5 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Турбогенераторы (ТГ) представляют собой основной вид генерирующего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объема выработки электроэнергии. Одновременно ТГ являются и наиболее сложным типом электрических машин, в которых тесно сочетаются проблемы мощности, габаритов, электромагнитных характеристик, нагрева, охлаждения, статической и динамической прочности элементов конструкции. Обеспечение максимальной эксплуатационной надежности и экономичности ТГ является центральной научно-технической проблемой.
В отечественном турбогенераторостроении огромный вклад в развитие теории, разработку вопросов расчета, проектирования и эксплуатации ТГ внесли многие ученые, исследователи, конструкторы, среди которых в первую очередь следует отметить Алексеева А.Е., Лютера Р.А., Костенко М.П., Одинга А.И., Бергера А.Я., Комара Е.Г., Ефремова Д.В., Иванова Н.П., Глебова И.А., Казовского Е.Я., Еремина М.Я., Вольдека А.И., Жерве Г.К., Важнова А.И. Среди зарубежных специалистов следует отметить Видемана Е., Келленбергера В., Шуйского В.П., Готтера Г.[1, 2, 8, 10, 19, 21, 22,23,36,59,62,88,102]
Вместе с тем, несмотря на огромное количество работ, выполненных за прошедшие десятилетия, вопросы дальнейшего развития теории, разработки более совершенных технологий и конструкций ТГ, методов расчета и исследований не теряют своей актуальности.
Номенклатура ТГ, изготавливаемых на «Электросиле», охватывает широкий диапазон мощностей, назначений, конструктивного исполнения и способов охлаждения. «Электросила» располагает собственными отработанными конструкциями важнейших узлов, зачастую превосходящими разработки конкурентов по простоте исполнения и эксплуатационной надежности. Распространение указанных конструкций в качестве типовых на ТГ различных серий позволяет не только повысить их качество и надежность, но и обеспечить высокую унификацию, снижение себестоимости производства и эксплуатационных расходов.[42, 67, 68]
6
За время работы «Электросила» выпустила более 1500 турбогенераторов мощностью от 50 МВт до 1200 МВт. Из них свыше 450 изготовлены на экспорт. Среди работающих на электростанциях в настоящее время подавляющее большинство составляют турбогенераторы с водородным и водородно-водяным охлаждением типа ТВФ и ТВВ.
Современный этап развития турбогенераторостроения характеризуется появлением широкого спектра новых типов ТГ, разнообразием имеющихся конструктивных решений.
Новые сложные задачи перед исследователями возникают в связи с намечающейся тенденцией отказа от водорода в качестве хладагента и перехода на конструкции с другими системами охлаждения (вода, воздух).
Среди новых разработок следует в первую очередь выделить конструкции, не имеющие мировых аналогов и позволяющие превзойти продукцию конкурентов по главным технико-эксплуатационным показателям: уровню нагрева, КПД, маневренности, перегрузочной способности, надежности, а также исключению взрывоопасного водорода в качестве хладагента.
Большое значение имеют работы по совершенствованию конструкции, повышению качества и экономичности ТГ в условиях усиления конкурентной борьбы в поставках энергетического оборудования на мировом рынке, существенного повышения требований к эксплуатационным показателям ТГ, отраженных в новой редакции ГОСТ 533-2000 «Машины электрические вращающиеся. Турбогенераторы. Общие технические условия». В первую очередь это относится к увеличению сроков службы и межремонтного периода, повышению требований к коэффициенту готовности, маневренности, запасам мощности, обеспечению безаварийной работы ТГ в режимах с потреблением реактивной мощности, снижению расходов на обслуживание и ремонты.
С учетом перспектив развития энергетики, в ОАО «Электросила» разработана и освоена в производстве серия мощных ТГ с полным водяным
7
охлаждением типа ТЗВ (три воды) мощностью от 63 МВт до 1500 МВт, не имеющая мировых аналогов.
В связи с переориентацией энергетики на электростанции средней и малой мощности разработана серия турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения. Турбогенераторы предназначены для работы при сопряжении как с паровыми, так и газовыми турбинами. В последнем случае они обеспечивают разворот газотурбинной установки до необходимой скорости от тиристорного пускового устройства.
