Оборудование гидроэлектростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

36

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Оборудование гидроэлектростанции

Введение

Актуальность

Гидротехника в самом начале развития использовалась для целей ирригации. С XIX века и по настоящее время гидротехника - обширная область техники, включающая в себя строительство и эксплуатацию сооружений для ряда отраслей-водопотребителей и отраслей-водопользователей, среди которых наиважнейшей является производство электрической энергии на гидравлических электростанциях. Кроме того, гидротехника ведёт также борьбу с водой как разрушительной стихией, предотвращает наводнения, размыв берегов рек и морей волнами и течениями.

Водопотребление (безвозвратное использование воды) включает в себя: а) ирригацию (искусственное орошение); б) водоснабжение хозяйственно-питьевое и техническое (включая техническое водоснабжение тепловых и атомных электростанций).

Основными водопользователями (предприятиями, использующими, но не потребляющими воду безвозвратно) являются такие отрасли современного хозяйства как: а) гидроэлектроэнергетика; б) водный транспорт (включая лесосплав); в) рыбное хозяйство; г) рекреация (отдых) и др.

С развитием видов использования водных ресурсов меняется профиль гидротехнических специальностей. Важнейшими из них в настоящее время являются:

-водоснабжение и канализация (водоотведение);

-гидромелиорация (орошение и осушение земель);

-гидротехнические сооружения гидроэлектростанций;

-строительство водных путей и портов.

Таким образом, гидротехнические сооружения ГЭС являются составной частью более общей отрасли техники - гидротехники. Гидротехника кроме ГЭС включает в себя все виды деятельности, связанной с возведением сооружений (гидроузлов) на водных объектах (энергетические, портовые, водозаборные, водопропускные, мостовые, судоходные и т.п. сооружения).

Гидротехника является одной из наиболее сложных отраслей строительного искусства, так как:

-в силу уникальности каждого водотока гидротехнические сооружения практически не поддаются типизации и унификации, и каждый гидроузел проектируется индивидуально;

-комплексное назначение гидроузла требует от гидротехников комплексного изучения водотока и региона строительства, взаимодействия с административными органами и со многими профессиями (с гидрологами, сейсмологами, геологами, экологами, энергетиками, специалистами по гидросиловому оборудованию, по медицине, по сельскому хозяйству, рекреации и т.д.);

-строительство гидротехнических сооружений ведется в руслах водотоков и требует решения таких сложных задач, как пропуск половодий (ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон достаточно длительное увеличение водности реки, например, за счет таяния снега) и паводков (кратковременное увеличение уровня воды в реке в результате, например, дождей), осушения части русла и возведения сооружений за перемычками (водонепроницаемое ограждение ГТС или места работ от затопления во время строительства, восстановления или реконструкции);

- масштаб гидротехнических сооружений таков, что их строительство изменяет климат и инфраструктуру целых регионов; авария на крупном гидроузле может стать катастрофой регионального, национального и даже межгосударственного масштаба - это требует от гидротехников особой ответственности за техническую и экологическую безопасность гидротехнических сооружений.

Теоретическая значимость работы включает в себя материалы о понятии ГЭС, ее значимости, возможных проблем при ее эксплуатации и воздействия на природу.

Практическая значимость работы заключается в рассмотрении видов оборудования, их назначении и применении.

ГЛАВА 1. Гидроэлектроэнергетика

1.1 Исторический обзор

Гидроэлектростанция не только гидротехническое сооружение, но и предприятие по производству электрической энергии.

Как предприятие-производитель электрической энергии гидроэлектростанция снабжена основным оборудованием - гидротурбинами, гидрогенераторами, распределительными устройствами (РУ) и линиями электропередачи (ЛЭП). Рассмотрим схематично историю развития оборудования гидроэлектростанций.

Ирригация положила начало многим замечательным открытиям. Изобретатель рычага и автор знаменитого закона Архимед (287-212 гг. до н.э.) предложил первый насос - червячный винт. Известный математик Герон из Александрии (умер в 70 г. до н.э.) изобрел первый теодолит (прибор для измерения на местности горизонтальных и вертикальных углов). Нивелир (прибор для определения высот точек земной поверхности относительно некоторой избранной точки) появился еще раньше: первый гидронивелир -канава, заполненная водой. Римскому инженеру Ктесибию (около 100 г. до н.э.) приписывается изобретение нагнетательного насоса. Великому художнику и ученом} Возрождения Леонардо да Винчи - изобретение шлюза (сооружение для подъёма, опускания судов с одного уровня воды на другой) со створными воротами (1495 г.). Первые шлюзы с опускными воротами появились несколько раньше. Одни исследователи считают, что первый шлюз был построен в Нидерландах, другие полагают, что первый шлюз построили в Милане в 1438 г. итальянцы Филиппо из Модены и Фиорованти из Болоньи, чтобы доставить камни для строительства знаменитого Миланского собора. В Китае считают, что у них первые шлюзы появились на 600 лет раньше, чем в Европе.

Использование воды как источника энергии началось двумя тысячелетиями позже, чем для ирригации. Первая водноэнергетическая установка - водоподьемное колесо (первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора (колеса), преобразующий в механическую работу энергию подводимой воды), была впервые описана в конце первого века до н.э. римским инженером Ветрувием. Поначалу водяное колесо использовалось только в мукомольном деле. В средние века водяное колесо (впоследствии гидротурбина) стало универсальной энергетической установкой. Великий математик и механик Леонард Эйлер в 1750-1754 гг. существенно усовершенствовал водяное колесо, расположив его горизонтально и поместив в камеру со специальным подводом воды, таким образом, создав прообраз современной гидротурбины. Первые промышленные гидротурбины были изобретены лишь в XIX веке французскими инженерами Фурнейроном и Бурденом (1827 г.). Дальнейшее совершенствование конструкций гидротурбин связано с именами американских инженеров А. Пельтона и Д. Френсиса. В 1847 г. Френсис изобрел радиально-осевую (в рабочем колесе поток воды имеет сначала радиальное, а затем осевое направление), а в 1889 г. Пельтон -ковшовую гидротурбину (вода на лопасти (ковши) рабочего колеса поступает через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша). Поворотно-лопастная гидротурбина (имеет двойное регулирование мощности одновременным поворотом лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса) была изобретена австрийским инженером Каштаном в 1920 г.

