Развитие конструкций, параметры и режимы мощных турбогенераторов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Коган Феликс Лазаревич
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 325
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-019268-0
ISBN-онлайн: 978-5-16-111969-3
Артикул: 651322.07.01
Доступ онлайн
В корзину
В книге рассмотрено совершенствование конструкций отечественных турбогенераторов и влияние их параметров на надежность работы энергосистемы; проанализированы особенности аномальных режимов, пределы их допустимости для турбогенераторов и опасность недостаточного учета этих пределов при управлении режимом энергосистемы; рассмотрены особенности моделирования паровых турбин и турбогенераторов.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Книга рекомендуется в качестве учебного пособия для студентов старших курсов вузов (магистров и бакалавров), обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника», и для учебных заведений среднего профессионального образования. Рекомендуется также инженерно-техническим работникам электростанций и энергосистем и специалистам, занимающимся разработкой и испытаниями турбогенераторов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Среднее профессиональное образование
- 15.02.07: Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- 13.03.03: Энергетическое машиностроение
- ВО - Магистратура
- 13.04.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Развитие конструкций, параметры и режимы мощных турбогенераторов, 2022, 651322.05.01
Развитие конструкций, параметры и режимы мощных турбогенераторов, 2020, 651322.04.01
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ, ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ МОЩНЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ Ф.Л. КОГАН Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (квалификация (степень) «бакалавр») УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Москва ИНФРА-М 202
УДК 621.31(075.8) ББК 31.26я73 К57 Коган Ф.Л. К57 Развитие конструкций, параметры и режимы мощных турбоге- нераторов : учебное пособие / Ф.Л. Коган. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 325 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/ 5909e552b6d7c9.28562462. ISBN 978-5-16-019268-0 (print) ISBN 978-5-16-111969-3 (online) В книге рассмотрено совершенствование конструкций отечественных турбогенераторов и влияние их параметров на надежность работы энергосистемы; проанализированы особенности аномальных режимов, пределы их допустимости для турбогенераторов и опасность недостаточного учета этих пределов при управлении режимом энергосистемы; рассмотрены особенности моделирования паровых турбин и турбогенераторов. Соответствует требованиям Федерального государственного образова- тельного стандарта высшего образования последнего поколения. Книга рекомендуется в качестве учебного пособия для студентов стар- ших курсов вузов (магистров и бакалавров), обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника», и для учебных заведений среднего профессионального образования. Рекомендуется также инженерно-техническим работникам электростанций и энергосистем и специалистам, занимающимся разработкой и испытаниями турбогенераторов. УДК 621.31(075.8) ББК 31.26я73 Р е ц е н з е н т ы: Шакарян Ю.Г. — доктор технических наук, профессор, научный ру- ководитель Научно-технического центра Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы; Жуков В.В. — доктор технических наук, профессор, заместитель директора Института электроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ» ISBN 978-5-16-019268-0 (print) ISBN 978-5-16-111969-3 (online) © Коган Ф.Л., 2017 textbook_
Предисловие В 1986 г. была опубликована книга автора «Анормальные режимы мощных турбогенераторов». В ней были рассмотрены особенности изготовления турбогенераторов с непосредственным охлаждением, получивших широкое распространение начиная с 1960-х гг. и обеспечивших возможность быстрого нарастания мощности Единой энергетической системы страны, произведена оценка влияния изменения их параметров на условия работы в развивающихся энергосистемах, проанализировано влияние и допустимые для них пределы отклонений от номинального режима, неизбежных в крупном энергообъединении. Отзывы показывают, что эта книга и сейчас пользуется спросом у эксплуатационного персонала электростанций и проектных организаций; она используется в качестве учебного пособия в вузах; заводам-изготовителям важно уточнить воздействие на генераторы неизбежных в эксплуатации анормальных и переходных режимов их работы, поскольку высокоиспользованные машины особенно чувствительны к быстрому изменению нагрузки, кратковременным перегрузкам, несимметрии, глубоким отклонениям напряжения в электрической сети, переходу турбогенератора в емкостной квадрант, возникновению асинхронного режима его работы и т.д. Вместе с тем за прошедшие годы получили распространение новые типы турбогенераторов, конструкции которых рассмотрены в данной новой книге. Автор проанализировал параметры и особенности современных турбогенераторов, определяющие надежность их функционирования в энергосистеме, и показал возможные тяжелые последствия недостаточно внимательного выполнения требований к допустимым для них режимам. В книге представлены результаты теоретических и экспериментальных работ автора в области эксплуатации турбогенераторов, в частности, рассмотрены особенности их работы в условиях пониженного напряжения в примыкающей электрической сети, при внезапном повышении напряжения, при возникновении асинхронного хода возбужденной машины; проблемы, возникающие из-за накопления дефектов в турбогенераторах и их вспомогательных системах при длительном простое в холодном резерве и др. Многие из этих вопросов рассмотрены автором впервые, и по ним даны конкретные практические рекомендации.
