автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Особенности применения на малых ГЭС насосных агрегатов в качестве турбинных

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГЗ о л

на правах рукописи Тобар Коронель Родриго Патрисио

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НА МАЛЫХ ГЭС НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ В КАЧЕСТВЕ ТУРБИННЫХ

05,14.10 - Гидроэлектростанции и гидроэнергетические установив

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете на кафедре использования водной энерпш

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Аршеневсшгй Н. Н.

Официальные опоненты - доктор технических наук, профессор

Вишневский К. П. - кандидат технических наук Оспанов О. Ш.

Ведущая организация - Проектно -изыскательный институт "'

"Мособлгидропроект*

Защита состоится 2% декабря Ш93; г. в ИЗО часов на заседании диссертапионног совета Д|, О6ЗЛ1Ш1 в. Московском; государственном строительном университете п адресу: Москва., Спартановсаая ул. жш 2!, щ& 212.

С диссертацией^ можно ознаиоьшься № библиотеке уюшерснтета.

ПросисМ' Вас принять участие & защите » направить Ваш отзыв по адрес; 129337, Москва, Ярославское шоссе-, т 2$, МТСУ., Учений совет.

Автореферат разослан €.1' г. * ВЙ^Зг*/?3

Ученый секретарь диссертационного совета

Аршеневский Ш №

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, В последние десятилетия возникла необходимость использования гидроэнергетических ресурсов малых рен. Это вызвано заметным исчерпанием ресурсов крупных годотоков, ужесточением требований н поддержанию экологического равновесия и охране окружающей среды, трудностями энергоснабжения потребителей, изолированных или удаленных от магистральных электросетей. Во многих промышленно развитых, а также развивающихся странах седутся работы по сооружению малых ГЭС (МГЗС), предназначенных для снабжения электроэнергией сельскоаозяйствепых предприятий и населения. Важным фантором, стимулировавшим внедрение этих установок, был рост цен на нефтепродукты, в результате чего значительно снизилась конкурентноспособность ранее широно применявшихся в сельских районах дизельных электростанций.

Как и в большинстве развивающихся стран, в Эквадоре существует проблема с выпуском основного оборудования для МГЗС. Страна не обладает большими возможностями для занупон его на валюту за рубежом, а развитие промышленности требует прироста энергетического потенциала. Отметим, что если для крупных ГХ стоимость гидросилового оборудования составляет 12-203 от общей суммы капиталовложений, то для малых ГЭС этот показатель достигает 50-603.

В специальной литературе обсуждается вопрос о возможности и имеются примеры использования в начестве гндротубинных - насосных агрегатов. При этом стоимость последних оказывается в 3-4 раза меньше, ввиду налаженного серийного их производства в больших количествах,

Таким образом, возможность использования на малых ГЭС в начестве турбинного - насосного оборудования, выпускающегося во всем мире по гораздо большей номенклатуре и имеющего в связи с этим гораздо меньшую стоимость, является актуальной.

Целью настоящей работы было обобщение данных и разработка конкретной методики подбора насосных агрегатов для работы в турбинных режимах на МГЗС, анализ особенностей, связанных с отсутствием оперативных регулирующих органов гндромашин, которые должны учитываться при проведении водноэнергетичесКПХ расчетов, назначении режимов эксплуатации, в том числе и при пускай, остановках, сбросах нагрузки.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- проанализировать современное состояние развития малой гидроэнергетики й обосновать возможность применения на МГЭС насосов вместо турбин;

- разработать методику, позволяющую осуществлять при проектировании подбор насосов для работы в турбинных режимах на МГЭС на основе анализа И обобщения энергетических, кавитациоиных и других показателей насосного оборудования;

- разработать и усовершенствовать методы выполнения' водноэнер^тетнческих {»счетов МГЭС с учетом специфики нерегулируемых агрегатов, алгоритмы н программы расчетов на ЭВМ переходных процессов;

- изучить особенности неустановившихся режимов насосных агрегатов при пх работе в турбишшх режимах;

- выполнить анализ и обобщение результатов и дать рекомендации по рационализации основных переходных процессов в MTX при устаповне насосных агрегатов в качестве турбинных.

Ншзна И практическая значимость работы состоит в:

- получении областей применения по расходам и напорам насосов в качества турбин, методах определения их показателей н ограничений по использованию;

- разработке методики водноэнергетических расчетов суточного регулирования, учитывающей специфические особенности режимов работы МГЭС с нерегулируемыми насосными агрегатами;

- получении результатов расчетов на ЭВМ для определения выработки электроэнергии и количества пусио-остановочных операций, базирующихся на использовании календарных рядов среднесуточных расходов притона, эксплуатационных расходно-напорных характеристик, учете санитарных попусков в НБ;

- получении результатов н зависимостей переходных процессов пуска и сбросов нагрузки МГЭС с насосным оборудованием, а также технологии их проведения.

