Helstu íhlutir rafstöðvar og hvernig þeir virka í vatnsaflsvirkjun
Vatnsaflsvirkjun nýtir stöðuorku og hreyfiorku vatns til að framleiða rafmagn. Einn mikilvægasti íhluturinn í þessu kerfi er rafallinn, vél sem breytir vélrænni orku frá snúningi túrbínu í raforku með rafsegulfræðilegri örvun. Til að tryggja skilvirka orkubreytingu er vatnsaflsrafall samsettur úr nokkrum lykilhlutum sem vinna saman á samþættan hátt. Þessi grein fjallar um þessa íhluti og útskýrir hvernig rafall virkar í samhengi vatnsaflsvirkjunar.
Stutt yfirlit yfir vatnsaflsorkukerfið
Áður en farið er ofan í rafstöðina er mikilvægt að skilja orkuflæðið í vatnsaflsvirkjun. Vatn úr lóni eða stíflu rennur um þrýstirör að túrbínu. Þrýstingur og rennslishraði vatnsins veldur því að túrbínan snýst. Snúningur túrbínunnar er fluttur til áss sem er tengdur beint við rafstöðina. Rafallinn framleiðir síðan rafmagn, sem er síðan aukið í spennu í gegnum spenni og dreift til flutningskerfisins.
Megináhersla þessarar greinar er á það stig orkubreytingar úr vélrænni í rafmagnslega orku, þ.e. í rafalnum.
Grunnreglur rafala: Rafsegulfræðileg innleiðsla
Rafalar starfa samkvæmt lögmáli Faradays, sem segir að breyting á segulflæði í leiðara framkallar rafhreyfikraft (EMF). Í rafala er þessi breyting á segulflæði skapað af hlutfallslegri hreyfingu milli segulsviðsins og leiðaranspóla. Þegar snúningshlutinn snýst snýst segulsviðið miðað við statorspólurnar og myndar spennu yfir spólurnar. Þessi spenna framleiðir síðan rafstraum þegar hún er tengd við álag eða netkerfi.
Í vatnsaflsvirkjunum er algengast að nota þriggja fasa samstillta rafstöðvar því þær henta vel fyrir mikla, stöðuga orku og mikla afköst.
Helstu íhlutir rafala í vatnsaflsvirkjunum
1. Stator (kyrrstæður hluti)
Statorinn er sá hluti rafallsins sem snýst ekki. Þar myndast aðalspennan. Statorinn samanstendur af:
– Statorgrind: vélræn uppbygging sem styður innri íhluti.
– Kjarni statorsins: Samsettur úr kísilstálplötum til að draga úr tapi af völdum iðurstraums. Plöturnar eru þunnar plötur sem eru staflaðar saman til að brjóta leið iðurstraumsins.
– Statorvinding: spóla úr leiðaravír (venjulega kopar) sem er sett í raufar statorkjarans. Þessi spóla er venjulega hönnuð til að framleiða þriggja fasa afköst.
Statorinn virkar sem „staður“ fyrir raforku til að fara út, því að örvuð spenna birtist í spólunni hans.
2. Snúningshluti (snúningshluti)
Snúningsrotorinn er sá hluti rafstöðvarinnar sem snýst með túrbínuskafti. Í samstilltum vatnsaflsrafstöð framleiðir snúningsrotorinn aðal segulsviðið. Það eru tvær algengar gerðir af snúningsrotorum:
– Áberandi pólrotor: algengur í vatnsaflsvirkjunum þar sem vatnstúrbínur snúast yfirleitt á tiltölulega litlum hraða. Þessi tegund snúningsrotors hefur segulpóla sem standa út, hentar fyrir marga póla, sem gerir kleift að ná æskilegri tíðni við lágan hraða.
– Sívalur snúningsrotor (ekki útliggjandi): algengari í hraðvirkum varmaorkuverum, en einnig er hægt að nota hann við ákveðnar aðstæður.
Snúningshlutinn er einnig búinn segulvöfðu sem fær jafnstraum til að mynda segulsvið.
3. Örvunarkerfi
Til þess að snúningshlutinn geti framleitt segulsvið þarf rafallinn örvunarkerfi sem veitir jafnstraum til snúningshlutanna. Örvunarkerfið er mikilvægt því það ákvarðar:
– stærð útgangsspennu rafstöðvarinnar,
– geta rafstöðvarinnar til að veita eða taka upp launafl (VAR),
– rekstrarstöðugleiki þegar álagið breytist.
Algengar gerðir örvunar:
– Burstalaus örvun: áreiðanlegri, lítið viðhald, mikið notuð í nútíma vatnsaflsvirkjunum.
– Örvun með bursta (bursti/rennihringur): einfaldari en krefst viðhalds því snertihlutirnir nudda.
Að auki er örvun venjulega stjórnað af AVR (sjálfvirkum spennustilli) til að halda spennunni stöðugri.
