Приливные электростанции

Раздел: Учебники

Горизонтальные машины в кап- сульном исполнении (N — 195 кВт; Н = 3,75 м) были установлены в 1936 г. в Германии на маленькой ГЭС Росцин на р. Парзента и проработали 10 лет. По своей конмпоновке (верховое расположение генератора, повороти о-лопастное колесо cD] = 1,4 м и ^капс — Dх) эти машины явились прототипом самых совершенных современных капсульных агрегатов. Однако неудачная система охлаждения послужила поводом к отказу от капсуль- ной конструкции и переходу на серийное изготовление прямоточных агрегатов. Отмеченные в § 11.2 неудачи первых лет применения прямоточных агрегатов вновь вернули внимание к капсульной конструкции, и в 1943 г. во Франции в связи с разработкой циклов Жибра для обеспечения эффективной работы ПЭС при шести- тактной работе агрегата предлагается новая конструкция капсульного агрегата. В этой конструкции увеличенный по отношению к рабочему колесу диаметр капсулы исключал возможность эффективной шеститактной работы. В 1951 г. после

принятия решения о строительстве ПЭС Ране началось осуществление широкой программы по созданию капсульного агрегата. Программа по числу привлеченных турбостроительных фирм Западной Европы и исследовательских лабораторий, а также по диапазону исследованных конструкций не имела прецедентов в истории гидротурбостроения. Одним из важных результатов этих работ явилось кардинальное сокращение диаметра капсулы £>капс по отношению к D1.

В 1954 г. вступает в эксплуатацию ГЭС Кастэ, оборудованная двумя капсульными моноблочными агрегатами (N = 810 кВт; И = 7 м; Dx = — 1,65 м; п = 250 об/мин) и повторяющая компоновку ГЭС Росцин, но без недостатков последней. Стоимость всей установки снизилась по сравнению со стоимостью установки с вертикальными агрегатами на 35 % с лучшим использованием водотока за счет КПД и пропускной способности. На основе агрегата ГЭС Кастэ была создана серия машин микро-ГЭС с малогабаритным генератором при верховом его расположении с поворотными пропеллерными и переставляемыми лопастями рабочего колеса.

В период 1952—1955 гг. были исследованы модели крупных капсульных агрегатов, ас 1957 по 1959 г. на четырех специально построенных ГЭС были установлены шесть агрегатов общей мощностью 49 МВт. На ГЭС Аржанта были установлены два агрегата ДО = 14 МВт; Dx = 3,8 м - один шахтного и один капсульного типа (оба с низовой компоновкой генератора) и третий, шахтный агрегат N ^ 108 = 3 МВт с низовой компоновкой И соединением генератора с турбиной через планетарный мультипликатор.

На ГЭС Камбейрак были установлены два капсульных агрегата N = — 5,15 МВт, также с низовым расположением капсулы генератора: один агрегат с рабочим колесом Dt = 3,1 м с поворотными (на 230°) лопастями, приспособленными для двусторонней турбинной и насосной работы, и коническим направляющим аппаратом с лопатками, управляемыми от индивидуальных крыльчатых сервомоторов; второй агрегат с двумя рабочими колесами Dx = 3,3 м, обеспечивающими неизменное направление вращения ротора при двустороннем насосном или турбинном режиме. Рабочие колеса поочередно действуют в качестве направляющего аппарата. Эксплуатация этого агрегата показала невозможность практической реализации идеи двухколесной машины.

Хотя в агрегатах ГЭС Камбейрак и Аржанта и была решена конструкция капсульного агрегата ПЭС с прямым соединением турбины с генератором, система охлаждения, регулирования осевой турбины, но как оптимальный вариант для ПЭС этот агрегат не был принят, поскольку при низовой компоновке генератора, как показали исследования, не удается эффективно осуществить шесть режимов работы ПЭС ( 11.7). Это вызывалось резким ухудшением работы отсасывающей трубы, роль которой особенно велика в горизонтальных низконапорных агрегатах. Кроме того, наличие препятствия в виде капсулы с генератором за рабочим колесом в некоторых режимах может привести к усиленной кавитации и вибрации и вызвать разрушения в проточной части.

Учитывая эти недостатки, в 1958 г. в бездействующем судоходном шлюзе ГЭС Бомон-Монтэ на р. Изер был установлен и исследован капсульный агрегат с верховым расположением генератора N = 8,8 МВт; Dy = 3,8 м.

Агрегат опытной ПЭС С е н-М ало был сдан в эксплуатацию в ноябре 1959 г. Он предназначался в качестве опытного образца для ПЭС ране, а в дальнейшем для ГЭС и работал в естественных условиях воздействия приливов вблизи створа ПЭС Ране. Для его установки был приспособлен неиспользуемый сухой док. Несмотря на то что напор ПЭС Ране изменяется от 1 до 11 м, на установке Сен-Мало максимальный напор из условий судоходства составлял всего 5 м. Необходимо было изучить обратный турбинный и прямой насосный режимы агрегата, и поэтому в отличие от ПЭС Ране было принято расположение капсулы со стороны моря.

