В последнее десятилетие развитие энергетических мощностей характеризовалось приоритетным развитием малой энергетики с увеличением доли децентрализованных источников выработки электроэнергии. В США и Германии выработка электроэнергии на автономных электростанциях достигла 20-25 процентов. В России проблема ввода мощностей электростанций малой энергетики начала решаться путем реконструкции действующих или законсервированных и строительства новых гидроэлектростанций, освоения автономных электростанций на базе дизельных, газотурбинных установок и других видов нетрадиционных источников выработки электроэнергии.
В этих условиях работа, начатая ещё на заводе «Уралэлектротяжмаш» и продолжающаяся в ООО «Русэлпром-Инжиниринг» концерна «Русэлпром», в содружестве с Уральским государственным техническим университетом (УГТУ-УПИ), ОАО «Камчатский газоэнергетический комплекс» и рядом других предприятий регионов, позволила выполнить анализ ситуации на энергетическом рынке и выработать концепцию развития энергетических установок, выступающих в качестве основных, альтернативных, резервных источников электроэнергии, позволяющих обеспечить развитие удаленных районов, повысить энергетическую безопасность промышленных предприятий, муниципальных образований и гражданских объектов.
Суть разработанной концепции заключается в создании недорогих, автономных, не требующих непрерывного обслуживания комплексов по производству электрической энергии, внедрение которых решает вопросы инвестирования капитальных затрат, минимизирует эксплуатационные расходы, связанные с эксплуатацией оборудования на доступных видах топлива. Это обеспечивает надежное и бесперебойное снабжение энергией автономных потребителей и дает возможность создать альтернативное и резервное питание объектов хозяйственной деятельности регионов без значительных затрат на строительство протяженных линий электропередач.
В связи с развитием малой энергетики в России была поставлена задача обеспечить разработку и освоение экономичных синхронных генераторов для малых ГЭС с применением быстродействующих и надежных бесщеточных возбудителей.
Активно работа выполнялась в соответствии с «Программой развития и реструктуризации энергетического сектора Камчатской области», утвержденной Постановлением Правительства РФ № 1066 от 09.09.1996 года, и «Программой комплексного освоения нефтегазовых ресурсов Западно-Сибирского региона». На Камчатку за эти годы были поставлены 7 агрегатов для Быстринской, Толмачевской-1 и Толмачевской-3 гидроэлектростанций. В настоящее время в каскаде Толмачевских ГЭС на ГЭС-2 в предпусковом состоянии находятся 2 гидрогенератора мощностью 12000 кВт с бесщеточной системой возбуждения на базе СМБВ.
Последние гидрогенераторы разработаны уже в ООО «Русэлпром-Инжиниринг» и снабжены системами управления возбуждением, выполненными по последнему слову полупроводниковой техники совместно с ЗАО «НПО «Русэлпром-Электромаш», причем в отличие от первых поставок гидрогенераторы дополнительно оснащены и оригинальной системой мониторинга.
На гидроэлектростанциях в основном используются синхронные генераторы с различными системам» возбуждения. Выбор системы возбуждения определяет массу, габаритные и стоимостные показатели генераторов, что особенно важно для генераторов малой энергетики.
Широко применявшиеся ранее возбудители на базе машин постоянного тока обладают малым быстродействием, высокой себестоимостью изготовления и эксплуатации.
Поэтому им на смену пришли статические системы возбуждения, которые хорошо себя зарекомендовали и широко используются в настоящее время, имеют меньшую массу силовых элементов и достаточное быстродействие. Однако наличие силовых контактных колец на синхронных генераторах, согласующего и вольтодобавочного трансформаторов, отбор мощности на возбуждение с шин возбуждаемого синхронного генератора, низкий коэффициент мощности системы возбуждения при использовании в качестве возбудителя только согласующего трансформатора приводит к высокой себестоимости строительства и эксплуатации объектов малой энергетики.
Прогресс в области силовой полупроводниковой техники позволил освоить бесщеточные системы возбуждения, которые, в основном, устраняют недостатки статических систем возбуждения.
