автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Энергогидравлические исследование блоков микро-ГЭС на базе насосного агрегата

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

С

АБДУЛ ВАХАБ ДАРЬЯ

ЭНЕРГОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ БЛОКОВ МИКРО-ГЭС НА БАЗЕ НАСОСНОГО АГРЕГАТА

Специальность 05.14.10— Гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

САНКТ-ПЕТЕРБУТГСКШ ГССУД4РС!Ш2ЕШЙ ТЗШВЖШЙ УЮШРСИЗЕТ

На правах рукописи

АБ^УЛ БАлАБ ДАРЬЯ

¡ОДШШШИШШИВ ИССУЩаОШШЯ БЛОКОВ МЖРО-ГЭС IIA БАЗЕ НАС0СБ0Г0 АГРЕГАТА

Специальность 05.14.10 - Гидроэлектростанции и гидроэнергетические» установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ - Г994

Работа выполнена на кафедре возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики Санкт-Петербургского Государственного Технического Униг рситета.

'Научный руководитель: Член -Корреспондент ЭАН,

доктор технических наудс, профессор Б.А.СОКОЛОВ

Официальные оппоненты: доктор техншгескнх наук,профессор Виктор Иванович Григорьев

кандидат технических наук Дмитрии Иванович Кибирев

Ведудая организация: БК1ь1Г ел.Б.Е.Веденеева

2?

Ваидта диссертации состоится 03 1594 г. в "часов

на заседании специализированного смога К 063.33.22 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. ,2.9, при гидрокорпусе, ауд. 411.

С диссертацией мозно ознакомиться в (Туадакеятадьной библиотеке Университета.

Автореферат разослан " " Н-54 г.

Учении секретарь саеш:аъ':зпро ванного совета кандидат техшнесхих паук

Полетаев ¡Орий Борисович

ЭНЕРГОГВДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЛОКОВ ШКРО-ГЕС НА БАЗЕ НАСОСНОГО АГРЕГА1А

Общая характеристика работы •

Актуальность работы. В настоящее время в связи с ужесточением требований к охране окружающей среди, а также с повышением пен на органическое топливо, особое внимание уделяется малой энергетика. Значительные достижения энергетического машиностроения и применение новых видов систем управления позволяют создать полностью автоматизированные малые энергетические объекта.

Для развивающихся стран использование ГЭС малой моащости рассматривается как ванная составляющая часть программы электрификации удаленных и труднодоступных районов. Республика Афганистан обладает валовым гидроэнергетическим потенциалом в 23 0(77,6 мВт, из которого сегодня используется на обычных ГЭС около 1%. Наличие значительного количества небольших горных рек, вдоль которых, как правило, и располагаются населенные пункты, позволяет с большой степенью обоснованности рассматривать целесообразность развития малой гидроэнергетики в Республике Афганистан. Она позволяет повысить энерговооруженность сельского хозяйства, улучшить условия жизни и поднять занятость местного населония.

Исследования показывают, что для успешного освоения гидроресурсов малых водотоков необходима разработка принципиально новых типов гидроагрегатов, особенно в диапазоне низких напоров. В сложившихся условиях для некоторых МГЗС предлагается в качестве гидромашины использовать освоенные промышленностью и имеющиеся в большом количестве в народном хозяйстве насосы, способные работать в обратимом турбинном рвшше с достаточно высокими коэффициентами полезного действия. При этом в качестве генораторов можно использовать те же асинхронные двигатели, которыми комплектуются насосы.

Создание автоматизированных гидроагрегатов малых и микро-ГЭС на базе насосных агрегатов для выработки электроэнергии могло бы обеспечить снижение до 50? капиталовложений в оборудование по программе электрификации изолированных потребителей в Афганистане. Цели диссертационной работы:

1. Разработка методики исследования гидроагрегатного блока микро-ГЭС ка базе насосного агрегата.

2. Определг ле состава п энергетических характеристик отдельных элементов основного оборудования установки шкро-ГЭС.

Б. Исследование электроэнергетических, гидроэнергетических, гидравлических г разгонных режимов работы типового блока микро-ГЭС на базе насосного агрегата.

Задач;; исследований:

- Подготовка насосного агрегата для работы в турбинном режиме в качестве блока микро-ГЭС л получение энергетических характеристик нас оса 0П-10-25 в турбинном рекиме, а такке для контроля в насосном режиме при различных режимах работы насосного агрегата.

Разработка методики комплексного исследования шкро-ГЭС на базе насосного агрегата.

- Проведение гидро- и электроэнергетических, гидраппческпх и разгопних исследований блока шкро-ГЕС в отдельных его элементов при различиях турбинных раялмах.

- Разработка рекомендаций по использованию особых и нентро-беаних насосов разного типа с их электродвигателями для дальнейшего использования их работ« в качестве микро-ГЭС в зависимости от капора, расхода и мощности.

Научная новизна работа: ■

1. Определен состав комплексных электроэнергетических исследований блока шжро-ГЭС на база насосного агрегата. Разработаны «шэгякя гкдро- и электроэнергетических, гидравлических и разгонных исследовании блока микро-ГЭС на базе насосного агрегата.

2. Впервые для поддержания частоты и напряжения в зависимости от потребляемой модности гидроагрегата с электрической машиной постоянного тока микро-ГЭС применена система регулирований, основанная на статическом преобразователе частоты тока.

