Работни режими на хидрогенератори

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 6, 2011

В настоящия брой публикуваме втората част на материала, разглеждащ възможностите на хидрогенераторите, инсталирани в българската ЕЕС, да работят при режими на превъзбуждане и недовъзбуждане при възстановяване на системата след тежки аварии, с който ви запознахме в брой 5/2011 на сп. Енерджи ревю.

Теоретично изследване

За изследване на магнитните полета в зоната на крайните пакети се съставя модел на хидрогенератора, при който се използва напречно сечение на статорния и роторния магнитопроводи по оста d, като се приема, че по тази ос е разположен статорен зъб. При използване на 2D модел, за да се затвори магнитният поток се използва изкуствен магнитопровод с практически безкрайна магнитна проводимост, който свързва роторните полюси и статора, както е показано на фиг. 1. В този модел статорната намотка е представена с еквивалентна намотка, която създава магнитодвижещо напрежение (м.д.н.), съответстващо на надлъжната съставка на реакцията на котвата. За да се създадат в зоната на крайните пакети условия за развитие на магнитните потоци както в действителната машина, м.д.н. на възбудителната и еквивалентната намотка се задават итеративно. Първоначално се задават стойности, съответстващи на режима на работа на хидрогенератора и се определя магнитната индукция във въздушната междина срещу зъб на вътрешен статорен пакет. Получената стойност се сравнява със стойността на максималната магнитна индукция във въздушната междина срещу статорния зъб, разположен по оста d на генератора. Поради променената магнитна верига във втория модел, обикновено получената стойност е различна от изчислената в първия модел и затова м.д.н. на възбудителната и еквивалентната намотка се задават пропорционални на отношението на индукцията от модела на фиг. 1. Отново се изчислява индукцията във въздушната междина срещу зъб на вътрешен статорен пакет и ако е необходимо се прави нова интеграция, докато получената стойност на индукцията стане равна на изчислената. По този начин условията за развитие на магнитния поток на челно разсейване в модела стават напълно съответстващи на действителната машина. Магнитната индукция във въздушната междина (индукция на радиалния магнитен поток) се отчита по контур, разположен в средата на въздушната междина (еднакво отдалечен от зъба на статора и роторния полюс). Магнитната индукция по челната повърхнина на крайния статорен пакет се отчита по контур, съвпадащ с тази повърхнина от въздушната междина до края на статорния пакет.

На фиг. 2 е показана пространствената крива на магнитната индукция (радиална съставка) във въздушната междина по оста на машината за режим на генератора номинална активна и максимална капацитивна мощност, а на фиг. 3, съответно, кривата на магнитната индукция на полето на челно разсейване (аксиална съставка) по височина на статорния зъб и ярем за крайния пакет. От фиг. 2 ясно се вижда, че поради скосяването на крайния пакет, магнитната индукция във въздушната междина срещу зъба леко намалява спрямо стойността и за вътрешните пакети. На фиг. 3 се вижда изменението на аксиалната съставка на индукцията на разсейване на крайните пакети по височина на зъба. Индукцията е максимална до въздушната междина и намалява експоненциално с отдалечаване от въздушната междина. В края на зъба, при достигане на ярема, индукцията спада до много ниски стойности и може да се пренебрегне нейното действие. Тъй като загряването на зъбите на крайните пакети се определя от радиалната и аксиалната съставки на магнитната индукция, на фиг. 4 е показано изменението на радиалната съставка на магнитната индукция в зъба при активен, активно-индуктивен и капацитивно-активен товар. Нарастването на тази съставка по височина на зъба се дължи на факта, че във всяко следващо сечение на зъба се сумират радиалната и аксиалната съставки на потока, което води съответно до нарастване на радиалната съставка на магнитната индукция в зъба.

