научная статья по теме ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЕ РОССИИ (НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ) Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЕ РОССИИ (НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ)»

№ 1

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2008

УДК 621

© 2008 г. ДАНИЛЕВИЧ Я.Б.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЕ РОССИИ* (настоящее и будущее)

Турбо- и гидрогенераторы являются существенными элементами энергетики, от их успешного функционирования зависит бесперебойное обеспечение электроэнергией всех звеньев хозяйства. Эта задача всегда была сложной и в данной статье она рассматривается с разных сторон. Так как ввод новых мощностей связан с необходимостью значительных финансовых затрат, которые пока не обеспечены, то энергетика должна ориентироваться на модернизацию и ремонт с заменой оборудования и поддержание его на должном уровне, что требует значительных физических и материальных усилий. Подобная ситуация во все времена была сложной, теперь она усложняется тем, что в настоящее время большая доля генераторного оборудования морально и физически устарела. По имеющимся данным на электростанциях эксплуатируется ~60% турбогенераторов старше 50 лет с показателями эффективности (КПД) на уровне 20%, а их физический износ (старение) оценивается на уровне 70-80%. Исследования показывают, что механическому износу подвергается вал ротора и его бандажное кольцо. При этом металл деградирует и его механические свойства ухудшаются, что, в частности, выражается в изменении структуры металла. Самой частой причиной износа являются пуски и остановки агрегата, в процессе которых ротор проходит через критические частоты вращения. Кроме пусков и остановов возможны случаи несинхронных включений и аварийных изменений токов и моментов. Механический износ также имеет место из-за повышенных вибраций элементов обмотки статора и ротора, который должен своевременно учитываться. Старение оборудования связано с колебаниями напряжения на заземлениях машины. Колебания напряжения вызывают колебания магнитного потока в элементах торцевой зоны и становятся источником колебаний потерь в этой зоне, что со временем приводит к расслаблению элементов крепления сердечника статора, вибрациям и повреждению отдельных листов крайних пакетов и дальнейшему нарушению монолитности сердечника статора. Это нарушение может быть определено при осмотре или с помощью емкостного датчика.

Опыт показывает, что могут быть и другие причины износа генератора при их эксплуатации, однако в любом случае они принципиально могут быть выявлены.

Тщательный анализ состояния генераторов необходим, так как по его результатам должно быть принято решение о судьбе блока, при этом во внимание нужно принимать также "историю" блока, включая выполненные капитальные ремонты. В том случае, если блок по условиям эксплуатации и имевших место режимов, изношен на 50% или более, целесообразна его замена на новое оборудование, при меньшей степени износа целесообразной представляется модернизация с частичной заменой узлов на новые. Но во всех случаях при модернизации необходимо повышение эффективности работы агрегатов (снижение потерь, повышение КПД). Важно лучшим способом применить последние достижения в генераторостроении, те наработки, которые в настоя-

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Грант № 07-08-12107-офи-а.

щее время уже использованы в новых конструкциях машин или будут внедрены во вновь вводимых блоках, и в настоящее время уже выполнены в проектах.

В последние годы были проведены исследования аэродинамики вращающихся роторов, результаты которых позволили создать более совершенные вентиляционные системы. Вновь созданные системы оказались эффективными, что обеспечило возможность выполнения турбогенераторов мощностью ~300 МВт с непосредственным воздушным охлаждением обмотки ротора с приемлемыми превышениями температур [1], соответствующими нормам изоляции по классу В (применяется изоляция класса Б). КПД современных машин с воздушным охлаждением класса 220-320 МВт по данным испытаний достиг 98,6-98,7%. В новых машинах применена трехконтурная система воздушного охлаждения с разделением систем статора и ротора и более совершенная изоляция обмотки статора нагнетательного типа (так называемый "монолит"), причем создателям удалось найти эффективное решение - применить упругий слой, компенсирующий возможное тепловое расширение обмотки и сердечника статора. Одновременно путем использования алюминиевого порошка, вводимого в термореактивную изоляцию, повышена ее теплопроводность, что существенно для систем с косвенным охлаждением, характерным для турбогенераторов среднего класса мощностей, которые представляются наиболее целесообразными при замене машин, выработавших свой ресурс.

В энергосистемах России существует проблема поддержания уровня напряжения, что связано с проблемами потребления реактивной мощности.

Как показывают исследования, одним из оптимальных способов решения возникающих задач является применение в практике энергосистем асинхронизированных турбогенераторов, которые, как показывают расчеты, позволяют обеспечить работу генераторов в режимах глубокого потребления реактивной мощности.