В девятнадцатом веке гидротурбины нашли применение лишь как источник получения механической энергии и только вблизи водотоков. Девятнадцатый век был веком пара. Созданная в восемнадцатом веке паровая машина, изобретение которой приписывают Томасу Ньюкомену (1712 г.), И.И. Ползунову (1766 г.), Джеймс У any (1769 г.), стала энергетической основой промышленной революции. Изобретение Робертом Фултоном парохода (1807 г.) и Джорджем Стефенсоном паровоза (1814 г.) закрепили повсеместно господство пара как источника получения механической энергии.

Веком электричества стал век двадцатый, после того, как во второй половине XIX века появились зачатки третьего главного элемента электростанции - электрогенератора. Теоретические основы электротехники были разработаны Майклом Фарадеем. В 1821 году Фарадей сформулировал идею электродвигателя, а в 1831 году - электрогенератора. Основные технические усовершенствования генератора связаны с именем американского изобретателя Томаса Альвы Эдисона (1882 г.). Сочленение паровой турбины с электрогенератором позволило создать агрегат под названием турбоагрегат, а с гидравлической турбиной - гидроагрегат и соответственно их электрогенераторы - турбогенератор и гидрогенератор.

Электрическую энергию необходимо было не только произвести, но и передать на большое расстояние. Высоковольтная передача электрической энергии постоянного тока на большое расстояние (57 км) впервые была осуществлена во Франции в 1882 г. Марселем Депре и в Англии Ферранти в 1889 г. (на напряжении 10 тыс. Вольт). Еще раньше (1874-75 гг.) русский электротехник Ф. Пироцкий впервые передал электрическую энергию на расстояние 1 км. Но распространение передача электроэнергии получила лишь после того, как был изобретён трёхфазный переменный ток (см. гл. 6). Однако недостаточно было только передать электроэнергию, её необходимо было ещё распределить между потребителями. Потребность в распределении появилась сразу же, как только трёхфазный ток был востребован массовым потребителем.

К концу девятнадцатого века возникли четыре основных элемента, без которых невозможна гидроэлектростанция: плотина, гидротурбина, гидрогенератор, распределение и передача электроэнергии по высоковольтным линиям электропередачи. В 1882 г. Т.А. Эдисон создал компанию, которая развернула строительство гидростанций в США, Англии, Италии. По-видимому, этот год можно считать началом эры гидроэлектроэнергетики. Чуть позже начинается строительство тепловых электростанций. Первая паровая турбина для выработки электроэнергии была предложена Чарльзом Парсонсом в 1884 г.

Таким образом, современная гидроэлектростанция представляет собой взаимоувязанный комплекс гидротехнических сооружений, водохранилища и оборудования.

С начала практического применения электроэнергии в мире начали формироваться теоретические взгляды на электрификацию как на новый не только технический, но и социально-экономический процесс, способный оказать глубокое позитивное воздействие на общественное производство и на качество жизни.

Победу электричества над использованием пара, как источника для преобразования в механическую энергию, обеспечили следующие важные свойства электрической энергии:

-универсальность электроэнергии как энергоносителя: легкость преобразования в другие виды энергии и обратно, возможность практически безграничной концентрации, относительная простота управления электрическими потоками, и следовательно, процессами, которые основываются на использовании этих потоков, и, наконец, экологическая чистота при её использовании - обеспечивает преимущество электротехнологий в области повышения гигиенического комфорта, условий труда, сокращения вредных выбросов;

-экономичность, энергия тратится по мере надобности; в эпоху пара, если рабочий отключал станок, паровая машина не меняла режима работы, лишь стравливала «лишний» пар в атмосферу; при остановке станка с помощью рубильника (выключателя) электрическая энергия не расходуется;

-распределение и делимость на любые порции, возможность подвести ее практически в любую точку;

-транспортабельность и возможность передачи на большие расстояния; транспортировка электроэнергии по линиям электропередачи не требует таких высоких транспортных затрат, как перевозка топлива.

Недостатком электрической энергии является практическая невозможность ее накопления и складирования. Современные электрические аккумуляторы еще не обладают необходимой емкостью. Электрическая энергия потребляется сразу после того, как производится. Этим она отличается от любого товара (ее нельзя накопить и «придержать под прилавком»).

Единственным достаточно емким аккумулятором электрической энергии в настоящее время является особый тип гидроэлектростанции - ГАЭС. ГАЭС - гидроаккумулирующая электростанция оборудована «обратимыми» гидроагрегатами, которые могут работать и как турбины, и как насосы.

Первая гидроэлектростанция была построена в США в городе Эплтон (штат Висконсин). Ее мощность была всего 1 л.с. Первая же, по-настоящему промышленная ГЭС на Ниагаре (Ниагара Фоле), предназначенная для электроснабжения г. Буффало, заработала в 1890 г. На ней была реализована трехфазная система тока, передача электроэнергии осуществлялась на расстояние 40 км.

Первые гидростанции, как правило, возводились на базе построенных ирригационных плотин. По-видимому, первой плотиной в Европе, построенной для ГЭС, была Одерич, высочайшая плотина Германии конца XIX века. Длина 151 м, максимальная высота 22 м, толщина 16 м на гребне и 44 м у подошвы. Интересна конструкция этой плотины-сэндвича: три стены из гранитной кладки, верховая, низовая и центральная - ядро; пазухи между стенами заполнены грунтом и мхом.

