Типы энергоустановок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра: Электроэнергетики

Контрольная работа по дисциплине «Общая энергетика»

Тема: «Типы энергоустановок»

Выполнил: студент гр. Б161222с

Пинчук И.О.

Проверил: доц. Карницкий В.Ю.

Тула 2012 г.



Введение

В настоящее время для получения электрической энергии используют следующие типы электростанций:

тепловые электростанции (ТЭС), которые подразделяются на конденсационные (КЭС), теплофикационные (теплоэлектроцентрали -- ТЭЦ) и газотурбинные (ГТУЭС). Крупные КЭС, обслуживающие потребителей значительного района страны, получили название государственных районных электростанций (ГРЭС);

гидроэлектростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

атомные электростанции (АЭС);

гелиоэлектростанции, или солнечные, электростанции (СЭС);

-- геотермальные электростанции (ГТЭС);

дизельные электростанции (ДЭС);

приливные электростанции (ПЭС);

ветроэлектростанции (ВЭС).

Большую часть электроэнергии (как в России, так и в мировой энергетике) вырабатывают тепловые, атомные и гидравлические электростанции. Состав электростанций различного типа по установленной мощности зависит от наличия и размещения по территории страны гидроэнергетических и теплоэнергетических ресурсов, их технико-экономических характеристик, включая затраты на транспортирование топлива, а также от технико-экономических показателей электростанций.

Рассмотрим некоторые особенности электростанций, которые в той или иной степени приходится учитывать при их строительстве и эксплуатации.

Тепловые конденсационные электростанции строят по возможности ближе к местам добычи топлива, удобным для водоснабжения.

Их выполняют из ряда блочных агрегатов (котел -- турбогенератор -- повышающий трансформатор) мощностью от 200 до 1200 МВт, выдающих выработанную энергию в сети 110...750 кВ. Особенность агрегатов КЭС заключается в том, что они недостаточно маневренны: подготовка к пуску, разворот, синхронизация и набор нагрузки требуют от 3 до 6 ч. Поэтому для них предпочтительным является режим работы с равномерной нагрузкой в пределах от номинальной до нагрузки, соответствующей техническому минимуму, определяемому видом топлива и конструкцией агрегата. Коэффициент полезного действия КЭС составляет 32...40 %. Они существенно влияют на окружающую среду -- загрязняют атмосферу, изменяют тепловой режим источников водоснабжения.

Теплофикационные электростанции строят вблизи потребителей тепла, при этом используется обычно привозное топливо. Работают эти электростанции наиболее экономично (коэффициент использования тепла достигает 60...70%) при нагрузке, соответствующей тепловому потреблению и минимальному пропуску пара в часть низкого давления турбин и в конденсаторы. Единичная мощность агрегатов составляет 30...250 МВт. Станции с агрегатами до 60 МВт включительно выполняются в тепломеханической части с поперечными связями по пару и воде, в электрической части -- со сборными шинами 6... 10 кВ и выдачей значительной части мощности в местную распределительную сеть. Станции с агрегатами 100...250 МВт выполняются блочного типа с выдачей мощности в сети повышенного напряжения. Теплофикационные, как и конденсационные электростанции, существенно влияют на окружающую среду.

Атомные электростанции могут быть сооружены в любом географическом районе, в том числе и труднодоступном, но при наличии источника водоснабжения. Количество (по массе) потребляемого топлива (уранового концентрата) незначительно, что облегчает требования к транспортным связям.

Атомные электростанции состоят из ряда агрегатов блочного типа, выдающих энергию в сети повышенного напряжения.

Агрегаты, в особенности на быстрых нейтронах, не маневренны, так же как и агрегаты КЭС. По условиям работы и регулирования, а также по технико-экономическим соображениям предпочтительным является режим с относительно равномерной нагрузкой.

Атомные электростанции предъявляют повышенные требования к надежности работы оборудования. Коэффициент полезного действия АЭС составляет 35... 38 %.

Практически АЭС не загрязняют атмосферу. Выбросы радиоактивных газов и аэрозолей незначительны, что позволяет сооружать АЭС вблизи городов и центров нагрузки. Трудной проблемой является захоронение или восстановление отработавших топливных элементов.

Гидроэлектростанции могут быть сооружены там, где имеются гидроресурсы и условия для строительства, что часто не совпадает с расположением потребителей электроэнергии.

При сооружении ГЭС обычно преследуют решение комплекса задач, а именно: выработки электроэнергии, улучшения условий судоходства, орошения. Единичная мощность гидроагрегатов достигает 640 МВт. Электрическую часть выполняют по блочным схемам генераторы -- трансформаторы с выдачей мощности в сети повышенного напряжения. Гидроагрегаты высокоманевренны: разворот, синхронизация с сетью и набор нагрузки требуют от 1 до 5 мин.