Б. Проведет гидроэлектроэнергетпческие, гидравлические и разгоняло исследования блока микро-ГЭС на базе насосного агрегата.

4. Рекомендована серия насосов и электрических машин для даль-¡:о.".2кх использованл!: их в качестве энергетического оборудования

ь. ~..« .. ** о М^КРО-асЬ .

1.'р::;:тпч£-скач данность полученных результатов заключается в тоя что ;:а оскоге по.-учотшх аггорэм электрических и гздраглячэских ха-Г.якгеркстю: кг.г.рэ-ПС на базе насосного агрегата дани рекомендации г г ;гт:пл:.згт -гпгнз;: ГЭС гмссто бекпоатоктряческах, дизельных и Г-Г.'тнх гг.-гг аггл^^тг-, г.сгользуе'япс в личном, подсобно); хозг^'стгз

2

сельского населения и для других автономных потребителей, удаленных от централизованных систем электроснабжения.

Реализация работ». Результат« работи могут быть использованы для серийного изготовления унифицированных гидроагрегатных блоков микро-ГЭС на база насосного агрегата на тлях предприятиях республики Афганистан и других стран, а также в учебном процессе для студентов по специальности 1003 - гидроэлактроэнергетика в СПбГГУ.

Апробация рзботн. Основное положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и одобрена на:

- научных семинарах кафедры возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики СПбГГУ в 1990-1991 гг.;

- всесоюзном научно-техническом совещании "Прикладные и теоретические вопросу нетрадиционной энергетики". - Д., июнь 1990;

- всесоюзном научно-техническом совещании "Проблема создания и эксплуатации энергетических установок, использующих возобновляемые источники энергии". - Владимир, июнь 1991;

- научном семинаре лаборатории кафедры ВИЭГ СПбГГУ 13.3.90.

Публикации. По теме диссертации имеется две публикаций.

Объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав,

общих выводов, списка использованной литературы и. приложений. Из7\_. локена на 144 е.машинописного текста, включая 31 рисунков(62 с.) список литературы из 143 наименований(пс.)7 Приложений. 17 таблиц .

Содеряание работы

' Во Введении дано обоснование актуальности работы и сформулирована цель исследования.

Глава I содержит обзор литературы, посвященной анализу современного состояния использования энергии малых водотоков в СНГ, про-мышленно-развитых и в развивающихся странах. Приводится анализ основного энергетического оборудования МГЭС, в том числе обобщается опыт применения пропеллерных, поворотнолопастных, радиально осевых, поперечно-струйных и других турбин для микро- и малых ГЭС в мировой практике, анализируется опыт применения серийных насосов в качестве гидротурбин для малых ГЭС.

Подчеркивается, что важнейшим вопросом в решении массового строительства малых и микро-ГЭС яелязтся снижение стоимости оборудования и.средств автоматизации, так как они порой достигают до 50$ общей стоимости строительства. В работе подробно рассматривались типовые компановки агрегатных блков малых ГЭС, а также компа-

микрогэс до 01 мет

МАЛЫЕ ГЭС 1-10 МВТ

МАЛЫЕ ГЭС Д1 ¿Зм

МИНИ ГЭС

МИКРО ГЭС Д1 До 05 ы

ПИКОВЫЕ

БАЗИСН ЫЕ

НА БЫТОВОМ СТОКЕ

ПОЛУПИКОВЫЕ

НА ЗАРЕГУЛИРОВАН НЫИ СТОК

ДРУГИЕ ТИПЫ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

--X "

ПАРАЛЛЕЛЬНО С ЭНЕРГ0 СИСТЕМОЙ

НА ИЗОЛИРОВАННОГО _ ПОТРЕБИТЕЛЯ

ВЫСОКОНАПОРНЫЕ Н> 75.100 м

СРЕДНЕГО НАПОРА Н.20-75Ч

НА МАЛЫЙ ЭНЕРГО КОМПЛЕКС

НИЗКОНАПОРНЫЕ

Н<20м

ПО поЧРЕЖИ-'мош Амура НОСТИ \ БОТЫ

ДИАМ|

ПО

НАПО./пс РУ /РАСПО\ ЛОЖЕН ВАЛ^ГЙ ТЕПЕЛ'

РУ РАБОЧ^/ Г 3 С ЛГ^И АВТОМА\ ГО КОЛЕСА I МАЛОЙ УГИЗАЦИИ ПО УЧАСТЙТО.МО ЩНОСТ/ГЙЩЮСОБУ! .В ГРАФИКЕ-Ч ¿'СОЗДАНИЯ/

НАГРУ^пдх^ЛЮ^ндпо 1 ,30 К^ АРА)/7Г\УСЛ0>Г рд/ ЙЕРУ. / \ВИЯМ^ ' рОЗ ДА. > НИЯ/

по

ЧИСПОЛЬ/ ТИПУ \30BA-/ ИСП.