Однако не только этим определяется ценность и своевре- менность предлагаемой книги. Приходится констатировать, что в 1990–2000-х гг. в российской энергетике, на электростанциях, в проектных и наладочных организациях и на заводах — изготовителях оборудования произошло вымывание профессионалов и еще сегодня продолжается отток опытных кадров. Старые специалисты уходят, а приходящая им на смену молодежь часто недостаточно подготовлена. Наряду с продолжающимся старением оборудования это приводит к учащению аварий, вызванных так называемым человеческим фактором. Гарантией предотвращения аварий в электроэнергетике должны быть неотложные меры системного характера. Эти меры должны, в частности, включать в себя обновление программ подготовки специалистов в технических вузах и учебных заведениях среднего профессионального образования; возрождение отраслевых научно- исследовательских институтов, которые способны грамотно переработать устаревшие и разрабатывать новые нормативно-технические документы; профессиональную переподготовку персонала как на энергообъектах, так и на всех уровнях руководства отрасли. Будучи активным участником формирования Единой энерге- тической системы СССР, автор в течение многих лет принимал деятельное участие в решении множества возникающих при этом задач, в том числе в совершенствовании действующих в энергетике правил технической эксплуатации электрических станций и сетей. Предлагаемая книга будет способствовать повышению уровня подготовки персонала и повышению надежности как эксплуатации турбогенераторов, которые составляют основную часть генерирующих мощностей страны, так и работы энергосистем. Научный руководитель АО «НТЦ ФСК ЕЭС», доктор технических наук, профессор Ю.Г. Шакарян
От автора Автор сердечно благодарит ведущих специалистов завода «Элек- тросила» (г. Санкт-Петербург), ГП «Электротяжмаш» (г. Харьков) и НПО «ЭЛСИБ» (г. Новосибирск), которые ознакомились с материалами первой главы книги и помогли уточнить сведения о новых машинах, сконструированных и выпускаемых этими заводами. Особую благодарность автор выражает рецензентам книги: научному руководителю Научно-технического центра Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы, доктору технических наук, профессору Юрию Гевондовичу Шакаряну и заместителю директора Института электроэнергетики Национального исследовательского института МЭИ, доктору технических наук, профессору Василию Владимировичу Жукову, которые внимательно ознакомились с рукописью предлагаемой книги, активно поддержали автора в актуальности ее издания и дали автору ряд ценных рекомендаций.