Гидроэлектростанция может быть использована для работы в пиковой части суточного графика системы с частыми пусками и остановами агрегатов.

Коэффициент полезного действия ГЭС составляет 85...87%. Гидроэлектростанции существенно влияют на водный режим рек, рыбное хозяйство, микроклимат в районе водохранилищ, а также на лесное и сельское хозяйства, поскольку создание водохранилищ связано с затоплением значительных полезных для народного хозяйства площадей

Гидроаккумулирующие электростанции предназначены для выравнивания суточного графика энергосистемы по нагрузке. Агрегаты высокоманевренны и могут быть быстро переведены из насосного режима в генераторный или в режим синхронного компенсатора.



1. Типы энергоустановок

Класс - определяется по основному процессу и виду исходной (потребляемой) энергии.

Подкласс - определяется по характерным особенностям и принятым (привычным) наименованием.

Группа - Определяется по виду производимой (вырабатываемой) энергии.

Подгруппа - определяет тип установки по конструктивным отличиям. В зависимости от специфических особенностей и состояния разработок указанное деление не всегда точно соблюдаться.

Термические энергоустановки: в них основной процесс энерговыделения - фазовый переход высшего рода (ФПВР), то есть - частичное или полное расщепление атомов на элементарные частицы - электрино и электроны. Исходная энергия - это потенциальная энергия связи элементарных частиц в атоме - энергия, аккумулированная в веществе.

Природные энергоустановки, то есть установки, использующие энергию природных явлений непосредственно.

Электромагнитные энергоустановки - основной процесс - преобразование потоков электрино в различные виды энергии: механическую, тепловую, электрическую.

Виброрезонансные энергоустановки - основной процесс - энергообмен рабочего тела в условиях резонанса колебаний. Исходной является энергия внешней среды, в частности, молекул атмосферного воздуха.

Эфирные энергоустановки - основной процесс - направленное сгущение эфира, в частности, электринного газа. Исходная энергия - эфира.

Аккумуляторные энергоустановки - основной процесс - аккумуляция энергии (электрической, химической, тепловой...) и отдача ее при разряде аккумулятора.

1.1 Термические энергоустановки

Термические энергоустановки - в этот класс входят все традиционные энергоустановки на органическом топливе, ядерные, водородные и новые установки естественной энергетики.

К традиционным относятся: двигатели внутреннего и внешнего сгорания, газо- и паротурбинные установки, а также различные тепловые, котельные установки.

К ядерным относятся современные атомные электро- и теплостанции, на которых процесс энерговыделения идёт с полным распадом радиоактивных веществ.

Водородные энергоустановки используют водород, который в реакции с кислородом даёт воду.

Перечисленные энергоустановки достаточно известны и по ним имеется много технической литературы, поэтому нет необходимости их подробно описывать.

Следует подчеркнуть, что в них используются ограниченные природные ресурсы: уголь, нефть, газ, уран..., не восполняемые природой так быстро, как они расходуются. Для этих установок характерна ущербная экология, пагубная для человечества.

Установки естественной энергетики свободны от указанных недостатков, так как используют только частичный, щадящий, распад вещества (воздух, вода) без изменения химических свойств вследствие малого дефекта массы порядка 10-6 %, который восполняется в природных условиях.

Термоядерные энергоустановки, по которым разработки ведутся уже несколько десятилетий с нулевым результатом, в классификацию не попали, так как в соответствии с современной теорией они неработоспособны.

1.2 Электромагнитные энергоустановки

Электромагнитные энергоустановки - в традиционных электрических машинах (электродвигатели и генераторы электрической энергии) используются электромагнитные системы, в которых механическая энергия привода преобразуется в электрическую, а электрическая в механическую с коэффициентом полезного действия (КПД) меньше единицы.

Поскольку нас больше интересует свободная энергия, дающая возможность на каждую единицу затраченной, например, электрической, энергии получить несколько единиц такой же энергии, то есть увеличить коэффициент преобразования энергии (КПЗ) выше единицы в несколько раз, то рассмотрим несколько примеров таких энергоустановок.

1.3 Виброрезонансные энергоустановки

Виброрезонансные энергоустановки - наибольшее количество информации связано с машинами безопорного движения - инерцоидами (Толчин, Савелькаев, Маринов и другие). Теория сводится к переходу энергии из окружающей среды к виброрезонирующему объекту. Энергию из окружающей среды называют разными именами, но физическое понятие о ней и физическом механизме энергообмена отсутствуют.

