Современные мощные турбогенераторы - это синхронные генераторы, которые преобразуют механическую энергию паровых или газовых турбин в электрическую энергию. Они имеют мощность от 500 до 1300 МВт и работают при высоких скоростях вращения (3000 или 1500 об/мин).
Турбогенераторы состоят из статора с трехфазной обмоткой и ротора с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами. Они используют различные способы охлаждения обмоток, такие как воздушное, водородное или жидкостное.
Современные мощные турбогенераторы имеют ряд преимуществ, таких как:
- Высокий КПД (до 99,9%),
- Большая надежность и долговечность,
- Низкий уровень шума и вибрации,
- Малый расход материалов и труда на единицу мощности.
Общие тенденции развития турбогенераторов
Создание турбогенераторов мощностью больше 500 МВт связано со значительными трудностями и представляет сложную техническую задачу.
Это объясняется тем, что рост единичной мощности достигается при незначительном увеличении габаритных размеров, определяемых условиями транспортировки и возможностями металлургической промышленности, в основном за счет повышения электрических, тепловых и механических нагрузок.
А это приводит в свою очередь к возрастанию электродинамических усилий, тепловых и механических напряжений, повышению чувствительности к различного рода отклонениям в работе.
Увеличение мощности турбогенераторов осуществляется в основном за счет более интенсивного использования активных материалов. При этом снижается трудоемкость изготовления на единицу мощности и удельный расход материалов.
Одновременно с ростом мощностей происходило повышение номинального напряжения генератора, которое достигло в мощных генераторах 24 кВ.
При дальнейшем повышении напряжения потребуется увеличение толщины изоляции, которое ухудшит заполнение медью пазов статора и повышение электромагнитной нагрузки. В связи с этим при дальнейшем увеличении мощности следует ожидать лишь незначительного роста напряжения генераторов.
С ростом единичных мощностей генераторов увеличивается ток в пазу статора, достигший в турбогенераторе мощностью 1000 МВт 27 кА.
Так как с ростом тока в пазу при прочих равных условиях резко возрастают электродинамические силы, действующие на стержни обмотки статора, то при дальнейшем повышении мощностей генераторов, по-видимому, возникнет необходимость в применении обмоток с повышенным числом параллельных ветвей.
Коэффициент полезного действия мощных турбогенераторов достиг 98,8 — 99,9%. Дальнейшего повышения КПД можно достигнуть лишь при использовании эффекта сверхпроводимости металлов при низких температурах. По мере увеличения единичной мощности турбогенераторов повышался cos фи машин.
Если в турбогенераторах до 100 МВт включительно cos фи = 0,8, в генераторах 150 — 500 МВт — 0,85, то в генераторах 800 — 1200 МВт cos фи — 0,9. При дальнейшем увеличении мощности это значение коэффициента сохранится.
С увеличением мощности отношение к. з. турбогенераторов уменьшается, синхронное и переходное реактивные сопротивления увеличиваются, что в общем случае ухудшает условия параллельной работы генераторов в энергосистеме.
Однако использование быстродействующих систем возбуждения и автоматического регулирования возбуждения сильного действия, внедрение электрогидравлических регуляторов турбин, а также общее повышение устойчивости современных энергосистем позволяют снизить отрицательное влияние указанных параметров.
В связи с этим при дальнейшем увеличении мощности турбогенераторов следует ожидать дополнительного снижения отношения к. з. и повышения синхронного и переходного реактивных сопротивлений.
С ростом использования активного объема турбогенераторов повышается их чувствительность к отклонениям от нормального режима работы: перегрузкам, несимметричным и асинхронным режимам.
В турбогенераторах применяется двукратная форсировка тока ротора. С ростом мощности длительность форсировки уменьшается с 20 до 15 с в турбогенераторах мощностью 800 МВт и до 10 — 15 с — в турбогенератора 1200 МВт.
Длительность форсировки ограничивается перегревом меди и изоляции от дополнительного тока при форсировке. В дальнейшем длительность форсировки уменьшится до 10 с.
Тяжелым режимом для мощных турбогенераторов является работа с напряжением, отличным от номинального. В практике турбогенераторостроения при повышении напряжения на 5 % допускается работа с током статора, составляющим не более 0,95 номинального, из-за 1 нагрева сердечника, а при уменьшении напряжения на 5 % ток статора не должен превосходить 1,05 номинального во избежание нагрева обмотки статора.
К современным турбогенераторам предъявляется требование выдерживать внезапные к. з. за трансформатором, при этом соединение роторов турбины и генератора должно быть рассчитано на к. з. на выводах генератора.
Термическая устойчивость ротора турбогенераторов мощностью 500 — 800 МВт при кратковременной работе в несимметричных режимах должна быть по действующим нормам не ниже 8, на более мощных трубогенераторах этот критерий сниижается до 4 — 5.
Системы охлаждения
Повышение эффективности охлаждения обмотки статора в мощных турбогенераторах было обеспечено за счет внедрения непосредственного водяного охлаждения.
В турбогенераторах мощностью до 500 МВт было использовано последовательное соединение по воде двух стержней обмотки статора, в турбогенераторах мощностью 800 МВт и выше — параллельная схема охлаждения всех стержней. Скорость воды в полых проводниках принята не более 1,8 м/с.
Дальнейшее повышение эффективности охлаждения обмотки статора было достигнуто путем увеличения числа полых проводников и повышением скорости дистиллята в них до 2 — 2,5 м/с.
В турбогенераторах мощностью 300 — 1200 МВт используется газовая радиально-тангенциальная схема вентиляции.
Принятая схема вентиляции обеспечивает низкий уровень нагрева сердечника, не превышающий 35 — 40 °С. Таким образом, радиально-тангенциальная схема газового охлаждения может быть использована и для турбогенераторов большей мощности.
