоположно на­ правлению вращения в генераторном режиме.

Для пуска обратимых агрегатов были предложены гидрав­ лические вспомогательные пусковые устройства, однако из-за их высокой стоимости они не получили широкого распростра­ нения и в настоящее время используются исключительно элек­ трические способы пуска.

Обычно условия, которые ставятся при выборе способа пуска, сводятся к следующим двум положениям.

1. Длительность пуска с учетом перевода агрегата в дру­ гой режим должна быть невелика, не более 2—3 минут.

94

2. Пусковые токи должны быть небольшими во избежание возникновения чрезмерных усилий в лобовых частях статор­ ной обмотки, а также недопустимого понижения напряжения на шинах станции и в узлах нагрузки. Как правило, требу­ ется, чтобы понижение напряжения при пуске обратимого агрегата не превосходило 2—3%.

Выполнение этих требований при любых способах пуска облегчается, если уменьшить начальный момент трения, для чего обратимые агрегаты снабжаются выжимными подпятни­ ками с подачей масла под давлением, что позволяет свести начальный момент трения до пренебрежимо?! величины в 0,1— 0,2% номинального момента.

Пусковой момент зависит также от того, заполнено ра­ бочее колесо водой или нет. В большинстве случаев при пускеагрегата прибегают к вытеснению воды из спиральной камеры и рабочего колеса сжатым воздухом, что снижает пусковой момент до величины в 2—3% номинального момента при пол­ ной скорости вращения.

Электрические способы пуска можно разбить на четыре группы:-асинхронный, частотный, комбинированный и способпуска разгонным двигателем.

При асинхронном пуске генератор агрегата пускается как обычный синхронный двигатель с пусковой обмоткой прямым включением в сеть на полное или частично пониженное напря­ жение при нормальной частоте. При этом в роторных конту­ рах индуктируются токи, взаимодействие которых с вращаю­ щимся полем статора обусловливает появление двигательного асинхронного момента, начинающего вращать агрегат с уско­ рением. Величина момента зависит от скольжения и от пара­ метров двигателя, а также от квадрата приложенного напря­ жения.

По достижении подсинхронной скорости вращения включа­ ется возбуждение и двигатель втягивается в синхронизм.

Роль пусковой обмотки синхронного двигателя, увеличи­ вающей пусковой момент в двигателе обратимого агрегата до необходимого значения, играет демпферная система генерато­ ра, которая, как правило, должна быть усилена по сравнению с обычной.

Способ асинхронного пуска является наиболее простым, до­ ступным и дешевым. Пусковые моменты получаются при этом достаточно большими и длительность пуска вполне приемле­ мой (0,5—1,5 мин). Однако широкое применение этого спо­ соба ограничивается очень большими пусковыми токами, вызывающими глубокие посадки напряжения в сети и подвер­ гающими лобовые части статорной обмотки значительным ме­ ханическим усилиям. При частых пусках это последнее об- '

95

стоятельство является очень существенным и обязательно должно быть учтено при выборе способа пуска.

Асинхронный пуск прн пониженном напряжении, осуществ­ ляемый при помощи реактора, пускового автотрансформатора

.или с использованием специальных отпаек обмотки главного трансформатора, обладает другим недостатком: увеличенным временем пуска из-за относительно малых пусковых моментов, которые пропорциональны квадрату приложенного напряже­ ния.

Кроме того, следует учитывать, что при любых способах

.асинхронного пуска возникает проблема перегрева демпфер­ ных обмоток и для мощных машин (выше 100 MBA) может

•потребоваться применение непосредственного охлаждения

•стержней этих обмоток.

При частотном (синхронном) пуске генератор пускается при помощи ведущего генератора, подключаемого параллель­ но с пускаемым (ведомым) при очень малой частоте враще­ ния. Обе машины ускоряются затем синхронно до номиналь­ ной скорости вращения.

Момент, увлекающий при этом ведомую машину, является синхронизирующим моментом, который, как известно, тем больше, чем меньше угол между роторами ведущей и ведо­ мой машин:

Положительными сторонами частотного пуска является от­ сутствие чрезмерных пусковых токов, а также достаточно большие пусковые моменты, позволяющие даже не освобож­ дать рабочее колесо от воды. Однако относительно большая длительность пуска (10—15 мин) и затруднения, возникаю­ щие при пуске последнего агрегата станции, несколько сни­ жают достоинства этого способа.

В последнее время появилась разновидность названного способа, при котором для частотного пуска используют тири- ■сторный преобразователь частоты.

Как видно из пусковой схемы, изображенной на рис. 72, преобразователь частоты состоит из двух обычных тиристор­ ных преобразователей. Один из них ТП1, управляемый регу­ лятором тока, работает как выпрямитель, преобразуя трех­ фазный переменный ток в постоянный. Другой тиристорный преобразователь ТП2 работает как инвертор, преобразуя по­ стоянный ток в трехфазный переменный ток с частотой, кото­ рую можно изменять от очень малых значений до номиналь­ ной.

Тиристорная пусковая схема обладает определенными пре­ имуществами по сравнению с методом ведущего генератора,

■96

однако главный недостаток последнего (замедленный пуск) не устраняется.

