Споживачі потужності газотурбінних установок
Електричний генератор - головний споживач потужності газотурбінної установки
Електричні генератори є трифазними генераторами змінного струму (рис.1), основним елементом яких є цільнокований ротор 7, що обертається в підшипниках ковзання 2 і 10 і розташований всередині статора 8, встановленого на фундаменті. У пази ротора укладені обмотки, через які проходить постійний струм від стороннього джерела, званого збудником 1. При обертанні ротора створюється магнітне поле, що обертається. У статорі генератора розташовується циліндричний осердя 6, виготовлений з листів електротехнічної сталі. На внутрішній поверхні осердя виконані канали, в яких розташована обмотка 4 статора. Магнітне поле ротора, що обертається, перетинаючи обмотку статора, наводить в ній едс. В результаті в обмотці статора виникає електричний струм, який через трансформатор, що підвищує, надходить в електричну мережу і направляється до споживачів.
Мал.1. Електричний генератор
Статор генератора виконується звареним з листової сталі та не має горизонтального роз'єму. Зовні до циліндричного корпусу статора приварені рим-лапи 9, необхідні для встановлення на фундамент. Торці корпусу закриваються щитами 3.
У корпусі статора розташовані газоохолоджувачі 5 для охолодження середовища, що циркулює всередині корпусу генератора і є теплообмінниками з тонкостінних латунних трубок, всередині яких проходить охолодна вода.
У місцях виходу валу генератора зі щитів розташовуються підшипники, що ущільнюють (рис.2), які дозволяють повністю ізолювати простір усередині статора від навколишнього середовища.
Мал.2. Двокамерний ущільнюючий підшипник генератора: 1 - вкладиш, 2 -маслоуловлювач, 3 - корпус, 4 - завзятий гребінь, 5,6 - камери притискного та ущільнюючого масла, 7 - труба зливу масла з боку генератора
Ущільнення необхідно при використанні в якості охолоджуючого середовища водню, так як у суміші з повітрям він при певній концентрації вибухонебезпечний і тому його витік неприпустимий. Корпус підшипника 3 кріпиться до зовнішньої сторони щита торця через пластмасову шайбу і електрично ізольований від нього.
Основним елементом ущільнення є вкладиш, що обертається 1, який притискається до завзятого гребеня 4 ротора тиском масла в камері 5. Тиск масла автоматично регулюється спеціальним пристроєм. Через камеру 6 в зазор між вкладишем і гребенем ротора подається олія, яка дозволяє водню витікати назовні. Олія з камери між ущільнюючим підшипником і маслоуловлювачем 2 по трубі 7 зливається в маслосистему генератора.
Мал.3. Схема системи маслопостачання двокамерних підшипників ущільнювачів генератора: 1,14 - додаткова переливна і переливна труби, 2 - демпферний бак, 3,5 - ущільнюючі підшипники, 4 - електрогенератор, 6 , 13 - регулятори тиску притискного та ущільнювального масла, 7 - фільтр, 8 - маслоохолоджувач, 9 - насоси, 10 - інжектор, 11 - поплавковий затвор, 12 - бачок продування
Підшипники, що ущільнюють, мають автономну систему маслопостачання (рис.3) і загальний з турбіною маслобак, з якого масло забирається насосами 9 або інжектором 10. Через маслоохолоджувач 8 і фільтр 7 масло надходить до регуляторів 13 і 6, які керують його подачею до вкладок ущільнюючих підшипників і генератора 5 4, а також подачею притискного масла. Щоб під час перемикання маслонасосів подача олії не припинялася, у схемі маслопостачання передбаченоспеціальна ємність - демпферний бак 2, в якому знаходиться необхідний запас олії. Це масло самопливом може надходити до ущільнюючих підшипників 3 і 5. Олія з підшипників через бачок продувки 12 і затвор поплавця 11 зливається в маслосистему турбіни.
При роботі генератора частина потужності (1,54-2,5%) втрачається і перетворюється на теплоту, що призводить до надмірного розігріву. Перегрів генератора неприпустимий, оскільки під дією високої температури ізоляція обмоток ротора та статора втрачає механічну міцність та ізолюючі властивості. Залежно від типу ізоляції, що застосовується, нормальна температура генератора 130—180°С. Для підтримки нормальної температури генератор охолоджують газами (повітрям, воднем), рідинами (водою, маслом) або використовують змішане воднево-рідинне охолодження.
Охолодження може бути непрямим чи безпосереднім. При непрямому газ охолоджує провідники обмоток зовні, а при безпосередньому водень вода або масло проходить по каналах, виконаних усередині провідників обмоток.
Повітряні системи охолодження виконуються тільки непрямими і в даний час використовуються в генераторах відносно невеликої потужності (до 12 МВт), хоча існують в генераторах, що раніше випускалися, потужністю до 100 МВт, що знаходяться ще в експлуатації.
Мал.4. Замкнена система вентиляції генератора
При повітряному охолодженні (рис.4) вентиляція генератора здійснюється вентиляторами 2, розташованими на її роторі 3. Вентилятори забирають повітря з охолоджувачів повітря і направляють його до охолоджуваних поверхонь статора і ротора. Нагріте повітря йде з корпусу 1 генератора в охолоджувачі повітря, в яких охолоджуючим середовищем служить вода.
При безпосередньому охолодженні використовуєтьсядистильована вода, що має питомий опір не менше 2-105 Ом-см. Олія як охолоджувач застосовується значно рідше, так як його теплопровідність приблизно в 2,5 рази менше теплопровідності води і воно пожежонебезпечне.