Бесщеточные синхронные генераторы, как правило, выполняются единым агрегатом, состоящим из генератора, вращающегося диодного преобразователя, возбудителя и подвозбудителя. При этом для обеспечения быстродействия мощность подвозбудителя должна составлять 28+30 % от мощности самого возбудителя. Для генераторов малой энергетики исполнение подвозбудителя существенно влияет на себестоимость изделия в целом. В связи с этим различные фирмы ведут поиск технических решений, позволяющих снизить эти затраты. В настоящее время для бесщеточных систем возбуждения в качестве подвозбудителя используется отдельно выполненный возбудительный трансформатор, подключаемый к сети собственных нужд, либо синхронная машина с постоянными магнитами или электромагнитным возбуждением, либо самовозбуждающийся индукторный подвозбудитель. Раздельное исполнение возбудителя и подвозбудителя, необходимость выполнения подвозбудителя с повышенной расчетной мощностью приводят к увеличению массы генераторного оборудования http://83412555525.ru/ и себестоимости строительства здания электростанции, увеличению эксплуатационных расходов.
Конкретным решением комплекса задач явилось создание комплектных энергетических установок в составе: синхронного генератора, самовозбуждающегося многофункционального бесщеточного возбудителя, системы управления возбуждением. С этой целью была разработана структура и конструкция совмещенных многофункциольнальных бесщеточных диодных возбудителей с комбинированным магнитоэлектрическим возбуждением, где проблема быстродействия решается путем применения постоянных магнитов и двух подвозбудителей параллельной или последовательной структур, нетрадиционно совмещенных в одной системе возбуждения. В крупных гидрогенераторах для обеспечения более гибкого режима регулирования мощности генераторов вместо постоянных магнитов начальное возбуждение осуществляется от дополнительного источника.
В период с 1989 по 2005 гг. на ОАО «Уралэлектротяжмаш» совместно с Уральским государственным техническим университетом проведены разработка, комплексные исследования и изготовлены первые образцы генераторов для автономных дизельных электростанций мощностью 1250 кВА. Опыт, накопленный при разработке и испытании этих генераторов, позволил усовершенствовать конструкцию бесщеточного совмещенного возбудителя, разработать ряд бесщеточных возбудителей различного назначения с токами возбуждения до 1250 А, уточнить параметры генераторов для данного возбудителя и создать ряд вертикальных гидрогенераторов для малых ГЭС.
На основе разработанного ряда возбудителей созданы и успешно эксплуатируются бесщеточные гидрогенераторы мощностью 350-11500 кВА на Правдинской ГЭС в Калининградской области, Сергеевской ГЭС в Казахстане, на Камчатке и ряде других.
Большой объем и глубина научно-исследовательских, конструкторско- технологических и проектных работ, выполненных при создании и внедрении в малую энергетику бесщеточных генераторов, а также большой опыт их эксплуатации, позволили разработать генераторы большой мощности с бесщеточными возбудителями. В настоящее время эта работа продолжается практически с тем же составом специалистов, но уже в Концерне «Русэлпром».
Освоение промышленностью силовых роторных диодов и тиристоров позволило разработать бесщеточные системы возбуждения, которые в основном устраняют недостатки статических систем возбуждения.
С 1968 г. ведутся работы по созданию бесщеточных систем возбуждения, в т.ч. на базе СМБВ.
Первые бесщеточные возбудители были разработаны и внедрены на выпускаемых синхронных компенсаторах мощностью 50, 100 и 160 МВА.
Бесщеточные синхронные электрические машины, как правило, выполняются единым агрегатом, в котором возбудитель содержит обращенный синхронный генератор, вращающийся выпрямитель и подвозбудитель.
До прекращения, фактически, электромашинного производства к 2005 г. завод «Уралэлектротяжмаш» являлся одним из крупнейших разработчиков и поставщиков гидрогенераторов различных исполнений в широком диапазоне мощностей и частот вращения. К 2005 г. более 200 гидростанций России, стран ближнего и дальнего зарубежья были укомплектованы более чем 550 гидрогенераторами.
В 50-х гг. прошлого столетия предприятием была освоена серия и осуществлена поставка гидрогенераторов для большого числа ГЭС, которые строились, главным образом, в сельскохозяйственных районах страны. В последующие годы, когда упор в экономике страны ставился на создание крупных гидростанций, предприятием были поставлены десятки уникальных гидрогенераторов мощностью до 353 МВА.
