III. Собственный расход ГРЭС

III. Собственный расход ГРЭС

Вместе с развитием и видоизменением главных схем коммутации районных станций резко видоизменились и схемы питания собственного расхода.

В первые годы строительства наших электростанций исключительно важному вопросу надежного снабжения собственного расхода и увязки его с экономикой всей установки в целом не уделяли должного внимания. Проектирование сводилось главным образом к выбору источника питания. Схемы электрических соединений собственного расхода выбирались без учета влияния их на тепловую часть станции. Выбор типа электропривода для механизмов предоставлялся их поставщикам. Станции требовали только, чтобы моторы удовлетворяли основным параметрам внутристанционной сети: напряжению, току и частоте. Все остальные существенные характеристики — конструкция, изоляция и пр. — предоставлялись на усмотрение поставщика. Вследствие этого электромоторное хозяйство наших первых станций грешит чрезмерной пестротой. Механизмы, работающие в совершенно одинаковых условиях, зачастую оказывались снабженными электромоторами различных типов. За последние 4‑5 лет проблема собственного расхода претерпела у нас полную эволюцию, отдельные фазы которой тесно связаны как с развитием самих станций, так и электрооборудования как такового.

В настоящее время электроснабжению, схемам и выбору типа двигателей для вспомогательных механизмов установок собственного расхода уделяется очень большое внимание, и эти вопросы являются одним из важнейших участков проектирования крупных электроцентралей. Это и понятно, если учесть огромное влияние нормальной работы разветвленной и сложной сети собственного расхода станции на бесперебойность ее работы.

Исторически вопрос собственного расхода развивался у нас примерно в следующей последовательности.

1. Хаустрансформаторы

Первые станции имели простейшие схемы собственного расхода. В большинстве случаев установки собственного расхода получали мощность через понизительные трансформаторы от главных или переключательных шин генераторного напряжения. С главных полос собственного расхода, которые обычно не секционировались, энергия распределялась далее системой кольцевых фидеров. Напряжение внутристанционной сети принималось обычно 3,3 кВ для крупных моторов и 380‑220 вольт — для мелких моторов и освещения. Примером подобных схем питания собственного расхода является I очередь Горьковской ГРЭС (рис. 4) или ГРЭС им. Артема (рис. 5).

Электромоторы группировались по территориальному расположению и присоединялись к разбросанным по станции групповым сборкам, представлявшим собой как бы распределительные подстанции внутристанционной сети. В зависимости от мощности и ответственности отдельных групп моторов кольцо питало одну или несколько сборок, причем для обеспечения надежности сечение кабелей выбиралось из расчета одностороннего питания всех присоединенных к кольцу моторов.

Групповые сборки выполнялись обычно из железных шкафов (типа ЯЖ), внутри которых размещались одна система полос и вся необходимая аппаратура.

В рассматриваемый период на собственном расходе станции преимущественно устанавливались асинхронные моторы с фазным ротором и пусковым сопротивлением, которым отдавалось предпочтение благодаря их небольшим пусковым токам при большом начальном крутящем моменте. К моторам с короткозамкнутым ротором относились отрицательно, и применение их было весьма ограниченно, так как на проектирование собственного расхода механически переносились взгляды, сложившиеся на практике установки моторов у сетевых потребителей.

Питание собственного расхода от хаустрансформаторов, будучи очень, дешевым, обладало, однако, эксплуатационными недостатками, ограничивавшими его применение.

Дело в том, что благодаря связи главных шин станции с шинами собственного расхода на последних неизбежно отражались все нарушения нормального режима работы во внешней сети. Эти нарушения, вследствие существовавшей тогда тенденции к замедленному отключению аварий, приводили к резким и длительным посадкам напряжения, что в условиях широкого применения моторов с фазным ротором и реостатным запуском приводило в свою очередь к отключению этих моторов. Таким образом питание собственного расхода от хаустрансформаторов при существовавших тогда условиях было мало надежно и допустимо лишь у относительно маломощных станций, работающих на неразветвленную внешнюю сеть.