В конце XIX века ГЭС интенсивно строятся в США, Англии, Германии, Франции. В XX веке почти все крупнейшие плотины возводились для получения электроэнергии на гидроэлектростанциях. Строительство ГЭС дало толчок плотиностроению.

В Казахстане имеются значительные гидроресурсы, теоретически мощность всех гидроресурсов страны составляют 170 млрд кВт.ч в год, то есть только незначительная часть гидроэнергоресурсов используется в настоящее время.

Основные реки: Иртыш, Или и Сырдарья. Экономически эффективные гидроресурсы сосредоточены в основном на востоке (горный Алтай) и на юге страны. Крупнейшие ГЭС: На р. Иртыш сооружены Бухтарминская ГЭС - 0,7 млн кВт, Усть-Каменогорская ГЭС - 0,3 млн кВт и Шульбинская ГЭС - 0,7 млн кВт., на р. Или построена Капчагайская ГЭС - 0,4 млн кВт., обеспечивающие 10 % потребностей страны.

В Казахстане планируется увеличение использования гидроресурсов в среднесрочном периоде. Завершилось строительство Мойнакской ГЭС (300 МВт), проектируются Булакская ГЭС (78 МВт), Кербулакская ГЭС (50 МВт) и ряд малых ГЭС.

К сожалению, постройка гидроэлектростанций часто связана с нарушением природной среды: из оборота изымается много сельскохозяйственных и заповедных земель, нарушается нерест рыбы и вся речная экология, вырубаются леса под строительство ЛЭП.

Общая установленная мощность ГЭС Казахстана составляет 2 350,16 МВт.

Все гидроэлектростанции Казахстана в год вырабатывают более 7 149,4 млн. кВ/ч.

ГЛАВА 2. Гидротехническое строительство

Уровень воды в реках переменный. Они стекают в Мировой океан, и уровень воды в верховьях рек выше, чем в низовьях. Перепад уровней свободной поверхности реки между двумя поперечными сечениями реки называют напором. Если некоторое сечение реки (створ) перегородить плотиной, то напор (перепад уровней) сосредоточится в створе плотины. Поток выше плотины называют верхним бьефом (ВБ), ниже плотины - нижним бьефом (НБ).

Разделив мысленно реку в нескольких створах плотинами, можно по формулам получить энергетический потенциал реки в данном створе, а просуммировав по всем створам, оценить энергетический потенциал реки.На гидроэлектростанции большая часть воды не сбрасывается из верхнего бьефа в нижний «вхолостую», а перетекает через специальные устройства, подводящие её к турбинам. Турбина, вращаемая потоком, переводит гидравлическую энергию в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины. Рабочее колесо турбины соединено валом с ротором генератора. В генераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую.

2.1 Гидротурбинная и гидромеханическая части ГЭС

Гидравлической турбиной (гидротурбиной) называют двигатель, преобразующий механическую энергию воды в энергию вращения твёрдого тела (рабочего колеса гидротурбины). Настоящий раздел посвящен только гидравлическим турбинам и насосам, поэтому в дальнейшем слово «гидравлическая» опускается.

Использование энергии потока в наклонном русле является древнейшим способом утилизации водной энергии, уходящим, как уже отмечалось, ко времени зарождения цивилизации. Вначале использовались лишь кинетическая энергия потока, т.е. на реках не было никак подпорных сооружений. Колесо, снабженное плоскими лопастями, опускалось в текущую воду, и лопасти, подхватываемые течением, заставляли колесо вращаться.

Промышленное применение гидроэнергии в России началось в 60-х годах XVIII века, когда знаменитый русский гидротехник К.Д. Фролов создал на Алтае подземный каскад из водяных колес, приводивших в движение горнорудные механизмы и насосы. Весь путь воды в этой установке составлял 1051 м.

Кроме водоподливного с глубокой древности применялось и водоналивное колесо. Если в предыдущем примере сила тяжести воды, текущей по сильно наклоненному руслу, использовалась для создания скорости в потоке V, то здесь она (тяжесть воды) непосредственно приводит колесо во вращение, перемещая и непрерывно заполняя лотки колеса, т.е. это колесо использует энергию положения потока.

Если бы удавалось заполнять и опорожнять весь объём лотка в самом верхнем и нижнем положениях, то работа и мощность такого колеса равнялась бы работе и мощности потока. Практически этого сделать нельзя, так как вода не сразу заполняет лоток и начинает выливаться из него, не дойдя до нижней точки, т.е. используемая энергия оказывается меньше.

Водяные колеса, как гидродвигатели, использующие кинетическую энергию потока и энергию положения, из-за невозможности применения их для получения значительных мощностей распостранения не получили. Развитие пошло по пути поиска более совершенных преобразователей водной энергии, где используется напор потока, получивших название - турбины.

Подвод воды в турбинах выполняется напорными водоводами.

Подобные схемы позволяют значительно лучше, чем в открытых руслах, использовать энергию потока в широком диапазоне мощностей и напоров.

Параметры турбин являются их количественными и качественными характеристиками: напор (Н), расход (0, мощность (N).

Напор турбины Н (м) определяется при проектировании турбинной установки. Он выражает энергию, которой располагает турбина (рабочий напор).

Мощность турбины N (кВт) при заданных (расчетных) значениях Н и Q называют номинальной. Минимальная мощность соответствует Нмт.

Гидродинамические качества рабочего колеса в основном определяют такие характеристики турбины, как КПД, приведенный расход, частота вращения, кавитационный коэффициент и коэффициент быстроходности. Они определяются при испытаниях модельной турбины на лабораторной установке.

