СкверНЯк {ẁẃ} (ermiak) wrote,
СкверНЯк {ẁẃ}
ermiak

Categories:

Большое малогидроэнергетическое. Электрика.

Продолжаю подготовку к поездке и знакомство с конструкциями электростанций.

Строительство - штука несправедливая. Шанс создания по-настоящему авторского проекта выпадает очень редко. Такого проекта, чтоб и через поколения обычный горожанин показывал гостю: "смотри, это мост Отакецкого". Куда чаще приходится проектировать не менее сложные и не менее нужные, но, увы, однообразные сооружения. И в лучшем случае старания архитектора запомнят "таким-то стилем" или "такой-то эпохой", а в худшем - еще и обзовут метким и неприятным прозвищем, напроч забыв, в каких условиях приходилось работать. К чему это я? Колхозная ГЭС - это тонкое издевательство над чувствами амбициозного архитектора. В эпоху, когда все глаза смотрят на тот же Днепрогэс, на новаторские "соцгорода", на вводимые в работу заводы-гиганты - ну, хорошо, что не коровник. вот вам динамка на ремне от мельницы, отвалите и не мешайте пить. Но если взглянуть повнимательнее - она же дает возможности, которых лишены архитекторы крупных проектов. Лишены не только ресурсами, но и самой природой.

Да, здесь смешные (часто) напоры и небольшие мощности. Но зато широчайшее пространство для идей.

Каменная плотина? Можно. Бетон? Тоже вариант. Дерево? И из дерева можно. Даже без единого гвоздя. Маленький Днепрогэс со струями по всем лоткам? Или поток в водобойном колодце? Какой формы? А машзал? У плотины или подальше? И так далее




-Видел когда-нибудь такие плотины?
-Они построили плотину, но она не поместилась и ее сжали в гармошку?
-Ну, в целом именно так и было. Нужна была длинная плотина, но она не поместилась и ее построили гармошкой.
-ЗАЧЕМ?
-ВОДОСБРОС! Плотина переливная. для заданных объемов водосброса она должна быть вот такой длины. Днепрогэс вон тоже не поместился - видел, как скрутило?:)


Так вот, на большой ГЭС подобная форма просто невозможна - даже очень прочная плотина не выдержит. Но здесь прочности бетона хватит для такой необычной формы. И примерно так обстоят дела со всеми компонентами маленьких станций. Поэтому они даже более разнообразны, чем большие. Вот и посмотрим, из чего же они состоят.



Без чего не может быть гидроэлектростанции? Без плотины? Может! Без турбины? Тоже бывают! Вот без генератора тяжело. Говорят, солнечные научились делать на прямом преобразовании и термоэлектро - но на смешные мощности. Кажется, можно и с водой так, например, МГД-генератором, но есть проблема: Во-первых, вода электропроводна разве что по сравнению с деревом, а во-вторых, требуются основательные скорости потока и магнитные поля... в общем, даже коммунистам такая генерация не далась. Пришлось пользоваться доступными решениями, а они почти все, по крайней мере, концептуально, уже были известны.


Собственно, во-первых, любая электрическая машина (а генератор - это электрическая машина) сводится к единому принципу: "катушка вращается в магнитном поле". Ну или наоборот - в зависимости от того, что конструктору генератора удобнее вращать. Принцип один, а вот реализации его разнообразны.


А во-вторых, электрические машины обратимы. [Чего?]В нашем случае, если подключить генератор к внешнему источнику электроэнергии, он перейдет в режим двигателя. И наоборот, если вращать любой электродвигатель, он может перейти в режим генератора. По обоим пунктам есть куча тонкостей, но в целом дела обстоят именно так. Почему же существуют отдельно двигатели и отдельно - генераторы? Потому, что специализация. Генератор будет согласован по оборотам и мощности с турбиной, рассчитан под климатические и другие условия, снабжен необходимыми датчиками и контурами управления, оснащен возбудителем или самовозбуждением (потом, потом), может иметь маховик для стабилизации частоты и т.п. Двигатель тоже рассчитан под свои условия, может иметь другую конфигурацию магнитного поля, какие-нибудь пусковые обмотки, ну и обороты у него далеки от выдаваемых турбиной. Тем не менее, для малой гидроэнергетики возможность подобной конверсии очень важна потому, что специализированные гидрогенераторы стоят очень негуманно и зачастую требуют еще и высокого инженерного уровня самой станции. Двигатели в этом смысле намного доступнее, а сотню-другую киловатт можно передать простым ремнем.



