автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации агрегатов с мощным радиально-осевыми гидротурбинами на основании их исследований на гидроэлектростанциях

Предисловие£

Введение.<

Основные условные обозначенияЩ

Глава I. Влияние конструкций водоподводящих трактов приплотин-ных ГЭС на их КПД в натурных условияхф

1.1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования гидротурбинных блоков

1.2. Влияние конструктивных особенностей турбинных трубопроводов Баксанской ГЭС на КПД водопФДводящего тракта£

1.3. Влияние конструктивных особенностей турбинных трубопроводов Бухтарминской ГЭС на их КПД£

1.4. Влияние условий подвода воды к турбине на КПД водо-подводящего тракта Красноярской ГХЩ

Выводы

Автор благодарит сотрудников отдела Гидротехнических и энергетических исследований Ленинградского отделения института "Гидропроект11, с которыми автор участвовал в проведении натурных исследований, и эксплуатационный персонал Красноярской ГЭС, способствовавший выполнению обширной программы исследований.

Введение

Актуальность проблемы. Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1980-1985 годы в области гидроэнергетики ставят задачу продолжать сооружение преимущественно крупных гидроузлов, позволяющих комплексно решать задачи производства электроэнергии, орошения земель, обеспечения водой городов и промышленных предприятий, развития судоходства и рыбоводства, предотвращения наводнений. Одновременно ставится задача обеспечить в каждой отрасли промышленности рост производства прежде всего за счет повышения его эффективности и более полного использования внутрихозяйственных резервов.

Для работников эксплуатации ГЭС одним из основных направлений являются повышение эффективности основных фондов и в первую очередь основного энергетического оборудования и снижения себестоимости электроэнергии.

Более крупный вклад в дело повышения производительности труда на ГЭС должны сделать проектные и конструкторские организации, заводы - изготовители оборудования и строители ГЭС. От проектировщиков и строителей ждут лучших проектных решений по компоновке сооружений. Значительный резерв повышения используемой мощности во многих энергосистемах состоит в уменьшении разрыва между установленной и располагаемой мощностями ГЭС. Необходимо, в частности, анализировать причины недоиспользования установленной мощности .ХХУГ съездом КПСС поставлена задача повысить производительность труда в энергетике. Решение этой задачи зависит от творческого участия в решении поставленных задач проектных, научно-исследовательских организаций, эксплуатационного персонала ГЭС, а также заводов энергетического оборудования и других предприятий.

Эффективность энергетики является насущной задачей сегодняшнего дня. Об этом говорил тов. Л.И.Брежнев на ноябрьском /1979г./ Пленуме ЦК КПСС: ". Какими бы темпами мы ни развивали энергетику, сбережение тепла и энергии и впредь будет важнейшей общегосударственной задачей. На экономию топлива и энергии должны быть нацелены усилия каждого коллектива, каждого труженика." Создание крупных гидроузлов с гидроагрегатами единичной мощностью 500 и более тыс.кВт требует тщательного изучения накопленного опыта строительства подобных сооружений. Наиболее полно такую задачу можно решить проведением комплексных исследований блоков ГЭС с целью определения возможности повысить их эффективность и дать на основании этих исследований рекомендации проектным и конструкторским организациям по созданию более совершенных конструкций блоков ГЭС и гидротурбинного оборудования.

Для эксплуатационного персонала натурные исследования определяют пути эффективной эксплуатации гидротурбинного оборудования.

