Лекции Производство электроэнергии

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Причины объединения электростанций в энергосистемы:

1.уменьшение суммарного резерва электростанций;

2.более полное использование генерирующих мощностей;

3.взаимопомощь электростанций в случае ремонта или аварии;

4.взаимопомощь электростанций в случае сезонного изменения мощностей;

5.уменьшение технико-экономического показателя – снижение стоимости электроэнергии.

Недостатки объединения электростанций в энергосистемы:

1.резкое увеличение токов короткого замыкания;

2.резкое усложнение и удорожание устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики вплоть до полной невозможности реализации защиты;

3.необходимость дополнительной трансформации.

НАЗНАЧЕНИЕ И ТИПЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

ТЭС – тепловая электростанция КЭС – конденсационная электростанция (ещё называют ГРЭС – государственная районная электростанция)

АЭС – атомная электростанция ГЭС – гидроэлектростанция

1– система топливоподготовки;

2– котел (или реактор);

3– паровая (газовая) турбина;

4– генератор;

5– выключатель;

6– РУНН (распределительное устройство низкого напряжения);

7– РУВН (распределительное устройство высокого напряжения);

8– трансформатор;

Теплоэлектростанции вырабатывают порядка 60-70% электроэнергии. Химически связанная энергия топлива при сгорании преобразуется в тепловую. Топливом является газ, мазут, уголь. Если все тепло, за исключением малых отборов, используется для выработки электроэнергии, то станция называется КЭС. Если часть тепла отбирается на горячее водоснабжение и на промышленные нужды, то станцию называют ТЭС. КЭС располагаются вблизи источников топлива и, затем, электроэнергия передается потребителям на значительные расстояния. ТЭС располагается вблизи потребителя и вдали от источника сырья.

В топке химическая энергия топлива в ходе химической реакции горючих элементов топлива с кислородом воздуха превращается в тепловую энергию. В пароводяных котлах топочные газы обтекают трубы, по которым циркулирует вода. Тепло от топочных газов передается через стенки труб воде, которая превращается в пар. По магистральным паропроводам этот пар передается в машинный зал, в котором установлены паровые турбины. В паротурбинах происходит преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения ротора паротурбины. Ротор последней соединен с ротором электрогенератора.

1

В зависимости от назначения турбогенераторы делятся на базовые (несут постоянную основную нагрузку), пиковые (работают непродолжительное время для покрытия пиков напряжения) и турбины для собственных нужд (обеспечивают потребности в электроэнергии самой электростанции).

Основное требования к базовым турбогенераторам – экономичность при больших нагрузках. Требование к пиковым турбогенераторам – возможность быстрого пуска и включения в работу. Турбогенераторы для собственных нужд должны быть высоконадежными в работе.

Для покрытия пиковых нагрузок на электростанциях могут применяться газотурбинные установки. Воздух в них сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, в которую также поступает жидкое топливо или горючий газ. Нагретый сжатый газ вращает турбину. Часть энергии турбины идет на компрессор, остальная часть электрогенератору.

Атомные электростанции. Основной элемент – реактор. В нем энергия ядерной реакции преобразуется в тепловую. АЭС в зависимости от схемы теплопередачи могут быть одно-, двухили трехконтурными. Если теплоноситель – жидкий металл, то он в специальном теплообменнике отдает тепло другому теплоносителю (газ, вода), использующегося в турбине в виде пара или нагретого газа. Такая схема с теплообменом называется двухконтурной. Её применение позволяет ограничиться установкой биологической защиты для реактора и теплообменника и исключает её необходимость для всего теплосилового оборудования. Далее процесс получения электроэнергии аналогичен схеме ТЭС.

Гидроэлектростанции. Наиболее распространены приплотинные ГЭС. Они устроены так, что напор в них создается посредством специально сооруженной плотины, которая подпирая уровень воды образует верхний бьеф. Здание ГЭС обычно располагается вблизи плотины. Вода из водохранилища поступает к турбинам по напорным водопроводам, проходящим через тело плотины, либо непосредственно из верхнего бьефа. После использования вода из турбин отводится в русло. Для пропуска избытков воды устраиваются особые водосливные плотины.