Возвращение к воздушному охлаждению происходит, в настоящее время, на новом техническом уровне и прежде всего с применением современных схем охлаждения, более современной термореактивной корпусной изоляции обмотки статора, новой изоляции ротора, электротехнической стали с уменьшенными удельными потерями, современных конструктивных материалов и технологий. Разработана серия турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения мощностью от 63 до 220 МВт. Осуществлен выпуск турбогенераторов мощностью 63 МВт, 110 МВт, 160 МВт. Прорабатывается развитие этой серии путем в ключения в нее турбогенератора мощность 320 MB. Турбогенераторы предназначены для работы при сопряжении как с паровыми, так и газовыми турбинами.
За прошедшее десятилетие в энергосистемах России появились проблемы с поддержанием требуемых ГОСТом уровней напряжения в электрических сетях высокого напряжения, приводящие к необходимости увеличения потребления турбогенераторами реактивной мощности. Эти проблемы в последнее время обострились из-за общего снижения величины электропотребления в целом по стране и, как следствие, генерации реактивной мощности малонагруженными ЛЭП 220-500 кВ в связи с недостаточностью средств компенсации реактивной мощности (особенно в электросетях 500 кВ). Потребление турбогенератором избытка реактивной мощности из сети позволяет несколько снизить уровни напряжения, но со
8
временем приводит к ускоренному износу этих турбогенераторов, а в ряде случаев и к аварийным отключениям из-за разрушения торцевых зон активной стали статоров, т.к. серийные турбогенераторы фактически не рассчитаны на эти режимы [97].
Одним из кардинальных способов решения проблемы является применение турбогенераторов нового асинхронизированного типа (АСТГ). В отличие от синхронных турбогенераторов обычного типа АСТГ обладают существенно большими пределами устойчивости, повышают качество протекания динамических режимов. Снятие проблемы устойчивости и совершенствование торцевой зоны позволяет обеспечить работу АСТГ в режимах глубокого потребления реактивной мощности без ущерба для своего технического состояния, чем и объясняется их более высокая степень надежности.
Необходимость в создании турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения очевидна, что связано, прежде всего, с такими их достоинствами как отсутствие дорогих вспомогательных систем — водяного и водородного хозяйства и требующихся для них дополнительных систем и площадей, объемов и несущих конструкций. Эти преимущества «воздушных» турбогенераторов особенно проявляются при реконструкции энергоблоков с заменой старых генераторов, их вспомогательного оборудования и систем тиристорного возбуждения (вместо электромашинных) в условиях ограниченного пространства для размещения, например на ТЭЦ.
В связи с этим работа, направленная на исследование и решение основных проблем конструкции и технологии изготовления ТГ с воздушным охлаждением является актуальной.
Цель работы и задачи исследований. Основной целью работы является решение ряда проблемных задач по обеспечению надежной и эффективной работы турбогенераторов с воздушным охлаждением, освоению передовых технологий их производства.
9
Кроме высокой надежности, разработанные усовершенствованные конструкции узлов должны удовлетворять требованиям технологичности, снижения трудоемкости и себестоимости производства, повышения ремонтопригодности и обеспечения контроля в условиях эксплуатации.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи.
1. На основе анализа мирового опыта и результатов исследований, выполненных на «Электросиле» при участии автора, разработать, теоретически и экспериментально обосновать оптимальные схемы компоновки ТГ с воздушным охлаждением.
2. Разработать и исследовать эффективные схемы вентиляции, конструкцию и параметры вентиляторов и элементов вентиляционных систем.
3. Разработать и внедрить в производство прогрессивные технологические процессы с применением современных материалов и оборудования.
4. Освоить производство и исследовать свойства общей конструкции и узлов турбогенераторов нового поколения с воздушным охлаждением, подтвердить их технологичность и эффективность.
5. Разработать конструкцию, отработать технологию изготовления, исследовать на стенде завода и испытать в условиях эксплуатации асинхронизированный турбогенератор типа ТЗ ФА-110-2 с воздушным охлаждением, подтвердить высокий уровень разработки, определить области допустимых и необходимых режимов применения.
Методы исследований. При решении указанных выше задач использовались методы теории электрических машин, ТОЭ, теории теплообмена, теоретической механики, теории упругости и сопротивления материалов, теории колебаний, термофлуктуационной теории разрушения, теории диффузии, методы экспериментальных исследований на макетах,
10 моделях и натурных т/г.
