проектирование ТГ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрических машин и аппаратов

Н.М. МАЛЫШЕВА

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

Утверждено Ученым советом ВятГУ

В качестве учебного пособия

Киров 2009

УДК. 621.313 (07) М18

Малышева Н.М. Проектирование турбогенераторов: Учебное пособие – Киров: Изд-во ВятГУ, 2009. − 200 с.

Редактор Малышева Н.М.

Текст напечатан с оригинал макета, предоставленного автором

610 000, г.Киров, ул. Московская, 36.

Вятский государственный университет, 2009 © Малышева Н.М..

3

1. Условия работы, номинальные данные и типы турбогенераторов

1.1. Условия работы турбогенераторов

Номинальные данные турбогенератора относятся к его длительной работе.

Условия эксплуатации, согласно ГОСТ, должны быть следующие.

Высота места установки турбогенератора должна быть не выше 1000 м над уровнем моря при температуре окружающего воздуха от 5 до 40 °С. Температура охлаждающей воды, поступающей в газоохладители, составляет 33 °С. Темпе-

ратура охлаждающего машину газа (воздуха или водорода), выходящего из газо-

охладителя, – 40 °С, температура поступающей охлаждающей жидкости (воды или минерального масла), применяемой для непосредственного охлаждения элек-

трических машин или их частей, составляет 40 оС.

Если температура охлаждающей воды, поступающей в газоохладители, от-

личается от 33 °С и температура охлаждающего газа отлична от 40 °С, то допус-

тимые режимы работы турбогенератора должны быть установлены стандартом или техническими условиями на конкретные типы турбогенераторов. Окружаю-

щая среда – невзрывоопасная, не содержащая пыли в концентрациях, снижающих параметры турбогенераторов в недопустимых пределах.

В турбогенераторах с водородным охлаждением стандартом предусмат-

ривается обязательное избыточное давление в корпусе не менее 0,5×105 Па. Чисто-

та водорода у турбогенераторов с косвенным охлаждением должна быть не ниже

97%, у турбогенераторов с непосредственным охлаждением – не ниже 98%. Утеч-

ка водорода за сутки из корпуса при номинальном давлении в нем должна быть не более 7–12 м3 для турбогенераторов мощностью 30 000 – 800 000 кВт и 18 м3 для турбогенераторов мощностью свыше 800 000 кВт.

Выполненные турбогенераторы должны допускать длительную работу при несимметричной нагрузке, если токи в фазах не превышают номинального значе-

4

ния, а токи обратной последовательности в фазах не превышают 8% номинально-

го значения тока статора. При этом допускается повышение температуры актив-

ных частей машин на 5 °С.

Ротор турбогенератора с косвенным охлаждением обмотки должен выдер-

жать двукратный номинальный ток возбуждения в течение не менее 50 с, а с не-

посредственным охлаждением обмотки ротора – не менее 20 с, если мощность турбогенератора не превышает 500 000 кВт; для турбогенераторов мощностью

800 000 кВт – не менее 15 с.

Современные турбогенераторы изготавливают с высоковольтной изоляцией классов В и F на термореактивных связующих. Однако по согласованию с потре-

бителем допускается использование других видов изоляции.

Турбогенераторы с воздушным охлаждением должны оборудоваться систе-

мой пожаротушения распыленной водой. При изготовлении турбо-генераторов из материалов, не поддерживающих горения, систему водяного пожаротушения не устанавливают. Включение турбогенераторов в сеть осуществляется методом точной синхронизации.

Срок службы турбогенераторов не менее 30 лет.

1.2. Номинальные данные турбогенераторов

Номинальная мощность определяет размеры, массу, конструкцию и стои-

мость турбогенератора. Номинальной мощностью турбогенератора является ак-

тивная мощность РН.

Коэффициент мощности турбогенератора cosϕН зависит от номинальной мощности. Турбогенераторы меньших номинальных мощностей имеют меньший коэффициент мощности (cosϕН=0,8). С ростом номинальных мощностей коэффи-

циент мощности повышается до 0,85 и даже до 0,9. Это объясняется тем, что тур-

богенераторы средних и небольших мощностей часто устанавливают на станциях,

расположенных в непосредственной близости от потребителя электроэнергии, и

5

выработка на них реактивной мощности (при более низком коэффициенте мощ-

ности) экономически оправдана.

Турбогенераторы большой мощности устанавливают, как правило, на элек-

тростанциях, которые удалены от потребителя на значительные расстояния. По-

этому вырабатывать на них реактивную мощность и передавать ее по линиям электропередачи экономически нецелесообразно. Это является одной из причин повышения коэффициента мощности у турбогенераторов большой мощности.

Также уменьшение коэффициента мощности ведет к удорожанию машины и вы-

зывает трудности при проектировании и изготовлении. Коэффициент мощности турбогенератора большой мощности может быть снижен по требованию заказчи-

ка, если станция находится вблизи потребителя.

