Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Гідротурбіна (насос-турбіна) разом з гідрогенератором (генератором-двигуном) утворюють гідроагрегат (оборотний гідроагрегат), в якого, як правило, з'єднання валів гідротурбіни й гідрогенератора жорстке й відповідно частота їх обертання однакова. В особливих випадках для зменшення габаритів гідроагрегата (наприклад у капсульних гідроагрегатах) і при відносно невеликій його потужності з'єднання валів виконується через мультиплікатор, що підвищує частоту обертання генератора.

Гідрогенератори. На ГЕС звичайно встановлюються синхронні трифазні гідрогенератори, до основних параметрів яких відносяться активна (номінальна) потужність Nген, кВт; повна (уявна) потужність кВ·А; реактивна потужність Qген = S sin?; напруга U, кВ – лінійна напруга статорної обмотки, яка залежить від потужності генератора й напруги в ЛЕП (звичайно при потужності генератора до 15 МВт U=6,3 кВ, до 70 МВт U=10,5 кВ, а при більших потужностях – 18 кВ і вище); сила струму статора I, А, що залежить від потужності й напруги генератора; коефіцієнт потужності sin?, який встановлюється залежно від вимог енергосистеми й потужності генератора й при великих потужностях звичайно становить 0,85–0,90; нормальна (синхронна) частота обертання n0 = 60f, 2 об/хв, де: Р – число полюсів ротора генератора; f – частота струму в мережі, яка в більшості країн світу становить 50 Гц, а в ряді країн Америки й Азії – 60 Гц; коефіцієнт корисної дії, який для середніх і великих гідрогенераторів звичайно дорівнює 97,5–98,5%.

Гідроагрегати залежно від положення вала поділяються на горизонтальні (див. мал. 5.6), похилі й вертикальні.

Велика потужність при відносно невеликій частоті обертання приводить до значних розмірів гідрогенераторів (зовнішній діаметр корпуса статора досягає 20 м), які, як правило, виконуються з вертикальним валом.

Вертикальні гідроагрегати виконуються з підвісними гідрогенераторами звичайно при n0 > 200 об/хв і зонтичними – при n0 < 200 об/хв. Підвісні генератори (див. мал. 5.10) характеризуються тим, що підп'ятник розташований над ротором, на верхній опорній хрестовині. Ці генератори мають один або два напрямні підшипники.

У генераторах зонтичного виконання (див. мал. 5.8) підп'ятник встановлюється під ротором і навантаження від нього сприймається нижньою хрестовиною або спеціальною опорою на кришці турбіни. Напрямний підшипник один, розташовуваний у верхній хрестовині, при опорі підп'ятника на кришку турбіни (насос-турбіни) вал генератора (генератора-двигуна) відсутній, що значно скорочує розмір по вертикалі генератора (генератора-двигуна) і, отже, будинку ГЕС (ГАЕС).

Гідрогенератори складаються з обертової частини – ротора, на якому укріплені полюси з електричною обмоткою постійного струму, і нерухливої частини – статора із сердечником і обмоткою змінного струму.

Підвісні генератори. Ротор гідрогенератора складається з маточини, насадженої на вал, і обода, на якому укріплені полюси, кожний з яких являє собою електромагніт, що включає сердечник і обмотку. Обід збирається зі сталевих сегментів, виштампуваних з листової сталі (шихтований ротор) товщиною 4–5 мм, при невеликому діаметрі ротора (до 4,5 м) іноді виконується із суцільнокованих кілець. Сердечники полюсів набираються зі штампованих листів товщиною 1,5–2 мм.

Кінці обмоток полюсів виведені на два контактні кільця, до яких підводять постійний струм – збудження. Знизу до торцевої частини обода ротора кріпиться гальмове кільце, що складається із сегментів, до якого при гальмуванні гідроагрегата притискаються колодки гальм.

Звичайно вал робиться порожнім, а його внутрішня порожнина використовується для розміщення мастилопроводів системи розвороту лопатей робочого колеса (у поворотнолопатевих, діагональних турбінах), а також для подачі повітря під робоче колесо для зменшення пульсаційного тиску.

Статор за умовами транспортування звичайно виконується з 2–6 частин, з'єднаних фланцями й болтами, і встановлюється всередині залізобетонної шахти. Статор включає сердечник, обмотки змінного струму й корпус, в якому кріпиться сердечник. Обмотка буває котушковою або стрижневою. Котушки з'єднуються послідовно, утворюючи фази обмотки статора.

Сердечник (активна сталь), у пази якого закладається обмотка, з метою зниження індукційних втрат набирається із сегментів, відштампованих з високолегованої холоднокатаної електротехнічної сталі товщиною близько 0,5 мм. Для кращого охолодження в сердечнику передбачаються вентиляційні канали.

Корпус закріплюється болтами на бетонному масиві. Від статора шинами струм відводиться до трансформатора.

