Особенности проектирования турбогенератора для АЭС и автоматизация электромагнитных расчетов - Статья

Рассмотрим особенности проектирования и конструкции таких турбогенераторов на примере четырехполюсного турбогенератора мощностью 1 000 МВТ серии ТВВ, в сравнении с двухполюсным равной мощности и такой же системы охлаждения. Обычно стремятся активную длину машины в четырех-и двухполюсном исполнении сохранить достаточно близкой [2], и тогда при том же коэффициенте использования машины, диаметр расточки статора четырехполюсного турбогенератора должен быть в раза больше, чем у двухполюсного, (1) где - диаметр расточки статора. Если предельная мощность турбогенератора будет определяться механическими свойствами поковок, а не их весом, то при одной и той же длине и одних тех же механических свойствах предельная мощность четырехполюсных турбогенераторов будет в два раза выше, чем двухполюсных. Учитывая, что высота спинки статора определяется допустимой индукцией в ней, получим, что высота спинки сердечника статора для четырехполюсных турбогенераторов будет определяться как (7) Таким образом, в четырехполюсном турбогенераторе при уменьшении частоты вращения ротора в два раза, по сравнению с двухполюсным. увеличивается в v2 диаметр расточки статора, диаметр ротора, число пазов статора и ротора.Приведенные особенности проектирования четырехполюсного турбогенератора показывают, что несмотря на уменьшение частоты его вращения в 2 раза, удается рассчитать турбогенератор для АЭС предельной мощности (1 000 МВТ), сопоставимый с двухполюсным турбогенератором по массогабаритным показателям, техническим характеристикам и повышенной надежности, что особенно важно для АЭС.

Атомная энергетика была, и будет востребованной во все времена, так как ее значение для общества велико [1]. Всем известно, к каким бедствиям может привести авария на АЭС. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что создание надежных энергетических установок на ядерном топливе сегодня вполне реально. И поэтому разработка электрических машин с наибольшей степенью надежности, является актуальной задачей, так как выход из строя генератора большой мощности во время эксплуатации на АЭС оборачивается значительными экономическими потерями для народного хозяйства.

Применение тихоходных турбогенераторов на АЭС обусловлено тем, что на АЭС вырабатывается пар с относительно низкими параметрами. Поэтому во всем мире и в нашей стране, чаще всего применяют на этих станциях тихоходные (четырехполюсные) турбогенераторы.

Особенности проектирования турбогенераторов для АЭС

Рассмотрим особенности проектирования и конструкции таких турбогенераторов на примере четырехполюсного турбогенератора мощностью 1 000 МВТ серии ТВВ, в сравнении с двухполюсным равной мощности и такой же системы охлаждения.

Обычно стремятся активную длину машины в четырех- и двухполюсном исполнении сохранить достаточно близкой [2], и тогда при том же коэффициенте использования машины, диаметр расточки статора четырехполюсного турбогенератора должен быть в раза больше, чем у двухполюсного, (1) где - диаметр расточки статора.

Их этих же соображений принимается и соотношение диаметров роторов

(2) где - диаметр ротора.

Механические напряжения от центробежных сил в роторе и бандажных кольцах пропорциональны квадрату его окружной скорости h

(3)

При принятых соотношениях (2) и (3), механические напряжения от центробежных сил в четырехполюсных роторах

(4) т.е. существенно снижаются.

Если предельная мощность турбогенератора будет определяться механическими свойствами поковок, а не их весом, то при одной и той же длине и одних тех же механических свойствах предельная мощность четырехполюсных турбогенераторов будет в два раза выше, чем двухполюсных.