Введение На рис. В.1 показан рост установленной мощности элект- ростанций и выработки электроэнергии в СССР, в том числе в РСФСР до 1990 г.; резкий спад выработки электроэнергии в Российской Федерации в 1990-е гг. (то же произошло и в бывших республиках распавшегося Советского Союза); дальнейший подъем производства электроэнергии в 2000–2015 гг., а также необходимое наращивание ее производства в Российской Федерации в соответствии с прогнозируемым ростом ее потребления до 2030 г. Этот график построен на основании данных, приведенных в [1], где проанализировано современное состояние, проблемы и перспективы развития электроэнергетики России. В советский период электроэнергетика, являясь основой раз- вития народного хозяйства страны, неизменно развивалась опережающими темпами. Ежегодный ввод мощностей на электростанциях СССР в 1960–1980-е гг. составлял до 10–12 млн кВт (в 1970 г. — больше 12 млн кВт). В первом пятилетии 1980-х гг. было введено 50 млн кВт, во втором — 40 млн кВт. В 1990 г. суммарная установленная мощность всех электростанций страны составляла 344 млн кВт, а выработка электроэнергии — 1726 млрд кВт∙ч (в том числе в РСФСР соответственно 213,3 млн кВт и 1082 млрд кВт∙ч). На графике показано, как росли установленная мощность и выработка электроэнергии в Российской Федерации и как резко они снизились в перестроечные годы. С 1990 по 2000 г. установленная мощность наших электростанций не только не выросла, но даже понизилась до 212,8 млн кВт, а в последующие годы (до 2012 г.) наращивание мощностей не превышало 1–3 млн кВт в год. Только в 2012 г. выработка электроэнергии в России достигла уровня 1990 г. На конец 2015 г. установленная мощность электростанций Российской Федерации составила 243 187,74 МВт1. Дальнейшая перспектива увеличения установленной мощности наших электростанций и выработки электроэнергии определены в [1] с учетом вероятного максимального, минимального и усредненного уровня потребления с развитием народного хозяйства страны (см. рис. В.1). 1 Данные Системного оператора Единой энергетической системы РФ.
× × × 1910 1920 1930 1940 1940 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Годы 300 200 100 50 20 10 0 1500 1000 2000 300 250 50 P W P1 W1 P1, W1 P1, млн кВт W1, млрд кВтч Рис. В.1. График роста установленной мощности (P) и выработки электроэнергии (W) на электростанциях: P, W — в СССР; P1 ,W1 — до 1990 г. в РСФСР, с 1990 г. в Российской Федерации: _ _ _ — прогноз усредненного уровня потребления до 2030 г. [1]; — прогнозируемый максимальный; х — прогнозируемый минимальный уровень потребления
В структуре генерирующих мощностей России около 68,5% за- нимают тепловые электростанции (ТЭС), 21% ГЭС и 10,5% АЭС. Таким образом, электростанции, на которых электроэнергия вырабатывается турбогенераторами (ТЭС и АЭС), составляют около 80% всех мощностей1. Высокие темпы наращивания энергетических мощностей дости- гаются в решающей степени за счет увеличения единичной мощности оборудования. Одновременно это обеспечивает экономию материальных затрат, снижая удельные капиталовложения, расход металла и других материалов, трудозатраты в строительстве. Выпуск крупных турбогенераторов в нашей стране характеризуется следующими данными: Год изгото- вления 1948 1952 1957 1961 1964 1970 1976 1980 1983 Мощность, МВт 100 160 200 300 500 800 1200 1000 1000 (1500 об/мин) (3000 об/мин) На тепловых электростанциях Российской Федерации на конец 2015 г. действовало 33 энергоблока с турбогенераторами мощностью 150 МВт, 3000 об/мин, 86 — мощностью 200 МВт, 74 — 300 МВт, 6 — 500 МВт, 16 — 800 МВт, 1 — 1200 МВт; 20 — с теплофикационными турбинами мощностью 180 МВт, 21 — с теплофикационными турбинами мощностью 250 МВт; 54 турбогенератора мощностью 150 МВт и более в составе парогазовых (ПГУ) и газотурбинных (ГТУ) установок. На наших АЭС работало 54 турбогенератора мощностью 200–1000 МВт, в том числе 11 четырехполюсных турбогенератора на 1500 об/мин и 43 двухполюсных на 3000 об/мин. Увеличение мощности турбогенераторов всегда требовало ре- шения большого количества научных и технических проблем. Среди самых серьезных проблем увеличения единичной мощности турбогенераторов без существенного увеличения их габаритов следует выделить трудность изготовления крупных стальных поковок для роторов и роторных бандажей, от которых требуется очень высокая механическая прочность при тонкой поковке большого диаметра, рассчитанной на большие центробежные усилия и большую 1 Поскольку выработка электроэнергии на ГЭС зависит от паводка и ряда других обстоятельств, определяющих возможный пропуск воды, а следовательно, и возможное производство ими электроэнергии, на ТЭС и АЭС вырабатывается больше 85% электроэнергии.
