Как устроены синхронные турбо- и гидрогенераторы

На гидростанциях генераторы приводятся во вращение водяными турбинами, скорость вращения которых составляет от 68 до 250 об/мин. На тепловых станциях электрическая энергия вырабатывается турбоагрегатами, состоящими из паровой турбины и турбогенератора. Для лучшего использования энергии пара турбины строятся быстроходными со скоростью вращения 3000 об/мин. Тепловые электростанции имеются и на крупных промышленных предприятиях.

Генераторы переменного тока проще по устройству и могут быть построены значительно большей мощности, чем генераторы постоянного тока.

В большинстве синхронных машин используется обращенная конструктивная схема по сравнению с машинами постоянного тока, т. е, система возбуждения расположена на роторе, а якорная обмотка на статоре. Это объясняется тем, что через скользящие контакты проще осуществить подвод сравнительно слабого тока к обмотке возбуждения, чем тока к рабочей обмотке. Магнитная система синхронной машины показана на рис. 1.

Рис. 1. Магнитная система синхронной машины

Основная проблема турбогенераторостроения заключается в создании надежной машины при предельных величинах электрических, магнитных, механических и тепловых нагрузок. Эти требования накладывают отпечаток на всю конструкцию машины (рис. 2).

Создание мощных турбо- и гидрогенераторов представляет сложную инженерную задачу. Необходимо решить целый ряд вопросов механического, электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов и обеспечить технологичность конструкции в производстве. Эти задачи по плечу только мощным конструкторско-производственным коллективам и фирмам.

Что же касается синхронных двигателей, то их слабым местом является проблема пуска. Сам по себе синхронный двигатель обычно не может разогнаться. Для этого он снабжается специальной пусковой обмоткой, работающей по принципу асинхронной машины, что усложняет конструкцию и сам процесс пуска. Поэтому синхронные двигатели обычно выпускаются на средние и большие мощности.

Ниже на рисунке показана конструкция турбогенератора.

Ротор 1 генератора изготовлен из стальной поковки, в которой профрезерованы пазы для обмотки возбуждения, питаемой от специальной машины постоянного тока 10, называемой возбудителем. Ток к обмотке ротора подводится через контактные кольца, закрытые кожухом 9 к ним присоединены выводы обмотки ротора.

При вращении р о тора возникает большая центробежная сила. В пазах ротора обмотка удерживается металлическими клиньями, а на лобовые части напрессованы стальные бандажные кольца 7.

Статор собирается из штампованных листов 2 специальной электротехнической стали, которые укрепляются в станине 3, сваренной из листовой стали. Каждый лист статора состоит из нескольких частей, называемых сегментами, которые укрепляются при помощи болтов 4.

В пазах статора уложена обмотка 6, в проводниках которой при вращении ротора наводятся электродвижущие силы. Электродвижущие силы последовательно соединенных проводников обмотки складываются, и на зажимах 12 создается напряжение в несколько тысяч вольт. При протекании токов между проводниками обмотки создаются большие силы. Поэтому лобовые части обмотки статора привязаны к кольцам 5.

Ротор вращается в подшипниках 8. Между подшипником и фундаментной плитой проложена изоляция для разрыва цепи, по которой могут замыкаться подшипниковые токи. Второй подшипник выполняется вместе с паровой турбиной.

Для охлаждения генератора статор разделен на отдельные пакеты, между которыми расположены вентиляционные каналы. Воздух прогоняется вентиляторами 11, укрепленными на роторе.

Для охлаждения мощных генераторов требуется прогонять через них огромное количество воздуха, достигающее десятков кубических метров в секунду.

Воздух, который при прохождении через вентиляционные каналы генератора нагревается, поступает в специальные воздухоохладители, расположенные под корпусом турбогенератора.

Там нагретый воздух проходит между ребристыми трубками воздухоохладителя, через которые протекает вода, и охлаждается. После этого воздух снова поступает к вентиляторам, которые прогоняют его через вентиляционные каналы. Таким образом, генератор охлаждается непрерывно одним и тем же воздухом и пыль не может попасть внутрь генератора.