Впервые в СССР комплексные натурные исследований гидротурбин были проведены в 1938 году на Баксанской ГЭС. Исследования проводились НИИ гидротехники под руководством профессора А.А.Сабанеева. В указанных испытаниях принимали участие и сотрудники Ленинградского отделения ГИДЗПа. В дальнейшем, начиная с 1955 года, под руководством д.т.н. В.А.Тиме были проведены натурные исследования многих агрегатов ГЭС. В организации указанных исследований уже в Ленинградском отделении института "Гидропроект" активное участие принимали А.П.Мурзин и к.т.н. А.Е.Данилов. Созданная ими группа натурных исследований провела большое количество испытаний на ГЭС как в СССР, так и за рубежом: в КНДР, Индии и других странах. В СССР натурные исследования были проведены на

Волжской, Куйбышевской, Боткинской, Каунасской, Братской, Красноярской и ряде других ГЭС. Натурные исследования гидротурбин выполнялись также НИС-ом "Гидропроекта", ПО "Союзтехэнерго" /ОРГРЭС-ом/, ПО турбостроения "ЛМЗ", НПО ЦКТИ им.И.И.Ползунова и рядом других организаций. Исследования, выполненные указанными организациями, охватывали широкий круг вопросов: определение КПД гидротурбин, исследование кавитационной эрозии в натурных условиях, определение потерь напора в водопроводящих трактах гидротурбин, гидромеханические испытания гидротурбин, их вибрационные характеристики, проверка работы системы регулирования и другие.

Наряду с натурными исследованиями очень большая и полезная работа проводится по модельным исследованиям как гидротурбин / ПО "ЛМЗ", ХТЗ, ВНИИ Тидромаш", НПО ЦКТИ, ЖШ, МЭИ и др./, так и по исследованиям гидротурбинных блоков F3G. Здесь в первую очередь следует отметить работы НИС-а "Гидропроекта" и лабораторию гидротурбинных блоков ВНИЙГ-а им.Б.Е.Веденеева. фундаментальными трудами, обобщающими исследования по блокам ГЭС в нашей стране, являются труды А.П.Зегжды, И.И.Леви, А.А.Сабанеева, С.С.Слисского, И.А.Чернятина, А.М.Чистякова, Д.С.Я^ве-лева.

Проблемам кавитации в гидротурбинах посвящены в первую очередь работы А.Й.Бусырева, А.С.Пашкова, А.Д.Перника, Н.И.Пылаева, В.Г.Старицкого, К.К.Шальнева, Ю.У.Эделя.

Большинство указанных работ основаны на результатах модельных испытаний как в части энергетических исследований гидротурбин, гидротурбинных блоков, так и в части кавитационных исследований гидротурбин. Это и понятно, так как на натурных установках крайне трудно выявить степень влияния отдельных факторов на энергетические и кавитационные характеристики гидротурбин.

Анализ результатов натурных исследований показал, что на ряде ГЭС фактические характеристики гидротурбин заметно отличаются от расчетных, гарантируемых заводами-изготовителями. Причиной таких расхождений характеристик гидротурбин является тот факт, что на модельных установках не до конца удается выявить все явления, которые впоследствии появляются в процессе эксплуатации в натурных условиях. На современном этапе развития гидроэнергетики при создании крупных энергоблоков с единичной мощностью гидротурбин до 640000 кВт степень влияния отдельных технологических отклонений проточного тракта агрегата может привести к значительным потерям выработки. В этих условиях особую актуальность приобретают вопросы, связанные как с определением потерь напора в водоподводящем тракте, так и со степенью влияния водоподводящего тракта на формирование потока на входе в спиральную камеру турбины.

Изучение факторов, влияющих в натурных условиях на изменение энергетических характеристик крупных гидротурбин в реальных условиях эксплуатации и изучения развития кавитационной эрозии является важнейшей задачей исследователей.

Цель работы. На основании результатов натурных исследований крупных радиально-осевых гидротурбин уточнить данные модельных исследований блоков, оценить отдельные конструкции водопроводя-щих трактов, определить фактическое значение их КПД и выявить влияние отдельных конструктивных элементов на снижение КПД водопроводящих трактов в натурных условиях. Оценить степень влияния технологических и монтажных отклонений проточного тракта гидротурбины в натурных условиях на изменение паспортных энергетических характеристик турбины.

Разработать метод учета фактического состояния кавитационной эрозии на рабочих колесах в процессе эксплуатации и разработать номограммы для оценки степени снижения КПД турбины в процессе эксплуатации.