Внедрение результатов работы. Результаты исследования использованы в проекте реконструкции Добро мыслянской МГЭС при составлении "Временный рекомендаций по использованию насосных агрегатов в качестве энергетического оборудования малых ГЭС", М: Ниформэнерго, 1990.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 104 наименований п приложений.

Научными консультантами при выполнении диссертационной работы были кандидаты технических наук доцент О. А. Муравьев и Б. Б. Поспелов, которым, нан и всему коллективу кафедры использования водной энергии МГСУ, автор выражает свою признательнтсть.

На зашнту выносятся:

1. Результаты исследований областей по расходам и напорам применения насосоз в качестве турбин, методы определения их показателей и ограничений по использованию;

2. Методика водноэнергетических расчетов суточного регулирования, учитывающая специфические особенности режимов работы и ограничения хараитерншв для МГЭС с нерегулируемымннасосными агрегатами;

3. Аиаявппескве зависимости и алгоритм водноэнергетических расчетов на ЭВМ для определения выработки электроэнергии н количества пусио-остановочных

операцнй, базирующиеся на использовании календарных рядов среднесуточных расходов притока, эксплуатационных расходно-напорных характеристик, учете санитарных попусков;

4, Результата анализа данных воднознергетическнх расчетов МГЭС с нерегулируемыми насосными агрегатами и рекомендации по режимам работы станции в фазах наполнения п сработан водохранилища;

5. Результаты анализа н расчетов переходных процессов пусна н сбросов нагрузки ЬЛГЭС с насосным оборудованием, а также рекомендации по технологии их проведения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель н задачи исследований, показана научная новизна работы и ее практическое значение.

В первой главе оценивается современное состояние гидроэнергетики, отмечается, что использование имеющегося гидроэнергетического потенциала приобретает исключительно важное значений для развивающихся стран. Например, доля ГЭС в общей выработке электроэнергии по странам Южной Америки составляет (%): в Бразилии - 93, Коста Рике — 35, Гондурасе - СО, Боливии - 78, Перу - 76, Мексике - 40, Венесуэле - 40,.Эквадоре - 32.

Гидравлические ресурсы Эквадора значительны и мало использованы. Эквадорский институт электрификации (ИНЕСЕЛ), разрабатывающий проблему электрификации страны установил, что для многих районов страны, особенно предгорья Анд и района Амазонии, практически лишенных возможности пользоваться электроэнергией, строительство малых ГЭС является одной из альтернатив развития энергетики. Это объясняется наличием в этих районах малых рек, большой стоимостью ЛЭП при получении энергии от крупной ЭС, возросшей стоимостью топлива и обслуживания ТЗС.

В этой главе анализируются и обосновываются положения относительно обратимости гидромашин, вытекающие из анализа и сопоставления уравнении Эйлера для насосов и турбин. Свойства обратимости проявляются при изменений направлений вращения рабочего колеса и расхода воды, и практически используется в насос-турбинах (обратимых гидромашинах) ГАЗС. Для использования в качестве турбин могут применятся все виды динамических насосов. Отмечаются основные преимущества, вытекающие из такого подхода, а именно:

- значительно более низкая стоимость ГЭС,

- обширная номенклатура серийных насосов и покрываемый ею широннй диапазон по напорам и расходам;

- большой выбор конструкций насосных агрегатов - с вертикальным или горизонтальным валом, в стандартном или моноблочном исполнении, обычные и погружные - с утопленным насосом и двигателем, двухпольные,многоступенчатые На высокие напоры и т. д;

- разнобразие материалов, из которых изготовлены насосы (для агрессивных сред, для химических производств);

возможность использования вместо генераторов дешевых серийных электродвигателей, в том числе асинхронных, что предельно упрощает процессу пуска - не требует синхронизации, двигатель просто внлючается в сеть;

- насосный агрегат намного компактнее турбинного, здание ГЭС оказывается более экономичным.

Главйые недостатки следующие:

- более низкий чем у турбин КПД;

- невозможность регулирования нагрузки. Без специального регулятора балластной нагрузки агрегат работает только в сеть на выработку электроэнергии;

- из-за отсутствия быстродействующего регулятора расхода необходимы специальные мероприятия для защиты агрегата от выхода в разгон;

- необходимость в установках с центробежными насосами предотвратить гидроудар, связанный с интенсивным тормошением потока в трубопроводе при повышении частоты вращения;

Бхорая глава диссертации посвящена анализу характеристик насосов прд работе их в турбинных режимах и методике ..подбора насосных агрегатов с учетом их прочностных, кавнтацнонных показателей, быстроходности*

Установлено, что, по сравнению с подбором турбин, который производится по стандартным универсальным характеристикам, подбор насосов в качестве турбин обладает рядом особенностей. Во-первых чаще всего отсутствуют характеристики насосов в зоне турбинных режимов, и основным материалом авляются или характеристики насосных режшлов, или только данные каталок® о номинальных и максимально допустимых параметрах насосных режимов ^-вторых, из-за несоответствия областей оптимальных КПД, в турбшиом а щсосном режимах, 'возникает необходимость принять для работы в. тур&тааом ре»щме напор или частоту вращения, а иногда и то и другое, отлвчгяж^шкя от номинальных значений серийного насоса. Поскольку напор в оптимума турбинного режима обычно выше, чем номинальный напор насоса, то возазва&т южрос о прочности узлов и элементов насосного агрегата и о возможности его работы при повышенных напорах.