Генератор Маринова - Богомолова - электромеханическая машина по преобразованию свободной энергии в электрический ток». Была построена реально работающая модель генератора, которая состояла из упругого элемента - автомобильной рессоры с собственной частотой крутильных колебаний 1Гц; колеблющегося груза в виде гантели, закрепленного на одном конце рессоры, и вибратора - моторчика мощностью 27 Вт с дебалансом и редуктором числа оборотов. Второй конец рессоры крепился к тормозу, с помощью которого измерялся момент и мощность устройства, которая при резонансе составляла 3000 Вт.

Таким образом, коэффициент избыточной мощности был равен 3000/27 = 111. То есть, на каждую затраченную единицу энергии было получено более 100 единиц энергии из окружающей среды в виде перетока электрино в вихревой динамический заряд атомов рессоры с последующим преобразованием избытка энергии в механическую. Эта энергия посредством генератора с соответствующим приводом от колебательного элемента могла быть преобразована в электрическую.

Другим проектом Богомолова В. И. является ультразвуковой инерцоид, модуль которого состоит из 4-х никелевых пластин с одной частотой в форме дуги в один радиан. В каждой паре резонаторов с помощью ультразвукового вибратора и коммутатора формируют зеркально симметричные волновые импульсы в резонанс и со сдвигом по фазе частоты сигнала между парами на четверть периода. В числе проектов также есть инерцоид на основе асинхронного двигателя, электрогенераторы на основе пьезокристалла и лазера и другие установки.

1.4 Комбинированные энергоустановки

Комбинорованные энергоустановки - установки с несколькими разнотипными процессами энерговыделения, которые затруднительно отнести к одному из указанных классов.

1.5 Природные энергоустановки

1.5.1 Солнечная энергия

У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, её использование не влечёт за собой нежелательных экологических последствий.

Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в

пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец,

многие виды применения солнечной энергии ещё как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана. Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.

1.5.2 Геотермальная энергия

Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новой Зеландии. Земная кора толщиной 32-35 км значительно тоньше лежащего под ней слоя - мантии, простирающейся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются действующими вулканами. Тепло выделяется в основном вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре. Температура и количество этого тепла столь велики, что оно вызывает плавление пород мантии. Горячие породы могут создавать тепловые «мешки» под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается и даже превращается в пар. Поскольку такие «мешки» обычно герметичны, горячая вода и пар часто оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает точку кипения воды на поверхности земли. Наибольшие геотермальные ресурсы сосредоточены в вулканических зонах по границам корковых плит.

Основным недостатком геотермальной энергии является то, что её ресурсы локализованы и ограничены, если изыскания не показывают наличия значительных залежей горячей породы или возможности бурения скважин до мантии. Существенного вклада этого ресурса в энергетику можно ожидать только в локальных географических зонах.

1.5.3 Гидроэнергия

Гидроэнергетика даёт почти треть электроэнергии, используемой во всем мире. Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше, чем где-либо ещё, живёт почти исключительно гидроэнергией.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная энергия воды, накапливаемой с помощью плотин. У основания плотины расположены гидротурбины, приводимые во вращение водой (которая подводится к ним под нормальным давлением) и вращающие роторы генераторов электрического тока.

Существуют очень крупные ГЭС. Широко известны две большие ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная ГЭС в США - Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. В 1995 на гидроэнергетику приходилось около 7% электроэнергии, вырабатываемой в мире. Гидроэнергия - один из самых дешёвых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в том смысле, что водохранилища пополняются приточной речной и дождевой водой. Остаётся под вопросом целесообразность строительства ГЭС на равнинах.

1.5.4 Приливная энергетика

Существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины. Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

1.5.5 Ветроэнергетика

Исследования, проведённые Национальной научной организацией США и НАСА, показали, что в США значительные количества ветроэнергии можно получать в районе Великих озер, на Восточном побережье и особенно на цепочке Алеутских островов. Максимальная расчетная мощность ветровых электростанций в этих областях может обеспечить 12% потребности США в электроэнергии в 2000. Крупнейшие ветроэлектростанции США расположены под Голдендейлом в штате Вашингтон, где каждый из трёх генераторов (установленных на башнях высотой 60 м, с диаметром ветрового колеса, равным 90 м) даёт 2,5 МВт электроэнергии. Проектируются системы на 4,0 МВт.