Стремление к наиболее полному использованию располагаемой водной энергии является основной тенденцией всей современной гидроэнергетики в мире. Достигнутый уровень КПД в современных крупных турбинах признаётся достаточно высоким, но задача его дальнейшего повышения продолжает быть актуальной проблемой современного гидротурбостроения. Отечественные турбины Саяно-Шушенской ГЭС единичной мощностью 650 МВт и Красноярской ГЭС 508 МВт имеют КПД около 95%.

В зависимости от того, какая часть из слагаемых энергии реализуется в конструкции, турбины разделяются на два класса - активные и реактивные (гидродвигатели, использующие энергию положения в промышленных турбинах имеют незначительное применение).

Турбины, использующие только кинетическую энергию потока, рабочие органы которых работают без избыточного давления, открыто, называют активными.

Гидротурбины, использующие хотя бы частично потенциальную энергию давления, процесс преобразования энергии в которых происходит в замкнутых, изолированных от окружающей среды установках, называют реактивными. В них процесс преобразования энергии происходит при давлении на входе, превышающем атмосферное. При этом частично используется и скоростной напор.

Сами термины - «активного» и «реактивного» действия - являются, как это следует из их определения, в большой мере условными. Осуществить чисто реактивное действие практически невозможно, так как поток, подходя к рабочему колесу, уже обладает кинетической энергией. Однако эти названия турбин стали традиционными и используются в практике специалистами во всём мире.

Турбины подразделяются на классы, системы и типы/классы турбин -активный и реактивный, как мы видели, отличаются характером преобразования энергии на рабочем колесе.

Системы турбин отличаются структурой потока и характерными особенностями проточной части. В системах приняты следующие названия и условные обозначения: пропеллерные турбины (Пр), поворотно-лопастные (ПЛ), радиально-осевые (РО), диагональные (Д), ковшовые (К). Типы турбин отличаются относительными размерами и конфигурацией элементов проточной части. В каждой системе, таким образом, может применяться несколько типов, в которых будет аналогичной конфигурация проточных элементов. Различие будет лишь в размерах. Геометрически подобные турбины одного типа различных размеров образуют серию.

Турбины проектируются во взаимной увязке со всеми элементами турбинной установки. Турбинная установка (турбинный блок ГЭС) радиально-осевой турбины на примере Саяно-Шушенской ГЭС состоит из водоприёмника оборудованного сороудерживающеи решёткой. Турбинный водовод имеет перед входом пазы для установки ремонтных затворов. Для защиты турбины в случае отказа направляющего аппарата имеются специальные пазы, где установлены быстропадающие затворы (аварийные), которые опускаются от действия автоматических устройств, контролирующих недопустимое повышение частоты вращения агрегата. Быстропадающий затвор приводится в действие гидроподъёмником. Для ремонта всего гидромеханического оборудования водоприёмников предусмотрены специальные козловые краны.

Рабочее колесо турбины располагается в камере и состоит из трёх жестко связанных частей - обода, ступицы, между которыми располагаются лопасти сложной пространственной формы. Число лопастей турбины может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин.

Подвод воды от турбинных водоводов к рабочему колесу осуществляется через спиральную камеру, имеющую в плане форму "улитки" (тора переменного сечения). У входа в турбинный водовод, где наибольшие расходы воды, площадь сечения спиральной камеры наибольшая.

Со стороны турбины в спиральной камере имеется вырез цилиндрической формы - вход из спиральной камеры в камеру рабочего колеса. Вырез разделен на несколько пролетов колоннами статора, который удерживает массу вращающихся частей агрегата верхней части спиральной камеры и частично вес железобетонного массива над камерой. По окружности, перед входом в камеру рабочего колеса расположен направляющий аппарат в виде вертикально расположенных лопаток, способных поворачиваться вокруг вертикальной оси (типа жалюзи) вплоть до полного закрытия межлопаточного пространства. Лопатки при их повороте обеспечивают изменение расхода воды (мощности) через турбину и оптимальное обтекание лопастей рабочего колеса, что повышает КПД турбины. При необходимости, закрывая лопатки направляющего аппарата, производят остановку турбины. Лопатки направляющего аппарата приводятся в движение сервомоторами. Отвод воды от турбины происходит через отсасывающую трубу, где гаситься почти вся остающаяся энергия потока. Отсасывающая труба имеет на выходе пазы, в которые опускается ремонтный затвор с помощью козлового крана.

В машинном зале ГЭС расположена маслонапорная установка (МНУ) для обеспечения гидравлического привода лопаток направляющего аппарата. Посредством вала турбина сочленяется с генератором, образуя единое целое - агрегат. Генератор опирается (вращающаяся часть) через опору на крышку турбины, которая в свою очередь передаёт усилие от всех вращающихся частей на колонны статора турбины. Для обслуживания всего оборудования машинного зала предусмотрены мостовые краны. Электроэнергия от генератора через систему токопроводов и повышающий трансформатор передаётся посредством системы воздушных проводов и распределительного устройства в электрическую сеть (об этом в следующей главе).

Турбинные установки с горизонтальными капсульными осевыми турбинами нашли широкое применение на низконапорных равнинных гидроузлах. Их основное достоинство (и преимущество перед вертикальными осевыми турбинами) - возможность размещения гидроагрегатов в теле водосбросной плотины без значительного заглубления, необходимого для размещения отсасывающих труб. Благодаря осевому (вдоль течения реки) потоку и простым гидравлически благоприятным формам проточной части, горизонтальные капсульные турбины имеют большую по сравнению с вертикальными пропускную способность и соответственно большую, примерно на 20-25% мощность при одинаковых габаритах рабочего колеса.

Как мы уже видели, мощность турбины при постоянном напоре будет зависеть лишь от расхода, поскольку КПД изменяется при изменении мощности, но не так существенно, как расход, т.е. изменение (регулирование) мощности турбины задается изменением расхода воды.

Регулирование расхода производится путём изменения открытия лопаток направляющего аппарата (НА). Максимальная величина открытия НА и соответственно мощность турбины выбирается и задаётся в процессе её проектирования.