По мере роста станций и их сетей вопрос надежного питания собственного расхода становился все более и более актуальным. Одновременно ухудшались условия применения хаустрансформаторов, так как развитие сетей, питающихся от станций, вызывало в тот период увеличение времени выдержки станционных реле, а благодаря росту протяженности и усложнению схем сетей возрастало количество аварий, вредно отражавшихся на работе моторов собственного расхода.

2. Хаусгенераторы

Отмеченные обстоятельства вместе с увеличением мощности собственного расхода привели к следующему этапу развития схем питания собственного расхода — установке специальных хаусгенераторов.

Установка специальных машин для питания собственного расхода в очень большой степени повышала надежность работы вспомогательных механизмов станции, так как устранялась связь с внешней сетью и, кроме того, снижалась мощность короткого замыкания во внутристанционной сети. Но этот способ требовал значительно больших начальных затрат. Стоимость энергии, потребляемой на собственные нужды, также повышалась благодаря пониженным КПД хаустурбин по сравнению с главными.

Для повышения экономичности работы хаусгенераторы снабжались иногда турбинами, работающими на противодавление с использованием отработанного пара на подогрев питательной воды. Однако ввиду различия графиков потребления пара и расхода энергии на собственные нужды и в этом случае возникала необходимость связать установки собственного расхода с главными шинами станции.

Кроме того, такая связь позволяла сильно снизить начальные капиталовложения путем отказа от резервного хаусагрегата и замены его понизительным трансформатором, связанным с главными шинами станции. Примеры подобного питания собственного расхода можно видеть на схемах Ивановской ГРЭС (рис. 6) и на схеме Штеровской ГРЭС 1931 г. (рис. 8).

В наших, советских условиях проекты расширения некоторых районных электростанций предусматривали перевод на роль хаусагрегатов мелких машин первых очередей, как это имеет место, например, на Горьковской ГРЭС (рис. 4) или на Кизеловской ГРЭС (рис. 17). Однако, поскольку мощность генераторов первых очередей в большинстве случаев, при отмеченном выше чрезвычайно большом росте первых наших станций, не совпадала с потреблением на собственный расход, возникла необходимость или отдачи или получения некоторого количества энергии на шины собственных нужд, что также лучше всего решалось путем связи собственного расхода с главной схемой.

Таким образом стремление, с одной стороны, обеспечить надежность работы вспомогательных механизмов, и с другой — возможно больше снизить начальные затраты, привело к промежуточному решению: к комбинированному питанию собственного расхода и от хаусгенераторов и от хаустрансформаторов.

Различие в эксплуатационной надежности этих двух источников питания требовало соответствующего видоизменения схем собственного расхода. Построение таких схем в этом случае основывалось на делении вспомогательных механизмов на две категории — “ответственных” и “неответственных”.

Это деление в большей или меньшей степени условно, так как по существу все механизмы станций ответственны и необходимы для ее правильной работы. Но кратковременная остановка различных механизмов по-разному влияет на работу станции. Поэтому такая разбивка лишь уточняет требования, предъявляемые к надежности питания отдельных элементов собственного расхода.

Под “ответственными” механизмами подразумеваются такие, остановка которых, хотя бы и кратковременная, резко влияет на работоспособность станции и, следовательно, недопустима.

К “неответственным” относятся такие механизмы, отключение которых на непродолжительный срок не наносит ущерба работе станции.

В соответствии с этим делением, схемы собственного расхода строились по следующему принципу.

Главные полосы собственного расхода делились на две секции — одну, соединенную с хаусгенераторами и питающую “ответственных” потребителей, и другую, питающую “неответственных” потребителей и связанную с хаустрансформаторами (см. рис. 20). Обе части соединялись между собой автоматическим масляным выключателем. В нормальных условиях этот межсекционный выключатель замкнут и связывает на параллельную работу хаусгенераторы с главной схемой. При аварии во внешней сети или на секции “неответственных” потребителей масляник мгновенно автоматически размыкается, изолируя таким образом хаусгенераторы и “ответственных” потребителей от аварийной зоны.

Описанная схема показывает лишь принцип работы. В техническом оформлении в зависимости от местных условий схемы отдельных районных станций разнятся количеством секций, конфигурацией главных полос, количеством оперативных масляных выключателей и пр.

3. “Болтающийся” хаусгенератор

Следующим этапом развития схем собственного расхода, предельно снижающим эксплуатационные расходы, но сохранившим при этом, надежность питания от хаусгенераторов, являлось применение так называемой “болтающейся турбины”.

