- •1.15. Вопросы по дисциплине «Гидравлические машины»
- •Лопастные гидромашины
- •Класс → Система → Тип → Серия (размер и мощность)
- •2.3.2. Номенклатура гидротурбин.
- •Явление кавитации и условия ее возникновения в потоке, протекающем через гидротурбину
- •6.2 Способы регулирования расхода и мощности турбины.
- •6.3 Комбинаторная зависимость поворотно-лопастной осевой турбины.
1.15. Вопросы по дисциплине «Гидравлические машины»
Типы гидроэнергетических установок (ГЭС, ГАЭС, ПЭС, НС). Основные параметры гидротурбин.
Типы гидроэнергетических установок.
Гидроэнергетические установки используемые для преобразования энергии водного потока в электрическую, посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы.
ГЭС – Гидроэлектростанции сооружаются на реках и используют для выработки электроэнергии энергию речного водотока.
ГАЭС – Гидроаккумулирующие электростанции предназначаются для покрытия пиков графика электрической нагрузки энергосистемы с использованием электроэнергии в период глубоких провалов нагрузки. ГАЭС практически не нуждается в постоянном водотоке, поскольку для работы, использует воду накопленную в водохранилище. Этим водохранилищем (верхний бассейн) может быть озеро, море или искусственный бассейн. Такое водохранилище нуждается в подпитке лишь на потери – фильтрацию воды, испарение. Но для работы ГАЭС необходим еще один – нижний бассейн. Между этими двумя бассейнами и образуется напор, необходимый для работы ГАЭС, как гидростанции, вырабатывающей электроэнергию в часы пика нагрузки в энергосистеме. В этот период вода из верхнего бассейна через турбины срабатывается в нижний бассейн. В часы провала нагрузки, когда появляется «свободная» электроэнергия, ГАЭС работает как насосная станция, перекачивая воду из нижнего бассейна в верхний. В зависимости от природных условий здание ГАЭС размещается на поверхности земли или под землей, сейчас все чаще приобретают распространение подземные ГАЭС.
ПЭС – Приливные электростанции. ПЭС для выработки электроэнергии используют энергию морских приливов и отливов. Приливы являются следствием взаимного притяжения системы Земля – Луна – Солнце. Они поднимают уровень морей у берегов до нескольких метров, с периодичностью 12 часов 25 минут. Наивысший прилив наблюдается у берегов Канады и достигает 19 метров. В России высокие приливы до 10 м наблюдаются в заливах Белого и Охотского морей.
Идея ПЭС заключается в следующем: залив (губа, фиорд) отсекается от моря плотиной с водопропускными отверстиями. Во время прилива отверстия открыты, в залив поступает вода и уровень повышается. К началу отлива отверстия закрываются. В открытом море при отливе уровень понижается, а в заливе при закрытых отверстиях – нет. В створе плотины образуется перепад уровней (напор), который используется для производства электроэнергии. Установленная мощность действующей на сегодня Кислогубской ПЭС составляет 400 кВт, практически опытно-промышленная установка.
Таким образом, неоспоримые преимущества ГЭС, заключающиеся в их маневренности, стабильности производства электроэнергии в кризисных экономических ситуациях, низкой себестоимости электроэнергии, комплексном использовании водных ресурсов, экономии органического топлива, отсутствии загрязняющих выбросов и т. д. остаются основой в планировании освоения гидроресурсов с тем, чтобы обеспечить объективную долю мощности и электроэнергии ГЭС в энергосистемах.
В зависимости от местных условий, концентрация напора на ГЭС достигается при помощи гидротехнических сооружений, образующих следующие технические схемы: плотинную, деривационную и плотинно-деривационную.
Плотинная схема (рис. 2а). Эта схема характеризуется наличием плотины, которая создает разность отметок уровней перед плотиной (верхний бьеф) и за плотиной (нижний бьеф). Поверхность воды в верхнем бьефе перед плотиной в разрезе вдоль потока образует так называемую кривую подпора. Вследствие этого используемый статический напор Нст получается несколько меньше разности отметок подпертого участка реки Нак между пунктами А и К на величину hподп.
В плотинных схемах гидроузлов здание машинного зала располагается рядом с плотиной или в плотине, при этом в зависимости от величины напора и размеров гидротурбин гидростанции могут быть двух типов — русловые и приплотинные.