Третьей особенностью является то, что насос, применяемый в качеству турбины не имеет органов регулирования расхода, ш>, врв изменении напора (и, соответственно, расхода) от максимального до минимального, область эксплуатационных режимов должна оставаться в довольно узкой зоне оптимума, и при этом не попасть в область повышенных пульсаций давления.

В связи с отмеченным в работе анализировались материалы по характеристикам насосов в турбинной зове, и решена задача по их обобщению с целью

приведения их к виду, дающему возможность использовать в практической деятельности.

В результате обработки имеющихся в российской и зарубежной литературе характеристик насосов на интервале по быстроходности в турбинном режиме nS) от 50 до 700 получены обобщенные зависимости:

Н/Нр= 4.22 - 212 , . (1)

Q/Qp = 3.57 ■ 2 > (2)

где Н(, Нр и Gt, Qp -соответственно оптимальные напоры и расходы в турбинном и насосном режимах. Получена зависимость nst=f(nsp) для оптимальных турбинного и насосного режимов,

nst = 49.93 + 0.649 nSp . , (3)

По зависимостям (1), (2), (3) могут быть определены приближенно соотношения приведенных частот вращения в точках оптимума турбинного п насосного режимов и сделан подбор насосного оборудования.

Из них следует, что если оптимум насосного режима соответствует, например, 10 м, то такой насос будет работать с максимальным КПД при напоре ГЭС примерно 15-18м. При этсад необходимо согласовать с поставщиком вопрос о допустимости повышенных нагрузок на конструкции и узлы насоса.

Этой проблемы не возникает если, напор в турбинном режиме принять равным напору в насосном режиме, то есть НТ-=НВ. Тогда для работы в оптимальной : по КПД области характеристики необходимо перейти к частоте вращения, более кизкой чем в насосном режиме.

Выбирая диаметр рабочего нолеса, следует иметь в виду примерное равенство приведенных расходов в оптимумах турбинного и насосного режимов.

Таним образом подбор насосов для работы в качестве турбин может производиться: а) на напор больше паспорного с сохранением частоты врашения или (5) на равные напоры и пониженную частоту вращения. Первый подход позволяет йолучить большие значения пропускной способности, коэффициента быстроходности Й мощности агрегата по сравнению со вторым подходом. Кроме того, обеспечивается возможность сохранения комплектующего двигателя,

Второй подход снимает вопрос прочности, обеспечивает большую надежность эксплуатации, но частота и мощность оказываются меньшими.

При реконструкции или восстановления малых ГЭС может потребоваться Сохранение основных габаритных размеров агрегата, В этом случае следует подбирать насос с диаметром рабочего колеса D|, близним к диаметру заменяемой Турбины.

С целью облегчения подбора насосов на требуемые параметры построены и приводятся в диссертации эксплуатационные поля в координатах расход-напор для "сновннх типов осевых насосов, одного диагонального и двух центробежных насосов,

серийно выпускаемых заводом Уралгидромааь Пользуясь еми, следует учитывать, что отклонение рабочей точки на хараитернстхше от зоны оптимума приводит к повышенным пульсациям давления н вибрациям конструкций, Во избежание этих неблагоприятных явлений по опубликованным материалам натурных испытаний построены графики относительных приведенных амплитуд пульсаций давления в ' турбинных режимах от' привед&'жой частоты вращешш А(п) и А(п/п0), где п, п0 -частоты вращения агрегата в данном турбинном режиме и в оптимальном насосном ■ 'режиме. Эта графини доказывают идентичность характера

зависимостей пульсация от приведенной частоты вращения, осевых насосов различного типа и размера и позволяют сделать вывод о необходимости ограничения ' области эксплуатации по. капору, особенно при пониженных напорах, значениями л »макс не более 1,2. Озгравшення области эксплуатации при повышенных напорах винтуются усжшешг прочности узлов агрегата.

Установлено, что для насосов в моноблочном испольнешш имеется ; возможность расширенна этих областей за счет применения мультипликаторов, позволяющих согласовывать оптимальные, нан правило более низкие, частоты вращения гидромашш со стандартными, как правило более высокими, частотами вращения генераторе® ила двигателей в . режиме генераторов. Примененение мультипликаторов позволяет: .

- решить вопросы комвойойш вновь поставляемого гидротурбинного оборудования в существующих зданиях ГЭС;

- при ограниченном количестве типоразмеров гидротурбин и насосов, используемых как турбины, покрыть необходимый двавдзон расходов и напоров;

- за счет оптимизации частоты вращешш рабочего колеса добиться максимальной выработки электроэнергии, вооусткмш: навигационных и эксплуатационных характериепш гид ромашины,

'- используя насосные установки б качестве гидроагрегатов малых ГЭС, сохранить при турбинном направлена» вравцекия рабочего колеса насосное направление вращешш двигателя-генератора.