Преимущества ГЭС по сравнению с ТЭС весьма значительны и состоят в том, что ГЭС экономит топливо, рационализирует топливный баланс, содействует экономическому росту регионов, необеспеченных достаточными топливными ресурсами. Конструкция агрегатов ГЭС проще агрегатов ТЭС, а процесс производства электроэнергии на ГЭС значительно менее сложен, чем на ТЭС. В техническом и эксплуатационном отношении очень важно, что гидроэлектрические установки обладают большей манёвренностью. Эта особенность гидроагрегатов имеет значение для крупных энергетических систем, т.к. резкий прирост нагрузки, в т.ч. и при аварийной ситуации, можно быстро компенсировать включением резервных гидроагрегатов, т.о. гидроагрегаты оказались очень удобными для покрытия пиков нагрузки в системах, в которых работают как ТЭС так и ГЭС.

Недостатком ГЭС является их локальность, т.е. возможность эффективного строительства только в относительно немногих районах. Эта локальность преодолевается передачей электроэнергии на расстоянии электрическим током. Однако в некоторых случаях транспорт энергии путем перевозки топлива экономически эффективнее, особенно при применении нефте- и газопроводов. Первоначальные затраты на сооружение ГЭС выше, чем на ТЭС. Также большим недостатком равнинных ГЭС является отчуждение земель, затопляемых водохранилищем. постепенно происходит размыв берегов искусственных водоёмов, их заиливание и нарушение экологического баланса в зоне водохранилищ.

2

УЧАСТИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В ПОКРЫТИИ СУТОЧНОГО ГРАФИКА НАГРУЗОК

Агрегаты тепловых станций из холодного состояния до рабочих параметров выводятся за несколько десятков часов, поэтому тепловые станции используются для покрытия базовой части нагрузки (заштрихованная область на диаграмме). Агрегаты ГЭС выводятся из состояния покоя до рабочих параметров за 30 сек., поэтому агрегаты ГЭС являются мобильными, они рассчитаны на резкий переменны режим работы, следовательно пиковую часть графиков покрывают средствами ГЭС. Чем больше разных типов станций входит в энергосистему, тем выгодней работа каждой в отдельности.

ШКАЛА НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ

40В; 220В; 380В; 660В; 3кВ; 6кВ; 10кВ; 20кВ; 35кВ; 110кВ; 220кВ; 330кВ; 500кВ; 750кВ; 1150кВ.

Шкала даётся для величин линейных напряжений трёхфазных энергетических систем.

40В – осветительные сети (стационарные или переносные), монтажные, ремонтные, наладочные работы.

220В – коммунально-бытовые нагрузки и осветительные сети в составе коммунальнобытовых нагрузок.

380В и 660В – внутрицеховое и внутризаводское снабжение для силовой и осветительной нагрузки. 380В применяют, если площадь цеха плотно и равномерно нагружена электроприемниками и единичные мощности мелкие или средние (до 100 кВт). 660В осветительная и силовая нагрузка в цехах большой протяженности при подавляющем большинстве крупных потребителей, рассредоточенных по цеху. Это напряжение требует в цеху дополнительной трансформации. Сеть 380В может быть единой.

3кВ – генератор напряжения.

6кВ и 10кВ – местные сети и сети внутрицехового напряжения.

20кВ – используются сравнительно редко для развития сетей, имеющих такие напряжение. Генераторное напряжение.

35кВ – разветвленные сети, предназначенные для электроснабжения небольших сосредоточенных нагрузок (порядка нескольких мВт) имеющих протяженность 40-50 км.

3

Потребители 1 категории должны запитываться от двух взаимно резервирующих независимых источника. Допускается перерыв электроснабжения на время включения резерва автоматикой. Особая группа запитывается от трёх взаимно резервирующих независимых источников. Перерыв в электроснабжении недопустим.

2 категория должна быть запитана от двух взаимно резервирующих источника, Перерыв допускается на время включения резерва персоналом – не более 30 мин.

3 категория запитывается от одного источника питания. Допускается перерыв в электроснабжении равный одним суткам.

СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТУРБОГЕНЕРАТОРЫ

Турбогенераторы – быстроходные, горизонтальные, неявнополюсные машины с частотой вращения 3000, 1500 или реже 750 об./мин.

Корпус статора турбогенератора

Статор турбогенератора имеет стальной корпус, с торцов закрытый сварными щитами. Корпус турбогенератора должен быть газонепроницаемым и механически прочным.

Сердечник статора состоит из отдельных пакетов собранных, с целью уменьшения вихревых токов, из листов электротехнической стали, толщиной 0,5 мм., покрытых изоляционным лаком и имеющих форму сегмента. В машинах небольшой мощности используют горячекатаную сталь, крупной мощности

– холоднокатаную сталь. Последняя имеет более высокую магнитную проницаемость и меньшие удельные потери. Обмотка статора выполнена стержневой и укладывается в пазы. Используется двухслойная петлевая обмотка с укороченным шагом. Обмотка в лобовых частях соединяется пайкой. Сварка материала запрещена! В турбогенераторах с

поверхностным охлаждением обмотка сплошного сечения, если охлаждение непосредственное – обмотка полая внутри. Проводники обмотки выполнены из электролитической меди и изолируются друг от друга асбестом или стекловолокном. Для изоляции стержней друг от друга используется непрерывная компаундированная изоляция класса B. Стремятся использовать термореактивную изоляцию, стойкую к термическому воздействию и механическому истиранию.