Като се вземе пред вид, че в зъбите на вътрешните статорни пакети магнитната индукция е практически равна на индукцията в началото на зъбите на крайните пакети (h=0), а по височина на зъба на крайните пакети нараства, ясно е, че по височина на зъбите на крайните пакети загубите от пренамагнитване от радиалната съставка на магнитния поток нарастват спрямо загубите във вътрешните пакети. При крайните пакети, освен загуби на пренамагнитване от радиалната съставка на магнитния поток, има и загуби от аксиалната съставка на потока на разсейване. Тези загуби зависят от големината на магнитната индукция на аксиалната съставка на потока и както следва от кривата на фиг. 3, с отдалечаване от въздушната междина загубите от тази съставка на потока бързо намаляват. Общите загуби в зъбите на крайните пакети са сума от тези две съставки и максималната им стойност се получава на височина от въздушната междина около 1/3 от височината на зъба. Описаните изследвания са проведени за всички цитирани генератори, като посочените фигури се отнасят за ХГ1, 2 и 3 на ПАВЕЦ Орфей.

Експериментално изследване

За да се определят възможностите на хидрогенераторите в българските ВЕЦ да работят при всички режими на възбуждане, включително в режим на недовъзбуждане, беше разработена методика за изпитване. По тази методика бяха проведени експериментални изпитвания на хидрогенераторите на всички ВЕЦ от бившата група ВЕЦ Родопи и предстои да бъдат изпитани хидрогенераторите на всички ВЕЦ от бившата група ВЕЦ Рила. При изпитанията за всеки тип хидрогенератор се задава и поддържа номинална активна мощност, като реактивната мощност се променя в границите от номинална индуктивна до максимална капацитивна. Зададеният режим на натоварване се поддържа до достигане на установена температура на загряване на хидрогенератора и се отчитат температурите на загряване на статорните намотки и магнитопровод с вградените температурни датчици, като температурата на зъбите на крайните пакети се отчита с термовизионна камера. Измерва се температурата на крайните зъби във видимата им част, която е отдалечена от въздушната междина на разстояние около една пета от височината на зъба. Това означава, че измерената температура на загряване на зъбите на крайните пакети е малко по-ниска от максималната, но от една страна разликата не е голяма, а от друга страна, при формулиране на изводите за възможностите за работа в режим на недовъзбуждане се залагат достатъчно големи резерви по загряване. Резултатите от изпитанията може да се групират в съответствие с конструкцията на зоната на крайните пакети.

Използваните означения във фигурите, даващи резултатите от изпитванията са:

* t, Fe max канал - максимална стойност на температурата на стоманата в дъното на канала, измерена с вградени температурни датчици;

* t, max намотка - максимална стойност на температурата на медта на намотката в канала, измерена с вградени температурни датчици;

* t, зъб max - максимална стойност на температурата на зъбите на крайния пакет;

* t, зъб min - минимална стойност на температурата на зъбите на крайния пакет;

* t, ср. Fe канал - средна стойност на температурата на стоманата в дъното на канала, измерена с вградени температурни датчици;

* делта t зъб-канал средно - средна стойност на прегряването на стоманата на зъбите на крайния пакет над температурата на стоманата в дъното на канала;

* делта t зъб-канал max - максимална стойност на прегряването на стоманата на зъбите на крайния пакет над температурата на стоманата в дъното на канала;

* t вх. охл. вода - температура на входящата охлаждаща вода.

При измерване на температурата на зъбите на крайния пакет се получават значителни разлики на получените за различните зъби температури, затова се дават максималната и минималната измерена стойности.

Изпитване на хидрогенератори

конструирани с максимално отчитане на изискванията за отслабване на ефекта от потоците на челно разсейване. Към тази група могат да се отнесат генераторите ХГ1, 2, 3 и 4 на ВЕЦ Пещера, произведени от Siemens Schuckert Werke, Австрия. Резултатите от изпитването на един от тези хидрогенератори е показана на фиг. 5. Характерно за генератора е, че е проектиран да работи при високи работни температури на активната част, но температурата на крайните пакети е по-ниска от температурата на вътрешните пакети. Това позволява работа на хидрогенератора без проблеми в режим на недовъзбуждане.