Русловые — здание ГЭС входит в состав сооружений, создающих напор (рис.3), и полностью воспринимает сдвигающие и опрокидывающие усилия, действующие на него со стороны воды. ГЭС такого типа строят при напорах 3 — 40 м и устанавливают на них, главным образом, осевые гидротурбины.
Приплотинные — здание ГЭС находится непосредственно за плотиной (рис. 4а). Такие ГЭС строят при средних и высоких напорах (Н = 40 – 300 м). Подвод воды к турбинам осуществляется при помощи водоприемников и турбинных водоводов. Устанавливаемые типы турбин: осевые или диагональные поворотно-лопастные и радиально-осевые, в зависимости от величины напора, графика нагрузки и требований, предъявляемых к установке турбин на ГЭС.
Пример русловой станции – Майнская ГЭС, приплотинной – Саяно-Шушенская ГЭС.
Деривационная схема (рис 2б, 2в). При больших уклонах рек с относительно малыми расходами воду отводят в так называемую деривацию (канал или туннель). Гидравлический уклон деривации выбирают минимальным, обеспечивающим необходимый расход. Таким образом, значительный перепад реки, в естественном состоянии рассредоточенный на большом протяжении, при помощи деривации концентрируют в одном месте, где строят здание ГЭС и устанавливают гидроагрегаты. Трасса деривации должна быть по возможности кратчайшей, чтобы избежать дополнительных потерь напора. Деривация может быть подводящей (рис 2б) или отводящей (рис. 2в). Одна из возможных схем указана на рис. 5.
Рис. 5. Деривационная схема:
а — план сооружений; б — вертикальный разрез: / — плотина; 2 — деривация; 3 — турбинные водоводы; 4 — здание ГЭС.
Напоры, создаваемые при помощи деривации, находятся в пределах Н = 200 – 2000 м и зависят от природных и других условий. На деривационных ГЭС применяют следующие типы турбин: радиально-осевые (Н < 650 м) или ковшовые (Н > 300 м).
Плотинно-деривационная схема (рис. 4г). Напор на станции создается при помощи плотины и деривации одновременно. Если река на верхнем участке имеет малый уклон, там целесообразно построить плотину и создать водохранилище, которое будет использовано для регулирования расхода на ГЭС. Основная часть напора создается, как правило, деривацией. Величина напоров и используемое турбинное оборудование такие же, как и в случае деривационной схемы.
а — план сооружений; 6 — вертикальный разрез: 1 — плотина; 2 — деривация; 3 — уравнительный резервуар; 4 — турбинные водоводы; 5 — здание ГЭС
Основные параметры работы.
При движении потока из верхнего (ВБ) в нижний бьеф (НБ) часть его энергии теряется в водоподводящих устройствах на преодоление гидравлических сопротивлений. В связи с этим, вводят понятия напоров брутто (напоры на станции) и напоров нетто (напоры на турбине).
Напор брутто Нбр на станции представляет собою разность отметок верхнего и нижнего бьефов, когда расход через турбины равен нулю, т.е. статический напор ГЭС:
Нст = zвб – zнб
При работающих турбинах НБР определяется как разность полных удельных энергий потока в верхнем и нижнем бьефах, рисунок 3.1.
НБР = ЕА – ЕБ = (zА + +) – (zВ + +)
Полезный (рабочий) напор на турбине напор нетто Нн меньше напора брутто на ГЭС при тех же отметках верхнего и нижнего бьефов на величину потерь энергии в подводящих устройствах hА-1 и представляет собою разность удельных энергий потока на входе и на выходе из турбины, т. е. это рабочий напор на турбине.
НН =НБР – hПОТ = Е1 – ЕВ = (z1 + +) – (zВ + +)
Объемный расход Q, м3/с, представляет собой количество воды, проходящей через турбину за одну секунду (включая объемные протечки и собственные нужды).
Расчетный расход QР — это расход через турбину при расчетных значениях напора, мощности и синхронной частоте вращения турбины. Максимальный расход через турбину QМАКС может иметь место при минимальном напоре для обеспечения заданной мощности турбины. Расход холостого хода QХХ — это величина расхода при расчетном напоре НР и синхронной частоте вращения, когда полезная нагрузка на турбине равна нулю.
Мощность N, кВт. Подводимая мощность к турбине представляет собою гидравлическую мощность потока на входе в турбину:
Nп = = 9,81QHН, кВт.
