|
В проектах мощных ПЭС стоимость
гидроэнергетического оборудования составляет значительную часть капитальных
вложений (Ране — 53, Мезень — 50, Фанди — 46 %). Это предопределяет
необходимость поиска путей максимально возможного снижения стоимости
агрегатов.
Французские канадские, английские и советские специалисты,
взяв за основу агрегат Ране как наиболее совершенную базовую модель
разрабатывают ряд предложений по удешевлению агрегата. Основным направлением
является увеличение диаметра рабочего колеса. Благодаря созданию сегментных
подшипников на нагрузку 3000 кН возможно создание капсульного агрегата с
консольной подвеской рабочего колеса диаметром до 10 м. Наплавной метод строительства ПЭС позволяет отказаться от дорогостоящей разрезки
крупногабаритных блоков и последующей их сборки, как, например, это
потребовалось при изготовлении агрегата ГЭС Рок-Айленд, когда по условиям
транспортировки статорное кольцо диаметром 15 м было разрезано на четыре части, а потом собиралось с механической обработкой и сверлением
отверстий в радиальных фланцах. Благодаря наплавному методу агрегат может
быть собран на монтажной площадке около стройдока и сразу установлен в доке
или с баржи в шахту наплавного корпуса здания ПЭС. При этом агрегат имеет
массу не 16 т, как моноблочный агрегат ГЭС Кастэ, а 2000 т, как агрегат
проектируемой ПЭС Северн. Стоимость агрегата может быть уменьшена за счет
выполнения конического проточного тракта из железобетона как части
конструкции здания ПЭС.
В процессе поиска путей удешевления приливного
гидроагрегата для обеспечения более высокой быстроходности изучается
возможность перехода с четырехлопастного колеса на трехлопастное. Отказ от
направляющего аппарата позволяет существенно (до 20 %) снизить стоимость агрегата
осуществления многотактных режимов гидроагретата. Однако при этом необходимо
устройство низового затвора для прекращения доступа воды к агрегату. Следует
учесть также, что отказ от направляющего аппарата, 114 как это видно на
11.10, приведет к снижению выработки. Замена поворотных лопастей на лопасти с
переменным шагом или неповоротные дает уменьшение стоимости на 15%, но как
видно из 11.Ц сужает рабочую зону характеристики! Для ПЭС это особенно
существенно так как кроме уменьшения выработки при прямой турбинной работе на
15 % исключается насосная и водопропускная работа, хотя это и дает снижение
стоимости еще на 5—10 %.
Компенсация ухудшения КПД турбины при жестколопастном
рабочем колесе может быть достигнута регулированием частоты вращения, при
котором с турбины снимается ограничение по условиям обеспечения постоянной
частоты генерируемого тока. При этом турбина будет работать, изменяя частоту
вращения «по напору» в зоне высоких значений КПД. На ПЭС в отличие от
низконапорных речных ГЭС напор может изменяться в 4—9 раз, что дает изменение
частоты вращения в 2—5 раз, а при малых приливах, как, например на
Кислогубской ПЭС, даже в 10—13 раз. Работа на предельно низких напорах, продолжительных
при квадратурных Уменьшение зоны рабочей характеристики капсульной турбины: а
— при отказе от поворота лопастей рабочего колеса; б — при отказе от поворота
лопаток направляющего аппарата приливах, существенно уменьшает КПД турбины.
Переменная частота вращения может повысить КПД и общую выработку за приливный
цикл и при установке жестколопастно- го рабочего колеса может дать эффект,
превышающий тот, который достигается при установке поворотно-лопастного
колеса.
На первых стадиях проектирования ПЭС предлагались турбины
Югенена с генераторами, имеющими изменяемое число пар полюсов. При
исследовании этой проблемы в СССР рассматривались различные пути решения
задачи: 1) работа синхронных генераторов с несинхронной частотой вращения на
линию постоянного тока применение асинхронизированных синхронных машин
В асинхронизированных синхронных машинах обеспечивается
возможность генерирования напряжения стандартной частоты на статоре машины
при несинхронной частоте вращения ротора, регулирование реактивной мощности.
По сравнению с синхронной машиной повышаются пределы статической и
динамической устойчивости, что способствует улучшению условий работы крупных
агрегатов (особенно капсульных) в энергосистемах.
Наряду с положительными качествами асинхронизированным синхронным
машинам свойственны некоторые недостатки: более сложная конструкция ротора за
счет наличия двух- или трехфазной обмотки; несколько более сложная система
возбуждения, представляющая собой тиристорный преобразователь частоты с
непосредственной связью; необходимость в пусковом устройстве для пуска мощных
машин в двигательном режиме; ограничение реализуемого диапазона регулирования
частоты вращения по мере роста единичной мощности агрегата (в настоящее время
до 20— 50 МВт), что связано с ' ограничениями, накладываемыми на подводимое к
ротору напряжение, из условий электрической прочности изоляции.