В последние годы для развития региональных объектов энергетического хозяйства предприятием были предприняты меры по удовлетворению растущих потребностей в энергетическом оборудовании малых ГЭС. Рост потребления электроэнергии автономными потребителями, развитие инфраструктуры отдельных районов, где географическое положение и финансовые возможности исключают развитие большой энергетики, требующей значительных инвестиционных вложений в капитальное строительство, привели к поиску новых форм решения энергетических проблем этих регионов. Не последнюю роль при этом сыграли и вопросы экологии, и возможность расширения сфер деятельности населения и его занятости, особенно в отдаленных районах, где ввод в эксплуатацию малых гидростанций, строящихся, как правило, в малопригодных для хозяйственной деятельности человека местах, позволяет развивать промышленность, рыбное хозяйство, решать проблемы устойчивого водопользования, орошения и других форм деятельности.
Особенно остро эти вопросы проявились в районах северо-запада России, на Северном Кавказе, на Дальнем Востоке, Казахстане и республиках Средней Азии. В этих районах администрация региона проявила наибольшую активность в области развития малой гидроэнергетики, создала предпосылки для строительства малых ГЭС и модернизации действующих, восстановления законсервированных и разрушенных.
Наличие в регионах неиспользованных возобновляемых источников энергии малых рек подтвердило целесообразность развития малой энергетики на основе малых гидроэлектрических станций, на сооружение либо реконструкцию которых требуются сравнительно небольшие капитальные вложения, доступные местным бюджетам или аккумулируемые заинтересованными организациями.
При этом обеспечивается быстрый ввод в эксплуатацию мощностей малых ГЭС при непродолжительном сроке окупаемости вложенных средств, которые могут быть реализованы с минимальными затратами.
Конструкторскими подразделениями, сначала ОАО «Уралэлектротяжмаш», а затем Концерна «Русэлпром», совместно с Уральским государственным техническим университетом УГТУ-УПИ была выработана концепция по созданию недорогих автономных гидрогенераторов на основе выпускаемых предприятием серий асинхронных и синхронных двигателей для различных потребителей.
Первые асинхронные гидрогенераторы мощностью 315 кВт, частотой вращения 500 об/мин были разработаны на базе серии асинхронных двигателей и поставлены предприятием на Добромыслинскую ГЭС в республике Беларусь. Асинхронные гидрогенераторы просты в эксплуатации, но могут использоваться на малых ГЭС только при параллельной работе с сетью и имеют ограниченное распространение в силу их специфических свойств.
Наибольший интерес для энергетиков представляет недорогое оборудование на базе синхронных генераторов, различных по способу монтажа и исполнению. Для синхронных генераторов в ОАО «Уралэлектротяжмаш» были впервые применены высокоэффективные бесщеточные многофункциональные совмещенные возбудители (СМБВ), позволившие создать комплект силового энергетического оборудования в составе бесщеточного синхронного гидрогенератора с системой возбуждения на базе разработанной серии возбудителей СМБВ со шкафом управления и диагностики.
Разработка и производство последних новых бесщеточных синхронных генераторов и систем возбуждения для Толмачевской ГЭС-2 была выполнена с учетом результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по системе возбуждения, а также всего опыта предприятий Концерна «Русэлпром» (ООО «Русэлпром-Инжиниринг» и ЗАО «НПП «Русэлпром-Электромаш») в областях электромашиностроения и преобразовательной техники, накопленного более чем за 60-летний период работы, с использованием практически всех прогрессивных технических решений и технологических процессов в этих областях.
Первым объектом малой энергетики нового поколения, на котором была реализована концепция создания энергетического комплекса в составе бесщеточного синхронного генератора с системой возбуждения на базе возбудителя серии СМБВ, стала Быстринская ГЭС — первая такая станция на Камчатке. Генераторы для этой станции единичной мощностью 671 кВА и частотой вращения 300 об/мин были созданы на базе унифицированных узлов серийно выпускаемых двигателей. Введенные в эксплуатацию в 1995-1996 гг. 3 генератора этой станции уже в первые месяцы позволили решить вопросы не только покрытия дефицита электроэнергии, но и сохранения устойчивой хозяйственной деятельности населения и предприятий целого района Камчатской области.
Этот положительный опыт оказал влияние на активизацию деятельности администрации и энергетических предприятий.
