Эксплуатация генераторов, синхронных компенсаторов

1.   Эксплуатация систем охлаждения генераторов и синхронных компенсаторов

1.1. Системы охлаждения электрических машин предназначены для отвода из машин тепла выделяющихся в них потерь - электрических, магнитных и механических.
В настоящее время применяются следующие системы охлаждения: воздушная косвенного охлаждения, воздушно-жидкостная, водородно-водяная и полностью водяная с охлаждением стали статора водородом или воздухом.
Все турбогенераторы и синхронные компенсаторы (СК) мощностью выше 30 МВт выпускаются с водородным охлаждением, турбо- и гидрогенераторы мощностью свыше 300 МВт - с водяным охлаждением обмотки статора.
Водород в качестве хладоагрегата имеет по сравнению с воздухом следующие преимущества: плотность водорода в 14,3 раза меньше воздуха (при 3% примеси воздуха - в 10 раз) и потери на трение вращающегося ротора генератора в водороде в 10 раз меньше, чем в воздухе, теплоемкость водорода в 14 раз больше, чем воздуха, теплоотдача в 3,6 раза больше, водород пожаробезопасен (не поддерживает горение), КПД машины с водородным охлаждением на 1% больше, чем с воздушной системой (данные для избыточного давления водорода 0,294 МПа (3 кгс/см²).
Косвенное поверхностное охлаждение даже при повышении давления водорода не позволяет значительно увеличить плотность тока в обмотке статора и поднять мощность машин, т.к. 50-60% перепада температуры возникает на изоляционном обмоточном слое, теплопроводность которого ограничена.
Наиболее перспективен способ непосредственного - внутреннего охлаждения обмоток. При непосредственном водородном охлаждении стержни обмотки имеют трубки, по которым циркулирует охлаадающий обмотки водород. Преимущества этого способа: простота конструкции, отсутствие протечек, по водороду невозможно перекрытие изоляции. Недостатки: трубки, по которым циркулирует водород, должны быть относительно большого сечения, что существенно снижает общее сечение меди обмотки. По такой системе охлаждаются турбогенераторы типа ТГВ мощностью 200 и 300 МВт. На рис.12 показан разрез турбогенератора с непосредственным водородным охлаждением, а на рис.13 -головка (лобовая часть) стержня обмотки статора с трубками, по которым циркулирует водород.
На рис.14 приведены разрезы по стержням обмотки статора: а) - с поверхностным (косвенным) охлаждением через слой изоляции; б) - с непосредственным водородным охлаждением; в) -  с непосредственным водяным охлаждением.

Рис.12. Турбогенератор ТГВ-200, 200 МВт с непосредственным водородным охлаждением

Рис.13. Головка стержня обмотки статора (а) турбогенератора ТГВ-200 и ее изолирующий наконечник (б)

Рис.14. Сечения стержней обмотки статора: 1 - фиксирующий стержень клин; 2 - корпусная изоляция стержня; 3 - сплошной элементарный проводник; 4 - полый элементарный проводник; б - трубка для газа

При непосредственном водяном охлаждении в стержнях обмотки статора имеются трубки, по которым циркулирует охлаждающая вода - дистиллят. Охлаждающая вода подводится к стержням статора фторопластовыми трубками (рис.15), подключенными к коллекторам холодной и горячей воды. Основной недостаток такой системы и главная трудность ее эксплуатации - опасность возникновения протечек в местах подключения фторопластовых трубок к головкам стержней обмотки. Кроме того, имеется опасность накопления во всем водяном тракте электропроводного осадка и ионов металлов. Против этого применяют современные ионообменные фильтры.

Основное преимущество водяной непосредственной системы охлаждения - возможность создания генераторов очень большой мощности, вплоть до 1200 МВт.
Для охлаждения обмоток роторов генераторов используются следующие системы: поверхностная (для маломощных турбогенераторов и гидрогенераторов), многоструйная водородная с забором водорода из межжелезного зазора машины (для турбогенераторов большой мощности), непосредственная водяная (применяется для капсульных гидрогенераторов и проектируется для сверхмощных турбогенераторов).
На рис.16 показан разрез по пазу ротора с многострунной системой охлаждения обмотки. В проводниках обмотки ротора имеются поперечные отверстия, по которым течет водород, забираемый из зазора машины козырьком клина, водород интенсивно циркулирует в обмотке, т.к. окружная скорость на поверхности ротора 180-190 м/с.