1.5.6 Твёрдые отходы и биомасса

Примерно половину твёрдых отходов составляет вода. Легко собрать можно лишь 15% мусора. Самое большее, что могут дать твёрдые отходы, - это энергию, соответствующую примерно 3% потребляемой нефти и 6% природного газа. Следовательно, без радикальных улучшений в организации сбора твердых отходов они вряд ли дадут большой вклад в производство электроэнергии. На биомассу - древесину и органические отходы - приходится около 14% полного потребления энергии в мире. Биомасса - обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах. Были предложения выращивать растения (в том числе и лес) как источник энергии. Быстрорастущие водяные растения способны давать до 190 т сухого продукта с гектара в год. Такие продукты можно сжигать в качестве топлива или пускать на перегонку для получения жидких или газообразных углеводородов. В Бразилии сахарный тростник был применён для производства спиртовых топлив, заменяющих бензин. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителей. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может быть восполняемым. Необходимы дополнительные исследования, особенно быстрорастущих культур и их рентабельности с учётом затрат на сбор, транспортировку и размельчение.

1.5.7 Топливные элементы

Топливные элементы -- это электрохимические устройства, которые могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %).

Если КПД типичной электростанции, сжигающей топливо, не превышает примерно 40%, то КПД топливного элемента может достигать 85%. Правда, пока что топливные элементы относятся к дорогостоящим источникам электроэнергии.

КПД, определённый по теплоте химической реакции, теоретически может быть и выше 100% из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды. Здесь, тем не менее, нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу, и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается, в конечном счёте, не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды.



1.6 Аккумуляторные энергоустановки

Автономные энергоустановки мощностью от нескольких сотен ватт до нескольких сотен киловатт являются широко востребованными в различных секторах экономики и географических регионах России, где вне систем централизованного энергоснабжения проживает более 20 млн чел. Сегодня энергоснабжение автономных потребителей обеспечивается в основном с помощью бензиновых и дизель-генераторов, эксплуатация которых сопряжена с большими затратами на периодический завоз топлива и обслуживание. Дополнительными негативными факторами использования таких установок являются выбросы продуктов сгорания в окружающую среду и шум. Серьёзной экологической проблемой является загрязнение окружающей среды топливными контейнерами.

В последнее время все более широкое применение находят комбинированные дизель-ветровые или дизель-фотоэлектрические автономные энергоустановки, использование в которых возобновляемых источников позволяет экономить органическое топливо. Однако такие технические решения не приводят к кардинальному решению проблемы. Они несут с собой большинство существенных недостатков, характерных для традиционных установок на привозном органическом топливе.

Целью данной работы является анализ возможности создания автономных энергоустановок, работающих только на возобновляемых источниках энергии, среди которых солнечная и ветровая энергия являются наиболее универсальными и повсеместно доступными.

Россия, как и другие страны, располагает значительными ресурсами солнечной и ветровой энергии. С точки зрения оценки ресурсов солнечной энергии, наиболее объективными являются данные о приходе солнечной радиации на поверхности, оптимально (т. е. обеспечивающие максимальный сбор солнечного излучения) ориентированные в пространстве. Солнечные коллекторы и фотопреобразователи обычно устанавливаются неподвижно (без систем слежения за Солнцем) с ориентацией приёмной поверхности на юг. При этом в зависимости от широты местности и периода эксплуатации установки существует оптимальный угол наклона приёмника к горизонту, равный при круглогодичной эксплуатации примерно широте, а при сезонной (тёплый период года) - широте -10-15°. Следует подчеркнуть, что при этом каждой географической точке соответствует свой оптимальный угол наклона приёмника к горизонту. Интересно отметить, что при таком подходе к оценке ресурсов в существующих границах России наиболее солнечными регионами являются Приморье и юг Иркутской области (среднегодовое поступление солнечной энергии 4,5-5 кВт*ч/м2*день). Северный Кавказ, включая Сочи, характеризуется примерно такими же годовыми поступлениями солнечной радиации, как и Якутия (4-4,5 кВт*ч/м2*год). Важно отметить, что приведённые данные опровергают утверждения о том, что Россия является страной, где использование солнечной энергии вследствие ее высокоширотного расположения малоперспективно. Поступления солнечной радиации в наиболее солнечных регионах страны практически не уступают «солнечной» Испании, где суммы солнечной радиации больше всего на 10-15 %. Даже в самых северных районах страны имеются значительные ресурсы для эффективного использования солнечной энергии, по крайней мере, в летнее время.

Что касается ветровых ресурсов, то в России они максимальны в районах морских побережий. Значительными ресурсами располагает и юг европейской части страны.

Существенными недостатками солнечной и ветровой энергии являются относительно низкая плотность энергетических потоков (для солнечной энергии среднегодовая мощность не превышает 200-250 Вт/м2, а для ветра (при средней скорости ветра 5-6 м/с) - менее 100 Вт/м2, а также их нерегулярность и зависимость от сезонных и погодных условий.

