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.
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.
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).
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.
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:
1.5. 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:
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/см 2 ) – 97%;при давлении 196 кПа (2,0 кгс/см 2 ) 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/см 2 ) 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.
Никто пока не комментировал эту страницу.