На основании анализа состояния элементов проточного тракта гидротурбины и результатов комплексных энергетических исследований всех гидротурбин Красноярской ГЭС при трех напорах получить уточненные эксплуатационные характеристики каждой гидротурбины ГЭС.

На основании индивидуальных эксплуатационных характеристик гидротурбин разработать метод оптимизации режимов работы ГЭС, оборудованной гидротурбинами радиальноосевого типа с оценкой эффективности применения данного метода для ГЭС.

Все ранее проводившиеся натурные исследования имели один недостаток: они осуществлялись на одном или нескольких агрегатах данной ГЭС.как правило в разное время и не носили характера комплексного исследования всех агрегатов данной ГЭС /данной серии гидротурбин/.

В представляемой работе автор, являясь в течение ряда лет руководителем натурных исследований гидромеханического оборудования на Красноярской ГЭС по программе Государственного Комитета по науке и технике, обобщил материалы натурных исследований гидротурбин типа РО П5/697а с целью повышения эффективности эксплуатации радиально-осевых гидротурбин в натурных условиях.

Исследовал степень влияния водоподводящего тракта натурных гидротурбинных блоков Бухтарминской, Баксанской и Красноярской ГЭС на их энергетические характеристики по результатам проведенных энергетических испытаний с измерением расходов гидротурбин абсолютным способом.

Разработал программу проведения комплексных энергетических исследований всех 12 агрегатов Красноярской ГЭС при трех напорах, близких к минимальному, расчетному и максимальному с целью построения индивидуальных эксплуатационных характеристик каждой гидротурбины в натурных условиях эксплуатации.

Изучил в натурных условиях фактическое влияние технологических отклонений элементов проточного тракта гидротурбины на ее энергетические и кавитационные характеристики.

Указанные материалы являются основными данными Автоматизированных систем управления технологическими процессами ГЭС при назначении оптимального состава оборудования при покрытии графика нагрузки.

Объект исследований - формуляры состояния элементов проточного тракта агрегатов ГЭС, энергетические и кавитационные характеристики группы эксплуатируемых ГЭС.

Методы исследований:

- теоретические;

- обобщение данных натурных измерений, выполненных на эксплуатируемых ГЭС;

- проведение натурных исследований на действующих ГЭС и обработка результатов исследований;

- разработка методов определения оптимальных энергетических параметров гидротурбин и агрегатов ГЭС и внедрение их в эксплуатацию.

Научная новизна работы:

- На основании результатов комплексных натурных исследований 12 агрегатов Красноярской ГЭС при трех напорах построены индивидуальные эксплуатационные характеристики радиально-осевых гидротурбин;

- На основании индивидуальных эксплуатационных характеристик радиально-осевых турбин разработан метод оптимизации режимов работы агрегатов ГЭС;

- Выявлена зависимость условий подвода напорного трубопровода к спиральной камере на КПД водоподводящего тракта натурных гидротурбинных блоков ГЭС приплотинного типа;

- Определена зависимость технологических отклонений рабочего колеса натурной гидротурбины радиально-осевого типа на смещение оптимума ее КПД;

- Установлено влияние в натурных условиях эксцентриситета установки лабиринтных уплотнений на величину объемных потерь РО гидротурбин;

- Получена зависимость величины кавитационной эрозии лопастей рабочих колес в натурных условиях от отклонений формы профиля лопасти рабочего колеса и твердости металла в зоне разрушений.

Практическое значение работы:

Впервые в практике на основании натурных исследований пяти различных по конструкции блоков приплотинных ГЭС получены фактические значения КПД водоподводящих трактов в зависимости от их конструкции.

- дан анализ качества изготовления элементов проточного тракта крупных радиально-осевых гидротурбин и степень влияния технологических отклонений на их энергетические и кавитационные характеристики;

- построены индивидуальные эксплуатационные характеристики гидротурбин Красноярской ГЭС и на их основе разработан метод оптимизации режимов работы ГЭС;

- на основе анализа развития кавитационной эрозии разработаны номограммы определения степени снижения 1ШД турбины от величины кавитационной эрозии в процессе эксплуатации;

Внедрение результатов исследований. Выводы результатов исследований внедрены на действующих ГЭС и изложены в технических отчетах, выпущенных ЛенгидропроеКтом: инв.№ 989-36-77т, № 989- --З6-П4т, № 989-36-Пбт, К? 989-36-125т, № 989-36-127т, № 989-36--131т, № 989-36-182т. В техническом проекте АСУ Красноярской ГЭС № 1238-7т.