линейную скорость. Предельные габариты турбогенераторов ограничиваются также условиями их транспортировки по железной дороге. Поэтому с ростом мощности турбогенераторов значительно воз- росла их удельная мощность, приходящаяся на единицу объема машины. Если в турбогенераторах мощностью 100 МВт с косвенным охлаждением обмоток она составляла 8,52 МВ⋅А/м3, то в турбогенераторе мощностью 1200 МВт достигла 21,1 МВ⋅А/м3 [2]. Расход активных материалов при изготовлении отечественных турбогенераторов характеризуется следующими данными: Мощ- ность, МВт 100 (с кос- вен- ным охлаж- дени- ем) 100 (с не- поред- ствен- ным охлаж- дени- ем обмот- ки ротора) 200 300 500 800 1000 1200 (1500 об/мин) Расход меди, кг (кВ⋅А) 0,11 0,087 0,0427 0,0408 0,0301 0,0224 0,026 0,019 Расход стали, кг (кВ⋅А) 0,765 0,454 0,383 0,387 0,257 0,248 0,189 0,202 Очевидно, что использование активных материалов значительно возросло. Это было достигнуто за счет разработки и применения принципиально новых в то время систем охлаждения машин, внедрения новых изоляционных материалов, коренного совершенствования конструкции и технологии изготовления турбогенераторов. Были разработаны турбогенераторы с непосредственным (внут- ренним) охлаждением обмоток статора и ротора, а также активной стали статора и его конструктивных элементов водородом, дистиллированной водой и изоляционным маслом. Особенности их выполнения рассмотрены в гл. 1. Отметим, что теплоотводящая способность водорода в 3 раза больше, чем воздуха, масла — в 21 раз, воды — в 50 раз. Поэтому именно внедрение газового и жидкостного непосредственного охлаждения позволило значительно увеличить интенсивность использования активных частей машин
и выполнить задачу значительного увеличения единичной мощности турбогенераторов без увеличения или при относительно малом увеличении их габаритов. Однако внедрение этих принципиально новых систем охлаж- дения потребовало решения большого количества сложных конструкторских задач для обеспечения плотности и механической надежности обмоток и ряда других узлов машины, а также для обеспечения возможно более равномерного нагрева различных частей обмоток и сердечника статора и многих смежных задач. В частности, трудность состояла в том, чтобы избежать недопустимых местных нагревов в элементах сердечника и в конструктивных узлах и деталях статора, связанных с вытеснением потока на пути рассеяния вследствие возрастания электромагнитных нагрузок. Сложность заключается в необходимости уточнения путей потоков рассеяния в различных режимах работы машины, учета степени насыщения ферромагнитных частей и определения допустимых размеров массивных деталей, оказавшихся на пути этих потоков, а также в необходимости разработки эффективных способов экранирования сердечника от аксиальных потоков рассеяния в лобовых частях обмоток и способов дополнительного теплоотвода от мест с повышенным тепловыделением. Стремление улучшить характеристики и срок службы изо- ляции, а также увеличить напряжение статора, что также является одним из средств увеличения мощности турбогенераторов, привело к отказу от широко распространенной в прошлом микалентной компаун дированной изоляции и внедрению новой высоковольтной изоляции обмотки статора на термореактивных связующих. Новая изоляция имеет кратковременную прочность 28–32 кВ/мм (при 20°С) по сравнению с 14–17 кВ/мм для компаундированной изоляции. У нее в 3–4 раза ниже диэлектрические потери, примерно на 30% выше теплопроводность, а механическая прочность на разрыв составляет 80–90 МПа (800–900 кгс/см2) по сравнению с 34 МПа (340 кгс/см2) для микалентной компаундированной изоляции. Наконец, применение термореактивной изоляции позволило увеличить длительно допустимую рабочую температуру обмотки статора до 130°С против 105°С при использовании мика- лентной компаундированной изоляции. Однако применение твердой термореактивной изоляции при большой длине стержней статора потребовало более тщательных сборки статора на заводе и выполнения ремонтных работ на электростанции, так как изоляция может быть повреждена при ударах и изгибе стержней. Кроме того, эта изоляция в отличие от компа-
Доступ онлайн
В корзину