Особенности проектирования турбогенератора для АЭС и автоматизация электромагнитных расчетов
Анализ преимуществ применения и особенностей проектирования турбогенераторов для АЭС. Исследование проблем, возникающих при расчетах габаритных размеров и веса тихоходных турбогенераторов предельных мощностей (более 1000 МВт), поиск путей их решения.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.04.2018 |
| Размер файла | 305,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ АЭС И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСЧЕТОВ
М.А. Садохина, М.А. Чекан, Г.Г. Константинов
ФГБОУ ВО «Иркутский национальный
исследовательский технический университет»
Иркутск, Россия
E-mail: mariasadokhina@gmail.com
На АЭС преимущественное применение находят тихоходные турбогенераторы на 1500 об/мин предельных мощностей (более 1000 МВт). При проектировании таких турбогенераторов возникают проблемы по расчетам габаритных размеров и весу, так как существуют ограничения на габариты по перевозкам электрических машин на железнодорожном и автомобильном транспорте. При этом выполняется достаточно много громоздких и сложных расчетов. Поэтому актуальной задачей будет уложиться в эти ограничения, не ухудшая технико-экономические показатели таких турбогенераторов.
Ключевые слова: турбогенераторы для АЭС, особенности проектирования, автоматизация электромагнитных расчетов турбогенераторов
Low-speed turbine type at 1500 rpm of limit capacity (over 1000 MW) are primarily used at nuclear power plants. When developing such turbine types, the problems in calculating overall dimensions and weight arise due to restrictions on the dimensions of electrical machinery for railway and road transportation. Along with it, a lot of cumbersome and complicated calculations are performed. Therefore, the actual task of today will be to meet these limitations without worsening the performance indicators of such turbine types.
Keywords: Turbine type for nuclear power plants, development features, automation of electromagnetic calculations of turbine type
турбогенератор тихоходный мощность аэс
Введение
Атомная энергетика была, и будет востребованной во все времена, так как ее значение для общества велико [1]. Всем известно, к каким бедствиям может привести авария на АЭС. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что создание надежных энергетических установок на ядерном топливе сегодня вполне реально. И поэтому разработка электрических машин с наибольшей степенью надежности, является актуальной задачей, так как выход из строя генератора большой мощности во время эксплуатации на АЭС оборачивается значительными экономическими потерями для народного хозяйства.
Применение тихоходных турбогенераторов на АЭС обусловлено тем, что на АЭС вырабатывается пар с относительно низкими параметрами. Поэтому во всем мире и в нашей стране, чаще всего применяют на этих станциях тихоходные (четырехполюсные) турбогенераторы.
Особенности проектирования турбогенераторов для АЭС
Рассмотрим особенности проектирования и конструкции таких турбогенераторов на примере четырехполюсного турбогенератора мощностью 1 000 МВт серии ТВВ, в сравнении с двухполюсным равной мощности и такой же системы охлаждения.
Обычно стремятся активную длину машины в четырех- и двухполюсном исполнении сохранить достаточно близкой [2], и тогда при том же коэффициенте использования машины, диаметр расточки статора четырехполюсного турбогенератора должен быть в раза больше, чем у двухполюсного,
(1)
где -- диаметр расточки статора.
Их этих же соображений принимается и соотношение диаметров роторов
(2)
где -- диаметр ротора.
Механические напряжения от центробежных сил в роторе и бандажных кольцах пропорциональны квадрату его окружной скорости h
(3)
При принятых соотношениях (2) и (3), механические напряжения от центробежных сил в четырехполюсных роторах
(4)
т.е. существенно снижаются.
Если предельная мощность турбогенератора будет определяться механическими свойствами поковок, а не их весом, то при одной и той же длине и одних тех же механических свойствах предельная мощность четырехполюсных турбогенераторов будет в два раза выше, чем двухполюсных.
С ростом диаметра ротора возрастает в два раза и его вес. Полюсное деление ф четырехполюсных машин будет равно
(5)
В этом отношении должен уменьшиться и основной поток на полюс
(6)
Учитывая, что высота спинки статора определяется допустимой индукцией в ней, получим, что высота спинки сердечника статора для четырехполюсных турбогенераторов будет определяться как
(7)
Поскольку величина воздушного зазора , при прочих равных условиях, пропорциональна полюсному делению , для четырехполюсных турбогенераторов будем иметь
(8)
Высота паза статора у двухполюсного турбогенератора ориентировочно составляет 0,18 D1. Для четырехполюсных турбогенераторов при сохранении высоты паза
(9)
Внешний диаметр активной стали статора равен при:
2p = 2 ; 2p = 4 ; (10)
Откуда , т.е. изменение по сравнению с практически несущественно. При этом условии вес сердечника статора четырехполюсного турбогенератора будет составлять ориентировочно
(11)
Учитывая реальное соотношение между весом ротора и статора, можно заключить, что общий вес четырехполюсного генератора
(12)
Маховый момент ротора пропорционален четвертой степени диаметра и поэтому для четырехполюсного турбогенератора .
