Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
4.1.4. Турбинные установки. Регулирование (управление) турбинами Мощность турбины при постоянном напоре будет зависеть лишь от расхода, то есть изменение (регулирование) мощности турбины задается из- менением расхода воды. Регулирование расхода производится путём измене- ния открытия лопаток направляющего аппарата (НА). При нормальных условиях работы турбины постоянная частота враще- ния 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 сигна- лы. В современных турбинах применяются электрогидравлические регулято- 73 ры частоты вращения (ЭГР) в старых конструкциях ещё встречаются гидро- механические регуляторы. При плановых (плавных) изменениях мощности турбины, происходя- щих за достаточно длительные промежутки времени (более 10 секунд), регу- лирование расхода НА производится также плавно, и процесс в каждый мо- мент времени следует рассматривать как стационарный (установившийся). К нестационарным (переходным) процессам, которые возникают при регулировании турбины, относятся: пуск; резкие изменения мощности (на- грузки); остановка; сброс нагрузки (мгновенное отключение генератора от сети); перевод генератора в режим синхронного компенсатора; разгон турби- ны и его прекращение; наброс нагрузки (быстрый автоматический набор на- грузки при отключении мощных генерирующих источников в энергосисте- ме). Нестационарные процессы приводятся к устойчивому режиму систе- мой регулирования. Сбросы и набросы нагрузки являются неизбежными процессами при эксплуатации энергосистем, поэтому на их последствия рас- считываются турбины и агрегат в целом. 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 быст- ро возрастать и через некоторое время достигнет максимальной для данной турбины установившейся величины, которая называется разгонной (угонной) частотой вращения. Выбор расчётной величины разгонной частоты вращения с учётом дей- ствия противоразгонных устройств имеет большое экономическое значение для генератора. Противоразгонные устройства (защита), которые применяются в прак- тике создания турбин, имеют ту или иную величину запаздывания включения в работу. Поэтому ротор агрегата к моменту начала действия защиты практи- чески достигает частоты вращения не менее 1,6-1,7 от её номинального зна- чения. 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 ре- гулирования обладала определенным законом движения НА и законом изме- нения расхода, при которых повышение частоты вращения агрегата и давле- ния в напорном водоводе достигали бы минимально возможных значений. После сброса нагрузки, если нет никаких повреждений, агрегат не ос- танавливается, система регулирования приводит его через некоторое время к 74 частоте вращения близкой к номинальной, и агрегат остаётся на холостом ходу в готовности быть вновь включенным в сеть. Чтобы создать турбину необходимо заранее иметь представление о ра- боте её при эксплуатации для чего нужно знать достаточно много данных, характеризующих прочностные энергетические и кавитационные её свойст- ва. Кавитация – сложный физический процесс, вызывающий губчатое раз- рушение элементов проточной части турбины, сопровождающийся шумом, ударами, снижением КПД, повышенной вибрацией агрегата и пульсацией по- тока. Современные методы расчета не позволяют теоретическим путем по- лучить наилучшую конфигурацию проточной части турбины, поэтому обыч- но рассчитывается несколько вариантов проточной части, в том числе рабо- чих колёс, и изготавливаются их модели. Затем все модели испытываются, производятся технико-экономические сравнения и в результате определяются оптимальные формы и размеры проточной части конструируемой турбины. В результате модельных исследований в широком диапазоне режимов работы турбины составляются характеристики, дающие достаточно полное представление об её энергетических и кавитационных показателях. В после- дующем, после ввода в эксплуатацию турбины непосредственно на ГЭС про- водят натурные её испытания в реальных условиях, которые позволяют по- лучать фактические прочностные, энергетические и кавитационные характе- ристики. Иногда на основе натурных испытаний уточняются некоторые па- раметры – мощность, КПД и др. 4.2. Гидромеханические