Конспект лекций по дисциплине гидросиловые установки и возобновляющиеся источники энергии для студентов, обучающихся по специальности
 Скачать 6.68 Mb.
|
|
Рис. 15.4. Схема размещения оборудования на монтажной площадке: 1 — транспортная платформа; 2 — трансформаторная яма; 3 — рабочее колесо турбины; 4 — подпятник с опорой; 5 — ротор гидрогенератора; 6 — крестовина гидрогенератора; 7 — крышка турбины; 8 — агрегат; 9 — зеркало пяты, возбудитель, вал турбины и другие детали; 1′ — осадочный шов; 2′ — зона действия основного крана машинного зала; 3′ — зона действия спаренного крана; b1 — зона действия главного крюка; b2 — зона действия вспомогательного крюка При определении длины монтажной площадки необходимо учитывать, что зона действия крюков крана (особенно главного крюка) не охватывает всю ее площадь. Со стороны торцевой стены монтажной площадки также остается полоса, не обслуживаемая краном из-за его значительной ширины (от 3 до 7-8 м). При наличии в здании станции спаренных кранов, работающих с траверсой, ширина этой полосы увеличивается. При строительстве подземных зданий со стороны торцевой стены монтажной площадки может устраиваться специальная ниша, в которую уходит часть крана, что позволяет подвести крюк непосредственно к торцевой стене. Масса оборудования, устанавливаемого на монтажной площадке, может достигать нескольких сотен и тысяч тонн. Наиболее тяжелым является ротор генератора, и в месте его установки перекрытие выполняется усиленным. Иногда под этим местом устраивается так называемая "роторная тумба", опирающаяся на основной массив бетона и воспринимающая основную нагрузку ротора. Под монтажной площадкой обычно располагается ряд вспомогательных помещений, используемых для хранения различных материалов, размещения мастерских, насосного оборудования системы осушения и пр. Лекция 16. Электрическое оборудование здания ГЭС, гидрогенераторы и трансформаторы. – Система автоматического регулирования гидротурбин. – Вспомогательные системы и хозяйства: система технического водоснабжения, масляное хозяйство, пневматическое хозяйство, система пожаротушения, механические мастерские, бытовые помещения, главный пульт управления.  Рис. 16.1. Технологическая схема оборудования ГЭС или ГАЭС Для осуществления главной функции ГЭС и ГАЭС — выработки электроэнергии и регулирования мощности в энергосистеме — необходимо оборудование, от которого зависят эффективность и надежность эксплуатации. Ответственным этапом проектирования ГЭС и ГАЭС является подбор типов и параметров оборудования, его компоновки с учетом особенностей характеристик, взаимосвязей и условий эксплуатации, рис. 16.1. Оборудование и относящиеся к нему системы удобно разделить на несколько групп. Гидросиловое оборудование ГЭС — гидротурбины и гидрогенераторы. Основными элементами реактивных турбин являются: подводящая часть (турбинная камера), гидромеханическая часть — лопастная система (статор, направляющий аппарат, рабочее колесо) и отводящая часть — отсасывающая труба. Система автоматического регулирования (САР) предназначена для управления турбиной путем изменения открытия направляющего аппарата в радиально-осевых турбинах, направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса в поворотно-лопастных турбинах, регулирующих расход игл и дефлекторов в ковшовых турбинах. САР обеспечивает автоматическое поддержание заданной частоты вращения агрегата (частоты тока генератора) и предохраняет агрегат от выхода в разгон при неожиданных отключениях нагрузки. САР состоит из маслонапорной установки (МНУ) для питания маслом под давлением, колонки управления (КУ), сервомоторов (С) и соединительного маслопровода. Связь КУ с агрегатом осуществляется через тахогенератор (ТГ), установленный на валу. Элементы САР размещаются рядом с агрегатом. Гидрогенераторы предназначены для преобразования механической энергии, получаемой от турбины, в электрическую энергию, которая передается в энергосистему. Основными частями синхронных гидрогенераторов, устанавливаемых на ГЭС, являются ротор, соединенный с валом турбины и создающий вращающееся магнитное поле, и статор, в обмотках которого индуктируется переменный ток. Для обеспечения стандартной частоты тока 50 Гц (в некоторых странах 60 Гц) частота вращения ротора при работе под нагрузкой должна быть строго постоянной, равной синхронной частоте вращения. Поскольку