Скорость на окружности ротора турбогенератора превышает 150 м/сек. При такой скорости затрачивается большое количество энергии на трение ротора о воздух. Так, например, в турбогенераторе мощностью 50000 к В т потери энергии на трение о воздух составляют 53 % от суммы всех потерь.

Для снижения этих потерь внутреннее пространство мощных турбогенераторов заполняют не воздухом, а водородом. Водород в 14 раз легче воздуха, т. е. имеет во столько же раз меньшую плотность, поэтому потери на трение ротора значительно снижаются.

Для предохранения от взрыва гремучего газа, образующегося от смеси водорода с кислородом воздуха, внутри генератора устанавливается более высокое давление, чем атмосферное. Поэтому кислород воздуха не может проникнуть внутрь генератора.

Паровой турбогенератор 3D модель:

Учебный диафильм созданный фабрикой учебно-наглядных пособий в 1965-году:
Синхронные генераторы

Источник

Турбогенератор

Турбогенератор — это турбина, соединенная с генератором, который преобразует механическую энергию движущейся жидкости, такой как жидкая вода, пар, природный газ или воздух в электричество. Генератор состоит из движущейся части ротора и неподвижной части статора. Наружный слой ротора покрыт электромагнитами, а внутренняя стенка статора облицована витками медной проволоки. Компания DMEnergy занимается поставкой, ремонтом и обслуживанием газотурбинных, паротурбинных и водотурбинных турбогенераторов.

Паровой электрогенератор

Паровой электрогенератор — преобразует горячую воду в пар под высоким давлением и часто с дополнительными змеевиками для перегрева пара. Паровые электрогенераторы используют конструкцию с прямоточным принудительным потоком для преобразования поступающей воды в пар в течение одного прохода через змеевик воды. Когда вода проходит через змеевик, тепло передается от горячих газов, что заставляет воду превращаться в пар.

Конструкция генератора не использует паровой барабан, в котором пар бойлера имеет зону отсоединения от воды, поэтому для достижения качества пара 99,5% требуется использование сепаратора пара / воды. Паровые генераторы не используют большой сосуд высокого давления, как в жаровой трубе, они часто меньше по размеру и быстрее запускаются. Однако это происходит за счет выработки энергии, так как генераторы имеют низкие скорости выключения и, следовательно, менее способны обеспечивать подачу пара в периоды переменного спроса.

Турбогенераторы для ТЭЦ

Компания DMEnergy поставляет и обслуживает турбогенераторы на ТЭЦ. Более того, мы можем оказать реинжиниринговые услуги с привлечением специалистов завода-производителя турбогенератора. Обычно турбогенератор — это синхронный генератор, непосредственно соединённый с турбиной тепловой электростанции.

Так как турбины, используемые на ТЭЦ, работающих на органическом топливе, имеют наилучшие технико-экономические показатели при больших частотах вращения, то турбогенератор, находящиеся на одном валу с турбинами, должен быть быстроходными. Любое оборудование со временем может выйти из строя и тогда потребуется диагностика и ремонт. Ремонт турбогенераторов ТЭЦ следует проводить силами квалифицированного персонала, предварительно проведя предварительные приготовления и испытательные работы

Испытания турбогенераторов

Испытание турбогенератора является важным и необходимым процессом. Испытания гарантируют, что соответствующая часть оборудования исправна и способна выполнять свои функции. Тестирование проводится в симуляциях, которые, как правило, очень похожи на практический сценарий, в котором работает турбогенератор. Тестирование предоставляет экспериментальные данные, такие как эффективность, потери, характеристики, температурные пределы и т. д. Тепловые испытания турбогенераторов необходимы для определения тепловых характеристик и возможных нагрузок турбогенераторов. Компания DMEnergy осуществляет как ввод в эксплуатацию, так и проводит шеф-монтажные и пусконаладочные работы.

Такие испытания проводится в первый год эксплуатации для определения температур стали статора, обмоток ротора и статора, проверки работы газоохладителя. Результаты испытаний сравниваются с техническими условиями и ГОСТ, и по ним устанавливаются допустимые в эксплуатации режимы работы генератора. Испытания проводятся при нагрузках 60, 75, 90 и 100 % номинальной мощности. Изоляция турбогенератора главным образом определяет срок эксплуатации, надежность и безопасность всей системы. С этой целью проводятся высоковольтные испытания турбогенераторов, которые выявляют все имеющиеся дефекты и части требующие замены.