Как показывают отечественные и зарубежные исследования, применение в составе солнечно-ветровых установок водородных накопителей, представляющих собой комбинацию электролизера воды, аккумуляторов водорода и кислорода и батареи топливных элементов, обеспечивающих эффективное (практически без потерь) долгосрочное аккумулирование энергии, может обеспечить кардинальное решение указанной выше проблемы аккумулирования энергии и позволит создать полностью автономные экологически чистые автоматизированные солнечно-ветровые энергоустановки с высокими потребительскими качествами.

Изложенное выше определяет целесообразность проведения расчетных и экспериментальных исследований в обоснование оптимальных конфигураций автономных энергоустановок, состава и конструкции комплектующего оборудования с учётом реальных климатических условий эксплуатации и особенностей потенциальных потребителей

Концепция автономной энергоустановки на ВИЭ.

Упрощённая структура автономной энергоустановки на ВИЭ изображена на рисунок 1.

В состав рассматриваемой энергоустановки входят первичные источники энергии: фотоэлектрические преобразователи и ветроустановка, выработка энергии которыми, как правило, существенно не совпадает с графиками потребления энергии потребителем, который, в общем случае, нуждается в электроэнергии, в тепловой энергии, а также, в ряде случаев, и в

холоде. В этой ситуации ключевым компонентом автономной системы является система аккумулирования, преобразования и вторичной генерации энергии. Для обеспечения наиболее эффективного преобразования первичных видов энергии и удовлетворения нужд потребителя энергоустановка должна быть снабжена «умной» системой автоматического управления.



Рисунок 1 Основные компоненты автономной энергоустановки на ВИЭ

Выработка энергии фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и ветроустановкой сильно зависит от климатических условий эксплуатации установки. Мощность ФЭП изменяется во времени пропорционально облученности их рабочей поверхности солнечным излучением. Мощность ветроустановки на основном рабочем участке пропорциональна кубу скорости ветра. Поступление солнечного излучения на поверхность земли, также как и скорость ветра, изменяются в зависимости от погодных условий, имеют ярко выраженные суточные и сезонные зависимости. Так, среднемесячный летний приход солнечного излучения в средних широтах в 4-5 раз превышает среднемесячное поступление в зимние месяцы.

Для краткосрочного аккумулирования электроэнергии (до нескольких часов) в составе автономных энергоустановок используются электрохимические аккумуляторы. Однако их размеры, стоимость и надёжность становятся, как правило, неприемлемыми при попытках построить систему аккумулирования долгосрочного хранения энергии.

В этой ситуации включение в состав энергоустановки водородного накопителя энергии (рисунок 2), представляющего собой комплекс из электролизера воды, ресиверов водорода и кислорода необходимой емкости, в которых газы хранятся под давлением, и батареи топливных элементов, оказывается привлекательным, поскольку такое техническое решение позволяет решить проблему долгосрочного хранения энергии практически без потерь.

Рисунок 2 Схема водородного накопителя

Вместе с тем, обеспечение большого ресурса работы топливных элементов и электролизеров требует стабилизации режимов потребления отбора мощности; их эксплуатация в маневренных режимах должна быть ограничена. В этой связи целесообразно создание комбинированных энергоустановок, в которых сочетаются различные источники электрической энергии, одни из которых, ввиду их высокой энергоемкости (топливные элементы), можно рассматривать как источники энергии, а другие (например, аккумуляторные или конденсаторные накопители) - как источники мощности, обеспечивающие пиковые и переходные режимы потребления мощности нагрузкой. Согласовать режимы работы источников энергии и мощности можно с помощью соответствующих электронных преобразователей.

Итак, разработка полностью автономной эффективной энергоустановки, использующей в качестве первичных источников энергии солнечную и ветровую энергию, связана с поиском и обоснованием её оптимальной конфигурации и состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. [http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3278]



2. Принцип действия синхронных генераторов

Вращение ротора с размещённой на нем обмоткой возбуждения, создающей магнитное поле чередующейся полярности, приводит к возникновению ЭДС в проводниках обмотки статора, который нередко называется якорем. Индуктируемая ЭДС равна произведению скорости магнитного поля возбуждения на его интенсивность. Интенсивность поля возбуждения определяется током обмотки возбуждения и числом её витков.