Ко времени начала этой работы не было известно о каких-либо экспериментальных данных СО' коэффициентам кавитации насосов при работе в турбинных режимах, ио имелись материалы по кавитационным характеристикам обратимых гидромашаи ЙЗС и Г АЗС. В то же время наличие информации навигационных характеристиках является необходимым условием при использовании насосов в качестве турби» малых ГЭС. Без знания коэффициентов кавитации о' невозможно правильно' назначить высотное расположение рабочего колеса и допустимую, высоту отсасывания, обеспечить безкавитационные режимы эксплуатации в. заданном диапазоне колебаний напоров и бьефов. .'. ,

В диссертации приводится обработка и обобщение данных по навитационным характеристикам обратимых гидромашин ПЗС й Г АЭС, что позволило получить выражение коэффициента кавитации в турбинном режпйе через быстроходность.

(1.081Ъ, + 30)'3 °т = 20000~0 ' { '

Отражая в самой общей форме связь между параметрами устайовни и коэффициентом кавитации, с помощью выражения (4) можно удовлетвори-телыю определять высоту отсасывания при проектировании.

В третьей главе излагается методика водноэнергетических расчетов, разработанная применительно к электростанциям, оборудованным насосными агрегатами. Установка на малых ГЭС насосного оборудования вносит специфические особенности в режимы работы станции и водохранилища. Эти особенности определяют специфику водноэнергетических расчетов.

В большинстве случаев МГЭС предназначаются для выдачи энергии в крупную ' энергосистему и не участвуют в регулировании мощности и частоты. Основным критерием, определяющим режим работы таких станций, является максимум выработки электроэнергии. Как правило эти станции имеют водохранилища небольшой емкости, обеспечивающие суточное регулирование стока. В этих условиях наибольшая выработна электроэнергии получается при режиме работы ГЭС по водотоку, когда отметка верхнего бьефа поддерживается постоянной и устанавливается баланс между расходами притока и потребления. Для обеспечения такого режима работы необходимо постоянно корректировать расход ГЭС. Однако насосные агрегаты не имеют органов для оперативного регулирования расхода, которое может осуществляться лишь за счет изменения числа работающих агрегатов. Это приводит к циклическому режиму работы гидроэлектростанции.

В течение одного цикла происходит сработка водохранилища и его наполнение до НПУ. В фазе сработки ГЭС работает с расходом, превышающим расход притока, а в фазе наполнения - с расходом меньшим расхода притона. Таной дискретный режим работы станции необходимо учитывать при выполнении водноэнергетических расчетов.

Наиболее точно выработка электроенергии МГЭС с насосными гидроагрегатами может быть определена в результате расчета хода уровней верхнего и нижнего бьефов с учетом изменения расхода гидромашшш и количества работающих гидроагрегатов. Такой подход реализован в данной работе при разработке программы расчетов на ЭВМ.

Наряду с этим разработана методика аналитического расчета выработан электроэнергии с учетом специфических особенностей работы МГЭС с насосными агрегатами, которая базируется на известной формуле для расчета выработки электроэнергии Э в которую включены санитарные попуски 0Саа при остановке

стаиции и суммарное время фаз наполнения водохранилища Ткоз за рассматриваемый отрезок времени Т.

((0быг~0дот)Т ~ ОсаяТвад))

367.2 ^V'r < «)

¡(омплексный анализ энергетических параметров МГЗС, оборудованной, насосными агрегатами, работающими в турбинных режимах проведен на примере Добромысляиской ГЭС и включал определение выработки электроэнергии, количества пусков и остановок агрегатов в различные по водности периоды, с учетом возможных санитарных попусков в нижний бьеф, а также различных режимов работы станции при наполнении водохранилища (рис. 1).

Расчеты был и выполнены по разработанной нами программе на ЭВМ, а также по полученным аналитическим зависимостям. Для получения общей картины варьировались значения бытовых расходов притока, расходов санитарных попусков, ' Рассматривались два условия: 1) когда ГЭС работает только в фазе сработай ' водохранилища и не работает в фазе наполнения (каким бы ни был расход притока); 2) когда ГЭС работает как в фазе сработай, так и в фазе наполнения а число работающих агегатов п" определяется предлагаемыми критериальными зависимостями:

- в фразе наполнения водохранилища

nQi < (Обш-Овот) < (г>+ 1)Qt , (6)

- в фразе сработнУ водохранилища

(n-lXf, < (Обш-Опот) snQi , (7)

где QT - расход одного гидроагрегата; Обыг-Олот - соответственно расходы бытовой приточиости в ВБ н безвозвратных потерь.

Сопоставление режимов работы Добромысляиской MTX с остановкой всех агрегатов в фазе наполнения водохранилища и с воз2>южностыо работы части агрегатов в фазе наполнения показало, что возможность работы части агрегатов в фазе наполнения обеспечивает увеличение выработки: 1) за счет роста средневзвешенного напора, та» пан сокращается время работы ГЭС в фазе сработки водохранилища; 2) за счет уменьшения объема холостых (санитарных) попусков, имеющих место в фазе наполнения водохранилища при остановленной ГЭС. Возможность работы части агрегатов в фазе наполнения обеспечивает также уменьшение количества пусков агрегатов.