В турбогенераторах с полным водяным охлаждением для охлаждения сердечника статора примененяются плоские охладители, размещенные между пакетами сердечника.
Охладители имеют форму сегментов, выполненных из алюминиевого сплава, внутри которых помещен змеевик из медной трубки, по которому циркулирует охлаждающая вода. Применение такого охлаждения сердечника открывает новые возможности для перспективных турбогенераторов.
В связи с ростом электрических нагрузок в мощных турбогенераторах значительно увеличиваются поля рассеяния магнитного потока, особенно в торцевых зонах сердечника статора, что приводит к повышенному нагреву этих зон.
Это явление особенно усугубляется при работе генераторов с cos фи = 1 и в режиме недовозбуждения (емкостном), необходимость в которых в настоящее время все больше и больше диктуется условиями работы энергосистем.
В современных турбогенераторах поэтому выполнению конструкции торцевых частей статора уделяется особое внимание.
Для демпфирования потоков рассеяния в торцевой зоне статора к обычным мерам, которые применялись до этого на всех турбогенераторах (применение медного экрана, изготовление нажимных колец и нажимных пальцев из немагнитной стали, введение шлицев в зубцах крайних пакетов), выполняется ряд дополнительных конструктивных мероприятий, таких как:
- использование водяного охлаждения нажимных колец,
- установка магнитных шунтов между медными экранами и основными пакетами сердечника,
- увеличение скоса торцевой зоны в расточке сердечника примерно до дна паза под углом около 45 °С,
- усиление охлаждения крайних пакетов с помощью специально направленного потока охлаждающего газа.
Применение этих мероприятий позволяет обеспечить работу генераторов мощностью 1000 МВт и выше в режиме недовозбуждения и с cos фи = 1.
Особенности конструкции
В мощных турбогенераторах обмотки статора испытывают значительные электродинамические усилия переменного направления, зависящие от тока в пазу.
Наибольшее достигнутое значение тока в пазу (26,7 кА) имеет турбогенератор 1000 МВт (в турбогенераторе 300 МВт, например, значение тока в пазу 10,2 кА). При этом усилия, действующие на стержень в пазу, при установившемся номинальном режиме — 23 кгс на 1 см длины, при внезапном к. з. — около 700 кгс на 1 см длины (в турбогенераторе 300 МВт значения этих величин составляют 40 и 440 кгс, соответственно).
Эти усилия могут создать такие значительные перемещения (вибрацию) обмотки, что без принятия специальных мер обмотка может быть разрушена в очень короткий срок, а генератор — выведен из строя.
В настоящее время конструкции закрепления обмотки статора мощных турбогенераторов уделяется самое серьезное внимание всеми турбо- генераторостроительными предприятиями.
В современных мощных турбогенераторах применяется конструкция крепления обмотки статора, основная идея которой заключается в сведении до минимума перемещения обмоток, т. е. в осуществлении максимально возможного для такой сложной конструкции жесткого закрепления.
В пазовой части закрепление стержней осуществляется с помощью клиньев со встречными скосами из прочного стеклотекстолита и бокового уплотнения прокладками из гофрированного стеклотекстолита с применением прокладок из формующихся термореактивных материалов на дне паза и между стержнями.
Многолетний опыт эксплуатации турбогенераторов мощностью 500 и 800 МВт и длительные ресурсные испытания на макете с током 27 кА в пазу показали надежную и стабильную работу созданной конструкции крепления обмотки в пазу и возможность ее применения в генераторах больших мощностей.
В лобовых частях турбогенераторов мощностью 500 — 1200 МВт дополнительно к вязкам из самоусаживающегося лавсанового шнура применяются механические крепления с помощью массивных кронштейнов, клиньев, планок и колец, стянутых шпильками.
При таком креплении наблюдается низкий уровень вибрации (с двойной амплитудой не превышающей 50 мкм). Это позволяет распространить принятую конструкцию крепления и на генераторы большей мощности.
Для бандажных колец роторов используется немагнитная аустенитная сталь с высокими механическими свойствами: предел текучести 105 кгс/мм2, предел прочности 110 кгс/мм2, относительное удлинение 18%.
Для создания двухполюсного турбогенератора мощностью 2000 МВт требуются бандажные кольца из материала с пределом текучести до 130 кгс/мм2 с относительным удлинением около 16 %. Для этих целей используются бандажные кольца титановых сплавов.
Тенденции развития мощных турбогенераторов в будущем
Мощные турбогенераторы - это важные элементы энергетической инфраструктуры, которые обеспечивают производство и передачу электрической энергии из различных источников, таких как тепловые, атомные, гидроэлектрические и возобновляемые станции.
В будущем ожидается, что мощные турбогенераторы будут развиваться в направлениях повышения эффективности, надежности, экологичности и адаптивности к изменяющимся условиям рынка и потребностям потребителей.
Некоторые из возможных тенденций развития мощных турбогенераторов в будущем:
- Применение новых материалов и технологий, таких как сверхпроводники, нанотехнологии, 3D-печать, искусственный интеллект и интернет вещей, для улучшения характеристик и функциональности турбогенераторов.
- Разработка модульных, компактных и легких турбогенераторов, которые могут быть легко транспортированы, установлены и интегрированы в различные энергетические системы, включая микросети, распределенное производство и смарт-гриды.
- Увеличение мощности и напряжения турбогенераторов, чтобы сократить потери энергии при передаче и уменьшить количество необходимых генераторов и трансформаторов.
- Усовершенствование систем охлаждения, возбуждения, регулирования и защиты турбогенераторов, чтобы повысить их стабильность, безопасность и долговечность.
- Адаптация турбогенераторов к различным типам турбин, топлив и рабочих режимов, чтобы повысить их гибкость, универсальность и экономичность.