Итак, электрические генераторы. Здесь я обойдусь без картинок; внешне они все равно похожи, а вот в сборе гидроагрегата с турбиной и обвесом - покажу, там хотя бы компоновка и размеры меняются. Вот и полюбуемся.



Генераторы на постоянных магнитах (устар. - "магнето"). Исторически первые и получившие популярность в последнее время. Но так и не ставшие "альфой и омегой":)


[+/-]
+ Очень просты и надежны.

+ Способны работать полностью автономно.

+ Нет расходников.

- Мощные постоянные магниты появились недавно.

- Относительно дороги

- При большой мощности сложны в обслуживании из-за сильного магнитного поля

- Абсолютно неуправляемы; единственная возможная регулировка - частота вращения вала.



В энергетике долгое время были на вторых-третьих-энных ролях; современный рассвет генераторов на постоянных магнитах связан с появлением "Двойного Преобразования", в смысле мощной силовой электроники, позволяющей выпрямить сгенерированный ток любого качества и потом инвертировать его в идеально-стандартный. Это сильно снижает КПД электростанции, но также снижает и требования к инженеру, из-за чего популярно среди пионеров и приравнянных к ним по уровню бестолковости.





Генератор постоянного тока (устар. - "динамо"). Ранее - основа энергетики; после проигрыша войны токов - вспомогательные машины для возбуждения основных генераторов.


[+/-]
+ Способны выдавать большие мощности.

+ Способны работать совместно.

+ Управляемы изменением тока обмотки возбуждения.

+ Способны запускаться автономно.

+ Значительная часть силового оборудования работает на постоянном токе.

- Сложный и требующий квалифицированного обслуживания коллектор.

- Весь ток нагрузки идет через коллектор и щетки (через подвижный контакт; если коротко, то это сложно и неудобно).

- Генерирует радио и сетевые помехи.

- Регулярная замена щеток.

- Постоянный ток сложно трансформировать для передачи.


Для динамо-машин эра в большой энергетике закончилась. Сложный и требовательный коллекторный узел по нынешним временам - приговор, а без него генератор превратится в генератор переменного тока:)
Последние уцелевшие экземпляры могут встретиться на очень старых электростанциях в качестве вспомогательных машин и на старых производствах в качестве генераторов для мощных машин постоянного тока.

Здесь я сделаю исключение - Динамо-машины все-таки своеобразная техника.



Это НЕ гидрогенератор. Но гидрогенераторы постоянного тока были похожи. Это генератор для питания тяговых двигателей постоянного тока. Мотор-генератор, если точнее. "Умформер" на стероидах. Несмотря на завершение "войны токов", большинство управляемых и все глубоко управляемые двигатели работали на постоянном токе. И управлялись мотор-генераторами разного размера - аж до совсем недавних лет, когда появилось ... естественно, Двойное Преобразование. Так что это - живое ископаемое, практически.





Синхронный генератор переменного тока (устар. - "альтернатор"). Собственно, альфа и омега современной большой энергетики, а также наиболее мощной части малой.

[+/-]
+ Относительно простые (нет коллектора; через щетки передается только ток возбуждения, а это от 0,2 до 5% мощности - для генераторов именно малых ГЭС).

+ Способны выдавать большие мощности.

+ Способны работать совместно.

+ Управляемы изменением тока обмотки возбуждения.

+ Вся большая энергетика работает на переменном токе.

- Требует точной стабилизации напряжения и частоты

- Регулярная замена щеток.

- Могут генерировать радиопомехи.

- Не может запуститься сам; требует внешнего возбуждения. То есть, на ротор нужно подавать постоянный ток (“ток возбуждения”), который раньше генерировался прицепленной к агрегату или отдельно стоящей динамо-машиной. Понятно, что сейчас вариантов гораздо больше. Но проблема необходимости дополнительного источника постоянного тока остается.