Однако механическая постоянная T обеих машин будет одинаковой, поскольку кинетическая энергия вращающегося ротора пропорциональна квадрату скорости вращения (13)
При одинаковой в обоих случаях плотности тока в обмотке статора
(14)
Вес меди в пазовой части обмотки статора должен быть у четырехполюсной машины
(15)
Вес меди в лобовой части о6мотки статора практически сохраняется
(16)
Учитывая реальные соотношения между весом меди в пазовой и лобовой частях обмотки, для мощных турбогенераторов (1/0,5) будем иметь
(17)
При сохранении постоянной относительной площади пазов ротора вес меди ротора от активного цилиндра с внутренним диаметром составит
(18)
Отсюда следует, что плотность тока в обмотке ротора
(19)
Возможность снижения плотности тока в обмотке ротора является особенностью четырехполюсных турбогенераторов.
При одинаковом объеме тока в пазу число пазов статора в четырехполюсном турбогенераторе должно возрасти пропорционально диаметру расточки, т.е. ; при тех же условиях число пазов ротора составит
.
Индуктивное сопротивление пазового рассеяния обмотки статора можно представить в виде
(20)
Поскольку уменьшается в раза, то для будем иметь
(21)
Индуктивное сопротивление лобового рассеяния, наоборот, имеет тенденцию к снижению, так
как
(22)
и, следовательно, (23)
Имея в виду реальные соотношения в мощных турбогенераторах , будем иметь для индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора , откуда также следует, что индуктивные переходные и сверхпереходные сопротивления будут в таком же соотношении (24)
(25)
Тенденция к увеличению индуктивных сопротивлений рассеяния является отличительной особенностью четырехполюсных турбогенераторов.
Поскольку реакция якоря и величина воздушного зазора уменьшается одинаковым способом, то о.к.з.(4) = о.к.з.(2) и .
Таким образом, в четырехполюсном турбогенераторе при уменьшении частоты вращения ротора в два раза, по сравнению с двухполюсным. увеличивается в v2 диаметр расточки статора, диаметр ротора, число пазов статора и ротора. Полюсное деление, основной поток на полюс, высота спинки статора, величина воздушного зазора, плотность тока в обмотке ротора, наоборот, уменьшаются в v2. Механические напряжения от центробежных сил в роторе и в его деталях (валу, бандажных кольцах, пазовых клиньях) уменьшаются примерно в 2 раза. При этом наружные габариты двух и четырехполюсных машин практически одинаковы (рис.1); соответственно сохраняются на одном и том же уровне, в отличие от роторов, и массы статоров.
При проектировании турбогенераторов необходимо учитывать достаточно большое количество основных параметров и характеристик, производить большие и трудоемкие вычисления, а в некоторых случаях повторять один и тот же алгоритм расчета, используя при этом разные значения определенных коэффициентов.
Задачи автоматизации
Рис. 1. Сравнительные размеры четырех- и двухполюсных турбогенераторов: 1?корпус статора; 2?сердечник статора; 3?ротор; 4?линии магнитного потока
В настоящей работе предлагается выполнять трудоемкие электромагнитные расчеты турбогенератора на ПК, используя известные языки программирования. Автоматизация таких расчетов позволяет существенно сократить время, уменьшить погрешности и исключить ошибки. При создании универсальной программы необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ данных необходимых для расчета турбогенераторов.
2. Создать алгоритм для расчета нужных характеристик, написание программы.
3. Выполнить тестирование и отладку программы.
Организация и методы исследования
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:
1. Метод экспериментально-теоретического уровня: анализ алгоритма расчета тихоходных турбогенераторов для АЭС и данных для написания программы.
2. Методы теоретического уровня: формализация данных непосредственно необходимых для расчетов тихоходных турбогенераторов для АЭС.