В комбинированном методе объединены асинхронный и ча­ стотный способы пуска. Невозбужденный двигатель подклю­ чают к невозбужденному генератору, вращающемуся со ско­ ростью, составляющей 15—80% номинальной при фиксиро­ ванном открытии направляющего аппарата. Затем генератор возбуждается и появляющийся при этом асинхронный двига­ тельный момент заставляет ускоряться двигатель и тормозит генератор. По достижении относительной одинаковой скорости двигатель синхронизируется с генератором путем подачи воз­ буждения и дальше обе машины ускоряются турбиной до но­ минальной частоты вращения.

Рис. 72

Преимуществом этого метода по сравнению с частотным пуском является возможность использования возбудителя на валу, в то время как при частотном пуске обе машины долж­ ны возбуждаться еще в остановленном состоянии и поэтому обязательно требуется независимый источник возбуждения.

Другое преимущество заключается в более короткой дли­ тельности пуска всей станции в насосном режиме, так как ве­ дущий генератор не требуется останавливать между пусками отдельных .агрегатов. Это преимущество особенно заметно при многомашинных ГАЭС.

К недостаткам метода относят некоторый возможный пере­ грев демпферных обмоток, невозможность пуска генератором меньшей мощности и, наконец, трудность точного согласова­ ния величины подаваемого на ведущую машину возбуждения

смоментом, развиваемым турбиной.

Вметоде разгонного двигателя для пуска обратимого агре­ гата используется вспомогательный асинхронный двигатель с фазным ротором, смонтированный на валу главной машины и пускаемый от сети при помощи водяного реостата, присоеди­ ненного к обмотке ротора разгонного двигателя.

Мощность разгонного двигателя выбирается из соображе­ ний стоимости и приемлемой длительности пуска и находится

обычно в пределах от 1 до 10% мощности главного агрегата.

Метод разгонного двигателя является технически очень хорошим и ввиду его простоты и эффективности широко рас­ пространен в практике эксплуатации гидроаккумулирующих станций с обратимыми агрегатами.

К концу 1970 г. во всем мире находилось в эксплуатации и стадии строительства 35 ГАЭС с единичной мощностью обра­ тимых агрегатов свыше 100 MBA. Для 85 агрегатов этих стан­ ций пусковые методы распределялись следующим образом [10].

Если принять относительную стоимость пускового оборудо­ вания для способа разгонного двигателя за 1,0, то стоимость оборудования для асинхронного пуска при пониженном напря­ жении составит 1,5, для тиристорного пуска — 0,75, для ча­ стотного и комбинированного методов — 0,5 и для прямого асинхронного пуска — 0,1 [10]. Как видно, наиболее дешевый способ пуска имеет наименьшее распространение, что объяс­ няется его большими техническими недостатками.

§ 27. Регулировочный диапазон гидротурбины

Хотя изменения нагрузки гидротурбины и не ограничива­ ются температурными режимами, они не могут быть произ­ вольными. Пределы ее изменения ограничиваются явлением, кавитации, а также экономическими соображениями.

Кавитацией называют возникновение в водяном потоке местных понижений давления до давления парообразования, испарение воды в этой зоне и образование кавитационных пу­ зырьков, заполненных парами воды и воздухом. При после­ дующем перемещении этих пузырьков в зону более высокого давления водяные пары конденсируются, стенки пузырьков сближаются, сжимая находящийся в них воздух до очень вы­ соких давлений в сотни и даже тысячи атмосфер, и начина­ ются вибрации воздуха со звуковой частотой. Вибрации пере­ даются поверхности рабочего колеса и турбинной камеры и вызывают значительный эрозийный износ металла. Этим и опасен режим кавитации для гидротурбины, почему его и ре­ комендуют избегать.

Если обозначить #бар барометрическое давление, которое на уровне моря равно 10,3 м вод. ст., через Нотс— высоту от-

98

сасывания, или статический вакуум в зоне максимального разрежения в турбине, а через Hwm— максимальный динами­ ческий вакуум в турбине, то условие безкавитационного режи­ ма может быть записано следующим образом [11]:

т. е. наименьшее абсолютное давление в турбине ЯМШ1 должно быть всегда больше давления парообразования # ыас при дан­ ной температуре окружающей среды.

Как видно из выражения (8), возникновение кавитации прямо связано с режимом турбины, так как абсолютное давление в ней зависит от величины динамического ваку­ ума Я д 1Ш.

При уменьшении нагрузки динамический вакуум возрас­ тает за счет нарушения ламинарности потока и появления в нем значительных местных ускорений частиц воды, при увели­ чении нагрузки сверх некоторого критического предела также наблюдается возрастание динамического вакуума за счет общего повышения абсолютной скорости водяного потока, а также за счет частичного нарушения его ламинарности.

Обычно нижний предел нагрузки, при котором исчезает ка­ витация, равен 10—15% номинальной мощности гидротурби­ ны, и эту величину принято считать техническим минимумом ее нагрузки.

Кавитация возникает также при перегрузке машины, и, хотя по другим причинам гидротурбина допускает увеличение нагрузки за счет повышения напора, предел перегрузки ограничивается именно ка­ витационным режимом. В большинстве случаев кави­ тация возникает при нагруз­ ках, превосходящих 110% Ри, и поэтому десятипро­ центную перегрузку можно считать вполне допустимой.

Иногда кавитация возни­ кает и в середине регулиро­ вочного диапазона турбины, примерно между 60 и 75% номинальной мощности. Тогда указывают эту зону как зону нежелательной

нагрузки и при регулировании стремятся избегать работы тур­ бины с такими нагрузками.