Работу характеризует единый научный подход к решению поставленных задач: всесторонний анализ проблемы, разработка оптимального варианта решения и соответствующего конструктивного исполнения, теоретическое обоснование конструкции, проведение исследований, внедрение, подтверждение положительных результатов на ТГ.
Научная новизна:
1. Решены сложные комплексные задачи по созданию
технологичных и надежных конструкций ТГ с воздушным охлаждением.
2. Разработаны, теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные варианты общей компоновки ТГ с воздушным охлаждением, схемы вентиляции ТГ типа ТА, ТФ и ТЗФ, обеспечивающие высокий КПД, допустимые и равномерные уровни нагрева активных и конструктивных частей.
3. Отработаны конструкция и технология производства статоров ТГ с воздушным охлаждением с использованием высоковольтной изоляции типа «Монолит», предусматривающей введение упругого слоя для компенсации тепловых расширений обмотки и ее ремонтопригодность.
4. Подтверждено, что применение технологии вакуум-нагнетательной пропитки и запечки статора обмотанного обеспечивает улучшенные параметры теплоотвода от обмотки и существенное снижение уровня вибрации сердечника за счет повышения его изгибной жесткости.
5. Разработана, теоретически и экспериментально обоснована система наддува с конденсатором, автоматически обеспечивающая низкую влажность воздуха в ТГ с воздушным охлаждением.
6. Разработана конструкция и отработана технология изготовления асинхронизированного турбогенератора мощностью 110 МВт с полным
11
воздушным охлаждением, проведены всесторонние исследования его характеристик на стенде завода, в том числе в нагрузочных режимах. Создана передовая техника, обеспечивающая повышение надежности работы электростанций и продление срока службы электротехнического оборудования.
Практическая ценность работы. Результаты теоретических разработок, технологических и конструктивных решений, представленных в диссертации, имеют большое практическое значение, поскольку направлены на усовершенствование конструкции, повышение надежности и других важных эксплуатационных показателей ТГ, таких как:
- увеличение срока службы;
- увеличение межремонтного периода;
- сокращение объема периодических ремонтов;
- повышение маневренности, в том числе обеспечение возможности работы в режимах с потреблением реактивной мощности,
- снижение трудоемкости и себестоимости производства ТГ. Результаты работ автора широко используются в цехах и
конструкторских отделах «Электросилы» при проектировании и производстве новых электрических машин и, в первую очередь, турбогенераторов с усовершенствованной конструкцией основных узлов. Результаты работ также используются при замене оборудования, отработавшего срок службы на ЭС.
Реализация работы. Теоретическая часть работы реализована в усовершенствованных методиках расчетов при проектировании новых ТГ ОАО «Электросила».
Разработанные конструктивные и технологические решения реализованы в конструкции и процессе производства всех изготовленных на «Электросиле»ТГ типа ТА, ТФ и ТЗФ с воздушным охлаждением, а также асинхронизированного ТГ типа ТЗФА-110-2УЗ, введенного в эксплуатацию в конце 2003 г. и успешно эксплуатируемого на ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих крупных конференциях, симпозиумах и семинарах.
12
1. Семинар РАО «ЕЭС России» «Электроэнергетика России: состояние, проблемы, перспективы». Москва, ВДНХ, 4-6 октября 1994 г.
2. XVIII годичная конференция СПб отделения Нац. Комитета по истории науки и техники РАН, С.-Петербург, С.-З. Отделение РАН, 26-29 ноября 1997 г.
3. Всероссийское отраслевое совещание РАО «ЕЭС России» «Проблемы технического перевооружения и продления ресурса турбинного оборудования», С.-Петербург, ЛМЗ, 10-11июня 1999 г.
4. Заседание секции «Энергомашиностроение в г. С.-Петербурге и Ленинградской области» Союза ученых, инженеров и специалистов производства Санкт-Петербурга и Ленинградской области (Союз УИСП), С.-Петербург, 6 сентября 1999 г.
5. Международная выставка «Энергетика, электротехника, энергоэффективность», Киев, 19-22 октября 1999 г.