При присоединении генератора к нагрузке, т.е. к потребителю электрической энергии или к электрической сети, ЭДС обмотки статора создаёт в ней ток. Обмотка статора -- трёхфазная, поэтому протекающие по ней токи -- тоже трёхфазные. Они создают вращающееся со скоростью ротора магнитное поле. Магнитное поле обмотки статора вращается с той же частотой вращения, что и ротор. Таким образом, в синхронном генераторе оба магнитных поля: обмотки ротора, созданное постоянным током возбуждения, и обмотки статора, созданное переменными токами трехфазной обмотки, оказываются взаимно неподвижными, вращающимися синхронно. (Следует заметить, что взаимная неподвижность магнитных полей обмоток статора и ротора характерна практически для всех традиционных видов электрических машин.)

Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создает электромагнитный момент, направленный в генераторном режиме электрической машины навстречу механическому моменту, созданному паровой, газовой или гидравлической турбиной. В случае равенства этих двух моментов ротор генератора будет вращаться с постоянной скоростью, обеспечивая индуктирование стабильной частоты ЭДС обмотки статора, совпадающей с частотой напряжения сети. Это нормальный синхронный режим работы генератора, когда частота вращения (угловая скорость) ротора определяется частотой напряжения сети. Задачей персонала является регулирование подачи на турбину, создающую механический момент, требуемого количества агента (пара, газа, воды) необходимых параметров для обеспечения равновесия вращающего и тормозящего электромагнитного моментов (рисунок. 3.8).

При аварийном отключении генератора от нагрузки токи статора становятся равными нулю. Электромагнитный тормозящий момент также исчезает, а из-за сохраняющегося вращающего механического момента ротор начинает разгоняться сверх номинальной скорости до тех пор пока не будет прекращена подача агента (т.е. пара, газа, воды и т.п.) на турбину. Очевидно, что наиболее быстро это можно осуществить для паровой или газовой турбин. Частота вращения при этом успевает возрасти на 10--20 %. Гораздо сложнее остановить поток воды. В зависимости от типа применяемого гидравлического колеса частота вращения может возрасти в процессе прекращения подачи воды в 1,8--3,5 раза по сравнению с номинальной. Эта предельно возможная частота вращения ротора при наиболее неблагоприятном отказе системы регулирования подачи воды в турбину носит название угонной частоты вращения, или угонной скорости. Механическая прочность ротора генератора рассчитывается так, чтобы при угонной частоте вращения механические напряжения в элементах ротора из-за действующих центробежных сил, пропорциональных квадрату частоты вращения, не превосходили пределов текучести материалов ротора. Деформация обода ротора не должна превышать размера воздушного зазора. После того как гидрогенератор вращался с угонной частотой вращения, его следует остановить для тщательного осмотра, контроля всех креплений, а в случае необходимости, и для ремонта. В соответствии с ГОСТ все гидрогенераторы должны в течение 2 мин выдерживать без остаточных деформаций повышенную частоту вращения, равную 1,75 номинальной. В этих случаях останавливать их для осмотра необязательно.



3. Типы турбо- и гидрогенераторов по мощностям и способам охлаждения

В зависимости от рода первичного двигателя синхронные генераторы делятся на турбогенераторы (с приводом от паровых или газовых турбин) и гидрогенераторы (с приводом от водяных турбин). Обозначения типов синхронных генераторов приведены ниже в таблице 1.

Таблица 1

Турбогенераторы
Турбогенератор, Т
Охлаждение	Газовое, Г
	Водородное, В
	Водяное, В
	Форсированное, Ф
Мощность, МВт
Количество полюсов
Гидрогенераторы
Синхронный генератор, С
Исполнение	Горизонтальный, Г
	Вертикальный, В
Капсульный, К
Обратимый, О
Охлаждение	Водяное, В
Форсированное, Ф

3.1 Турбогенераторы

В настоящее время на тепловых электрических станциях России эксплуатируется около 1200 турбогенераторов суммарной мощностью около 150 ГВт (150 тыс. МВт). Все турбогенераторы -- отечественного производства. Большая часть общей мощности (около 60 %) -- это турбогенераторы мощностью 100--320 МВт. Распределение турбогенераторов по группам мощностей приведено в таблице 1. По сравнению с США структура мощностей турбогенераторов России несколько сдвинута в область меньших мощностей (100--200 МВт). В США доля установленной мощности блоков 300--500 МВт составляет 40 %, что несколько больше, чем в России (30 %).

Таблица 1 Мощности турбогенератора по группам

Мощности турбогенераторов по группам
Группа	Диапазон мощностей турбогенераторов, МВт	Суммарная мощность турбогенераторов, ГВт
1	25--63	33,5
2	100--200	54,5
3	300--500	46,1
4	800	12,8
5	более 1000	1,2
		Итого 148,1 ГВт

Большинство отечественных турбогенераторов имеет большую надежность, чем аналогичные в США, но несколько меньшую, чем турбогенераторы новейших серий фирм ABB.

