Исследования и разработка конструкторско-технологических решений, обеспечивающих высокую эффективность серии отечественных турбогенераторов с воздушным охлаждением

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].

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 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 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.

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, 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 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.

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, JTM3, 10−11 июня 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 энергетикаоснова экономического развития» (в рамках III Международного форума «ТЭК России. Региональные аспекты»), С.-Петербург, 8−11 апреля 2003 г.

3.4. Выводы к главе 3.

1. Разработана конструкция и изготовлен асинхронизированный турбогенератор типа ТЗФА-110−2УЗ номинальной мощностью 110 МВт, не имеющий аналогов в мировой практике. Турбогенератор имеет две обмотки возбуждения на роторе, снимает проблему статической устойчивости и обеспечивает работу в режимах с глубоким потреблением реактивной, мощности.

2. Конструкция статора ТЗФА-110−2УЗ аналогична конструкции статора синхронного турбогенератора ТЗФ-110−2УЗ.

3. Последующая эксплуатация турбогенератора ТЗФА-110−2УЗ на ТЭЦ-22 АО «Мосэнерго» подтвердила достижение поставленной цели и возможность надежной работы во всех установленных режимах.

4. Эксплуатационный режим работы системы возбуждения генератора проводится при одинаковых токах в обеих обмотках возбуждения. Изменяя по определенному закону распределение токов по обмоткам, можно обеспечить при постоянстве Р изменение Q в пределах расчетной диаграммы мощности без учета ограничений статической устойчивости.

5. Разработан и реализован метод экспериментального исследования асинхронизированного турбогенератора ТЗФА-110−2 в режиме взаимной нагрузки на турбогенератор ТЗФГ-160−2 на стенде завода «Электросила», позволяющий провести испытания в широком диапазоне обмениваемой мощности при одном и том же угле сопряжения валов генераторов — за счет предлагаемого предварительного расчета токов возбуждения в обмотках АСТГ.

6. При работе с одной обмоткой возбуждения наибольшая выдаваемая расчетная активная мощность турбогенератора типа ТЗФА-110−2УЗ находится в квадранте потребления реактивной мощности и составляет 110 МВт при Q=-36 МВар. В квадранте индуктивной нагрузки при работе АСТГ с одной обмоткой возбуждения наибольшая активная мощность генератора составляет 80 МВт при cos0=l.O Левая часть диаграммы мощности ограничена пределом статической устойчивости.

7. Экспериментальное исследование турбогенератора ТЗФА-110−2 в режиме взаимной нагрузки на турбогенератор ТЗФГ-160−2 на стенде «Электросилы» в режиме глубокого недовозбуждения (Р=39 МВт, Q=-l ЮМВар) не обнаружило недопустимых перегревов в элементах торцевой зоны статора генератора.

8. Предложенная система охлаждения обеспечивает эффективный теплоотвод в пазовой и лобовой частях обмоток возбуждения, вызванного ростом «ампервитков» ротора из-за наличия на нем второй обмотки.

9. Наличие разновеликих пазов на роторе приводит к увеличению амплитуд магнитной индукции гармоник низшего порядка (3, 5, 7,.) в воздушном зазоре. Эти гармоники вызывают дополнительные потери в стали статора, требующие интенсификации охлаждения зубцов и сердечника. На основе расчета электромагнитного поля выбрано соотношение между количеством глубоких и мелких роторных пазов, обеспечивающее наилучший для данной конструкции спектральный состав магнитной индукции в воздушном зазоре.

Заключение

.

1. Разработаны оптимальные схемы компоновки конструкции ТГ с воздушным охлаждением, обеспечивающие минимальный вес и габариты, высокие технологические параметры и технологичность изготовления: разъемный статоробмотка статора с изоляцией, изготовленной по технологии вакуумно-нагнетательной пропитки, введение упругого слоя в изоляцию для возможности аксиального расширения обмотки статора, упругое крепление сердечника в корпусе статорарасшлицовка, склейка и запечка крайних пакетов сердечника, выполненных со скосом зубцовприменение продольных выравнивающих пазов с магнитными вставками на полюсах и беспазовой конструкции токоподводов на ротореоснащение ТГ системой наддува и осушки воздуха.

2. Разработаны усовершенствованные методики электромагнитных, тепловых, вентиляционных и механических расчетов применительно к разработанному новому конструктивному исполнению узлов ТГ, путем математического моделирования процессов установлены особенности работы и параметры конструкции.

3. Исследована и подтверждена высокая эффективность разработанных схем вентиляции для ТГ с воздушным охлаждением малой (до 15 МВт), средней (до 40 МВт) и большой (50.320 МВт) мощности типов ТА (одноструйная с косвенным охлаждением обмотки возбуждения ротора), ТФ (одноструйная с непосредственным охлаждением обмотки возбуждения ротора), ТЗФ (трехконтурная). Разработаны и внедрены вентиляторы и направляющие системы с высоким КПД и низкими потерями.

4. Исследованы и отработаны технологии изготовления изоляции обмоток статоров методом полной вакуумно-нагнетательной пропитки с последующей запечкой обмотанного сердечника, высокочастотного индукционного нагрева при пайке обмоток, насадке и снятии бандажных колец роторов.

5. Освоено производство турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения типа ТА, ТФ, ТЗФ. Испытания головных образцов ТГ на стенде завода и электростанциях подтвердили достижение поставленных целей, высокий КПД, низкий уровень нагрева и вибрации.

6. Разработан и изготовлен АСТГ типа ТЗФА-110−2 с воздушным охлаждением номинальной мощностью 110 МВт, отличающийся наличием двух обмоток возбуждения на роторе. Всесторонние стендовые испытания АСТГ, в том числе в режимах взаимной нагрузки при сопряжении с синхронным ТГ ТЗФ-160−2, позволили установить соответствие его параметров расчетным значениям, уточнить особенности поведения при регулировании реактивной мощности, при работе с одной обмоткой возбуждения, влияние увеличенных амплитуд магнитной индукции гармоник низкого порядка (3, 5, 7,.) в воздушном зазоре. Последующая эксплуатация генератора на ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго» подтвердила достижение поставленной цели, т. е. возможность надежной работы в режимах с глубоким потреблением реактивной мощности и обеспечение необходимого уровня устойчивости в энергосистеме.