ЭО ГЭС 2023. КР ЭО ГЭС. Курсовая работа с осмотром электрооборудования гидроэлектростанций (гэс), принципа работы, классификации и видов
 Скачать 46.37 Kb.
|
 ВВЕДЕНИЕ Курсовая работа с осмотром электрооборудования гидроэлектростанций (ГЭС), принципа работы, классификации и видов. Гидроэлектростанция (ГЭС) — комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию. ГЛАВА 1. ВИДЫ ГЭС По принципу действия ГЭС бывают: 1. Плотинные (дамбовые) ГЭС (для получения напора воды строятся плотины (дамбы)) 2. Приплотинные (строятся за плотинами (дамбами) при очень сильном напоре воды. Вода поступает по тоннелям.) 3. Деривационные (строятся с уклоном, в самом низу реки. Благодаря уклону вода не задерживается на долгое время.) 4. Гидроаккумулирующие (ГАЭС) (Для них строят верхний и нижний бассейн. Гидростанция при этом размещается рядом с нижним. ГАЭС осуществляет сбор электричества и использует его во время больших нагрузок) По мощности ГЭС бывают: 1. Малые (до 5МВт) 2. Средние (От 5 до 25МВт) 3. Мощные (Более 25МВт) Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется По напору ГЭС бывают: 1. Низконапорные (От 3 до 25 метров) 2. Средненапорные (От 25 до 60 метров) 3. Высоконапорные (Более 60 метров) В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды. ГЛАВА 2. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГЭС Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и гидрогенераторы. 2.1 ГИДРОТУРБИНЫ Гидротурбина – это двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения. Турбина служит приводом для гидрогенератора. Гидротурбины подразделяются на два класса: активные и реактивные. Турбина называется активной,если используется только кинетическая энергия потока, и реактивной,если используется и потенциальная энергия при реактивном эффекте. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса. Существует большое число различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используется лишь четыре вида турбин: осевые, диагональные, радиально–осевые и ковшовые. Осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Каплана) являются низконапорными турбинами. Они используются при малых напорах – от 1–3 до 60–70 м. Рабочее колесо осевой турбины, состоящее из лопастей рабочего колеса, укрепленных в корпусе с обтекателем, соединено валом. Количество лопастей рабочего колеса может быть различным – от 4 до 8. Чем больше напор, тем больше количество лопастей. Лопасти могут быть укреплены жестко, с каким–то некоторым углом наклона. В этом случае турбина называется пропеллерной. Однако обычно лопасти делаются поворотными, т.е. на ходу в зависимости от условий работы (нагрузка, напор) угол установки лопастей может меняться. Такие турбины называются поворотно–лопастными. Поворотно–лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели. Диагональные турбины, разработанные в последние десятилетия, отличаются от осевых турбин только тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45–60º). Радиально–осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Френсиса) являются средненапорными турбинами. Они используются при напорах в диапазоне от 40–60 до 500–700 м. Рабочее колесо радиально–осевой турбины состоит из 12–17 лопастей рабочего колеса, образующих круговую решетку лопастей. Лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. В настоящее время созданы уникальные радиально–осевые турбины мощностью 640 МВт. Ковшовые турбины (за рубежом их называют турбинами Пельтона, иногда «свободноструйными») – это высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400–600м. Основными ее элементами являются сопло, к которому вода подводится по трубопроводу, и рабочее колесо, укрепленное на валу. Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня воды, так что рабочее колесо вращается в воздухе. В этой турбинепотенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке–сопле полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти 5.Внутри сопла расположена регулировочная игла 6, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а, следовательно, и расход воды. Ковшовые гидротурбины являются наиболее распространенными активными гидротурбинами. Радиально–осевые турбины установлены на Братской, Красноярской и других ГЭС. Поворотно–лопастными осевыми турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчугская ГЭС. На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной (50–60 Гц). Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах – с большими значениями этого коэффициента. Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения – от 16,6 до 1500 об/мин. Области применения турбин некоторых видов перекрываются. Так, при напорах 50–70 метров могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально–осевые турбины. Выбор оптимального решения производиться на основании технико-экономических сопоставлений различных вариантов. 