Рис.16. Паз ротора с непосредственным охлаждением обмотки ротора водородом

Рис.17. Продувка вентиляционных каналов в обмотке ротора

При непосредственном водяном охлаждении обмотка полюса ротора выполнена трубчатым проводником, по которому циркулирует охлаждающая вода.
При ремонте турбогенератора производится продувка вентиляционных каналов обмотки ротора. В один из каналов (рис.17) нагнетается воздух, выходящий из другого, сопряженного с ним канала. Расход воздуха измеряется шайбой, соединенной с дифманометром. Перепад в водяном дифманометре пропорционален  из расхода воздуха. В засоренном канале этот расход будет уменьшенным. На рис.17: 1 - пробка, затыкающая соседние каналы; 2 - продуваемый канал; 3 - водовоздушный дифманометр.

1.2. В гидрогенераторах мощностью до 200-250 МВт применяется полное косвенное воздушное охлаждение, за исключением капсульных генераторов. В гидрогенераторах большей мощности - непосредственное водяное охлаждение обмотки статора, аналогичное таковым и у турбогенераторов. Обмотка ротора у всех гидрогенераторов, кроме капсульных, у которых водяная система охлаждения, имеет воздушное охлаждение. Водородное охлаждение гидрогенераторов не применяется из-за трудности их герметизации.
1.3. Схема водяного охлаждения обмоток статора генератора в упрощенном виде представлена на рис.18.
Свой путь вода начинает от магистрали подпитки обессоленным конденсатом 1, Далее она попадает в вакуумный бак 2, где из нее выделяются воздух, углекислый газ и водород. Уровень воды в баке поддерживается поплавковым регулятором и контролируется реле уровня. Вакуум создается за счет конденсатора турбины, в котором давление около 2,9 кПа (0,03 кгс/см²).

Рис.18. Схема водяного охлаждения оомотки статора

Обратный клапан 3 предотвращает срыв вакуума. Из нижней части бака 2 вода идет к двум насосам системы охлаждения 4 и 5 - рабочему и резервному, Иногда устанавливается аварийный насос с питанием от аккумуляторной батареи. Насосы снабжены обратными клапанами (черным показаны закрытые клапаны) . Нагнетаемая насосами вода поступает в теплообменники 6 и 7 - водоохладители. В водоохладителе 7 горячая вода охлаждается холодной технической водой. Водоохладитель 6 охлаждается конденсатом,  имеющим температуру около 30°С. В остановленный генератор недопустимо подавать сильно охлажденную воду: на его обмотках может выпасть роса, т.к. в водороде всегда имеется небольшое количество влаги. Выпавшая роса увлажнит. обмотки, и они могут быть пробиты. Поэтому перед пуском генератора и при работе его при малых нагрузках в систему охлаждения подается несколько подогретая вода из водоохладителя 6, омываемого теплым конденсатом. При наборе генератором мощности более 50% номинальной в работу вводится водоохладитель 7, омываемый холодной технической водой. Из водоохладителей вода проходит через механические и ионообменные фильтры 8, удерживающие механические частички, соли и ионы металлов. Солемер 9 контролирует чистоту воды и ее удельное сопротивление. Температура воды измеряется ртутными термометрами и терморезисторами, давление воды - манометром. Проходящая через обмотку статора 12 вода контролируется струйным реле 10.
При снижении расхода воды на 25% струйное реле подает предупредительный, при снижении расхода более 50% подается  сигнал на отключение генератора; токовая нагрузка должна быть снята через 2 мин, напряжение - через 4 мин.
Давление воды на входе в обмотку генератора должно быть не менее 294 ± 49 кПа (3 ± 0,5 кгс/см²). Температура вода на входе должна быть не менее +35°С и не более +45°С, на выходе - не более +85°С.
Охлаждающая вода должна удовлетворять следующим требованиям: при остановленном генераторе и температуре воды +15 -+25°С ее удельное сопротивление должно быть более 200 кОм/см при содержании солей менее 1,0 мг/л. При работающем генераторе при температуре +70 - +75°С удельное сопротивление должно быть не менее 50 кОм/см при содержании солей менее 5 мг/л.
Вся система трубопроводов арматуры системы охлаждения выполняется из нержавеющей стали.
1.4. При обслуживании систем охлаждения обмоток статора турбогенератора основное внимание уделяется разделению воды, воздуха и водорода.
При заполнении системы охлаждения (рис.18) водой воздух выпускается из дренажных кранов 13, которые находятся в верхних частях обмотки и во всех верхних точках водяной системы. Заполнение водой считается законченным, когда из всех дренажных трубок перестанут выделяться пузырьки воздуха.
Во время работы генератора, а также во время остановки, если в системе охлаждения продолжает циркулировать вода, необходимо, чтобы она сочилась из продувочных дренажных трубок для предотвращения скапливания в системе воздуха или иных газов. Контроль за появлением газов в водяной системе производится по газовой ловушке, подключенной к сливному коллектору 14 (рис.18). Через газовую ловушку (рис.19) постоянно течет вода, вышедшая из системы охлаждения генератора.