В четвертой главе обосновываются и анализнроунггся типы переходных, процессов возникающие в МГЭС с насосными агрегатами. Показано что на выбор того или иного вида технологии проведения переходного процесса влияют такие факторы как:

1. Особенности характеристики гидромашин (насоса), к которым следует отнести: значение разгонной частоты вращения, характер изменения пропускной

К^плз

Рис. 1. Обобщенная зависимость месячной выработки и число включений Добромыслянской ГЭС с двумя насосами ОВ 16-87 (при варьировании значениями санитарных попусков и объемов суточного стока) с учетом возможности работы ГЭС в

фаз» наполнения водохранилища.

способности рабочего колеса в функции от частоты вращения, зависимость прочностных показателей рабочего колеса от выбранной зоны проведения переходных процессов;

2. Силовые и скоростные характеристики запорного устройства, а также место его расположения на напорном тракте;

3. Геометрические и прочностные характеристики напорного тракта;

4. Тип электромашины, особенности ее пусковой характеристики,. значение махового Момента, допустимая разгонная частота вращения.

Рассмотрение типов возможных; к применению запорных устройств показало, что при использовании насоса в качестве гидротурбины функции направляющего аппарата нан органа, регулирующего поступление воды на рабочее колесо гидромашины, передаются запорному устройству на проточном тракте и что, в основном, могут использоваться: плоский затвор, задвижка, дисковый затвор.

Установлено, что режимы остановок для агрегатов МГЭС на базе насосного оборудования принципиально не отличаются от таиовых для ЮС. В то же время, проблемы; пуска,, осуществляемого по, схеме 1ГЭС, то есть гидравлическим путем, составляют задачу, ранее не исследованную^ Тем более, - что в ряде случаев, очевидно, представится возможность использовать технические особенности--двигателей насосов, точнее — их пусковых асинхронных характеристик.

Аналогично, и аварийные- сбросы; на!грузни, в связи с низким быстродействием запорных устройств; требуют всестороннего- их изучения, особенно в части установления закономерностей! временны» вйй&шедйй.

Рассмотрено четыре варианта. раамазд^ша шщшзяо- устройства на проточпом тракте установит

Вариант I1 - задорное устройство- рагшвйакш на водоприемнике, не подтоплено со стороны! HB.,.

Вариант Iii - запорное- устройство- ралдояоаюко мешдг> гвдромашиной и водоприемнином', не подтоплена со- сторона Щ а имеет за> собой заполненный участок водовода* -

Вариант Ш| - запорное устройство» расшяш»®» у тгрюшшаш! со- стороны ВБ, подтопленно со стороны! ВД. % ишет за- собой заасдакший участок: водовода.

Вариант IV - запорное устройство, расподотда.- ш обсасывающей трубе и подтоплено как состорон» Щ, тай- № со- сторогш BS..

В этой главе содержится анэлиа свойств- харанлерастше осевкос, дшго^иальных и центробежных насосов. Отмечается! чшо. хараияедшши! даьа осевах иасосов являются ' значительная! разгонная частота, вргщнш», доеищаявирж номинальной, большие значения гидродинамического момента т лепаспяж рабочего колеса в режиме разгона, а- танже увеличение приведенного расхода Q| при возрастании приведенной частоты; вращения! п{.

- и -

В связи с этим, для МГЗС с данными гпдромашннами целесообразно использовать размещение запорного устройства по варианту I. МГЗС в этом варианте очень напоминает компоновку насосной станции. Она также имеет трубопровод, опорожняемый при остановке станции. Процессы пуска ц остановки агрегатов будут связаны с его наполнением. Установка запорного устройства на водоприемнике позволяет использовать в этом качестве обычный плоский быстропадающий затвор, что даст возможность избежать затрат, связанных с увеличением прочности трубопровода и быстродействия дискового затвора по варианту II шш III.

Для центробежных насосов характерным является уменьшение пропускной способности рабочего колеса при увеличении частоты вращения, что вызывает появление в водоводе положительного удара при разгоне. В то же время этот тип насосов отличают меньшие ограничения по условиям прочности лопастной системы ': п более низкая чем у осевых насосов разгонная частота вращения, В таких условиях : конструкции МГЗС и технологии переходных режимов, предполагаемые для осевых насосов, неприменимы. Целесообразно использовать вариант компоновки с расположением запорного устройства непосредственно у агрегата со стороны ВБ.

Диагональный насос является промежуточным по быстроходности между центробежными н осевыми и предназначен для работа при напорах от 20 до 30 м. В соответствии с этим характеристики диагональных насосов обладают свойствами центробежных и осевых насосов, в числе которых: уменьшение пропускной способности рабочего колеса при увеличении частоты вращения, значительная разгонная частота вращения и большие значения момента на лопастях рабочего колеса при ее достижении.

