Лекция 12 (Гидроэнергетика 1998стр.458-479)

ВЫБОР ОСНОВНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

24.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

К основному энергетическому оборудованию ГЭС относятся гидротурбины и гидрогенераторы, а ГАЭС— обратимые гидромашины и двигатели-генераторы.

На стадии проектирования выбор основного энергетического оборудования является следующим этапом после водноэнергетических расчетов регулирования стока и предварительного составления балансов мощности энергосистемы. На этом этапе известна мощность проектируемой гидроэнергетической установки, которая должна быть установлена исходя из указанных балансов в виде суммы вытесняющей, резервной и дублирующей (сезонной) мощностей.

При выборе основного энергетического оборудования определяются тип и параметры его, которые при заданной информации и удовлетворении всех требуемых ограничений должны обеспечить развитие энергосистемы за счет строительства и эксплуатации проектируемой станции с минимальными народнохозяйственными затратами.

От основного оборудования зависят состав и компоновка гидротехнических сооружений, конструкция здания, параметры электротехнического и вспомогательного оборудования. При подборе основного оборудования уточняются балансы мощности и энергии, полученные на основании водноэнергетических расчетов, выполненных при среднем постоянном значении КПД станции, а также капиталовложения в оборудование и его монтаж, сроки строительства и ввода в эксплуатацию гидроузла в целом.

Критерием решения такой задачи является минимум суммарных приведенных затрат по энергосистеме в целом. Технико-экономическое обоснование оптимального варианта основного оборудования выполняется на основании анализа всех возможных вариантов оборудования, удовлетворяющих техническим условиям и режимным требованиям проектируемого объекта. Основными расчетными показателями каждого варианта оборудования являются тип гидротурбины и гидрогенератора, синхронная частота вращения рабочего колеса гидротурбины и ротора гидрогенератора, число гидроагрегатов, номинальный диаметр гидротурбины и параметры ее проточной части (спиральной камеры, направляющего аппарата и отсасывающей трубы), высотное расположение рабочего колеса, назначаемые по условию обеспечения бескавитационной работы гидротурбины, установленная мощность генератора и всей станции, годовая выработка электроэнергии, капиталовложения и эксплуатационные издержки.

Исходными данными для выбора основного оборудования являются:

предварительно составленный баланс мощности энергосистемы с участием существующих и проектируемых гидроэлектростанций;

суммарная мощность, которую необходимо установить на проектируемой станции для обеспечения предварительно составленного баланса мощности энергосистемы на основе результатов водноэнергетического расчета регулирования стока;

характерные режимы работы проектируемой станции в суточном и годовом разрезе;

максимальный, расчетный и минимальный напоры гидроэлектростанции;

требования водохозяйственного комплекса (например, санитарные или базовые попуски) и охраны окружающей среды (например, ограничения, связанные с загрязнением водных ресурсов в результате протечек масла из системы регулирования гидротурбин).

Балансы мощности энергосистемы на перспективный уровень ее развития составляются предварительно на основе результатов водноэнергетических расчетов регулирования для гидрологических условий при заданных значениях расчетной обеспеченности стока. Они не являются окончательными, поскольку составляются на предыдущем этапе до подбора оборудования и дают возможность определить суммарно расчетную мощность, которую необходимо установить для обеспечения водноэнергетического баланса.

Режимы работы проектируемой станции в характерных суточных графиках нагрузки различных сезонов года определяют выработку электроэнергии и годовое число часов использования установленной мощности. Эти режимы, так же как и связанные с ними балансы мощности энергосистемы, уточняются на последующих стадиях проектирования после подбора оборудования. На рис. 24.1 приведен типовой суточный график нагрузки энергосистемы с одним из возможных режимов работы проектируемой ГЭС в годовом разрезе. На графике выделены четыре характерные зоны по времени работы ГЭС. Первая зона t₁ соответствует работе с ограничением по минимальному расходу воды по требованиям водохозяйственного комплекса с мощностью Nбаз. Вторая, третья и четвертая зоны (t₂, t₃, t₄) характеризуют участие ГЭС в покрытии соответственно утреннего максимума, дневного снижения и вечернего пика нагрузки с выделением базовой мощности.

Важнейшим исходным параметром для выбора гидротурбинного оборудования является напор, который изменяется в зависимости от режимов работы проектируемой станции в пределах от минимального до максимального значения.

Предельные колебания напора определяют тип гидротурбинных установок, которые по своим техническим характеристикам могут работать в этом диапазоне.

Верхним пределом является максимальный напор, соответствующий наполненному до отметки НПУ водохранилищу и работе станции с минимальным расходом воды. Этот расход определяется или ограничениями по условиям функционирования водохозяйственного комплекса, или обеспечением минимальной мощности по условиям участия в покрытии графиков нагрузки энергосистемы. Нижним пределом является минимальный напор, соответствующий полной сработке полезного объема водохранилища до отметки УМО и работе станции с ограничением, соответствующим пропускной способности гидротурбин.

