Urządzenia prądotwórcze

(aktualizacja 30.06.2008 r.)

Spis treści:

generatory
zespoły prądotwórcze
 

I. Generatory

Budowa i działanie

Maszyny synchroniczne pracują najczęściej jako prądnice: turbogeneratory w elektrowniach cieplnych i hydrogeneratory w elektrowniach wodnych. Znajdują one również zastosowanie jako kompensatory wytwarzające energię bierną oraz silniki do napędów wymagających stałej prędkości obrotowej. W maszynach synchronicznych występuje ścisła zależność między prędkością obrotową wirnika a częstotliwością prądu:

                                                                          f = p·n/60  

gdzie:

f – częstotliwość [Hz], p – liczba par biegunów, n – liczba obrotów na minutę.

Generatory synchroniczne budowane są w dwóch odmianach jako:

·         ·         maszyny szybkoobrotowe z utajonymi biegunami,

·         ·         maszyny wolnoobrotowe jawnobiegunowe.

Podstawowa różnica w budowie tych maszyn leży w konstrukcji wirnika i liczbie biegunów. Maszyny z utajonymi biegunami są najczęściej dwubiegunowe, rzadziej czterobiegunowe. Dla ograniczenia momentu bezwładności i zwiększenia wytrzymałości mechanicznej wirnik maszyny jest wykonywany z odkuwki, a uzwojenia ma umieszczone w wyfrezowanych żłobkach. Średnica wirnika generatora z utajonymi biegunami nie przekracza zwykle 1,2 m. Takie generatory napędzane są turbinami parowymi o prędkości obrotowej 3000 lub 1500 obr/min.

Maszyny jawnobiegunowe mają większą liczbę biegunów, a uzwojenie wzbudzenia mają wykonane w postaci cewek umieszczonych na biegunach. Maszyny takie mogą być napędzane silnikami wysokoprężnymi lub turbinami wodnymi. Prędkości obrotowe hydrogeneratorów wynoszą od kilkunastu do kilkuset obr/min.

Napięcie znamionowe generatorów synchronicznych jest ograniczone wytrzymałością elektryczną izolacji i nie przekracza 30 kV. Moc znamionowa jednostek wynika m.in. z dopuszczalnej temperatury izolacji, sposobu chłodzenia maszyny i wytrzymałości mechanicznej wirnika, ograniczającej obecnie masę wirnika do ok. 2000 Mg oraz wartość prądu stojana do 35 kA. Moce znamionowe największych budowanych współcześnie turbogeneratorów przekraczają 1500 MVA. Bardzo duże jednostki stosowane są w elektrowniach jądrowych ze względu na opłacalność budowy dużych bloków reaktor-generator. Moce znamionowe hydrogeneratorów dochodzą do 850 MVA. W Polsce największe turbogeneratory mają moc znamionową 500 MW, a typowy turbogenerator w dużej elektrowni ma moc 360 MW.

Schemat połączeń generatora synchronicznego przedstawiony jest na rysunku 1.2.3.1.

     Rys. 1.2.3.1. Układ połączeń generatora synchronicznego:

1 – uzwojenie stojana, 2 – uzwojenie wirnika, 3 – pierścienie ślizgowe, 4 – wzbudnica, 5 – uzwojenie biegunów wzbudnicy, 6 – regulacja napięcia.

Stojan maszyny jest twornikiem, w uzwojeniach którego indukowana jest siła elektromotoryczna. Żelazo czynne stojana wykonane jest z tzw. blach prądnicowych o niskiej stratności, wynoszącej w nowoczesnych generatorach ok. 1 W/kg. Spakietowane jarzmo stojana, umieszczone jest w spawanej konstrukcji kadłuba. Uzwojenie stojana jest trójfazowe i zwykle dwuwarstwowe. Budowa uzwojenia zależy od zastosowanego sposobu chłodzenia.

Na wale wirnika są umieszczone izolowane pierścienie, przez które uzwojenie wzbudzające jest zasilane prądem stałym. Źródłem zasilania może być prądnica samowzbudna umieszczona na wspólnym wale maszyny lub układ prostownikowy. Uzwojenie wirnika wytwarza pole magnetyczne wirujące wraz z wirnikiem. Przy obciążeniu maszyny prąd stojana wytwarza również pole magnetyczne, które wiruje w tym samym kierunku i z tą samą prędkością co pole wytworzone przez wirnik. Pole wypadkowe przecinając przewody uzwojenia stojana wytwarza w nim siłę elektromotoryczną. Zasadę działania generatora synchronicznego trójfazowego pokazano na rys. 1.2.3.3.

