4-20. Путь воды
Превратившийся в воду пар проходит после конденсатора длинный сложный путь. Конденсатные насосы прокачивают конденсат через целый ряд подогревателей. Здесь конденсат подогревается отборным паром турбины и, наконец, попадает в бак, расположенный на верхних этажах машинного зала, — в деаэратор. В нем происходит удаление растворенного в конденсате кислорода (это называется деаэрацией воды). В современных установках деаэрация обязательна, так как при высоких давлениях кислород особенно агрессивен. За короткое время он может разъесть питательные трубопроводы и трубы поверхности нагрева котла. В деаэратор, кроме конденсата, поступает еще добавок воды для возмещения потерь конденсата на станции. Особенно много конденсата теряется на ТЭЦ, где часть пара идет на производство и конденсат не всегда возвращается обратно.
После деаэраторов вода получает новое название — питательная вода. Она самотеком идет опять вниз в конденсаторное помещение к питательным насосам. Эти насосы создают большой напор, достаточный, чтобы прогнать воду в котел. Давление питательной воды должно быть больше давления пара.
Вода на электростанции совершает замкнутый круг. Из конденсатора — в котел, оттуда в виде пара — в турбину, а из турбины — снова в конденсатор.
В воде, которая питает котел, опасно не только присутствие кислорода, но не должно содержаться и солей. Жесткая вода совсем не годится для питания котла, на его трубах образуется накипь, и котел быстро выходит из строя. Потому-то на электростанциях и берегут конденсат, стремятся устранить его утечку. Но, несмотря на все принимаемые меры, в этот замкнутый круг обращения котел — турбина — конденсатор — котел приходится все же добавлять свежую воду. Ее подвергают специальной обработке, чтобы удалить вредные примеси. Плохо приготовленная вода может вызвать быстрый износ и коррозию труб поверхности нагрева котла. Особо требовательны к качеству воды безбарабанные прямоточные котлы. Подготовка воды для котлов — водоподготовка— это теперь целая наука. Без хорошей водоподготовки невозможна надежная работа электростанции.
Рис. 4-14. Общий вид турбогенератора с водородным охлаждением мощностью 100 000 кВт.
Этот генератор был закончен заводом «Электросила» в 1946 г. и в настоящее время работает на одной из ГРЭС.
4-21. Пуск турбогенератора
Вернемся обратно в машинный зал. Обычно в нем пустынно, у агрегатов никого не видно. Но сегодня в конце зала у крайней турбины собрались люди. Здесь и директор электростанции, и начальник турбинного цеха, и шеф-монтер Ленинградского металлического завода, построившего все турбины этой электростанции.
Сегодня закончен монтаж крайней турбины. Сейчас она будет пущена в первый раз.
Старший машинист приоткрывает пусковой вентиль турбины. Слышится сдавленное шипенье, переходящее во все повышающийся гул. Турбина оживает. Внутри ее стального корпуса начинает вращаться ротор.
Шеф-монтер прикладывает к корпусу турбины стетоскоп, прижимает к нему ухо. Он внимательно выслушивает турбину, стараясь уловить малейшие особенности ее работы.
Наибольшую опасность для турбины представляют вибрации. Они могут возникнуть в любой ее части: в отдельных лопатках, в дисках. Ротор весь целиком может начать вибрировать. Это сразу отзывается на подшипниках турбины. На них и измеряют величину вибрации.
4-22. Резонанс
При изготовлении турбины все ее части тщательно балансируют. Устраняется малейшее несоответствие весов отдельных частей ротора. Но одной балансировкой опасность вибраций не устранить. Весь ротор в целом и отдельные его части могут совершать колебания. Их частота зависит от массы и упругости колеблющейся детали. Колебания могут возникнуть под влиянием отдельных толчков, но при этом они быстро прекращаются, затухают. Плохо получается, когда частота этих толчков совпадает с собственной частотой колебаний. Тогда даже самые слабые толчки будут действовать в такт и могут раскачать ротор до очень больших и опасных вибраций.
Та скорость вращения турбины, которая совпадает с собственной частотой колебаний ротора или его частей, называется критической, резонансной. Усилия конструкторов мощных турбин всегда направлены на то, чтобы уйти от этого совпадения частот, уйти от резонанса, избежать его.
Нельзя произвольно выбирать скорость вращения турбины.
Чтобы выработать переменный ток с частотой 50 Гц, ротор турбогенератора должен делать 50 оборотов в секунду, если он двухполюсный, или 25 оборотов, если он четырехполюсный (большего числа полюсов теперь в турбогенераторах не делают).
Прежде, бывало, соединяли паровую турбину с генератором при помощи зубчатой передачи (редуктора). Скорость вращения турбины можно было брать отличной от скорости генератора. Строились турбины на 80 и на 100 оборотов в секунду. Но теперь вал турбины и генератора всегда соединяют жестко, напрямую. Поэтому турбина может делать или 3 000, или 1 500 оборотов в минуту.
Раз скорость вращения ротора турбины жестко задана, то, чтобы уйти от резонанса, изменяют собственные частоты колебаний ротора так, чтобы ни одна из этих собственных частот не совпала с рабочей скоростью вращения ротора.
4-23. Уход от резонанса
С резонансом приходится считаться во всех областях электротехники. Теория электротехники пронизана учением о резонансе. Не раз будет обсуждаться это явление в последующих главах.
Радиосвязь основана на резонансе приемниками передатчика.
При обстреле атомных ядер электронами и ионами эти заряженные частицы разгоняются до огромных скоростей отдельными толчками электрических сил. Эти толчкй согласованы. Движение ионов и электронов происходит в резонанс с электрическими силами.