При припятня решения о конструкции МГЗС и технологии проведения переходных режимов следует учитывать длину напорного водовода. В случае незначительной его длины (до 200-300 м) следует применять конструкцию, рекомендуемую для МГЗС с осевыми насосами. Для больших длин водоводов -использовать компоновки и технологии, свойственные центробежным насосам.

Для исследований процессов сбросов нагрузки была составлена программа для персональной ЭВМ и выполнены расчеты с различными типами насосов, Исследовались установки с центробежными насосами серийниых моделей, расчитанными на напоры 40, 63 и 100 м, с диагональными насосами п$я«350 мшг1 (70 ВИ-2Л/23), с осевыми насосами nSH-500 мин-» (ОПШ-110) и nSn-700 мин-i (ОП1В-87). Программа написана на языне Фортран.

Проведенными вычислительными экпериментами с учетом различных конструкций и технологий проведения переходных процессов установлено, что для случаев внезапного отключения агрегатов ГЭС от сети - сбросов нагрузки, основными задачами являются определение:

&ток=Нггшх/11о

12 Т\у/То

Рис. 2 К определению; а) гндроудара и б) разгонной частоты вращения при отключениях агрегата с центробежными насосами от сети.

- для установок с центробежными насосами - максимальных разгонной частоты вращения и величины положительного гидроудара в отсутсвие закрытия запорного органа (затвора) на напорном трубопроводе;

- для установок с диагональными и осевыми насосами - максимальной разгонной частоты вращения как с опорожением водоводов, тан и без пего.

Для решения. практически:: инженерных задач н определения при

р8эг

П

m«

максимальнее цоьншения напора Um3x (для установок с вбитробежиымл насосами), а также и относительного времени ее достижения 1р[Пах (для установок с особыми и днзго:к>льзш;.!и насссаии) результаты представлены в функции соотношенчя псстояявих ннерадш ьодогола и агрепт» Tv/Ta. IIa рис. 2 поназанн зависимости для ?г?ГЗС с пентробежннми насосами с r)sa=H0 и nsH=220 мин-1, то есть (11= 100м п !Ы0м).

Пятая глаза посвящена исследосянням условий протекания и разработке технологии гидравлического а электрогпдрэвлнчоского пусков насосных агрегатов, в турбинные режимы. Исследования выполнены на основе математического моделирования процессов и анализа их результатов. Расчеты ча ЭВМ производилось с помощью программного комплекса "Stell?»", работающего г. среде ОС ПЭВМ "Macintosh" (рис, 3).

• IIa основе анализа показано, что условия пуска прежде всего зависят от места затвора на трубопроводе, а также от йго положения по отношению к НБ. Если затвор находится ниже уровня IIS, то пространство между ним п рабочим колесом всегда заполнено водой. Отсюдз, напор, действующий при пуске на рабочее колесо, и расход через него будут определятся лишь отнрытием затвора S. При расположении затвора выше НБ между затвором и рабочим колесом образуется свободное от воды пространство, которое в зависимости от его объема, будет в период пуска за то или иное время заполняться.

В обоих случаях пуск начинается с открытия затвора и создания напора Нтре,, необходимого для трогашш ротора, который определяется по полученному нами выражению:

Нтрог * з Кти Г Р° . , (8)

о, Yb Кос Ktr г

где Ktr - коэффициент трения в подпятнике узла; г - средний радиус подпятника, м; Ро - Еес ротора, приходящий*^ подпятник, кг; приведенный момент

рабочего колеса при п=0, нгм; - удельный вес воды нг/м3; Км-АвКь коэффициент осевой силы, определяющий условия передачи давления воды на рабочее колесо; л» - площадь входа в рабочее колесо, м2; для осевых насосов Kt-1, для центробежных и диагональных Кс2Л85-0Л015п5().

С помощью (8) и уравнения баланса напоров для подтопленного и неподтопленного затворов установлено, что для случая подтопленного затвора открытие его S, при нотором происходит трогание ротора определяется через коэффициент расхода |j^rpor<s)

Условные обозначения:

Интегрирующий -л блок

Блок задания производной

Алгебраический блок

—. Блок иу) неленейности

^ Направление передачи чисел

о«»*

I

Е

Рис. 3. Диаграмма задачи расчета гидравлического пуска насосного агрегата в турбинный режим

работы на опорожненный водовод.

d? a; Vhtpoi

•pcr Fjatv V2g lHsrHTror)

где - статический напор на установку, а для случая поглэ затвор не подтоплен, по формуле:

D? С ^

М-гр«г (3) -- ---- (Ю)

F„,v i2g HZ8tv

где Hzlty - напор, действующий на затвор.

Аналогичным путем можно определить откргпта затвора при котором ротор

будет удерживаться на номинальной частоте вращетжг.

