Давление и температура охлаждающего газа

При повышении давления водорода снижаются следующие температурные перепады на пути теплового потока от меди обмотки к охлаждающему газу: в газовой прослойке между наружной поверхностью изоляции обмотки и стенками паза, перепад с теплоотдающей поверхности активной стали и перегрев охлаждающего газа.

Повышение давления водорода до 0,1—0,15 МПа позволяет заметно снизить температуру обмоток генератора и его активной стали. В то же время следует, что повышение давления сверх 0,2 МПа (для генераторов с косвенным охлаждением) становится неэффективным. В заводском исполнении турбогенераторы серий ТВ и ТВ2 предназначались для работы с минимальным давлением водорода (0,005 МПа). Основным конструктивным узлом генератора, определяющим максимально допустимое давление водорода, являются масляные уплотнения, препятствующие утечке водорода из корпуса статора в местах выхода вала ротора. Большинство генераторов этих серий было снабжено уплотнениями кольцевого типа, состоящими из корпуса, прикрепленного к наружному щиту статора генератора, и подвижно закрепленного в нем кольцевого вкладыша, самоцентрирующегося в процессе работы на валу ротора.

Водород уплотняется в кольцевом зазоре между поверхностями вкладыша и шейки вала с помощью пленки масла, подаваемого в зазор под давлением, превышающим давление водорода в машине. Эта пленка является разделительным звеном между наружным, воздухом и водородом. Масло стекает двумя потоками на водородную и воздушную стороны уплотнения и, в дальнейшем пройдя систему маслоочистки, где оно дегазируется, снова подается на уплотнения. Из-за сравнительно большого paдиального зазора (0,2—0,3 мм на сторону) даже при низких давлениях масла (соответствующих низким давлениям водорода) расход масла в сторону водорода очень велик (10—15 л/мин), что вызывает интенсивное загрязнение водорода в машине посторонними газами, выделяющимися из масла. Вследствие большого расхода масла электродвигатели вакуумных насосов маслоочистки перегружаются и последняя не обеспечивает качественную вакуумную обработку масла. Все эти дефекты, заметные при низком давлении водорода в корпусе генератора (0,003—0,005 МПа), проявляются еще резче при повышении давления.

Цилиндрические уплотнения на большинстве рассматриваемых машин были заменены уплотнениями торцевого типа, в которых масляная пленка, запирающая выход водорода из корпуса, образуется между торцевыми поверхностями вкладыша уплотнения и специального гребня на валу ротора. При этом используется центробежный эффект вращающейся масляной пленки, толщина которой (а следовательно, и расход масла в сторону водорода) можег регулироваться до минимального значения (0,02—0,03 мм) с помощью специальных пружин или давлением масла в автономной камере. Низкий расход масла в сторону водорода (1—3 л/мин) позволяет отказаться от громоздкой системы вакуумной очистки, что уменьшает расходы на собственные нужды.

Наряду с положительным эффектом при повышении давления водорода в корпусе (снижение потерь, повышение срока службы изоляции) вращение ротора в среде с повышенной плотностью вызывает увеличение вентиляционных потерь, которые состоят из потерь от трения бочки ротора и роторных бандажей о газ и потерь на вентиляцию генератора.

Таким образом, повышение давления водорода приводит к двум прямо противоположным последствиям — снижению потерь в обмотках и повышению вентиляционных потерь. Очевидно, что с точки зрения увеличения КПД эксплуатацию генератора следует вести именно при этом давлении. Такой режим и будет режимом максимальной эффективности.

Ряд машин при работе с оптимальным давлением водорода и номинальной температурой охлаждающего газа 40°С не может выдавать номинальную мощность из-за повышенной (против допустимой) температуры обмоток. Для этих машин целесообразно снижать давление водорода до указанного оптимального.

По мере роста давления газа вентиляционные потери растут быстрее, чем уменьшаются токовые; это проявляется тем резче, чем ниже чистота водорода, так как плотность газа заметно увеличивается даже при незначительной добавке атмосферного воздуха. Для примера укажем,что при уменьшений чистоты водорода только на 3% вентиляционные потери увеличиваются на 30%.

Главной причиной снижения чистоты охлаждающего водорода является его загрязнение в процессе эксплуатации воздухом, выделяющимся из масла, которое сливается из уплотнений в сторону водорода.

