Повышение эффективности эксплуатации агрегатов с мощным радиально-осевыми гидротурбинами на основании их исследований на гидроэлектростанциях Жуковский Валериан Федорович

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Жуковский Валериан Федорович. Повышение эффективности эксплуатации агрегатов с мощным радиально-осевыми гидротурбинами на основании их исследований на гидроэлектростанциях : ил РГБ ОД 61:85-5/278

Содержание к диссертации

Введение

Глава I. Влияние конструкций водоподводящих трактов приплотинных ГЭС на их КПД в натурных условиях

1.1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования гидротурбинных блоков

1.2. Влияние конструктивных особенностей турбинных трубопроводов Баксанской ГЭС на КПД водопедводящего тракта JJ2.

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 ГЭС

Выводы

Литература

Глава 2. Исследование влияния технологических отклонений элементов проточной части агрегата с гидротурбиной радиально-осевого типа на энергетические и кавитационные характеристики турбины

2.1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 6 S

2.2. Анализ состояния проточного тракта агрегатов Красноярской ГЭС

2.2.1. Турбинные трубопроводы 71

2.2.2. Спиральные камеры 7J

2.2.3. Конусы отсасывающих труб 2$

2.2.4. Направляющие аппараты 92.

2.2.4.1. Неравномерность открытия BSL

2.2.4.2. Шероховатость поверхности лопаток направляющего аппарата 84

2,2.5. Рабочее колесо 35

2.2.5.1. Лабиринтные уплотнения 85

2.2.5.2. Шероховатость поверхности лопастей рабочего колеса

2.2.5.3. Кавитационные разрушения лопастей рабочих колес

2.2.5.4. Неравномерность шага лопастей рабочего колеса

2.2.5.5. Расстояния в свету в выходном сечении лопастной системы рабочего колеса

2.2.5.6. Отклонения толщины лопастей рабочего колеса агрегата

2.3. Оценка возможного влияния технологических и монтажных отклонений элементов проточного тракта агрегатов Красноярской ГЗС на их энергетические характеристики 4W

2.3.1. Турбинные трубопроводы

2.3.2. Спиральные камеры 40

2.3.3. Конусы отсасывающих труб J0

2.3.4. Пазы затворов отсасывающих труб 4Щ>

2.3.5. Направляющие аппараты ІШ-.

2.3.6. Рабочие колеса Ц\

2.3.6.1. Лабиринтные уплотнения 44Н

2.3.6.2. Шероховатость поверхности лопастей рабочего колеса 4Ц5

2.3.6.3. Неравномерность шага лопастей І29-.

2.3.6.4. Отклонения расстояний в свету 1|2L

2.3.6.5. Оценка влияния погрешностей изготовления лопастей на величину кавитационного коэффициента І5Ш

2.3.6.6. Влияние толщины выходных кромок лопастей рабочего колеса на КПД гидротурбины 4^

Выводы

Литература

Глава 3. Исследования кавитационной эрозии гидротурбин в натурных условиях на примере агрегатов Красноярской ГЗС

3.1. Состояние вопроса кавитационной эрозии в гидротурбинах радиально-осевого типа в натурных условиях

3.2. Кавитационная эрозия рабочих колес гидротурбин типа Р0697а-В-750 $$

3.3. Оценка кавитационной эрозии лопастей рабочих колес с учетом качества их изготовления $6

3.4. Оценка влияния кавитационной эрозии рабочих колес радиально-осевых гидротурбин на снижение КПД турбины

Выводы

Литература

Глава 4. Оптимизация режимов работы агрегатов ГЭС с гидротурбинами радиально-осевого типа на основе результатов натурных исследований 20$

4.1. Состояние вопроса натурных исследований гидроагрегатов и задача оптимизации работы агрегатов ГЭС

4.2. Основные результаты натурных энергетических исследований агрегатов Красноярской ГЭС

4.3. Оптимизация режимов работы агрегатов ГЭС на основании результатов натурных исследований 2&

Выводы 2,58

Литература

Состояние вопроса и постановка задачи исследования гидротурбинных блоков
Анализ состояния проточного тракта агрегатов Красноярской ГЭС
Состояние вопроса кавитационной эрозии в гидротурбинах радиально-осевого типа в натурных условиях
Состояние вопроса натурных исследований гидроагрегатов и задача оптимизации работы агрегатов ГЭС

Введение к работе

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 проекти-ровщиков 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 .ХШ 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

_8-.

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 ш.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 "Гидромаш", НПО ЦКТИ, ЖИ, МЭИ и др./, так и по исследованиям гидротурбинных блоков ГЗС 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 ГЗС в нашей стране, являются труды А.П.Зегжды, И.И.Леви, А.А.Сабанеева, С.С.Слисского, И.А.Чернятина, A.M. Чистякова, Д.С.Щаве-лева.