устройства и оборудование гидроэлектростанций При эксплуатации гидротехнических сооружений, оборудования гид- ростанции и водохранилища требуется изменять расход воды, регулировать уровень ВБ и НБ. Комплекс инженерных конструкций, обеспечивающих эти функции, как правило, размещающихся на водозаборных сооружениях, носит название гидромеханическое (механическое) оборудование гидротехниче- ских сооружений. Технологические устройства, обеспечивающие работу ос- новного гидросилового оборудования, носят разные названия: системы (на- пример, технического водоснабжения), хозяйства (например, масляное хо- зяйство), вспомогательное оборудование (например, разное подъемно- транспортное) и т.п. 75 4.2.1. Затворы турбин и водосбросов По эксплуатационному назначению затворы подразделяются на основные, аварийные, аварийно-ремонтные, ремонтные и строительные. Основные затворы (иногда на водосбросах они называются рабочими), как правило, предназначены для регулирования водохранилищ и водотоков при пропуске половодий и паводков, а также в непредвиденных ситуациях при от- ключении ГЭС от сети, когда необходимо компенсировать санитарный попуск воды в НБ. Эти затворы устанавливаются на водосбросных сооружениях плотин и головных узлах независимо от напорной или безнапорной схемы, применяе- мых там водоприемников. Обычно для этой цели применяются плоские и сег- ментные затворы. Затворы, применяемые в поверхностных водоприемниках, если и зимой требуется регулировать уровень ВБ (например, на Майнском контррегулирую- щем гидроузле на р. Енисей), должны иметь надежную систему обогрева пазов, а также конструктивные решения, которые исключали бы обмерзание самих за- творов. На гидроузлах, где образуется перед затворами устойчивый ледостав, возникает опасное давление льда на затворы, поэтому там предусматриваются специальные устройства по образованию полыньи перед затворами. Эти устройства действуют либо за счет барботирования (пропуск воздуха под давлением через воду), либо за счет перемешивания поверхностных слоев воды с глубинными с помощью потокообразователей. Плоский затвор (рис. 4.7, а) имеет плоскую водоудерживающую стенку (обшивку), как правило, выполненную из листовой стали, опирающуюся на сис- тему балок, которые, в свою очередь, передают усилие на ригели, а они – на опорные конструкции. Опорно-ходовые части воспринимают нагрузку от несу- щей конструкции и передают её быкам или устоям, а также служат для пере- движения затвора. Применяются опорно-ходовые части по принципу скольже- ния (рис.4.7, а`) в скользящих затворах и по принципу качения (рис. 4.7, а``) в колесных затворах. Скользящие затворы менее надежны в эксплуатации, чем колесные, хотя пазовые конструкции скользящих затворов требуют меньших размеров, а затво- ры позволяют передавать на быки большие нагрузки. Плоскими затворами на поверхностных водосбросах перекрываются от- верстия до 40÷45 м при напоре до 17÷18 м. Этот тип затворов наиболее распро- странен на гидротехнических сооружениях и является самым древним по сво- ему происхождению. Они применяются и на глубинных водозаборах. Сегментный затвор (рис. 4.7, в) имеет сегментнообразное ригельное про- летное строение, опирающееся через фермы («ноги») на шарниры, передающие давление воды на быки. Пролеты отверстий, перекрываемые сегментными за- творами, могут быть больше, чем у плоских и достигать 50 м при напоре до 18 м. Сегментные затворы также применяются, как глубинные. 76 Рис.4.7. Различные типы поверхностных затворов 77 Аварийные и аварийно-ремонтные затворы применяются для пре- кращения подачи воды в турбину при отключении агрегата от сети и неис- правной системе регулирования, а также в случае разрыва водовода. Быстро- действующий (быстропадающий) затвор (плоский, сегментный) должен бес- препятственно опускаться в поток водоприемника. Быстрое закрытие затворов обеспечивается у плоских и сегментных – за счет собственного веса, у других – за счет принудительного привода (гид- равлического или механического). Подъем плоских и сегментных затворов в верхнее положение производится, как правило, специальными гидроподъем- никами или специальными лебедками. Сброс (опускание, закрытие) затворов происходит автоматически от командных