6. Вторая международная конференция концерна «Росэнергоатом» «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, ВНИИ АЭС, 22-23 марта 2001 г.
7. Международный Энергетический Форум Содружества Независимых Государств «МЭФ СНГ-2001», Ялта, 24-30 сентября 2001 г.
8. 5-ая международная конференция по энергетике «Электроэнергетика в России: стратегия, реформы, практика». С.-Петербург, 26-27 ноября 2002 г.
9. Вторая Международная конференция «Современная энергетика -основа экономического развития» (в рамках III Международного форума «ТЭК России. Региональные аспекты»), С.-Петербург, 8-11 апреля 2003 г.
13
Глава 1. Новые технические решения и новые технологии для серии турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения
1.1.Основные направления исследований и разработок
Опыт отечественного и зарубежного турбогенераторостроения показывает, что возможности дальнейшего совершенствования конструкции турбогенераторов с воздушным охлаждением и технологии их изготовления далеко не исчерпаны.
Задача создания нового поколения высокоэффективных и конкурентоспособных ТГ с воздушным охлаждением требует исследования и решения целого комплекса взаимосвязанных проблем: разработки общей компоновки ТГ и оптимального конструктивного исполнения узлов, в том числе торцевых зон сердечника и его крепления в корпусе, обмотки статора и крепления ее в пазовой и лобовой частях, обмотки возбуждения и вала ротора, выбора соответствующих материалов, освоения новых прогрессивных технологий, обеспечения ТГ эффективными и простыми вспомогательными системами.
Анализ проблемы приводит к выводу, что конструкция турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения, обладающая высокими технико-экономическими, технологическими и
эксплуатационными показателями и, соответственно, высокой конкурентоспособностью, должна обладать следующими основными признаками:
разъемный статор (возможность разделения сердечника и корпуса), обеспечивающий технологичность изготовления и высокие и ремонтопригодность и контроль в эксплуатации;
упругое крепление сердечника в корпусе статора для снижения вибрации и шума;
14
система крепления в пазах обмотки статора, обеспечивающая устойчивость изоляции к термоциклическим перемещениям и повышающая ее ремонтопригодность;
применение электротехнической стали толщиной 0,35 мм с низкими удельными потерями;
расшлицовка, склейка и запечка крайних пакетов сердечника, выполненных со скосом зубцов, с целью снижения нагрева торцевых зон при работе генераторов в режимах с потреблением реактивной мощности;
установка медных экранов между крайними пакетами и нажимными кольцами сердечника;
изготовление стяжных шпилек и нажимных колец сердечника из немагнитных материалов;
выполнение на полюсах роторов продольных пазов с магнитными вставками для выравнивания двоякой изгибной жесткости и устранения вибрации с двойной оборотной частотой [30, 32, 38, 39, 78];
применение на роторах беспазовой конструкции токоподводов обмотки возбуждения [41] с целью исключения фреттинг-коррозии и обеспечения тем самым высокой усталостной прочности хвостовин [58, 80, 87,98,101].
Особое внимание при создании серии турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения должно быть уделено выбору типа высоковольтной изоляции обмотки статора, схем охлаждения, комплексу технологического оборудования и технологических процессов.
1.2. Выбор типа высоковольтной изоляции обмотки статора
Широкое развитие в последние десятилетия получили в энергетике газотурбинные и парогазовые установки, более экономичные, чем паротурбинные. Генераторы для этих установок должны быть высокоманевренными и простыми в обслуживании. В наибольшей степени
15
этим требованиям удовлетворяют турбогенераторы с воздушным охлаждением. Высокие требования, предъявляемые к таким генераторам, могут быть удовлетворены только при наличии надежной, выдерживающей большие механические, тепловые и электрические нагрузки изоляции, особенно обмотки статора, конструкция которой во многом определяет максимальную мощность машины. Используются два вида изоляции высокого напряжения обмотки статора:
«сухими» лентами - укладка стержня в формы или в статор, где происходит пропитка и отверждение. Изоляционная лента наматывается на стержни или катушки статора с помощью робота, гарантирующего плотность намотки толщину и натяжение ленты, нужное перекрытие ленты; пропитанными лентами - стержень оборачивают антиадгезионной пленкой, прессуется и термообрабатывается. Существенно повышающей качество изоляции является полная вакуум-нагнетательная пропитка (ВНП) изоляции статора. Успешно применявшийся ранее для мощных электродвигателей, этот процесс позволяет, кроме того, значительно повысить механическую прочность статора. Это также весьма важно для турбогенераторов с воздушным охлаждением.
