Расчет температурного состояния стержней турбогенераторов с воздушным охлаждением в режимах короткого замыкания

УДК 519.2

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СТЕРЖНЕЙ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ В РЕЖИМАХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

А.В. Третьяк

Выполнен детальный анализ существующих методик расчета теплового состояния стержней турбогенераторов, учтены недостатки существующих методик. Предлагается метод расчета теплового состояния стержней турбогенераторов с воздушным охлаждением методом конечных элементов в 3-х мерной постановке, с учетом действия циркуляционных токов. Проведен расчет в режиме короткого замыкания турбогенератора и обоснована возможность дальнейшей эксплуатация статора после режима короткого замыкания.

Ключевые слова: турбогенератор, воздушное охлаждение, тепловой расчет, режим короткого замыкания, ресурс, система охлаждения.

В настоящее время необходимо производство и создание турбогенераторов с воздушным охлаждением мощностью более 100 МВт, в связи с их высокой надежностью, простотой в эксплуатации, пожаробезопасностью, а также отсутствием дополнительных систем жизнеобеспечения.

В ремонтной и аварийной документации турбогенераторов акцентируется внимание на большом количестве повреждений конструкционных элементов статора, которые вызваны тепловыми нагрузками. При этом 15-20% отказов приходится на стержни статорных обмоток в результате повреждения изоляции, вследствие нагрева токопроводящих элементов статора. Самые серьезные повреждения изоляции наблюдаютя в лобовых частях при режимах короткого замыкания. Для контроля теплового состояния статора предусмотрен ряд различных измерительных приборов. В условиях эксплуатации производится контроль только пазовой части стержней, контроль лобовой части не предусмотрен.

При нестационарных режимах работы турбогенераторов, режимах коротких замыканий, возникает необходимость производить контроль теплового состояни не только пазовой, но и лобовых частей стержней. Актуальность темы

Охлаждение турбогенераторов является основным фактором в увеличении мощности и безотказной работы электростанций. Улучшение существующих систем охлаждения турбогенераторов, а также возможность более полного использования существующих мощностей, без увеличения массы активных частей турбогенератора, не возможно без более детального анализа и расчета температурного состояния обмотки статора при стационарных режимах, а также аварийных режимах короткого замыкания.

Цели и задачи исследования

Основными неотложными задачами, для обеспечения разработки конкурентноспособных конструкций, при проектировании турбогенераторов с воздушным охлаждением являются:

1. Разработка модели теплового состояния стержней, которая обеспечит расчет температурного поля с учетом более точного задания потерь вызванных циркуляционными токами и омическими потерями.

2. С использованием математической модели теплового сосотояния стержней необходимо провести анализ и обосновать ресурс стержней, после возможных режимов короткого замыкания, обусловленных высокими токовыми и температурными нагрузками.

3. Улучшить теплообмен в зоне пазовых частей стержней.

Состояние проблемы и постановка задачи исследования

Велечина нагрузки турбогенераторов определяется допустимыми

рабочими температурами для применяемых материалов активных частей (медные проводники обмотки статора и шихтованная сталь). Допускаемые температуры активных частей закладываюся на этапе проектирования. Система охлаждения определяет основную концепцию конструкции турбогенератора. Поэтому расчет температурных полей должен удовлетворять нормам температурных нагрузок.

При тепловом расчете в зарубежной и отечественной практике применяют ряд следующих методик:

1. Расчет теплового состояния методом развернутых эквивалентных

схем;

2. Аналитический метод определения теплового состояния;

3. Метод конечных элементов.

Самым распространенным методом расчета температурных полей является метод развернутых эквивалентных схем, который основан на представлении конструкции в виде однородных тел. Достоинством данного метода является возможность достаточного быстрого расчета температурного состояния электрических машин с простой компановкой и определения характерных значений температуры в деталях конструкции. Существенным недостатоком является очень большая погрешность ±10%, что делает невозможным применением данного метогда при расчете температурного состояния высоконагруженных турбогенераторов.

Вторым по применяемости является аналитический метод определения темпетурных полей, заключающийся в записи дифференциальных уравнений описывающих распределение температуры вдоль улов и деталей турбогенераторов. При рассмотрении теплового состоянии данным методом могут быть определены температуры по длине, трехмерная задача описывается очень большим количеством уравнений, что в конечном итоге приводит к очень большой погрешности.

Последнее время достаточно широкое применение получил метод

конечных элементов. Данный метод применяется в совремнных прикладных программах типа Solid Works Simulation, Ansys, ELCUT для моделирования тепловых и электромагнитных полей. Наиболее полное описание температурного состояния статора электрического двигателя описано в работе [1]. Достоинством данного метода является очень высокая точность. Недостатком применяемой методики является отсутсвие расчета тепловых потерь в лобовой части стержней. Для улучшения данного метода необходимо разработать модель, которая обеспечит расчет температурного поля с учетом более точного задания потерь вызванных циркуляционными токами и омическими потерями в зоне лобовых частей.