Дальнейшие работы выполнялись в соответствии с Программой развития, согласно которой планировалось в период 1996-2002 гг. ввести в строй действующий каскад из трех гидроэлектростанций на реке Толмачева с установленной мощностью 45200 кВт. В период до 2000 года предприятием разработаны, поставлены и совместно с ОАО «Камчатский газоэнергетический комплекс» введены в эксплуатацию ГЭС-1 и ГЭС-3 с гидрогенераторами единичной мощностью 1375 кВА частотой вращения 428,6 об/мин и 11500 кВА частотой вращения 750 об/мин соответственно. Гидрогенераторы для Толмачевской ГЭС-2 единичной мощностью 15,5 мВА, с частотой вращения 1000 об/мин были разработаны и полностью подготовлены к производству и изготовлены уже на предприятиях Концерна «Русэлпром».
Бесщеточные синхронные генераторы проектируются, как правило, индивидуально для каждой ГЭС. Особенности компоновочных и конструктивных решений гидрогенераторов нового поколения для малых ГЭС приведены на рис. 1 и рис.2 на примерах вертикального гидрогенератора мощностью 15500кВА для Толмачевской ГЭС-2 и горизонтального гидрогенератора для Правдинской ГЭС-3 мощностью 1425 кВА.
Гидрогенератор Толмачевской ГЭС-2 спроектирован с использованием как традиционных технических решений, реализованных на электродвигателях для привода гидравлических насосов, так и с разработкой ряда оригинальных решений, обусловленных специальными требованиями к оборудованию этой станции, в т.ч. высокой оборотной частотой вращения при угоне и т.д.
Все это потребовало разработки новых конструкторских и технологических решений. Оригинальная система охлаждения самого генератора и его подшипниковых узлов, а также компоновка всего агрегата на этой станции позволили реализовать на основании проведенных исследований возможность полезного использования отводимых потерь для обогрева машинного зала при снижении расхода дорогостоящих материалов элементов охладителей.
При проектировании генератора и его возбудителя был решен целый ряд специфичных для высокооборотного вертикального гидрогенератора важнейших проблем; в том числе обеспечение механической прочности ротора путем использования массивных полюсов и многие другие.
При разработке горизонтального генератора Правдинской ГЭС-3 учтен многолетний опыт в области создания горизонтальных генераторов и двигателей различного назначения для горно-добывающей и металлургической промышленности, обеспечивающих работу с насосными, нагнетательными, мельничными и другими приводными механизмами, с использованием как подшипников качения, так и скольжения.
Ряд технических решений, использованных при разработке этого гидрогенератора и совмещенного с ним возбудителя, описан ранее и аналогичен решениям, используемым в узлах вертикальных машин. Особенностью данной конструкции является компоновочное решение, при котором якорь бесщеточного возбудителя размещен на одном валу с ротором генератора между подшипниковыми опорами, а неподвижные части образуют конструкцию, обеспечивающую удобство обслуживания и возможность охлаждения обеих машин в единой вентиляционной системе за счет самовентилирующего действия ротора гидрогенератора.
Создание гидрогенераторов для малых ГЭС с бесщеточными многофункциональными возбудителями потребовало решения ряда задач.
Важнейшими из них являются:
■ метод расчета гидрогенераторов с учетом особенностей использования совмещенного многофункционального бесщеточного возбудителя;
■ метод теплового и вентиляционного расчета различных схем вентиляции бесщеточных гидрогенераторов; метод механического расчета электрических машин на сейсмостойкость; метод механического расчета маховика.
Головные образцы бесщеточных гидрогенераторов на заводских стендах и на местах эксплуатации были испытаны в полном объеме и на них проведены разносторонние исследования. В результате испытаний было подтверждено, что бесщеточные гидрогенераторы по своим техническим характеристикам соответствуют требованиям заказчика, а результаты расчета по разработанным методикам с достаточной точностью совпадают с результатами испытаний.
Большой объем и глубина совместных научно-исследовательских и проектных работ, выполненная при создании гидрогенераторов, и опыт их эксплуатации позволили обеспечить разработку гидрогенератора Толмачевской ГЭС- 2.
Но стоит остановиться и на факторах, сдерживающих развитие этого важного направления энергетики как и со стороны потенциальных потребителей, так и со стороны проектных организаций и поставщиков оборудования, как и со стороны частных инвесторов, так и со стороны государства. Это именно:
- длительный цикл изыскательских и проектных работ и их относительная дороговизна;
- длительный цикл конструирования основного оригинального оборудования, затраты на подготовку его производства и изготовления при малой привлекательности заказов, как правило, единичных машин;
- сравнительно длительный срок окупаемости и отсутствие законодательных рычагов для привлечения частных инвестиций при реализации данных проектов и др.