Ряд положений диссертации использованы в проектах АСУ ТТ1 Зейской ГЭС и ГЭС Кемского каскада.

Экономический эффект от использований результатов диссертации по определению оптимального состава работающих на Красноярской ГЭС агрегатов составляет порядка 400000 рублей в год.

Предмет защиты: Метод повышения эффективности эксплуатации агрегатов с гидротурбинами радиально-осевого типа на основании индивидуальных эксплуатационных характеристик, полученных в результате комплексных натурных энергетических исследований.

Метод оценки влияния конструкций водоподводящих трактов на снижение их КПД в натурных условиях эксплуатации.

Способ определения изменения объемного КПД радиально-осевой гидротурбины в зависимости от эксцентриситета установки лабиринтных уплотнений.

Метод оценки развития кавитационной эрозии в натурных условиях в зависимости от качества профиля и твердости металла лопасти,

Апробация диссертации. Основные результаты исследований докладывались на Всесоюзных конференциях института "Гидропроект" /1969,197£,15б2г.г./, Всесоюзном научно-техническом совещании по гидравлике гидротурбинных блоков СНК МАГИ в г.Алма-Ате в 1969 году, на научно-техническом Совете Минэнерготяжмаша СССР в г. Москве в 1970 году, на Всесоюзном совещании по повышению эффективности эксплуатации ГЭС в г.Волгограде в 1975 году, на заседании гидромеханической секции ЦНТОЭиЭП в г.Ленинграде в 1980 году, на заседании секции научно-технического совета ПО "ЛМЗ" в 1980 году и на заседании электромеханической секции технического совета Ленгидропроекта в 1980 году.

Публикация работы. Содержание работы отражено в 6 печатных работах, по теме диссертации получено одно авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и имеет объем страниц машинописного текста, 33 страниц

Выводы

1. По результатам натурных испытаний гидротурбинных блоков установлено, что увеличение потерь напора за счет увеличения их шероховатости достигает величины порядка 7% за период в 14 лет эксплуатации.

2. Турбинные трубопроводы приплотинных ГЭС с напорами 60-90 м., выполненные с углом отклонения в плане перед входом в спиральную камеру от 8 до 20°, имеют в натурных условиях более низкий ШД водоподводящего тракта от 0,4 до 1,0%.

3. Блок агрегата № 8 Бухтарминской ГЭС с двухподводной спиральной камерой в натурных условиях имеет большие колебания давлений /до 31% напора турбины/ и их частоты, а также более низкий /на 1%/ КПД водоподводящего тракта турбины, а КПД этого блока ниже на 0,5%, чем штатный.

4. Для Красноярской ГЭС. При работе агрегата на одном из водоводов "А" или "Б" увеличение потерь напора достигает 6-7% по сравнению с работой на 2-х водоводах, а снижение ШД турбины в натурных условиях в оптимуме составляет 0,8%.

ШД водоподводящего тракта при 400мВт и НТроог 93 м. составляет на водоводе "А" = 93,2%, на водоводе "Б" =93,6%.

5. Результаты натурных исследований гидротурбинного блока Красноярской ГЭС подтвердили результаты модельных исследований блока и главные выводы работы, выполненные кафедрой Гидромашин

Ленинградского Политехнического института им.М.И.Калинина, по оценке потерь в отдельных элементах водоподводшцего тракта. ^ б. Проведение натурных исследований водоподводящих трактов приплотинных ГЭС с НБ = 60-100 м дали возможность получить фактическое значение их КПД, позволяющее обосновать выбор конструкций водоподводящих трактов.