Целесообразно периодически или постоянно продувать свежим водородом корпус статора, водородоотделительный бак и гидрозатвор. Хотя повышение чистоты водорода и способствует снижению потерь, требующийся для этого постоянный расход водорода вызывает повышение затрат на собственные нужды при работе электролизерной установки. Поскольку источником загрязнения водорода является масло, поступающее из уплотнений в сторону водорода, от количества этого масла будет зависеть та степень чистоты водорода, при которой сумма вентиляционных и токовых потерь и затрат на получение свежего водорода будет минимальной. Эта чистота водорода в корпусе является оптимальной, при ней эксплуатация генератора с данным расходом масла в сторону водорода наиболее эффективна. Для турбогенераторов всех типов с водородным охлаждением при расходах масла в сторону водорода до 3—5 л/мин оптимальная чистота водорода лежит в пределах 98,5—99%.

Наиболее очевидным способом снижения токовых потерь и повышения срока службы изоляции является снижение температуры поступающего в машину после охладителей «холодного» газа. Инструкции по эксплуатации генераторов ограничивают нижний предел температуры холодного газа 25°С, исходя из того, что указанная температура является температурой насыщения, при понижении которой пары воды (в количестве около 20 г на 1м³ водорода).содержащиеся в водороде, подаваемом из электролизерного: устройства для продувки генератора, будут выпадать в виде росы, осаждаясь на металлических поверхностях машины, что вызовет их корродирование. Поскольку температура газа, при которой начинает происходить конденсация содержащейся в нем влаги, зависит (при данном давлении) от количества содержащихся в газе паров воды, минимально допустимые температуры холодного газа при давлении газа 0,3—0,4 МПа могут колебаться.

Возможность конденсации влаги на трубах газоохладителей заставляет также ограничивать и температуру охлаждающей воды. Для снижения температуры охлаждающего газа необходимо максимально снизить содержание в нем паров воды, что одновременно способствует и снижению вентиляционных потерь, поскольку при содержании 1 г воды в 1 м³ газа вентиляционные потери увеличиваются на 0,8 и 1 % при чистоте газа соответственно 98 и 99%.

Основными способами снижения влажности газа в генераторах являются наладка работы установки для осушки водорода и регенерации силикагеля с помощью горячего воздуха, а также продувка генератора сбежим сухим водородом.

Наиболее эффективна установка глубокой осушки и очистки водорода, разработанная Союзтехэнерго. В этой системе используется холодильная машина типа ФАК-076 производительностью около 3000 кДж, серийно выпускаемая отечественными заводами. От компрессора холодильной машины хладагент поступает сверху вниз в испаритель, внешний, контур которого соединен, с корпусом статора генератора в зонах низкого и высокого давления вентилятора так, что в испарителе водород циркулирует снизу вверх.

При температуре входящего и выходящего водорода соответственно около 40 °С расход газа через испаритель составляет от 5 до 10 м³/ч. Установка позволяет снизить содержание водяных паров в водороде до 2—5 г/м³. При этом точка росы может быть доведена до 2-5°С против 20—15°С при существующей системе осушки. Одновременно обеспечивается и увеличение чистоты водорода до 99,5%. Температура циркуляционной воды в охладителях в наиболее холодное время года составляет 5—7°С (для средней полосы), а разность между температурой холодной воды и холодного газа — около 5—7°С, поэтому генераторы, оборудованные указанной установкой, могут эксплуатироваться при температуре холодного газа 12—15°С по сравнению с номинальной температурой холодного газа 40°С. Это обеспечивает дополнительное снижение температур обмоток на 25—28°С и соответствующее снижение токовых потерь. Анализ сезонных изменений температуры циркуляционной воды показывает, что длительность таких режимов колеблется от 2 до 5 месяцев в году (в зависимости от географического расположения электростанции и ее водных ресурсов).

Для турбогенераторов серий ТВВ и ТГВ с водяным охлаждением обмоток статора кроме снижения температуры охлаждающего газа целесообразно также и одновременное снижение температуры охлаждающего эти обмотки дистиллята. Это обеспечивает минимальный температурный перепад между обмоткой и активной сталью статора, а следовательно, и минимальное относительное перемещение. Одновременно это способствует снижению потерь в обмотке статора. Регулирование температуры дистиллята осуществляется в теплообменниках регулированием расхода и температуры охлаждающей технической воды.

Выводы. Максимальный КПД генераторов в процессе эксплуатации обеспечивается при соблюдении следующих условий: оптимальном для данного генератора давлении охлаждающего газа; чистоте водорода 98,5—99%; минимальном содержании водяных паров в охлаждающем газе; минимально допустимой по условиям конденсации влаги в охладителях и работы изоляции температуре охлаждающей воды.

Азбукин Ю. И., Повышение эффективности эксплуатации турбогенераторов. — М.: Энергеатомиздат, 1983