4. Ás og kúpling
Ásinn er vélræn tenging milli túrbínunnar og rafstöðvarinnar. Í stórum vatnsaflsvirkjunum verður ásinn að hafa:
– mikill styrkur gegn snúningi,
– viðnám gegn titringi,
– góð nákvæmni í stillingu til að forðast óhóflegt slit.
Tengingin (ef hún er notuð) hjálpar til við að tengja saman túrbínuna og rafalinn og dregur úr áhrifum titrings eða minniháttar skekkju.
5. Legur
Mikill snúningshraði snúningshlutans krefst legukerfis til að viðhalda stöðugleika ássins og lágmarka núning. Það eru tvær megingerðir af legum:
– Leiðarlegur: heldur ásnum beinum og færist ekki til hliðar.
– Þrýstilager: stenst ásþrýstinginn (þrýstinginn) sem myndast vegna vatnskraftsins á túrbínuna og þyngdar snúningshlutans.
Smurningarkerfi legunnar (olíusmurning) og kælikerfi eru venjulega samþætt til að koma í veg fyrir ofhitnun.
6. Kælikerfi rafstöðvar
Vatnsaflsrafstöðvar starfa með mikilli afköstum og mynda varma frá rafmagns- og vélrænum tapi. Til að viðhalda einangrun spólunnar og viðhalda mikilli skilvirkni er kæling nauðsynleg, til dæmis:
– loftkæling með innbyggðum viftu,
– vatnskæling í varmaskipti,
– á ákveðnum einingum er hægt að nota flóknara kælikerfi eftir afkastagetu.
Góð kæling lengir líftíma einangrunar statorsins og rotorsins.
7. Einangrunar- og verndarkerfi
Spólur statorsins og snúningsássins verða að vera með sterku einangrunarkerfi sem þolir háa spennu, hitastig og raka. Ennfremur er rafallinn búinn verndarráðstöfunum til að koma í veg fyrir skemmdir, svo sem:
– skammhlaups- og ofstraumsvörn,
– vörn gegn hitastigi í vindingum,
– titringsvörn,
– jarðleiðsluvörn,
– tap á örvunarvörn.
Þessi kerfi eru almennt tengd stjórnborðum og SCADA kerfum.
8. Úttakstengi og spennubreytir (tengdur hluti)
Afköst rafstöðvarinnar eru yfirleitt á meðalspennu (t.d. 6–20 kV, allt eftir hönnun). Rafmagnið er síðan sent í spennubreyti sem hækkar spennuna í flutningsspennu (t.d. 70 kV, 150 kV, 275 kV eða hærri) til að lágmarka flutningstap.
Þó að spennirinn sé ekki innri hluti rafstöðvarinnar, þá er hann mikilvægur hluti af dreifikeðju vatnsaflsorku.
Hvernig rafalar virka í vatnsaflsvirkjunum: Ferliröð
1. Þrýstivatn snýr túrbínunni
Vatnsorka er breytt í vélræna orku í formi snúnings túrbínuássins.
2. Túrbínuásinn snýr rafallsrotornum.
Snúningshraðinn, sem hefur segulsvið, snýst á ákveðnum hraða. Þessi hraði er stýrður til að passa við kerfistíðnina (50 Hz í Indónesíu).
3. Segulsvið snúningshlutans „sker“ stator spólurnar
Þegar snúningsrotorinn snýst breytist segulflæðið miðað við stöðu statorspólanna. Það er þar sem örvuð spenna birtist í statorspólunum.
4. Þriggja fasa spenna kemur fram við stator-tengipunktana.
Þar sem stator spólan er hönnuð sem þriggja fasa með 120 gráðu rafmagnsfærslu, er úttak rafalsins stöðugt þriggja fasa riðstraumskerfi fyrir mikið álag.
5. AVR stjórnar örvuninni til að viðhalda spennunni
Þegar álagið sveiflast breytir AVR örvunarstraumnum á snúningsásnum til að halda útgangsspennunni innan kerfisstaðalsins.
6. Rafmagn er dreift til spenni og netkerfis
Afköst rafstöðvarinnar fara í spennubreyti og eru síðan send um flutnings- og dreifikerfi til neytenda.
Lokun
Vatnsaflsrafstöð er lykiltæki sem breytir vélrænni orku frá túrbínu í raforku með rafsegulfræðilegri örvun. Helstu íhlutir hennar eru stator, snúningsrotor, örvunarkerfi, ás, legur, kæling, einangrun og verndarbúnaður. Allir þessir íhlutir vinna saman að því að framleiða stöðuga, skilvirka og örugga þriggja fasa rafmagn til flutnings á raforkunetið. Með því að skilja íhluti og virkni vatnsaflsrafstöðvar getum við séð að farsæll rekstur vatnsaflsvirkjunar er ekki aðeins háður framboði á vatni heldur einnig áreiðanleika flókna rafsegulkerfisins innan rafstöðvarinnar.
