научная статья по теме ПРОГНОЗ МОЩНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПРЕДЕЛЬНОЙ СТЕПЕНЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПРОГНОЗ МОЩНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПРЕДЕЛЬНОЙ СТЕПЕНЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ»

№ 6

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2008

УДК 621.313.12

© 2008 г. ЖЕЛОКОВА М. 3., МАКСИМОВА И. Ф.

ПРОГНОЗ МОЩНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПРЕДЕЛЬНОЙ СТЕПЕНЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Приводятся результаты разработки генераторов для малой энергетики с прямым приводом от газовой турбины при частоте вращения 12000-18000 об/мин. Проведена оптимизация по массе активных материалов для машин предельных габаритов. Показано, что за счет применения перспективных электротехнических материалов можно на ~20% улучшить их массовые показатели, что расширяет границы мощности подобных установок.

Рассматриваются синхронные машины турбогенераторного типа исполнения, занимающие промежуточное положение между авиационными электрическими машинами и традиционными турбогенераторами (они значительно мощнее первых и быстроходнее вторых). Исследуется возможность за счет внедрения перспективных электротехнических материалов увеличить предельную мощность высокооборотных машин. Анализ проводился для машин мегаваттного диапазона мощности при частоте вращения 12000-18000 об/мин.

Область применения компактных электрогенераторов - автономные установки, используемые в малой энергетике различного назначения [1]. В частности, они могут обеспечивать электроснабжение индивидуальных потребителей, в т.ч. находящихся в труднодоступных местностях; бесперебойное электроснабжение при возникновении экстремальных и аварийных ситуаций; питание потребителей с форсированными кратковременными режимами работ; могут служить резервными источниками для покрытия электрических нагрузок в "пиковые" часы работы электростанций и т.д. [2]. Установки собственных газотурбинных электростанций (ГТУ) эффективны в крайних точках Единой системы газоснабжения [3]. Себестоимость производства электроэнергии в таких установках в два с половиной-три раза ниже стоимости энергии, покупаемой от сети. Передвижные ГТУ предназначены для выработки электроэнергии на промышленных и социальных объектах при отсутствии электромагистрали или при параллельной работе с ней.

Работы над созданием микротурбоустановок проводятся с 90-х годов прошлого века в США, Европе, Японии [4]. С 1970 по 2004 г. в России установлено более 2000 ГТУ [3-11], рассмотрено более 200 перспективных площадок для размещения ГТУ суммарной мощностью свыше 5000 МВт. Иностранные производители представлены в России компаниями Elliott (TA-100R; 100 кВт; TA-100RCHP с частотой вращения 68000 об/мин, производящей тепловую и электрическую энергию); Capstone (С30, С60, С65 мощностью 30, 60, и 65 кВт, соответственно; 96000 об/мин), Turbec (Т-100; 100 кВт). Дистрибьютором "Capstone" в России и СНГ сделан заказ на микротурбины С65 суммарной мощностью 2 МВт. Компания OPRA "Gas Turbines" представила на российском рынке более мощную высокооборотную турбину ОР-16 (1,5-2 МВт, 26000 об/мин) с синхронным электрогенератором. ГТУ на базе ОР-16 имеет блочное исполнение. Она может быть исполнена на шасси. Компания "Europe Gas Turbines" выпускает ГТУ типа

"Cyclone" мощностью 13,4 МВт, которая при полной нагрузке имеет частоту вращения 9500 об/мин. Фирма "Hitachi" поставила четыре турбины Н-25 (27,5 МВт) для электростанции по проекту "Сахалин-2" с частотой вращения силовой турбины -7280 об/мин.

В области создания ГТУ отечественная промышленность пока отстает от мирового уровня. В стране разработаны и эксплуатируются ~20 типоразмеров малых ГТУ от 1 до 25 МВт. Первая в России муниципальная ГТУ "Шигили" полностью на российском оборудовании была построена лишь в 2000 г. (электрическая мощность 4 МВт, тепловая - 7,6 Гкал/ч). В настоящее время в ОАО "Авиадвигатель" (г. Пермь) разработано семейство ГТУ электрической мощностью от 2,5 до 24,65 МВт и тепловой от 6,8 до 31 МВт [8]. Наибольшее количество создано НПО "Искра" (25 штук) и ОАО НПО "Сатурн" (20 штук). Калужский двигательный завод выпускает пиковый и аварийный источник ТЭЦ-100 электрической мощностью 100 кВт и тепловой 650 кВт; ФГУП "Завод им. Климова" - ГТЭ-0,1 мощностью 100 кВт [4].

В 2002 г. введена в опытно-промышленную эксплуатацию в городскую сеть первая в России ГТУ, смонтированная в котельной (электрическая мощность 8 МВт, тепловая - 16 Гкал/ч). Она создана ФГУП НПП "Мотор" и ОАО "Башкирэнерго" на базе авиационного двигателя Р13-300. Перспективной разработкой нового поколения двигателей является НК-126 (4МВт, 13000 об/мин). НПО "Сатурн" производит выпуск морских двигателей для применения на плавучих электростанциях [9]. В частности, проведены испытания двигателя мощностью 4,4 МВт при 10500 об/мин.