-сВкн^АГРЕГАТОвХ

НА БАЗЕ НАСОСНОГО _ ОБОРУДОВАНИЯ ^

ОСЕВЫЕ НАСОСЫ ДО 26 м

ВЕРТИКАЛЬНЫЕ

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ

НАКЛОННЫЕ

ПОЛУАВТОМАТ ИЗИ_ РОВАННЫЕ

АВТОМАТИЗИРОВАН НЫЕ - _

БЕРЕГОВЫЕ

ПРИПЛОТИННЫЕ

ДЕРИВАЦИОННЫЕ

РУСЛОВЫЕ

НА БАЗЕ ТУРБИННОГО . ОБОРУДСВАНИЯ

ПРОПЕЛЛЕРНЫЕ „ ПОВОРОТНО ЛОПАСТНЫ1

1- СМЕШАННЫЕ

СТАЦИОНАРНЫЕ; I МАЛЫЕ ГЭС-МИНИ ГЭС

МОБИЛЬНЫЕ МикрО ГЭС

ВОДЯНЫЕ КОЛЕСА. ГРЕБНЬ'Е ВИНТЫ Т Д.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НА.1 СОСЫОТ 20 ДО 100м

- РАДИАЛЬНО ОСЕВЫЕ

г КОВШОВЫЕ

ПОГРУЖНЫЕ НАСОСЫ! .. ДО 600м

и ^ ДВУХКРАТНЫЕ

ТРУБНЫЕ

Р'.;с, I Классификация ГЭС малой могздости

новочные решения гидроузлов о малыми и мпсро-ГЭС. На основе анализа публикаций автором предложена классификация иалнх ГЭС» отлича-юадахся по мощности, напору, редяму работы с энергосистемой, степени автоматизации, схеме создания напора, распэлокенага вала и т.п., которая представлена на ркс.1, Запроса.*.малой гидроэнергетики к созданию гидроэнергетического и вспомогательного оборудования для малых и микро-ГЭС посвящены работы советских ученых Ю.С.Васильева, Б.А.Соколова, Л.П.Михайлова, В.И.Вяссариэнова, В.Б.Елкстратова, Н.К.Малинина, В.И.Григорьева. Д.А.Ивазшшова, В.В.Волшанпка, Б.Н. Оельдмана, Т.К.Марканова, В.А.Умова, И.:.'.Пилева, А.У.Бурова, В.И. Обрезкова и многих других ученых, а тайге оабоги ряда зарубежных

авторов: ¡¡.Meien AJrter, ЕМGosshatk,M.BristoH.Cov. й

was, Harder, Я Fontaine, JAQueening,G.PBirca,C.M.yi(l

В результате анализа литературных источников сделан вывод о том, что возможность применения насосных агрегатов в качестве оборудования для малых и микро-ГЭС одерживается отсутствием полных данных об энергетических характеристиках насосов в турбинных рекя-мал и возмонных системах регулирования Ш'днэсти этих агрегатов.

Данная работа частично восполняет этот пробг.с?.:.

В главе 2 диссертации дается описание экспериментального стенда и исследуемого гидроагрегатного блока миро-ГЭС. Гидроэнергетические, гидравлические, электроэнергетические и разгонные исследования блока микро-ГЭС выполнялись на экспериментальном стенде, созданном в лаборатории гидроэнергетических установок кафедры ЕИЭГ ЗПбГГУ, принципиальная схема которого представлена на рис.2.

Экспериментальный стенд включает в себя: водосберегателышй 5ассейн, подводящий участок низшего бьефа 5, модель блока НС 4, 6 i отводящий трубопровод 8. В стенде принята замкнутая схема водоворота, позволяющая сохранить температуру воды и воздухосодерза-1ие в ней постоянными во время проведения эксперимента.

Модели НС были запроектированы и созданы в лаборатории ВИЗГ ШбГТУ для исследования насосных блоков с вертикальными осевыми на-;осами (рис.3). Водооборот в турбинном рениме на стенде производит-:я следующим образом. Вода из водосберегательного бассейна, распо-юшнного под полом лабораторного зала, центробежным насосом пода-зтея в распределительный бак I, оттуда по трубопроводу Д = 200 мм 3 поступает в трубу Д = 250 мм 14 . Далее, прэ'щя проточный тракт годели блока, поступает в подводяяшй участок низшего бьеаа 5, по шорному трубопроводу Д = 300 мм направляется в гидравлический ?эк 9, те устскоглопм гасители энергии потока воды 10, выполнен-

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БЛОКОВ МИКРО ГЭС

1. ВАК-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ

2. ТРУБОПРОВОД ПРИ РАБОТЕ БЛОКА В НАСОСНОМ РЕЖИМЕ

3.ТРУБОПРОВОД ПРИ РЛБДТПБЛПйЛИ ТУВ БИНОМ РЕЖИМЕ

4. ДВИГАТЕЛЬ ГЕНЕРЛ-

а БАК 11Е.

ТОР

й СМЕННАЯ ПРОТОЧ.

НАЯ ЧАСТЬ 7. УСПОКОИТЕЛЬНАЯ

РЕШЁТКА а НАПОРНЫЙ ТРУБОПРОВОД

а лоток

а ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

II. МЕРНЫЙ водослив п. НАСОС И ПЕРЕКАЧИВАЮЩАЯ '"ЧБА'

И

«V лЦ

Рис. 2

Рис. 3 Блок микро - ГЭС на базе вертикального насосного агрегата: I - двигатель генератор, 2 - соединительная муфта 3 - гидростатические подшипники, 4 - регулируемый направляющий аппарат, 5 - трубопровод при работе блока в насоснсм режиме, е - трубопровод при работе блока в турбинном режя/е, 7 - пята, 8 - отсасывавшая труба, 9 - бак нижнего бьефа, 10 - бак распределитель.

