Стабілізація та регулювання гірляндних ГЕС

Скорость свободного потока па большинстве рек от паводка к межени меняется весьма резко, особенно на участках с малыми уклонами; она возрастает и после выпадения осадков. На перекатах и участках со значительными уклонами (более 0,5%), там, где ме­женные скорости составляют более 1 м/сек, паводковая скорость увеличивается не столь резко по сравнению с меженной, обычно на 30—40% (средняя скорость по глубине).

Нашими измерениями скорости на одном из таких створов на р. Москве, 400 м выше деревни Петрово, обнаружено, что донный слой воды толщиной 300—400 мм практически даже не изменяет скорости течения между весенними и меженными замерами (рис.22). Эти замеры сходятся с гидрологической практикой замеров на дру­гих створах. Установки на поперечных турбинах при работе «на по­гружение» не требовали никаких стабилизирующих устройств по скоростному напору. Режим «на погружение» — выгодный режим работы гирляндных ГЭС. В этом режиме на том же створе гирляндные ГЭС на поперечных турбинах дают большую на 30—40% мощ­ность, чем в режиме «на плаву», при условии мелких створов с глу­биной менее 0,7 м и ровном дне.

Замеры скоростей в створе 600 м выше деревни Петрово

Однако могут встретиться случаи, когда гирлянды из попереч­ных турбин должны работать «на всплытие». Этот случай может быть, например, на южных реках, когда дно имеет резко выражен­ные неровности в рельефе. В этом случае при использовании гир­ляндных установок можно ограничиться весьма простыми регули­рующими устройствами. Например, в насосных установках достаточ­но установить в магистрали за насосом клапан на рабочее давление магистрали. Тогда вне зависимости от повышения скорости потока в магистрали будет постоянное давление. Весьма просто решается вопрос и при использовании генераторов постоянного тока, могущих быть снабженными стабилизаторами напряжения, которые вне зави­симости от оборотов генератора и нагрузки в заданных пределах поддерживают напряжение. Здесь хороша система Езерского, кото­рая используется для автономного освещения железнодорожных вагонов. Хорошее решение стабилизации напряжения дал О. Е. Гле­бов: в его генераторах якорь выдвигается из статора центробежным регулятором. Такие установки рационально использовать для быто­вой нагрузки.

Так как мощность поперечных турбин зависит от куба скорости, то даже снижение рабочей скорости потока на 20% может вызвать снижение мощности ГЭС почти в 2 раза. Это вызовет падение обо­ротов, если нагрузку не снизить в 2 раза. Без проведения специаль­ных мероприятий не приходится думать о получении качественной гарантированной электроэнергии. Это обстоятельство, пожалуй, было одним из основных препятствий к внедрению свободнопоточных ГЭС. Например, отсутствие эффективных стабилизирующих устройств заставило прекратить, испытания кубанских свободнопо­точных ГЭС (1930 г., Наркомзем). Эти станции работали в припо­верхностном слое воды. В технической литературе неизвестно ни одной свободнопоточной установки, снабженной стабилизатором обо­ротов.

Стабилизация скорости вращения генератора на гирляндных установках может быть осуществлена, например, на следующих принципах:

1. Работа стабилизирующих устройств за счет изменения крутя­щего момента гирлянды.

2. Работа стабилизирующих устройств за счет изменения натя­жения троса гирлянды при колебаниях скорости ‘потока.

3. Работа регулирующих устройств, реагирующих на отклонения оборотов генератора свыше допустимых пределов.

Для мелких установок мощностью до 1 кет стабилизацию ско­рости вращения генератора в заданном диапазоне скоростей потока можно вести вариаторным фрикционным редуктором [Л. 4]. Такой стабилизатор весьма прост по конструкции. Имеется и другой вид стабилизатора [Л. 4], отбирающего избыточную мощность гирлянды на привод шестеренчатого насоса. Этот вид стабилизатора может быть использован в тех случаях, когда необходимо одновременно с освещением вести водоснабжение объекта потребления. Такой вид стабилизатора можно использовать и в виде аккумулятора гидравли­ческой энергии в часы пиковых нагрузок по освещению. Имеется способ стабилизации нагрузки включением в сеть балластного электродвигателя, потребляемая мощность которого меняется в зависи­мости от нагрузки сети. Мощность этого электродвигателя также может быть использована для водоснабжения.