Если электромашина не включается в сеть (пусковая асинхронная

характеристика отсутствует), то режимная тотмз совпадает с разгоном, И^-О и

Mj-O, а nj ="1 ■ Эти условия в сочетании с п-п3 п позволяют определить

напор разгона при пуске н®„г для подтопленного затвора:

of Q't По

;pasr л 12g

и для неподтоппенного затвора

Hit -

п®

к;

■ 3?« у и» I

•рЯТ/ J

с! с, п0

- . (12)

По М-разгЬ). имея характеристику затвора, можно найти открытие Э затвора обеспечивающее разгон с номинальной частотой вращения -Анализируя соотношения (10) и (12) получаем:

Предположив .К»1, означающее что после трогания ротора до достижения п=Пр«зг открытие затвора остается постоянным, получим:

ОС -,/н

гг"г , лгтрог,

Соотношение 01 /о; для осевых насосов составляет ~ 2,4, для

1Ыà 1 П=0

диагональных ~ 12, а центробежных ~ 0.9. Из (14) следует что после трогания ротора с его разгоном, при неизменном открытии Бтрог, в установках с осевыми насосами будет происходить значительная сработка уровня на участке "рабочее

колесо-затвор", с диагональными - незначительная, а у центробежных насосов произойдет наполнение.

1 Н 2 Или 3 Эг^и 4 О^игЬ

Рис, 4 Гидравлический пусн осевого насоса ОП5-87.

Такое положение указывает на то, что, в установках с порожним участком водовода для осевых и диагональных насосов, после трогания ротора во избежании опорожнения водовода надо производить дальнейшее отнрытие затвора, то есть применять его программное открытие.

Для исследования условий протекания гидравлического и электрогидравлического пуска были проведены несколько серий расчетов на математической модели для осевого насоса ОВ5-87 (по=600 об/мин Н0= 17.28 м), центробежного насоса 800В 2.5/40, (п<,=500 об/мин Н>=40 м), При этом учитывалось, что агрегаты могут быть оборудованы как штатными двига-гелями насосов, так и высокооборотнуми генераторами, подключенными к гидромашине через мультиплинатор.

Для иллюстрации на рис. 4 показан пример пуска, агрегата с насосом ОН5-87 и штатным электродвигателем. В данном случае открытие затвора происходит до э^ор) =0.26^5трог (Время открытия Т£=20 с), которое в дальнейшем остается

неизменным. Кан видно, после трогация ротора происходит опорожнение водовода, а частота ^„civ

На основании проведенных расчетов сформулированы рекомендации, позволяющие при пусках осевых насосов исключить попадание режимной точки в зону повышенных разгонных и тормозных режимов и избежать опорожнения трубопровода. Оптимальным является: - при гидравлическом пуске - трехступенчатое открытие затвора; сначала до STpor, затем, посде некоторой задержки, до Sr„r и после сиихропнзаЦии электромашины, до полного открытия, -при элентрогидравличесном -включение асинхронной (или какой-либо иной пусковой) обмотки электромашины в момент достижения напором Н,пах, и одновременное открытие затвора на полную величину.

Из (8) а также результатов расчетов следует, что вес и маховой момент ротора существенно влияют на величину Нтах и на скорость набора частоты вращения, С уменьшением этих параметров уменьшается превышение напора IW над таковым при установившемся разгонном режиме - H!ns. Отсюда, следует что для установок с осевыми насосами и мультипликаторами, при выполнении гидравлического пуска не потребуется первой ступени открытия затвора до STPor то есть его можно сразу открывать до Sp8M.

Для определения Нпах и Птах рекомендуется проведение полных расчетов, а на предварительных стадиях - использовать соотношения:

где большие значения коэффициента соответствуют агрегатам с Та-5-б с, а меньшие с Та=05-0£ с.

Исследования, проведенные для установон с центробежными насосами для вариантов расположения затвора на водоприемнике и у гидромашины, позволили ¿делать следующие выводы, Для первого варианта, влючение элентромашнны в сеть до достижения ротором агрегата номинальной частоты вращения нецелесообразно, так кан во-первых время пуска сокращается незначительно, а во-вторых агрегат может Задать в зону неблагоприятного обратного насосного режима, при работе в котором будут наблюдаться повышенные пульсации давления и вибрации частей агрегата. Во втором варианте, при размещении затвора непосредственно перед гидромашиной, условия пуска и его протекание будет определяться положением затвора по отношению к нижнему бьефу. Когда затвор подтоплен изменение параметров пуска агрегата происходит без каких-либо затрудаэеивЛ и затвор может открываться до 5рмг, обеспечивающего достижение номинальной .частоты вращения. Случай, ногда затвор не подтоплен со стороны НБ, кан показали расчеты, является весьма сложным. В целом пусн происходит как бы в два этапа, Первый - заполнение пространства водовода до затвора, и второй - образование напора в нем и создание неразрывного течения во всем водоводе. Расчеты на нашей модели показали, что эта

Пта* = ( I + 1.5) Пков

н™* з (I.2*3)1V*

(15)

(16)

задача требует, специально поставленной исследований. Дело в том, что после . заполнения пространства между рабочим колесом и затвором в нем создается напор, появление которого во-первых резко увеличивает пропускную способность рабочего колеса, а во-вторых уменьшает расход через затвор, В результате давление в пространстве перед рабочим колесом падает, а расход через затвор увеличивается. Вознинаот своего рода нолебательный процесс.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1, Тенденция использования энергии малых водотоков, а также связанная с этим потребность в большом количестве энергетического оборудования для МГЭС делают преспективым использование в качестве турбин и генераторов серийно выпускаемых насосов и электродвигателей.

