بررسی چگونگی نصب تجهیزات الکتریکی در نیروگاه در حال ساخت

بخشی از فهرست مطالب پروژه بررسی چگونگی نصب تجهیزات الکتریکی در نیروگاه در حال ساخت

فصل اول : مقدمه

۱-۱ انواع ژنراتورها

۱-۲ پیشینه تاریخی

۱-۳ استانداردها  و مشخصات

فصل دوم: تئوری ژنراتور سنکرون

۲-۱ القای الکترومغناطیسی

۲-۲ سرعت، فرکانس و زوج قطبها

۲-۳ بار، مقادیر نامی و ضریب توان

۲-۴ MMF ، فلوی مغناطیسی

۲-۵ فازورهای دوار

۲-۶ دیاگرام فازوری

۲-۶-۱ ولتاژ نامی، استاتور بدون جریان ، شرایط مدار باز

۲-۶-۲ ولتاژ نامی، جریانت استاتور نامی و ضریب توان نامی

۲-۷ گشتاور

۲-۸ سیم پیچ سه فاز

۲-۹ هارمونیک ها: سیم پیچی توزیع شده و کسری

فصل سوم : روتور و استاتور

۳-۱ سیم پیچی روتور

۳-۲ دمنده ها

۳-۳ هسته استاتور

۳-۴ سیم پیچی استاتور

فصل چهارم : سیستم های خنک کن

۴-۱ خنک کن هیدروژنی

۴-۲ سیستم خنک کن هیدروژنی

۴-۳ سیستم خنک کن آبی سیم پیچ استاتور

۴-۴ سیستم های خنک کن دیگر

فصل پنجم: توربوژنراتور TY

۵-۱ اصل ماشین سنکرون

۵-۲ تشریح ژنراتور

۵-۲-۱ دورنمایی از ژنراتور

۵-۲-۲ استاتور

۵-۲-۳ سیم پیچ استاتور

۵-۲-۴ روتور

۵-۲-۵ هواکش های محوری(فن های محوری)

۵-۳ سیستم خنک کننده

۵-۳-۱ مسیر هوا خنک کن در استاتور

۵-۳-۲ مسیر هوای خنک در کنداکتورهای روتور

۵-۳-۳ فیلتر های جبران هوا

۵-۳-۴ کولرها

۵-۴ یاتاقانها

۵-۵ رینگهای لغزشی و نگهدارنده های ذغالی

منابع و مآخذ

مقدمه
۱-۱ انواع ژنراتورها
فرکانس کار شبکه انتقال CEGB (کمپانی برق بریتانیا)، ۵۰ هرتز می باشد، بنابراین ژنراتورهای سنکرون متصل به این شبکه نیز در فرکانس ۵۰ هرتز کار می کند. ژنراتورهای بزرگتر اغلب در سرعت ۳۰۰۰ دور بر دقیقه و بوسیله توربینهای بخار کار می کنند و تعداد کمی از آنها سرعتشان ۱۵۰۰ دور بر دقیقه است. این ژنراتورهای سرعت بالا که عموماً تحت عنوان توربین ژنراتورها از آن نام برده می شود و دارای روتور استوانه ای  می باشند. موضوع بحث این فصل می باشند. چنانچه منظور نوع دیگری از ژنراتورها باشد. صراحتاً ذکر می گردد.
از مدتها قبل، واحدهای استاندارد شده در شبکه CEGB، ژنراتورهای با ظرفیت ۵۰۰ و ۶۶۰ مگاوات بوده اند. در این ظرفیتها شش نوع طراحی مختلف انجام گرفته است که هر کدام در طول زمان تغییرات ناچیزی نسبت به هم داشته اند. به هر حال این ژنراتورها تا حد بسیار زیادی از نقطه نظر عمکرد بهم شبیه هستند و در صورتی که یک نوع خاص دارای تفاوت فاحشی باشد، این موضوع ذکر خواهد گردید (رجوع شود به شکل ۱-۱). قسمت اعظم این فصل به ژنراتورهای با ظرفیت های ذکر شده پرداخته و تئوری کلی ای در مورد ژنراتورهای سنکرون عنوان می گردد. در انتهای این فصل توضیح مختصری راجع به انواع دیگر ژنراتورهای مورد استفاده در CEGB داده خواهد شد.                  
۱-۲ پیشینه تاریخی
مزیت شبکه های توزیع AC بر DC در اواخر قرن نوزدهم مشخص گردید و رشد سریع شبکه های AC به دنبال خود نیاز به ژنراتورهای AC را بدنبال داشت. ژنراتورهای اولیه، ماشینهای با سرعت پایین بودند که بوسیله موتورهای رسپیروکال  می چرخیدند، ولی در حوالی سالهای ۱۹۰۰ به بعد ژنراتورها مستقیماً بوسیله توربینهای بخار  سرعت بالا به حرکت در آمدند و پایه ماشینهای مدرن امروزی را بنیاد نهادند. روند پیشرفت عمدتاً در محرک ژنراتورها بوده است. توربین ژنراتورهای اولیه هم بصورت محور عمودی و هم بصورت محور افقی ساخته می شدند.