?

ше кз полихлог иннловых труб диаметром Д = SO мм. Гидравлический лоток длиной 9 и ииряноп 1.2 м заканчивается мерным водосливом треугольного прост пля II в нжшен головой стенда, откуда вода, заканчивая оборот, но системе отводящих каналов поступает в водосбе-регательнчй бассейн емкостью S00 :,;3. Стенд обеспечивает исследование моделей блоков'гидроэнергетических установок с расходами до 0.3 !.!3/с. Диапазон рабочих напоров при проведении исследований в турбинном ре.-а:мэ составил (0.90-S.25) м и в насосном рекиме -(0.5-4.0) м.

Электрооборудование модельной установки состоит из следующих элементов: система "двигатель-генератор" П-72, пульт управления, тяристорний преобразователь частоты тока, блок нагрузок. Подчеркивается, что при участил автора, с цэльзо расширения функциональных возможностей и повышения качества проводимых исследований в турбин-ком режиме стенд бил частично роконструировак и модернизирован.

Списание блок-схемы преобразования энергии микро-ГЭС дается на р::с.4. Подробно изложены технические характеристики конструкции блока :шкрэ-ГХ л системы регулирования мощности при работе блока в резине вкепнег- зозбукденкя, а через блок обратной сеязи при работе блока е рекиме самовозбуидения^аегся техническое описание схемы электрических соединений блока микро-ГЭС.

ГлагаЗ посвящена методикам проведения гидроэнергетических, электроэнергетических» гидравлических и разгонных исследовании. Методика проведения гидроэнергетических исследований блока микро-ГЭС г.а базе насосного агрегата разработана с учетом рекомендаций по исследованиям осевых насосов, обратимых гидроыааган и гидротурбинных блоков с агрегатами двойного регулирования. Исследованию осевых насосов а гидротурбинных блоков посвящены работы Н.Н.Аряеневского, В.С.Еасильева, В.И.Григорьева, В.И.Виссарионова, К.Н.Смирнова, A.M. Чистякова, В.В.Золианкка. И.И.Ивакова, Д.А.Иваиинцова, И.П.Иванченко. Т..П.Михайлова, Б.А.Соколова. Г.И.Кривченко, Н.Н.КоЕалева, Б.А. Ковригина, А.А.Ломакина, А.И.Тананаева, В.А.Тима, ИДЛернятина. Н.!.;.Егшова, АД'.Рукяшева. Г.СДеголева и других авторов, а такке работы ряда зарубежных авторов.

Результаты исследований блоков ЕС с вертикальными агрегатами, выполненных в лаборатория гидроэнергетических установок СЕбГТУ, отражены в работах В.И.Виссарпонэва. Н.А.Ходанкова, С.Г.Беляева, Д.И. KniEpesa, li.Б.Стрельца, Б.Уриаэва, Т.С.Ипангалиева.

Для исследования турбинного рекиыа работы гпдРомашины блока 12 -.гигатель постоянного тока переводится в генераторный реклм. В

Рис. 4 Упрощенная электрическая схема установки мккро - ГЭС

ходе' эксперимел-а фиксируются следующие параметры, характеризующие энергетические .»казатели блока: расход Q, напор Н, частота враще-1шя агрегата и. . нагрузка на' мотор весах Р. открытие направляющего аппарата сС0, угол разворота лопастей рабочего колеса . Испытания турбинных реглмоЕ проводятся при переменной частоте вращения И = Var .

КП£ блока в турбинном рекиме определяется по соотношению:

1T=N"/Nr ,

IffiH блока в насосном рекиме определяется по соотношению:

„ %=Nr/Nn, (2>

где /УЯ - мог©ость потока; ¡\}f - мощность на валу насоса.

Значения приведенных параметров вычислены по известным из теории насосов я гидротурбин формулам:

- в турбинном рекиме: '

g' nTdi ( 0Б/ ) : Qrr* JËt_ ( м} ) (3)

1 1 /ти],Ч1Г BfYJfT ■

- в насосном режиме:

где Кц=Н/пнг1)1г - коэффициент напора; Ka = Qкоэффициент подачи; Пн . Пт и QH, QT- соответственно, частоты Еращения(об/ /ы;н) и расходы.(м3/с) в насосном и турбинном реяямах.

При проведении электроэнергетических исследований гидроагрегатного блока микро-ГЭС исследовались электрические характеристики элементов преобразования водной энергии е электрическую: инвертор-Hui: преобразователь, повшшвдий трансформатор, блок обратной сеязй. Снимались эксплуатационные характеристики каздого элемента блока !.с!крэ-ГсС б оптимальном турбинном режиме я через них по электрическим параметрам определены эксплуатационные характеристики электромашины П-72 в генераторном рекиме. Исследования проводились для двух вариантов: 1).ь рекиме внешнего или независимого возбуждения. 2) в режима самовозбуждения. В перьом случав для построения эксплуатационной характеристика необходимо для одного фиксированного Еапря^анся постоянного гака на выводной пшне -генератора Uu = Conît снять 10-15 точек с изменением шаговой ш'дности в сети нагрузки. Ира этой фхсЕровалгсь следущье параметра:

I воз.ген.,и воз.ген. и I а.г.. U ш.г. - сила тока (А) и напряжение (Б) возбуждения и на пиках электромашин в генераторном режиме постоянного тока; I инв.вход., U иев.вход.. I инв.выход., U инв, выход. - сила тока (А) и напряжение (В) на входе я на выходе инвертора; I натр., 0 иагр. - сила тока (А) и напряжение (Е) нагрузки; COS- номиналы-шй коэйСяштит модности.