Ротор укладывают на два опорных подшипника скольжения, имеющих принудительную смазку маслом, общую с турбиной. Из-за высокой скорости вращения в роторе турбогенератора возникают значительные механические напряжения, поэтому роторы крупных турбогенераторов выполняют из цельной поковки высоколегированной стали, валы также выполняются кованными. Для мелких и средних турбогенераторов бочка ротора выполняется из углеродистой стали. На поверхности бочки ротора фрезеруют пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Пазы за-

5

Вертикальные гидрогенераторы имеют один опорный подшипник, называемый подпятником, общий для всего агрегата турбогенератора. Подпятник воспринимает силу тяжести самого агрегата, т.е. ротора генератора, рабочего колеса турбины, вертикальную составляющую реакции воды и передает её опорной крестовине. В зависимости от расположения подпятника исполнение бывает подвесное и зонтичное. Если опорный подпятник находится в верхней опорной крестовине, то исполнение называется подвесное, если в нижней, то зонтичное. В вертикальном положении агрегат удерживают два направляющих подшипника. При подвесном исполнении генератор механически более устойчив и имеет более удобный доступ для осмотра и ремонта. При зонтичном исполнении уменьшаются габаритные размеры агрегата, что позволяет уменьшить высоту машинного зала, поэтому для крупных тихоходных гидрогенераторов при больших нагрузках рекомендуют зонтичное исполнение. Если корпус гидрогенератора имеет в диаметре 4 метра и более, то статор выполняют разъемным, корпус гидрогенератора выполняют сварным из листовой стали.

Статор набирают из отдельных пакетов. Для небольших гидроагрегатов применяют горячекатаную сталь, для крупных – холоднокатаную. Конструктивно пакеты такие же, как у статора турбогенератора. Обмотка статора небольших гидроагрегатов выполняется катушечной, для крупных – стержневой. Для изоляции статорной обмотки используют термореактивные материалы.

Ротор гидрогенератора выполнен явнополюсным. Представляет собой колесо большого диаметра, внутренняя часть которого называется остовом, а внешняя – ободом. Обод насаживается на остов с помощью втулки. Наружная часть обода набирается из штампованных сегментов. На ободе находятся полюсы с обмоткой возбуждения. Чем ниже частота вращения, тем выше количество полюсов, расположенных на ободе. При больших диаметрах ротора в ободе возникают значительные механические напряжения, что ведет к недопустимым вибрациям. Чтобы устранить эти вибрации используют

горячую посадку обода на остов. Полюс ротора состоит из стального сердечника, собранного из отдельных пластин листовой стали или выполненного из цельной поковки. Катушечная обмотка возбуждения выполняется проводом прямоугольного сечения. При непосредственном охлаждении провод полый внутри. Большинство гидрогенераторов имеют дополнительную демпфирующую обмотку для облегчения условий пуска, выполненную из медных или латунных стержней. В торцевой части стержни демпфирующей обмотки объединяют латунными или медными сегментами в короткозамкнутое кольцо. В качестве межвитковой изоляции используют изоляцию класса B. Для изоляции катушки от сердечника используют асбест. Контактные кольца роторов выполнены из стали.

МАРКИРОВКА ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

Т – турбогенератор.

Г, В, В, Ф – система охлаждения (газ, водород, вода, форсированная). Цифра – мощность в мВт.

Цифра – избыточное давление (кгс/мм2).

7

СИНХРОННЫЙ КОМПЕНСАТОР

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель без нагрузки на валу. Используется для регулирования перетоков реактивной мощности по сетям высоких классов напряжений. Различают два режима работы синхронного компенсатора: режим перевозбуждения ( I f > I f ном ) – компенсатор выдает мощность в сеть; режим недовозбуждения ( I f < I f ном ) – ком-

пенсатор потребляет из сети реактивную мощность.