2.2 ГИДРОГЕНЕРАТОРЫ Гидрогенератор – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую. На ГЭС применяются в качестве генераторов синхронные машины трехфазного переменного тока. Эти машины приводятся во вращение, как правило, сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50–500 об/мин. Поэтому гидрогенераторы выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590–640 МВА), т.е. для таких генераторов отношение длины к диаметру составляет 0,11–0,20. Гидрогенераторы мощностью свыше нескольких десятков МВА выполняют с вертикальным расположением вала. Гидрогенераторы с меньшей мощностью выполняют обычно с горизонтальным расположением вала. В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины – возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического регулятора турбины. Вращающаяся часть простейшего генератора – ротор – представляет собой двухполюсный электромагнит, магнитное поле которого создается при протекании по обмотке возбуждения постоянного тока от независимого источника. Этот ток подается на ротор через неподвижные щетки, прижатые к вращающимся вместе с ротором контактным кольцам. На статоре размещена силовая обмотка, которая в простейшем случае состоит из одного витка. Ротор, жестко связанный с валом турбины, вращается с постоянной частотой. За счет магнитного потока ротора в витке обмотки наводится переменная электродвижущая сила. Если к выводам обмотки статора подключить нагрузки, то по обмотке потечет ток, на выводах появится напряжение, которое также будет переменным, изменяющимся по синусоиде. Основные конструктивные части гидрогенератора – ротор и статор. Обод ротора выполняется в виде металлического кольца с прикрепленными к нему полюсами. В гидрогенераторах полюсы расположены вплотную друг к другу и образуют сплошную наружную цилиндрическую поверхность. При работе генератора происходит его нагревание, ограничивающее развитие мощности, поэтому для генератора предусматривается искусственное охлаждение. Существует два вида охлаждения: воздушное (вентиляция) и непосредственное водяное. При воздушном охлаждении на роторе устанавливаются лопатки вентилятора, которые при вращении создают воздушный поток, циркулирующий вокруг активных частей генератора. На особо мощных генераторах применяется непосредственное водяное охлаждение, при котором стержни обмоток статора, а иногда и ротора делаются полыми и через них пропускается охлаждаемая в теплообменниках дистиллированная вода. В зданиях ГЭС и водоприемниках затворы применяются для перекрытия водопропускных отверстий и регулирования пропускания расхода воды. ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГЭС На состав и размещение электрического оборудования большое влияние оказывает главная схема электрических соединений, которая выбирается в зависимости от числа и мощности гидроагрегатов и должна обеспечивать надежность энергоснабжения, а также возможность вывода в ремонт части оборудования ГЭС. На крупных многоагрегатных ГЭС применяют блочные схемы, при которых генератор работает на отдельный повышающий трансформатор. На ГЭС с гидроагрегатами небольшой мощности применяют групповые схемы, при которых два или несколько генераторов выдают мощность на один трансформатор, образуя вместе с ним укрупненный электрический блок. От трансформатора ток повышенного напряжения подается на открытое распределительное устройство (ОРУ), от которого отходят линии электропередачи. К системе генераторного напряжения подключаются понижающие трансформаторы собственных нужд, от которого питаются потребители вспомогательных систем самой ГЭС. Таким образом, электрооборудование можно условно разделить на три группы по рабочему напряжению: оборудование генераторного напряжения (6,3 – 15,7 кВ), повышенного напряжения (35 – 750 кВ) и пониженного напряжения (0,38 – 6,3 кВ). Для выполнения переключений, а также отключения части схемы в случае аварии применяется коммутационная аппаратура – выключатели и разъединители. Выключатели способны разрывать цепи при протекании по ним не только рабочего тока, но и во много раз превосходящего его тока короткого замыкания, возникающего при аварии. При разрыве мощной электрической цепи образуется сильная дуга, которую необходимо гасить принудительно. Это делается или в среде трансформаторного масла (масляные выключатели), или мощной струей сжатого воздуха (воздушные выключатели). Разъединители отключают цепи под напряжением, но лишь после снятия с них токовой нагрузки. Выключатели и разъединители генераторного напряжения объединяются в комплектные распределительные устройства (КРУ), размещаемые в помещениях ГЭС. Генераторы, трансформаторы и коммутационные аппараты соединяются токопроводами. На генераторном напряжении применяют алюминиевые или медные шины, прокладываемые на изоляторах в шинных коридорах. Такой способ прокладки в последнее время почти полностью вытеснен в связи с появлением экранированных шинопроводов, в которых шины размещаются на изоляторах внутри защитного корпуса из дюралюминиевых труб диаметром 700 – 800 мм (для каждой фазы отдельная труба). Трубы заземляются, и поэтому шинопроводы не