Несмотря на все свои преимущества, в малой энергетике роль "альтернаторов" не столь однозначна. Понятно, что на мегаваттных мощностях альтернатив нет (а вот комплектные гидроагрегаты с обвесом и системами управления - есть!), но вот на меньших - вопрос становится сложным. Сложность управления, сложность самой системы и требования к квалификации персонала сильно превышают полезный эффект от всей станции:) Так что многие предпочли бы агрегат с кнопкой "Работай!" и лампочкой "Работаю!" (и почему мне эхом слышится "Двойное Преобразование"?..)




Асинхронный генератор (устар. - “индукционный”). Популярность получил совсем недавно; незадолго до появления мощных магнитов и с тех пор делит нишу до-мегаваттных мощностей с генераторами на постоянных магнитах. Самый примитивный и самый неоднозначный.

[+/-]
+ Очень простой, дешевый и надежный.

+ При работе "на энергосистему" не требует вообще никакой стабилизации (!!!!!)

+ Может быть частично управляемым при наличии "фазного ротора" (используется в мощных агрегатах)

+ Может запуститься сам без внешнего возбуждения.

+ Может быть изготовлен из доступного асинхронного двигателя (буквально подножного).

- Отвратительные характеристики при автономной работе. Возможно, худший из существующих генераторов.

- Требует огромных и мощных конденсаторных батарей для самозапуска и для компенсации просто чудовищного потребления “реактивной мощности” из сети. Если вкратце, это очень неприятно энергетикам - у них и так подобных потребителей больше половины.

- При работе "на энергосистему" стабилизируется за счет этой самой энергосистемы. То есть, энергосистема должна быть намного мощнее всех асинхронных установок, вместе взятых.



Генератор-мечта для "зеленого тарифа". Не нужны никакие сложные затворы и управляющие лопатки, никакие электрогидравлические регуляторы - достаточно просто поднять лебедкой затвор, пустить воду в турбину - и ток пойдет. Вот для автономной работы все намного неприятнее; нагрузочные характеристики у асинхронника даже не "печальные", а "крайне депрессивные". Но Двойное Преобразование всегда готово придти на помощь!:)



В силу небольшой мощности, на малых ГЭС можно встретить любой из генераторов, но в целом можно примерно разделить так:
Более мегаватта - в основном синхронные гидрогенераторы.

Менее мегаватта - синхронные гидрогенераторы остаются в более мощном сегменте, но здесь их начинают теснить как универсальные синхронные генераторы (в том числе дизельные, транспортные и т.п.), так и асинхронные (из трехфазных двигателей) и с постоянными магнитами (в основном - специально изготовленными в генераторном исполнении).

Менее 100 киловатт - асинхронные генераторы и генераторы с постоянными магнитами вытеснили все альтернативы.

Микро и нано-мощности (единицы и десятки киловатт мощности) - генераторы на постоянных магнитах; иногда - в виде готовых капсульных или контейнерных решений; часто - конверсионные из электромоторов; иногда - асинхронные, тоже из электромоторов. Но это уже конструкции для канала “из говна и палок”.






Генератор нужно вращать и обычно это делается турбиной. Можно, конечно и водяным колесом, которое тоже можно признать "турбиной курильщика", но в основном используются все-таки полноценные турбины.

Ну, во-первых, пропеллерные или "полуКаплан". Они используются на напорах до 60 метров (а это два Днепрогэса, если что). Очень простые и напоминающие даже не слишком большой вентилятор. Эффективны только в узком диапазоне скоростей и расходов воды. Неуправляемы Управляются внешними заслонками и не требуют сложных форм агрегата, за что и любимы.




Пропеллерная турбина на 330 КВт


Поворотно-лопастные или "Каплана". Та же пропеллерная, но с системой управления углом атаки лопастей, что сильно повышает эффективность турбины. Очень популярны в большой энергетике и очень дороги для малых ГЭС. Хотя и встречаются иногда.



