Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций

Подождите немного. Документ загружается.

339

изготовлен из листовой стали толщиной 4-5 мм в виде сегментов,

соединенных между собой множеством болтов. Вес одного сегмента

составляет 60-70 кг.

Даже простейший осмотр нижних лобовых частей обмотки

статора иногда предварялся демонтажом этих щитов. При профи-

лактических же ремонтах работа по демонтажу-монтажу щитов

выполнялась регулярно. Монтаж-демонтаж нижнего воздухоразде-

ляющего щита на одном гидрогенераторе занимал при круглосуточ-

ной работе ~10-12 смен бригадой в составе 11-13 человек. Работа по

разборке и сборке болтовых соединений должна была выполняться

в очень стесненных условиях. Щиты сами по себе неудобны в обра-

щении, тяжелы и громоздки, а место расположения их в генераторе

исключало какую-либо механизацию.

Всё это поставило задачу перед эксплуатацией исследовать

возможность альтернативного решения. При исследованиях учи-

тывалось, в первую очередь, принципиальное положение о том, что

тепловое состояние обмотки, имеющей непосредственное водяное

охлаждение, не зависит от изменения режима вентиляции гидро-

генератора. Поэтому в расчётах и исследованиях внимание было

сосредоточено только на изменении теплового состояния активного

железа, и, в особенности, его торцевых зон, а также обмотки возбуж-

дения и демпферной системы ротора.

Исследования показали, что существовавшая система вентиля-

ции не обладала оптимальными свойствами по распределению вен-

тиляционного воздушного потока, которая проектировалась как

двусторонняя. Фактически имелись рециркулирующие, паразитные

потоки через проёмы звезды ротора, минующие воздухоохладители

(рис. 4.41а). Это увеличивало вентиляционные потери, которые

составляли около 2000 кВт [85]. Впоследствии в [91] был обобщен

опыт натурных исследований систем вентиляции нескольких мощ-

ных гидрогенераторов, у которых явление помпажа имело место и

так же ярко было выражено (неустойчивый режим циркуляции

воздуха, сопровождающийся резкими колебаниями давления и

расхода и наличием обратных перетеканий среды).

За счёт эффекта помпажа через верх красноярского гидроге-

нератора поток воздуха составлял ~170 м

/с, а полезный венти-

ляционный расход через генератор ~160 м

/с; через низ ожидаемого

направления потока не было, практически весь расход воздуха

проходил через верх гидрогенератора. Поток, попадая сверху в звезду

ротора насосным действием его спиц, направлялся через каналы

обода ротора и одновременно с этим, из-за недостаточно задроссе-

лированного входа в звезду ротора, частично отбрасывался вниз в

окна между спицами. Внизу под ротором поток получал круговое

вращательное движение и ответвлялся, направляясь в камеру хо-

340

лодного воздуха. Там он присоединялся к потоку, выходящему из

воздухоохладителей, и оба потока направлялись вверх к звезде ро-

тора, происходило самопроизвольное перераспределение потоков и

превращение схемы вентиляции гидрогенератора практически в од-

ностороннюю. Несмотря на это, для режимов перевозбуждения

генератора превышение средней температуры сердечника статора не

выходило за допустимые пределы. Проведенными исследованиями,

в которые большой вклад внес И. Ф. Филиппов, было подтверждено

предложение о ликвидации нижнего горизонтального воздухораз-

деляющего щита и переустройства вертикального щита, что обес-

печило целевое образование односторонней схемы вентиляции

гидрогенераторов, успешно реализованное на всех генераторах Крас-

ноярской ГЭС (рис. 4.41б). Это мероприятие существенно улучшило

ремонтопригодность гидрогенераторов.

Исследования показали также, что вихревое движение воздуха

в районе тормозных тумб значительно ослабило эффект лопаточного

вентилятора, расположенного на роторе, и вызвало увеличение наг-

рева торцевой зоны сердечника статора. Разработка и внедрение

мероприятий по усилению вентиляции крайних пакетов железа за

счёт уменьшения количества обмоткодержателей ротора (рис. 4.42),

Рис. 4.41а Явление помпажа. Самопроизвольное перераспределение

потоков воздуха на запроектированной двусторонней системе

вентиляций Красноярского гидрогенератора

1 – нижний горизонтальный воздухоразделяющий щит

341

Рис. 4.42 Часть обмоткодержателей катушек полюсов снята

1 – обмоткодержатели; 2 – обмотка катушки полюса; 3 – междуполюсное соединение;