Бандажное кольцо турбогенератора

Специалисты компании DMEnergy рекомендуют регулярно проводить бороскопическое обследование обмоток под бандажными кольцами. Сегодня большая часть энергии производится в турбогенераторах, которые работают со скоростью 3000 оборотов в минуту. Вращающееся магнитное поле создается обмотками с переменной полярностью, которые вызваны постоянным током. Обмотки выступают из продольных канавок ротора на концах шара и образуют головку обмотки, которая должна быть защищена от центробежной силы. Бандажные кольца ротора турбогенератора принимают на себя эту функцию.

Они являются компонентом, несущим наибольшую нагрузку в турбогенераторе. Бандажное кольцо турбогенератора выдерживает огромную центробежную силу в генераторах — до 3600 оборотов в минуту. Бандажные кольца генератора-ротора, которые вращаются вместе с ротором и обычно изготовлены из немагнитных стальных сплавов, являются наиболее напряженными компонентами во всей системе турбины и генератора-ротора.

Ротор турбогенератора

Ротор турбогенератора – это вращающийся электрический компонент в двигателе. Он содержит группу электромагнитов, организованных вокруг цилиндра, и их полюса обращены к полюсам статора. Ротор расположен внутри статора и установлен на валу двигателя переменного тока. Статор состоит из рамы статора для поддержки многослойного сердечника, обмоток и многослойного сердечника статора, снабженного вентиляцией для того, чтобы минимизировать потери на вихревые токи, его целью является поддержка обмотки статора.

Ротор вращающейся части состоит из вала ротора с прорезями для размещения обмотки возбуждения (обмотки ротора турбогенератора), который представляет собой единый цельный элемент, способный выдерживать высокие механические нагрузки и немагнитные стопорные кольца ротора для преодоления центробежной силы. Основная задача ротора – поглощать механическую энергию вне генератора и использовать ее для создания вращательного движения. Ротор в турбогенераторе может быть прикреплен к набору лопаток ветряных турбин, комплекту лопаток реактивной или импульсной паровой турбины, лопаток гидротурбины или газового двигателя. Выбег ротора турбогенератора – это необходимый эксплуатационный этап, по которому можно сделать вывод об исправности турбоагрегата.

Система возбуждения турбогенератора

Компания DMEnergy проводит диагностику системы возбуждения, а именно — проверку релейной защиты турбогенератора, АРН (автоматического регулятора напряжения), ARV (automatical regulator voltage), диодов обратного тока и диодного кольца.

Система, которая используется для подачи необходимого тока поля на обмотку ротора генератора, называется системой возбуждения. Основным требованием к системе возбуждения является надежность при любых условиях эксплуатации, простота управления, обслуживания, стабильность и быстрый переходный процесс. Требуемая величина возбуждения зависит от тока нагрузки, коэффициента мощности нагрузки и скорости машины. Система возбуждения – это единое целое, в котором каждый генератор имеет свой возбудитель.

Возбуждение турбогенератора в основном подразделяется на три типа:

Для того чтобы добиться изменения тока возбуждения пропорционально току нагрузки генератора, используется токовый трансформатор. Система APH обеспечивает ток возбуждения даже при коротком замыкании. Система возбуждения постоянного тока имеет два возбудителя — основной возбудитель и пилотный возбудитель. Выходной сигнал возбудителя регулируется автоматическим регулятором напряжения (система AVR) для управления напряжением выходной клеммы генератора. Вход трансформатора тока в AVR обеспечивает ограничение тока генератора во время отказа.

Синхронный генератор переменного тока, который работает в паре с газовой турбиной, называют турбогенератором. Главная задача – преобразование механической энергии вращения ротора турбины в электрическую. Главные компоненты электрогенератора – ротор и статор. Каждый из главных компонентов включает в себя различное число элементов и систем. Ротор – вращающийся элемент генератора, статор – неподвижный.