Во вновь создаваемом асинхронизированном турбогенераторе на роторе располагаются две взаимно перпендикулярные обмотки, благодаря изменению токов в которых поворачивается вектор магнитного потока, что обеспечивает возможность изменения потребления реактивной мощности. Первые такие генераторы (типа ТЗФА-110-2) мощностью 110 МВт (10,5 кВ, со8ф = 0,85,3000 об/мин) были изготовлены на "Электросиле", успешно испытаны и включены в энергосистему. В последующие годы предполагается серийное производство генераторов типа ТЗФА-110-2, в них применяются концентрические катушки, которые укладываются в пазы ротора различной глубины.

Дальнейшее направление развития систем охлаждения турбогенераторов - системы полного водяного охлаждения, предусматривающие непосредственное водяное охлаждение обмотки и активной стали статора, а также водяного охлаждения ротора турбогенератора, что позволит создать эффективные системы охлаждения турбогенераторов, практически без ограничения единичной мощности машины [2]. Особенностью конструкции турбогенераторов с полным водяным охлаждением является самонапорная система охлаждения ротора без гидравлических связей обмотки ротора с валом, в которой гидравлическое сопротивление каналов ротора преодолевается за счет центробежной силы воды, заливаемой свободной струей из неподвижного напорного коллектора.

Созданные в последние годы конструкции машин средней мощности с воздушной системой охлаждения (класса 200-300 МВт) и машин большей мощности с полным водяным охлаждением (класса 500-1000 МВт) полностью решают задачу обеспечения турбогенераторами современных блоков тепловых и атомных электростанций.

Не до конца решенным остается вопрос количественного обеспечения турбогенераторами модернизируемых и вновь создаваемых блоков. Здесь требуется перевооружение производства, а при росте потребности также возможно и необходимо строительство дублирующего завода - по нашим оценкам при росте потребности более четырех агрегатов на 600 МВт для тепловых станций и двух агрегатов - для атомных по

4 1 3

Конструкция ротора синхронного генератора 50 кВт, 15000 об/мин с постоянными магнитами (1 - магниты; 2 - немагнитные вставки; 3 - торцевые фланцы; 4 - бандажный цилиндр). В качестве статора генератора использован статор серийного асинхронного двигателя (не показан) после соответствующей перемотки обмотки

~1000 МВт в единице. В любом случае требуется дооснащение производства новым высокопроизводительным оборудованием.

Для развития отечественной энергетики, по-видимому, необходимо также создание (внедрение) нового класса турбогенераторов - микротурбогенераторов для обеспечения децентрализованной энергетики, поскольку современной тенденцией энергетики является увеличивающаяся доля децентрализованной энергетики на основе малой энергетики с использованием доступного местного топлива. Децентрализованная энергетика позволяет максимально сократить расстояния от источников энергии до мест ее использования и экономить на передаче энергии до 20%. Наиболее эффективно при применении оборудования децентрализованной энергетики совместное производство электрической и тепловой энергии, а также энергии холода. Централизованная и децентрализованная энергетики не противоречат друг другу, так как занимают отдельные "ниши". Как показывает зарубежный опыт [3], больше всего источники децентрализованной энергетики используются в небольших поселках, университетских городках, крупных магазинах и отдельных домах. В качестве децентрализованных используются различные генерирующие мощности, но чаще других используются микротурбогенераторы [4] мощностью 200-1000 кВт, частотой вращения 15100000 об/мин, 1300-1600 Гц. После преобразования частота снижается до 50-60 Гц. Напряжение составляет 230-480 В. Микротурбогенераторы (см. рисунок) имеют общий вал с газовыми турбинами, охлаждение генераторов - воздушное, используются также воздушные подшипники. В изготовляемых микротурбогенераторах воздух для охлаждения поступает из выходного отверстия турбины, сжимается и поступает в ре-гератор для повышения температуры, затем - в камеру сгорания, смешиваясь с топливом. Газы покидают турбины при ~1100 Б и возвращаются в регенератор, передают часть тепла сжатому воздуху, прежде чем он поступит в камеру сгорания. Выхлопные газы при температуре ~450 Б поступают в теплообменник для нагревания воды и последующего использования в качестве тепловой энергии. Согласно данным [3], срок между ремонтами микротурбогенераторов —4000 ч (четыре года), стоимость эксплуатации зарубежными изготовителями оценивается ~5 долл./кВт, стоимость установки -~295 долл./кВт. КПД оценивается при выработке электроэнергии ~28-30%, в системах когенерации —75%. Управление работой производится с помощью электронных контроллеров.

В настоящее время потребность в микротурбогенераторах нами оценивается в 10000-14000 МВт, изготовление может осуществляться на имеющихся производственных площадках. В настоящее время потребности в микротурбогенераторах могут обеспечить отечественные заводы по отечественным конструкциям (см. рисунок), однако при значительном росте п

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