4 – железо ротора; 5 – каналы обода ротора

Рис. 4.41б Схема односторонней вентиляции гидрогенератора

Красноярской ГЭС с подачей воздуха на ротор сверху

1 – вертикальный воздухоразделяющий щит

342

позволившая открыть каналы обода ротора для прямого обдува тор-

цевых зон, решила и эту задачу. Одновременно это позволило отка-

заться от лопаточных вентиляторов на ободе ротора, что упростило

выполнение на нем ремонтных работ. После реализации указанных

решений была обеспечена высокая ремонтопригодность важнейших

узлов гидрогенераторов 500 МВт Красноярской ГЭС. Все изложенные

разработки были реализованы в проекте гидрогенераторов Саяно-

Шушенской ГЭС. Кроме того, в проекте гидрогенераторов Саяно-

Рис. 4.43 Разрез составной щеки полюса гидрогенератора

Саяно-Шушенской ГЭС

1 – часть щеки из немагнитной стали; 2 – часть щеки из магнитной стали

343

Шушенской ГЭС были учтены очень важные результаты натурных

исследований нагрева торцевых зон сердечников статоров красноярс-

ких гидрогенераторов. Этими исследованиями, а также испытаниями

на других ГЭС было установлено, что с резким повышением удель-

ных электромагнитных нагрузок, характерным для высокоисполь-

зованных гидрогенераторов, сильно возрастает плотность магнитных

полей рассеяния, в частности магнитного потока ротора, вытесняемого

в торцевые зоны сердечника статора. В результате этого значительно

возрастает их нагрев. Заводские исследования на специальном яв-

нополюсном генераторе, где изменялось положение сердечников

полюсов в аксиальном направлении относительно сердечника ста-

тора, показали, что плотность торцевого поля ротора резко снижается,

если торцевая ферромагнитная граница сердечника статора превы-

шает торцевую ферромагнитную границу полюсных наконечников на

величину, равную примерно тройному размеру воздушного зазора

генератора. Этот эффект был использован при конструировании

сердечников полюсов гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС.

Щеки сердечников полюсов выполнены составными: верхняя часть

изготовлена из немагнитного материала, а нижняя – из магнитного

(рис. 4.43). Наряду с этим, была исследована степень проникновения

аксиальных магнитных полей рассеяния по глубине и толщине па-

кетов железа статора. На рисунке 4.44 представлено распределение

аксиальной составляющей магнитной индукции от расточки к телу

Рис. 4.44 Распределение аксиальной составляющей магнитной индукции в

режиме холостого хода с номинальным напряжением на гидрогенераторе

Красноярской ГЭС (от расточки к телу статора)

1 – на торце первого пакета; 2 на втором пакете со стороны первого вентиляционного

канала; 3 – на среднем пакете со стороны вентиляционного канала

344

Рис. 4.45 Конструкция крайних пакетов сердечника статора

гидрогенератора Саяно-Шушенской ГЭС

345

статора в режиме холостого хода с номинальным напряжением гид-

рогенератора Красноярской ГЭС. Исходя из этих исследований, была

сконструирована конфигурация торцевой зоны сердечника статора

генератора Саяно-Шушенской ГЭС. Крайним пакетам придана

ступенчатая форма, зубцы первого и второго пакетов выполнены с

глубокими шлицами глубиной 130 мм (рис. 4.45), нажимные гребенки

изготовлены из немагнитной стали. На рисунках 4.55 и 4.56 пред-

ставлены результаты исследований нагрева сердечников статоров

гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС при повышенной нагруз-

ке. Как видно, нижние пакеты сердечника имеют более высокую

температуру, чем верхние пакеты. На расточке статора разность

температуры достигает 36

С, а на спинке 33

С. Неравномерность

распределения температуры в зубцовой зоне и на спинке сердеч-

ника является результатом неравномерного распределения расхода

воздуха: через верх статора идет около 70% общего расхода. Кроме

того, имеет место неравномерность распределения скоростей воздуха

в вентиляционных каналах сердечника по его высоте. Скорость

колеблется от 10 м/с до 18,5 м/с [85]. Из рисунков видно также, что

второй верхний и первый нижний пакеты сердечника по нагреву

отличаются по сравнению с соседними пакетами, что объясняется,

скорее всего, разной глубиной шлицов в зубцах пакетов, а также

некоторым смещением ротора вниз по отношению к сердечнику ста-

тора. Однако, при всем этом видно, что по нагреву гидрогенератор

Саяно-Шушенской ГЭС имеет значительный запас против допустимых

значений, указанных в проекте и ГОСТе. Это достигнуто благодаря все-

стороннему учету опыта освоения гидрогенераторов Красноярской ГЭС.

Из изложенного следует вновь немаловажный вывод о том, что

перед эксплуатационниками период освоения головных агрегатов

ставит нетрадиционные для них задачи, связанные с организацией

широкого проведения натурных исследований таких машин. Учас-

тие эксплуатационников и, во многих случаях, организация ими

испытаний обеспечивают ускорение решения проблемных задач.