Диагональные турбины - вариант поворотно-лопастных для больших напоров. Примерно от 40 до 200м. Все еще дороги:)




Радиально-осевые, или "Френсиса". Здесь смысл в том, что вода входит в турбину сбоку и выходит вниз. Требуют сложного направляющего аппарата с поворотными лопатками, "улитку" и прочие сложности. В большой энергетике ставятся на напоры от 50 до 700м, но в малой могут встречаться и на трехметровой дамбе.



Тут есть хитрость: если механику лопастей на резинке от трусов не сделаешь, то "улитку", направляющий аппарат и все остальное можно сделать из чавуния без единого шарнира.






Ковшовые или "Пельтона". Вариант водяного колеса на максималках. В малой энергетике встречаются на горных ручейках с малым расходом (меньше кубометра в секунду) и напором от сотни метров. И это совсем не мало!







Двукратная турбина или "Банки". Радиально-осевая турбина похожая по форме на радиально-осевую, питаемая струей, как ковшовая. Выглядит противоестественно и, в общем-то является таковой. Но может встречаться, ибо неисповедимы пути инженера.













Естественно, в природе, особенно рекламируемой производителями готовых решений "под ключ" и колхозными орочьими мекбоями встречаются и другие виды типа "вихревых", "свободнопоточных", "шнековых" и т.п. Но их удел - это даже не микро, а наномощности "на моторе от станка" или с электромопеда. Нормальная малая энергетика плотно сидит на пропеллерных и радиально-осевых турбинах.

Напор, расход и турбина между ними. Собственно говоря, это все, что нужно, чтобы закрутить генератор. И здесь все просто. Мощность турбины прямо пропорциональна Напору, Расходу и "жэ", которое от усилий инженера не зависит. То есть, чем больше воды протекает через турбину и с чем большим напором, тем лучше. Теоретически. А на практике именно малых ГЭС - все выглядит интереснее.

Это станция на реке Волчья. Нельзя сказать, что слишком глубокая и широкая, но речка. И плотина метра в 3. 120 КВт с одного агрегата.




А это - станция на реке Капустянка. Две трубы по метру - вот и весь расход. Но напор - метров 30. 600 КВт.



Просто? Просто. Для пионерских электростанций этого достаточно. Для колхозной этого уже мало. Потому, что дальше начинаются сложности. Потому, что турбина мало того, что должна показывать хороший КПД (или хоть какой-нибудь - для малой ГЭС). Она еще и должна не разлететься на резонансах во время разгона и работы на всех расходах. И по возможности она должна хоть как-то противостоять вечному бичу гидромашиностроителей - кавитации.
[Spoiler (click to open)]

На какой-то скорости вращения турбины вода попросту закипает при низкой температуре, пузырьки пара появляются и схлопываются с огромой частотой и локальными давлениями ударных волн в сотни атмосфер. Короче говоря, чавуний попросту разъедается - и это не зависит, Саяно-шушенская это ГЭС или Поперхуевская межколхозная. И борьба с кавитацией - сложная работа на стыке математики для расчета формы турбины, технологии для изготовления этой формы (вот здесь маленькую еще можно изготовить, а вот с большими - такие станки ГПС-датчиками оснащаются:), материалов и инженерных решений, в том числе и самой ГЭС.





А теперь собираем вместе! Гидроагрегат.

Типичный гидрогенератор представляют в виде такой круглой бочки, торчащей из пола машзала. Нельзя сказать, что это неверно; абсолютное большинство мощных гидрогенераторов выглядят именно так.
Да и в "больших малых" ГЭС тоже очень похоже. Это "подвесные" или "зонтичные" генераторы (в зависимости от размещения опорных подшипников) с низкоскоростным синхронным генератором. Сверху может еще стоять динамка возбудителя

Вроде бы, актуальный (ни новым, ни современным его назвать нельзя) Корсунь-Шевченковской станции




Генератор Яворской станции


Генератор Сандракской станции. Сбоку видна машинка возбудителя.


Такое исполнение упрощает конструкцию и увеличивает общую прочность и надежность агрегата. Но на мощностях меньше мегаватта подобные генераторы становятся слишком дорогими. Во-первых, они большие. Даже маленькие они большие. Во-вторых, они требуют сложное устройство шахты турбины и отсасывающей трубы. Да и само здание в несколько этажей. А может быть, еще и "улитки" (для френсиса), а это уже сварные и-или бетонные работы, которых хотелось бы избежать.