Эта схема использована на Сталинградской ГРЭС (рис. 21).

В принципе в электрической части эта схема собственного расхода не отличается от только что рассмотренной. Основное различие состоит в применении вместо постоянно работающих хаустурбин так называемой “болтающейся турбины”, распространенной в Америке.

Эта турбина представляет собой агрегат, нормально не несущий нагрузки и работающий вхолостую. Генератор при этом используется как синхронный компенсатор. В паровую часть пропускается пар только для прогрева турбины. Нормально таким образом обе секции собственного расхода питаются через понизительные трансформаторы с главных шин станции. При падении напряжения на главных шинах “болтающаяся турбина” автоматически, в кратчайший срок, вступает в работу, межсекционный масляный выключатель размыкается, и “ответственные” потребители не испытывают перерыва в снабжении. Эксплуатация сталинградской “болтающейся турбины” дала вполне удовлетворительные результаты.

4. Вспомогательные генераторы на валу главных турбин

Совершенно другой способ снижения эксплуатационных расходов, также распространенный в Америке, принят на одной из бакинских районных станций. Этот способ заключается в применении вспомогательных генераторов, насаженных на вал главных турбин (рис. 22), и соединяет в себе надежность снабжения энергией с экономичностью ее выработки. Действительно, работая на отдельные полосы собственного расхода, в этом случае совершенно не связанные с главными шинами, вспомогательные генераторы обеспечивали достаточную надежность питания собственного расхода. Экономичность работы достигалась тем, что энергия для собственных нужд вырабатывалась главными экономично работающими турбинами.

Недостатки этого способа заключаются в усложнении конструкции главного агрегата (удлинение вала турбины) и, главное, в затрудненности параллельной работы отдельных вспомогательных генераторов.

Последнее объясняется тем, что положение вала агрегата диктуется ротором главного генератора, и, следовательно, положение вектора ЭДС вспомогательного генератора получается принудительно.

Для возможности параллельной работы необходимо, чтобы векторы ЭДС вспомогательных генераторов в точности совпадали с векторами главных машин или были сдвинуты на один и тот же угол. Но практически для нескольких машин этого добиться невозможно, и вспомогательные генераторы неизбежно дополнительно нагружаются уравнительными токами.

Это же делает невозможной параллельную работу вспомогательных генераторов с хаустрансформаторами.

В результате они не получили повсеместного распространения даже на их родине — Америке. По данным фирмы “Дженерал Электрик”, из всех турбин мощностью выше 20 МВт, установленных ею с 1923 по 1930 г., лишь 11% снабжены вспомогательными генераторами.

5. Современные принципы питания собственного расхода

Краткое рассмотрение схем собственного расхода показывает, что техническая мысль в этом вопросе, направленная в сторону удешевления источников питания при помощи специальных машин, дала сложные решения, вследствие чего питание собственного расхода все же было дорогим и эксплуатационно беспокойным. Удешевлявшая питание собственного расхода связь с главной схемой, принятая в большинстве случаев, в условиях широкого применения моторов с реостатным запуском была вредна, поскольку она переносила на работу вспомогательных механизмов последствия внешних неполадок. Было ясно, что коренное повышение надежности и экономичности возможно лишь при изменении самого подхода к вопросу и при переносе центра тяжести с питающих источников на токоприемники (моторы). Необходимо было детально изучить взаимное влияние характеристик моторов и механизмов, приводимых ими в действие, и получить новый тип моторов, не боящихся колебаний и посадок напряжений. Конструктивная разработка подобных моторов передвинула вопрос собственного расхода в новую, последнюю фазу развития.