Большая номенклатура насосов и электродвигателей, их достаточно высокие КПД в режимах выработки энергии, при относительно низкой стоимости присолит тому, что стоимость 1 кВт'Ч установленной мощности в 4-5 раз меньше такой же мощности, полученной на МГЭС с обычным турбинным оборудованием.

2. Выплолнешше в диссертации обобщенно и анализ имеющихся данных и характеристик насосов при работе в турбинных режимах позволили получить соотношения оптимальных параметров гидромашин в насосных и турбинных режимах, определить величины: напора, расхода, частоты вращения и заглубления рабочего колеса.

Полученные в работе эксплуатационные поля 0-Н основных типов насосов, дополненные сведениями' об основных их ограничениях, а также способами расширения полей путем использования мультипликаторов, дают возможность осуществлять подбор гидросилового оборудования МГЭС при проектировании, а также оценивать его работу при эксплуатации,

3. Выявлены следующие особенности водноэнергетических расчетов МГЭС с насосными агрегатами:

- при работе МГЭС на бытовом стоке регулирование может осуществляться лишь за счет изменения количества работающих агрегатов. Это приводит к циклическому режиму работы ГЭС и водохранилища.

- напор является единственым фактором, определяющим расход, мощность гидроагрегата;

- в периоды межени, когда для наполнения водохранилища ГЭС останавливается, следует учитывать потери стока на необходимые санитарные попуски в нижний бьеф;

- в периоды, когда бытовые расходы реки, превышают максимальный расход МГЭС необходимо учитывать совместную работу станции и водосброса с форснровкой уровня в водохранилище;

Указанная специфика работа МГЭС, оборудованы* насосными агрегатами, учтена при разработке алгоритма и программы ЭВМ для выполнения Водноэнергетических расчетов, позволяющей получать значения выработки электроэнергии, количества пусков агрегатов и проследить процесс, во времени.

4. На основании анализа результатов расчетов на 3"М разработаны рекомендации по режимам работы МГЭС, обеспечивающие максимум выработки электроэнергии и минимум пуско-остзновочннх операций.

5. В отсутствие у насосов, присущего турбинам направляющего аппарата его функции по управлению процессами пусков, остановок и сбросов нагрузки переходят н оперативному затвору,

В работе поназано, что для МГЭС с центробежными насосами целесобразно установка оперативного затвора перед гидромашиной, с осевыми насосами -на Водоприемнике,(в случаях использования диагональных насосов, в зависимости от особенностей их характеристик - кзн то, тан и другое расположение оперативного зат-вора).

6. Исследования показали; что режимом, определяющим максимальные значения гндравличесного удара и разгонной частоты вращения в установках с центробежными насосами является сброс нагрузки в условиях отказа оперативного затвора. В установнах с осевыми н диагональными насосами основной задачей является устранение полного разгонного режима, что может быть дотигнуто быстрым закрытием оперативного затвора па водоприемнике и опорожнением водовода.

7. Полученные в результате исследований на математических моделях заейсимости позволяют определять макси-малыше значения гидроудара и частоты вращения при сбросах нагрузки в установнах как с опрожнением водовода, так и йэ него.

8. Анализ и исследования условий пусна агрегатов показали, что для этой Цёйй можно использовать гидравлический и элентрогидравлнчесний (с включением Дбйгателя насоса в процессе набора частоты вращения) пуски.

Агрегаты с осевыми насосами, оборудованные тяжелыми синхронными электромашинами (СО2 равно или больше СО2 штатного двигателя) в целях избежания опрожнення водовода и попадания в разгон

должны пускаться как минимум с двумя промежуточными открытиями затвора, ¿обеспечивающими соответсвенно трогание ротора и Номинальную его частоту вращения, и синхронизацию и только после этого вводиться на рабочий рея, им окончательным отнрытием затвора,

Агрегата со штатными двигателями могут пускаться с одним промежуточным открытием затвора, обеспечивающим трогаипе ротора водой,при этом электромашину следует включать в сеть в момент достижения напора Нгпах, что позволяет избежать опорожнение водовода,

Агрегаты с осевыми насосами и легкими ротораш <Б02 <бр2 штатного двигателя), а также центробежные насоси могут пускаться открытием затвора на величину, обеспечивающую номинальную или подсинхроииую частоту вращения. При этом включение электромашины в сеть следует производить с задержкой, которая позволит избежать попадание в тормозной и обратный насосный режим.

Подрисано к печати 24.11.93 формат 60x84 1/16 Печать офсетная И-301 Объем I уч.-изд. л. Т. 80 Заказ

Типография МГСУ