Синхронные компенсаторы выполняются с явнополюсными роторами, конструктивно аналогичны гидрогенераторам, но всегда имеют горизонтальное исполнение. В таком исполнении уменьшается масса, размер машины, стоимость и упрощается фундамент. С целью повышения устойчивости параллельной работы синхронные компенсаторы выполняются с большим моментом инерции, поэтому валы выполнены массивными. Для повышения механической прочности валы выполняются кованными. Синхронные компенсаторы в явнополюсном исполнении при частоте вращения 750 или 1000 оборотов в минуту имеют меньшую стоимость и меньшие потери энергии. Для улучшения условий пуска используют демпфирующую обмотку, чтобы получить большой пусковой момент стержни этой обмотки выполняются из материалов, имеющих повышенное активное сопротивление. В режиме потребления реактивной мощности возникают тяжелые условия для работы синхронных компенсаторов по условию нагрева.

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Полная мощность, выдаваемая генератором в номинальном режиме равна:

S = k × A× Bб × D2 ×l × n

где k – коэффициент пропорциональности;

А – линейная плотность тока статора в номинальном режиме; Bб – индукция в воздушном зазоре;

D – диаметр машины; l – длина машины;

n – скорость вращения (об/мин).

При заданной частоте вращения n и индукции в воздушном зазоре Bб (которая ограничена

насыщением в зубцовом слое и составляет 0,8-1 Тл) следует рассмотреть изменение размеров D и l. При заданной частоте вращения увеличение диаметра приводит к росту механических напряжений в теле ротора турбогенератора или ободе гидрогенератора. Поэтому предельные диаметры определяются механической прочностью машин. Установлено, что предельное отношение l/D не должно превышать 6,5, что соответствует длине l=8 м. Поэтому увеличение мощности возможно только за счет увеличения линейной плотности тока. Поперечное сечение пазов ротора и предельное сечение проводников обмоток при неизменном диаметре также не могут быть увеличены. Поэтому повышение мощности генератора возможно только за счет увеличения линейной плотности тока статора A. Это ведет к повышенному перегреву обмоток, поэтому необходимо применять интенсивные системы охлаждения. Системы охлаждения предназначены для отвода тепла, выделяемого в машине с целью поддержания температуры элементов генератора в требуемых пределах (в Цельсиях): ротор 100-130; статор 120-140; активная сталь 120. В качестве охлаждающей среды в генераторах используют воздух, водород, масло и воду. Все системы охлаждения делятся на косвенные (поверхностные) и непосредственные (внутрипроводниковые).

ИЗОЛЯЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Предельный нагрев генератора определяется изоляцией обмоток, статора и ротора. Интенсивное выделение тепла приводит к старению изоляции, а именно к ухудшению диэлектрических характеристик, выкрашиванию изоляции, понижению механической прочности и эластичности. Опытным путем установлено, что повышение температуры изоляции на 8 градусов Цельсия ведет к сокращению срока службы оной в 2 раза.

8

По нагревостойкости все изоляционные материалы делятся на 7 классов. Из них 3 применяются в конструкции генераторов.

Класс В: материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с органическими пропитывающими и связующими составами (битумные компаунды - материалы, которые размягчаются и вытекают из обмотки при 110-120 градусах Цельсия).

Класс F: те же материалы, что и в группе В, но пропитывающие и связующие компоненты – эпоксидные смолы. Температура 150-160 градусов Цельсия.

Класс H: те же материалы, что и в двух предыдущих группах, но пропитывающие и связующие компоненты – кремний-органические вещества. Температура до 180 градусов Цельсия.

КОСВЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Используют воздух или водород, циркулирующий в зазоре между статором и ротором и в вентиляционных каналах. Поэтому тепло отводится от изоляции, а не непосредственно от проводника. Поэтому при косвенном охлаждении генератора, его мощность существенно зависит от тепловых характеристик изоляции.

Рассмотрим косвенные воздушные системы охлаждения. Они могут быть проточными и замкнутыми. В проточной системе охлаждения воздух забирается из атмосферы, пропускается через очистительные фильтры, подается в машину и, отработав, выбрасывается наружу. Недостатки: низкая степень очистки, поэтому применяется для небольших генераторов.

При увеличении мощности применяют замкнутую систему, при этом внутри машины циркулирует один и тот же воздух. Отсутствие притока свежего воздуха облегчает условия пожаротушения при авариях, воздух может быть лучше очищен, но требуется дополнительный охладитель, что приводит к дополнительным затратам энергии на обслуживание машины, т.е. снижает КПД и удорожает конструкцию.