Номинальное напряжение турбогенератора – это линейное напряжение при номинальной нагрузке. Рекомендуемая шкала напряжений турбогенераторов: 3150, 6300, 10 500, 13 800, 15 750, 18 000, 20 000, 24 000 В.

Номинальное напряжение тем выше, чем больше мощность турбогенерато-

ра. Рост единичной мощности турбогенераторов не привел к большому повыше-

нию уровня номинального напряжения, который ограничен свойствами электри-

ческой изоляции. Отставание роста напряжения от роста мощности привело к возрастанию генераторных токов мощных турбогенераторов. Для избежания коммутации больших токов на электростанциях применяется блочная система включения, при которой турбогенератор присоединяется к первичной обмотке повышающего трансформатора. Коммутация токов осуществляется на вторичном высшем напряжении трансформатора.

Синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси xd* составляет 1,4 – 2,5 о.е. Меньшее значение имеют турбогенераторы мень-

шей мощности. В турбогенераторах мощностью 200 000 кВт и выше значение xd*

составляет 1,8 – 2 о.е. и более. Синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора обратно пропорционально немагнитному зазору (зазору между статором и ротором). Для уменьшения потерь на возбуждение выбирают по возможности от-

6

носительно меньший немагнитный зазор. Это приводит к уменьшению МДС об-

мотки возбуждения и к уменьшению потерь в ней. Но при меньшем немагнитном зазоре возрастает синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси xd*.

Величина, обратно пропорциональная xd*, – это отношение короткого замы-

кания (ОКЗ). В современных турбогенераторах ОКЗ обычно находится в пределах

0,8 – 0,4. В турбогенераторах предельной мощности ОКЗ может быть ниже 0,4.

Все турбогенераторы должны удовлетворять требования ГОСТа по статиче-

ской перегружаемости или статической устойчивости при номинальной нагрузке.

Статической перегружаемостью называют отношение максимально возможной отдаваемой в сеть активной мощности турбогенератора к его номинальной мощ-

ности. Статическая перегружаемость WП зависит от выбранных xd* или ОКЗ и мо-

жет быть определена по формуле

WП	=		I fН		,
		I fК	× cosφ
				Н
или
WП = ОКЗ ×			I fН				,
			I f 0 × cosφ
						Н

где IfН – ток возбуждения при номинальной нагрузке; IfК – ток возбуждения при установившемся трехфазном коротком замыкании и номинальном токе статора;

If0 – ток возбуждения при холостом ходе и номинальном напряжении; cosϕН – но-

минальное значение коэффициента мощности.

Согласно ГОСТ, статическая перегружаемость не должна быть ниже: 1,7 для турбогенераторов мощностью до 160 000 кВт; 1,6 для турбогенераторов мощностью до 500 000 кВт;

1,5 для турбогенераторов мощностью 800 000 кВт и более.

В задании на проектирование могут быть заданы переходное x′d и сверхпе-

реходное x′′d индуктивные сопротивления обмотки статора. Индуктивные сопро-

тивления x′d и x′′d обусловлены в основном потоками рассеяния обмоток. Любое

7

индуктивное сопротивление, выраженное в относительных единицах, пропорцио-

нально отношению линейной нагрузки к магнитной индукции в немагнитном за-

зоре:

x* ≈ A Bδ .

При переходе на более эффективные системы охлаждения с ростом мощно-

сти турбогенератора магнитная индукция увеличилась незначительно, а линейная нагрузка возросла в несколько раз. Это привело к увеличению индуктивных со-

противлений.

Системы охлаждения турбогенераторов: Т2 – косвенное воздушное охлаж-

дение обмоток статора и ротора; ТВ – косвенное водородное охлаждение обмо-

ток статора и ротора; ТВФ – непосредственное охлаждение обмотки ротора и кос-

венное охлаждение обмотки статора водородом; ТВВ – непосредственное охлаж-

дение обмотки ротора водородом и обмотки статора водой; ТГВ – непосредствен-

ное охлаждение обмоток статора и ротора водородом; ТВМ – непосредственное охлаждение обмотки ротора водой, а сердечника статора, обмотки и конструк-

тивных элементов статора маслом.

1.3. Типы турбогенераторов и их характеристики

Мощность турбогенератора связана с объемом машины. Увеличение мощ-

ности ведет к увеличению объема и массы машины. В настоящее время при дан-

ном уровне развития металлургии и качестве применяемых электроизо-

ляционных и проводниковых материалов объем машины достиг своего предела:

наибольший диаметр бочки ротора выбирают таким, чтобы ротор не разрушился под действием центробежных сил при угонной частоте вращения, а масса бочки ограничивает длину ротора по условиям допустимого прогиба. Таким образом,

дальнейшее увеличение мощности турбогенератора требует применения более эффективных систем охлаждения, лучших материалов. До определенного предела

8

рост мощности может идти за счет увеличения объема машины. Построенный при таком условии ряд машин разных мощностей образует серию турбогенераторов.