 
شکل ۱-۱ مقطع ژنراتور۶۰۰ مگاواتی
از آنجا که فشار بیشتری بر اتصالات محور نوع عمودی وارد می شود، این نوع ژنراتورها خیلی زود از رده خارج شدند. توسعه ژنراتورهای با محور افقی بسیار سریع بود بطوری که ژنراتورهای از چند صد کیلووات تا ۲۰ مگاوات در سالهای ۱۹۱۲ ساخته شدند (رجوع شود به شکل ۱-۲).
 شکل ۱-۲ ژنراتور۲۰ مگاواتی خنک شده با هوا
بعد از این سالها، افزایش در توان خروجی ژنراتورها تا حدودی محدود بود بطوری که در دهه  1930، ژنراتورها دارای ظرفیت خروجی تا حداکثر ۵۰ مگاوات بودند. فرکانس برق تولیدی در شبکه آمریکا، ۶۰ هرتز است و نتیجتاً ژنراتورهای سنکرون در آمریکا دارای سرعت بالاتری می باشند؛ مثلاً در ماشینهای دو قطبی این سرعت برابر با ۳۶۰۰ دور بر دقیقه می باشد. در این سرعتها اصطلاک هوا سبب ایجاد تلفات بالاتری می گردد و به همین دلیل هیدروژن بخاطر غلظت کمترش به عنوان خنک کننده مناسب تر مورد استفاده قرار گرفت. در بریتانیا استفاده از ژنراتورهای با خنک کن هیدروژنی در سرعت ۳۰۰۰ دور بر دقیقه و ظرفیت خروجی ۵۰ مگاوات در دهه ۱۹۵۰ متداول گردید.
بعدها، جستجو در جهت روشهای دفع حرارت موثر منجر به استفاه از هیدروژن در فشار بالاتر گردید. قدم بعدی استفاده از روغن عایق و نهایتاً در بریتانیا استفاده از آب در تماس مستقیم با هادی سیم پیچیها بود. با این تمهیدات، امکان ساخت ژنراتور با توان خروجی بالا مهیا گردید تا بتواند پس از حمل و نصب بعنوان یک واحد تکی در نیروگاه مورد بهره برداری قرار گیرد که عمدتاً هم از نظر اقتصادی و هم از نظر عمکلرد جالب بود (رجوع شود به شکل ۱-۳ ). با توجه به تاکید مهمتری که در سالهای اخیر بر قابلیت اعتماد در طراحی و قابلیت تعویض قطعات  گذاشته است، رشد افزایش توان خروجی و گامهای توسعه در ژنراتورها، کندتر شده است.
 
شکل ۱-۳  توسعه وزن و سیستمهای خنک ژنراتور
۱-۳ استانداردها و مشخصات
استاندارد بریتانیائی حاکم بر ژنراتورها، استاندارد ۵۰۰۰BS می باشد که در اغلب قسمت ها به استاندارد ۴۹۹۹BS برمی گردد. استاندارد بین المللی قابل مقایسه، استاندارد ۳۴IEC می باشد. استاندارد خاص توربین ژنراتورها، ۵۰۰۰BS و ۳۴IEC است. این استانداردها در برگیرنده مشخصات قابل قبول، مقادیر دماها، ارتعاش ، نویز، میزان عدم توازن در فازها ، محتوای هارمونیکی، محدودیتها و تولرانسها  در کنترل محرک و شرایط تست، به عنوان مثال حدود تست و فشار قوی، می باشند. پارامترهای دیگر از قبیل فشار سیستم روغن و حدود تست تلفات عایقی در استاندارهای مختلف CEGB مشخص شده اند.
احتیاجات خاص برای یک ژنراتور جدید در مشخصات خود ژنراتور گنجانده می شود. این مشخصات عمدتاً بستگی به محل نصب و وظیفه خاص ژنراتور دارد. به عنوان مثال می توان به دمای آب خنک کن و ضریب توان اشاره نمود. این مشخصات می تواند با استانداردهای عملی متفاوت باشد. طول عمر مورد انتظار یک ژنراتور نیز جزء این مشخصات است که معمولاً حدود ۲۰۰۰۰۰ ساعت در طول ۱۰۰۰۰ دوره روشن و خاموش شدن می باشد. ضمناً این مقادیر در طراحی استفاده می شوند. به عنوان مثال بوجود آمدن ترکها بر اثر خستگی به این مقادیر خاص بستگی دارد.