Rys. 1.2.3.3. Zasada działania generatora                              Rys. 1.2.3.4. Żłobek wirnika   turbogeneratora

                 synchronicznego trójfazowego.                            1 – klin zabezpieczający uzwojenie, 2 – izolacja

                                                                                          3 – przewód uzwojenia wzbudzenia,

                                                                                          4 – kanał przepływu wody, 5 – izolacja zwojowa,

                                                                                          6 – izolacja żłobkowa.

Uzwojenie wirnika może być wykonane na wiele sposobów, zależnie od producenta generatora i mocy znamionowej maszyny. Cewki biegunów maszyn jawnobiegunowych nawijane są drutem izolowanym lub taśmą. W turbogeneratorach wykonanie uzwojenia wzbudzenia zależy od tego, czy uzwojenie jest chłodzone pośrednio czy też bezpośrednio. Przy chłodzeniu bezpośrednim, czynnik chłodzący przepływa wewnątrz przewodów. Również uzwojenie stojana może być chłodzone pośrednio, przy pomocy kanałów wodnych lub wodorowych lub bezpośrednio, gdy w skład cewek wchodzą pręty, wewnątrz których przepływa czynnik chłodzący.

 Układy chłodzenia generatorów.

Najstarszym sposobem chłodzenia maszyn jest wymuszony obieg powietrza w obiegu otwartym. Powietrze chłodzące, zasysane z zewnątrz poprzez filtry, jest wentylatorem kierowane do wnętrza maszyny, a następnie wyrzucane na zewnątrz. W obiegu zamkniętym powietrze chłodzące jest kierowane do chłodnic, przez które przepływa zimna woda. Niektóre firmy stosują chłodzenie powietrzem turbogeneratorów o mocy do 250 MVA. Chłodzenie pośrednie powietrzem jest stosowane w maszynach jawnobiegunowych.

Duże turbogeneratory są chłodzone wodorem w obiegu zamkniętym. Wodór jest nie tylko lżejszy od powietrza, ale charakteryzuje się znacznie lepszym przewodnictwem ciepła. Dla uzyskania odpowiedniego efektu chłodzenia stosuje się nadciśnienie wodoru w maszynie wynoszące zwykle 1¸3 MPa. Część maszyny, w której występuje wodór jest oddzielona od przestrzeni powietrznej przy pomocy uszczelnienia olejowego pod ciśnieniem. Chłodzenie wodorowe stosuje się w maszynach o mocy rzędu 400 MVA.

Dla bardzo dużych jednostek stosowane jest chłodzenie wodne. Destylat wodny przepuszczany jest przez kanały i otwory wewnątrz uzwojenia. Odprowadzanie ciepła jest tu znacznie intensywniejsze niż przy chłodzeniu wodorem. Duże ciśnienia występujące w obiegu destylatu wymagają stosowania odpowiednio skonstruowanych uszczelnień. Chłodzenie wodno-wodorowe ma największy obecnie zainstalowany na świecie turbogenerator o mocy znamionowej 1700 MVA.

Zabezpieczenia generatorów.

Generatory synchroniczne powinny być wyposażone w następujące zabezpieczenia:

-     zabezpieczenie nadmiarowo-prądowe stojana od przetężeń i skutków zwarć zewnętrznych, działające początkowo na sygnał, a po określonym czasie — na wyłączenie generatora z sieci i odwzbudzenie,

-     zabezpieczenie różnicowo-prądowe od zwarć wewnątrz stojana, działające bezzwłocznie na wyłączenie generatora i odwzbudzenie,

-     zabezpieczenie ziemnozwarciowe stojana, które w przypadku doziemienia uzwojenia stojana w zależności od wartości prądu doziemnego działa na sygnał lub wyłączenie maszyny i odwzbudzenie,

-     zabezpieczenie ziemnozwarciowe wirnika reagujące w zależności od rodzaju uszkodzenia; przy pojedynczym zwarciu z ziemią na sygnał, natomiast przy drugim zwarciu powodując wyłączenie i odwzbudzenie generatora.

Duże generatory wyposaża się także w zabezpieczenia przed asymetrią prądów stojana, przed pracą asynchroniczną i przed przeciążeniem prądowym wirnika. Ponadto wszystkie maszyny mogą być wyposażone w sygnalizację i zabezpieczenia kontrolujące temperaturę wewnątrz maszyny i temperaturę czynnika chłodzącego.