Опорні конструкції ротора гідрогенератора складаються з підп'ятника й підшипників, верхньої й нижньої хрестовин і розпірних домкратів. Радіальні підшипники сприймають навантаження, спрямоване перпендикулярно до осі вала, а підп'ятник – навантаження, спрямовані уздовж осі. При цьому підп'ятник сприймає великі навантаження від маси всіх обертових частин генератора (ротор, вал) і турбіни, а також осьові зусилля від тиску води, що виникають на робочому колесі турбіни. Верхня й нижня хрестовини являють собою металеві конструкції, призначені для розміщення на них підп'ятників або підшипників. У підвісній конструкції генератора підп'ятник розміщується на верхній хрестовині, й ротор виходить як би підвішеним.

Верхня хрестовина опирається на корпус статора й розкріплюється гвинтовими домкратами в радіальному напрямку, нижня опирається безпосередньо на бетонний масив будинку ГЕС. При опорі підп'ятника на кришку турбіни нижня хрестовина відсутня.

Для відводу теплоти, що виділяється при роботі гідрогенератора, використовуються повітряна й водяна системи охолодження. Найбільш ефективною, як правило, є система водяного охолодження.

Зонтичні генератори. У гідрогенераторі на мал. 5.8 на відміну від підвісних генераторів підп'ятник встановлений на нижній хрестовині, яка має в даній конструкції форму усіченого конуса, що опирається на кришку турбіни.

Капсульні гідроагрегати. У капсульних гідроагрегатах (див. мал.5.6), в яких гідрогенератор розміщується в капсулі, в умовах обмежених габаритів застосовується система примусового охолодження обмоток ротора й статора (Київська та Канівська ГЕС) або водяне охолодження (Саратовська ГЕС).

Вал агрегату опирається на турбінний і один або два генераторні підшипники. Підп'ятник має п'яту й контрп’яту, щоб сприймати пряме й зворотне осьове гідродинамічне зусилля. Діаметр капсули становить звичайно 1,0–1,2 діаметра робочого колеса.

Найбільші генератори потужністю 700 МВт, виготовлені фірмою «Alston Power», встановлені на ГЕС Гренд-Кулі (США), ГЕС Ітайпу (Бразилія–Парагвай), а в останні роки на ГЕС Guri II (Венесуела) і ГЕС «Три ущелини» (Китай).

Великі сучасні агрегати різних типів виготовляють також фірми АВВ, «Voith Siemens», «Tech Hydro», «Toshiba», ВАТ «Електросила» (Росія), ВАТ «Електроважмаш» (Україна) й ін.

Гідрогенератори-двигуни. Особливістю гідрогенераторів-двигунів є те, що залежно від режиму роботи їх ротори обертаються в обох напрямках, у зв'язку із чим змінюється конструкція підп'ятника й підшипників. В умовах різкого збільшення кількості пусків і зупинок, частої зміни режимів оборотних агрегатів до генераторів-двигунів висуваються більш високі вимоги в порівнянні з генераторами.

У цілому конструкція синхронних гідрогенераторів-двигунів мало відрізняється від конструкції генераторів.

В Україні великі сучасні гідрогенератори-двигуни виготовляються на ВАТ «Електроважмаш». На мал. 5.17 наведений розріз по одному з найбільших в Європі оборотних агрегатів Дністровської ГАЕС із генераторомдвигуном, виготовленим на ВАТ «Електроважмаш». Його генератори-двигуни встановлені також на Ташлицькій ГАЕС, Жарновицькій (Польща), Круонісській (Кайшадорській) (Литва). Великі сучасні гідрогенератори-двигуни, виготовлені в Росії на ВАТ «Електросила», встановлені на Загорській ГАЕС (Росія) і Круонісській (Литва).

Таблиця 5.1. Основні параметри великих гідрогенераторів-двигунів

Таблиця 5.2. Параметри великих ГАЕС із гідроагрегатами-двигунами зі змінною частотою обертання

Великі сучасні гідрогенератори-двигуни також роблять фірми «Alstom Power», «Tech Hydro», ABB, «Hitachi», «Toshiba», «Voith Siemens» та ін.

У табл. 5.1 наведені параметри ряду великих гідрогенераторів-двигунів.

Найпотужніший генератор-двигун потужністю в турбінному режимі 470 МВт встановлений на ГАЕС Kannagawa в Японії.

З огляду на розбіжність оптимумів к.к.д.

оборотних гідромашин по наведеній частоті обертання в насосному й турбінному режимах, що призводить до зниження к.к.д. у турбінному режимі, в останні роки стали застосовувати гідрогенератори-двигуни зі змінною частотою обертання.

У табл. 5.2 наведено параметри деяких гідрогенераторів-двигунів зі змінною частотою обертання.

У таких асинхронних генераторах-двигунах ротор виконується із двома або трьома обмотками, які можуть постачатися як постійним, так і змінним струмом. При постачанні постійним струмом ротор рухається синхронно з полем статора, а при постачанні струмом частоти ковзання – асинхронно. При цьому, незважаючи на ускладнення конструкції, при зміні частоти обертання к.к.д. акумулювання може зрости приблизно на 6%, а також підвищується ефективність виконання ГАЕС завдань системного регулювання.

Перевезення робочого колеса першого агрегату Дністровської ГАЕС