Агрегат мощностью 9 МВт имеет рабочее колесо с четырьмя поворотными лопастями и частотой вращения 88,2 об/мин. Существенное уменьшение отношения DwmIDx до 0,86 (при £>капс = 5,02 м) по сравнению с предшествующими машинами (ГЭС Аржанта и Камбейрак 1,1; ГЭС Бо- мон-Монтэ 0,95) является одним из важных показателей гидравлических качеств современного капсульного обратимого агрегата. Оно достигнуто за счет усовершенствования малогабаритного синхронного генератора путем удлинения активной стали до 0,95 м и доведения межжелезного пространства до 3 мм с применением влагостойкой термоактивнои изоляции и термопластика типа «изотенакс», выполненных на основе полиэфира и эпоксидных смол.

Генератор (cos 1, напряжет ние 5,65 кВ) — синхронного двустороннего вращения, при насосном режиме обращается в асинхронный двигатель. Он имеет принудительную аксиальную систему охлаждения, при которой тепловые потери статора со специальной конструкцией магнито- провода эвакуируются потоком, омывающим капсулу, и вентилятором в обтекателе, охлаждающим также и ротор.

Генератор и опорный подшипник турбины консольно крепятся болтами каждый по обе стороны статора, воспринимающего вертикальную составляющую веса и осевое давление на пяту, которое составляет ПООкН. Подпятник агрегата закреплен на крестовине, заделанной в капсуле, и имеет гидравлическую опору (конструкция заимствована в СССР). Подпятник состоит из вкладыша с шаровой опорной поверхностью и двойного сегментного кольца с автоматически балансирующимися подушками, обеспечивающими работу агрегата при двух направлениях потока. Вибрации агрегата воспринимаются предварительно напряженными растяжками, заанке- ренными по наружному периметру в бетон, а другим концом закрепленными на части капсулы, являющейся оболочкой генератора. Растяжки расположены радиально под углом 45° к вертикальной и горизонтальной осям, что обеспечивает почти полное гашение деформаций, возникающих вокруг вертикальной оси плоскости статора, но дает свободу перемещения вдоль продольной оси, необходимую по условиям температурных деформаций.

Вертикальная шахта доступа жестко крепится к бетонному проему в полу машинного зала и шарнирно присоединена к обтекателю, который выполнен из тонкого листового металла, что обеспечивает упругие деформации. Такая система опирания обеспечивает жесткую заделку в бетон водовода основной опоры агрегата — статора и дает свободу перемещения частей агрегата в продольном направлении.

Особенно большое внимание при конструировании агрегата было уделено выбору оптимального профиля лопастей. Обеспечение двусторонней работы агрегата во всех режимах с применением поворотной (на 230°) лопасти, как у агрегата ГЭС Камбейрак, потребовало бы устройства сложного механизма поворота, который при параметрах агрегата Сен-Мало привел бы к необходимости отказа от консольного расположения рабочего колеса и введения низового статора. Специально подобранный профиль лопасти позволяет осуществлять все режимы работы при минимальном угле поворота. Исследования показали, что наилучший результат может быть получен при относительно тонкой лопасти с легким изгибом в одной половине длины лопасти и с таким же изгибом, но в противоположном направлении, в другой половине.

Лопасть имеет среднюю линию профиля в виде удлиненной буквы S, почти симметричную относительно оси вращения, и такой изгиб верхней кромки лопасти, который подходит для всех режимов работы при углах поворота лопастей от —10 до +35°. При этих углах поворота принятый профиль обеспечил возможность переходов от режимов ПТ к ПП и ОН при одном направлении потока без остановки машины и нового пуска и без отключения генератора при перемене направления вращения.

Так, агрегат выполняет режимы ПТ и ОН при одном направлении вращения с положением лопастей от —10 до —5°30', а ОТ и ПН — при противоположном направлении вращения с положением лопастей от —5°30' до +35°. При этом во время перехода лопастей через положение —5°30' момент близок к нулю. Поэтому, когда во время турбинной работы агрегат входит в разгон, в случае сброса нагрузки лопасти переводятся в положение —10°. Проходя через положение лопастей 5°30', при котором гидравлический момент меняет знак, колесо замедляет вращение, затем идет в обратную сторону и увеличивает частоту вращения до закрытия направляющего аппарата. Если сброс нагрузки происходит при насосной работе, момент меняет знак, но если в это время перевести лопасти в положение —10°, то, проходя через положение —5°30', момент опять сменит знак и агрегат остановится, не получив обратного вращения ввиду малой инерции.

Можно избежать перемены направления вращения во время гидравлического пуска агрегата в насосную работу (при положительной высоте всасывания), установив лопасти и задав направление вращения вначале 110 соответственно обратному направлению потока.

