ГИДРОАГРЕГАТЫ ГАЭС
РЕЖИМЫ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ ГАЭС
Основными режимами работы гидроагрегатов являются режимы турбинный и насосный. Электрическая синхронная машина ГАЭС — это обратимый агрегат (ОА), т. е. реверсивная машина.
В турбинном режиме при срабатывании воды верхнего водоема, она работает как синхронный гидрогенератор. В насосном режиме обратимая электрическая машина работает как синхронный электродвигатель.
В качестве агрегатов ГАЭС наибольшее распространение получили вертикальные односкоростные обратимые (реверсивные) синхронные машины. При этом для перехода из одного режима в другой необходимо изменение направления вращения электрической машины, вала и рабочего колеса гидромашины — для изменения направления движения воды в проточной части гидроагрегата и внешних водоводах. Изменение направления вращения гидроагрегата производится переключением двух фаз трехфазной цепи главных выводов электромашины.
Применяется использование агрегатов ГАЭС в режимах СК и вращающегося резерва (ВР).
Работать СК машина может как при генераторном направлении вращения ротора, так и при двигательном.
Если в генераторном режиме снижать активную мощность, закрывая лопатки направляющего аппарата гидротурбины, и одновременно повышать силу тока возбуждения (для перевозбуждения), то генератор перейдет в режим работы СК, передавая в сеть только реактивную мощность. Для уменьшения потерь энергии в этом режиме надо отжать воду из области рабочего колеса гидромашины. При недовозбуждении электрическая машина будет потребителем реактивной мощности, что также бывает полезным для регулирования напряжений в узлах энергосистемы.
Если в двигательном режиме прикрывать лопатки выправляющего аппарата насоса до полного их закрытия и освободить рабочее колесо насоса от воды, то снизится потребляемая активная мощность агрегата до 2—5 % номинальной мощности, и электрическая машина перейдет в режим работы СК при направлении вращения насосов.
Обратимый агрегат также может работать в качестве резерва мощности системы.
Перевод агрегата из одного режима в другой требует многих технологических операций, которые могут быть автоматизированы. Теоретически возможно 22 перевода из режима в режим, однако на реальных ГАЭС далеко не все они применяются.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ АГРЕГАТОВ ГАЭС
Оптимальная частота вращения обратимых агрегатов в насосном режиме примерно на 20 % больше, чем в турбинном, поэтому желательно применять двухскоростные электрические машины, но они конструктивно значительно сложнее и намного дороже одиоскоростных машин. Поэтому применяются односкоростные машины с так называемой компромиссной частотой вращения.
Подпятник должен одинаково хорошо работать при противоположных направлениях вращения гидроагрегата. Смазка трущихся поверхностей подпятника и подшипников должна быть принудительной.
В режимах СК целесообразны минимальные углы разворота лопастей поворотнолопастных гидромашин для снижения вентиляционных потерь. Закрытие направляющего аппарата надо производить с возможно меньшей скоростью, срыв вакуума лучше производить сжатым воздухом. Целесообразно применять электрическое торможение генераторов.
Вентиляционные лопатки (крылья) электрической машины должны обеспечить требуемую подачу охлаждающего воздуха при вращении как в одном,так и в другом направлении.
Все щеточные конструкции передачи тока в системах возбуждения должны допускать разностороннее направление вращения.
Перед пуском обратимой синхронной машины в двигательный режим должно быть выполнено переключение двух фаз цепи статора для изменения направления вращения агрегата на обратное.
Пуск мощного агрегата в насосный режим — весьма ответственная операция эксплуатации. В мировой практике применяется много разных способов пуска в насосный режим, основные из них перечислены ниже.
1. Прямой асинхроиный пуск от полного напряжения сети аналогичен пуску асинхронных короткозамкнутых электродвигателей. Вращающий асинхронный момент создается взаимодействием вращающегося магнитного поля обмотки статора с током демпферной (пусковой) обмотки ротора. Асинхронный момент не в состоянии довести частоту вращения ротора до синхронной. При подаче постоянного тока в обмотку возбуждения полюсов ротора появляется синхронный момент, который доводит частоту вращения до синхронной, и машина начинает работать в двигательном режиме. Время пуска зависит от условий пуска, оно составляет от 10 до 40 с.
Процесс прямого пуска характеризуется большими пушковыми токами в обмотках статора и ротора, которые вызывают нагрев обмотки статора, пусковой клетки и полюсов ротора.
Прямой асинхронный пуск является самым простым и удобным способом пуска для машин мощностью до 10 МВт. Прямой пуск допустим и для машин большей мощности (200 МВт и даже больше) при условии, если ГАЭС подключается к мощной системе и если облегчены условия пуска: отжата вода из камеры рабочего колеса насоса, масло подается под давлением в подпятник для гидроподъема ротора, используются подпятники с электромагнитной разгрузкой и т. п.