С ростом диаметра ротора возрастает в два раза и его вес. Полюсное деление ? четырехполюсных машин будет равно (5)

В этом отношении должен уменьшиться и основной поток на полюс

(6)

Учитывая, что высота спинки статора определяется допустимой индукцией в ней, получим, что высота спинки сердечника статора для четырехполюсных турбогенераторов будет определяться как (7)

Поскольку величина воздушного зазора , при прочих равных условиях, пропорциональна полюсному делению , для четырехполюсных турбогенераторов будем иметь

(8)

Высота паза статора у двухполюсного турбогенератора ориентировочно составляет 0,18 D1. Для четырехполюсных турбогенераторов при сохранении высоты паза

(9)

Внешний диаметр активной стали статора равен при: 2p = 2 ; 2p = 4 ; (10)

Откуда , т.е. изменение по сравнению с практически несущественно. При этом условии вес сердечника статора четырехполюсного турбогенератора будет составлять ориентировочно

(11)

Учитывая реальное соотношение между весом ротора и статора, можно заключить, что общий вес четырехполюсного генератора

(12)

Маховый момент ротора пропорционален четвертой степени диаметра и поэтому для четырехполюсного турбогенератора .

Однако механическая постоянная T обеих машин будет одинаковой, поскольку кинетическая энергия вращающегося ротора пропорциональна квадрату скорости вращения (13)

При одинаковой в обоих случаях плотности тока в обмотке статора

(14)

Вес меди в пазовой части обмотки статора должен быть у четырехполюсной машины

(15)

Вес меди в лобовой части о6мотки статора практически сохраняется

(16)

Учитывая реальные соотношения между весом меди в пазовой и лобовой частях обмотки, для мощных турбогенераторов (1/0,5) будем иметь

(17)

При сохранении постоянной относительной площади пазов ротора вес меди ротора от активного цилиндра с внутренним диаметром составит

(18)

Отсюда следует, что плотность тока в обмотке ротора

(19)

Возможность снижения плотности тока в обмотке ротора является особенностью четырехполюсных турбогенераторов.

При одинаковом объеме тока в пазу число пазов статора в четырехполюсном турбогенераторе должно возрасти пропорционально диаметру расточки, т.е. ; при тех же условиях число пазов ротора составит

.

Индуктивное сопротивление пазового рассеяния обмотки статора можно представить в виде

(20)

Поскольку уменьшается в раза, то для будем иметь

(21)

Индуктивное сопротивление лобового рассеяния, наоборот, имеет тенденцию к снижению, так как (22) и, следовательно, (23)

Имея в виду реальные соотношения в мощных турбогенераторах , будем иметь для индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора , откуда также следует, что индуктивные переходные и сверхпереходные сопротивления будут в таком же соотношении (24)

(25)

Тенденция к увеличению индуктивных сопротивлений рассеяния является отличительной особенностью четырехполюсных турбогенераторов.

Поскольку реакция якоря и величина воздушного зазора уменьшается одинаковым способом, то о.к.з.(4) = о.к.з.(2) и .

Таким образом, в четырехполюсном турбогенераторе при уменьшении частоты вращения ротора в два раза, по сравнению с двухполюсным. увеличивается в v2 диаметр расточки статора, диаметр ротора, число пазов статора и ротора. Полюсное деление, основной поток на полюс, высота спинки статора, величина воздушного зазора, плотность тока в обмотке ротора, наоборот, уменьшаются в v2. Механические напряжения от центробежных сил в роторе и в его деталях (валу, бандажных кольцах, пазовых клиньях) уменьшаются примерно в 2 раза. При этом наружные габариты двух и четырехполюсных машин практически одинаковы (рис.1); соответственно сохраняются на одном и том же уровне, в отличие от роторов, и массы статоров.

При проектировании турбогенераторов необходимо учитывать достаточно большое количество основных параметров и характеристик, производить большие и трудоемкие вычисления, а в некоторых случаях повторять один и тот же алгоритм расчета, используя при этом разные значения определенных коэффициентов.

Задачи автоматизации

Рис. 1. Сравнительные размеры четырех- и двухполюсных турбогенераторов: 1?корпус статора; 2?сердечник статора; 3?ротор; 4?линии магнитного потока

В настоящей работе предлагается выполнять трудоемкие электромагнитные расчеты турбогенератора на ПК, используя известные языки программирования. Автоматизация таких расчетов позволяет существенно сократить время, уменьшить погрешности и исключить ошибки. При создании универсальной программы необходимо было решить следующие задачи: 1. Провести анализ данных необходимых для расчета турбогенераторов.

2. Создать алгоритм для расчета нужных характеристик, написание программы.