Натурные испытания показали хорошую маневренность агрегата и незначительные сопротивления при резких для обычной машины переходных процессах.

Пуск агрегата в турбинном режиме при прямой и обратной работе производится гидравлически набором под- синхронных оборотов и автоматической подсинхронизацией.

Пуск в насосном режиме и остановка осуществляются электрически, с вводом под нагрузку вручную.

Вследствие малой инерционной постоянной агрегат не может работать на изолированного потребителя. Постоянство частоты вращения поддерживается от сети, а регулятор частоты вращения отсутствует. В общем случае направляющий аппарат имеет полное открытие и включается в комбинаторную связь с лопастями рабочего колеса только при прямом турбинном и вслед за ним обратным насосным режимах работы. Комбинаторная зависимость осуществляется с помощью гидравлической обратной связи и управляется автоматическим дифференциальным уровнемером бассейна и моря.

Надежность запроектированной конструкции в отношении ее жесткости и вибрации подверглась проверке в процессе опытной эксплуатации и исследований агрегата, которые продолжались в течение нескольких лет.

Агрегат ПЭС Ране при сохранении общей компоновки агрегата ПЭС Сен-Мало имеет еще меньшее отношение диаметра капсулы к Dj (0,8- вместо 0,86). Увеличение мощности генератора с 9 до 10 МВт при уменьшении Dx с 5,8 до 5,35 м достигнуто за счет улучшения гидравлических качеств агрегата и применения сжатого воздуха для охлаждения ротора генератора, которое в опытном порядке было успешно осуществлено в агрегате ГЭС Аржанта (с повышением давления внутри капсулы до 29,4 Па) и агрегате ПЭС Сен-Мало в 1961 г. (с повышением давления до 19,6 Па). Повышение давления уменьшает пропорционально квадрату давления мощность, требуемую для циркуляции охладителя.

Напряжение генератора было принято равным 3,5 кВ в результате сопоставления экономии от стоимости генератора за счет удешевления изоляции обмоток при снижении напряжения и увеличении затрат на электрические коммуникации. При этом для определения оптимального напряжения была выведена зависимость его от мощности генератора в кВт: V = ^ \f Nr. Этой зависимости соответствует и напряжение генератора ПЭС Кобекуид, определенное в 5—Ю кВ-А при мощности 31—38 МВт. Хотя при повышении мощности генератора до 39 МВт напряжение было принято 13,5 кВ-А. '

В компоновку агрегата были внесены также некоторые изменения. Перестановка сервомотора рабочего колеса во втулку позволила отказаться от конической крестовины генератора и уменьшить длину консоли рабочего колеса и всего агрегата. Улучшилась передача нагрузок на статор, которая осуществляется не через обод, а через крестовину. Статор расположен так же, как и направляющий аппарат, по образующей конуса, что улучшает гидравлические характеристики проточной части и позволяет уменьшить сечение водовода, а следовательно, и расстояние между осями агрегатов.

При ремонте агрегата можно без осушения проточной части производить замену следующих деталей: вкладышей подшипников и дефлекторов подпятника, составных частей элементов уплотнения, роторных полюсов, стержней статора, роторных колец, вспомогательного оборудования (насосов, вентилятора) и производить демонтаж укрупненных узлов без разборки всего агрегата. Масса агрегата 480 т.

На 7-м году эксплуатации ПЭС

Ране на установленных на ней агрегатах выявилось нарушение целостности полюсов статора генератора; устранение этого недостатка не представило трудностей, и в дальнейшем агрегаты работали во всех шести режимах, как и в первые годы эксплуатации. Принятое в дальнейшем ограничение числа режимов произошло по не зависящим от готовности агрегатов обстоятельствам. Эксплуатационные характеристики агрегатов ПЭС Ране свидетельствуют об их высокопроизводительной работе во всех шести режимах.

Успешная эксплуатация капсульных агрегатов ПЭС Ране способствовала их широкому применению на речных низконапорных ГЭС; хотя стоимость капсульного агрегата по сравнению с вертикальным при односторонней работе несколько выше (на 10 %), это компенсируется уменьшением общей стоимости сооружения на 15 % за счет его меньших габаритов и меньшего заглубления основания. По данным на 1981 г., в мире было установлено более 400 капсульных агрегатов общей мощностью 7 ГВт [127J. На период с 1972 до 1980 г. наиболее мощным был агрегат Саратовской ГЭС (N = 47, МВт; = = 7,5 м). Позже на ГЭС Рок-Айленд были установлены агрегаты фирмы Alsthom, на ГЭС Дженпэг агрегаты ЛМЗ, в 1980 г. на ГЭС Рацин были установлены агрегаты фирмы Alsthom N — 24,6 МВт, D = 8 м, будут установлены 45 агрегатов на ГЭС Парана (Аргентина) мощностью 2 млн. кВт. Широкие возможности для применения капсульных агрегатов откроются при создании крупных ПЭС в СССР, Канаде, Великобритании и Южной Корее.