Описание процесса автоматизации
При составлении алгоритма программы предполагается, что все основные величины, необходимые для построения характеристики холостого хода (индукции, напряженности магнитного поля, намагничивающие силы), должны быть вычислены вручную для номинального варианта значения ЭДС. Полученные в результате расчета значения индукций для отдельных участков магнитной цепи, сравниваются со значениями индукций, серийных, хорошо зарекомендовавших себя на практике, турбогенераторов. Если величины этих индукций не входят в рекомендуемые пределы, то даются рекомендации (ссылки), что нужно изменить, чтобы получить желаемый результат. Таким образом, используя метод последовательных приближений, обучающийся может «прочувствовать» на расчете номинального варианта как влияют размеры магнитопровода, размеры пазов статора и ротора, сечения проводников обмоток статора и ротора на получение требуемых величин индукций, намагничивающих сил, тока обмотки возбуждения, а также на величину коэффициента насыщения магнитной цепи.
Расчеты для остальных точек характеристики холостого хода: (0,6; 1.1; 1,2; 1.3) Ен, в том числе и построение самой характеристики холостого хода, возлагаются на ПК.
Рис. 2. Результаты расчета характеристики холостого хода четырехполюсного турбогенератора
Предлагаемая математическая модель основана на алгоритме расчета характеристики холостого хода [3]. Главная сложность заключалась в определение параметров напряженности магнитного поля по кривым намагничивания используемой электротехнической стали и роторных поковок турбогенераторов для различных участков магнитной цепи, так как необходимые данные считываются не только из таблиц, но и из графиков намагничивания. Для решения проблемы были сняты по графикам значения с определенным интервалом и затем записаны в таблицу, которую использует программа при расчетах. Значения, которые отсутствуют в таблице, вычисляются с помощью интерполяции.
Результаты работы программы
Для создания универсальной программы использован язык программирования Python. Входными данными являлись предварительно рассчитанные геометрические размеры, основные величины и электромагнитные нагрузки данного турбогенератора. Вывод результатов расчета осуществляется в виде таблицы в Excelе (рис. 2).
По результатам расчетов машина строит характеристику холостого хода (рис. 3).
Рис. 3. Характеристика холостого хода четырехполюсного турбогенератора
Выводы
Приведенные особенности проектирования четырехполюсного турбогенератора показывают, что несмотря на уменьшение частоты его вращения в 2 раза, удается рассчитать турбогенератор для АЭС предельной мощности (1 000 МВт), сопоставимый с двухполюсным турбогенератором по массогабаритным показателям, техническим характеристикам и повышенной надежности, что особенно важно для АЭС.
Предложенная программа расчета характеристики холостого хода на ПК позволяет существенно сократить время на проектирование турбогенератора, повысить точность его расчетов и может быть применена не только для турбогенераторов для АЭС с числом полюсов 2p = 4, но и для турбогенераторов с числом полюсов 2p = 2 и с любой системой охлаждения.
Список литературы
Константинов Г.Г., Бутаков Ф.С. Современное состояние и развитие атомной энергетики в России и за рубежом. Повышение эффективности производства и использование электроэнергии в усл. Сибири/ Мат. Все-росс. науч.-практ. конф., т.2.- Иркутск: ИРНИТУ, 2016.-С. 147-149
Константинов Г.Г., Безгодов А.В. Особенности проектирования турбо-генераторов для атомных электростанций. Повышение эффективности производства и использование электроэнергии в усл. Сибири/ Мат. Все-росс. науч.-практ. конф., т.2.- Иркутск: ИРНИТУ, 2016.-С. 134-137.
Константинов Г.Г. Проектирование турбогенераторов: учебное посо-бие.- 4-е изд., перераб. и доп.- Иркутск : Изд-во ИРНИТУ, 2016.- 312 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Методика проектирования турбогенератора, его характеристики. Определение размеров и электромагнитных нагрузок. Расчет обмоточных данных статора. Ток возбуждения при нагрузке, диаграмма Потье. Параметры, постоянные времени и токи короткого замыкания.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 28.05.2013Определение допустимых температур отдельных узлов генератора и охлаждающих сред. Описание процессов, обеспечивающих стабильную работу котельных турбогенераторов - циркуляции охлажденного водорода, маслоснабжения опорных подшипников и уплотнений вала.
реферат [35,6 K], добавлен 23.03.2011Определение основных размеров и электромагнитных нагрузок. Расчет обмоточных данных статора, зубцовой зоны ротора и обмотки возбуждения. Параметры, постоянная времени и токи короткого замыкания, расчет потерь и КПД. Характеристики турбогенератора.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 18.05.2013Метод прогнозирования глушения теплообменных трубок на основе анализа химического состава воды. Особенности применения современных средств автоматизации. Оценка технико-экономических показателей АЭС общей мощностью 4000 МВт (4 энергоблока с ВВЭР-1000).