Во многих случаях все усилия инженеров направлены к тому, чтобы найти резонанс, обеспечить его. Но строители паровых турбин всеми силами стремятся уйти от резонанса.
Когда в конце прошлого века впервые начали строить быстроходные турбины, то в них применялись роторы, имевшие частоту собственных колебаний более низкую, нежели рабочая скорость вращения турбины. Их называли турбинами с гибким валом. При пуске таких турбин приходилось быстро проходить через критическую скорость, критическую частоту, чтобы турбина не успела раскачаться.
В настоящее время часто строят турбины, у которых частота собственных резонансных колебаний ротора выше ее максимальной скорости вращения. Это — турбины с жестким валом.
Но ни в коем случае нельзя работать на скорости, совпадающей с собственной резонансной частотой ротора. В первом приближении собственную частоту колебаний ротора определяют, как частоту колебаний маятника, масса которого равна массе ротора, а длина — прогибу ротора под его собственным весом. Так как ротор выполняется из прочной стали, прогиб его очень мал — доли миллиметра — и собственная частота высока. Чтобы увести собственную частоту колебаний от требуемой скорости вращения, приходится иногда менять массу и размеры ротора.
Легко уйти от резонанса, когда только одна частота является резонансной. Но одну резонансную частоту имеет только такая простая конструкция, как маятник. У ротора турбины может быть много резонансных частот. Между ними надо расположить рабочую частоту.
В правильно рассчитанной и хорошо изготовленной турбине вибрации совершенно неощутимы.
4-24. Дать нагрузку!
Шеф-монтер ставит на пол свой стетоскоп. «Можно включать генератор», — говорит он. Старший машинист нажимает кнопку командного аппарата — «Внимание, готово». Это значит, что на щите управления зажегся такой же сигнал. Включение генератора должен производить дежурный электротехник на щите управления. Он находится на значительном расстоянии (обычно несколько десятков метров) от машинного зала. На главном щите не слышно гула турбин, отсюда не видно, что творится в машинном зале. Измерительные приборы и световые сигналы связывают людей на щите и в зале.
Просто сразу включить генератор нельзя. Надо так подогнать его скорость, чтобы его напряжение точно совпало с напряжением на сборных шинах. Этот процесс называется синхронизацией. Он будет подробно разобран в следующей главе. Пока достаточно сказать, что дежурный электротехник имеет у себя на щите синхроноскоп и может воздействовать со щита на регулятор турбины для изменения ее скорости вращения.
Взгляды всех присутствующих у турбины устремлены на ваттметр: он должен показать, что генератор включен, что он принял нагрузку. Но в этот момент все собравшиеся у турбины — только пассивные зрители. Управление агрегатом — в руках дежурного электротехника на главном щите. Стрелка синхроноскопа медленно движется по циферблату. Вот стрелка подходит к среднему положению. Дежурный электротехник нажимает кнопку включения масляного выключателя. На главном щите управления царит тишина. Здесь не слышно, как где-то в далекой камере срабатывает мощный привод высоковольтного выключателя. Стрелка синхроноскопа замирает в нейтральном положении. Генератор включен плавно, без толчка.
Но те, кто стоят у турбины, не видят синхроноскопа, не слышат срабатывания привода выключателя. Перед ними вспыхивает переданный по командоаппарату сигнал «генератор включен». Вздрагивает стрелка ваттметра. Нагрузку медленно увеличивают. Шеф-монтер опять внимательно прослушивает турбину. Стрелка ваттметра неуклонно движется вправо. Четверть, половина, полная. Генератор принял полную нагрузку.
Директор станции достает полтинник, новенький полтинник, специально для этого случая приготовленный, и ставит его на ребро на горизонтальной площадке на переднем подшипнике турбины. Монета остается стоять. Вибраций нет. Турбина издает ровный мерный негромкий гул. Точно огромная кошка подогнула лапы, зажмурила глаза и мурлычет на солнце.
Трудно представить себе, что там, внутри стального корпуса турбины быстрее звука летят струи пара, и ротор турбины с тысячами лопаток, укрепленных на нем, и ротор генератора совершают 50 об/сек — 3 000 об/мин.
4-25. Собственные нужды
Электростанция не только вырабатывает электроэнергию, но она же является одним из ее потребителей.
Электродвигатели вращают насосы для подачи питательной воды в котлы. Электродвигатели приводят в действие и мельницы для размола угля, и вентиляторы, подающие воздух в топку, и дымососы. И еще множество мощных электродвигателей работает на электростанции. Их общее потребление достигает нескольких тысяч киловатт.
Расход на все это самообслуживание электрической станции, на ее собственные нужды, как принято говорить, зависит от качества применяемого топлива. При малозольном высококалорийном топливе на собственные нужды может уходить меньше 5%. А в электростанциях, которые работают на сланцах, на собственные нужды иногда уходит до 17% всей выработанной электроэнергии.
Все линии собственных нужд делаются с наибольшей надежностью, с наибольшим запасом. Электростанцию часто называют «сердцем промышленности». Сборные шины собственных нужд подобны артериям, питающим сердце.
Когда электростанция не справляется с нагрузкой, отдельные потребители отключаются от сети. При авариях иногда приходится отключать самых важных потребителей, отсоединять самые ответственные линии электропередачи. Но ни в коем случае нельзя касаться собственных нужд электростанции. Отключатся собственные нужды — и остановится вся электростанция. Категорически воспрещается подключать каких бы то ни было потребителей к шинам собственных нужд электростанции.
Наиболее ответственные электродвигатели на электростанции обычно дублируются паровыми. Например, для подачи питательной воды в котлы, помимо электронасосов, имеются еще резервные паровые турбонасосы.