Воздействия в широком диапазоне разновидностей гирляндных ГЭС могут быть осуществимы, например, следующими устройст­вами:

1) вариационной передачей [Л. 4];

2) центробежным регулятором на валу генератора, воздейст­вующим на тормозное устройство на валу генератора;

3) при помощи привода с электромагнитными муфтами сколь­жения.

4) гидравлическим регулятором при редукторе оборотов [Л. 4];

5) гидродинамическими муфтами на тросе рабочей гирлянды;

6) электрическим способом, путем погружения водяного реоста­та или регулированием тока обмоток генератора или включением в сеть генератора балластного электродвигателя. Могут иметь место и другие принципы и методы воздействия и сочетания этих спо­собов.

К сожалению, почти все указанные способы еще «е нашли кон­структивного разрешения. Исключением являются приводы с элек­тромуфтами скольжения. Такие приводы выпускаются, например, Харьковским совнархозом (завод «Электростанок») «а мощность от 0,2 до 4,5 кет при 1 500 об/мин. Эти «приводы с асинхронными муф­тами скольжения серий ПМС и ПСМЗ» разработаны ВНИМС и НИИ Древмаш. Приводы такого же типа авторегулируемые, разра­ботанные в других отраслях, применяются в текстильной промыш­ленности, в металлорежущих станках, экскаваторах, дизельных уста­новках и т. д. Диапазон мощностей, на котором в настоящее время работают такие приводы, начинается с муфт на десятки ватт и кон­чается тысячами киловатт (для электровозов). Этот привод в гир­ляндных установках универсальный. Он позволяет выдерживать ско­рость вращения генератора до ±l,5%, несмотря на изменения ско­ростного напора и электрической нагрузки.

Схема стабилизации ГЭС с электромагнитной муфтой скольжения. Стабилизатор выполнен на .береговой опоре тремя агрегатами (рис. 23), муфта скольжения 3, центробеж­ный контактный регулятор скорости вращения 4 с ручной настрой­кой скорости вращения 5 и пригенераторной коробкой, включающей: трансформатор ТПБ-100 (ТПБ-200) 380/36 v или 220/36 у, селеновый выпрямитель типа АВС-60-38 или АВС-60-41, проволочное сопротив­ление ПЭВ-К-30, (30 вт, 150 ом) и сопротивление типа ВС (5 от, 15 ком).

Схема генераторной опоры со стабилизирующей муфтой скольжения

Центробежный регулятор в случае привода ПМС включается через шкивную передачу с передаточным числом 1=2; в этом случае обеспечивается жесткость регулировки выпускаемой конструкции в диапазоне 170—1 350 об/мин для ведомой части муфты. В нашей схеме при непосредственном подсоединении центробежного регуля­тора скорости к валу генератора его рабочий диапазон начинается от 350 об мин и заканчивается 2 700 об/мин вала генератора. В ос­новном на гирляндных ГЭС почти все генераторы работают как раз в этом диапазоне оборотов.

Трос гирлянды / (рис. 23) подсоединен к редуктору 2, от вы­ходного вала которого через скользящую муфту 3 и приводится ге­нератор 6. К хвостовику вала генератора подсоединен центробежный регулятор 4. Пусть центробежный контактный регулятор отрегулиро­ван на скорость вращения п об/мин, а выходной вал редуктора имеет под нагрузкой п₁ об/мин, причем п₁>п. Как только генератор достигает скорости вращения п, контакты центробежного регулято­ра размыкаются.

Электрическая схема такого стабилизатора состоит из двух це­пей. Цепь, питающаяся от двух фаз сети, включает регулируемое со­противление С₁ 150 ом (на 30 вт), первичную обмотку понижающего трансформатора, например (если сеть 220 v) 220/36 v и постоянного сопротивления С₂ (15 ком на 5 вт); в эту же цепь включен и цент­робежный регулятор 4. При замыкании контактов центробежного ре­гулятора (он настроен на скорость вращения п об/мин) цепь замы­кается напрямую, минуя сопротивление С₂. По цепи проходит макси­мальный ток возбуждения, который может быть подрегулирован реостатом С₁ При размыкании контакта центробежного регулятора вследствие значительного сопротивления цепи за счет сопротивле­ния С₂ сила тока в цепи будет многократно меньшей. Вторичная об­мотка трансформатора, обычно на 36 v, плечами подключена к вы­прямительному контуру, например селеновому, один из свободных концов, контура заземлен, а с противоположного снимается потен­циал на возбуждение электромагнитной муфты. Ток возбуждения передается через кольцевой коллектор. Обмотка возбуждения муф­ты по этой схеме также заземлена, т. е. цепь возбуждения замкнута через корпус.