Проблемам кавитации в гидротурбинах посвящены в первую очередь работы А.Й.Бусырева, А.С.Лашкова, А.Д.Перника, Н.И.Пылаева, В.Г.Старинного, 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 исследо-

_9.

ваний 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 ГЗС 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

I оО.

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-осе-вых 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 КПД 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.Р 989-36-77т, W 989- --36-II4T, W 989-36-Ибт, W 989-36-125т, W 989-36-127т, W 989-36--131т, W 989-36-І82т. В техническом проекте АСУ Красноярской ГЭС Р 1238-7т.

Ряд положений диссертации использованы в проектах АСУ TTI 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" /1969,197,1962г.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 ]Ц& страниц машинописного текста, 33 страниц таблиц и 6$ страниц рисунков. Список использованной литературы содержит '/79 наименований.

Основные условные обозначения

0г~ расход через турбину, мг/с

СІтр- диаметр турбинного трубопровода, м

Vtjo- скорость воды в турбинном трубопроводе, м/с

Ю/ - номинальный диаметр рабочего колеса, м

Но - высота направляющего аппарата, м

Нт- напор турбины, м

//_б- напор блока, м

SHw- суммарные потери напора в турбинном трубопроводе, м

/._к- площадь входного сечения спиральной камеры, м^

Ьл - КПД водоводводшцего тракта, %

t^g- коэффициент сопротивления водоподводящего тракта

_г- КПД гидротурбины, %

j?_n- КПД гидрогенератора, %

Pq - мощность агрегата /на шипах генератора/, мВт

~ - скоростной напор, м.в.ст.

А - коэффициент сопротивления

Rr - радиус гидравлический

R, - число Рейнольдса

OObf- коэффициент мощности

Wt - показания ваттметров

Л h- перепад в расходомерном створе спиральной камеры,
мм рт.ст.

Я h - относительный КПД агрегата

А - шероховатость поверхности, мкм

OoHQ" открытие направляющего аппарата, мм

Qo - расстояние в свету между лопастями рабочего колеса, мм

І - шаг лопастей рабочего колеса в сечении, мм

о - толщина выходной кромки лопастей рабочего колеса, мм

Rocp- осредненный по сечению радиус конуса отсасывающей
трубы, мм

ст4 - угол поворота лопаток направляющего аппарата

С/7 - ширина паза отсасывающей трубы, мм

hn - глубина паза отсасывающей трубы, мм

On - расстояние между пазами, мм

Спр - ширина проема отсасывающей трубы, мм

hnp" высота водовода в створе по оси проема, мм

*уП - коэффициент сопротивления пары пазов

S - ход штока сервомотора направляющего нппарата, мм

6utf- кавитационный коэффициент установки

бУ - кавитационный коэффициент турбины

//з - высота отсасывания_чш

V - - отметка установки турбины, м

Fi - зоны разрушения лопастей рабочего колеса, м^

hi - глубина разрушения в соответствующих зонах,мм

Ьср" средняя глубина разрушения в зоне, мм

Ік.- контрольный срок эксплуатации гидротурбины, час

<р- фактический срок эксплуатации, час

/С$* - коэффициент запаса по кавитации

V - объем унесенного металла с лопасти рабочего колеса,см
Р - масса унесенного металла с лопасти рабочего колеса,кг

lP - суммарная масса унесенного металла с рабочего колеса,кг

Jpi - скорость кавитационных разрушений в зоне, см^/цае

_{У J*}

^f...u_f _ скорость кавитационнои эрозии до первого, второго и п-ного капремонта, cwr/час Нб ~ прочность отливки лопасти по Брюнелю *!?кае>~ изменение КПД турбины за счет кавитационных разрушений

лопастей рабочего колеса, % ЛІГ(Р - фактическая мощность турбины в ячейке топограммы с

учетом реального значения ее КПД, мВт 4*1 ср- выработка электроэнергии в ячейке топограммы, мВт.час А\Д// - недовыработка электроэнергии в каждой ячейке топограммы

за счет изменения текущей мощности, мВт.час ьЭт - энергоэкономический эффект, руб.в год.

Индексы на - направляющий аппарат; ср.взв.- средневзвешенное значение; теор. - теоретическое значение; мод - модельная машина; расч - расчетный режим; ср - среднее значение; т - турбинный режим; р.к - рабочее колесо; ф - фактическое время работы;

нерасч - время работы турбины на нерасчетных мощностях /напорах/; кав - кавитационный режим; ген. - генератор; пр - мощность / напор/, приведенные к среднему значению.