Кроме предельных значений напоров, при выборе оборудования необходимо учитывать расчетный по мощности напор, который соответствует уровню воды в водохранилище в период прохождения годового максимума нагрузки энергосистемы при работе проектируемой станции с установленной мощностью и максимальной пропускной способностью гидротурбинного оборудования с учетом влияния зимних условий и подпора уровня воды в нижнем бьефе.

При выборе основного оборудования необходимо учитывать следующие основные положения:

параметры оборудования должны обеспечивать эксплуатацию агрегатов и всей станции во всех допустимых режимах работы с наибольшим КПД;

число агрегатов должно быть минимальным, но при возможно наибольшей мощности каждого агрегата, это приводит к увеличению КПД реактивных гидротурбин, снижению стоимости основного оборудования, сокращению сроков изготовления, монтажа и численности эксплуатационного персонала станции.

Кроме того, при выборе оборудования следует учитывать следующие ограничения:

число агрегатов не должно быть меньше двух, даже если вся требуемая мощность может быть реализована одним агрегатом, так как его плановый ремонт или аварийный простой приведет к прекращению работы всей станции, при наполненном водохранилище к необходимости холостого сброса воды и, следовательно, к общему снижению уровня надежности эксплуатации станции в энергетической системе;

удовлетворение требований водохозяйственного комплекса по минимальному расходу воды в нижнем бьефе должно сочетаться с необходимостью использования этого расхода для выработки электроэнергии, что может привести к снижению мощности агрегата, увеличению их числа или установке специального агрегата небольшой мощности;

максимальный диаметр рабочего колеса гидротурбин должен выбираться не только исходя из возможностей его изготовления, но и с учетом условий транспортировки к месту монтажа. Для различных видов транспорта максимальные габариты перевозимых грузов регламентируются. Так, радиально-осевые гидротурбины диаметром 7,5 м, изготовленные для Красноярской ГЭС на ЛМЗ, доставлялись из Ленинграда водным транспортом, поскольку для перевозки рабочих колес по железной дороге предельным диаметром является 6,3 м. В горных районах страны условия доставки могут накладывать еще большие ограничения;

выбор отметки высотного расположения рабочего колеса гидротурбин, особенно поворотно-лопастных и диагональных, должен учитывать геологические особенности основания здания станции, что может привести к необходимости уменьшения заглубления рабочего колеса и подводной части здания станции, снижению мощности гидротурбин и увеличению их числа;

число агрегатов, особенно при большом их числе, что характерно для низконапорных ГЭС, должно выбираться кратным 2 или 3, это упрощает главную схему электрических соединений, обеспечивает взаимозаменяемость электротехнического оборудования, улучшает условия и снижает затраты при проведении его ремонта.

Перечисленные основные положения и рекомендации, разумеется, не могут охватить все специфические особенности и поэтому должны применяться с учетом конкретных условий проектирования гидроэнергетических объектов.

24.2. Подбор гидротурбин по номенклатуре

Номенклатура представляет собой совокупность основных технических характеристик гидротурбин, объединенных по основным признакам — напору, диаметру рабочего колеса и мощности турбины.

В настоящее время такая номенклатура составлена для реактивных необратимых гидромашин. Весь диапазон их применения по напору от 3 до 500 м разбивается на участки, охватываемые наименьшим числом заранее установленных стандартных серий рабочих колес. Номенклатура включает крупные поворотно-лопастные и радиально-осевые гидротурбины вертикального исполнения с диаметрами рабочих колес: для поворотно-лопастных турбин от 2,5 до 10,5 м, для радиально-осевых от 1,8 до 8,5 м.

Номенклатура устанавливает маркировку гидротурбин, типы рабочих колес в соответствии с напорами, типы установок (расположение вала и турбинной камеры), основные размеры гидротурбин (диаметр рабочего колеса, диаметр окружности расположения осей лопаток направляющего аппарата, высоту направляющего аппарата и др.).

На рис. 24.2 представлена номенклатура реактивных гидротурбин в виде сводного графика — номограммы областей применения вертикальных поворотно-лопастных и радиально-осевых турбин. На графике в координатах напора и мощности выделены области применения отдельных серий турбин, внутри каждой области указана марка серии турбин. Границы мощностей каждой области определяются максимальными и минимальными диаметрами рабочих колес. Границы применения по напору установлены исходя из допускаемых высот отсасывания и условий прочности гидротурбин.

Номенклатура реактивных гидротурбин позволяет без выполнения детальных расчетов на начальной стадии проектирования ориентировочно наметить типы гидротурбин, предельные значения диаметра рабочего колеса и соответствующий им диапазон изменения мощности гидротурбины.

Исходными данными для определения этих параметров являются расчетная установленная мощность проектируемой станции и диапазон изменения напора, в том числе его расчетное по мощности значение.

По диапазону изменения напоров и номенклатуре (рис. 24.2) определяются типы турбин, которые могут работать в этом диапазоне.