В настоящее время все производители выполняют интенсификацию охлаждения в зоне пазовых частей стержней, ввиду уменьшения тепловых нагрузок, поэтому увеличение теплосьема в зубцовой зоне, месте укладки стержней, играет очень большую роль. В мире розработаны конструкции турбогенераторов с воздушным охлаждением мощностью более 500 МВт. На этапе проектирования необходимо решить задачи интенсификации охлаждения в пазовых частях стержней, месте установки стержня в сталь статора, а именно зубцовой зоне; определить тепловое состояния во всех режимах на неконтролируемых участках стержней лобовых частях.

Разработка модели лобовых частей стержней турбогенераторов, в части более точного задания потерь вызванных циркуляционными токами.

Конструкция стержней турбогенераторов достаточно детально описана в литературе [3],[4].

Основными составляющими конструкции стержня турбогенератора ТА-120 (рис. 1) являются: медь (82 проводника) поз. 1., изоляционная прокладка поз. 2, слюдинитовая изоляция в виде ленты толщиной 0,16 мм, в количестве 14 слоев, класс изоляции F поз.З.

с

Рис. 2. Схема распределения ЭДС вызванных

Рис. 1. Конструктивные элементы стержня

3G8

Наиболее сложной геометрически является лобовая часть стержней. Ввиду сложной геометрии температурное поле лобовых частей стержней, как правило, не расчитывается.

Расположение лобовых частей стержней в пространстве определяется расположением в пазу и соединением в лобовых частях двух стержней одной фазы, а именно расположением точек стержня на конусе путем удаления векторного расположения точек на нужный геометрический угол и носит наименование «эвольвентное».

На рисунке 3 приведена схема расположения геометрии лобовой части в пространстве, где 1 модель развертки на плоскости, 2 образующая эвольвенты, наложенная на конус 3. Причем лобовые соединения, независимо от характера их исполнения, тем больше удаляются от пакета статора и друг от друга, чем выше напряжение машины.

Для определения массива точек определяющих положения провод-нирков стержня в 3-х мерном пространстве разработана программа [2].

При определении основных и дополнительных электрических потерь, приводящих к тепловыделению в стержнях наименее изученными являются потери, вызванные циркуляционными токами. Циркуляционные токи существенно перегружают отдельные проводники стержня и могут явиться причиной повреждения обмотки. На рисунке 2 приведено распределения циркляционных токов вдоль проводников стержня. Известные формулы определения электрических потерь в лобовой части стержня, дают лишь приближенное и усредненное значение. При определении цирку-ляциооных токов использована формула определения проекции вектора магнитной индукции для лобовых частей [5], в виде:

Рис. 3. Определение вылета лобовых частей стержней

в пространстве

>1,2 ' г

21,2 • у

10-7 С1)

где х,у,2 - координаты средней линии стержня;

х1,2 , У1,2, 21,2 - координаты расположения вектора проводника относительно средней линии.

Согласно теореме о циркуляции магнитного поля в дифференциальной форме, выразим плотность тока:

В результате решения дифференциального уравнения (4), для массива точек лобовой части (см. рисунок 3 поз. 2), определяется плотность тока и тепловыделение.

При определении температурного поля стержней используется программный продукт SolidWorks Simulation, позволяющий определять трехмерное распределение параметров в элементах конструкции. В программном продукте решается система уравнений сохранения энергии для элементов конструкции, дополненная граничными и начальными условиями, теплофизическими свойствами теплоносителя и материала конструкции. Уравнение энергии для элементов конструкции записывается в виде:

где е=сТ, с- удельная теплоемкость, Т- температура; X- теплопроводность, Qн - удельное (в единице объема) тепловыделение источника тепла.

Расчетная схема стержня и основные элементы конструкции представлена в статье [5].

Для определения коэффициентов теплоотдачи необходимо определить скорости течения воздуха в зоне лобовых частей. Для расчета скоростей потока используется метод «схем замещения». При определении скоростей и расходов воздуха в системе вентиляции была построена принципиальная схема сопротивлений цепи и определены скорости для основных сечений системы охлаждения турбогенератора, скорость воздуха в зоне лобовых частей составила 16 м/с. При турбулетном течении направления и скорости частиц непрерывно изменяются и критериальное уравнение имеет вид:

r 4р r

rotB =— j c

dt дх; дх;

Nu = G,G432ReG,78

Коэффециент теплоотдачи с поверхностной стенки составит:

31G

« = 0,04321/_0,5

п см

Значения 1, V берутся из таблиц для средней температуры [5]. 1-длина стенки стержня

Коэффициент теплоотдачи равен 0,12 Вт- град/см .

В таблице 1 приведены допускаемое время и превышения по токовой нагрузке в режимах короткого замыкания:

Таблица 1

Допустимые токовые нагрузки турбогенераторов

І/Ін 1,15 1,2 1,25 1,3 1,4 1,5 2 2,5 >3

1 мин. 15 6 5 4 3 2 1 0,5 0,5

Для наиболее высокой токовой нагрузки 3 А/мм,возникающей в режиме короткого замыкания турбогенератора ТА-120 была разработана 3х мерная модель стежня и проведены расчеты температурного поля (рисунок 4). Как показал анализ температурного поля (см. рисунок 5), режим короткого замыкания не приведет к значительному уменьшению ресурса стержня. Поэтому, после осмотра статора и основных токоведущих элементов турбогенератора, согласно нормативной документации, турбогенератор может быть использован в дальнейшей эксплуатации без ограничений.