Каждая серия характеризуется такими качественными показателями, как коэффициент полезного действия (КПД), расход материалов на единицу мощно-

сти и др. С ростом мощности даже в пределах одной серии КПД будет несколько увеличиваться, а расход материалов на единицу мощности имеет тенденцию к снижению. Каждая серия заканчивается генератором предельной мощности, воз-

можной для принятых принципов конструирования.

Переход от одной серии к другой сопровождается резким ростом мощности турбогенератора при том же объеме его активных частей. Это возможно прежде всего благодаря применению более эффективной системы охлаждения, позво-

ляющей увеличить электромагнитные нагрузки: линейную нагрузку А и магнит-

ную индукцию Вδ в немагнитном зазоре.

Произведение А×Вδ имеет размерность усилия на единицу площади и пока-

зывает, насколько эффективно используются активные материалы в электромеха-

ническом преобразователе энергии – турбогенераторе. Чем выше значения А и Вδ,

тем большую мощность можно преобразовать в одном и том же объеме активных материалов. Но увеличение А и Вδ в машине влечет за собой увеличение потерь мощности, которые пропорциональны квадрату линейной нагрузки А и магнитной индукции Вδ. Рост потерь мощности может привести к недопустимому повыше-

нию температуры обмоток и магнитопровода. Тепловые нагрузки турбогенерато-

ров с косвенным охлаждением являются главным ограничивающим фактором при выборе электромагнитных нагрузок. Применение непосредственного охлаждения обмоток позволило практически снять тепловой барьер при повышении единич-

ной мощности турбогенератора.

С ростом единичной мощности магнитная индукция растет очень медленно.

Это объясняется насыщением магнитной системы зубцов, ярма статора и ротора с ростом магнитной индукции Вδ. Что касается линейной нагрузки, то с ростом

9

мощности она растет очень сильно, особенно при переходе к непосредственному охлаждению обмоток водородом или водой. Однако следует иметь в виду, что c

ростом линейной нагрузки увеличиваются индуктивные сопротивления в относи-

тельных единицах.

Важной характеристикой турбогенератора является машинная постоянная.

Под активным объемом турбогенератора понимают объем цилиндра длиной l1

(длина сердечника статора) и диаметром, равным внутреннему диаметру ста-

тора D1. Отношение величины, пропорциональной активному объему D12×l1, к ве-

личине, пропорциональной моменту на валу SН/W, называют машинной постоян-

ной Арнольда:

	C A =	D 2	× l	,
		1	1
		S Н / W

где SН – полная номинальная мощность турбогенератора; W – угловая скорость.

Машинная постоянная определяет количество активных материалов, расхо-

дуемых на единицу момента или на единицу мощности (при постоянной скорости вращения). Чем меньше СА, тем меньше активных материалов заложено в машину на единицу мощности. Машинной постоянной СА можно пользоваться только для предварительных расчетов и для сравнительной оценки спроектированной маши-

ны.

Перспективы развития турбогенераторов. Несмотря на преимущества водородного охлаждения, многолетний опыт его применения показал, что что турбогенераторы серий ТВ, ТВФ дороги в эксплуатации требуют сложного вспо-

могательного оборудования. Поэтому в настоящее время на современном техни-

ческом уровне возобновлено проектирование и производство турбогенераторов с воздушным охлаждением, имеющих значительно более простую конструкцию. В

России и за рубежом изготовлены и эксплуатируются турбогенераторы с воздуш-

ным охлаждением мощностью 63−200 МВт. Статор турбогенератора имеет тан-

генциальную систему вентиляции, а ротор непосредственное (форсированное) ох-

лаждение воздухом. При пиковых нагрузках мощность турбогенератора может

10

быть увеличена по сравнению с номинальной, так как система охлаждения допус-

кает использование повышенного давления воздуха. С этой целью во внешней це-

пи системы охлаждения устанавливается небольшой компрессор, а на валу ротора специальные графитовые кольца, работающие в режиме сухого трения и являю-

щиеся сухими уплотнениями.

Перспективу имеют мощные турбогенераторы с полностью водяным охла-

ждением. Эти машины являются безопасными в пожарном отношении.

1.4. Задание по проектированию

Проект синхронного генератора выполняется в соответствии с заданием.

В задании на проектирование турбогенераторов указываются следующие исходные данные: номинальная активная мощность РН, МВт; номинальное на-

пряжение (линейное) UН, кВ; коэффициент мощности cosϕН при перевозбужде-

нии; частота ЭДС f, Гц (f = 50 Гц); номинальная частота вращения nН, об/мин (nН

=3000 об/мин); схема соединения обмотки статора – Υ; синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси xd*; система охлаждения тур-

богенератора.

В течение курсового проектирования необходимо выполнить электромаг-

нитный, тепловой, вентиляционный и механический расчеты турбогенератора и выполнить графическую часть проекта.

Подробно конструкции турбогенераторов рассмотрены в [1]. Далее описан порядок проектирования турбогенераторов.