W tabeli 1.2.3.1 podano rodzaje zabezpieczeń stosowanych dla generatorów synchronicznych zasilających bezpośrednio szyny zbiorcze.

Tabela 1.2.3.1

Zabezpieczenia generatorów synchronicznych

* w przypadku gdy prąd zwarcia doziemnego jest mniejszy od 5A.

Objaśnienia: W — otwarcie wyłącznika głównego, SGP — samoczynne odwzbudzenie generatora, S — sygnalizacja ostrzegawcza.

 Dokumentacja techniczna.

Wytwórca wraz z maszyną powinien dostarczyć użytkownikowi dokumentację techniczno-ruchową (DTR), obejmującą między innymi:

— opis techniczny generatora,

— dane techniczne generatora, wzbudnicy i urządzeń pomocniczych,

— wymagania dotyczące kontroli, pomiarów i automatyki,

— dane układu chłodzenia i układów olejowych maszyny,

— instrukcje montażowe,

— rysunki zestawieniowe i konstrukcyjne,

— wykaz materiałów montażowych,

— dokumentację eksploatacyjną zawierającą:

– instrukcję ruchu i eksploatacji generatora,

– protokoły końcowych badań u wytwórcy,

– protokoły badań przy uruchamianiu generatora,

– wykaz części zamiennych,

Podstawowym dokumentem ruchowym generatora jest raport dobowy. W raportach, zgodnie z wymaganiami instrukcji eksploatacji, zapisywane są wartości podstawowych wielkości elektrycznych charakteryzujących pracę generatora oraz wartości temperatury żelaza czynnego, uzwojeń, gazu chłodzącego, wody chłodzącej, łożysk i oleju. Poza raportem dobowym, wypełnianym zwykle co godzinę, obsługa prowadzi dziennik operacyjny, w którym wpisywane są czynności wykonywane w czasie eksploatacji, jak np. wyniki pomiarów rezystancji uzwojeń, kontroli stanu szczotek, pierścieni i komutatora itp.

Uruchomienie generatora synchronicznego.

Załączenie maszyny synchronicznej, a w szczególności dużych turbogeneratorów jest długotrwałym procesem. Tryb postępowania zależy od tego, czy uruchomienia dotyczy nowego generatora, bloku po remoncie czy też po postoju.

Szczegółowe zasady eksploatacji generatorów zostały określone przez zarządzenie MGiE z dnia 30.04.1987 r. Zarządzenie to zostało uchylone przez ustawę z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne [ Dz.U.06.89.625 ogłoszony dnia 30 maja 2006 r.] i przestało obowiązywać po 6 miesiącach od dnia wejścia ustawy w życie.

Nadal nie ma obligatoryjnych przepisów zastępujących ww. zarządzenie. Prawo energetyczne zobowiązuje do stosowania nie tylko przepisów i norm, lecz także zasad wiedzy technicznej. Uchylone przepisy również kształtują tę wiedzę i dlatego do czasu wydania nowych przepisów na podstawie Prawa energetycznego stanowić mogą one pewne wskazania, przy pomocy których w oparciu o postęp naukowo-techniczny, publikacje i ekspertyzy, można prowadzić eksploatację generatorów energetycznych. W oparciu o Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci [Dz.U.05.2.6 ogłoszony dnia 6 stycznia 2005 r.] z wykorzystaniem powyższego zarządzenia

MGiE z 30.04.1987 r. jako zasady,  opracowuje się instrukcje ruchu i eksploatacji generatorów.

Pierwsze włączenie do sieci nowego generatora odbywa się komisyjnie z udziałem przedstawicieli inwestora oraz wykonawców. Uruchomieniu towarzyszą odpowiednie pomiary i badania wykonane w zakresie i kolejności uzgodnionych między użytkownikiem, a wytwórcą dla jednostek nowych, oraz pomiędzy użytkownikiem, a zakładem remontowym dla jednostek po remoncie.

Generator nowy lub po remoncie przed przyjęciem do eksploatacji może być poddany badaniom odbiorczym wykonywanym:

— u dostawcy lub w miejscu przeprowadzenia remontu, wykonywanym przez dostawcę lub wykonawcę remontu,

— w miejscu zainstalowania, wykonywanym przez użytkownika lub osoby przez niego upoważnione.

Jeżeli dostawa lub remont obejmuje część generatora, to badania odbiorcze przeprowadza się tylko w odniesieniu do tej części.