Работа регулятора (по схеме рис. 23) происходит таким обра­зом. Как только обороты генератора упадут ниже n₁ (на 0,5—1%), контакты центробежного регулятора замкнутся, трансформатор на­ведет максимальный ток в цепи вторичной обмотки и на обмотку электромагнитной муфты будет подано полное возбуждение. Про­скальзывание муфты будет минимальным, а потому обороты генера­тора начнут расти. Как только скорость вращения генератора пре­высит п об/мин, контакты центробежного регулятора разомкнутся.

Сопротивление цепи первичной обмотки подобрано так, чтобы генератор мог вращаться на рабочих оборотах лишь на холостом ходу; поэтому при рабочей нагрузке с включенным в цепь С₂ обо­роты начнут падать до тех пор, пока контакты центробежного регу­лятора не замкнутся. Регулировкой сопротивления С₁ можно добить­ся срабатывания контактов в каждый период, через период, через два периода генератора и т. д., так что при этом типе стабилизации частота остается практически постоянной. На рис. 24 мы приводим типовую характеристику n=f(M_Kp) установки с муфтой скольжения и регулятором скорости.

Образцы характеристик муфт скольжения с регулятором скорости

Принятая схема стабилизации имеет следующие достоинства:

1. Данная схема дает возможность не брать излишних аварий­ных запасов прочности при работе тросов на скручивание, так как излишний момент сбрасывается муфтой.

2. Дает возможность при надобности отключить генератор, сняв возбуждение с муфты.

3. Позволяет осуществлять довольно точную стабилизацию по частоте ±1,5%, что на малых установках другими способами пока недостижимо.

Для поддержания постоянного напряжения при растущей на­грузке в сети можно использовать блоки компаундирования, кото­рые обеспечивают автоматическое регулирование напряжения в пре­делах 100±5% от нормального значения при изменении нагрузки от О до номинальной величины и гори значениях коэффициента мощно­сти от 1 до 0,8.

При необходимости более точного регулирования напряжения к генератору можно придать блок корректора, который обеспечи­вает автоматическое регулирование напряжения в пределах ±2%. Такие блоки выпускаются с генераторами Ереванским заводом элек­трооборудования. Их цена составляет в среднем 9—12% от цены генератора, например на генераторе ЕС-52-4 сф блок имеет габари­ты 65X365X200 и установлен над генератором. Этот генератор имеет мощность 5 квт при 1500 об/мин; v = 230 v. Это не единствен­ная установка стабилизации напряжения для передвижных станций. ХЗМЗ выпускает генераторы, собранные по схеме Юдицкого, обес­печивающей постоянство напряжения, даже при включении и до 80% моторных мощностей.

Стабилизация балластной загрузкой. В ряде слу­чаев, когда число потребителей электроэнергии весьма ограничено, например 2—4, а также мощность, потребляемая каждым из по­требителей энергии в процессе работы постоянна, можно пользовать­ся балластной схемой регулирования оборотов. При такой схеме стабилизации с вала редуктора мы должны снимать на генератор постоянный крутящий момент, т. е. при любом скоростном напоре потока pv²_i/2 где v_i—скорость потока, крутящий момент на входе в редуктор, начиная с расчетной скорости v_p, должен быть по­стоянным.

Крутящий момент растет квадратично с увеличением скорости, нам же необходимо иметь n-const, т. е. на тросе или у генератора должна быть муфта постоянного момента, которая могла бы сбро­сить лишний момент. Ее лучше иметь между редуктором и генера­тором, так как в случае многогирляндной ГЭС такое устройство не надо ставить ;на каждой гирлянде.

Балластная схема включения нагрузки дается нами на рис. 25.

Схема стабилизации оборотов балластной нагрузкой

• ← Техніка безпеки при працюючих гірляндних установках
• Опис енергетичних установок →