При нормальных условиях работы турбины постоянная частота вращения и установившийся расход поддерживаются системой регулирования, исполнительным органом которой является НА. Главным начальным звеном системы регулирования является регулятор, который выполняет функции измерения необходимых параметров и формирует стабилизирующие сигналы. В современных турбинах применяются электрогидравлические регуляторы частоты вращения (ЭГР) в старых конструкциях ещё встречаются гидромеханические регуляторы.

Нестационарные процессы приводятся к устойчивому режиму системой регулирования, параметры приведения процесса к устойчивому режиму (частота вращения, давление в напорном водоводе) носят название гарантии регулирования. Сбросы и набросы нагрузки являются неизбежными процессами при эксплуатации энергосистем, поэтому на их последствия рассчитываются турбины и агрегат в целом. Наибольшие динамические воздействия (нагрузки), связанные с высокой частотой вращения агрегата (крайний случай - разгон), гидравлическим ударом, пульсациями в проточной части и вибрациями, имеют место при сбросах нагрузки, а также при закрытии НА турбины, вышедшей в разгон. Поэтому эти режимы являются основными при проведении расчётов переходных процессов.

При сбросе нагрузки и неисправной системе регулирования и при этом неисправном запорном устройстве (затворе) на водоводе турбины, который «не сработал» и остается открытым, частота вращения турбины будет быстро возрастать и через некоторое время достигнет максимальной для данной турбины установившейся величины, которая называется разгонной (угонной) частотой вращения.

Величина разгонной частоты вращения для турбин с неподвижными лопастями зависит от открытия НА и напора воды, а для поворотно-лопастных турбин ещё и от угла установки лопастей. Наивысшая разгонная частота вращения достигается при полностью открытом НА или вблизи его полного открытия.

Для поворотно-лопастных турбин наивысшая разгонная частота вращения достигается при рассогласовании комбинаторной зависимости, когда НА полностью открыт, а лопасти рабочего колеса имеют небольшой угол открытия.

Выбор расчётной величины разгонной частоты вращения с учётом действия противоразгонных устройств имеет большое экономическое значение для генератора.

Противоразгонные устройства (защита), которые применяются в практике создания турбин, имеют ту или иную величину запаздывания включения в работу. Поэтому ротор агрегата к моменту начала действия защиты практически достигает частоты вращения не менее 1,6-1,7 от её номинального значения. Нормами проектирования для деталей турбин задаётся требование не превышения 0,9 предела текучести металла при полной разгонной частоте вращения турбины. Разгон агрегата и действие защиты от разгона относятся в практике эксплуатации к аварийному случаю остановки турбины.

При нормальном (исправном) регулировании турбины действие НА при проектировании задаётся таким, чтобы при сбросе нагрузки система регулирования обладала определенным законом движения НА и законом изменения расхода, при которых повышение частоты вращения агрегата и давления в напорном водоводе достигали бы минимально возможных значений. После сброса нагрузки частота вращения повышается до некоторой величины (псб). Разность частот вращения после сброса и до сброса (псб - п), отнесённая к частоте вращения до сброса (п) называется временной неравномерностью регулирования турбины и характеризуется коэффициентом временного изменения частоты вращения ф).

Обычно значение коэффициента составляет не более 0,6. Рассчитывая величину при проектировании турбины, завод обеспечивает не превышение её условиями (гарантиями) регулирования, которые затем после монтажных и наладочных работ проверяются на ГЭС в реальных условиях путём проведения опытов по сбросам нагрузки.

После сброса нагрузки, если нет никаких повреждений, агрегат не останавливается, система регулирования приводит его через некоторое время к частоте вращения близкой к номинальной, и агрегат остаётся на холостом ходу в готовности быть вновь включенным в сеть.

Расчёты показывают, что в целях устойчивого регулирования агрегата инерция ротора, определяемая его маховым моментом (см. главу 6), должна быть возможно большей, а время закрытия НА - возможно малым.

Однако практические возможности увеличения махового момента ограничены размерами и весом ротора агрегата, а возможности уменьшения времени закрытия НА - прочностью элементов турбинной установки, так как при этом возникает гидравлический удар, который, как мы видели, при большой скорости закрытия НА (малом времени) сопровождается резким повышением давления в водоводе и спиральной камере турбины. Поэтому подбираются и оптимальные параметры вращающихся частей генератора и время закрытия НА турбины, соответствующие для каждого типа вновь создаваемого агрегата.

Гидравлический удар - явление, возникающее в неустановившемся движении воды, когда в заданной точке движущегося потока скорость и давление зависят не только от координат этой точки, но и от времени, т.е. гидравлический удар - резкое изменение скоростей течения и давлений во времени. Примером неустановившегося напорного движения может служить давление ударной волны в подводящем воду к турбине водоводе или отводящем трубопроводе насосной станции при пуске, остановке и регулировании работы турбин и насосов (закрытием - открытием направляющих аппаратов). Это же явление возникает в любом напорном водопроводе при быстром закрытии задвижек и кранов.

Ударная волна в напорном трубопроводе распространяется почти мгновенно и сопровождается резким изменением давления в жидкости, которое передаётся на стенки трубопровода и запорное устройство. В реактивных турбинах опасному воздействию при гидравлическом ударе подвергаются: водоводы, спиральные камеры и направляющие аппараты. В реактивных турбинах может возникнуть гидравлический удар и обратного направления -навстречу потоку. При быстром закрытии направляющего аппарата, вода, продолжая движение в отсасывающей трубе к нижнему бьефу, создаёт в зоне рабочего колеса турбины вакуум, который становится причиной обратного движения воды в отсасывающей трубе и возникновения удара, направленного на рабочее колесо вверх вдоль оси вертикально расположенного агрегата. В практике такие случаи приводили к большим усилиям настолько, что агрегат «подпрыгивал», отрываясь от опорного подшипника (подпятника), т.е. сила гидравлического удара превосходит тысячетонный вес вращающихся частей агрегата и может его разрушить.