Механическая энергия преобразуется в электрическую через магнитное поле ротора в статоре. Магнитное поле создается несколькими путями: постоянными магнитами, током постоянного напряжения. Различают несколько типов генераторов: 2-х полюсные (скорость вращения 3000 об/мин.), 4-x полюсные (1500 об/мин) и многополюсные. Генераторы также различаются по типу применяемой системы охлаждения. Существуют модели с воздушным, водяным, масляным и даже водородным охлаждением. Также, не редко применение находят и комбинированные системы охлаждения.

Охлаждение турбогенератора

Воздушная пробка, протечки, поломка кулера и другие проблемы с охлаждением турбогенератора, приводят его перегреву и выходу из рабочего состояния. DMEnergy прекрасно справляется с решением этой проблемы.

Системы охлаждения турбогенераторов представлены несколькими способами: водородное, воздушное, охлаждение водой и водородно-водяное охлаждение. Турбогенераторы с водородным охлаждением — это турбогенератор с газообразным водородом в качестве теплоносителя.

Водородное охлаждение турбогенератора предназначено для создания атмосферы с низким сопротивлением и охлаждения для одноосных и комбинированных циклов в сочетании с паровыми турбинами. Из-за высокой теплопроводности и других благоприятных свойств газообразного водорода, водородный турбогенератор — это наиболее распространенный сегодня тип в своей области. Турбогенераторы с воздушным охлаждением используют циркуляцию воздуха для снижения температуры. В системах воздушного охлаждения двигатель забирает холодный воздух из атмосферы и выдувает его изнутри через разные части генераторной установки. Это удерживает генератор от перегрева.

Система воздушного охлаждения бывает либо с открытой вентиляцией, либо полностью закрытая. В системе с открытым воздухом используется атмосферный воздух, а выхлопные газы выпускаются обратно в атмосферу. В закрытой системе воздух рециркулирует внутри, чтобы охладить внутренние части генератора. Водяное охлаждение применяется непосредственно для охлаждения обмоток статора и ротора турбогенераторов при помощи подачи воды. Конструкция турбогенераторов с полностью водяным охлаждением — взрывозащищена. Турбогенераторы обладают высочайшей надежностью, улучшенной способностью к частым пускам и перегрузочной способности благодаря низким уровням нагрева и вибрации.

У турбогенераторов с водородно-водяным охлаждением процесс охлаждения распределяется следующим образом: обмотка ротора охлаждается при помощи пресной воды, а ротор с помощью водорода. Внешняя поверхность также охлаждается водородом.

Производители генераторов

Наша компания осуществляет сервис, ремонт, поставку как самого оборудования, так и сопутствующих комплектующих. Сотрудничаем с производителями напрямую. Благодаря этому поставляем гарантийное оригинальное оборудование для турбогенераторов по оптимальной цене прямо с завода производителя. Для услуг связанные с сервисом возможно договориться о выезде специалиста от самого производителя.

Один из ведущих производителей турбогенераторов на сегодняшний день – компания Brush Turbogenerators. Генераторы отличаются высоким качеством и развитой системой управления, которая позволяет осуществлять параллельную синхронную сбалансированную работу нескольких установок между собой и сетью, релейную защиту и интеграцию с системой управления ГТУ.

Так же большой популярностью пользуются генераторы такого производителя, как General Electric типа ELIN. Например турбогенератор ELIN 6FA, больше известный как GE 6F.03

Генератор 6f.03 (GE 6FA) для турбины

О компании ELIN Motoren Генератор ElIN 6f.03 (6FA) Характеристики генератора 6f.03 (6FA) Предложение DMEnergy О …

Источник

Синхронный турбогенератор

Рассмотрены принцип работы, характеристики, внешний вид, конструкция и методы диагностики синхронных турбогенераторов. Даны примеры расшифровки типов.

1. Принцип работы

Механическая энергия самой турбины (рис.1) превращается в электрическую. Это возможно благодаря вращающемуся магнитному полю, создаваемого с помощью непрерывного тока, протекающему в обмотке самого ротора. Это способствует и формированию трехфазного переменного тока, а также напряжению в статоре (его обмотках). Крутящий момент от двигателя передается на ротор генератора.