Асинхронизированная синхроненная машина, установленная на
Кисло- губской ПЭС, вместо синхронного генератора фирмы Alsthom мощностью 400
кВт, разработана во ВНИИЭ и спроектирована и изготовлена НПО «Электросила».
Она обеспечивает регулирование частоты вращения в диапазоне ±30 % (50,4—93,6
об/мин по турбине и через мультипликатор 420— 790 об/мин по электрической
машине).
Исследования этой проблемы во Франции [3021 показали, что
применение статического преобразователя частоты при уменьшенных мощностях
предпочтительнее для турбин с поворотными рабочими лопастями и неподвижными
лопатками направляющего аппарата, поскольку применение обратной комбинации
приводит к неоправданному завышению параметров генератора и синхронного
преобразователя частоты. В случае постоянного разворота лопастей рабочая
точка на характеристике 11.12 смещается из / в /, вдоль линии равного
разворота лопастей, при этом можно получить повышение КПД, но оно будет
сопровождаться уменьшением расхода, а следовательно, и мощности. Наоборот,
при развороте лопастей рабочую точку можно перенести внутрь отрезка Д/^ что
позволит работать с тем же или даже большими расходами, что в точке /. При
этом приближение рабочей точки к линии EF обеспечивает получение максимальной
мощности при переменной частоте вращения.
Кроме применения переменной частоты вращения для
уменьшения диаметра капсулы (генератора) при пониженных величинах прилива в
СССР исследуется возможность применения пониженной частоты вращения с
последующим преобразованием ее в стандартную.
Размещение большого числа пар полюсов при ограниченном
диаметре капсулы возможно также осуществить применением игольчатых полюсов,
но
это потребует удлинения генератора, которое также имеет
определенный предел по условиям компактности машины. При этом снижаются cos ф
и выработка реактивной мощности, а также требуется водяное охлаждение обмоток
(капсульный агрегат Череповецкой ГЭС) или повышение давления в полости
капсулы (ПЭС Раис), что затрудняет эксплуатацию.
Уменьшение объема полости внутри капсулы агрегата может
быть достигнуто также применением статического возбуждения генераторов вместо
вращающегося при объединении агрегатов в группы, как это сделано на ПЭС Ране.
Другой путь связан с применением ускоряющих передач
(мультипликаторов), которые широко применялись в малых ГЭС еще в начале века
в виде простейших конических и цилиндрических передач. С увеличением мощности
появились совершенные плане нетарные мультипликаторы, осуществляющие соосную
передачу системой цилиндрических шестерен с шевронной прямой нарезкой —
система BHS — Штекихт. Эта система имеет масляный тормоз отключения, ее
отличают высокий КПД (до 99 %), надежность и долговечность. Такая передача применена
в 1960 г. на агрегате ГЭС Аржанта. Передаваемая мощность 3000 кВт, отношение
частот вращения 1 : 5 (300/1500 об/мин). Подобные мультипликаторы в этот
период были установлены на ряде ГЭС Мозельского каскада и других ГЭС, а также
в агрегате Кислогубской ПЭС (мощность 400 кВт, коэффициент передачи 1:7).
Недостатки этой системы связаны с ее высокой стоимостью и трудоемкостью,
определяемой необходимостью прецизионной обработки больших поверхностей
шевронного зацепления, что и ограничивало пределы ее применения по мощности.
Однако в последнее время в судостроении появилась
усовершенствованная компактная планетарная передача, которая благодаря
сдвоенной зубчатой муфте может осуществить передачу от двигателя значительно
большей мощности. Так, в 1981 г. на ГЭС Авеста Гилфорсен в Швеции для турбины
мощностью 14 МВт установлена такая передача с передаточным отношением 68 :
750 [3001. Фирма- изготовитель компактной планетарной передачи считает
возможным увеличение передаваемой мощности до 100 МВт, что значительно
превышает максимальную единичную мощность приливного агрегата, достигаемую в
случае наибольшего диаметра рабочего колеса турбины.
В США на строящейся ГЭС Видал в 1986 г. будет установлено три капсульных агрегата мощностью по 24 МВт с мультипликаторами, повышающими
частоту вращения с 52,2 до 600 об/мин.
Использование таких передач открывает широкую возможность
создания крупных капсульных агрегатов с генераторами большой частоты
вращения, что значительно улучшит эксплуатационные качества машины (повысит
ее инерционность, обеспечит свободный проход внутри капсулы, исключит
необходимость повышенного давления внутри капсулы для охлаждения). Кроме
того, уменьшение габаритов генератора позволяет транспортировать генератор
без расчленения статора на части. Стоимость здания ПЭС при этом уменьшается
за счет сокращения его объема вследствие уменьшения междуосного расстояния
гидроагрегатов и уменьшения габаритов капсулы при замене генератора с малой
частотой вращения на генератор с большой частотой вращения. При определении
эффективности мультипликатора следует учесть Уменьшение КПД агрегата, которое
составит 0,6—1,2 %, ас учетом увеличения КПД генератора с большой частотой
вращения 0,2—0,5 %. Стоимость агрегата при частоте вращения турбины до 80
об/мин при применении мультипликатора со стандартным генератором равна
стоимости агрегата при прямом соединении.