представляют опасности для людей, что позволяет располагать их без ограждений в помещениях ГЭС. Высоковольтные выводы от повышающих трансформаторов на ОРУ могут быть воздушными. Они выполняются из сталеалюминиевых проводов, натянутых между металлическими опорами, расположенными на ГЭС и на берегу. Провода подвешиваются к опорам с помощью гирлянд изоляторов. На напряжение 500 кВ и выше каждая фаза во избежание больших потерь на коронный разряд выполняется из трех проводов. Пролеты воздушных переходов достигают 1000 м, натяжения в проводах измеряются десятками тонн. Безопасные расстояния от токоведущих частей выводов до заземленных конструкций зданий составляет 0,9 м при напряжении 110 кВ, 1,8 м при напряжении 220 кВ и 3,75 м при напряжении 500 кВ; до габаритов кранов – соответственно 1,65; 2,5; 4,5; до крыш и до земли 3,6; 4,5; 6,45 м. В тех случаях, когда по условиям компоновки затруднено устройство воздушных выводов, применяют кабельные высоковольтные выводы. Высоковольтный кабель 500 кВ состоит из стальной трубы диаметром 273 мм, заполненной специальным кабельным маслом. В трубе проложены в специальной изоляции токоведущие жилы трех фаз. Кабельные выводы дороже воздушных и сложнее в эксплуатации. Применяются также газонаполненные (элегазовые) высоковольтные линии, в которых в качестве изоляционного материала, заполняющего трубу каждой фазы, применен специальный газ – шестифтористая сера. Открытое распределительное устройство (ОРУ) представляет собой площадку, разделенную на ячейки по числу присоединений (выводы от трансформаторов, высоковольтные линии, измерительная аппаратура). Для крепления шин и проводов присоединений устанавливаются металлические или железобетонные порталы, между которыми размещается оборудование. В условиях сурового климата или малых площадей применяются закрытые распределительные устройства (ЗРУ) с применением элегазовой защиты, что обеспечивает их компактность. Трансформаторы, повышающие генераторное напряжение для передачи мощности на ОРУ и далее по высоковольтным линиям потребителям, являются самыми крупными электрическими аппаратами, существенно влияющими на компоновочные решения. Номинальной мощностью трансформатора является полная или кажущаяся мощность Sтр, кВА, которая определяется по формуле:  , где Nг – мощность одного генератора; n – число генераторов, подключённых к трансформатору; cosφ – коэффициент мощности, равный 0,8 – 0,85; ηтр – КПД трансформатора, равный 0,95 – 0,98.Основными частями трансформатора являются сердечник-магнитопровод, набранный из тонких листов электротехнической стали, и обмотки, размещенные на магнитопроводе в виде катушек. Первичная обмотка подключается на генераторное напряжение, протекающий в ней переменный ток создает в магнитопроводе магнитный поток. Он возбуждает ЭДС во вторичной обмотке. Получаемое напряжение на выводах вторичной обмотки больше генераторного во столько раз, во сколько число ее витков больше, чем в первичной обмотке. В трехфазном трансформаторе имеются три пары обмоток, причем первичные соединяют по схеме «треугольник», а вторичные – по схеме «звезда» Магнитопровод с обмотками размещается в баке, наполненном изоляционным трансформаторным маслом. К баку присоединяется расширительный бачок, в котором свободный уровень масла колеблется при изменениях температуры. К баку крепятся также выводы низкого и высокого напряжения. При работе трансформатора за счет потерь в обмотках и магнитопроводе выделяется теплота, в связи с чем необходимо обеспечить его охлаждение. При воздушном охлаждении трансформатора к баку прикрепляется группа масляных радиаторов, обдуваемых воздушными вентиляторами. Наиболее мощные трансформаторы имеют масловодяное охлаждение, при котором нагретое масло прогоняется через теплообменники, охлаждаемые водой. ГЛАВА 4. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГЭС На ГЭС имеется большое количество трансформаторного масла, заливаемого в трансформаторы и выключатели, а также турбинного масла, используемого в системе регулирования в качестве энергоносителя, в подпятниках и подшипниках – для смазки и охлаждения. В чистоте масла (отсутствию механических загрязнений и влаги) предъявляются высокие требования. Для приемки, хранения и очистки масла на ГЭС создается масляное хозяйство. Для каждого из видов масел в хозяйстве имеется не менее трех баков (для свежего, чистого, эксплуатационного масла) и аппаратная с системой коллекторов. К коллекторам подключается маслоочистительная аппаратура, позволяющая очищать масло, перекачивая его из бака в бак или за счет циркуляции в одном баке. Для очистки используются центрифуги, фильтр-прессы, цеолитовые установки, комбинированные агрегаты. Масляное хозяйство обычно размещается в здании ГЭС (под монтажной площадкой) или отдельно (с открытым расположением баков). От маслохозяйства к гидроагрегатам вдоль здания ГЭС прокладываются маслопроводы. Суммарный расход воды охлаждения генераторов, трансформаторов для смазки подшипников турбин и других