Параметра режимов оборудования мзкро-ГЕС вычисляются следующим образом. Модность при еходс инверторныи преобразователь (постоянный ток) определяется по формуле:

N инв.вход. = I инв.еход. *Uинв.вход., Бт ; (5)

Мощность на выходе из ингерторного преобразователя (переменный ток):

N инв.выход. ~ ^ инв.выход. • U инв.выход. • cos'р. Вт (S) КЩ инвергорЕого преобразователя определяется по формуле:

1 инв. 3 ^инв.вых. / N инв.еход. ^

Мощность нагрузки определяется по формуле:

N кагр. = ^р. • U натр. ' COS $ . Вт (8)

Момент на валу в гидроэнергетических исследованиях определяется по формуле:

= р. г . кгм (9)

где Р - осеЕое усилие, измеряемое на мотор Бесах, кг; Z. - длина шкива, жестко закрепленного с "плаваздей" частью агрегата; г=0.6м. Мощность на валу определяется по йоркуле:

N вал" Иван 2tf.n./60, В* (10) .

где К1 - частота вращения ротора, сй/мин.

КЩ генератора в режиме внешнего возбуздендя вычисляется по формуле:

Л ген. = Nmr/ NB03.+ NEM СШ .

хде N ¡jjp - модность на выводной шине генератора; N в03 - мощность на обмотке возбуждения.

В случае работы установки в режиме самовозбуждения напряжение на генераторе и на выходе установки регулируются блоком обратной связи. КГЩ генератора в данном случае вычисляется по формуле:

Чген= ( Nm,- NB03) /N вал (12>

Результирующие КЦЦ установки в целом вычисляются по формуле:

Чуст. ~ 1г.м. К тр. • ген. • Ч вив.

(13)

где - КПД основного оборудования установки, служащего для преобразования энергии водотока е электрическую энергию.

Проведенные гидравлические исследования преследовали пель изучить и проанализировать структуру потока в зонах проточного тракта, примыкающих к рабочему колесу и направляющему аппарату и за рабочим колесом. Регдмные точки, в которых проведены исследования, подобраны таким образом, чтобы охватить основные эксплуатационные реишы в турбинных режимах работы агрегатного блока микро-.ГЭС. Гидравлические исследования проводились, согласно-широко распространенной методике в установившейся режиме работы в точке оптимального КЩ агрегата при оптимальном и, = 462 об/мян, максимальном п =752 об/мин, и минимальном И = 84 об/мин оборотов рабочего колоса агрегата в турбинном рэзжме. Исследования структуры потока производились пятиканальныкд шаровыми зондами с диаметром шарика зонда 8 мм, диаметр дреназюго отверстия 0.8 мм. Бее зонды протаряроваз' на аэродинамическом стевде СБбГТУ по гос-тарованной напорной трубке с предельной погрешностью определения угла &= 0.4°. Перемещение зовдов вдоль оси осуществлялось координатным устройством, которое позволяло устанавливать зонд в заданное положение с точностью +0.1 мм.

Разгонные характеристики поворотно лопастного рабочего колеса слокны, так как здесь Ю-! разГ = Методика проведения разгонных исследований насоса 0П-10-25 в турбинном рекиме аналогична разгонным исследованиям поворотно лопастных гидротурбин.

Разгонные исследования гидромашпны проводились для углов разворота лопастей рабочего колеса Ср = -6°, -3°, 0е*, и оСй -= 45°, 40°, 35°. 30°. 25°, 20°. Для исследования установки насосного агрегата е турбинном реняме автором сделаны некоторые изменения в конструкции МБ. Чтобы увеличить напор мощности я число оборотов рабочего колеса в турбинном режиме, сникека Еысота телескопического водослива в баке нижнего бьефа (рис.2) па 1.2 м. Б результате число оборотов рабочего колеса для оптимальной точки с углом рабочего колеса 0° я ¿¿э = 40° открытием направляющего аппарата увеличивалось на 80 об/мин. Исследования для определения разгонкой характеристики ГДЕ в турбинном рениме проводилось повторно. Разгонной характеристикой разгонного решила является коэффициент разгона, который определяется по формула:

где *\р.азГ - разгонное число оборотов рабочего колеса ОП-Ю-25, п4 опг - оптяыальная приведенная частота вращения, об/мин.

Разгонную частоту вращения рабочего колеса вычисляют по формула» подобия:

П-разг. = ^'разг. / % ^ где - диаметр рабочего колеса СП-1С-25, н - напор агрегата.

В этой главе так;;:е приведены технические характеристики коп-трольно-пзчерителыюп аппаратуры, дана оценка погрешностей измерений. Среднеквадратг.ческая и относительная погрешности при определения КЩ турбины 3 >2т и установки е целом определяются на основе рекомендации международного кода модельных исследований.