Данная характеристика турбогенератора позволяет при обращении ротора образовывать магнитный момент, который и создает электрический ток в его обмотках. Благодаря системе возбуждения в агрегате обеспечивается поддержка постоянного напряжения на всех режимах функционирования данного устройства.

Циркуляция воды в теплообменниках и газоохладителях происходит при помощи насосов, которые располагаются вне самого турбогенератора.

Рисунок 1 – Общий вид турбины

2. Характеристики

В зависимости от мощности данного оборудования, его разделяют на три основные категории:

Что касается частоты вращения, то турбогенераторы бывают:

В зависимости от электрической мощности и самих технических задач энергоснабжения, различают следующие типы турбогенераторов с различными системами охлаждения:

Последний тип данных устройств чаще всего используют для работы на АЭС. Асинхронные же турбогенераторы нашли своё применение в энергетических системах с высокими колебаниями нагрузки и составе мощных ТЭЦ. Агрегаты масляным и воздушным охлаждением применяют для работы на тепловых электростанциях (ТЭС), обладающих различной мощностью.

3. Внешний вид

В качестве примера показан продольный разрез турбогенератора (рис.2) мощностью 12 МВт с воздушным охлаждением.

Рисунок 2 – Общий вид современного турбогенератора

4. Конструкция

Основные конструктивные элементы турбогенератора – это ротор и статор.

Ротор турбогенератора

Чтобы сформировалась высокая прочность, ротор турбогенератора выпускают в виде толстого цилиндра из сплошной стальной заготовки. В таком случае используют углеродистую сталь, как правило, марки «35» (в случаи малой нагрузки данного агрегата).

Ротор турбогенератора (рис.3) оснащен двумя рядами отверстий, расположенных вдоль первых обмоточных отверстий. Необходимо это, чтобы закрепить там специальные балансировочные грузы. Длина ротора турбогенератора существенно меньше его активных размеров.

Рисунок 3 – Общий вид ротора

При частоте вращения порядка 3000 оборотов в минуту, ротор изготавливают диаметром в 1,2 метра. Обмотку делают из специальной полосовой меди с дополнительной присадкой серебра. Она удерживается в пазах благодаря дюралевым клиньям.

Для того, чтобы повысить тепловую стойкость ротора от воздействия на него обратных токов, сверху изоляции обмотки укладываются короткозамкнутые кольца, которые изготавливают в виде двухслойного медного гребенка.

Для повышения единичной мощности охлаждение турбогенератора делают более интенсивным, без существенного увеличения габаритов. Если нагрузка таких устройств превышает 50 Вт, то используют жидкое либо водородное охлаждение его обмоток.

Статор турбогенератора

Статор (рис.4) изготавливается из корпуса, в котором имеется сердечник с углублениями для установки в них обмотки. В основу сердечника входят слои, которые набираются из нескольких листов стали (электротехнической), дополнительно имеющих лаковое покрытие. Между этими слоями имеются специальные каналы для вентиляции (порядка 5 – 10 сантиметров).

В месте, где находятся углубления, обмотка закрепляется при помощи клиньев, а ее передняя часть укреплена на специальных кольцах. Располагается она с конца статора. Сам сердечник помещен в прочный сварной корпус, изготовленный из стали.

Рисунок 4 – Общий вид статора

Возбуждающий режим (система возбуждения)

В виде основного такого метода служит бесщеточная система. Возбудитель закрытого типа обладает изолированной вентиляцией. Для турбогенераторов, производительность которых составляет 160 – 800 Мегаватт, используется тиристорная система, с самостоятельной активизацией. Сам возбудитель представляет собой синхронный трехфазный генератор переменного тока.

При помощи термопреобразователей осуществляется проверка теплового режима главных узлов, а также охлаждающей системы. Подсоединяются они к установке центрального управления.

Благодаря специальной аппаратуре можно осуществлять контроль давления, расход охлаждающей воды, дистиллята, следить за давлением масла и т.п. С ее помощью происходит непрерывное отслеживание всех изменений заданных параметров от нормы.

На данных агрегатах устанавливают и специальные системы защиты. Такая характеристика турбогенератора сообщает о снижении уровня воды, расходуемой в газоохладителе.

5. Диагностика турбогенераторов

Средний срок эксплуатации турбогенератора составляет 30 лет. Несложно представить, что за такой длительный период машина может выйти из строя полностью или частично, и по этой причине владельцы подобных агрегатов проводят тестирование и диагностику через определенные промежутки времени.

На данный момент существуют специальные компании, которые предлагают свои услуги в сфере обслуживания генераторов, также можно проводить испытания самостоятельно. Существуют некоторые различия между методами проведения проверки всех частей конструкций на исправность. Чтобы понять, какая диагностика турбогенераторов будет наиболее подходящей для того или иного предприятия, стоит детально изучить все методы.

Методы и способы проведения диагностики турбогенераторов

Диагностику генераторов проводят по таким методам:

Классический способ диагностики турбогенераторов

Это один самых давних, но далеко не самых удачных методов диагностики, который заключается в проверке машин в «шоковом» режиме и учете срока эксплуатации. При таких испытаниях диагностика турбогенераторов не только не дает ответы на самые основные вопросы (какие части нужно заменить и сколько еще проработает агрегат), но и может полностью вывести его из строя, что является весьма значимой статьей расходов.
Поскольку такой метод исследований очень опасный и малоэффективный, во многих странах мира его стараются заменить неразрушающими методами диагностики изоляции.

Мониторинг разрядной активности в контролируемой изоляции помогает не только точно установить все дефекты и поломки, но и классифицировать их по степени опасности. Исходя из этих данных проводится ремонт, обусловленный реальными потребностями машин.

Диагностика турбогенератора в эксплуатации под рабочим напряжением

Чтобы провести объективную оценку технического состояния генератора, лучше всего воспользоваться этим неразрушающим методом, а по его результатам определить, нужны ли испытания с посторонним источником напряжения. Диагностика турбогенераторов в этом случае осуществляется в несколько этапов. Первый из них заключается в том, что периодически проводятся замеры разрядной активности машины, этот процесс осуществляется при помощи специальных датчиков, установленных на торцевые щиты генератора, и подключенных к анализатору потока импульсов. На следующем этапе проводится замер разрядной активности, при этом меняется и активная и реактивная мощность.
На этом этапе можно выявить такие дефекты:

При обнаружении данных проблем проводится следующий этап мониторинга – объемная локация. На этой стадии диагностики удается выявить все дефекты, четко определить места их дислокации и классифицировать поломки. Проводятся подобные исследования при помощи специальных датчиков и осциллографа.

После проведения всех работ делается заключение, в котором указывается, можно ли эксплуатировать генератор, нужны ли проверка от постороннего источника напряжения и дальнейший ремонт машины.

Испытания турбогенераторов от постороннего источника напряжения

Этот метод исследований также проводится в несколько этапов. В первую очередь стоит провести разборку машины и оценить визуально все ее детали, сфокусировать внимание на следах истирания изоляции. Если таковые обнаруживаются, они отправляются на лабораторные исследования, которые помогают вычислить степень истирания.

Также стоит внимательно осмотреть защитное покрытие, по его состоянию можно сделать вывод касательно уплотнения подшипников и уровня эксплуатации машины. Далее проводится несколько измерений разрядной активности на каждой из обмоток. Это помогает находить стержни с дефектами и определять степень их опасности, возможность дальнейшей эксплуатации.

Диагностика турбогенераторов такими методами помогает наиболее точно определять уязвимые места, классифицировать их по степени опасности и проводить ремонт с учетом реальных потребностей агрегатов, а не технических рекомендаций.

6. Расшифровка

Таблица 1 – Расшифровка буквенных и цифровых обозначений наименования турбогенератора

Примеры расшифровки наименований турбогенераторов:

Заключение

Турбогенераторы представляют собой генераторы синхронного типа, которые напрямую подсоединены к ТЭС. Турбины их работают на органическом топливе и поэтому обладают самыми высокими показателями экономичности. Особенно это касается большой частоты их вращения. Это генерирующее оборудование обеспечивает около 80 процентов суммарного мирового объема вырабатываемой электрической энергии.

Источник