импульсов защитных устройств турбины, контролирующих ис- правность системы регулирования и частоту вращения агрегата. Ремонтные затворы предназначаются для перекрытия водоводов и водосбросов на время длительных ремонтных работ либо на аварийно- ремонтных затворах и их приводе, в пазах и на порогах, либо в проточной части турбины, когда по какой-то причине аварийно-ремонтный затвор не обеспечивает необходимую герметичность. Ремонтные затворы устанавливаются перед аварийно-ремонтными тур- бинными затворами и перед рабочими затворами водосбросов. Ремонтные затворы опускаются только в спокойную воду, для опуска- ния в поток они не рассчитываются. Строительные затворы служат для закрытия водопропускных отвер- стий в период строительства сооружений для пропуска строительных расхо- дов, а также в качестве заграждений, выгораживающих участки сооружений от бьефов, когда сооружения не превышают еще уровня воды (например, внутренний массив плотины может сооружаться в определенных условиях под защитой затворов или шандоров (рис. 4.7, б), установленных в пазы опе- режающе построенных быков гребенки. Распространение в качестве строительных затворов имеют шандорные заграждения, состоящие из отдельных шандор (балок) – металлических, же- лезобетонных, деревянных, укладываемых последовательно друг на друга и не связанных между собой. 4.2.2. Водоводы турбин Для подвода воды к зданиям ГЭС (с приплотинным их расположени- ем, а также расположенным в конце деривации) применяются водоводы раз- личных типов. Наиболее широкое распространение получили стальные водо- воды. При напорах до 200÷300 м наряду со стальными применяют железобе- 78 тонные водоводы. Появилась новая конструкция водоводов для турбин Сая- но-Шушенской ГЭС – сталежелезобетонная, в которой совместно работает внутренняя стальная оболочка (труба) и арматура железобетонной облицовки водовода. По расположению турбинные водоводы можно разделить на встроен- ные, выносные, открытые, закрытые и подземные. Встроенные и выносные водоводы применяются для подвода воды к приплотинным зданиям ГЭС, расположенным за бетонными, контрфорсны- ми, арочными и земляными плотинами. Встроенные водоводы располагаются в массиве плотины; выносные располагаются на низовой грани. Применяются открытые, засыпанные и подземные водоводы; откры- тые обычно выполняются в виде трубопроводов, уложенных на опоры (про- межуточные и анкерные); засыпанные – заглубляются в траншеи – защи- щаются от обвалов и промерзания; подземные (туннельные) водоводы со- оружаются в скальных породах. 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 5.1. Краткие основные понятия и определения в электротехнике Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством ко- торой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Магнитное поле – это одна из форм электромагнитного поля. Оно соз- дается движущимися электрическими зарядами и спиновыми магнитными моментами (момент количества движения микрочастиц) атомных носителей магнетизма. Взаимосвязь магнитного и электрического полей описывает уравнение Максвелла. Электрическое поле – это частная форма проявления электромагнит- ного поля. Оно создаётся электрическими зарядами или переменным магнит- ным полем. Магнитная цепь – это совокупность источников магнитного потока (постоянных магнитов, электромагнитов) и ферромагнитных или других тел и сред, через которые магнитный поток замыкается. Электрический ток (i) – это направленное движение электрических зарядов в веществе или вакууме под воздействием электрического поля. Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А). Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный. Постоянным называют ток, который может изменяться по 79 величине, но не меняется по знаку сколь угодно долгое время. Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Переменные токи подразделяются на синусоидальные и несинусои- дальные. Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармониче- скому закону (рис. 5.1, б): i = I М sin ωt, где Iм – амплитудное (наибольшее) значение тока, (А). По синусоидальному закону изменяются также напряжение, ЭДС, маг- нитный поток. Синусоидально изменяющиеся величины изображают синусоидами, показывающими мгновенные их значения в любой момент времени, или вращающимися векторами. При изображении синусоидально меняющейся величины, например, ЭДС е (t) = е = Ем sin (ω t+φо ), вращающимся вектором на плоскости ху (рис. 5.1, а) длина вектора ОА в выбранном масштабе представляет амплиту- ду Eм; угол между вектором и положительным направлением оси абсцисс x в начальный момент времени (t = 0) равен начальной фазе φо, а угловая ско- рость вектора, направленная против вращения часовой стрелки, равна угло- вой частоте ω . Мгновенное значение е (t) определяется проекцией вектора на ось ординат у. Действительно, в момент времени t = 0 ЭДС е0 = Ем sin φо, эту же величину выражает и проекция вектора ОА на ось у. В момент времени t´ ЭДС е (t´) = Eм sin (ω t´+ φо ) и проекция вектора, занявшего новое положение ОВ, выражает ту же величину е (t´). В момент t´´ направление вращающегося вектора совпадает с положительным направлением оси у, т.е. проекция е (t´´) равна длине вектора Ем и т.д. Совокупность двух или большего числа векторов, изображающих си- нусоидально изменяющиеся величины одной частоты в начальный момент времени (t = 0), называется векторной диаграммой (рис. 5.1, б). На диаграмме (рис. 5.1, б) построены векторы трёх токов: i1 = I1м sin ω t, i2 = I2м sin (ω t-1200), i3 = I3м= sin (ω t+1200) 80 и показаны синусоиды этих токов, образующие трехфазный ток. Рис. 5.1. а) Векторная диаграмма ЭДС и её синусоида; б) Векторная диаграмма и синусоиды трёх- фазного электрического переменного тока; в) Соединение трёхфазных обмоток электроге- нератора с заземленной нейтральной точкой по схеме «звезда» и по схеме «треугольник» Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу вре- мени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). В России (как и во многих странах мира) частота тока в электрической сети 50 Гц со- ответствует 50 полным колебаниям (периодам) в секунду. Угловая частота (ω ) – скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой соотношением: ω = 2πf. 81 Электродвижущая сила (ЭДС) – это сила, способная совершать рабо- ту по перемещению в электрической цепи электрических зарядов. ЭДС изме- ряется в вольтах (В) и обозначается латинской буквой E. Электрическое напряжение (U) – это величина, численно равная ра- боте по перемещению единицы электрического заряда между двумя произ- вольными точками электрической цепи. Напряжение, как и ЭДС, измеряется в вольтах (В). Если источник ЭДС подключить к замкнутой цепи, то она окажется под воздействием электромагнитного поля, а на её участках устано- вятся разности электрических потенциалов или напряжения. Электрической цепью называется, в общем виде, совокупность опре- деленным образом соединенных источников, преобразователей и потребите- лей электрической энергии, через которые может протекать электрический ток. Электрическое сопротивление – это способность элемента электри- ческой цепи противодействовать в той или иной степени прохождению по нему электрического тока. Сопротивление, в общем случае, зависит от мате- риала элемента, его размеров, температуры, частоты тока и измеряется в омах (Ом). Различают активное (омическое), реактивное и полное сопротив- ления. Они обозначаются чаще всего соответственно: R, X, Z. Активное сопротивление элемента – это сопротивление постоянному току. Индуктивное сопротивление – это сопротивление элемента, связан- ное с созданием вокруг него переменного или изменяющегося магнитного поля. Оно зависит от конфигурации и размеров элемента, его магнитных свойств и частоты тока. Индуктивность можно определить как меру магнитной инерции эле- мента в отношении электромагнитного поля. По смыслу индуктивность в электротехнике можно уподобить массе в механике. Например, чем больше индуктивность элемента, тем медленнее и тем большую энергию магнитного поля он запасает. Индуктивностью обладают в разной мере все элементы электрической цепи переменного тока: провода, шины, кабели и т.п., но в большей степени обмотки электрических машин и разного рода многовитко- вые катушки. Ёмкостное сопротивление – это сопротивление элемента, связанное с созданием внутри и вокруг него электрического поля. Оно зависит от мате- риала элемента, его размеров, конфигурации и частоты тока. |