Преимущества полного погружения — высокая механическая прочность стержня, хороший теплоотвод при эксплуатации, недостаток — сложность ремонта при выходе хотя бы одной секции обмотки.
В последние 30 лет ВНП-технология применяется как для изолировки отдельных стержней, так и для полной пропитки изоляции всей обмотки. В последнем случае в пазы статора вкладываются стержни, обмотанные сухими, непропитанными эпоксидной смолой лентами. Процесс укладки такой обмотки в пазы сердечника достаточно технологичен. Сердечник статора с обмоткой помещается в бак, где создается вакуум для удаления
16
воздуха из пор и полостей изоляции. Затем происходит пропитка эпоксидной смолой, проникающей под давлением в полости изоляции, запечка и отверждение смолы. Такое технологическое решение существенно проще, чем технология индивидуальной пропитки, запрессовки и отверждения отдельных стержней и последующей укладки их в пазы статора.
Следует отметить типовую разъемную конструкцию статоров турбогенераторов с воздушным охлаждением, предусматривающую разделение сердечника и корпуса. При такой конструкции упрощается процесс пропитки и запечки обмотанных сердечников, снижаются монтажные веса, повышается доступность внутренних элементов, обеспечивается низкий уровень вибрации и шума. Например, для турбогенератора мощностью ПО МВт удалось снизить монтажную массу статора до 95 т., тогда как в неразъемном варианте она равняется 130 т. Массогабаритные характеристики такого генератора позволяют установить его на фундамент генератора ТВФ с водородным охлаждением мощностью 120 МВт (монтажная масса статора 112 т) при помощи существующего кранового оборудования [70].
Полная пропитка и отверждение смолы позволяет получить удовлетворительные механические характеристики пакета сердечника, помещаемого в корпус статора. Также, как в случае ВНП-процесса на отдельных стержнях, изоляция вплоть до лобовых частей непрерывна, никаких переходов между пазовой и лобовой частями нет. Это повышает сопротивляемость к перенапряжениям во время эксплуатации и усилиям на выходе из паза, что было подтверждено при испытаниях на срок службы при повышенном напряжении.
Процесс ВНП с погружением статора дает жесткую механическую связь всем частям обмотки между собой и по отношению к статору, что позволяет повысить сопротивляемость температурным изменениям во время работы и препятствует эрозии изоляции. Однако в режимах генератора с
17 частым и быстрым изменением нагрузки в стержнях появляются
термомеханические напряжения, которые могут привести к отслоению меди проводников от изоляции.
При наличии жесткой механической связи между поверхностью стержней и сердечником с ростом нагрузки генератора усилия среза в контакте стержня с сердечником могут привести к разрушению промежуточного слоя. Если повредится полупроводящий слой противокоронной защиты, возникают «пазовые разряды» - микродуги емкостного тока, приводящие к повреждению изоляции. Известно в частности, что при пуске генератора в составе ГТУ с быстрым набором нагрузки перепады температуры между медью обмотки и сталью сердечника существенно выше, чем в установившемся рабочем режиме.
Расширенное применение технологии с полным погружением ставит также вопрос о ремонтопригодности машины. Ремонт дефекта, находящегося в зоне паза, особенно для нижнего стержня, затруднителен, если не невозможен.
Некоторые изготовители разработали прокладки для скольжения стержня относительно стенки паза, которые призваны снять усилия на срез при тепловых циклах. В работе выполнены исследования эффективности таких прокладок.
На «Электросиле» под руководством и при участии автора даны решения указанных проблем - разработана и внедрена изоляция «Монолит» с упругим слоем, компенсирующим тепловое расширение обмотки и сердечника и обеспечивающим разборность конструкции, хотя надобность в последней маловероятна [74].
Другим, чрезвычайно перспективным путем совершенствования изоляции, является повышение ее теплопроводности. Такая задача решает многие проблемы машин с косвенным охлаждением, не только воздушным, но и водородным. |