3. Выполнить тестирование и отладку программы.

Организация и методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: 1. Метод экспериментально-теоретического уровня: анализ алгоритма расчета тихоходных турбогенераторов для АЭС и данных для написания программы.

2. Методы теоретического уровня: формализация данных непосредственно необходимых для расчетов тихоходных турбогенераторов для АЭС.

Описание процесса автоматизации

При составлении алгоритма программы предполагается, что все основные величины, необходимые для построения характеристики холостого хода (индукции, напряженности магнитного поля, намагничивающие силы), должны быть вычислены вручную для номинального варианта значения ЭДС. Полученные в результате расчета значения индукций для отдельных участков магнитной цепи, сравниваются со значениями индукций, серийных, хорошо зарекомендовавших себя на практике, турбогенераторов. Если величины этих индукций не входят в рекомендуемые пределы, то даются рекомендации (ссылки), что нужно изменить, чтобы получить желаемый результат. Таким образом, используя метод последовательных приближений, обучающийся может «прочувствовать» на расчете номинального варианта как влияют размеры магнитопровода, размеры пазов статора и ротора, сечения проводников обмоток статора и ротора на получение требуемых величин индукций, намагничивающих сил, тока обмотки возбуждения, а также на величину коэффициента насыщения магнитной цепи.

Расчеты для остальных точек характеристики холостого хода: (0,6; 1.1; 1,2; 1.3) Ен, в том числе и построение самой характеристики холостого хода, возлагаются на ПК.

Рис. 2. Результаты расчета характеристики холостого хода четырехполюсного турбогенератора

Предлагаемая математическая модель основана на алгоритме расчета характеристики холостого хода [3]. Главная сложность заключалась в определение параметров напряженности магнитного поля по кривым намагничивания используемой электротехнической стали и роторных поковок турбогенераторов для различных участков магнитной цепи, так как необходимые данные считываются не только из таблиц, но и из графиков намагничивания. Для решения проблемы были сняты по графикам значения с определенным интервалом и затем записаны в таблицу, которую использует программа при расчетах. Значения, которые отсутствуют в таблице, вычисляются с помощью интерполяции.

Результаты работы программы

Для создания универсальной программы использован язык программирования Python. Входными данными являлись предварительно рассчитанные геометрические размеры, основные величины и электромагнитные нагрузки данного турбогенератора. Вывод результатов расчета осуществляется в виде таблицы в Excele (рис. 2).

По результатам расчетов машина строит характеристику холостого хода (рис. 3).

Рис. 3. Характеристика холостого хода четырехполюсного турбогенератора

Приведенные особенности проектирования четырехполюсного турбогенератора показывают, что несмотря на уменьшение частоты его вращения в 2 раза, удается рассчитать турбогенератор для АЭС предельной мощности (1 000 МВТ), сопоставимый с двухполюсным турбогенератором по массогабаритным показателям, техническим характеристикам и повышенной надежности, что особенно важно для АЭС.

Предложенная программа расчета характеристики холостого хода на ПК позволяет существенно сократить время на проектирование турбогенератора, повысить точность его расчетов и может быть применена не только для турбогенераторов для АЭС с числом полюсов 2p = 4, но и для турбогенераторов с числом полюсов 2p = 2 и с любой системой охлаждения.

Константинов Г.Г., Бутаков Ф.С. Современное состояние и развитие атомной энергетики в России и за рубежом. Повышение эффективности производства и использование электроэнергии в усл. Сибири/ Мат. Все-росс. науч.-практ. конф., т.2.- Иркутск: ИРНИТУ, 2016.-С. 147-149

Константинов Г.Г., Безгодов А.В. Особенности проектирования турбогенераторов для атомных электростанций. Повышение эффективности производства и использование электроэнергии в усл. Сибири/ Мат. Все-росс. науч.-практ. конф., т.2.- Иркутск: ИРНИТУ, 2016.-С. 134-137.

Константинов Г.Г. Проектирование турбогенераторов: учебное пособие.- 4-е изд., перераб. и доп.- Иркутск : Изд-во ИРНИТУ, 2016.- 312 с.

Размещено на .ru