5.3. Гидрогенераторы и гидрогенераторы-двигатели

Гидротурбина (насосотурбина) совместно с гидрогенератором (генератором-двигателем) образуют гидроагрегат (обратимый гидроагрегат), у которого, как правило, соединение валов гидротурбины и гидрогенератора жесткое и соответственно частота их вращения одинаковая. В особых случаях для уменьшения габаритов гидроагрегата (например в капсульных гидроагрегатах) и при относительно небольшой его мощности соединение валов выполняется через мультипликатор, повышающий частоту вращения генератора.

Гидрогенераторы. На ГЭС обычно устанавливаются синхронные трехфазные гидрогенераторы, к основным параметрам которых относятся активная (номинальная) мощностьNген, кВт; полная (кажущаяся)

мощностькВ·А; реактивная мощностьQген=Ssinϕ; напряжениеU, кВ – линейное напряжение статорной обмотки, которое зависит от мощности генератора и напряжения в ЛЭП (обычно при мощности генератора до 15 МВтU=6,3 кВ, до 70 МВтU=10,5 кВ, а при больших мощностях – 18 кВ и выше); сила тока статора I, А, зависящая от мощности и напряжения генератора; коэффициент мощности sinϕ, который устанавливается в зависимости от требований энергосистемы и мощности генератора и при больших мощностях обычно составляет 0,85–0,90; нормальная (синхронная) частота Р вращенияn0= 60f, об/мин, где:Р– число 2 полюсов ротора генератора;f– частота тока в сети, которая в большинстве стран мира составляет 50 Гц, а в ряде стран Америки и Азии – 60 Гц; коэффициент полезного действияηген, для средних и крупных гидрогенераторов, обычно равен 97,5–98,5%.

Гидроагрегаты в зависимости от положения вала разделяются на горизонтальные (см. рис. 5.6), наклонные и вертикальные.

Высокая мощность при относительно небольшой частоте вращения приводит к большим размерам гидрогенераторов (наружный диаметр корпуса статора достигает 20 м), которые, как правило, выполняются с вертикальным валом.

Вертикальные гидроагрегаты выполняются с подвесными гидрогенераторами обычно приn0>200 об/мин и зонтичными – при n0< 200 об/мин. Подвесные генераторы (см. рис. 5.10) характеризуются тем, что подпятник расположен над ротором, на верхней опорной крестовине. Эти генераторы имеют один или два направляющих подшипника.

В генераторах зонтичного исполнения (см. рис. 5.8) подпятник устанавливается под ротором и нагрузка от него воспринимается нижней крестовиной или специальной опорой на крышке турбины. Направляющий подшипник один, располагаемый в верхней крестовине, при опоре подпятника на крышку турбины (насосотурбины) вал генератора (генератора-двигателя) отсутствует, что значительно сокращает размер по вертикали генератора (генератора-двигателя) и, следовательно, здания ГЭС (ГАЭС).

Гидрогенераторы состоят из вращающейся части – ротора, на котором установлены полюса с электрической обмоткой постоянного тока, и неподвижной части – статора с сердечником и обмоткой переменного тока.

Подвесные генераторы. Ротор гидрогенератора состоит из ступицы, насаженной на вал, и обода, на котором укреплены полюса, каждый из которых представляет собой электромагнит, включающий сердечник и обмотку. Обод собирается из стальных сегментов, выштампованных из листовой стали (шихтованный ротор) толщиной 4–5 мм, при небольшом диаметре ротора (до 4,5 м) иногда выполняется из цельнокованых

колец. Сердечники полюсов набираются из штампованных листов толщиной 1,5–2 мм. Концы обмоток полюсов выведены на два контактных кольца, к которым подводится постоянный ток – возбуждение. Снизу к торцевой части обода ротора крепится состоящее из сегментов тормозное кольцо, к которому при торможении гидроагрегата прижимаются колодки тормозов.

Обычно вал делается полым, а его внутренняя полость используется для размещения маслопроводов системы разворота лопастей рабочего колеса (в поворотнолопастных, диагональных турбинах), а также для подачи воздуха под рабочее колесо для уменьшения пульсационного давления.

Статор по условиям транспортировки обычно выполняется из 2–6 частей, соединенных фланцами и болтами, и устанавливается внутри железобетонной шахты. Статор включает сердечник, обмотки переменного тока и корпус, в котором крепится сердечник. Обмотка бывает катушечной или стержневой. Катушки соединяются последовательно, образуя фазы обмотки статора.

Сердечник (активная сталь), в пазы которого закладывается обмотка, с целью снижения индукционных потерь набирается из сегментов, отштампованных из высоколегированной холоднокатаной электротехнической стали толщиной около 0,5 мм. Для охлаждения в сердечнике предусматриваются вентиляционные каналы.

Корпус закрепляется болтами на бетонном массиве. От статора шинами ток отводится к трансформатору.