Эффективная мощность турбины — это механическая мощность на валу турбины, которая является суммой мощности, замеренной на зажимах генератора; механических и электрических потерь в генераторе; потерь в подпятнике; мощности, потребляемой вспомогательными механизмами. Эффективная мощность турбины:
NЭФ = 9,81QННηТ
Расчетная мощность турбины NР — это мощность, которую она развивает при выбранном диаметре рабочего колеса и расчетных величинах напора и частоты вращения. Гидротурбину проектируют и изготавливают на расчетную мощность.
В результате механическая мощность турбины NЭФ меньше подводимой мощности. Отношение мощности на валу гидротурбины к подводимой мощности потока называется полным КПД гидротурбины:
ηТ = (NЭФ/ NП)*100%
Режим, при котором КПД турбины достигает максимального значения, называется оптимальным. Соответственно режим (Np, Нр), на который рассчитывают турбину и определяют ее основные параметры (диаметр рабочего колеса D1 м, синхронную частоту вращения п, об/мин, и высоту отсасывания Нs, м), называется расчетным. В зависимости от типа турбины, ее размеров, качества изготовления и других факторов КПД мощных гидротурбин на оптимальном режиме достигают 93—95%, снижаясь на нерасчетных режимах.
Так как в генераторе при преобразовании механической энергии в электрическую возникают электрические, механические и другие потери, то КПД гидроагрегата:
ηАГР = ηТ• ηГ
Мощность гидроагрегата, учитывая потери в турбине и генераторе,
NАГР = 9,81QННηТ ηГ = (8 ÷ 9) QНН
Номинальная мощность гидроагрегата – наибольшая активная мощность генератора, которую он может развивать при расчетном значении cos φ, равном большей частью 0,8. Эта мощность фиксируется в паспорте генератора.
Номинальная мощность турбины — мощность на ее валу при номинальной мощности агрегата. Она равна:
NтНОМ = NАГР/ ηГ
и фиксируется в паспорте турбины.
Расчетным напором турбины называется наименьший напор, при котором можно получить номинальную мощность турбины.
Так как гидротурбина соединена с синхронным генератором переменного тока, то ее частота вращения должна быть строго определенной, т. е. синхронной.
Синхронную частоту вращения турбины и генератора определяют, пользуясь зависимостью:
f =
синхронная частота вращения гидроагрегата:
n = , об/мин
где p — число пар полюсов генератора.
Расчетная частота вращения nР равна синхронной частоте вращения, на которую гидротурбина проектируется.
Частота вращения холостого хода nХХ — это частота вращения возбужденного генератора, отключенного от системы.
Разгонная частота вращения nРАЗГ – максимальное число оборотов, достигаемое агрегатом при полном сбросе нагрузки и при полностью открытом направляющем аппарате (для поворотно-лопастных гидротурбин — промежуточное положение лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса).
Классификация гидротурбин (класс, система, тип, конструктивная схема).
Гидравлическая машина – это устройство, в котором происходит передача механической энергии от протекающей через неё жидкости рабочему органу гидромашины, или наоборот, от рабочего органа гидромашины к протекающей через нее жидкости.
Е1 > Е2 – турбина Е1 < Е2 – насос Е1 = Е2 - гидропередача
Рис. 2.1 Схема к определению видов гидромашин.
** Гидравлические турбины – гидравлические машины, в которых рабочий орган получает энергию от потока жидкости и энергия на входе в ГМ больше, чем на выходе.
** Насосы – гидравлические машины, в которых энергия от рабочего органа передается протекающей жидкости и энергия на входе в ГМ меньше, чем на выходе.
*** Объемные гидромашины – гидромашины, в которых преобразование энергии происходит в основном за счет изменения давления рабочей среды. Принцип действия объемных ГМ основан на вытеснении жидкости рабочим органом, в них существует тесная взаимосвязь между перемещением рабочего органа и объемом перемещаемой жидкости. (Пример: гидроцилиндры)
*** Динамические гидромашины – гидромашины, в которых преобразование энергии происходит за счет всех составляющих энергии потока. Динамические гидромашины, в которых происходит обмен энергией между жидкостью и вращающимся рабочим колесом называются лопастными гидромашинами. В них нет жесткой связи между перемещением рабочего колеса и объемом перемещаемой жидкости.