Рис.19. Газовая ловушка

Вода поступает по трубке 1 через приоткрытый вентиль 2 в сосуд 8. Растворенный в воде газ выделяется из воды и устремляется вверх, где и скапливается. Вода отводится по трубке 5 через открытый вентиль 6 в дренажную трубку 7. Трубка 6 заканчивается открытым концом для визуального наблюдения за течением вода. Если в воде появится газ, он начнет вытеснять воду, и ее уровень в сосуде 8 будет падать.
Обнаружив это явление, дежурный персонал вызывает представителя химлаборатории который берет из трубки 3 через нормально закрытый вентиль 4 пробу газа для определения - воздух это или водород. Осмотр газовой ловушки производится два раза в смену. Если после выпуска  газа ловушка вновь им заполняется или анализ покажет, что в ловушку попадает водород, то наблюдение за турбогенератором усиливается: содержание водорода в воде измеряют каждый час, более часто контролируют температуру стержней статорной обметки и наличие воды в генераторе. При первой возможности, но не позднее пяти суток турбогенератор следует остановить для ремонта.
При некоторых неисправностях в системе охлаждения в корпус турбогенератора может попасть вода: протечки в напорном  или сливном коллекторе, протечки в трубках, питающих головки статорной обмотки, отпотевание обмотки или газоохладителей.
Наличие воды в корпусе турбогенератора определяет указатель жидкости - УЖИ (рис.20), подключенный к самой нижней точке корпуса генератора. УЖИ состоит из сосуда с поплавком, который при накоплении жидкости всплывает и замыкает сигнальные контакты. УЖИ снабжен смотровым окном, через которое можно наблюдать появление жидкости.
При появлении в корпусе генератора воды в небольшом количестве - до 500 см3 за смену нужно проверить, не было ли отпотевания газоохладителей и обмотки. Если вода скапливается вновь, следует по очереди отключить все газоохладители с интервалом в 2-3 часа и проверить, не потекли ли они. Истечение вода прекратится, когда из дефектного охладителя она вся вытечет.
Если манипуляции с газоохладителями не дали положительных результатов и вода продолжает поступать в УЖИ, это значит, что потекла система охлаждения обмоток и турбогенератор необходимо срочно ремонтировать.
Исправная циркуляция охлаждающей воды по всем стержням обмотки статора контролируется по температуре стержней, каждый из которых оснащен термометром сопротивления. При повышении температуры любого стержня выше 75°С система термоконтроля подаст сигнал о неисправности. В таком случае генератор следует разгрузить. То же самое необходимо сделать, если разница в температурах отдельных стержней превысит 20°С, что свидетельствует о засорении охлаждающих трубок в отдельных стержнях.
Профилактические и послеремонтные испытания системы водяного охлаждения производятся в следующем объеме:
1. Испытывается воздушная плотность системы сжатым воздухом при избыточном давлении 194 кПа (З кгс/см²) в течение трех часов при неизменной температуре обмотки. Система считается газонепроницаемой, если за это время давление не изменится. Если давление упадет, то для поиска места утечки воздуха применяется течеискатель ГТИ, для работы которого в воздух необходимо добавить немного фреона.
2. Опрессовка водой производится при избыточном давлении
0,98 МПа (10 кгс/см²) в течение 24 часов. Плотной считается система, на которой не будет обнаружено никаких следов влаги.

1.5. Схема водородного охлаждения генератора.