Опорные конструкции ротора гидрогенератора состоят из подпятника и подшипников, верхней и нижней крестовин и распорных домкратов. Радиальные подшипники воспринимают нагрузки, направленные перпендикулярно оси вала, а подпятник – нагрузки, направленные вдоль оси. При этом подпятник воспринимает большие нагрузки от массы всех вращающихся частей генератора (ротор, вал) и турбины, а также осевые усилия от давления воды, возникающие на рабочем колесе турбины. Верхняя и нижняя крестовины представляют собой металлические конструкции, предназначенные для размещения на них подпятников или подшипников. В подвесной конструкции генератора подпятник размещается на верхней крестовине, и ротор получается как бы подвешенным.

Верхняя крестовина опирается на корпус статора и раскрепляется винтовыми домкратами в радиальном направлении, нижняя опирается непосредственно на бетонный массив здания ГЭС. При опоре подпятника на крышку турбины нижняя крестовина отсутствует.

Для отвода теплоты, выделяемой при работе гидрогенератора, используются воздушная и водяная системы охлаждения. Наиболее эффективной, как правило, является система водяного охлаждения.

Зонтичные генераторы. В гидрогенераторе на рис. 5.8 в отличие от подвесных генераторов подпятник установлен на нижней крестовине, которая имеет в данной конструкции форму усеченного конуса, опирающегося на крышку турбины.

Капсульные гидроагрегаты. В капсульных гидроагрегатах (см. рис. 5.6), в которых гидрогенератор размещается в капсуле, в условиях ограниченных габаритов применяются система принудительного охлаждения обмоток ротора и статора (Киевская и Каневская ГЭС) или водяное охлаждение (Саратовская ГЭС).

Вал агрегата опирается на турбинный и один или два генераторных подшипника. Подпятник имеет пяту и контрпяту, чтобы воспринимать прямое и обратное осевое гидродинамическое усилие. Диаметр капсулы составляет обычно 1,0–1,2 диаметра рабочего колеса.

Самые крупные генераторы мощностью 700 МВт, изготовленные фирмой «Alston Power», установлены на ГЭС Гренд-Кули (США), ГЭС Итайпу (Бразилия–Парагвай), а в последние годы на ГЭС Guri II (Венесуэла) и ГЭС «Три ущелья» (Китай). Крупные современные агрегаты разных типов изготавливают также фирмы АВВ, «Voith Siemens», «Tech Hydro», «Toshiba», ОАО «Электросила» (Россия), ОАО «Электротяжмаш» (Украина) и др.

Гидрогенераторы-двигатели.

Особенностью гидрогенераторов-двигателей является то, что в зависимости от режима работы их роторы вращаются в обоих направлениях, в связи с чем изменяется конструкция подпятника и подшипников. В условиях резкого увеличения количества пусков и остановок, частой смены режимов обратимых агрегатов к генераторам-двигателям предъявляются более высокие требования по сравнению с генераторами.

Таблица 5.1. Основные параметры крупных гидрогенераторов-двигателей

Таблица 5.2. Параметры крупных ГАЭС с гидроагрегатами-двигателями с переменной частотой вращения

В целом конструкция синхронных гидрогенераторов-двигателей мало отличается от конструкции генераторов.

В Украине крупные современные гидрогенераторы-двигатели изготавливаются на ОАО «Электротяжмаш». На рис. 5.17 приведен разрез по одному из крупнейших в мире обратимых агрегатов Днестровской ГАЭС с генератором-двигателем, изготовленным на ОАО «Электротяжмаш». Его генераторы-двигатели установлены также на Ташлыкской ГАЭС, Жарновицкой (Польша), Круонисской (Литва). Крупные современные гидрогенераторы-двигатели, изготовленные в России на ОАО «Электросила», установлены на ГАЭС Загорской (Россия) и Круонисской (Литва).

Крупные современные гидрогенераторыдвигатели также производят фирмы «Alstom Power», «Tech Hydro», ABB, «Hitachi», «Toshiba», «Voith Siemens» и др.

В табл. 5.1 приведены параметры ряда крупных гидрогенераторов-двигателей.

Самый мощный генератор-двигатель мощностью в турбинном режиме 470 МВт установлен на ГАЭС Kannagawa в Японии.

Учитывая несовпадение оптимумов к.п.д. обратимых гидромашин по приведенной частоте вращения в насосном и турбинном режимах, что приводит к снижению к.п.д. в турбинном режиме, в последние годы стали применять гидрогенераторы-двигатели с переменной частотой вращения.

В табл. 5.2 приведены параметры некоторых гидрогенераторов-двигателей с переменной частотой вращения.

В таких асинхронных генераторах-двигателях ротор выполняется с двумя или тремя обмотками, которые могут питаться как постоянным, так и переменным током. При питании постоянным током ротор движется синхронно с полем статора, а при питании током частоты скольжения – асинхронно. При этом, несмотря на усложнение конструкции, при изменении частоты вращения к.п.д. аккумулирования может возрасти примерно на 6%, а также повышается эффективность выполнения ГАЭС задач системного регулирования.

Перевозка рабочего колеса первого агрегата Днестровской ГАЭС