Безусловно главным источником уменьшения стоимости
агрегатов ПЭС должно явиться изготовление их массовыми сериями (например, для
ПЭС Северн 200—300, для ПЭС Фанди 140 агрегатов), которое приведет к коренным
изменениям в технологии производства. Изготовление многих тысяч муфт, цапф
лопаток и лопастей, коромысел, тяг, ступиц, уплотнений, подпятников и
направляющих подшипников, а затем их сборка должны быть поставлены на конвейер
с применением сварки и вместо литья—штамповки (например, лопаток и лопастей).
Такие изменения в процессе производства гидроагрегата
массовыми сериями будут знаменовать подлинную революцию в технологии
изготовления, которая может быть сравнима с аналогичными изменениями в
изготовлении, например, автомобилей, судов типа «Либерти> и любого другого
современного вида производства, когда вместо индивидуального изготовления и
ведения работ на большой заводской площади вокруг одного изделия ставят его
на конвейер.
По изготовлению гидротурбин можно привести опыт ПО ЛМЗ,
когда трудоемкость изготовления 10-й турбины в серии из 20 крупных машин
составила 82 % трудоемкости первой машины, а 20-й турбины — 74%;
себестоимость для 10-й турбины составил а 66 % себестоимости первой машины, а
20-й турбины 50 %.
На основании специального исследования, проведенного двумя
английскими фирмами в проекте Северн 1981 г., доказано, что при изготовлении серии гидроагрегатов из 160 штук стоимость машины снижается на 28,5 %, т. е. с 7
до 5 млн. ф. ст.
Сопоставление агрегата Страфло и капсульных агрегатов.
Фирма-изготовитель агрегата Страфло указывает на следующие преимущества этой
машины.
1. Возможность вынесения генератора из стесненных
габаритов капсулы на обод рабочего колеса позволяет в 3—4 раза увеличить
инерционную массу генератора, обеспечивая тем самым возможность его
изолированной работы. Кроме того, создается возможность укоротить длину
полюса и за счет этого уменьшить общую длину агрегата (от оси рабочего колеса
до верхового обтекателя) с 2,32 Dx до 1,36 Dlt или общую длину здания ПЭС на
0,6 Di, как это видно из сравнения проектов зданий ПЭС Северн и Странг-
форд-Лох (см. 12.1, г и д).
2. Применение колеса пропеллерного типа и
упрощение конструкции генератора ведет к уменьшению на 10 % стоимости
агрегата по сравнению со стоимостью капсульного агрегата.
3. Эксплуатация агрегата Страфло упрощается по
сравнению с эксплуатацией капсульного агрегата.
Однако данные об уменьшении объемов здания ПЭС,
проведенные в [209], основываются на сопоставлении зданий ПЭС, оборудованных
агрегатами Страфло с Dx — 10 м и капсуль- ными с Dx — 7,6 м. Такое сравнение представляется не вполне корректным, поскольку в настоящее время для
капсульных агрегатов диаметр 7,6 м не является предельным. Как было показано
в § 11.3, фирма Alsthom предлагает для ПЭС Фанди агрегаты с Dx — = 9 м, а в проекте ПЭС Северн заложены агрегаты с Dx — 9,1 м; в СССР разрабатываются агрегаты с 118
Dx — 10 м. Следовательно, применение агрегата Страфло
позволит уменьшить объем здания ПЭС только на 5 % за счет уменьшения длины
агрегата. Уменьшение длины проточной части при применении агрегата Страфло на
27 % за счет односторонней работы не является преимуществом этого агрегата,
так как и при капсульном агрегате может осуществляться сокращение длины
подводных габаритов здания. Но односторонняя работа в сочетании с
пропеллерными колесами агрегата Страфло приводит к уменьшению выработки на 30
% (15 % за счет исключения обратной турбиной и насосной работы и 15 % за счет
рабочего колеса с неповоротными лопастями).
Кроме того, поскольку пропеллерное колесо ограничит
возможность использования турбины для холостого пропуска в целях ускорения
выравнивания бьефов, потребуется увеличение числа водопропускных отверстий и
объема железобетона.
Для решения вопроса о выборе агрегата необходимо было
получить результаты эксплуатации на ПЭС Аннаполис агрегата Страфло, в котором
были установлены сложные уплотнения.
Хотя фирма-изготовитель предусмотрела четырехлетнюю
опытную эксплуатацию, уже годичная эксплуатация, несмотря на некоторые
неисправности в уплотнениях в результате шестимесячного перерыва в монтаже,
прошла в основном удовлетворительно.
Однако в последнем проекте ПЭС Северн, который предложен к
осуществлению в 1986 г. принят капсульный агрегат, поскольку агрегат Страфло
не позволяет реализовать обратимую (насосную) работу, которая даст увеличение
выработки.
Очевидно, что для створов, где целесообразна двусторонняя
работа, возможно применение только капсульных агрегатов.
|