В настоящее время разработаны и выпускаются специальные короткозамкнутые асинхронные моторы (по типу Бушеро), допускающие включение на полное рабочее напряжение и обладающие большими пусковыми моментами при сниженных пусковых токах. Эти моторы не боятся посадок напряжения и при установке на механизмах с переменным противодействующим моментом вращения, к каковым относится большинство «ответственных» механизмов собственного расхода, они лишь уменьшают число оборотов при подобных посадках и по восстановлении напряжения вновь разгоняются до нормальной скорости. Никаких нулевых реле для их защиты не требуется, а максимальные реле устанавливаются на ток, превышающий пусковой. Наличие этих моторов дало совершенно новое, прямо противоположное освещение вопросам надежности источников питания собственного расхода. Питание через хаустрансформаторы непосредственно от главных генераторов не грозило уже выпадением из работы механизмов, так как указанные моторы спокойно переносят колебания и посадки напряжения. Наоборот, применение хаусгенераторов с их сравнительно малой мощностью вредно отзывалось на разгоне моторов при восстановлении напряжения после его посадки, так как потребляемые в эти моменты пусковые токи перегружали домашние машины, вызывали посадку их напряжения, удлиняя время разгона.

В настоящее время эксплуатация ряда станций (см., например, опыты на Зуевской ГРЭС[1]) показала полную надежность работы новых моторов с хаустрансформаторами, а большое снижение первоначальных затрат и уменьшение себестоимости энергии, расходуемой на собственные нужды, при выработке ее главными машинами привели к тому, что на современных районных электростанциях Союза обслуживание собственного расхода предусматривается исключительно от главных генераторов. Благоприятные условия для этого создает также развитие высоковольтных сетей, связывающих станции между собой и позволяющих рассчитывать на безусловную возможность получения в любой момент на главных шинах мощности, требуемой для запуска станции при ее остановке, и тенденция к мгновенному отключению поврежденных участков и, следовательно, к уменьшению времени выдержки защит, выдвигаемая теперь и требованиями сохранения устойчивости параллельной работы станций.

Построение схем собственного расхода современных районных станций основывается на тщательном изучении тепловой части станции, условий работы и роли каждого вспомогательного механизма. При этом с целью предельного повышения надежности работы механизмов в схемах широко применяется принцип секционирования.

Необходимость секционирования шин собственного расхода в настоящее время не вызывает сомнений, но оно должно являться логическим следствием главной схемы станции.

Для описанных выше районных станций (тип 1) с агрегатами в 25‑50 МВт принимается количество секций, равное числу агрегатов.

Для станций, мощность которых коммутируется на генераторном напряжении (тип 2), возможны два варианта. При конденсационных турбинах число секций главных шин и собственного расхода должно быть одинаково. При теплофикационных турбинах и мощных котлах количество секций выбирается по числу котлов. Это объясняется повышенными требованиями к надежности работы котельных ТЭЦ, так как, если выпадение генератора не причиняет осложнений благодаря вращающемуся (электрическому) резерву, то выход из строя одного котла при изолированной работе ТЭЦ на внешнюю теплофикационную сеть обусловливает сброс теплового потребителя на время замены выбывшего котла резервным. Секционирование шин собственного расхода ТЭЦ по числу котлов ограничивает зону аварий при повреждениях в электрической части котельной технически возможным минимумом.

Другой особенностью современных схем собственного расхода является отказ от группового и переход везде, где это возможно, на индивидуальное питание моторов, при котором каждый мотор непосредственно присоединяется к сборным шинам и имеет свой масляный выключатель в одном центральном распределительном устройстве. Другого выключателя около самого мотора не имеется. Мотор снабжается дистанционным управлением с групповых щитков системы собственного расхода, располагаемых в соответствующих местах станции: возле котлов, в машинном зале, в насосной и т. д.

При индивидуальном питании общее количество масляных выключателей меньше, чем при групповом питании, так как отпадают масляные выключатели фидеров, питающих групповые сборки. Общее количество меди примерно одинаково для обеих схем питания, так как, хотя и отпадают групповые кабели больших сечений, наряду с этим удлиняются кабели, идущие от шин 3 кВ непосредственно к моторам.

В отношении гибкости и надежности, конечно, все преимущества на стороне индивидуального питания. Оно значительно повышает надежность работы, так как исключается выпадение целой группы моторов при повреждении питающего группового кабеля, при повреждении или осмотре групповых сборок и, главное, изъятие из тепловой части станций высоковольтной аппаратуры и концентрация ее в одном месте улучшают условия ее работы.

Типичная схема собственного расхода районной станции, отдающей всю мощность на повышение напряжения (тип 1), рисуется в следующем виде (см., например, схему Зуевской ГРЭС на рис. 19).