По расчетному напору для максимального или минимального диаметра рабочего колеса гидротурбины определяется ее номинальная мощность N_т^ном. Число агрегатов вычисляется при заданной расчетной суммарной установленной мощности N_уст^р и КПД генераторов по формуле:

Коэффициент полезного действия современных мощных генераторов при cos ф=0,80—0,85 до выбора их параметров принимается равным 0,96—0,98.

Каждая из приведенных в номограмме серий гидротурбин, кроме предельных значений диаметров рабочего колеса, напора и мощности, характеризуется частными графиками (рис. 24.3,а), по которым можно определить не только предельные значения диаметров рабочего колеса данной серии гидротурбин, но и промежуточные стандартные его значения и соответствующую этому диаметру и расчетному напору синхронную частоту вращения.

Каждый частный график области применения дополняется вспомогательным графиком h_s(H) (рис. 24.3,6), для определения максимально допустимой высоты отсасывания H_s:

где h_s —высота отсасывания турбины, отсчитываемая от уровня моря, определяется по вспомогательному графику h_s(H); ▼Z_нб/900 — поправка, учитывающая несовпадение уровня воды в нижнем бьефе, от которого отсчитывается H_s, с уровнем моря; ▼Z_нб — отметка уровня воды в нижнем бьефе при расчетных условиях.

Для поворотно-лопастных турбин на графике h_s(H) приведены две линии: верхняя линия построена при максимальных приведенных расходах воды, а нижняя — при минимальных. Значение h_s принимается по верхней или нижней линии или промежуточное в зависимости от положения расчетной точки по напору, диаметру и мощности турбины на частном графике (рис. 24.3,а). Если расчетная точка находится на частном графике между граничными значениями мощностей турбины, то отрезок h_s при расчетном напоре делится пропорционально отношению отрезков от расчетной точки до верхней и нижней границы мощности турбины (рис. 24.3,6).

По номенклатурным данным можно наметить тип гидротурбины и определить ее параметры: диаметр рабочего колеса, номинальную мощность, синхронную частоту вращения и высоту отсасывания.

Очевидно, что использование номенклатурных трафиков для подбора гидротурбинного оборудования имеет следующие недостатки.

Рассматриваемый вариант выбора основного оборудования по номенклатурным данным ограничен лишь двумя типами гидротурбин и не учитывает возможность применения других современных конкурирующих гидромашин (например, диагональных и др.).

Для оценки возможности применения диагональных и поворотно-лопастных горизонтальных капсульных гидротурбин можно воспользоваться основными расчетными данными, приведенными в табл. 24.1 и 24.2.

Гидротурбина ПЛК10 имеет высокую быстроходность, достигающую 1400 об/мин, и отличается большой пропускной способностью. Турбина предназначена для работы при самых низких напорах и больших диапазонах его изменения. Турбины этого типа установлены на ПЭС Ране во Франции и Кислогубской в России. Гидротурбины типа ПЛК16 также достаточно быстроходны, но имеют несколько меньшую пропускную способность, чем ПЛК10. Недостатком обоих типов турбин является высокий коэффициент кавитации. Рабочие колеса этих гидротурбин изготавливаются диаметром от 3,55 до 10,6 м.

Диагональные поворотно-лопастные гидротурбины (Д) являются одним из современных типов гидротурбин двойного регулирования, которые имеют большую пропускную способность и лучшие кавитационные качества, чем поворотно-лопастные гидротурбины на аналогичные напоры. Диагональные гидротурбины могут работать при значительно более высоких напорах, чем поворотно-лопастные, и рассчитаны на самый большой диапазон колебания напора из всех существующих типов гидротурбин. Рабочие колеса этих гидротурбин изготавливаются диаметром от 1,8 до 9,0 м.

Т а блиц а 24.1. Основные расчетные данные поворотно-лопастных горизонтальных капсульных гидротурбин

Показатели	ПЛК10	ПЛК16
Диапазон напоров, м Приведенная частота вращения, об/мин: оптимальная п'IO расчетная п'IP Приведенный (максимальный-расчетный) расход воды Q'IP, л/с Коэффициент кавитации при Q'IP Относительный диаметр капсулы	1—10 170 210 4200—3800 2,8—2,2 0,8—0,85	3—16 155 175 3000—2800 2,0—1,6 1,0—1,25

Таблица 24.2. Основные расчетные данные диагональных поворотно-лопастных гидротурбин

Показатели	Д60	Д45	ДЗО
Угол наклона оси поворота лопастей рабочего колеса, град Диапазон напоров, м Приведенная частота вращения, об/мин: оптимальная п'IO расчетная п'IP Приведенный (максимальный расчетный) расход воды Q'IP, л/с Коэффициент кавитации при Q'IP	60 40—70 110 120 1600—1300 0,5—0,38	45 60—130 90 100 1400—1100 0,32—0,2	30 120—170 80 90 1000—700 0,18—0,1