ротор гидрогенератора жестко соединен валом с рабочим колесом турбины, их частоты вращения одинаковы. Система возбуждения (СВ) обеспечивает питание обмоток ротора постоянным током. Так как прекращение возбуждения приводит к мгновенному падению до нуля выдаваемой электрической мощности генератора, то СВ представляет собой чрезвычайно ответственное устройство. СВ индивидуальная у каждого гидрогенератора. Система охлаждения (СО). Потери в гидрогенераторе могут приводить к опасному нагреву обмоток и активной стали. Для поддержания температуры частей гидрогенератора на допустимом уровне необходим постоянный отвод теплоты. Конструкции СО требуют протока воды, которая забирается из системы технического водоснабжения (ТВ) агрегата. Гидросиловое оборудование ГАЭС. Основное требование к гидросиловому оборудованию ГАЭС состоит в обеспечении работы станции в двух режимах: насосном — заряда и турбинном — разряда. Соответственно гидравлические машины ГАЭС должны выполнять функции насоса и турбины, а электрические машины — двигателя и генератора. Наиболее широко в современных ГАЭС используются обратимые агрегаты, состоящие из двух машин, обратимой гидромашины (насосотурбины) и синхронного двигателя-генератора. Основная особенность обратимых гидромашин — направление вращения в насосном и турбинном режимах противоположно. Это создает трудности пуска агрегата в насосный режим, поэтому для агрегатов с обратимыми гидромашинами предусматриваются специальные устройства для пуска в насосный режим. Для уменьшения мощности устройств для пуска в насосный режим предусматривается отжим воды из полости рабочего колеса сжатым воздухом, который берется из воздухосборников пневматического хозяйства (ПХ). Трехмашинный агрегат состоит из электрического двигателя-генератора, турбины и насоса, объединенных общим валом. В обоих режимах направление вращения одинаково. Электрическое оборудование ГЭС и ГАЭС включает токопроводы от генератора, силовые трансформаторы, станционные передачи высокого напряжения, открытое распределительное устройство, системы собственных нужд (СН), систему контроля и управления (СК) и центральный пункт управления (ЦПУ). Напряжение синхронных генераторов и двигателей-генераторов невелико: 3,5-24 кВ, поэтому передача электрической мощности от генератора к трансформатору происходит при большой силе тока, что требует большого сечения токопроводов, которые выполняются открытыми при мощности до 100 МВ∙А и экранированными или в виде специального кабеля при более высокой мощности. Поскольку в токопроводах возникают значительные потери энергии, их длину стремятся сократить, для чего приближают трансформаторы к гидрогенераторам и двигателям-генераторам. Силовые трансформаторы повышают напряжение до значения, требуемого для передачи энергии на большие расстояния (110-750 кВ при расстояниях соответственно 50-2000 км). Трансформаторы, как правило, устанавливают на открытом воздухе (исключение составляют подземные здания ГЭС и ГАЭС). Они требуют воздушного или водяного охлаждения. Кожух трансформатора заполнен изоляционным (трансформаторным) маслом. ОРУ предназначено для распределения вырабатываемой ГЭС электроэнергии между отводящими воздушными линиями электропередачи (ВЛ1, ВЛ2). Для этой цели служат распределительные шины, разъединители и выключатели (масляные или воздушные). Последние необходимы и для защиты оборудования от коротких замыканий. Система собственных нужд (СН) обеспечивает электроэнергией МНУ (см. САР), техническое водоснабжение и дренаж, устройства автоматики и защиты и др. Надежность СН должна быть очень высокой, что достигается резервированием. Важно, чтобы СН получали питание от энергосистемы и в случае остановки всех агрегатов ГЭС. Система контроля и управления (СКУ) включает ряд устройств, имеющих большое значение для работы станции. К ним относятся многочисленные устройства контроля за состоянием агрегата и другого оборудования (измерения мощности, напряжения, давления, температуры различных частей, подачи смазки, охлаждения и т. д.). Они монтируются в специальных щитах и дают сигнал, а при необходимости и импульс на автоматическую остановку агрегата при отклонениях режима сверх допустимых значений. Органы управления СКУ в комплексе с автоматизированной системой управления технологическими процессами АСУ ТП обеспечивают возможность как полной, так и