ФГУП "Салют" производит контейнерную ГТУ типа БГТЭС-1С мощностью 1 МВт (частота вращения ротора компрессора 24000 об/мин). Блочная конструкция способствует как сокращению времени на транспортировку и установку, так и позволяет минимизировать затраты на запуск оборудования.

Мобильные установки размещаются на различных транспортных средствах. Выбор конкретного вида транспорта обуславливается как местом расположения потребителей, так и мощностью установки: чем более мощный нужен источник электроэнергии, тем больше места требуется для размещения входящего в него оборудования. При ограниченных площадях большую мощность можно обеспечить, применяя сверх-высокооборотные электрические машины (СВЭМ) с прямым газотурбоприводом. Такие передвижные источники могут иметь как серийное, так и специальное исполнение (для питания конкретного вида нагрузки). В частности, ИЭЭ РАН совместно с ОАО "Электросила" была выполнена предъэскизная разработка специализированного турбогенератора с воздушным охлаждением для передвижной ГТУ мощностью 1,1 МВт при напряжении 4,16 кВ с частотой вращения до 15000 об/мин. Она предназначена для размещения на автоприцепе грузоподъемностью 13,7 т, масса генератора - 900 кг, КПД - 93,2%.

Основой реструктуризации электроэнергетики России является попутная выработка электроэнергии на основе необходимого стране производства тепла [2]. Использование котельных для производства электроэнергии проблематично из-за недостатка свободных площадей. В этом случае перспективно использование СВЭМ со статическими полупроводниковыми преобразователями частоты. Благодаря низким массога-баритным показателям генераторы с частотой вращения более 10000 об/мин позволяют создать относительно мощные компактные источники электропитания различных нагрузок длительного и кратковременного действия [11, 12].

Одним из основных требований, предъявляемых к генераторам, используемым в установках малой энергетики, является минимизация их массогабаритных характеристик. При значительной мощности в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет турбогенераторный тип исполнения. Ввиду неявной выраженности полюсов ротора эти машины имеют повышенную механическую прочность и допускают непосредственное сочленение с высокооборотным турбоприводом. Уровень электромагнитных нагрузок активных материалов этих машин стремятся сделать предельно высоким, так как при этом удается достичь существенного уменьшения массы машины.

Однако создание таких машин связано с серьезными технологическими и расчетными проблемами. Сочетание высоких частот вращения, частоты тока и уровня электромагнитных нагрузок приводит к существенному возрастанию основных и дополнительных потерь. Ввиду малых габаритов выделяются эти потери в малых объемах, что чревато существенными местными перегревами. Но высокие частоты тока обуславливают резкое повышение всех составляющих потерь. Заложенные в заводские методики расчета эмпирические коэффициенты имеют ограниченную область применения, так как они получены при обобщении экспериментальных данных в зоне частот тока, близких к 50 Гц. Расширение области их применения до 500 Гц и выше неизбежно приводит к существенным погрешностям. В то же время, умение уже на стадии проектной разработки получить достоверную информацию об уровне и месте наиболее интенсивного выделения потерь позволяет оптимально выбрать геометрию активной зоны машины, подобрать рациональную систему охлаждения, с помощью которой удается избежать чрезмерных перегревов. Большей точности расчета можно добиться с использованием расчетных соотношений, коэффициенты которых, уточнены для каждого типа стали и экспериментально определены при индукциях и частотах, близких к тестируемым. По результатам обработки фактического материала о величинах удельных потерь и их составляющих для различных типов кремнистой электротехнической стали, взятых из литературных источников, были получены уточненные обобщающие формулы. Они позволили оценить величину удельных потерь для каждой конкретной стали с учетом величин индукций, толщины стали и частоты при 1,0-1,5 Т [12].

Проблема повышения мощности в СВЭМ решается за счет повышения рабочей напряженности в изоляции обмотки и снижения толщины изоляции. Это позволяет уменьшить потери в генераторе из-за улучшения условий теплопередачи. Поэтому необходимы изоляционные системы с улучшенными показателями надежности, электрической прочности и долговечности. Перспективны системы изоляции, основанные на использовании полиимидных пленок (температурный индекс проводов марки ПЭТи-мид - 220°С; ПНЭТимид - 240°С). Экспериментально показано, что обмоточные провода с короностойкой полиимидной пленкой и полиимидосодержащие ленты (после пропитки их в кремнийорганическом компаунде) обеспечивают необходимые характеристики изоляции нагревостойкостью до 220°С при рабочем напряжении до 4 кВ [13]. Интересны также высокочастотные провода типа ЛЭНП (155°С) с увеличенным сечением (до 56,5 мм2). Это токопроводящая жила, состоящая из эмалированных проволок, покрытых полиэфиримидным лаком, причем число элементарных эмалированных проволок в ней доходит до 301 при их диаметре от 0,49 мм [14].

Улучшение качества электротехнических сталей позволяет совершенствовать конструкцию электрической машины с существенной экономией всех основных электроматериалов. В последние годы эти работы продолжаются. В [15] отмечается, что для изотропных сталей разработаны технологические параметры выплавки и отливки, позволяющие изготовить не

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком