СОВРЕМЕНИ ТЕНДЕНЦИИ ВО РАЗВОЈОТ НА ГОЛЕМИ ТУРБОГЕНЕРАТОРИ И ХИДРОГЕНЕРАТОРИ

Transcript

1 6. СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 4-6 октомври 2009 Златко Маљковиќ, Универзитет во Загреб, Факултет за електротехника и компјутери, Хрватска Лидија Петковска Универзитет Св. Кирил и Методиј во Скопје, Факултет за електротехника и информациски технологии, Македонија СОВРЕМЕНИ ТЕНДЕНЦИИ ВО РАЗВОЈОТ НА ГОЛЕМИ ТУРБОГЕНЕРАТОРИ И ХИДРОГЕНЕРАТОРИ КУСА СОДРЖИНА Врз база на најсовремената достапна литература, а особено според дискусиите во Студискиот Технички Комитет А1 за време на последното меѓународно советување на CIGRE, што се одржа во Париз во септември 2008 година, современите тенденции во развојот и градбата на (нај)големите синхрони генератори привлекуваат огромен интерес во меѓународната научна јавност, а особено во развојните институции на (нај)големите светски производители на синхрони машини. Во трудот е презентиран преглед на тенденценциите во развојот на најголемите турбогенератори и хидрогенератори во светот досега. Најнапред ќе биде даден осврт на сегашните развојни проекти што се изведуваат во најреномираните компании од ова подрачје. Според најновите научни сознанија, ќе бидат дискутирани предвидувањата и тенденциите во развојот на големите турбогенератори и хидрогенератори, или во поопшт случај, на синхроните машини. Во овој прегледен труд ќе бидат наведени поважните ограничувања при производството на овие најголеми извори на електрична енергија; притоа, посебно внимание ќе биде обрнато на граничните моќности и на испитувањата на најголемите турбогенератори ладени со воздух, наместо со водород. Клучни зборови: Турбогенератор; Хидрогенератор; Развој; Гранична моќност; Ладење. 1. ВОВЕД 1.1 Историски развој на градбата на турбогенератори и хидрогенератори Првата термоелектрана во светот е изградена во раните 1880-ти години. Од тогаш, бројот на електрани со турбогенератори системски се зголемувал, заедно со сите иновации во конструкцијата и материјалите. Истовремено, истите трендови биле следени и во градбата на електраните со хидрогенератори. Кон средината на 70-тите години на минатиот век, заедно со порастот на светската економија, нагло се зголемува бројот на инсталирани големи генератори и започнува нивниот забрзан развој. Во последниве декади забележителна е зголемената потреба за изградба на електрични централи со (по)големи моќности, поради неколку суштински причини: просторни проблеми на локациите каде се тие сместени; еколошки проблеми; финансиски проблеми. Во поново време, со развојот на пазарот на електрична енергија се појавила потреба за едноставни генераторски системи со пониска почетна цена и со висок степен на искористување, но исто така и со подобрено управување и регулација, а особено со поедноставно одржување. A1-1R 1/12

2 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 2/12 Врз база на овие барања, за потребите на термоелектраните на јаглен, биле развиени комби генераторски блокови со двополни турбогенератори за моќност од 1000 MW ладени со вода, како и за моќност од 700 MVA индиректно ладени со водород. Зголемување на моќноста на генераторите било овозможено со развојот на разладните технологии (како например директно ладење на статорските намотки), како и со поместување на границите и ограничувањата во производството на роторите. Најголемиот според моќноста турбогенератор (ТГ) е инсталиран во нуклеарната електрана Chooz & Civaux во Франција и тој работи повеќе од една деценија; тоа е четириполен ТГ со моќност 1710 MVA [1]. Градбата на генератори со (по)големи моќности може да се реализира со зголемување на димензиите и/или со зголемување на специфичните магнетни и електрични оптоварувања, што следува од следниве изрази кои вообичаено ги користат проектантите. Изразот за привидната моќност на генераторот во зависност од димензиите е: S = (1) 2 CD Ln i Дефиницијата и изразот за Есоновата 'константа' C, изразена во (kva min/m 3 ) е: C= 1,163 fab 10 1,05AB 10 (2) 4 4 n S δ1 S δ1 каде е: S (kva) привидна моќност; D (m) внатрешен дијаметар на статорот; L i (m) идеална должина на пакетот на статорот; n (min -1 ) номинална брзина на вртење; f n коефициент на намотување на статорската намотка; A S (A/m) линиска густина на струјата (струен облог на статорот); B δ1 (T) магнетна индукција на основниот хармоник во воздушниот зјај. Идеалната должина на статорскиот пакет L i е нешто помала од стварната должина на статорот L, поради присуството на радијалните канали за ладење во пакетот; од друга страна, познато е дека ефективната должина на железото на статорот L fe секогаш е помала од стварната должина L, поради коефициентот на пололнување на железото k fe. Есоновата 'константа' C во суштина не е константа (затоа е посебно означена), бидејќи таа зависи од ефикасноста на ладење на генераторот. При проектирање на турбогенераторите се тргнува од специфичните механички и топлински оптоварувања што може да ги поднесе роторот. Струјните оптоварувања на генераторот се изразуваат преку струјниот облог на статорот A S и на роторот, т.е. на возбудата A f. Магнетните оптоварувања се дефинираат преку големината на индукцијата во воздушниот зјај B δ, водејќи при тоа сметка индукцијата во железото на статорот да не ја премине вредноста на заситување, како на пример 1,8 Т. Големината на дијаметарот на роторот е ограничена со механичките напрегања во венецот на роторот, напрегањата во забите, како и во капите на роторот, при брзини на 'побег', односно излегување од синхронизам. Двополните турбогенератори имаат точно дефинирано ограничување на големината на дијаметарот на роторот, на пример преку ограничување на максимално дозволената периферна брзина поради максимално дозволените центрифугални сили што може да ги поднесе телото на роторот, односно роторските капи. Ако на пример за максимална периферна брзина се усвои v = 230 m/s и ако се допушти зголемување на брзината на вртење до 1,2n s, тогаш максималниот (дозволен) дијаметар на роторот на еден двополен турбогенератор ќе изнесува околу 1,2 m за 50 Hz. Познато е дека должината на генераторот е ограничена со вибрациите на роторот. Од друга страна, големите топлински оптоварувања зависат првенствено од големата густина на струја во возбудната намотка (на роторот) и од магнетните оптоварувања во венецот на роторот. Од овие факти произлегува дека моќноста на турбогенераторот е ограничена главно со геометријата на роторот, затоа што линиските струјни оптоварувања во роторот се поголеми отколку во статорот A f > A S. За да се постигне моќност од 2000 MVA, потребно е значително да се зголемат специфичните струјни и магнетни оптоварувања. Кај генераторите во класична изведба, тоа е можно само со зголемување на линиските оптоварувања на статорот A S и роторот A f ; меѓутоа, кај суперпроводните генератори тоа може да се постигне и со зголемување на специфичните

3 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 3/12 магнетни оптоварувања. Позначително зголемување на струјниот облог се постигнува само со поефикасно ладење. Ова може да се постигне само со едноставно воведување на водород како разладен флуид наместо воздух, и со директно ладење на намотките; притоа вообичаено, роторската намотка се лади со водород, а статорската намотка со дејонизирана вода. Постои пример на инсталиран турбогенератор во работа, во кој е применето одведување на топлината со директно ладење на намотката на роторот со вода, но поради комплицираната изведба, во понатамошниот развој на најголемите турбогенератори, ова решение е практично напуштено. Развојот на системите за ладење на најголемите турбогенератори, може да се следи преку ладењето на роторската намотка. Во првите турбогенератори намотката на роторот била сместена во канал, прицврстена со клин и индиректно ладена со разладен медиум преку телото (венецот) на роторот. Подоцна биле воведени конструктивни решенија за директно ладење на дел од намотката сместен во каналот, што било направено на два начина. Пик ап (pick-up) систем: клиновите на роторот биле обработени така што биле опфатени со разладното средство во воздушниот зјај; на тој начин, разладниот медиум преку системот на разладни канали поминувал низ самата намотка по целата должина на машината, а потоа се враќал назад во воздушниот зјај. Радијална вентилација: ладењето на роторската намотка се обезбедило со посебно конструктивно решение на склопот на роторските капи; притоа биле отворени дополнителни радијални канали во делот на намотката на роторот поставени во самиот канал (радијален поджлебен канал). Следното подобрување било постигнато со директно ладење на главата на роторската намотка со изведба на аксијални канали во самите проводници на челните врски. Денешните современи решенија на ладење на роторската намотка во принцип се сведуваат на ладење со комбиниран систем на радијални и аксијални разладни канали во самата намотка, и тоа како во деловите сместени во роторските канали така и во челните врски. Главна цел притоа е да се намалат загубите на моќност и бучавата при ладење; тоа се постигнува со рамната и мазна површина на роторот (неназабен ротор), што разладниот медиум ја опфаќа и лади со оптимална количина на разладното средство. На овој начин, ако кај класичните турбогенератори што биле ладени со воздух можеле да се постигнат вредности на линиското оптоварување на статорот до A/m, тогаш со поефикасно ладење (директно со водород) се постигнуваат вредности од A/m, додека при директно ладење со вода, овој износ е уште поголем. 2. ТУРБОГЕНЕРАТОРИ 2.1. Тенденции во развојот на турбогенератори Со зголемување на димензиите и/или специфичните густини на моќност (линиското оптоварување и индукцијата) може да се зголеми моќноста на генераторот. При зголемување на димензиите на генераторот се оптимира односот на должината на статорскиот пакет и роторскиот, односно статорскиот дијаметар (L/D); се користат поиздржливи материјали, големи лежишта и тн. На пример, зголемувањето на дијаметарот го зголемува напрегањето на роторот, додека зголемувањето на должината на роторот ги зголемува вибрациите. При зголемување на напонот или струјата во статорските намотки, потребно е да се промени изолацијата и тн. Сите овие барања не можат да бидат успешно решени само во една фирма. Така, кон крајот на минатиот век, во Европа се случиле интересни процеси на здружување [10] на големи реномирани фирми производители на турбогенератори, според шемата прикажана на слика 1.

4 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 4/12 Слика 1. Процес на здружување на европските фирми за производство на турбогенератори Во 1988 година е формирана швајцарско-германско-шведската компанија АВВ од фирмите АВВ и АЅЕА (слика 1). Денешната компанија Alstom Power во 2000 година е добиена со спојување на фирмите Alstom Energy (која порано го носела името GEC Alstom Energy [10]) и ABB Power Generation; во почетокот, пред да го добие денешното име, во период од околу 1 година името на новата компанија било ABB ALSTOM POWER Ltd Турбогенератори со воздушно ладење Посебно интересни се тенденциите во развојот на турбогенераторите ладени со воздух. Поради проблемите со водородот како разладно средство, потребата од посебна постројка за водород и нејзиното одржување, во светот постои перманентна тенденција да се зголемува моќноста на турбогенераторите кои се ладат само со воздух. Во компанијата ABB Alstom Power [1] се развиени ТГ со моќности до 500 MVA; тоа се постигнало со зголемување на дијаметарот на роторот за 9%, должината на машината за 17% и големината на струјното оптоварување за 20%, при едновремено усовршување на разладниот систем. Така, на пазарот се појавил турбогенератор TOPAIR25 со моќност 480 MVA. изведен од постојниот 300 MVA тургогенератор TOPAIR23, и двата ладени само со воздух. Изолацијата Micadur на статорската намотка е предвидена за класа Н (Micadur class H); изолацијата на роторската намотка е за класа F; притоа, за изолација на каналите се користи Nomex, додека помеѓу проводниците во каналите и во челните врски се користи појачана стаклено-пластична изолација. Во референцата [7] од 2000 год. авторите најавиле перспективи за развој на ТГ за моќност 480 MVA ладен со воздух; меѓутоа многу подоцна во 2006 год. [13] истите автори само спомнуваат иден можен развој на ТГ со моќности 340 и 400 MVA, базиран врз десетгодишното искуство со серијата од 90 произведени ТГ-и со воздушно ладење за моќност од 300 MVA Alstom Кон средината 80-тите години од минатиот век, две големи фирми за производство на ТГ и (швајцарската АВВ за двополни и француската Alstom за четворополни генератори), за тогашниот брз пораст на бројот на нуклеарни електрани во Франција, развиле потполно нова серија на турбогенератори. Подоцна, кога двете фирми се здружиле во една компанија и кога настанала групацијата Alstom, било очекувано дека тие ќе го продолжат заедничкиот развој втемелен на нивните претходни успеси постигнати во меѓусебната кооперација. Производната линија денес е поделена на повеќе места: во Швајцарија се проектираат двополните генератори, а во Франција четворополните; центарот за производство на статорот за двополните ТГ е во Полска, за четворополните во Франција, додека во Швајцарија се произведуваат роторите. За електраните што се планирани да проработат во 2011/2012 година се развиваат двата вида турбогенератори (2р=2 и 2р=4) со зголемени моќности, и тоа: до 1400 MVA за 2р=2 наменети за термоелектрани на јаглен; до 2000 MVA за 2р=4 за работа во нуклеарни електрани. Есоновата 'константа' на искористување достигнува вредности од 40 kva min/m 3 и за двете изведби (2р=2 и 2р=4). Меѓутоа, ако турбогенераторот е ладен со воздух, оваа константа е и до 10 пати помала. Затоа, во овие конструктивни изведби било применето ладење со водород,

5 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 5/12 за ладење на намотката на роторот и на пакетот на статорот, но исто така и за одведување на топлината од додатните загуби поради виорните струи во доменот на челните врски. Директното ладење на статорската намотка со вода е главен предуслов за постигнување на големи моќности при зададени димензии на машината. Кај двополните генератори логиката на зголемување на моќноста ги зема предвид следниве факти: куќиштето е со стандардни димензии; распонот на моќности на генераторот е 'покриен' со три стандардизирани дијаметри на роторот и со различни должини на пакетот; лежиштата се поставени на посебно постоље за да го изолираат вратилото од вибрациите на куќиштето; применето е двонасочно аксијално ладење на намотките на роторот, потпомогнато со радијален вентилатор на страната на возбудата; применет е систем за статичка возбуда, чии што главни одлики се брзо дејствување и едноставна технологија. Освен овие новитети во конструкцијата, во изведбата се применети и други, претходно проверени и докажани во праксата како добри, конструктивни зафати, и тоа: главата на намотките на статорот е прицврстена со прстени, но притоа е овозможено нејзино аксијално истегнување и регулација на цврстината на самата потпора на намотката; шупливите статорски проводници (прачки) на намотката низ кои струи водата за ладење, имаат внатрешност од челик што не рѓосува; применети се конусни притисни плочи; како и еднократен и трикратен систем на прицврстување. Типичните номинални големини за овие двополни турбогенератори од серијата GIGATOP се: 934 MW (или 1167 MVA при фактор на моќност 0,8); 50 Hz, 27 kv, ОКВ (Однос на Куса Врска) 0,51; притисок на водородот во системот за ладење 5 bar; степен на полезно дејство 98,88 %; статичка возбуда [2]. Кај четворополните генератори логиката на зголемување на моќноста ги зема предвид следниве факти: куќиштето е стандардизирано; применети се вертикални ладилници; распонот на моќностите на генераторот за двете фреквенции (50Hz и 60Hz) е 'покриен' со стандардни дијаметри на роторот и со различни должини на пакетот; вградени се штитови на лежиштата; се користи еднократно и трокружно радијално-попречно ладење на роторот (а во денешно време и повеќекратно аксијално) со аксијални вентилатори на двата краја; приклучоци (проводници) на страната на возбудницата, а по потреба и на двата краја на генераторот. Бесконтактната возбуда се реализира со возбудница поставена конзолно на роторот; притоа, намотката на индуктот на возбудницата и диодите се сместени во метален прстен во облик на звоно, поставен на крајот на роторот; еднонасочната возбуда е на статорот на возбудницата. Засиленото прицвстување на главата на намотката на статорот се постигнува со примена на цврст надворешен прстен од фиберглас, на кој главата на намотката се прицврстува со посебни стеги; со оваа техника се овозможува дополнителна крутост на системот за прицврстување, но и флексибилност, затоа што при загревање се овозможува аксијално ширење на намотката. Типичните номинални големини за четворополните турбогенератори од серијата GIGATOP се: 1550 MW (или 1722 MVA при фактор на моќност 0,9); 50 Hz, 27 kv, ОКВ (Однос на Куса Врска) 0,38; притисок на водородот во системот за ладење 3,8 bar; степен на полезно дејство 98,93 %; бесконтатна возбуда; двојна приклучна кутија. Критичен проблем кај (нај)големите двополни турбогенератори е загревањето на краевите на статорскиот пакет во подвозбуден режим на работа. За да се реши овој проблем, подолг низ на години за статорот се користат ламелирани притисни плочи, составени од лимови импрегнирани со смола и притиснати под вакуум. Континуитаниот напредок во развојот на двополните турбогенератори поттикнал истражување на дополнителни можни подобрувања во изведбата на притисните плочи: едно можно решение е да се зголеми попречното растојание помеѓу соседните лимови; другото можно решение е да се изведат процепи од дното на каналот до средината на венецот на статорот. Со овие две решенија се намалува големината на индуцираните виорни струи од аксијалната компонента на магнетниот флукс; и двете можни подобрувања денес се интегрирани во производниот процес на ТГ-ите. Исто така, на веќе инсталираните ТГ-и кои се во погон, може да се заменат постојните плочи Elektrosila Проектите за развој на 4-полни турбогенератори со моќност од 1200 MW и повеќе, кои во моментов се изведуваат во големата руска фирма Elektrosila, се темелат врз примената на

6 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 6/12 разладен систем водород вода; притоа, намотката на статорот е директно ладена со вода, додека намотката на роторот и статорскиот пакет се директно ладени со водород. Претходно, овој ист систем веќе бил применет при изведбата на 18 четворополни турбогенератори со моќност од 1000 MW и за напон од 24 kv. Овие ТГ-и веќе 20 години успешно работат во нуклеарните електрани во Русија и Украина. Просечниот степен на полезно дејство на овие генератори е 99.83%. За да се произведат поголеми турбогенератори (за моќности 1200 MW и 1500 MW) со исти карактеристики на издржливост како овој прототип, било потребно малку да се зголемат димензиите на активните делови (како на пример дијаметарот и должината на роторот, а со тоа и дијаметарот и должината на статорот). Освен тоа, проектантите и конструкторите во Elektrosila дополнително го засилиле и подобриле ладењето (посебно на роторската намотка); на тој начин, и при новата зголемена моќност, биле обезбедени истите топлински карактеристики како кај моделот на прототипот со моќност од 1000 MW. Денес во Elektrosila се подготвуваат проекти за развој на 4-полни турбогенератори со номинална излезна моќност од 1200 MW и од 1500 MW. Турбогенераторите се со воздушно ладење. Во разгледување се две изведби за самовентилација и ладење на каналите на роторската намотка: во едната се одведува гасот (воздухот) од воздушниот зјај помеѓу роторот и статорот; во другата воздухот се собира од роторските канали за ладење. И двете изведби имаат приближно еднаква ефикасност и економичност Siemens Фирмата Siemens има планиран развој на најголемите турбогенератори ладени со водород и вода во светот. Тоа се 4-полни генератори со моќност до 2222 MVA, чиј шематски приказ е даден на слика 2, и 2-полни генератори за моќност од 1500 MVA. Притоа, во нивната конструкција се применети сите новитети како и кај другите производители на (нај)големите турбогенератори, како на пример во фирмата Alstom Power. Во конструктивното решение на Siemens [12], прикажано на слика 2, се применети различни димензии на прачките во горниот и долниот слој на статорската намотка за да се изедначат температурите по висината на каналот; притоа, долниот слој (поблиску до воздушниот зјај и со подобрено ладење) има помал пресек. Слика 2. Шематски приказ на најголемиот 4-полен турбогенератор со моќност 2222 MVA 2.6. General Electric Во General Electric (GE) се планира градба на 4-полни турбогенератори со моќности и до 25% поголеми од денес постоечките. Технолошките предизвици на GE се насочени кон избор на повисок степен на полезно дејство или кон зголемување на физичките димензии на генераторите. Во GE уште во 1978 год. е произведен четворополен турбогенератор со најголема моќност од 1559 MVA за 60 Hz. Треба да се подвлече дека во 1994 год. во Јапан бил произведен 4-полен турбогенератор со моќност 1540 MVA за 50 Hz. Исто така, во General Electric е проектиран ТГ со 10% зголемена струја и 17% зголемен влезен момент, со зголемени физички димензии за толку колку што допуштаат фабричките производни ограничувања (околу 10%). Овој генератор има ознака ESBWR, и се очекува дека неговата излезнаа моќност ќе биде зголемена за околу 25%. Големината и тежината на

7 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 7/12 генераторот ESBWR се на граница на фабричките ограничувања во фирмата. Статорот заедно со намотката има маса од околу 480 t; изолацијата на статорската намотка е Micapal, додека главата на статорската намотка е прицврстена со напреднатата техника TetraLoc. Роторот е изведен (искован) во едно парче, а возбудната намотка се лади со радијална циркулација на воздух. Возбудниот систем е статички и се напојува од стегалките на генераторот; регулацијата на возбудата се изведува со трикратна редундација (back-up) Hitachi Најголемите веќе произведени 4-полни турбогенератори на компанијата Hitachi имаат моќност 1570 MVA, односно 1230 MVA за 2-полна изведба. Оваа компанија планира да произведува 4-полни турбогенератори со моќност до 2000 MVA. Развојот на моќностите на најголемите Hitachi турбогенератори во последните 6 декади е прикажан на слика 3 [5]. Слика 3. Најголеми Hitachi турбогенератори Ладењето на 4-полните ТГ-и со најголеми моќности, како и на помалите 2-полни ТГ-и се изведува со радијална вентилација на роторот; меѓутоа, најголемите 2-полни ТГ-и се ладат со т.н. pick-up систем на вентилација, опишан во точка 1.1. Главата на намотките е прицврстена со помош на лизгачко лежиште што овозможува ширење на намотките во аксијален правец поради загревање при оптоварување [5]. Проектите на генераторите што се изведуваат во оваа фирма се карактеризираат со детални топлинско-вентилациски анализи, во кои влијанијата на роторот и на статорот меѓусебно се испреплетуваат. Притоа, за анализа на додатните загуби во статорските прачки се користат 3D презентации; со нивна помош се оптимира преплетувањето и транспозицијата на парцијалните проводници. Во иднина фирмата планира да развие проект на 4-полен турбогенератор со моќност приближно 2000 MVA (1800 MW), 60 Hz и за номинални напони 24 kv до 27 kv; намотката на статорот ќе биде директно ладена со вода, додека роторската намотка и пакетот на статорот ќе бидат ладени со водород. Во роторот водородот би циркулирал радијално. Возбудниот систем ќе биде статички Toshiba Во развојните одделенија на Toshiba, врз база на техниките развиени и применети во тековните проекти, проектиран е турбогенератор 1000 MW; меѓутоа, користени се потполно нови и проверени технологии. Номиналните податоци на овој генератор се 1120 MVA, 27 kv, 50 Hz, фактор на моќност 0,9; за 60 Hz номиналниот напон на генераторот е 25 kv. Добивањето на поголема моќност е постигнато со зголемување на димензиите на генераторот и/или со зголемување на специфичните оптоварувања (линиското струјно оптоварување струен облог и густината на флуксот магнетна индукција). При зголемување на димензиите се оптимира односот на должината на статорскиот пакет и дијаметарот на роторот, а со тоа и на статорот (L/D); се користат поиздржливи материјали за роторот, поголеми лежишта и тн. Оптимиран е попречниот пресек на роторот, така што просторот во кој се сместени проводниците максимално е искористен; за