частичной автоматизации станции. Устройства используют оперативный постоянный ток от специальных преобразователей и резервируется станционной аккумуляторной батареей. Опорные конструкции ротора состоят из подшипников, верхней и нижней крестовин и распорных домкратов. Различают радиальные подшипники, воспринимающие радиальные нагрузки, и упорный подшипник, называемый подпятником, воспринимающий осевые нагрузки. На радиальные подшипники передается небольшая нагрузка, поэтому они называются направляющими. Подпятник воспринимает нагрузку от массы всех вращающихся частей генератора (ротор, вал) и турбины, а кроме того, и осевые усилия от давления воды, возникающие на рабочем колесе турбины, которые составляют от 80 до 140% массы вращающихся частей. Подпятники вертикальных гидрогенераторов, воспринимающие огромные осевые нагрузки, представляют чрезвычайно ответственные узлы. Для надежной и долговечной их работы необходимо, чтобы потери на трение были минимальными, а распределение нагрузки, передаваемой с вращающейся части на неподвижную, было равномерным. Подпятники выполняются на жестких винтовых или на эластичных опорах. Последние могут быть либо гидравлическими (сильфоны), либо пружинными (рис. 16.2). Вращающаяся часть состоит из втулки а, насаженной на вал, и прикрепленного к ней диска b, нижняя поверхность которого тщательно обработана ("зеркало"). Неподвижными частями служат сегменты с, лежащие на сильфонах d, передающих нагрузку на несущую крестовину. Верхняя поверхность сегментов, по которой скользит диск, покрыта слоем баббита (антифрикционный сплав). Отсутствие контакта (сухого трения) между поверхностями вращающегося диска b и сегментов с достигается тем, что подпятник помещен в масляную ванную e, и движением диска масло увлекается в зазор между трущимися поверхностями. Здесь создается так называемый масляный клин с повышенным давлением, способный приподнять вращающиеся части агрегата на толщину масляной пленки (50-100 мкм). Благоприятные для работы подпятника условия создаются только при достаточно высокой частоте вращения. Для улучшения условий работы подпятника при пусках и остановках применяется система принудительной смазки: в сегментах устраиваются каналы, по которым масло от специального насоса высокого давления, включающегося автоматически, подается на плоскость трения. Крестовины — металлические конструкции, предназначенные для размещения на них подпятников или подшипников. Различают верхнюю крестовину, которая располагается выше ротора, и нижнюю крестовину — под ротором. Крестовина, на которой находится подпятник, называется опорной.  Рис. 16.2. Вертикальный гидроагрегат Нурекской ГЭС с радиально-осевой турбиной и подвесным генератором. В левой части показано постоянное рабочее колесо, в правой — рабочее колесо для временной эксплуатации при пониженных напорах; 1 — верхняя крестовина; 2 — охладитель; 3 — подпятник; 4 — радиальный направляющий подшипник; 5 — распорные домкраты; 6 — шины; 7 — кожух; 8 — охладитель; 9 — корпус статора; 10 — сердечник статора; 11 — обмотка переменного тока; 12 — полюсы ротора; 13 — обод ротора; 14 — колодки тормозов; 15 — тормозное кольцо; 16 — остов ротора; 17 — фланцы валов; 18 — ступица ротора; 19 — вал ротора; 20 — нижняя крестовина Если подпятник размещается на верхней крестовине, то ротор получается как бы подвешенным, и такая компоновка гидроагрегата получила название подвесной (рис. 16.2). При расположении подпятника ниже ротора гидрогенератор называется зонтичным (рис. 16.3, 16.4). Верхняя крестовина опирается на корпус статора и раскрепляется винтовыми упорами в радиальном направлении, нижняя опирается непосредственно на бетонный массив здания ГЭС или на крышку турбины.  Рис. 16.3. Гидроагрегат Зейской ГЭС с диагональной поворотно-лопастной турбиной и зонтичным генератором (опора на крышку турбины): 1 — лопатки направляющего аппарата; 2 — статорные колонны; 3 — сферическая часть камеры рабочего колеса; 4 — нижний пояс камеры рабочего колеса; 5 — рабочее колесо турбины; 6 – крышка турбины; 7 — спиральная камера; 8 — опорный фланец; 9 — сервомотор направляющего аппарата; 10 — турбинный подшипник; 11 — коаксиальные маслопроводы к сервомотору рабочего колеса; 12 — вал агрегата; 13 — маслоприемник; 14 — генераторный подшипник; 15 — надставка вала; 16 — ступица ротора генератора; 17 — опорный конус; 18 — крышка рабочего колеса; 19 — сервомотор рабочего колеса; 20 — подпятник По форме различают лучевые крестовины с радиально расположенными балками (лучами), применяемые обычно при больших пролетах и нагрузках, и мостовые, состоящие из двух параллельных балок таврового сечения, поперечных стенок и днища. На верхней крестовине или между ее лучами монтируют перекрытие из листов рифленой стали, отделяющее генератор от машинного зала. От турбинной шахты генератор отделяется металлической диафрагмой, прикрепляемой к нижней крестовине или собираемой на специальных балочных конструкциях.  