В последние 30--40 лет в мире имел место рост единичной мощности турбогенераторов, который приводил к снижению удельных затрат материалов генераторов на единицу мощности, удельных капиталовложений при сооружении станции и стоимости электроэнергии. Например, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности для турбогенератора200 МВт почти в 2,5 раза меньше, чем для турбогенератора мощностью 32 МВт. Коэффициент полезного действия (КПД) турбогенераторов мощностью

1200 МВт примерно равен 99 %, однако, отводимые в виде теплоты потери в нем достигают 12 000 кВт, что требует обеспечения интенсивного охлаждения.

В последние годы рост единичных мощностей турбогенераторов замедлился по причинам технического характера, которые связаны с необходимостью внедрения сложных методов охлаждения, ограничениями по механическим напряжениям ротора и вибрациям. Принципиально электромашиностроение способно создать генераторы мощностью 2000--2500 МВт, однако социально-экономические последствия аварийного выхода из строя такого агрегата пока лишают актуальности задачу применения машин такой единичной мощности.

В качестве охлаждающих агентов в турбогенераторах применяются воздух, водород, дистиллированная вода и трансформаторное масло. Их физические свойства в относительных единицах приведены в таблице 2.

По принципу охлаждения все турбогенераторы можно подразделить на машины с косвенным (поверхностным) охлаждением и непосредственным охлаждением проводников обмоток статора и ротора различными агентами, а также смешанным охлаждением.

Таблица 2

Свойства охлаждающих сред по отношению к воздуху
Среда	Плотность	Объемная теплоемкость	Теплопроводность	Теплоотводящая способность	Расход
Воздух	1	1	1	1	1
Водород при избыточном давлении, МПа
0,1	0,14	1,5	7,1	2,3	1
0,2	0,21	2,2	7,1	2,7	1
0,3	0,27	3,0	7,1	3,0	1
0,4	0,35	3,75	7,1	3,5	1
Масло трансформаторное	848	1400	5,3	21	0,01
Вода	1000	3500	23	60	0,01

Типы турбогенераторов с видами охлаждения представлены в таблице 3.

Водородное охлаждение, в том числе и водородно-водяное, применяется для 64,5 % турбогенераторов (по мощности), водяное, в том числе водо-масляное, -- для 5,5 % турбогенераторов (по мощности). Отечественные турбогенераторы с водоводородным охлаждением находятся на уровне лучших зарубежных машин, а по ряду показателей их превосходят. Турбогенераторы с полным водяным охлаждением мощностью 50--800 МВт за рубежом не изготавливаются. Несмотря на заметные преимущества водородного и водоводородного охлаждения, многолетний опыт их применения показал, что экономически целесообразно в настоящее время возобновить производство турбогенераторов с полным воздушным охлаждением. Эти машины оказываются более простыми в эксплуатации и менее пожароопасными. За рубежом освоено производство турбогенераторов с воздушным охлаждением до 300 (450) МВт, а в России -- до 160 МВт.

Турбогенераторы серии ТВМ мощностью 300 и 500 МВт и напряжением до 36,75 кВ охлаждаются трансформаторным маслом, воздухом и водой. Для обмоток статора масло является и хорошей изолирующей средой, что позволяет увеличить их напряжение до 36,75 кВ по сравнению с 20--24 кВ для генераторов с другими типами охлаждения. С целью отделения объёма статора, заполняемого маслом, от вращающегося ротора внутри сердечника статора устанавливается цилиндр, изготовленный из изоляционного материала. Обмотка ротора турбогенераторов серии ТВМ охлаждается водой, поверхность ротора -- воздухом, зубцы ротора -- водой. В настоящее время в турбогенераторах ТВМ масло заменяют негорючим жидким диэлектриком (совтол, клофен, пиранол и т.п.).

Следует отметить, что в связи с изменением организации хозяйственной деятельности в последнее десятилетие и распадом СССР наблюдаются негативные тенденции в состоянии и структуре электроэнергетических мощностей. Так, более 50 % общего числа турбогенераторов России отработали установленные нормами минимальные сроки службы.

Например, парк турбогенераторов мощностью 60 МВт и более, отслуживших более 25 лет, составляет 55 % против 41 % в США, и в то же время турбогенераторы, прослужившие в России менее 20 лет, составляют 26 %, а в США -- 43 %. Такая ситуация диктует необходимость осуществления замены наиболее изношенных генераторов на новые наряду с мероприятиями по продлению срока службы остальных машин путем совершенствования профилактического обслуживания на базе непрерывного контроля и текущего ремонта.