Расход блока при гидроэнергетических исследованиях в турбинном и насосном рзкимах измерялся с помощью треугольного мерного водослива, предварительно протарироЕанного объошым способом и при электроэнергетических исследованиях по криво:; связи (5 = 4 (7В/с). Относительная среянекзадратяческая погрешность при измерении расхода складывается из погрешностей при тарировке расхода 6~<3 тар = = 0.1% и при измерении уровня переливающегося через ребро водослива слоя воды в/с, что составляет абсолютную Погрешность измерения расходов по высоте слоя на гребне Еодослива. При оптимальной работе турбины ф = 0.С6 м3/с составляет = 0.37£.

*Аар + ^ = °-10 + °-27 = > №>

Уровня V НБ и V ЕБ определялись по показаниям пьезометров, снабженных стационарной шкалой. Абсолютная погрешность при определении напора Д Н = 2 мм, относительная погрешность напора = = О.П£. Частота вращения фиксировалась пиЗроеш частотомером ЦАТ БЫ. Импульса, поступавшие на еход частотомзра. вырабатывались магнитоэлектрическим датчиком типа БК/74. Абсолютная погрешность составляет йП, = +5 об/чин и относительная погрешность ёп = 0.16%. Измерение крутящего момента на валу осуществлялось с помощью системы мотор-весы. Погрешость определения зависит от неточности измерения длины рычаиного устройства, от величины порога чувствительности гидростатической опоры и от нестабильности частоты вращения рабочего колеса. Относительная погрешность из-за нестабильности частоты вращения = 0.011^. Относительная погрешость в оптимальном турбинном режиме составляет = С.02%. Угол разворота лопастей рабочего колеса насоса устанавливался с помощью птангенрейсмуса, согласно широкораспространенноЯ методике. Установка контрольного сечения лопасти производилась с точностью

+0.05 ни. Зазор между.лопастями и камерой рабочего колеса не должен превышать величины, равной 0.001 Д-^ или 2 мм. Открытие направляющего аппарата устанавливалось по положению стрелки на лимбе-транспортире, соединенной соосно с.цапфой лопатки направляющего аппарата. Погрешность установки открытия не превышает +0°, 20'.

Измерение мощности установки при электроэнергетических исследованиях производилось с помощью ваттметра, установленного за повышающим трансформатором. Абсолютная погрешность прибора ¿И усг = = ¿Б Вт, относительная погрешность при максимальной мощности установки, измеренной по прибору N уст = 600 Вт, равна уст = = 0.38$. Относительная и среднекЕадратическая погрешности при гидроэнергетических исследованиях гвдромашна в оптимальном режиме работы блока в турбинном и насосном режимах характеризуются: в турбинном реишэ ^ = 78.1 л/с, П = 462 об/мин и Н011т>тр = 1.46 м, = = 0.76$, 5" = 0.6$; в насосном рениме <?н ='о!о? м3/с, П = = 550 об/мин, НЭГЛЛ1 = 1.03 М, Д Ч н = 0.82$, 2 Ч н = 0.62$.

Ври электроэнергетических исследованиях блока микро-ГЭС средне-квадратическая погрешность при определении КЕЩ турбины составляет

= 0.51$, и установки микро-ГЭС в целом ? Чует. =

В главе 4 изложены результаты гидроэнергетических, электроэнергетических, гидравлических и разгонных исследований гидромашины агрегата с рабочим колесом ОП-Ю-25 и блока микро-ГЭС в целом.

Для получения гидроэнергетических показателей блока микро-ГЭС были выполнены энергетические исследования в установившихся беска-вихыирЕнах режимах работы агрегата. При проведении экспериментов угол разворота лопастей рабочего колеса устанавливался на У* = чЗ°, 0°, -3°. -6° с целью выявления влияния открытия направляющего.аппарата на уровень коэффициента полезного действия - КВД.

Для какдого значения угол сС0 варьировался в широком

диапазоне. Угол разв.орота направляющего аппарата ¿¡С-0 а 45°, 40°, 35°. 30°, 25°, 20°. В результате выполненных энергетических исследований получены рабочие пропеллерные характеристики для всех значений (¡Р при различных значениях углов разворота направляющего аппарата оС0 = 45°- 40°. 35°, 30°. 25°, 20° в турбинном рениме, а такие для контроля построены рабочие и универсальные характеристики блока для всех углов разворота лопастей рабочего колеса в насосном режиме.

По результатам гидроэнергетических исследований блока микро-ГЭС со спиральным отводом и с рабочим колесом 0С-10-25 построена главная

№

> ,

универсальная характеристика в приведенных параметрах РН и (ряс.5). Результаты гидроэнергетических исследований при оптимальных значениях угла У и углах о60 в турбинном и насосном реки мах представлены в табл.1.

