Гидротехника. Основное оборудование гидроэлектростанций.

Статьи категории Промышленность :: дата добавления 12 апреля 2016 г.

На гидроэлектростанциях для преобразования потенциальной энергии водотока в электрическую энергию и передачи последней потребителям устанавливается различное технологическое оборудование. К основному технологическому оборудованию принято относить гидравлические машины — гидротурбины и электрические машины — гидрогенераторы, а также механическое оборудова ни е ГЭС и крупногабаритные электрические аппараты — трансформаторы. Вспомогательное технологическое оборудование необходимо для включения, бесперебойной работы и остановки основного оборудования.

Размещение оборудования. Размещение основного и вспомогательного оборудования в пределах здания ГЭС, в дополнительных помещениях и на берегу бывает различным. Однако существуют некоторые традиционные решения, хорошо зарекомендовавшие себя на практике. При размещении оборудования обычно приходится учитывать характер компоновки сооружений гидроэлектростанции; условия, определяющие тип здания ГЭС; габариты, массу и другие параметры оборудования, а также способы его доставки к месту установки. Тип того или иного устройства, машины, аппарата, прибора выбирается с учетом требований удобства эксплуатации, надежности, долговечности и безаварийной работы. При эксплуатации гидроэлектростанций решается задача повышения эффективности и качества работы предприятия. Эта цель достигается путем повышения коэффициента полезного действия оборудования и снижения расходов на его эксплуатационно-ремонтное обслуживание.

Гидротурбины.

Двигатель, преобразующий механическую энергию потока воды в энергию вращающегося твердого тела, называется гидротурбиной. Для краткости далее будем называть ее просто турбиной. Основным органом, в котором преобразуется энергия, является рабочее колесо турбины. Мощность на валу турбины можно определить, если известны напор Н и расход воды по формуле, которая отличается от формулы для мощности агрегата лишь отсутствием КПД генератора.

Величины С и Н изменяются в очень широких пределах, поэтому мощность турбин бывает от десятков до нескольких сотен тысяч киловатт, а диаметр рабочих колес изменяется от десятых метра до 10м. 
В зависимости от принципа действия современные турбины делятся на два класса — реактивные и активные. Давление воды перед рабочим колесом реактивной турбины больше атмосферного, что и заставляет колесо вращаться. К рабочему колесу активной турбины вода поступает из сопла в виде свободной летящей в воздухе струи и указывает на колесо динамическое воздействие.

Проточная часть реактивных турбин с вертикальным валом имеет сложную форму. Турбинные камеры  и отсасывающие трубы  как элементы технологического оборудования выполняют при строительстве по мере возведения здания ГЭС, тогда как статор, камера рабочего колеса, направляющий аппарат и другие элементы турбины поставляют с завода в готовом виде.

В зависимости от того, как направлен поток воды, поступающий из направляющего аппарата к лопастям рабочего колеса, реактивные турбины делят на три группы: осевые, радиально-осевые (РО) и диагональные (Д). В свою очередь осевые турбины бывают двух типов, а именно: поворотно-лопастные (ПЛ) и пропеллерные (П).

Для каждого типа турбин выявлены границы использования их по напору — диапазон напоров.

В последние годы на низконапорных ГЭС стали устанавливать ПЛ-турбины на горизонтальном валу, что значительно упростило формы подводной части здания ГЭС. В этом случае отсасывающая труба выполняется прямоосной, а турбинная камера — цилиндрической. Применение подобной турбинной камеры позволяет разместить в ней металлическую капсулу, в
которой находится малогабаритный генератор.

При напорах более 500 м целесообразно применять активные турбины ковшового типа. Рабочее колесо такой турбины по внешнему ободу имеет ковши. Струя воды, вылетая из сопла, попадает на ковши и вращает рабочее колесо, которое находится в воздухе.  Ковшовые турбины получили распространение во многих странах. Они устанавливаются на высоконапорных деривационных ГЭС при Н = 500-1800 м.

Прогрессивными тенденциями в турбостроении являются увеличение мощности машины и повышение КПД в широком диапазоне условий ее работы. Кроме того, исследователи и конструкторы стремятся повысить надежность и долговечность турбины, улучшить технологию ее изготовления, продвинуть каждый из существующих типов турбин в область более высоких напоров.

Важным этапом отечественного турбостроения было создание большой серии ПЛ-турбин для Волжских ГЭС имени В. И. Ленина и имени XXII съезда КПСС мощностью 126 МВт каждая, диаметром рабочего колеса 9,3 м. К началу 80-х годов самое большое рабочее колесо  было у ПЛ-турбин Саратовской ГЭС на Волге. Среди крупнейших в мире РО-турбин следует отметить машины Красноярской ГЭС и Саяно-Шушенской ГЭС на Енисее. Подобный рост мощности турбин стал возможен за счет научно-технического прогресса не только в машиностроении, но и в металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Первая крупная отечественная вертикальная ковшовая турбина установлена в 1967 г. на Татевской ГЭС. Ее мощность — 54,6 МВт при расчетном напоре 568 м и частоте вращения 500 об/мин.

Высокий уровень отечественного гидроэнергетического машиностроения получил признание во многих странах мира.

Накопленный большой опыт проектирования, изготовления и эксплуатации турбин использован для разработки их номенклатуры, на основе которой осуществляется их выбор для новых ГЭС.

Гидрогенераторы.

Машина, преобразующая механическую энергию вращения гидротурбины в электрическую, называется гидрогенератором. Далее будем называть его просто генератором. На ГЭС устанавливаются преимущественно синхронные генераторы трехфазного тока в вертикальном исполнении и, значительно реже, с горизонтальным валом. Генератор состоит из неподвижной части — статора  и вращающегося ротора, к которому прикреплены его полюсы. Вал генератора жестко прикреплен к валу турбины, поэтому обе машины можно рассматривать как единый агрегат. Электрическая энергия снимается со статора. Активная сталь статора вместе с полюсами ротора образуют магнитную систему. Для возбуждения магнитного поля применяют постоянный ток, подающийся в обмотки ротора (полюсы).

Частота вращения ротора генератора зависит от частоты переменного тока в электрической сети  и числа пар полюсов.

Генераторы являются весьма совершенными машинами, имеющими высокий КПД. В зависимости от параметров машины и условий работы вертикальные генераторы выполняются трех типов: подвесного, зонтичного и с опорой пяты на крышку турбины. 
Суммарный вес агрегата через статор турбины передается на массив бетона подводной части здания ГЭС. К этой нагрузке добавляется также осевое давление воды на рабочее колесо турбины, которое не всегда удается точно определить расчетом. Поэтому значение осевого давления воды на рабочее колесо, как и многие другие вопросы, приходится выявлять экспериментальным путем на моделях в лабораториях. Кроме лабораторных исследований, важно проводить натурные эксперименты. Их осуществление на головных образцах агрегатов позволяет устранить выявившиеся недостатки и создать серию машин, обладающих хорошими качествами.

Качество агрегата во многом определяется материалом, из которого изготовляются те или иные конструктивные элементы. В турбостроении большинство деталей делается из низколегированной стали, хорошо поддающейся сварке. Исключение составляют элементы, подверженные эрозионному воздействию высокоскоростного потока воды. Лопасти рабочего колеса, ковши и насадки сопл, иногда и лопатки направляющего аппарата приходится делать из нержавеющей стали или покрывать листами этой стали. Указанный материал хорошо противостоит эрозионному воздействию потока воды, даже несущего твердые частицы — наносы. Особые требования предъявляют и к металлу, используемому в генераторах. Конструкторы заводов ищут пути снижения удельной металлоемкости генераторов, т. е. расхода металла на 1 МВт мощности.

Агрегаты с горизонтальным валом находят применение в двух случаях: на высоконапорных ГЭС с ковшовыми турбинами при частоте вращения более 300 об/мин и на низконапорных русловых ГЭС, где целесообразно применять капсульные агрегаты.  
Все рассмотренные типы турбин и генераторов находят применение и на гидроаккумулирующих электрических станциях. С целью удешевления оборудования ГАЭС все большее применение находят так называемые обратимые агрегаты. Обратимая гидромашина может работать и как турбина, и как насос. Обратимая электрическая машина выполняет функции генератора и двигателя. Таким образом, обратимый агрегат представляет собой машину, где двигатель-генератор имеет общий вал с насосом-турбиной. Применение обратимых агрегатов снижает стоимость строительства ГАЭС за счет сокращения расхода металла, более компактного здания и сокращения числа водопроводящих устройств.

Трансформаторы.

Электрические аппараты, преобразующие переменный ток одного напряжения в другое, называются трансформаторами. На ГЭС обычно устанавливаются как повышающие, так и понижающие (для местных нужд) трансформаторы Для передачи энергии в электроэнергетическую систему напряжение тока, поступающего от генератора, должно быть увеличено. С этой целью применяют повышающие трансформаторы - трехфазные или группы однофазных. Высокое напряжение позволяет уменьшить сечение проводов линий передачи и потерю энергии в них.

Крупные трансформаторы выпускаются в соответствии с ГОСТ номинальной мощностью, образующей ряд от 16 до 1000 МВ-А. Мощность фазы однофазного трансформатора составляет 1/3 мощности соответствующего трехфазного трансформатора. В зависимости от мощности, напряжения и типа трансформатора его габариты и масса изменяются в широких пределах. Напрнмер, крупнейший трехфазный трансформатор с высшим напряжением 500 кВ и номинальной мощностью 400 МВ-А имеет массу 410 т, габариты в плане 16,2X7,8м и высоту около 10 м.

Трансформаторы целесообразно размещать ближе к агрегатам ГЭС, и поэтому их устанавливают часто вблизи машинного зала. На низконапорных ГЭС повышающие трансформаторы размещают над отсасывающими трубами, а на приплотннных ГЭС — в пазухе между станционной частью плотины и машинным залом. Обычно их ставят на открытом воздухе, реже — в специальном помещении. При подземном размещении агрегатов иногда и трансформаторы располагают под землей.
От трансформаторов электроэнергия поступает на повышающую подстанцию к распределительным устройствам. Отсюда берут начало лини к электропередачи высокого напряжения (ВЛ), по которым электроэнергия передается к центрам потребления. 

Распределительные устройства разделяются на открытые (ОРУ), т с. находящиеся на открытом воздухе, и закрытые (ЗРУ), когда оборудование стоит в помещениях.