Рис. 16.4. Гидроагрегат Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС (обозначения см. на рис. 6.3) Зонтичные гидрогенераторы отличаются расположением подпятника ниже ротора. В гидрогенераторе на рис. 16.3 подпятник установлен на нижней крестовине, имеющей форму усеченного конуса, который опирается на крышку турбины. Для крупных гидроагрегатов отдается предпочтение этой конструкции, она снижает общий вес генератора на 7-10% по сравнению с конструкцией, в которой нижняя крестовина, имеющая горизонтальные лапы, опирается на бетонный массив. Особенностью конструкции, показанной на рис. 16.3, является то, что у нее ротор генератора не имеет своего вала, а вал турбины на болтах крепится снизу к массивной центральной части остова ротора — ступице. К ней же прикреплена пята, а сверху к остову ротора крепится надставка вала, несущая цапфу направляющего подшипника, контактные кольца и маслоприемник. Применение безвального ротора генератора позволяет снизить высоту машинного зала ГЭС. С целью снижения нагрузки на кран машинного зала остов ротора генератора может выполняться разъемным, соединяемым болтами со спицами ротора. Капсульные гидроагрегаты получили широкое распространение на низконапорных ГЭС (Н ≤ 20 м). Бóльшая пропускная способность по сравнению с вертикальными агрегатами за счет спрямления водного тракта турбины дает возможность сократить размеры блока здания ГЭС и упростить его формы. Капсульный агрегат Киевской ГЭС показан на рис. 16.5. Металлическая герметичная капсула 7, в которой помещается генератор, располагается обычно со стороны верхнего бьефа, что обеспечивает наилучшие гидравлические качества проточного тракта. Капсула удерживается в потоке железобетонным бычком 8 и полыми статорными колоннами 1, через которые проходят масло- и шинопроводы. Направляющий аппарат 9 — конический. Регулирующее кольцо направляющего аппарата и сервомоторы расположены снаружи капсулы. Вход в капсулу из машинного зала предусмотрен по вертикальной герметизированной металлической шахте 2.  Рис. 16.5. Капсульный гидроагрегат Киевской ГЭС Вал агрегата опирается на турбинный 11 и два генераторных подшипника. Статор генератора является частью капсулы. В связи с ограниченными габаритами для обеспечения необходимой мощности применена система полного водяного охлаждения как ротора 3, так и статора 4, при которой дистиллированная вода от масловодоприемника 5 протекает по полым стержням обмоток. Подпятник 6 имеет пяту и контрпяту, чтобы воспринимать прямое и обратное осевое гидродинамическое усилие. Диаметр капсулы составляет обычно 1,0-1,2 диаметра рабочего колеса 10. Механическое оборудование зданий ГЭС и ГАЭС включает затворы и подъемно-транспортные механизмы (краны, подъемники). Аварийно-ремонтные затворы агрегатные верховые (предтурбинные) устанавливают на верховых напорных водоводах для перекрытия отверстий и прекращения поступления расхода воды к гидромашине в случае невозможности закрыть направляющий аппарат из-за аварии. Затворы размещаются в водоприемнике и находятся в пазах, в любой момент готовые к закрытию. Индивидуальные подъемные механизмы могут быть механическими — лебедки или гидравлические масляные гидроприводы (гидроподъемники). Время закрытия быстродействующих затворов 2-5 мин. В состав механического оборудования руслового здания входят решетки для задержания сора и устройства для очистки решеток. В приллотинных и отдельно стоящих зданиях, у которых подвод воды осуществляется по длинным напорным водоводам, водоприемники отделены от здания и представляют собой самостоятельные сооружения, поэтому верховые агрегатные затворы в здании могут не ставиться. Они необходимы, когда к одному водоводу подключено несколько агрегатов (разветвленный водовод), или при напорах более 200-300 м. |