Таблипа I Параметры микро-ГЭС с насосом ОП-Ю-25 в оптимальных КЩ в турбинном и насосном рекимах

Ту рбинныи репим Насосный ре~лм

OioVP V нт» Фг "iT- 1т* пг 0 о л/с м л/с об/мин ^ об/мш % Нн- «Ц. in- V л/с м л/с осу мин % сб/мин

40 чЗ 78.45-1.44 IC47.8 SG.4 70.1 4S2 40 0 78.1 . 1.46 ICB5.0 95.66 70.4 462 69.3 1.03 1095 I3S 73.7 550 64.8 0,881107 147 79.4 550

Соотношения

^ ЧМт ^Чт V«T W

40 нЗ 1.05 1.41 I.I4 0.86 1.4 40 0 1.07 1.53 I.I3 0.83 1.65

Максимальные значения КПД в турбинном режиме зафиксировано в двух случаях: I. $ = <*0 = 30°. ^ ^ = 70.7£; 2. ¿Р = 0°.

*о = 40°- Ч? мах =

Из табл.1 видно, что несовпадение значений У и е£0. обеспечиваниях максимальное значенио КЩ, предопределяет необходимость использования на крупных и средних насосных станциях, работающие в турбинных рекимах поворотно-лопастных рабочих колес и регулируемых выправляющих аппаратов.

Максимальнее значения КЩ в насосном режиме зафиксировано в двух режимах: I. ^ = чЗ°. сС0 = 40. Чя мах = 79.7%; 0°. '

оС0 = 40°, У1Н мах = 79.4$. Причем КЕД при ^ = +3° и сС0 = 40° больше на 0.3%. чем при = 0°. Следует отметить, что рабочая характеристика Кц и К^ для ^Р = 0° в районе оптимума имеет существенно пологий характер по сравнении с режимом при Следовательно, можно сказать, что установка при максимальном КПД работает в двух рекимах.

Установлено, что регулирование лопаток направляющего аппарата существенно влияет на КЦЗ, насосного агрегата в турбинном и насосном режиме, регулирование в диапазоне от 30° до 40° угла открытия, при чЗ° и 0° обеспечивает работу агрегата с максимальным КПД. Уменьшение сСй ог 40° до 20° сникает КЩ блока в турбинном режиме на 39Л£ и в насосном режиме на 29.5$. Приведенные параметры Ц£

Рис. 5 Универсальная характеристика насос ОП - 10 - 25 в обратимых режимах

и q!j. соответственно уменьшаются на 49.852 и 35.2$ в турбинном и на 8,3$ и 15,5$ в насосном режимах.

При увеличении 0 ' от 40° до 45° таксе наблюдается снижение КПД в турбинном pernio е 10.8$ и в насхном режиме в 15,"?. Приведенные параметра Гц и Qi увеличиваются на 3.14$ и 2.71$ в турбинном и на 3.14$ я 2.75$ в насосном режимах.

В заключение можно сказать, поскольку в данной работе рассматривается установка микро-ГЭС, то целесообразно дальнейшие исследования проводить с устаноркой, имеющей предположительно низкую себестоимость. Это будет достигнуто в том случав, если от дорогостоящей по-воротнолопастной турбины перейти к пропеллерной и отказаться от регулируемого направляющего аппарата, сделав его жестким. В этом случае оптимальным является для турбинного режима фиксация лопаток направляющего аппарата при Ы, 0 = 40° и лопастей рабочего колеса на ^ = 0°. Тогда максимальное КЦД в турбинном и насосном режиме будет

Чндах-79'4* и 1т мах в70-4*-

В этой главе также приводятся результаты электроэнергетических

исследований блока мякро-ГЕС в режиме Енешкего и самовозбуздения генератора. Рассчитаны. КЩ'всей установки в целом и каждого отдельного преобразующего элемента: гидромашины, генератора, преобразователя, трансформатора в двух режимах.

При электроэнергетических исследованиях автором данной работы было принято решение перейти к испытаниям блока микро-ГЗС в целом с рабочим колесом пропеллерного типа и жестким направляющим аппаратом. Углы установок лопастей соответствовали максимальному КЩ в турбинном режиме. Это стало возможным, благодаря внедрению новейшей системы регулирования, основанной на применении инверторного преобразователя в режиме внешнего (независимого) и в режиме самовозбуждения -через блок обратной связи (рис.4).

Для построения эксплуатационных характеристик в режиме внешнего возбуждения необходимо при TJ - Con.st изменять модность в цепи нагрузки через аМ натр. Полученные результаты исследований гидроагрегатного блока микро-ГЭС с перЕым вариантом системы регулирования мощности представлены в виде графиков (рисунки 6-7). На рис.7 показана эксплуатационная характеристика установки в турбинном режиме вида t= Í С NyCI,. 1ТЯ). П=* f ( Nyct. ия). Зона работы установки имеет следующие границы: I - линия разгонных режимов работы микро-ЕЭС, 2 - линия ограничений мощности по турбине, 3 - линяя насыщения магнитного потока якоря, 4 - линия ограничения по напряженна генератора, 5 - линия ограничения 955? модности установки.

п, 06/МИМ н, 1 м, юи ч» АУСЕК

90С 20. з.о. 90

800 19. 2.5. 2.0 «5

700 18. 1.5.

800 17. 1.0. 0.5 80

500 16. 0 75

4<,ит

200 400 600 800

Рис. 6 Энсплутационные характеристики установки в турбинном ретиме.

п,ш/мин эоа

800а

700.

600.

500

Ф-иЯ=50в

@-ия=80В

©-"Я=90 в ©-"Я=100в

®-ия=пов ®-^Я=120в

УСТ.ВТ

200 400 600 800

Рис. 7 Зависимостей П=/(Ан'^бята микро-ГЭС в турбинном режиме.