Водородное охлаждение позволило существенно поднять мощность генератора и сделать его с внутренней стороны пожаробезопасным, т.к. водород не поддерживает горение. Для выявления всех преимуществ водородной системы охлаждения генератора эксплуатировать ее необходимо со всей тщательностью и максимальной ответственностью, придерживаясь следующих принципов:
1. Абсолютная плотность корпуса генератора. Надо помнить, что водород может проникнуть там, где воздух не проходит.
2. Исправность и газонепроницаемость уплотнений вала турбогенератора. Высокая надежность уплотнений.
3. Надежность трубопроводов, арматуры и механизмов маслоуплотнений.
4. Пожароопасность водорода в смеси с воздухом: около генератора, заполненного водородом, нельзя курить, выполнять работы с огнем.
5. Недопустимо смешение водорода с воздухом.

Рис.20. Упрощенная схема водородного охлаждения турбогенератора

На упрощенной схеме водородного охлаждения турбогенератора 1 (рис.20)  показаны следующие элементы схемы: верхний 2 и нижний 3 газовые коллекторы, баллоны с водородом 4, баллоны с углекислотой 5, газоосушитель 6, автоматический газоанализатор 7, указателъ наличия жидкости в корпусе генератора 8, вентили 9, 10, 11.
Водород в смеси с воздухом образует взрывчатую смесь, поэтому их смешение недопустимо.
Для вытеснения воздуха из корпуса генератора перед его заполнением водородом, а также для вытеснения водорода используют промежуточный газ - углекислый.
Углекислый газ в 22 раза тяжелее водорода, его вязкость в 1,66 раза больше вязкости водорода, поэтому эти газы плохо смешиваются. Технология замены газов в генераторе следующая.
Заполнение водородом. Загерметизированный и испытанный на газовую плотность генератор заполняется СО2 (он в 1,53 раза тяжелее воздуха) через нижний коллектор 3 (рис.20) из баллонов 5. Воздух вытесняется через верхний коллектор 2 и открытый вентиль 9. Генератор заполняется СО2 до тех пор, пока его содержание не достигнет 85%.
Далее открывается вентиль 11 и закрывается вентиль 9. В генератор впускается водород  из баллонов 4 через верхний коллектор, который вытесняет углекислый газ через нижний коллектор 3 и вентиль 11 в атмосферу. Продувка водородом продолжается до достижения его чистоты 95-98%. Для вытеснения воздуха углекислотой ее требуется примерно 1,3-1,5 объема генератора.
Вытеснение водорода производится в обратном порядке: генератор заполняется углекислотой через нижний коллектор 3, а водород вытесняется через верхний коллектор 2 и открытый вентиль 9 в атмосферу. По заполнении генератора углекислотой через вентиль 11 в генератор впускается воздух, a СО2 выпускается в атмосферу через вентиль II. Для продувки генератора углекислотой при вытеснении водорода требуется количество ее, равное 1,7-2,2 объема генератора. Если эти операции производить на вращающемся генераторе, то соответствующего газа требуется на 50% больше.
Давление водорода в генераторе должно поддерживаться в определенных пределах: при номинальном давлении 49 кПа (0,5 кгс/см² в пределах ±9,8 кПа (0,1 кгс/см²): при давлении 4,9 кПа (0,05 кгс/см²) ±0,98 кПа (0,01 кгс/см²).
Большое значение имеет чистота водорода, которая должна быть при давлении водорода 4,9 кПа (0,5 - 1.0 кгс/см²) – 97%;при давлении 196 кПа (2,0 кгс/см²) и выше – 98%.
Особо опасен кислород в водороде, поэтому его содержание не должно превышать 1,2%. Влажность водорода не должна быть более 85%, Повышенная влажность снижает срок службы изоляции, увеличивает опасность выпадения росы и повышает вентиляционные потери генератора.
Утечка водорода из генератора в сутки не должна превышать 5% объема генератора. Она проверяется ежесменно по падению давления водорода. На турбогенераторах с низким давлением (4,9 кПа, 0,05 кгс/см²) подпитка водородом автоматизирована, т.к. при остывании машины в генераторе давление может снизиться ниже атмосферного, т.е. в нем возникнет вакуум, что в свою очередь может привести к подсосу воздуха и образованию в генераторе взрывчатой смеси. На турбогенераторах с более высоким давлением водорода подпитка осуществляется вручную.