У генераторах застосовують електромашинні та вентильні системи збудження. В електромашинній системі джерелом постійного струму служить допоміжний електрогенератор постійного струму (збудник), який може бути з'єднаний з ротором генератора або привести в дію незалежним синхронним або асинхронним електродвигуном. При вентильній системі джерелом постійного струму є ртутні або напівпровідникові вентилі, які живляться струмом від генератора або допоміжного синхронного електрогенератора.
Системи збудження виготовляють за схемою незалежного збудження чи самозбудження. Найчастіше використовуються схеми незалежного збудження, в яких збудник не пов'язаний з електричною мережею, а обертається ротором генератора, що збуджується. У цьому випадку збудником є електрогенератор постійного струму з вентильними випрямлячами. У схемах із самозбудженням у збуднику використовується електрична енергія, яка виробляється самим генератором або відбирається з електричної мережі.
Електромашинні збудники застосовують у генераторах потужністю до 100 МВт, а також як резервні збудники генераторів з вентильними системами збудження. У генераторах великої потужності застосовують системи збудження з некерованими або керованими вентилями.
Перспективними є безконтактні системи збудження, коли збудник безпосередньо з'єднаний з обмотками збудження генератора без контактів, що ковзають. Для цього напівпровідникові некеровані вентилі та запобіжники розміщуютьу барабані, що обертається між якорем збудника і муфтою, що з'єднує його з ротором генератора. Обмотки збудника та випрямляча обертаються з однаковою частотою, тому їх можна електрично з'єднати один з одним без контактних кілець та щіток.
Включати генератори в мережу на паралельну роботу з іншими генераторами можна як способом точної синхронізації, таким способом самосинхронізації. При підключенні необхідно, щоб за абсолютним значенням, частотою і фазою напруга мережі збігалася з напругою, що виробляється генератором. При точній синхронізації відхилення напруги електрогенератора від напруженої мережі повинне за абсолютним значенням бути не більше ніж на 20%, по фазі на 15%; а за частотою на 0,1%.
При самосинхронізації обмотка збудження замикається на спеціальний резистор гасіння. При цьому відключаться автомат гасіння поля і електрогенератор включається до мережі без синхронізації. У цьому випадку частота може відрізнятись від частоти мережі не більше ніж на 2%. Після включення до мережі генератор збуджується і плавно синхронізується із частотою мережі. На всіх електростанціях, як правило, застосовують точну синхронізацію, самосинхронізацію лише в аварійних умовах.
При нормальній роботі персонал контролює основні параметри генератора: потужність; напруга та струм статора та ротора; коефіцієнт потужності; частоту.
У тривалому режимі роботи всі ці параметри повинні підтримуватися постійними. Допускається відхилення струму статора на ±3%, струму збудження та частоти на ±1%. Температура мідних обмоток статора не повинна змінитися більш ніж на 1°С, а рідини, що охолоджує, - більш ніж на 0.5°С. За номінальної активної потужності генератор у нормальних умовах повинен працювати необмежено довго.
Нагнітачприродного газу
Нагнітач природного газу призначений для його перекачування (транспортування) від родовищ до місць споживання.
Мал.5. Нагнітач природного газу: 1,12 - ущільнення, 2,11 - опорні підшипники, 3 - торсійний вал, 4 - корпус, 5,8 - кришки, 6 - статора елементи, 7 - ротор, 9 - робочі колеса першого та другого ступенів, 10 - упорний підшипник, 13,15 - камери для виходу та входу газу, 14 - міжступенева діафрагма
Нагнітач породного газу є компресором відцентрового типу (рис.5). Масивний корпус нагнітач з торців закритий кришками 5 і 8. Усередині корпусу складаються деталі статора 6, що утворюють проточну частину, ротор 7 з двома робочими колесами 9 відцентрового типу. Ротор спирається на опорні підшипники 2 і 11. В осьовому напрямку фіксується завзятим підшипником 10. Ротор нагнітач жорсткий. У місцях проходу ротора через кришки 5 і 8 корпусу нагнітачів розташовані кінцеві ущільнення 1 і 12, що запобігає витоку з нього газу. Ротор нагнітач з'єднаний з ротором газової турбіни торсіонним валом 3.
Газ з магістралі потрапляє в камеру 15, розташовану перед першим ступенем нагнітача, через приварений збоку на циліндричній поверхні корпусу патрубок. Пройшовши робоче колесо 9, газ направляється в міжступеневу діафрагму 14, а потім робоче колесо другого ступеня. За другою сходинкою з камери через 13 другий патрубок, також приварений до циліндричної поверхні корпусу нагнітач, газ йде в напірну ділянку газопроводу.
Нагнітач забезпечує перекачування природного газу магістральними газопроводами, розрахованими на тиск 7,6-10 МПа, Ступінь підвищення тиску газу в двох ступенях нагнітачів становить 1,44.
Для приводу таких нагнітачіввикористовують ГТУ, виконані на основі авіаційного двигуна, який є генератором робочого тіла для силової турбіни, що приводить у обертання ротор нагнітача.
Олія до підшипників ГТУ та нагнітачів подається двома насосами, один з яких приводиться в дію ротором нагнітача, а другий ротором ГТУ.
Для охолодження олії служать повітряні теплообмінники.
Пуск установки, вихід на робочий режим та його підтримка здійснюються автоматично.