Вода из камеры рабочего колеса насоса отжимается сжатым воздухом при закрытом направляющем аппарате. Включается двигатель-генератор в сеть, и агрегат набирает под- синхронную частоту вращения. Потребляемая мощность агрегата при опорожненной камере рабочего колеса составляет примерно 15 % номинальной. При достижении нормальных оборотов открываются клапаны выпуска воздуха и начинается постепенное заполнение водой камеры рабочего колеса. Время выпуска воздуха составляет около 20 с. Затем осуществляется открытие направляющего аппарата и выход агрегата в нормальный эксплуатационный режим. Для снижения пусковых токов и температур нагрева рекомендуются массивные полюсы ротора и специальные конструкции обмоток и полюсов.
Прямой асинхронный пуск принят для агрегатов мощностью 40 МВт Киевской ГАЭС и проектируется для агрегатов мощностью 200 МВт Загорской ГАЭС.
2. Асинхронный пуск от пониженного напряжения применяется для уменьшения пусковых токов. Пониженное напряжение должно составлять 0,5—0,6 номинального. Есть много способов понижения напряжения; часто применяются ответвления от обмоток НИ трансформаторов (ГАЭС Далешице, Ийглава, Чехословакия) или последовательное включение через реактор (ГАЭС Вианден И, Люксембург).
Время пуска от пониженного напряжения увеличивается до 2 минут.
3. Пуск с помощью специальных разворотных машин — пусковой гидротурбиной или чаще смонтированным на том же валу разворотным электродвигателем. Конструкция вспомогательного разворотного двигателя может быть расположена над агрегатом, но может быть выполнена и совмещенной — в корпусе основной машины.
Пусковым двигателем агрегат разворачивается до подсинхронной частоты враще-ния, после чего подается возбуждение и двигатель втягивается в синхронизм. Мощность разворотного двигателя зависит от типа насоса и условий пуска. Время пуска в среднем 2—5 минут (На ГАЭС Ренкхаузен, ФРГ для пуска агрегата 70 МВт мощность разворотного двигателя 5,5 МВт, время пуска — 3 минуты).
Мощные обратимые агрегаты ГАЭС (Том Сок 220 МВт, Нортфильд Маунтин 242 МВт, Ладингтон 312 МВт) имеют на валу вспомогательные электродвигатели, с помощью которых агрегат доводится до подсинхронной частоты вращения, а затем вводится в синхронизм. Длительность разворота агрегата и, следовательно, мощность вспомогательного (разворотного) электродвигателя координируется с требованиями маневренности агрегата в каждом отдельном случае. В зарубежной практике обычно Тразв принимается от 50 до 100 с.
4. Синхронный частотный пуск требует другую синхронную машину, которая может быть пущена в режим генератора при вращении своей гидротурбиной. Такой машиной может быть: нормальный гидроагрегат, устанавливаемый на той же ГАЭС (ГАЭС ОроБилл, США), гидроагрегат соседней ГЭС (Киевская ГЭС ГАЭС), специально устанавливаемый на ГАЭС пусковой гидроагрегат мощностью 10—30 % номинальной мощности пускаемого в режим двигателя обратимого агрегата (ГАЭС Сенека, ГАЭС Кастайк, США).
Для пуска обе машины — пусковой генератор и пускаемый двигатель — соединяются электрическими перемычками или через пусковую систему шин на электромашинном (10—15 кВ) или повышенном (110—220 кВ) напряжении.
Генератор пускается своей гидротурбиной, тронется одна машина, должна тронуться и другая. Генератор тянет за собой двигатель насоса и разворачивает его до синхронной частоты Еращения, после чего пускаемый двигатель включается в сеть, а пусковая машина отключается,
Возбуждение машинам подается от разных источников. Генератору дается полное возбуждение, а развертываемому двигателю меньшее 0,5—0,6 номинального, при этом момент трогания будет наибольшим. Длительность пуска от 2 до 5 минут.
5. Синхронны й пуск статическим преобразователем частот ы предусматривает замену вращающегося пускового генератора статическим преобразователем частоты тиристорного типа. Преобразователь частоты состоит из двух тиристорных преобразователей, выравнивающего реактора и аппаратуры управления. Один из тиристорных преобразователей действует в качестве выпрямителя, превращая трехфазный ток в постоянный. Другой тиристорный преобразователь работает как обратный преобразователь — инвертор, превращая постоянный ток в трехфазный, частота которого изменяется от очень низкой до номинального значения.
При электрическом соединении статического преобразователя с пусковым двигателем по мере увеличения частоты двигатель разворачивается до синхронной частоты, после чего преобразователь отключается, а двигатель включается в сеть.
Условия пуска должны быть всемерно облегчены — отжата вода из камеры рабочего колеса, осуществлен гидролодъем ротора, применена магнитная разгрузка и т. п.
Возможны и комбинированные способы пуска, например, прямой асинхронный пуск при пониженной частоте и последующий частотный разворот, монтаж разворотных двигателей только на двух—трех обратимых агрегатах, для остальных — частотный пуск (ГАЭС Ладингтон, США; ГАЭС Шптойоне, Япония).