8 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 8/12 прицврстување на намотката се користат дводелни прстени. За ладење на роторската намотка се користи адаптиран систем за директно ладење со водород со радијален проток. За статорскиот пакет е усвоена е технологија со ориентирани магнетни лимови, чии што специфични загуби во железото, мерени со Епштајнов апарат се само 1,38 W/kg при индукција од 1,86 T и фреквенција 60 Hz. Статорската намотка е изведена од шупливи парцијални проводници со преплетување и е директно ладена со вода; за изедначување на распределбата на температурата, пресекот на горниот и долниот слој се различни. Намотката на статорот е со класа на изолација F. Бидејќи статорската намотка е ладена со вода, загубите во бакарот се исто така мали. Фабричките испитувања покажале дека сите гарантирани вредности се постигнати, а степенот на полезно дејство на генераторот изнесува 99,00 %. Дополнително е оптимирана конструкцијата за прицврстување на челните врски на статорските намотки и на бакарниот екран во просторот на челните врски; статорскиот пакет е со еластично прицврстување. Понатаму, усвоено е компактно куќиште, а роторските капи се изведени од аустенитен челик со 18% Mn и 18% Cr. Во генераторот со моќност од 1000 MW е применет проверениот во пракса систем за прицврстување на главата на намотките на статорот: системот може да се движи аксијално, додека во радијален и тангенцијален правец е цврсто прикрепен. Поголемиот дел од конструктивните особености и подобрувања на овој генератор се прикажани на слика 4 [6]. Слика 4. Подобрувања во големите Toshiba турбогенератори ладени со водород За турбогенератори со моќности поголеми од 400 MVA за статорската намотка веќе подолго време се користи директно ладење со вода. Меѓутоа, применувајќи ги сите наброени конструктивни подобрувања и усвојувајќи ладење со водород, можело да се постигнат повисоки вредности на специфичните оптоварувања и повисок коефициент на полезно дејство (кпд), споредено со турбогенераторите ладени со вода. За таа цел бил развиен изолациски систем на статорската намотка со висока топлинска водливост и со подобрен оптимиран проток на водородот. Така во Toshiba бил развиен двополен турбогенератор индиректно ладен со водород за моќност 710 MVA, напон 20,5 kv при фреквенција 50 Hz и фактор на моќност 0,85; при моќност 563,3 MVA и фактор на моќност 0,9 ефикасноста достигнува вредност 99,19% [11] Doosan Во електроенергетскиот систем на Кореја е забележителен порастот на потрошувачката на електрична енергија. Со оглед на фактот дека енергетските извори во земјата се ограничени, во Кореја е потребно не само проширување на системот, туку и зголемување на неговата ефикаснот. За да може да се задоволат овие барања, во корејската фирма за производство на турбогератори Doosan Heavy Industries and Constuction започнале да ги зголемуваат моќностите на постојните ТГ-и инсталирани во електраните. Истовремено се работи на развој на нови (по)големи ТГ-и. Во поново време Doosan планира да гради ТГ-и со моќност од 1222 MVA, наменети за електрани на фосилни горива. Најголемиот досега развиен и произведен двополен ТГ во Doosan има моќност од 978 MVA и е инсталиран во термоелектраната на фосилни горива Yeoung Heung. Во поново време, во Doosan ја зголемуваат моќноста на постојните ТГ-и над

9 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 9/ MVA. Генераторот 1222 MVA, 30 kv има 5% поголема должина и 0,8% поголем дијаметар на роторот, во споредба со генераторот 978 MVA, 25 kv. Техничките решенија за зголемување на напонот и струјата што се применети во Doosan се: ладење на статорската намотка во една јамка (контура); посебен систем за зацврстување на главата на статорската намотка, т.н. тетра; прицврстување на прачките на намотките во каналите со опруги; високонапонска изолација од класа F; директно ладење на проводниците со водород; дијагонален систем за вентилација на роторот. Заради зголемените димензии на роторот (должината на пакетот и дијаметарот) применети се следните решенија: за роторот се користат материјали со најголема цврстина; се применува посебен разладен систем; роторските капи се од легура со 18% Mn и 18% Cr Mitsubishi На слика 5 е прикажан на дијаграм на историскиот развој на големите турбогенератори произведени во фирмата Mitsubishi во последниве 5 децении и со планови за следната декада, до 2020 год. Развојот на турбогенераторите се базира на истражувањата спроведени на модел. Слика 5. Историски развој на најголемите Mitsubishi турбогенератори Моделот на еден 4-полен турбогенератор е направен со идентичен попречен пресек и со иста глава на намотките како и во оригиналниот турбогенератор, меѓутоа со помала должина која е само 1/5 од оригиналната должина. На овој модел биле изведувани различни испитувања, како на пример трополна ударна куса врска со номинален напон, двополна куса врска, напонски испитувања, вртење со брзина 1,2n s и др. 3. ХИДРОГЕНЕРАТОРИ 3.1. Развој на хидрогенераторите Најголемите хидрогенератори спаѓаат во електричните машини со најголеми димензии, па така според податоците од Voith Siemens Hydro најголемиот ладен со вода хидрогенератор во светот е со моќност 840 MVA и е инсталиран во Кина (Three Gorges); најголемиот ладен со воздух хидрогенератор има моќност 805 MVA и е инсталиран во Венецуела (Guri). Од аспект на димензиите, хидрогенераторот со најголем дијаметар на статорот од 18,808 m е инсталиран во САД (Gran Coulee III), додека генераторот со најголема голжина на магнетното јадро од 3,8 m работи во Венецуела (Guri). Најголема моќност по пол 31,7 MVA имаат хидрогенераторите инсталирани во Кина (Guangzhou II) Alstom Power Во компанијата Alstom Power развиена е серија хидрогенератори до моќност 800 MVA, базирани врз искуството здобиено при реализација на проектите во најголемите хидроцентрали