Ну и в-третьих, их попросту мало несмотря на все усилия советской промышленности. Поэтому даже на вертикальной турбине в малых ГЭС ставятся небольшие и быстроходные генераторы. Например, так (Гальжбиевская).



Или так (Лоташовская).



Но еще чаще турбина (пропеллерная, да, хотя радиально-осевая тоже может быть - в монолитной чавунной улитке) ставится горизонтально и к ней цепляется генератор - хоть синхронный, хоть асинхронный, хоть с постоянными магнитами, хоть вообще с дизель-электростанции. Здесь конструкция намного проще и доступнее. И сложные работы по обустройству шахты или "улитки" попросту не нужны.

Старый генератор все той же Корсунь-Шевченковской


Коржовская


Лысянская

Маховик нужен для сглаживания колебаний частоты. Массы небольшого генератора явно не хватает.

Васильковская


И заброшки






Турбина может быть и "капсульной" - заделанной в один агрегат с генератором в виде готовой герметиченой капсулы и, говорят, такие даже встречаются, но опять же, для небольших станций подобное решение зачастую сложно и дорого. Проще поставить агрегат, собранный в морском контейнере:)


Или вот еще вариант - сифонный агрегат, навешиваемый на любой перепад от водохранилища до отстойника. Система недорогая и простая, хоть и дурная по сути.



Не только мотор можно превратить в генератор! Центробежный насос тоже может стать гидротурбиной! Да, ожидаемо, не слишком хорошей гидротурбиной - зато готовой и отработанной! Естественно, такой режим авторы насосов не рассчитывали и характеристики получившейся гидротурбины определятся только натурным экспериментом. Для серийных насосов в 50-60 такие эксперименты даже заносились в таблицы и номограммы, но в целом - все в руках инженера.



То есть, в предельном случае гидрогарегат может состоять из турбины с насоса, трехфазного двигателя и заслонки, чтобы подать туда воду. Ну и нескольких клиновых ремней, проводов, рубильников и показометров, чтобы связать это в единый агрегат.



Турбинами и генераторами нужно еще и управлять. И можно было бы еще и эту тему смотреть, но увы, уже в советское время стало понятно, что простые электро-механо-гидравлические регуляторы допустимы только для нагрузки типа "электролампочка". А сложные, как на настоящих станциях - дороги и требуют прямых рук. И вообще, будущее - за электронным управлением. А с ним скучно. Тем более, если одна заслонка используется и как затвор, и как управляющий орган. В смысле, сложная механика управления, конечно, есть - на мощных агрегатах, где можно разориться на полноценную систему управления. Но для небольших, в сотни киловатт станций - ну хорошо, если затвор будет более-менее тонко управляемым - а может быть и вообще "пуск" и "стоп" ведь.

Впрочем, один "способ регулирования" я опишу. Дело в том, что ГЭС может работать в разных режимах. Может сливать весь рабочий объем водохранилища в час пик, может работать "по требованию", выдавая в сеть столько энергии, сколько запросили (сбрасывая лишнюю воду в водосброс), а может выдавать столько, сколько воды притекло - "по уровню". В общем-то все просто - держать уровень водохранилища, сливая воду в турбину. Пока не выясняется, что станция маааленькая, работает на отдельную нагрузку, а полноценного регулятора не завезли. Так вот, у электронщиков есть такая штука - КРЕН зовется. Или "эЛэМ". Смысл в том, что он стабилизирует выходное напряжение простейшим способом - сжигая "лишнюю" (выше нормы) энергию на нагрев. А теперь представьте себе такой регулятор на электростанции:) Да, поток в турбину, энергия на нагрузку, а все лишнее уходит на нагрев воды. Зато можно регулировать точно, быстро и, самое главное - просто. Намного проще акробатики с управляющими заслонками и затворами водосброса. И намного лучше заталкивания несчастной пропеллерной турбины в неэффективный диапазон, который у нее занимает почти все возможные обороты.



Дальше самое большое и дорогое - напорные сооружения и прочее капитальное строительство.
Tags: техника
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 10 comments