гидрогенератор энергоустановка охлаждение

Таблица 3 Типы турбогенераторов с различными видами охлаждения

Типы турбогенераторов
Наименование серии	Расшифровка	Система охлаждения
		Обмотка статора	Сердечник статора	Обмотка ротора
Т2-2,5-2; Т2-4-2; Т2-6-2; Т2-12-2 (завод «Электросила»); Т-2,5-2УЗ; Т-4-2УЗ; Т6-2УЗ; Т-12-2УЗ (Лысьвинский завод)	Т- турбогенератор; 2 - вторая серия; 2,5 - мощность, 2- двухполюсный, УЗ-климатическое исполнение и категория размещения	Косвенное воздушное	Непосредственное воздушное	Косвенное воздушное
ТВ2-30-2; ТВ2-100-2; ТВ2- 150-2 (завод «Электросила»)	В - водородное охлаждение	Косвенное водородом	Непосредственное водородом	Косвенное водородом
ТВФ-63-2ЕУЗ; ТВФ-110-2ЕУЗ(ЛПЭО «Электросила»)	Ф-форсированное охлаждение ротора	Косвенное водородом	Непосредственное водородом	Непосредственное водородом
ТВВ-160-2ЕУЗ; ТВВ-220-2ЕУЗ; ТВВ-320-2ЕУЗ; ТВВ-500-2ЕУЗ; ТВВ-800-2ЕУЗ (ЛПЭО «Электросила»); ТВВ-1000-2УЗ; ТВВ-1200-УУЗ;(ЛПЭО «Электросила»)	ВВ-водородно-водяное охлаждение, Е - единая серия	Непосредственное водой	Непосред-ственное водородом	Непосредствен-ное водородом
ТВФ-63-2ЕУЗ; ТВФ-110-2ЕУЗ (ЛПЭО «Электросила»	Ф -форсированное охлаждение ротора	Косвенное водородом	Непосредственное водородом	Непосредственное водородом
ТГВ-200-2; ТГВ-200-2Д; ТГВ-200-МТ; ТГВ-200-2М; ТГВ-300-2;ТГВ-500-2 (Харьковский завод «Электротяжмаш»)	ТГ-турбогенератор, водородно водяное охлаждение обмоток, М - модификация	Непосредственное водородом, для ТГВ-500, 800, ТГВ-200-2М - водой	Непосредствен-ное водородом	Непосредственное водородом, для ТГВ-500, 800 - водой

3.2 Гидрогенераторы

Существуют следующие типы гидрогенераторов, приведённые в (таблице 1 - типы гидрогенераторов)

Таблица 1

Типы гидрогенераторов
Типы гидрогенераторов	Мощность полная, MB-А	Напряжение статора, кВ	Ток статора, А	cosц	Частота вращения, об/мин	Угонная частота вращения, об/мин	Ток возбуждения, А	Напряжение возбуждения, В
СВФ 1285/275-42У4	711	15.75	26100	0,9	142,8	280	3500	530
СВФ 1690/175-64	590	15.75	21600	0,85	93,8	180	3770	606
ВГС 1190/215-48	282,5	15,75	10360	0,85	125	230	1555	379
СВ 1130/220-44XJI4	253	15.75	9280	0,85	136,4	300	2060	260
СВ 1260/235-60Т	206	15,75	7560	0,85	100	210	1400	388
СВ 1490/220-96ТВ4	195,5	13.8	8150	0,9	75	180	1620	555
СВ 1500/175-84	190	15,75	6960	0,9	71,5	180	1720	374
СВ 1420/190-80ТВ4	150	13,8	6280	0,9	75	225	1500	325
СВ 1500/200-88	133,33	13,8	5580	0,9	68,2	140	1900	400
СВ1470/149- 104УХЛ4	91,8	13,8	3840	0,85	57,7	119	1185	345
CВ710/235-20УХЛ4	203,5	13,8	8515	0,85	300	540	1730	205
СВ800/230-32УX JI4	144,44	10,5	7940	0,9	187,5	330	1600	260
СВ627/230-20Т	127,7	11	6700	0,9	300	480	1500	163
СВ460/210-12	107	13,8	4480	0,8	500	835	1075	176
СВ430/210-14	68,75	10,5	3785	0,8	428,6	700	930	175
СВ505/190-16Т	66,7	11	3510	0,9	375	620	875	172
СВ375/195-12	65,5	10,5	3605	0,8	500	910	947	160
СВ735/115-30	63	10,5	3470	0.8	200	350	915	200
СВ425/110-16У4	31,25	10,5	1720	0,8	375	775	786	115
СВ663/100-40УХЛ4	31,18	10,5	1715	0,85	150	290	945	150

Размещено на Allbest.ru

...