Для предотвращения (смягчения) ударной волны в напорном водоводе турбины предусматриваются специальные аэрационные трубы, через которые засасывается воздух при закрытии (сбросе) быстропадающего затвора и глубокого вакуума не образуется.

Для предотвращения образования вакуума в полости рабочего колеса реактивных турбин предусматриваются специальные клапаны срыва вакуума, встраиваемые, как правило, в крышку турбины. Эти клапаны под воздействием образующегося вакуума открываются, и через них засасывается воздух в область рабочего колеса (имеются конструкции клапанов срыва вакуума, которые открываются принудительно от специального привода при резком подходе направляющего аппарата к положению закрытия). В некоторых радиально-осевых турбинах клапаны срыва вакуума не устанавливают, а организуют подсос воздуха в область рабочего колеса через полый вал, на торце которого устанавливают обратный клапан. Этот клапан обеспечивает свободный доступ воздуха под рабочее колесо и препятствует выбросу воды в машинный зал ГЭС через полый вал.

Таким образом, в отличие от активных турбин, где гидравлическому удару может быть подвергнут лишь напорный водовод, у реактивных турбин все элементы приточной части могут испытать гидравлический удар.

Строителям гидротехнических сооружений и эксплуатационникам ГЭС в их практической деятельности всегда приходится использовать насосы.

Потребители воды самого разного назначения в подавляющем большинстве случаев получают воду, которая подаётся насосами. В гидротехнике и энергетике наиболее крупными потребителями воды являются ТЭС и АЭС.

В социальной сфере насосы незаменимы в водоснабжении, теплофикации, канализации; в сельском хозяйстве - в системах ирригации и др. Насосные агрегаты достигают единичной мощности тысяч кВт, а обратимые насосы - турбины, как мы видели, сотен тысяч кВт.

Работу насосной установки можно рассмотреть на принципиальной схеме. Основными элементами установки являются: насос, имеющий входной (всасывающий) и выходной (напорный) патрубки, а также подводящий (всасывающий) и напорный трубопроводы.

Примером такой насосной установки являются маслонапорные установки турбин. Они служат аккумуляторами энергии для питания маслом под давлением системы регулирования турбины и обеспечивают энергией гидравлический привод поворота лопаток направляющих аппаратов, а также лопастей в турбинах Каплана.

Напор насоса представляет собой разность удельной энергии жидкости в напорном патрубке и во входном патрубке, т.е. он (напор) показывает, какое количество энергии сообщается насосом единице веса жидкости, поступающей в напорный трубопровод.

Существует несколько видов насосов. Объёмные насосы и гидродвигатели работают на принципе вытеснения жидкости поршнем, который совершает возвратно-поступательное движение. Особенность таких насосов (это и их недостаток) в том, что жидкость движется толчками.

К объёмным насосам относится большое число машин, в которых рабочий орган имеет вращательное движение (ротационные насосы). Рабочие органы выполняются в виде шестерён, винтов и т.п.. Подача таких насосов равномерная.

Особенность этих насосов в том, что развиваемый ими напор теоретически ничем не ограничен и в действительности бывает очень большим. Он зависит только от усилия, которое может быть создано на рабочем органе, герметичности системы и прочности элементов насоса. В связи с этим, если между вентилем напорной линии и насосом нет сбросного (предохранительного) клапана, ни в коем случае нельзя закрывать этот вентиль при работе такого насоса.

Лопастные насосы осуществляют преобразование энергии за счет динамического взаимодействия между потоком жидкости и лопастями вращающегося рабочего колеса, которое и является рабочим органом насоса.

Рабочее колесо в насосе, вращаясь, увлекает лопастями жидкость и отбрасывает её к периферии. Это и послужило основанием называть такой насос «центробежный». Существуют и чисто осевые насосы.

Напор и перепад давления, создаваемый вращающимся рабочим колесом центробежного насоса, определяется метрами столба жидкости, заполняющей рабочее колесо. Если колесо вращается в воздухе, то насос может работать и как воздуходувка, но создаваемый им напор будет очень мал.

Воздуходувки применяют при эксплуатации турбин в режиме синхронного компенсатора (СК) для регулирования гидрогенератором реактивной мощности (напряжения) в электрической сети (см. следующую главу). Этот режим турбины целесообразно выполнять с наименьшими потерями энергии в энергетической системе, т.е. необходимо освободить рабочее колесо от воды, чтобы оно не «перемешивало» воду и не затрачивало на это энергию. Схема освобождения рабочего колеса турбины от воды для ввода режима СК действует на принципе отжатия воды из камеры рабочего колеса давлением воздуха и дальнейшей подкачки воздуха для поддержания заданного уровня воды ниже рабочего колеса. Для такой подкачки воздуха в ряде случаев и применяются воздуходувки. Поскольку вес воздуха примерно в 800 раз меньше веса воды, то напор при вращении рабочего колеса в воздухе составит всего 0,03-0,08 м вод. ст., т.е. после включения электродвигателя создаваемый рабочим колесом перепад будет способен поднять «подсосать» воду во всасывающую линию всего на 3-8 см. Так как обычно Н превышает эту величину, то вода не заполнит корпус и рабочее колесо лопастного (центробежного) насоса и поэтому не будет поступать в напорный патрубок, т.е. насос не запустится. Для того, чтобы лопастной насос запустился, необходимо предварительно перед включением электродвигателя обеспечить заполнение жидкостью всей всасывающей линии насоса и камеры его рабочего колеса. Существуют разные способы заполнения указанных объёмов водой. Один из индустриальных способов для крупных насосов заключается в том, что к всасывающей линии пристраиваются вакуумные насосы (водокольпевые или струйные), которые запускаются перед включением насоса, чтобы поднять воду во всасывающую линию. Существуют и самовсасывающие центробежно-вихревые насосы.