فصل دوم
تئوری ژنراتور سنکرون
به منظور فهم بهتر موضوعهایی که در قسمت انتهایی این فصل به تفصیل آمده است ، در این قسمت بعضی از اصول اساسی تئوری طراحی ژنراتورهای سنکرون آورده می شود.
۲-۱ القاء الکترومغناطیسی
در یک ژنراتور سنکرون که روتور آن با سرعت ثابت می چرخد ، ولتاژ لحظه ای القاء شده در یک هادی استاتور متناسب با چگالی فلوی مغناطیسی که هادی در آن قرار دارد ، می باشد.
(۲-۱)                                                            
که در آن :
e : ولتاژ القاء شده لحظه ای در طول هادی برحسب ولت
  : نرخ تغییرات چگالی فلوی مغناطیسی برحسب تسلا بر ثانیه
I : طول هادی واقع شده در میدان
K : مقدار ثابت
می باشد. به منظور عملکرد سنکرون ژنراتور در یک شبکه انتقال انرژی AC ، ولتاژ القایی باید بصورت سینوسی با زمان تغییر نماید. بدین لحاظ باید تغییرات چگالی فلوی مغناطیسی نیز به صورت سینوسی باشد. این امر بوسیله آرایش مناسب کلاف های روتور تحقق می یابد به نحوی که فلو دارای چگالی تقریباً سینوسی در اطراف محیط روتور باشد. با چرخش روتور در داخل استاتور ، در هادی های استاتور (به علت واقع شدن در یک محیط با چگالی فلوی سینوسی) ، ولتاژ سینوسی القاء می گردد (رجوع شود به شکل ۲-۱)
 
شکل ۲-۱ تولید ولتاژ سینوسی
اندازه چگالی فلوی مغناطیسی را که عامل تعیین کننده در مقدار ولتاژ القائی در هادی های استاتور می‌باشد، می توان با تغییر جریان اعمال شده به کلافهای سیستم تحریک واقع بر روی روتور تنظیم نمود.

روتورهای ژنراتورهای ۵۰ هرتز از نوع استوانه ای دارای دو قطب می باشد و در سرعت ۳۰۰۰ دور بر دقیقه می چرخند در نوع چهار قطب که کمتر متداول است ، سرعت چرخش برابر با ۱۵۰۰ دور بر دقیقه می‌باشد. روتورهای با قطب برجسته معمولاً دارای قطبهای بیشتری (بیش از چهار قطب) بوده و بعنوان مثال توربین ژنراتورهای هیدرولیکی Dinorwig   دارای ۱۲ قطب می باشند که در سرعت ۵۰۰ دور بر دقیقه می چرخند. ژنراتورهایی که فرکانس دیگری را تولید می کند در کاربردهای خاص مورد استفاده واقع می‌شوند. به عنوان مثال برخی از سیستم های تحریک دارای منبع تغذیه با فرکانس ۱۵۰ یا ۴۰۰ هرتز می‌باشند.
۲-۳ بار، مقادیر نامی و ضریب توان
مقادیری که در این قسمت برای ولتاژها و جریانها آورده می شوند همگی مقادیر موثر هستند مگر اینکه صراحتاً عنوان گردند.
روابط ولتاژ و جریان در یک ژنراتور AC تکی بوسیله ماهیت بار تعیین می گردد. برای یکبار غیر مقاومتی ولتاژ و جریان ژنراتور هم فاز نیستند.
ظرفیت خروجی نامی یک ژنراتور تک فاز با حا صلضرب جریان نامی در ولتاژ نامی برابر است و بر حسب ولت آمپر (VA) ، کیلو ولت آمپر (KVA) و یا مگا ولت آمپر (MVA) بیان می شود. توان اکتیو نامی خروجی ژنراتور با حاصلضرب ظرفیت نامی در ضریب توان نامی برابر است و برحسب وات، کیلووات (KW) یا مگاوات (MW) سنجیده می شود.