Состояние вопроса и постановка задачи исследования гидротурбинных блоков

Проектированием и исследованиями гидротурбинных блоков ГЭС занимаются в настоящее время многие проектные и исследовательские организации как в Советском Союзе, так и за рубежом. Ведущее место в деле исследований гидротурбинных блоков ГЭС в СССР принадлежит Всесоюзному ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательскому институту Гидротехники им.Б.Е.Веденеева. Большой вклад в создание гидротурбинных блоков вносит ордена Ленина институт Гидропроект им.С.Я.Жука и его научно-исследовательский сектор, Московский ордена Трудового Красного знамени Инженерно-строительный институт им.В.В.Куйбышева, Московский ордена Ленина Энергетический институт и другие организации.

Исследованиями блоков ГЭС занимаются также во Франции, США, Австрии, Швеции, Италии, ФРГ, Японии и других странах.

Фундаментальными работами, обобщающими исследования блоков ГЭС в нашей стране и за рубежом являются работы А.С.Абелева, В.Г. Айвазяна, В.Б.Дульнева, А.П.Зегжды, Н.И.Зубарева, И.И.Леви, И.Ни-курадзе, А.А.Сабанеева, С.М.Слисского, Й.А.Чернятина, А.М.Чистякова, Д.С.Щавелева и других.

В настоящее время найдены оригинальные и высокоэкономичные формы компоновки машинных зданий как для русловых, так и для при-плотинных ГЭС. Типовой перспективной компоновкой крупной ГЭС при-плотинного типа с радиально-осевыми гидротурбин&ш при напорах до 100 м и выше является компоновка Красноярской ГЭС.

Вместе с тем дальнейшее развитие всех известных типов зданий ГЭС должно идти-по пути упрощения и унификации элементов конструкций. Выбор компоновки ГЭС в каждом конкретном случае должен осуществляться на основании технико-экономического сопоставления вариантов.

При сложной- гидравлике потока в проточном тракте гидротурбинного блока не представляется возможным с достаточной степенью точности определить расчетным путем потери напора в блоке в целом и отдельных его элементах. Результаты же модельных /лабораторных/ экспериментов очень часто не подтверждаются данными натурных исследований, которых, к сожалению, очень мало и проводятся они беэ соответствующей централизации и обобщения.

Практика натурных испытаний, проведенных с измерением расхода турбины при помощи гидрометрических вертушек, показывает, что практически имеется существенная разница между заводскими энергетическими характеристиками, пересчитанными с модели на натуру, и характеристиками, полученными в результате натурных испытаний / 27, 28/.

Кроме того, в натурных условиях, несмотря на однотипность турбин, наблюдается разница эксплуатационных характеристик отдельных гидротурбинных блоков / 23, 24, 26/.

Следует особо подчеркнуть, что назначение режимов работы агрегатов без учета индивидуальных эксплуатационных характеристик гидротурбин приводит к недовыработке электроэнергии на действующих ГЭС / 4, 26, 27/.

Натурные исследования гидротурбинных блоков различных гидроэлектростанций Советского Союза показывают, что гидравлические потери гидротехнических сооружений не остаются постоянными, а с течением времени претерпевают изменения из-за износа сооружений и их элементов. Гидротурбинные блоки одной ГЭС могут иметь различные гидравлические характеристики из-за отклонений в размерах и шероховатости их при возведении сооружений. Как показали исследования, суммарные потери напорав подводящих водоводах с трубопроводами составляют от 0,5 % на Верхне-Туломской до 3,34 % на Перепадной ГЭС /4/.

На натурные энергетические характеристики гидротурбин могут оказывать влияние также факторы, которые или не моделировались или не могут быть смоделированы. При проведении испытаний на некоторых гидроэлектростанциях, например, Братской, Баксанской и Иовской, расхождения между натурными эксплуатационными характеристиками и пересчитанными с модельных характеристик гидротурбин выходили за пределы тех, которые можно было бы отнести за счет влияния технологических и монтажных отклонений в натурных гидротурбинах.

Отсюда возникло предположение о влиянии на энергетические характеристики турбин конфигурации подводящего тракта блока через структуру потока, входящего в турбинную камеру /5/.

Для управления режимами работы гидроагрегатов требуется знание реальных погрешностей исходной информации, в частности, погрешностей расходов воды, проходящей через турбины ГЭС. Наиболее достоверным источником информации являются данные натурных испытаний гидроагрегатов с измерением расходов воды с помощью гидрометрических вертушек. Погрешность измерений этим способом оценивается равной I % /13/.