Струйные насосы (эжекторы) работают на принципе использования кинетической энергии жидкости или газов, движение которых в диффузоре создаёт разрежение и за счёт этого происходит подсос откачиваемой жидкости.

Эрлифт состоит из вертикальной трубы, конец которой на высоту Н погружён под уровень воды. Внутри проходит трубка, по которой подаётся сжатый воздух и распыляется через отверстия на конце трубки. В результате в трубе образуется воздушно-водяная смесь (среда), удельный вес которой меньше удельного веса воды, в результате чего смесь поднимается по трубе и таким образом происходит откачка воды. Эрлифты применяются в основном для откачки воды из скважин. Недостаток их в том, что заглубление трубы под уровень должно быть достаточно большим.

Существует много насосов различного назначения и различных типов (многоступенчатые, погружные, артезианские, грунтовые землесосы, багерные, песковые, бетоно-насосы, растворо-насосы и др.). Для изучения характеристик приведенных типов насосов и их свойств существует специальная литература.

2.2 Электрическая часть ГЭС

Гидрогенератор - это синхронная электрическая машина трёхфазного тока, приводимая во вращение гидротурбиной и преобразующая механическую энергию турбины в электрическую (поскольку здесь и далее речь идёт о гидрогенераторах, устанавливаемых на ГЭС, то далее воспользуемся лишь термином «генератор», за исключением случаев, когда требуется сопоставить их с турбогенераторами). Генератор состоит из неподвижной части - статора, включающего в себя корпус и сердечник с обмоткой, а также вращающегося ротора, в составе которого: остов, спицы, обод и полюса.

Сердечник статора (активное железо) имеет пазы, в которые уложена обмотка статора (витки проводников, соединенные по специальной схеме).

На внешней стороне обода ротора прикреплены полюсы ротора, состоящие из сердечника, полюсного наконечника и полюсной катушки. Катушки полюсов соединены между собой и образуют обмотку возбуждения. В эту обмотку подаётся постоянный ток - ток возбуждения генератора. При обтекании током на каждой паре катушек образуется постоянное электромагнитное поле с северным и южным полюсом, как у обычных магнитов.

Сердечник статора вместе с полюсами ротора образуют магнитную систему генератора, в которой основной магнитный поток, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков: воздушный зазор, зубцовый слой статора, зубцовый слой ротора, полюс ротора, спинку статора и спинку ротора (обод).

Частота вращения гидрогенераторов существенно меньше, чем турбогенераторов, поэтому для получения переменного тока промышленной частоты 50 Гц в гидрогенераторе требуется большое количество полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, поэтому гидрогенераторы называют явнополюсными синхронными машинами. Все полюсы ротора закреплены на его ободе, являющемся также и ярмом (неактивная часть магнитопровода) магнитной системы, в котором замыкаются потоки полюсов.

Вращение генераторов принято по часовой стрелке, если смотреть на вертикальный агрегат сверху.

Под воздействием вращающего момента турбины ротор генератора также вращается с той же частотой. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС.В процессе вращения ротора его магнитное поле вращаясь с указанной выше частотой пересекает каждый из проводников обмотки статора попеременно то северным магнитным полюсом, то южным магнитным полюсом. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток статора и ток в нагрузке также переменный. В трёхфазной обмотке переменные ЭДС одинаковы по значению, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 73 периода (120 эл. град.) и образуют трёхфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора, обозначаемых А, В и С (фазы обозначаются и расцветкой - соответственно: жёлтая, зелёная, красная), появятся токи статора. При этом трёхфазная обмотка статора создаёт вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте синхронного генератора.

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно (точно совпадают по времени), отсюда и название - синхронные машины.

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нём одновременно действует МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или искажая его форму.

Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронного генератора, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведённой в обмотке статора, а следовательно изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу генератора зависит от значения и характера нагрузки. Генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-ёмкостную).

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отличается от напряжения этого генератора в режиме холостого хода (возбужденного генератора, отключенного от нагрузки). Это объясняется влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассеяния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Генератор может работать в режиме синхронного компенсатора (СК) с целью регулирования реактивной мощности в энергосистеме (см. ниже). В этом режиме для компенсации сдвига фаз между током и напряжением и регулирования напряжения в ЛЭП генератор переводится в двигательный режим, вырабатывая (при перевозбуждении ротора) или потребляя (при недовозбуждении) реактивную мощность. По расположению вала генераторы подразделяются на вертикальные и горизонтальные.

Горизонтальные генераторы применяются в основном в компоновке с ковшовыми турбинами, с крупными обратимыми турбинонасосами на ГАЭС и в капсульных агрегатах с поворотно-лопастными турбинами низконапорных ГЭС.

На современных крупных ГЭС устанавливаются, как правило, вертикальные генераторы, так как при этом упрощается их конструкция, повышается надёжность и улучшаются условия эксплуатации, а также уменьшаются габариты машинного зала и здания ГЭС в целом. Генератор относится к основному гидросиловому оборудованию ГЭС, он объединяется, как мы уже отмечали, в единый технологический цикл (совокупность единого технологического процесса) с турбиной - это объединение носит название гидроагрегат (агрегат).

Электроэнергия, вырабатываемая генератором, снимается с главных выводов обмотки статора.

В зависимости от конструкции опирания ротора генераторы подразделяются на подвесные и зонтичные.

В подвесном генераторе опора находится над ротором, а в зонтичном - под ротором. Обычно опора представляет собой мощную крестообразную или лучевую конструкцию (крестовину), опирающуюся в свою очередь на бетонный массив агрегатного блока. На крестовине располагается опорный подшипник (подпятник), на который и опирается ротор генератора. В последних конструкциях мощных вертикальных генераторов для сокращения высоты агрегата применяется способ опирания ротора на крышку турбины через специальную опору, на которую и устанавливается подпятник.