1. Айвазян В.Г. О пересчете на натуру гидравлических потерь в турбинном блоке гидроэлектростанций. Гидротехническое строительство, 1955, №5, с.27-31.

2. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. -М.: Стройиздат, 1975, с.327.

3. Барлит В.В.,Шмугляков Л.С. Влияние условий выхода из рабочего колеса на показатели радиально-осевой гидротурбины.- Известия вузов СССР Энергетика, 1962,ЕЗ,с.17-21.

4. Василевский А.Г.,Гринфельд Е.З. Натурные гидравлические исследования водоподводящих водоводов ГЭС. Труды координационных совещаний по гидротехнике, 1972, вып.76 "Энергия",с.42-45.

5. Данилов А.Е.,Жуковский В.Ф., Иванкова Л.И. Энергетические характеристики агрегатов в различных гидротурбинных блоках /по материалам натурных испытаний/. Труды координационных совещаний по гидротехнике, Энергия, 1972,вып.76.с.94-98.

6. Дульнев В.Б. Расширение потока и восстановление кинетической энергии в потенциальную при выходе из отсасывающей трубы турбин ГЭС. Труды координационных совещаний по гидротехнике. Энергия, 1964,вып.15,с.

7. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Госэнергоиздат, 1960,с.464.

8. Испытание турбин Баксангэс. Научно-исследовательский институт Гидротехники, 1938,с.75.

9. Исследование турбинного блока Красноярской ГЭС с однопо-точной, • двухпоточной спиральной камерами совестнос напорным трубопроводом. Тема № 7026. ЛПИ им.МЛ.Калинина, энергомашиностроительный факультет, кафедра гидромашин,1963,с.100.

10. Казанцев Б.Э.,Тананаев A.B. 0 законе распределения амплитуд пульсаций давления в водоводе модели гидроагрегатного блока Красноярской ГЗС. Труды ЛПИ, 1971,№312,с.72-77.

11. Крессер В. Закономерности турбулентного потока в трубе при больших числах Рейнольдса.- Вассервиршафт, т.57,Р9,с.91-96.

12. Кравченко Г.И.»Иванов И.С., Мордасов А.П. Напорные водоводы гидроэлектрических и насосных станций.- Энергия,1969,с.110.

13. Международный код натурных приемо-сдаточных испытаний гидравлических турбин. Публикация 41,издание 2,1966, с.108.

14. Оцоков А.М., Сейфула Д.О. Исследование погрешности натурных измерений расхода воды гидротурбин и методика его оценки.-Труды МЭИ, 1975, выпуск 229, с.120-127.

15. Панчурин H.A. Гидравлические сопротивления при неустановившихся турбулентных течениях в трубах. Труды ЛИЙВТ, 1961, вып.13, с.43-56.

16. Рауз Энген. Потери напора в развилках напорных трубопроводов. Экспресс-информация, 1970, Р 31, с.12-23.

17. Слисский С.М. Гидравлика зданий гидроэлектростанций.-Энергия, 1970, с.424.

18. Тананаев A.B., Зверков В.П., Григорьев В.И. Лабораторные исследования гидроагрегатов блока Красноярской ГЗС. Труды координационных совещаний по гидротехнике, Энергия, 1965, вып.22, с.157-167.

19. Тананаев A.B. О гидравлических испытаниях модели турбинных трубопроводов Красноярской ГЭС. Труды ЛПИ, 1966, К3274,с.12-19.

20. Технический отчет по тарировке расходомерного устройства спиральной камеры агрегата W- I Баксанской ГЭС. Инв. № 989--19-8т, Гидропроект им.С.Я.Жука, Ленинградское отделение,1965,с.27

21. Технический отчет по энергетическим испытаниям гидроагрегата №8 Бухтарминской ГЭС с радиально-осевой турбиной, имеющей двухподподную спиральную камеру. "инв.1!° 989 - 36 - 31т., Гидропроект им.С.Я.Жука, Ленинградское отделение, 1966, с.68.

