Типы и параметры гидрогенераторов

Гидрогенератор – это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию гидравлической турбины в электрическую. Гидрогенератор обычно имеет общий вал с гидравлической турбиной. На гидроэлектростанциях Российской Федерации, как правило, применяются трехфазные синхронные гидрогенераторы. Гидрогенератор состоит из ротора с полюсной системой и статора с равномерно распределенной стержневой обмоткой. При вращении ротора создаваемое полюсами магнитное поле пересекает стержни обмотки статора, в которой наводится электродвижущая сила. При включении гидрогенератора в электрическую сеть с потребителями энергии по обмотке статора будет протекать ток, создавая электрическую нагрузку генератора.

Гидрогенераторы по частоте вращения делятся на три основные группы: тихоходные с частотой вращения до 100 об/мин, средней скорости с частотой вращения от 100 до 200 об/мин и быстроходные с частотой вращения свыше 200 об/мин.

Относительно небольшая частота вращения гидрогенераторов при большой номинальной мощности определяет большие размеры и массы активных и конструктивных его частей. Современные мощные гидрогенераторы имеют диаметр корпуса более 20 м при длине от 3,5 до 4 м, а их масса часто превосходит 1500 т. Большие размеры и масса гидрогенератора определяют обычно вертикальное расположение оси его вала. Такие гидрогенераторы называются вертикальными. К ним относятся гидрогенераторы первой и второй группы.

При больших частотах вращения гидрогенераторы выполняются горизонтальными. В этом случае они имеют относительно небольшие размеры и массы. К таким гидрогенераторам относятся капсульные гидрогенераторы, которые размещаются в капсуле, омываемой водой прямоосного проточного тракта гидротурбины.

Малые ГЭС

Малые ГЭС сооружались и успешно эксплуатировались в специфических северных условиях уже с конца XIX в. Начиная с 1940-х гг в России широко практиковалось сооружение малых и мини-ГЭС (МГЭС). Отсутствие достаточных генерирующих мощностей в централизованных энергосистемах, а также высокая стоимость присоединения к ним делали вариант строительства и эксплуатации МГЭС вполне рентабельным. Они в основном и работали как независимые энергопроизводители, изолированно от крупных энергосистем. К 1959 г. число МГЭС составляло около 5 тыс., а суммарная их мощность достигла 482 МВт. В Красноярском крае в 1961 г в Северо-Енисейском районе на р. Енашимо вступила в строй Енашиминская ГЭС мощностью 5500 кВт.

Расширение строительства крупных электростанций одновременно с интенсивным сооружением линии электропередачи в 1960 – 1970 гг. сделало эксплуатацию мини-ГЭС невыгодной из-за отсутствия современных систем автоматического регулирования и контроля, а также недостатка квалифицированных специалистов.

В последнее время в стране возобновились работы по проектированию и строительству малых и микро ГЭС.

На территории России, даже в районах развитой ЭЭС, имеется значительное количество мелких изолированных потребителей, электроснабжение которых осуществляется от автономных источников. К этой категории относятся удаленные сельские населённые пункты, горнодобывающие прииски, поселения скотоводов, охотников и рыбаков, фермерские хозяйства, а также другие мелкие потребители, расположенные в труднодоступных и удаленных районах. Для этих районов целесообразно применение малых ГЭС.

Малые ГЭС могут быть реализованы в виде низконапорных и свободно-поточных станций. Минимальную стоимость изготовления, монтажа и эксплуатации имеют свободно-поточные микро ГЭС погружного и наплавного типа мощностью до 100 кВт. Погружные микро ГЭС круглогодичного действия удобны для небольших посёлков, фермерских хозяйств. Они могут использоваться автономно или параллельно с дизельными электростанциями. Наплавные установки могут применяться в летнее время в партии изыскателей, на пастбищах и т.п.

В условиях Сибири большое количество малых рек с необходимым запасом гидроресурсов позволяет достаточно экономично решить проблему электроснабжения маломощных потребителей.

Выбор оптимальной конструкции малой гидроэлектростанции является комплексной задачей, включающей в себя выбор расчётных параметров водотока и мощностей одного модуля, конструкции турбины и генератора, компоновки всей электростанции. Применение поплавковых микро-ГЭС обходится дешевле, сама конструкция существенно проще. Недостатком её является сезонность работы, требование отсутствия на реке лесосплава.

Микро ГЭС мощностью 16 кВт выпускается заводом «Тяжэлектромаш» г. Бишкек с 1988 года. Конструкторскую проработку станции, включая гидротурбину, осуществлял Проектно-конструкторский и технологический институт (ПКТИ) Водоавтоматика и метрология г. Бишкек.

Система стабилизации напряжения и частоты автобалластного типа разработана в Томске и доведена до серийного производства в результате совместных усилий ТПУ и ПКТИ «Водоавтоматика и метрология».

В Сибирском федеральном университете под руководством профессоров А. Л. Встовского и М. П. Головина разработаны эскизные проекты торцевых синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, которые имеют частоту вращения от 75 об/мин до 1500 об/мин и позволяют примененять их в установках без мультипликатора (масса и габариты этих генераторов в сравнении с серийно выпускаемыми с учётом массы мультипликатора ниже на 35 – 40%, ниже будет и их стоимость в условиях отлаженного серийного производства). Определены скорость течения, глубина и ширина некоторых рек Сибири, на которых возможна установка наплавных свободно-поточных микро-ГЭС мощностью до 50 кВт в модуле.

Разработанная в СФУ конструкция микро ГЭС на базе торцевого генератора с приводом от ортогональной турбины позволила создать автономный источник энергоснабжения, по количественным и качественным показателям не имеющий аналогов в мировой практике. Конструкция автономной энергоустановки за счёт использования в ней предлагаемого генератора транспортабельна, имеет сравнительно небольшие габариты и массу, упрощённую схему монтажа и эксплуатации. При изготовлении генератора не требуется специализированного оборудования.