Установить точные границы целесообразного применения подвесного или зонтичного типа генератора достаточно трудно. В генераторах подвесного типа значительно выше механическая устойчивость, обеспечивается более свободный доступ к подпятнику и другим частям машины. Такие генераторы обычно выполняют со средней и высокой частотами вращения.

В мощных тихоходных генераторах при больших давлениях на подпятник и большом диаметре статора верхняя грузонесущая крестовина в подвесном типе получается достаточно громоздкой. Однако на генераторе Братской ГЭС достаточно большой мощности (225 МВт) при частоте вращения 125 об/мин и диаметре статора (по расточке) 10,5 м применена подвесная конструкция. Крестовина (лучевая) получилась мощной, состоящей из 12 отъёмных лап большого двутаврого сечения, стыкующихся с массивной центральной частью.

Особого внимания генераторы ГЭС заслуживают в связи с ролью гидростанций по регулированию параметров энергосистемы с целью обеспечения статической и динамической устойчивости её электрической сети.

Ток ротора (возбуждения) - постоянный, протекающий по обмотке возбуждения, создаёт необходимое магнитное поле. Это магнитное поле благодаря вращению ротора пересекает обмотку статора, в результате чего, как мы видели, возникает ЭДС генератора. Напряжение генератора, если пренебречь внутренним его сопротивлением, равно ЭДС. Увеличивая или уменьшая ток ротора относительно номинального значения задают соответственно режим перевозбуждения или недовозбуждения генератора (соответственно происходит выдача или потребление реактивной мощности). Этим режимом регулируется напряжение в электрической сети.

Для обеспечения статической и динамической устойчивости генераторов применяются быстродействующие регуляторы возбуждения, для повышения динамической устойчивости увеличивают скорость нарастания и «потолок» возбуждения, а также уменьшают время отключений короткого замыкания.

Обмотки генератора обладают активным и реактивным сопротивлениями. Активное сопротивление вызывает потери мощности, пропорциональные квадрату силы тока, которые превращаются в тепловую энергию. Реактивные сопротивления (реактивности) не вызывают потерь мощности, но являются параметрами, определяющими режимы работы генератора в энергосистеме, влияющими на устойчивость их параллельной работы в электрической сети. Значения реактивностей выражают обычно в относительных единицах, в долях, от так называемого, номинального сопротивления генератора.

Обмотка статора выполняется так, чтобы форма ЭДС генератора была синусоидальной. В противном случае при несинусоидальной форме ЭДС генератора в электрической сети появляются высшие гармоники тока, оказывающие вредное влияние на работу всей энергосистемы: возрастают потери энергии, возникают опасные перенапряжения, усиливается вредное влияние НЭП на цепи связи.

Элементом обмотки является катушка, состоящая из нескольких витков. Обмотка выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде стержней, которые укладываются в пазы сердечника статора и соединяются способом пайки. Элементы стержней, располагающиеся в пазах, называются пазовой частью, а элементы, расположенные вне сердечника вверху и внизу вертикального генератора. соответственно называются верхними лобовыми частями и нижними лобовыми частями.

Система возбуждения генератора (электромагнитное возбуждение) создаёт, как указывалось выше, МДС, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле, обеспечивающее процесс образования электроэнергии. На генераторах первого поколения для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока (возбудители), обмотка возбуждения которых получала питание постоянным током от другого генератора (подвозбудителя). Ротор главного генератора и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на одном валу и вращаются синхронно. Ток-возбуждения подаётся в обмотку возбуждения главного генератора через графитовые щётки и контактные кольца ротора.

Для регулирования тока возбуждения в прежних конструкциях применялись регулировочные реостаты, которые включаются в цепи возбуждения возбудителя и подвозбудителя.

В последних конструкциях генераторов, в особенности на мощных и сверхмощных, применялись системы независимого возбуждения с достаточно мощными вспомогательными генераторами переменного тока и выпрямителями, а также системы самовозбуждения.

В качестве выпрямителей использовались ртутные выпрямители (ионная система возбуждения), а в последнее время получили всеобщее распространение тиристорные системы возбуждения - безинерционные системы, которые экономичнее и надёжнее, а по сравнению с ионными имеют и бесспорное экологическое преимущество.

Автоматическое регулирование возбуждения заключается в автоматическом изменении силы тока возбуждения генератора с целью обеспечения требующегося ему значения ЭДС при нормальном и аварийном режимах в электрической сети.

Кратностью форсировки называется отношение наибольшего установившегося значения напряжения (тока) возбуждения к номинальному напряжению (току) возбуждения.

Система охлаждения генератора служит для отвода тепла, выделяемого железом сердечника статора и его обмоткой, а также сердечниками полюсов и обмоткой возбуждения.

Различают системы воздушного охлаждения, непосредственного водяного охлаждения и смешанного охлаждения. Воздушный поток образуется за счёт вращения ротора, спицы которого выполняют роль мощного вентилятора.

Существуют смешанные системы, сочетающие непосредственное водяное охлаждение обмотки статора и форсированное воздушное охлаждение обмотки ротора. Форсированное охлаждение обмотки ротора достигается путём устройства каналов между витками катушки полюса благодаря специальному прокату медной шины и придания ей формы периодического профиля. Есть случаи выполнения полного водяного охлаждения: обмоток статора, ротора и сердечника статора.

В определенных условиях возможно присоединение нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такое присоединение называется укрупнённым блоком.

Автотрансформаторы, как правило, используются на подстанциях в электрических сетях (электрические установки - принимающие, распределяющие и выдающие электроэнергию потребителям, преобразуя её с одного напряжения на другое). Их основное назначение в том, что они обычно призваны обеспечивать связь двух повышенных напряжений на подстанциях.