ظرفیت خروجی با MCR که همان ظرفیت پیوسته ماکزیمم  است مشخص می شود که و بدان معنی است که ژنراتور قادر نیست اضافه بار پیوسته ای را تضمین نماید. استانداردها تحمل اضافه جریان در مدت خیلی کوتاه و تغییرات قابل قبول در ولتاژ و فرکانس را مشخص می نمایند. طبق قرارداد در فشار هیدروژن بالاتر برخی اضافه بارهای بیشتر از مقدار نامی امکان پذیر است.
اگر چه حداقل ضریب توان در شبکه CEGB برابر با ۸۵/۰ پس فاز مشخص شده است، ژنراتورها در ضریب توان ۹/۰ و یا بالاتر کار می کنند و همین امر به ما اجازه می دهد که عملکرد در توان نامی بالاتر را داشته باشیم به شرط اینکه توربین بتواند توان اضافی را تامین نماید. ولی در هر حال حد توان اکتیو همان حد MVA نامی است.(رجوع شود به شکل ۲-۲)
۲-۴ MMF ، فلوی مغناطیسی
عبور جریان مستقیم از هادی هایی که به دور قطبهای روتور پیچیده شده اند سبب ایجاد یک آهنربای الکتریکی در روتور می گردد که نتیجتاً یک نیروی محرکه مغناطیسی (MMF) خواهیم داشت. این نیرو را می توانیم تحت عنوان نیروی رانش فلوی مغناطیسی بنامیم. مقدار MMF بستگی به ماکزیمم چگالی فلو جهت تولید ولتاژ لازم و همچنین به رلوکتانس مدار مغناطیسی دارد. مدار مغناطیسی از مسیرهای با رلوکتانس کم در آهن روتور و استاتور و همچنین مسیر با رلوکتانس بالا در درون فاصله هوائی تشکیل شده است. رلوکتانس فاصله هوائی نسبتاً ثابت است اما رلوکتانس مسیر آهنی با افزایش چگالی فلو افزایش می‌یابد که در این حالت اشباع آهن را بدنبال خواهد داشت.
 
 
در یک ماشین سنکرون ، همه کمیاتی که تغییرات سینوسی دارند (ولتاژ ، جریان و غیره) را می توان بوسیله فازورهایی که در سرعت ثابت سنکرون می چرخند نشان داد. یک دیاگرام فازوری را می توان به صورت مجموعه ای از فازورها در نظر گرفت که با رابطه مشخصی نسبت به یکدیگر همگی با سرعت مساوی می چرخند. در یک ماشین سه فازبا خروجی متعادل ، شرایط یک فاز را می توان عیناً مانند فازهای دیگر و با ۱۲۰ درجه اختلاف فاز در نظر گرفت. به منظور روشن شدن بحث معمولاً یک فاز را انتخاب کرده و فازورهای این فاز را بعنوان نماینده دیگر فازها در نظر می گیریم.

۲-۶ دیاگرام های فازوری
۲-۶-۱ ولتاژ نامی ، استاتور بدون جریان ، شرایط مدار باز
فرض کنیم یک فاز ولتاژ را با فازور V (رجوع شود به شکل ۷-۶) در نظر بگیریم. از آنجا که ولتاژ مشتق تغییرات چگالی فلو می باشد، بنابراین فازور B به اندازه ۹۰ درجه با فازور ولتاژ اختلاف فاز دارد. همچنین MMF که با F نشان داده شده است با فازور B هم فاز است.
 
شکل ۲-۴ فازورها در شرایط مدار باز
۲-۶-۲ ولتاژ نامی، جریان استاتور نامی و ضریب توان نامی
اگر ضریب توان رابا   نشان دهیم ،  زاویه بین فازورهای ولتاژ و جریان است ، همانطور که در شکل ۲-۵ برای یک ضریب توان پس فاز نشان داده شده است. جریان چرخشی در سیم پیچی استاتور سبب افت ولتاژ مقاومتی به اندازه RI  و افت راکتیو برابر با IXL  ناشی از راکتانس پراکندگی XL  می گردد. افت ولتاژ RI هم جهت با I و افت ولتاژ IXL  ، ۹۰ درجه با جریان تاخیر فاز دارد. از آنجا که مقدار R عملاً ناچیز است ، افت مقاومتی را می توان صرفنظر نمود. با توجه به دیاگرام، فازور ولتاژ داخلی برابر با E باید در سیم پیچی استاتور تولید گردد به نحوی که پس از کسر (بصورت فازوری) افت پراکندگی، ولتاژ ترمینال ژنراتور برابر با V گردد.