Изследването включва и хидрогенератори, конструирани с частично отчитане на изискванията за отслабване на ефекта от потоците на челно разсейване. Типични представители са ХГ4 на ПАВЕЦ Орфей, произведен в заводите на Skoda в бивша Чехословакия и ХГ2 на ВЕЦ Студен кладенец, произведен в Русия. На фиг. 6 са показани резултатите от изпитване на ХГ4 на ПАВЕЦ Орфей, а на фиг. 7 - за ХГ2 на ВЕЦ Студен кладенец.

От фиг. 6 се вижда, че ХГ4 на ПАВЕЦ Орфей е проектиран да работи при ниски температури на активната част - намотка и магнитопровод на статора. Прегряването на зъбите на крайните пакети нараства от режим на работа при максимална индуктивна мощност до режим на работа при максимална капацитивна мощност. Това прегряване достига до 22 оС, но поради ниските работни температури на стоманата на статора загряването е под 70 оС и няма ограничение за работата на генератора при недовъзбуждане за неограничено дълго време.

От фиг. 7 се вижда, че ХГ2 на ВЕЦ Студен кладенец е проектиран да работи при ниски температури на активната част - намотка и магнитопровод на статора. Прегряването на зъбите на крайните пакети слабо се изменя при промяна на реактивната мощност от максимална индуктивна до режим на работа при максимална капацитивна. Това прегряване достига до 5 оС и съчетано с ниските работни температури на стоманата на статора, загряването е под 55 оС, така че няма ограничение за работата на генератора при недовъзбуждане за неограничено дълго време. Тук трябва да се отчете, че при рехабилитацията на генератора е изработен нов статорен магнитопровод, шихтован от висококачествена силициева стомана с ниски специфични загуби, което допълнително намалява загряването.

Обект на изследването са и хидрогенератори, конструирани без отчитане на изискванията за отслабване на ефекта от потоците на челно разсейване. Типични представители са генератори ХГ 1, 2 и 3 на ВЕЦ Алеко, произведени от заводите на ЧКД в бивша Чехословакия. На фиг. 8 са показани резултатите от изпитване на ХГ3 на ВЕЦ Алеко. Както се вижда от фигурата, прегряването на зъбите на крайните пакети е значително, като нараства от режим на работа при максимална индуктивна мощност до режим на работа при максимална капацитивна мощност. Това прегряване достига до 30 оС и съчетано със сравнително по-високите работни температури на стоманата на статора, загряването достига 105 оС при режим на недовъзбуждане. Това налага ограничение за работата на генератора.

Резултатите от теоретичните и експерименталните изследвания

на хидрогенераторите от бившата група ВЕЦ Родопи позволяват да се направи категоричният извод, че в голямата си част те позволяват работа при всички режими на възбуждане от режим на превъзбуждане с генериране на номинална индуктивна мощност, до режим на недовъзбуждане с генериране на капацитивна мощност до около 60% от големината на номиналната индуктивна мощност на хидрогенераторите. При това температурите на активната част, включително на зъбите на крайните статорни пакети, които представляват опасност за продължителността на живота на изолацията на статорната намотка, при продължителен режим на работа на генераторите не достигат недопустими стойности. Единствено при ХГ на ВЕЦ Алеко се налага ограничение при работа в режим на недовъзбуждане. За хидрогенераторите от бившата група ВЕЦ Рила е направен теоретичен анализ и предстои да се проведат експериментални изследвания. Теоретичният анализ дава основание да се очаква, че хидрогенераторите, които са конструирани с отчитане на изискванията за отслабване на ефекта от потоците на челно разсейване могат да работят в режим на недовъзбуждане.

доц. д-р инж. Димитър Кирилов Сотиров,

катедра Електрически машини,

ТУ - София


Top