10 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 10/12 во светот Itaipu во Бразил и Three Gorges во Кина. Развиени биле и применети статорски намотки ладени со вода. Притоа, континуираниот развој на вентилациските системи овозможил да се произведуваат хидрогенератори (ХГ) со моќности поголеми од 30 MVA/пол. За посебни намени, на пример за брзоодни генератори со моќности поголеми од 400 MVA, била развиена посебна серија на генератори ладени со вода. Биле развиени и хидрогенератори за цевни агрегати за моќности 40 MVA до 60 MVA, од кои повеќе од 15 се вградени само во Кина. Во кооперација и соработка и со други производители на ХГ-и, во тек е развојот на најголемиот хидрогенератор за проектот Rio Madeira во Бразил [13] Andritz VA TECH HYDRO Andritz VA TECH HYDRO е компанија формирана од фирмите Escher Wyss, Voest, Elin i Sat, и е членка на групацијата ANDRITZ од 2006 год. Позната е уште од 1970 година по производство на големи мотор генераторски единици, со моќности поголеми од 200 MW, наменети за реверзибилни електрани. Нивни понови производи се мотор генератори со променлива брзина на вртење; мотор генератор со моќност 331 MVA (265 MW) и со брзина на вртење 333 (+4/ 10%) min -1 е вграден во електраната Goldisthal во Германија. Оваа компанија произведува и цевни агрегати со хидрогенератори; најголемиот досега произведен генератор има моќност 82 MVA и е проектиран за брзина на вртење 100 min -1 [14] Elektrosila Компанијата OJSC "Power Machines Branch Electrosila" денес е еден од најголемите производители на (нај)големи хидрогенератори. Од почетокот на нивната работа во 1925 год. до денес фирмата произвела околу 700 хидрогенераторски единици. Производната програма опфаќа ХГ-и за сите брзини на вртење, од спороодни за 55,6 min -1, до брзоодни за 750 min -1. Притоа, хидрогенераторите за моќности до 417 MW се произведуваат во изведба со индиректно ладење на статорската и роторската намотка, додека за поголемите моќности до 720 MW се изведуваат со статорска намотка директно ладена со вода и роторска намотка директно ладена со диригиран (насочен) воздух. Номиналниот напон е до 18 kv, а статорската намотка има две изведби: брановита (со прачки) и јамкаста. Првиот поголем хидрогенератор во Русија бил пуштен во работа во 1964 во електраната Краснојарскаја; во централата биле монтирани 12 исти единици, секоја со моќност 500 MW при брзина на вртење 93,75 min -1. Генераторите се задвижувале со Francis турбини. Интересен е податокот за релативно големиот отвор на статорот од 16,1 m (за тоа време), при аксијална должина на пакетот од 1,85 m. Подоцна, овие ХГ-и биле реконструирани. Во 1977 год. бил изграден агрегат 640 MW (max. 720 MW) за брзина на вртење 142,8 min -1 ; димензиите на овој генератор се 11,85 m внатрешен дијаметар на статорот и 2,75 m висина на статорскиот пакет. За потребите на руската електрана Евенкијскаја во фаза на проект и развој е единица со моќност 1000 MW и брзина на вртење 107,1 min -1. Планирана е инсталација на 8 идентични хидрогенератори [16]. Димензиите на генераторот се: внатрешен дијаметар на статорот 16 m и висина (должина) на статорскиот пакет 3,1 m. Системот за ладење на сите генератори е ист: статорска намотка ладена со вода и роторска намотка ладена со диригиран воздух. За аргентинската електрана Piedra del Aguila компанијата произвела хидрогенератори со индиректно ладење на статорската и роторската намотка. Изработени се 4 единици секоја со моќност 370,5 (max. 408,5 MW) и брзина 125 min -1. Првиот агрегат е инсталиран во 1989 год. Димензиите на статорот се 12 m внатрешен дијаметар и 2,8 m висина на пакетот. Во 2006 год. е произведен хидрогенератор со нешто поголема моќност 375 MVA (max. 416,7 MW) и брзина 150 min -1 за мексиканската хидроелектрана El Cajon; неговите димензии се 10,84 m дијаметар на статорот и 3 m висина на статорскиот пакет. Денес во "Power Machines Branch Electrosila" се користат модерни материјали: тенка термостабилна изолација класа F за намотката на статорот, за магнетното јадро ладновалани динамо лимови изолирани со модерен тенок изолациски лак, немагнетен материјал за крајните плочи на половите, како и тефлонски носечки и водечки лежишта [15].