4.3.4 Регулирование температуры обмотки статора

Экспериментальной проверкой и предшествующими ей расчёт-

ными исследованиями переходного процесса теплообмена в системе

охлаждения обмотки статора гидрогенераторов Красноярской ГЭС

было установлено, что без автоматического регулирования этого

процесса агрегаты не смогут обеспечить необходимую мобильность

в энергосистеме. Постоянная времени нагрева обмотки составляет

меньше трех минут.

На основании этих исследований эксплуатационниками впер-

вые были сформулированы требования к регулирующему устройству.

346

Была разработана совместно с заводом схема регулирования на

принципе поддержания постоянства температуры воды на выходе из

обмотки.

В этой схеме регулирование теплового состояния обмотки

статора достигается благодаря разделению расхода охлаждающей

дистиллированной воды на два потока, один через охладители, другой,

минуя их – на перепуск. Принципиальная схема регулятора пред-

ставлена на рисунке 4.46.

Рис. 4.46 Принципиальная схема регулятора температуры охлаждения

обмотки статора

1 – регулирующий орган; 2 – мембрана; 3 – сектор; 4 – золотник; 5 – линия питания;

6 – датчик температуры; 7 – термобаллон датчика; 8 – линия обратной связи

Для крайних граничных условий, когда гидрогенератор вклю-

чен в сеть и не несёт активной нагрузки, и другой случай – работает

с полной мощностью, практически весь расход дистиллированной

воды либо идет на перепуск, либо через охладители. При промежу-

точных нагрузках гидрогенератора расход дистиллята распределя-

ется по определённой зависимости. Разработанный способ регулиро-

вания температуры дистиллированной воды (меди обмотки статора)

имеет преимущество в том, что сохраняется постоянство расхода

347

дистиллята через обмотку. Этим обеспечивается постоянство гид-

равлических сопротивлений в элементах системы, создается ста-

ционарный гидравлический режим как для насосов циркуляции, так

и для системы охлаждения в целом, что не усложняет эксплуатацию

системы. В таблице 71 приведены средние значения параметров

системы охлаждения обмоток статоров гидрогенераторов Крас-

ноярской ГЭС при их номинальной мощности 500 МВт в одном из

режимов летнего графика нагрузки.

Таблица 71. Параметры системы охлаждения обмоток статоров

гидрогенераторов Красноярской ГЭС

Испытания разработанных регуляторов температуры обмоток

статоров проводились в натурных условиях на нескольких гид-

рогенераторах с изменением их нагрузки от нуля до полной, как с

невысокой скоростью регулирования (десятки минут), так и срав-

нительно быстро (минуты). В результате испытаний были получены

статические и динамические характеристики регулятора, которые

представлены на рисунках 4.47 и 4.48.

Статическая характеристика снималась с изменением актив-

ной нагрузки на гидрогенераторе от 500 МВт до 100 МВт в течение

180 мин. ступенями 100, 200, 300, 400, 500 МВт с выдержкой времени

на каждой ступени ~35 минут.

Динамическая характеристика снималась с изменением наг-

рузки от 0 до 380 МВт в течение 5 минут. Температура выходящего

из обмотки дистиллята измерялась с интервалом 10 с.

Из приведенных результатов испытаний видно, что регуляторы

системы охлаждения обмоток статоров гидрогенераторов Красно-

ярской ГЭС обеспечивают достаточно точное поддержание заданных

Активная нагрузка гидрогенератора МВт 500

Расход дистиллята через обмотку м

/час. 155

Давление дистиллята на входе в обмотку МПа 0,29

Давление дистиллята на выходе из обмотки МПа 0,07

Температура дистиллята на входе в обмотку

С 29

Температура дистиллята на выходе из обмотки

С 58

Вакуум в расширительном баке МПа -0,045

Температура меди (средняя из максимальной)

С 68

Количество в работе теплообменников

(охладителей дистиллированной воды)

пар 4

Расход технической воды через теплообменники % 100

Температура технической воды на входе в теплообменник

С 17

348

Рис. 4.47 Статические характеристики регулятора температуры обмотки

статора, полученные при испытании генератора № 3 Красноярской ГЭС

1 – температура меди; 2 – температура дистиллята на выходе из обмотки;

3 – температура дистиллята на входе в обмотку

Рис. 4.48 Динамическая характеристика регулятора температуры обмотки

статора, полученная при испытании генератора № 9 Красноярской ГЭС

1 – наброс нагрузки; 2 – сброс нагрузки

пределов температуры дистиллированной воды и меди статора. Раз-

брос температуры дистиллята на выходе в статических режимах ра-