Рис. 4. Температурное поле

Температура, X

Рис. 5. График определения ресурса стержней

В данной работе детально изложена проблема расчета теплового состояния турбогенераторов с воздушным охлаждением. Проведен анализ существующих методик тепловых расчетов турбогенераторов. Определены

основные задачи возникающие при проектировании турбогенераторов с воздушным охлаждением.

В ходе работы были получены такие результаты:

1. Разработана модель теплового состояния стержней, которая обеспечивает расчет температурного поля с учетом более точного задания потерь вызванных циркуляционными токами и омическими потерями.

2. С использованием математической модели теплового сосотояния стержней проведен анализ и обоснована возможная дальнейшая эксплута-ция статора турбогенератора ТА-120 без ограничений после режимов к.з.

Список литературы

1. Глухов Д. М. Моделирование многофазных асинхронных двигателей в многофазных режимах роботы [Текст:] автореф. дис. канд.. техн.. наук 2005 г. / Томск, ГНУ «Научно- исследовательский институт автоматики и электромеханики при ТУСУР»(г. Томск), 2005. 18 с.

2. А.с. №29454. Украина. Компьютерная программа «Расчет эвольвенты 2009». Грубой А.П., Задоров Ю.М., Третьяк А.В. Дата регистрации 14.07.09

3. Филиппов И.Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. М. Л., Госэнергоиздат, 1964. 334 с.

4. Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин. М. Л., Госэнергоиздат, 1958. 428 с.

5. Чистяков, А. А. Электрические усилия в обмотках статоров мощных турбо- и гидрогенераторов [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук 1972 г. / Чистяков А.А.; С.-Петерб. гос. ун-т. ВНИИэлектромаш., 1972. 21 с.

6. А. П. Грубой, П.Г. Гакал, А.В. Третьяк Определение теплового состояния лобовых частей стержней обмотки турбогенераторов[Текст]/ А.П. Грубой, П.Г. Гакал, А.В. Третьяк // Авиационно-космическая техника и технология.2012-№8(95). С. 114-118.

7. А.П. Грубой, П.Г. Гакал, А.В. Третьяк Проблемы охлаждения турбогенераторов большой и средней мощности [Текст] / А.П. Грубой, П.Г. Гакал, А.В. Третьяк // Авиационно-космическая техника и технология, 2011, №7(84). С. 199-2017.

8. Патент на полезную модель №66935. Украина. Статор электрической машины. Кобзарь К.А., Гордиенко В.Ю, Третьяк А.В. Дата регистрации 21.01.12.

Третьяк А.B., зав. сектором мех. расчетов, ГП завод «Электротяжмаш», аспирант НАУим. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Харьков

CALCULATION OF THE TEMPERATURE CONDITION OF THE RODS

TURBOGENERATORS WITH AIR COOLING IN SHORT CIRCUIT MODES

A.V. Tretyak

Detailed analysis of the existing calculation methods of bars heat state of Turbogenerators was performed, deficiency of the existing methods were taken in to consideration. The calculation method of bars heat state of Turbogenerators with air cooling by the method of end elements in three dimensional model taking in to account action of circulating currents is proposed. The calculation was carried out in the short-circuit mode of Turbogenerator and the possibility of further stator operation after short-circuit was stated. Modernization of the existing cooling system with improved heat removal in the teeth zone was carried out.

Key words: turbogenerator, air cooling, heat calculation, short-circuit mode, resource, cooling system

Tretyak A.V., postgraduate, head. sector fur calculations, SE plant «Elec-trotyazhmash» NAU them. N.E. Zhukovsky «Khai», Kharkiv

УДК 519.2

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПЕРИОДА ПЛАВКИ В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

А.В. Разживин, О.В. Субботин

На основании аналитического метода разработана математическая модель оценки неконтролируемых электрических параметров плавки в ДСП, которая позволяет получить более точное описание технологического процесса

Ключевые слова: дуговая печь, электрическая дуга, мощность, математическая модель, дифференциальное уравнение.

Наиболее важным элементом в электрическом контуре дуговой сталеплавильной печи (ДСП) является электрическая дуга, определяющая работу печи и характер процессов в электрическом контуре. Следовательно, актуально автоматическое регулирование параметров электрической дуги. Основным параметром электрической дуги является ее мощность, которая непосредственно влияет на скорость нагрева жидкого металла [1]. Обычно регулирование мощности осуществляется путем переключения ступеней напряжения на печном трансформаторе.

В существующих системах для управления мощностью на электрической дуге используется косвенный метод контроля мощности, основанный на принципе умножения мгновенных значений силы тока и напряже-