По графикам fl = ^(Муст, U я) (рис.7) видно, что N мах.уст.

вырабатывается при U „ = 70 В. КПД установи! равно 36%. На рис.6 н ___

представлены эксплуатационные характеристики микро-ГЭС, по которым хорошо прослеживаются главные зависимости - расхода Q, момента на валу турбины Mggjj. рабочего напора Н, частоты вращения ротора генератора tV , по отношению к мощности, выдаваемой в сеть потребителя для U„ = ?0 В. При испытаниях установки микро-ГЭС в режиме самовозбужде-няя применяется блок обратной связи, который напрямую связывает мощность, необходимую потребителя, и электрическую машину, являющуюся непосредственным преобразователем механической энергии в электрическую. Блок служит для автоматического регулирования напряжения UB. Максимальный КВД установки в этом режиме получен: \ уст>мах = 32%. Теоретические расчеты показали, что микро-ГЭС такого типа будут иметь КВД = (58-GO)5J. По эксплуатационным характеристикам видно, что полученные зависимости меняются только за счет того, что изменяются электрические показатели (1я, UB. N Г0Н) генератора.

С целью совершенствования мякро-ГЭС целесообразно в дальнеШем предусмотреть испытание с преобразователем мощностью до 2 кВт и с применением сглаживающего фильтра на выхода повышающего трансформатора, что поднимает в полом качество выдаваемой электроэнергия. Результаты разгонного исследования модели блока с рабочим колесом 0П-10-25 при оптимальном турбинном ракше у = 0°, ci0 = 40° показывают, что разгонное число оборотов получено И^разг. - 188 об/мин, коэффициент разгона КразГ я 1.44, а разгонное число оборотов посла реконструкций ГЛБ ^ipagr '= 161 об/мин и коэффициент разгона получвно.Крязг = 1.67,

Б заключение следует отметить следующее; микро-ГЭС на база насосных агрегатов с разработанной системой регулирования мощности могут найти широкое применение как при работе в составе энергосистемы, так и при выдаче мощности на изолированного потребителя олег.трэтнерши,

выводи

1. На основании анализа литературных данных установлено, что в настоящее время не рассматривались вопросы проектирования, изготовления и испытаний мнкро-ГЕС на базе насосного агрегата и гаквратоса постоянного тона, нет единого подхода к количественной отш поичгяя "малая ГЭС", Поэтому имеются несколько клгсси^икани'Л лап». ГЭС, опт-ко, по мнению автора, они не в полной мярэ этряг.-гуг дел. Поэтому в работе праг.лотн вариант классп 1пкапг.1 упт^оряк (pivx

2. Разработка мчтэдкка проведения грярэзирорзг^'К'Сгя'Х к o.w<?i«.. энергетических псонолоеяю»* б лога гггэо-ПЛ :;i'r<~r п.т

3. Проведаны гидроэнергетические испытания насосной установки в турбинном рекаме с рабочим колесом СШ-10-25. Построена универсальная характеристика в приведенных параметрах в турбинном и насосном режимах. Определены рациональные углы установки рабочего колеса lf= 0° и угол поворота направляющего аппарата ö£o=40° для работы установки с оптимальными параметрами в турбинном рекиме.

4. Рассмотрена система регулирования микро-ГЭС на базе тиристор-ного преобразователя частоты тока. Удельная стоимость энергетического преобразователя по отношению к другим составным частям микро-ГЭС составит (8-10)52 от общей стоимости всего оборудования. Рассчитаны удельные показатели стоимости установки в целом и по каждому отдельному элементу в ценах 1991 г.'

5. Впервые проведены исследования гидроагрегатного блока микро-ГЭС с системой регулирования мощнооти, основанной на статическом ти-ристорнсм преобразователе тока. Роторная часть гидроагрегатного блока в зависимости .от потребителей мощности работает с переменной частотой вращения при ввдаче в сеть номинальных значений частоты тока и напряжения.

6. Впервые получены гидроэнергетические, электроэнергетические, гидравлические и разгонные характеристики блока микро-ГЭС на база насосного агрегата.

7. Разработана номограмма для осевых насосов разного типа с их электродвигателями для дальнейшего использования в качестве микро-ГЭС.

В дальнейшем развитие исследований, представленных в диссертации, по нашему мнению, необходимо' производить в следующих направлениях:

1. Исследовать гидродинамические, кавиташонные и вибрационные режимы блока микро-ГЕС на базе насосного агрегата.

2. Исследовать серийно выпускаемый насосный гидроагрегат о аоин-хройным двигателем в турбинном рекиме с выдачей мощности на переменном токе.

Основное содержание работы изложено в публикациях*

1. Соколов Б.А., Елистратов В.В., Фролов В.В., А.Вахаб Дарья. Малые ГЭС на базе насосного оборудования / Тез.докл.на Всес.научно-техн. совещании "Прикладные и теоретические вопросы нетрадиционной энергетики". - Л.. июнь 1990.

2. А.Вахаб Дарья. Исследования блоков микро-ГЭС на базе насосного гидроагрегата / Тез.докл.на Всес.совэщании "Проблемы создания и эксплуатации энергетических установок, использующих возобновляющиеся источники энергии': - Владимир: ВИТО ЭиЭТ, 1991. - С.47-52.