Jeżeli postój bloku trwał dłużej niż 7 dni, to należy przeprowadzić pomiar rezystancji izolacji uzwojeń. W razie zawilgocenia izolacji, uruchomienie generatora jest dopuszczalne tylko po jej wysuszeniu.

Uruchomienie generatora do pracy kompensatorowej, tj. bez turbiny, jest dopuszczalne tylko wówczas, gdy został on wyposażony w odpowiednie urządzenie ograniczające ruch wirnika w kierunku osiowym.

 Przygotowanie generatorów do pracy polega na wykonaniu następujących czynności:

— sprawdzenie zapasu gazów; zapas dwutlenku węgla CO₂ powinien wystarczać na dwukrotne wypełnienie maszyny, zapas wodoru na wypełnienie maszyny ze znamionowym ciśnieniem,

— uruchomienie obiegów olejowych łożysk i uszczelnienia wału,

— uruchomienie obiegu destylatu,

— usunięcie powietrza z wnętrza maszyny przy pomocy dwutlenku węgla,

— sprawdzenie szczelności.

Maszynę uważa się za szczelną, jeżeli po upływie dwóch godzin od doprowadzenia ciśnienia medium gazowego do wartości znamionowej + 0,1 MPa, ciśnienie wewnątrz nie spadnie bardziej niż o 4 mm słupa rtęci. W czasie uruchamiania generatora z chłodzeniem wodorowym, ciśnienie gazu w obudowie powinno być wyższe od atmosferycznego co najmniej o 3,5 kPa (0,035 at).

Po sprawdzeniu parametrów wg szczegółowej instrukcji możliwe jest przystąpienie do uruchomienia turbiny, wzbudzenia maszyny i jej synchronizacji. Generator można wzbudzić, gdy wirnik osiągnie prędkość zbliżoną do synchronicznej. Po doprowadzeniu do gotowości bloku energetycznego do ruchu można przystąpić do synchronizacji generatorów. Turbogeneratory i kompensatory synchroniczne powinny być synchronizowane metodą dokładną. Dla hydrogeneratorów można stosować samosynchronizację, o ile nie ma przeciwwskazań producenta.

Przed włączeniem synchronoskopu należy sprawdzić czy napięcie generatora jest bliskie napięciu sieci oraz czy częstotliwość nie różni się od sieci więcej niż o 0,5 Hz. Stosowane są trzy rodzaje urządzeń do synchronizacji:

1) zwykła kolumna synchronizacyjna do synchronizacji ręcznej. Przy synchronizacji ręcznej zamykanie wyłącznika powinno nastąpić w chwili, gdy wskazówka synchroskopu powoli przesuwa się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i zbliża się do położenia zerowego,

2) kolumna synchronizacyjna z półautomatem. Po ręcznym podaniu sygnału na włączenie generator zostaje załączony przez automatykę,

3) synchronoskop automatyczny, wyposażony w układ pomiaru i automatycznej regulacji prędkości i napięcia aż do doprowadzenia do synchronizacji.

Prowadzenie eksploatacji generatorów.

W czasie ruchu maszyny należy kontrolować następujące parametry obciążenia:

- moc pozorną,

- wytwarzaną moc bierną lub współczynnik mocy,

- napięcia międzyprzewodowe stojana,

- częstotliwość,

- prądy fazowe stojana,

- prąd wzbudzenia,

- parametry chłodzenia.

Należy również kontrolować parametry eksploatacyjne maszyny:

- wynikające bezpośrednio z obciążenia — temperaturę uzwojeń stojana, uzwojenia wirnika, temperaturę czynnika

  chłodzącego,

- nie związane bezpośrednio z wielkością obciążenia — temperaturę wody chłodzącej wymienniki ciepła, oleju

  w łożyskach, uszczelnień olejowych itp.,

- wskaźniki stanu jakości cieczy i gazów, czystość i wilgotność wodoru, przewodność elektryczną destylatu,

  jakość próżni itp.,

- stan izolacji elektrycznej obwodów uzwojenia stojana i wzbudzenia,

- drgania łożysk w generatorze i wzbudnicy.

Kontrola w powyższym zakresie powinna być wykonywana przez obsługę za pomocą przyrządów pomiarowych lub automatycznie w zakresie określonym przez wytwórcę w dokumentacji fabrycznej. W tabeli 1.2.3.2 zostały podane wartości parametrów obciążeniowych i eksploatacyjnych generatorów synchronicznych, dopuszczalne zgodnie z [91] w sposób trwały.

Tabela 1.2.3.2

Dopuszczalne wartości parametrów obciążenia i eksploatacyjnych parametrów stanu prądnicy