Питание установок собственного расхода принято от хаустрансформаторов, приключенных к каждому генератору, и от одного резервного трансформатора, присоединяемого к сборным шинам 35 или 110 кВ. Нормальное питание собственного расхода каждого агрегата с соответствующими ему котлами и прочими механизмами производится от той секции шин 3 кВ, к которой присоединен хаустрансформатор данного генератора.

Собственный расход, не связанный с работой данного агрегата и являющийся общим для всей станции, равномерно распределен между всеми секциями.

Резервный трансформатор включается на трансферную шину и помощью шиносоединительного масляного выключателя может быть соединен с любой секцией. Шиносоедииительные масляные выключатели 3 кВ на схеме не показаны.

Нормально все секции работают изолированно друг от друга, и вся аппаратура выбирается по этим условиям. Однако, учитывая возможность кратковременной параллельной работы трансформаторов на одной секции (например перевод нагрузки с хаустрансформатора на резервный), наиболее ответственные элементы оборудования (масляные выключатели, кабели) выбираются из условий параллельной работы двух трансформаторов. Достоинствами схемы являются простота, наглядность, малое количество оперативных масляных выключателей и, главное, надежность. Действительно, даже при самом тяжелом виде аварии, например при коротком замыкании на шинах или повреждении хаустрансформатора, из строя выходит лишь один генератор.

Однако при большом количестве генераторов схема приобретает отрицательные свойства, состоящие в том, что вторая система шин является запасной, трансферной, и к ней же присоединяется резервный трансформатор. Поэтому она часто может быть занята, и вследствие этого при аварии с хаустрансформатором из-за невозможности быстрого ввода резервного трансформатора могут выпасть и обслуживаемые хаустрансформатором турбины и котлы. Этот недостаток парализуется кольцеванием и секционированием трансферной шины через разъединители или устройством специальных связей между резервным трансформатором и рабочими секциями.

Все принципы построения схемы собственного расхода для станций, распределяющих энергию на генераторном напряжении, остаются те же, что и только что рассмотренные (см., например, схему собственного расхода Сталинской ТЭЦ на рис. 15). Разница состоит лишь в количестве секций и в способах включения трансформаторов. В рассматриваемом случае трансформаторы, включая и резервный, на высокой стороне присоединяются к главным шинам генераторного напряжения, чем предотвращается выпадение хаустрансформаторов при отключении генераторов.

Схемы собственного расхода сверхмощных станций отличаются количественно от схем рассмотренных типов станций. При генераторах мощностью 100 МВт и при сжигании торфа или угольной пыли полный собственный расход станции может составлять 10‑12%, т. е. около 10‑12 МВт на один агрегат, что требует установки хаустрансформаторов мощностью 15 МВ.А.

Коммутация такой мощности на одну секцию шин 3‑кВ агрегата нецелесообразна вследствие возрастания токов короткого замыкания, утяжеляющих аппаратуру собственного расхода.

Кроме того, чрезвычайно большая мощность главных агрегатов диктует необходимость дальнейшего повышения надежности. В связи с этим в ряде проектов сверхмощных станций (см., например, схему Зуевской ГРЭС на рис. 19) предусмотрено двойное количество хаустрансформаторов половинной мощности, по два на каждый агрегат, и соответствующее количество секций сборных шин 3 кВ. При выпадении одного хаустрансформатора агрегат остается в работе, но с пониженной мощностью и ухудшенным вакуумом.

Описанные типовые схемы характеризуют основные тенденции компоновки современного, правильно организованного собственного расхода.

Однако благодаря отсутствию стандартов и у современных станций можно иногда наблюдать решения, сильно разнящиеся от типовых. В виде примера можно привести опять схему собственного расхода Дубровской ГРЭС (рис. 23), целиком возвращающейся к уже пройденным этапам.

Установка хаусгенератора, деление главных шин собственного расхода всего на три секции и вытекающее из этого групповое питание моторов ни с какой стороны не могут быть оправданы на современных мощных станциях, в особенности имеющих такую надежную связь с многократно питаемой, развитой высоковольтной сетью, как Дубровская ГРЭС с сетью Ленэнерго.

Примечание:

[1] Журнал «Электрические станции» № 8, 1933.