11 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 11/ Voith Siemens Hydro Со компанијата Siemens се поврзани најголемите хидрогенератори во светот, како што се во Itaipu во Бразил (824 MVA; 18 kv; 90,9 min -1 ; дијаметар на статорот 16 m), Grand Coulee во САД (826 MVA; 15 kv; 85,7 min-1; дијаметар 18,8 m) и Three Gorges во Кина (840 MVA; 20 kv; 75 min -1 ; статор со дијаметар 18,5 m). Најголемиот хидрогенератор ладен со вода има моќност 824 MVA и е инсталиран во електраната Three Gorges, додека генераторот ладен со вода има моќност 805 MVA и е инсталиран во Guri. Најголема моќност по пол е постигната кај ХГ инсталиран во во Guangzhou II во Кина, и изнесува 31,7 MVA/пол. Се користи VPI систем за ладење под името Micalastic. Статорските прачки се пресувани и сушени на температура помеѓу 140 C и 160 C. Главата на намотките е прицврстена со среден прстен, со прстен со радијална потпора и со низ на горни и долни вметоци. Пакетот на статорот е прицврстен на посебен начин, така што е 'слободен' во радијален правец и на тој начин се избегнати деформациите ('buckling') поради температурните дилатации. Освен тоа, во механичката конструкција и лежиштата се направени уште низа на усовршувања и подобрувања [16]. 4. ЗАКЛУЧОК На 42. советување CIGRE во Париз во 2008 година беше одржана "Giga-Watt Generation Panel Session". Во трудот се прикажани прегледно најинтересните детали и заклучоци од оваа дискусија. Презентирани се подетално конструктивните особености на најголемите во светот инсталирани турбогенератори и хидрогенератори. Исто така, дискутирани се идните развојни планови на најголемите светски производители на генераторски агрегати. Целта на овој труд е да ги презентира на стручната јавност најсовремените светски достигнувања во оваа област. Во светот денес, најголемите генераторски агрегати ги произведуваат моќни компании кои настанале со спојување на поранешни големи и реномирани фирми, кои самостојно не можеле да опстанат во изострените пазарни услови. Често пати со интеграција на повеќе фирми можно е да се обедини производството на генераторите заедно со изградбата и на погонскиот дел на електраните. Тенденциите во развојот на турбогенераторите се да се достигнат моќности од 2000 MVA во 4-полна изведба за нуклеарни електрани и моќности од 840 MVA за спороодни хидрогенератори. Често моќноста на хидрогенераторите се искажува по пол, така што идниот развој оди кон вредности поголеми од 30 MVA/пол. Турбогенераторите ладени со воздух ќе се развиваат до 400 MVA, додека хидрогенераторите за цевни агрегати ќе достигнуваат моќности од ред на големина до 80 MVA. Тенденциите во градбата на реверзибилни електрани одат кон примена на асинхрони генератори со мала процентуална (%) можност за регулација на брзината заради подобра ефикасност и во моторен и во генераторски режим. 5. ЛИТЕРАТУРА [1] J.-L. Seichepine. "Evolutions recentes des turbo-alternateurs", RGE, Revue Generale de l electricite, No. 11, 1992, p.p [2] R. Joho, Y. Sabater, H. Ferretto, D. Abraham, W. Ferens. "Hydrogen/Water - Cooled Turbo-generators: A Mature Technology on the Move", ALSTOM, CIGRE Paris 2008, A1-117, Panel Session, p.p [3] M. Duk Seo, S. Han Lee, D. Heon Kim, Se Wook Oh, C. Whie Cho. "Tandem Compound 2 Pole 1222 MVA Generator for Fossil Power Plant", CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, p.p [4] O. Antonjuk, E. Gurevich. "Four-Pole Turbogenerators with an Output Capacity of 1200 MW and Higher", Branch Electrosila of the OJSC Power Machines in Saint Petersburg, Russia, CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, p.p [5] K. Hattori, K. Takahashi, S. Tohnosu, K. Miyakawa. "State-of-the-art Technology for Large Turbine Generators", Hitachi Ltd. Japan, CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, p.p [6] H. Ito. "Evolution of Large Fossil Fired Turbo-generator", Toshiba Corporation Japan, CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, p.p [7] R. Joho, J. Baumgartner, T. Hinkel, C.-E. Stephan, M. Jung. "Type-tested Air-cooled Turbo-generator in the 500 MVA Range", CIGRE Paris 2000, paper , p.p [8] S. Ru Gang, R.M. Booth, B. Guigues, M. Verrier. "Design and experience feed back for 3000 rpm 1000 MW nuclear power station in China", CIGRE Paris 2000, paper , p.p [9] A. Bock, R. Joho, T. Baumann, C.-E. Stephan. "Trends in Insulation Systems for Generator HV- Windings", CIGRE Paris 2002, paper , p.p. 1-4.

12 MAKO CIGRE 2009 A1-1R 12/12 [10] M. Iseli, K. Mayor, Y. Sabater, M. Verrier, B. Zimmerli. "Air-Cooled Turbogenerator Series for a Changing Market", CIGRE Paris 2002, paper , p.p [11] T. Kitajima, H. Ito, S. Nagano, Y. Kazao. "The World s Largest Capacity Turbine Generators with Indirect Hydrogen-Cooling', CIGRE Paris 2004, paper A1-106, p.p [12] L. Montgomery, K. Sedlazeck. "Generators > 1200 MW", Siemens, CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, p.p [13] R. Joho, C. Picech, K. Mayor. "Large Air-Cooled Turbogenerators Extending the Boundaries", CIGRE Paris 2004, paper A1-106, p.p [14] K. Scherer. "Applications for Large Generators", VA TECH HYDRO, Austria, CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, pp. 1. [15] Y. Degusarov. "Generator Development Panel Session Hydrogenerators", Elektrosila, Russia, CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, p.p [16] T. Hildinger. "Generator Presentation VOITH SIEMENS HYDRO", CIGRE Paris 2008, SC A1 Panel Session, p.p [17] E. I. Gurevich, N. D. Pinchuk. "Experimental study of the latest design of the powerful air-cooled turbogenerator stator', CIGRE Paris 2008, paper A1-103.