22. Технический отчет по гидромеханическим испытаниям агрегата №2 Красноярской ГЭС. Инв. W 989 - 36 - 77 т., Гидропроект им.С.Я.Жука, Ленинградское отделение, 1970, с.118.

23. Чернятин И.А. Эксплуатационные энергетические испытания гидротурбинных блоков и агрегатов на гидростанциях. Гидротехническое строительство, 1958, №7, с.30-35.

24. Чернятин И.А. Методика эксплуатационных исследований гидротурбинных блоков ГЭС и проектирование их расходомерных устройств. Госэнергоиздат, 1959, с.77.

25. Чистяков A.M. Влияние масштабного эффекта на энергетические параметры гидротурбин Бухтарминской ГЭС. Известия ВНИИГ,т.89, 1969, с.89-101.

26. Чистяков A.M. Экспериментальные исследования гидравлики гидротурбинных блоков ГЭС приплотинного типа. Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып.15, 1964, с.247-261.

27. Чистяков A.M. Новая методика модельных исследований турбин ¡реактивного типа и гидротурбинных блоков ГЭС. Госэнергоиздат, 1958, с.88.

28. Чистяков A.M. Исследования гидротурбинных блоков ГЭС. -Энергия, 1972, с.191.

29. Экспериментальные исследования проточной части и рабочих колес радиально-осевых турбин большой мощности. Проектирование опытной установки с использованием турбинного блока Баксанской

30. ГЗС. Инв. № 9203пк-т1. - Гидропроект им.С.Я.Жука, Ленинградское отделение, 1965, с.74.

31. Яхонтов С.А. О пристенном слое на шероховатой поверхности. Известия Высших учебных заведений, Энергетика, Р 7, 1963, с. 38-43.31. ttashtrnufo Т. ^Pi/ez-Sfüf/W yOes/^r? Jze,7¿/5 ¿n . IVafetPou/et Z¿> а/#

32. Me u/4* G¡ V^./7. ¿s ¿>f J7?e<pz^ <pf Aotah'/p . S?. /Яес/7. /0*3

33. J/¿> /7?. Tacase f% cggQzásA/ и 0/&Á/ 2/2000 HP fzcific/s ¿¿fz€//?es fot Q/caso/ntfú /00 u/e tод „ , # * sfot/O/? д/?аг?а, ///fac¿/.ec/7Cefa /7?. patees' ¿Cveo/ecS ¿V а^ел/ъ/сyoifex 1/7 * fufe. Pz¿>c 6 s/^cs/^/r? .W

34. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

35. В натурных условиях имеет место расхождение энергетических характеристик гидротурбин одного типа между собой и с паспортной характеристикой, построенной на основании модельных исследований.

36. Вопросам влияния условий подвода через структуру потока в напорном водоводе и спиральной камере посвящена глава I настоящей диссертации.

37. Большое значение тлеют работы И.Е.Михайлова /29, 30/, посвященные исследованию различных типов спиральных камер, в том числе и для радиально-осевых гидротурбин.

38. Обнаружить в натурных условиях отклонение элементов проточного тракта турбины от расчетных трудно из-за сложной конфигурации и отсутствия на ГЭС соответствующих методов и измерительных приборов /9/.

39. Анализ состояния проточного тракта агрегатов Красноярской ГЭС22.1. Турбинные трубопроводы /рис.2.1, таблицы 2.1 и 2.2/.

40. Подвод воды к каждому из двенадцати агрегатов Красноярской ГЭС осуществляется двумя трубопроводами диаметром 7,5 м, объединенными тройником на входе в спиральную камеру.

41. Для оценки состояния турбинных трубопроводов были изучены формуляры турбинных трубопроводов десяти агрегатов ГЭС.

42. Указанные формуляры составлены после окончания монтажных работ и показали высокое качество монтажа трубопроводов.

43. Схема туренных mpySonpoêogoS, /77/?oú//¿/kq с/ Спиральной ко/черь/ ozpezomods, Jw1. Стб/Kj1. B/s m 1. CO 1 $1. Стык£f —^ 00