нужд на крупных ГЭС может достигать нескольких кубических метров в секунду. Давление воды должно быть в пределах 0,3 – 0,5 МПа, поэтому не всегда возможна наиболее простая самотечная схема технического водоснабжения, особенно если используется вода под напором, имеющимся на ГЭС. При низких напорах применяют насосную схему, увеличивая насосами давление воды. При высоких напорах (выше 200 – 250 м) также применяется насосная схема, но с забором воды из нижнего бьефа. При напорах 50 – 250 м применяется эжекторная схема с использованием водоструйных насосов-эжекторов. Через эжектор пропускается рабочий расход воды под напором ГЭС, и за счет разрежения, образуемого диффузором эжектора, из нижнего бьефа дополнительно подсасывается вода, на выходе из эжектора давление снижается. Оборудование технического водоснабжения состоит из водоприемников, устраиваемых в бычках, устоях, стенках спиральных камер; фильтров, насосов или эжекторов, трубопроводов, подводящих воду к кольцевым коллекторам гидроагрегатов и другим потребителям. Отработанная подогретая вода сбрасывается в нижний бьеф. Применяются централизованные схемы (от одной насосной установки вода магистральными трубопроводами разводится по зданию ГЭС), а также индивидуальные или групповые схемы (один или группа гидроагрегатов имеют обособленную систему со своими водоприемниками и насосами). При ремонтах проточная часть гидроагрегата, отделенная от бьефов ремонтными затворами, должна быть осушена. Для этого на ГЭС предусматриваются насосные установки, позволяющие осушить проточную часть гидроагрегата не более чем за 4 ч. На многоагрегатных ГЭС (особенно возведенных на нескальном основании), имеющих развитый массив фундаментальной плиты, часто применяют схему осушения с использованием сборной потерны, проходящей через все здание ГЭС, к которой подведены трубопроводы от всех отсасывающих труб. Вода из спиральных камер сливается либо в отсасывающие трубы, либо в потерну. Трубопроводы перекрываются клапанами с гидроприводом или задвижками, устанавливаемыми в сухой потерне. При необходимости осушения какого-либо гидроагрегата открывают клапаны, и вода устремляется в потерну, что обеспечивает быстрое снижение уровня воды в проточной части гидроагрегата и прижатие уплотнений затворов. После заполнения потерны включаются насосы, расположенные в устое здания ГЭС, и вода откачивается в нижний бьеф. При осушении проточной части гидроагрегата вместо воды поступает воздух по аэрационным трубам. Такими же трубами оборудуется потерна. Аэрационные трубы выводятся выше уровней бьефов и рассчитываются исходя из максимальной скорости воздуха в них 40 – 50 м/с. Для работы оборудования ГЭС требуется сжатый воздух различного давления. Источником высокого давления (7 МПа) служат компрессоры, создающие запас воздуха в воздухосборниках (ресиверах). Рабочее давление для МНУ (4 МПа) и для воздушных выключателей (2 МПа), а также низкое давление для торможения гидроагрегата и технических нужд (0,8 МПа) создается редуцированием воздуха через электромагнитные перепускные клапаны, включающиеся от электроконтактных манометров при снижении давления в воздухосборниках (до 4 и 0,8 МПа) и в сети (до 2 МПа). Редуцирование в результате термодинамического процесса воздуха сопровождается его осушением, что необходимо для нормальной работы аппаратуры. Системы высокого и низкого давления могут разделяться и обслуживаться также разными компрессорами. Отдельную воздушную систему устраивают для отжима воды из камеры рабочего колеса при переводе гидроагрегата в режим синхронного компенсатора. Принцип работы системы состоит в том, что воздух, сжатый до некоторого давления в воздухосборнике, быстро выпускается в камеру рабочего колеса, вращающегося на холостом ходу при закрытом направляющем аппарате. Образующаяся воздушная подушка понижает уровень воды в камере и обеспечивает вращение рабочего колеса гидроагрегата, переведенного в двигательный режим, без потерь на трение об воду. В качестве воздухосборников кроме обычных конструкций могут использоваться полости в бетоне, облицованные металлом, или длинные трубы диаметром 1,5 – 3 м. Список использованной литературы. 1. Ильиных И.И. Гидроэлектростанции: Учебник для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 248 с. 2. Васильев А.А. Электрическая часть станций и подстанций/ Васильев А.А, Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф. и др.; Под ред. А.А. Васильева – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1960 – 576с. 3. Крючков И.П. Электрическая часть станций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования/ Крючков И.П. под ред. Б.Н. Неклепаева – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1978 – 144с. (Учебное пособие для электроэнергетических специальностей вузов). 4. Рожкова Л.Д. Электрооборудование станций и подстанций/ Рожкова Л.Д., Козулин В.С. – 2 е изд., перераб. – М.: Энергия, 1980 – 600с. 5. Общая Энергетика – Учебное Пособие [2009]: Гидроэнергетические установки, 4 гл. |