дипломная работа [3,0 M], добавлен 29.05.2010Гидротермальные и петротермальные ресурсы геотермальной энергии. Главные преимущества источника энергии. Понятие и краткая характеристика сущности HDR-технологии. Мощность петротермальных паровых турбогенераторов, главные перспективы применения энергии.
реферат [21,5 K], добавлен 14.01.2013Расчет количества и параметров пара, требуемого для покрытия всех видов нагрузок в конце отопительного периода. Потребление тепла на собственные нужды. Турбинное оборудование, выпускаемое Калужским турбинным заводом. Определение срока окупаемости.
курсовая работа [124,1 K], добавлен 24.02.2014Конструкция, принцип работы силовых масляных трансформаторов, синхронных турбогенераторов, синхронных явнополюсных двигателей и асинхронных двигателей. Расчет установившейся работы в узле нагрузки и при пониженном напряжении, оценка работы оборудования.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 17.11.2009Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека.
реферат [776,4 K], добавлен 25.02.2009Технические данные турбогенераторов, трансформаторов и асинхронных электродвигателей. Расчет ударного тока и начального значения периодической составляющей тока при трехфазном коротком замыкании. Определение значения апериодической составляющей тока.
контрольная работа [1018,1 K], добавлен 14.03.2012Описание принципиальной тепловой схемы паротурбинной электростанции и определение термического коэффициента её полезного действия. Превращения энергии на ТЭЦ и характеристика технологической схемы котел – турбина. Устройство двухвальных турбогенераторов.
реферат [1,1 M], добавлен 25.10.2013Выбор турбогенераторов и распределение их по напряжениям. Расчет перетоков мощности через трансформаторы связи. Выбор силовых трансформаторов. Расчет токов короткого замыкания, параметров электрической схемы замещения. Выбор электрических аппаратов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 18.05.2016Выбор главной схемы электрических соединений тепловой конденсационной электростанции. Расчет установленной мощности электрооборудования. Выбор трансформаторов. Определение токов короткого замыкания. Выбор напряжения, схема синхронных турбогенераторов.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 19.12.2014Принцип действия тепловых конденсационных электрических станций. Описание назначения и технических характеристик тепловых турбин. Выбор типа и мощности турбогенераторов, структурной и электрической схем электростанции. Проектирование релейной защиты.
дипломная работа [432,8 K], добавлен 11.07.2015Назначение вентиляционных установок и воздуховодов атомных электростанций. Основы проектирования и примерная схема специальной технологической вентиляции реакторного отделения. Обеспечение допустимых температур воздуха в производственных помещениях.
курсовая работа [939,0 K], добавлен 25.01.2013Знакомство с этапами проектирования электрической части ТЭЦ-200 мвт. Анализ проблем выбора силовых трансформаторов. Рассмотрение способов ограничения токов короткого замыкания на шинах генераторного напряжения. Особенности составления электрической схемы.
курсовая работа [728,6 K], добавлен 08.12.2013Устройство электромагнитных пускателей, принцип их действия и сферы применения. Техническое обслуживание магнитных пускателей, ремонт электрооборудования. Основные правила техники безопасности при обслуживании электроустановок напряжением ниже 1000 В.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 09.12.2009Расчет активных и реактивных нагрузок на потребителей с целью проектирования электрической сети. Оценка необходимой мощности компенсирующих устройств приемной подстанции. Выбор трансформаторов проектируемой линии. Компоновка АЭС с реакторами ВВЭР-1000.
дипломная работа [521,7 K], добавлен 18.07.2014Определение усилия в стержнях, удерживающих центр невесомого блока (пренебрегая его размерами и трением в нем) от действия веса данного груза. Проверка решения графоаналитическим способом. Проведение расчета реакций связей и размеров погрешностей.
задача [80,5 K], добавлен 11.10.2011Выбор обмоточных данных и тепловой и механический расчёт статора и ротора. Определение электромагнитных нагрузок, характеристик холостого хода, тока возбуждения в номинальном режиме, потерь и к.п.д., нажимного кольца, пальцев и стяжных рёбер статора.
курсовая работа [300,9 K], добавлен 24.12.2012Краткий обзор наиболее распространенных видов приборов учета и различных способов автоматизированного контроля и учета электроэнергии. Состав и содержание основных стадий проектирования системы автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии.
отчет по практике [35,5 K], добавлен 24.06.2015