КОСВЕННЫЕ ВОДОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Такая система может быть только замкнутой. Корпус генератора должен быть газонепроницаемым и механически прочным, а также иметь надежное уплотнение. В гидрогенераторах из-за больших размеров надежное уплотнение выполнить невозможно, поэтому водород для них неприменим. По сравнению с воздухом, водород имеет большую теплопроводность, меньшую плотность, больший коэффициент теплоотдачи с поверхности, поэтому применение водорода позволяет на 15-20% повысит мощность машины. Применение водорода снижает трение, что увеличивает КПД на 1%. Водород не поддерживает горение. Изоляция в водородной среде имеет больший срок службы. Однако при смешении водорода с кислородом образуется взрывоопасная смесь, поэтому необходимо, чтобы содержание водорода было не ниже 70%. Чтобы устранить проникновение воздуха внутрь машины, давление водорода должно быть немного выше атмосферного, что приводит к повышению требований к механической прочности корпуса и качеству сварочных работ.

НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Позволяют отводить тепло от проводника обмотки, т.е. тепло отдается непосредственно охлаждающей среде, а не изоляции. Для непосредственного охлаждения используют воду, водород и масло. Непосредственное водородное охлаждение для охлаждения ротора турбогенератора применяет аксиальную и многоструйную системы. Для обмоток статора только аксиальную. Для активной стали статора – многоструйную или одновременно аксиальную и многоструйную. Недостаток аксиальной системы – резкая неравномерность нагрева обмотки по длине и необходимость использования высокотемпературных компрессоров, что снижает КПД генератора и усложняет конструкцию. Многоструйная система дает равномерность нагрева, но технически осуществляется сложно.

9

НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ МАСЛЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Благодаря высоким изоляционным свойствам трансформаторного масла возможно использование для обмотки статора дешевой бумажной изоляции. Хорошие механические свойства масла облегчают подвод и отвод его от обмотки. Но масло вязкое и течение масла имеет ламинарный характер, что снижает эффективность теплоотдачи. Поэтому для создания необходимой скорости циркуляции масла требуется создавать значительное давление. Это снижает КПД установки в целом. Масло является горючей средой и обладает недостаточной теплоотводящей способностью. Наиболее целесообразно применение масла при напряжении в 35 кВ. Это может позволить отказаться от трансформации и присоединении генератора непосредственно к распределительным устройствам.

У генератора с масляным охлаждением сердечник статора с обмоткой помещен в стеклотекстолитовый стакан, заполненный маслом. Ротор находится под небольшим вакуумом. Холодное масло поступает в камеру лобовых частей, затем в аксиальные камеры, проходит всю активную часть и выходит с другой стороны, затем подается в маслоохладитель.

НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ВОДЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Благодаря высокой теплопроводности и низкой вязкости воды непосредственное водяное охлаждение самое эффективное. На станциях используют отработанный конденсат или дистиллированную воду. Подвод конденсата осуществляется со стороны лобовых частей. Для гидрогенераторов непосредственное водяное охлаждение является наиболее приемлемым.

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Предназначена для запитки обмотки возбуждения постоянным током и регулирования тока возбуждения. Системы возбуждения характеризуются параметрами:

1.U fH – напряжение возбуждения, номинальное;

2.I fH – ток обмотки возбуждения, номинальный;

3.PfH = U fH × I fH – мощность возбуждения, номинальная (как правило составляет от 0,2-0,6%

номинальной мощности генератора);

4.форсировочная способность или кратность форсировки;

5.быстрота системы возбуждения в аварийных режимах (1/с).

Выбор минимального напряжения возбуждения определяется следующими параметрами:

1.мощность возбудителя;

2.предельные токи, которые могут быть пропущены через контактные кольца и щетки;

3.напряжение, при котором возбудитель работает надежно (от 80 до 600 В).

Ток возбуждения зависит от мощности генератора и может составлять от нескольких десятков ампер до 8 кА. Под форсировочной способностью по напряжению понимают отношение наибольшего установившегося напряжения к номинальному напряжению возбудителя. Быстродействие системы возбуждения в процессе форсировки напряжения при авариях в энергетической системе характеризуется номинальной скоростью возрастания напряжения возбудителя.

Требования, применяемые к системам возбуждения. Система возбуждения должна обеспечивать:

1.надежность питания обмотки возбудителя в номинальных и аварийных режимах;

2.устойчивость регулировки тока возбуждения при изменении нагрузки от нуля до номинальной;

3.сохранение максимального возбуждения в течении времени, необходимого для ликвидации аварии;

4.быстродействие;

5.кратность форсировки по напряжению не менее 2х.

Кратность форсировки по напряжению ограничена напряжением возбудителя, т.е. напряжением изоляции обмотки ротора. При наличии коллекторного возбудителя возникает опасность

10