Анализ состояния проточного тракта агрегатов Красноярской ГЭС

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

К числу главных причин, которые влияют на изменение энергетических и кавитационных характеристик радиально-осевых гидро-турби относятся: - различные условия подвода расхода к спиральной камере; - существенные отличия в конструкции спиральных камер; - различные типы отсасывающих труб и их глубина; - неравномерность открытий направляющих аппаратов; - износ лабиринтных уплотнений и эксцентриситет их зазоров; - кавитационный износ лопастной системы рабочих колес; - неравномерность шага лопастей и расстояний в свету лопастной системы рабочего колеса.

Анализ литературных источников показал, что в настоящее время нет работы, в которой бы давалась оценка степени снижения энергетических и кавитационных характеристик гидротурбин ради-ально-осевого типа на основании их фактического состояния в процессе эксплуатации. Вопросам влияния условий подвода через структуру потока в напорном водоводе и спиральной камере посвящена глава I настоящей диссертации.

Вопросам исследования работы спиральных камер различной конструкции - однозаходных и двухзаходных - и степени их влияния на энергетические характеристики агрегатов посвящены работы Ленинградского Политехнического института /9, 10, 19, гл.1/ и П0"ЛМЗ" /8, 9/. Указанная работа ЛПИ посвящена исследованию работы модельной двухподводной спиральной камеры, а результаты натурных исследований этой спиральной камеры на агрегате Р 8 Бухтарминской ГЭС -21 гл.1/ показали негативные стороны ее работы, в частности,значительные пульсации давления.

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

В указанных работах рассматривается вопрос о влиянии конструкций спиральных камер на гидравлику потока в них и о влиянии размеров спиральных камер на КПД турбины. Приводятся расчетные данные по некоторым типам спиральных камер. Во всех работах, посвященных этому вопросу /3, 8, 10, 29/, не содержится данных натурных исследований. В связи с этим автор и ставил перед собой задачу обобщить результаты натурных исследований по определению качества изготовления спиральных камер и возможному влиянию этих отклонений на энергетические характеристики агрегата. Такая же задача ставилась и по анализу состояния конусов отсасывающих труб. Вопросы влияния конструкций конусов отсасывающих труб на энергетические характеристики гидротурбин рассмотрены в работах 12, 13, li 14, 36/. Во всех этих работах не затронут вопрос о степени влияния возможных отклонений на изменения скоростей потока и пульсации давления в горловине отсасывающей трубы.

Исследованию работы направляющих аппаратов посвящены многие работы /в частности, 10, 21, 22, 23, 41, 46, 47, 49, 50, 54, 55/. В указанных работах отмечается большое значение направляющих аппаратов как органа, формирующего поток на входе в рабочее колесо и в связи с этим определяющего безударный вход потока на лопасти с минимальным углом атаки. Приводятся данные о степени влияния неравномерности открытия лопаток направляющего аппарата на энергетику турбины. В связи с этим автор поставли перед собой цель проанализировать состояние открытий Ооно- ( ) каждого агрегата Красноярской ГЭС для оценки причин различия открытий при NrsC0Mt и Hr COnVL. Влиянию шероховатости поверхности проточной части гидротурбины радиально-осевого типа подробно рассмотрено в работе Хирумицу шукуда /42,45/. Данный вопрос изучался экспериментально на модельной радиально-осевой турбине. Обычно поверхность модели гидротурбины подвергается чистовой обработке, и ее проточная часть является гидравлически гладкой /27/. Шероховатость лопастей натурной турбины, особенно подверженных кавитационной эрозии, несоизмеримо выше /7, 39/. В зависимости от качества изготовления лопастей шероховатость их поверхности имеет разнообразный характер /18, 23, 25, 34, 35/. Этот характер шероховатости в процессе эксплуатации может меняться, при проведении ремонтно-восстановительных работ. В указанных работах вопросы эти не нашли своего отражения.

Состояние вопроса кавитационной эрозии в гидротурбинах радиально-осевого типа в натурных условиях

Созданию радиально-осевых гидротурбин большой мощности и пропускной способности препятствуют в большой степени кавитаци-онные явления и их следствие - кавитационная эрозия.

Величина кавитационной эрозии существенно зависит от четырех факторов: а/ типа и конструкции машины; б/ материала элементов проточной части, подверженных кавитации; в/ заглубления агрегата на станции, т.е. величины b установки; г/ длительности и условий эксплуатации.

Исследование этого очень сложного процесса , происходящего в проточных трактах гидротурбин,трудно осуществить аналитически. Поэтому основным методом исследования является эксперимент, осуществляемый в процессе создания проточного тракта гидротурбины в лабораторных условиях. Практически всегда кавитационный коэффициент турбины определяется экспериментальным путем. Кавитационный коэффициент турбины / р турб./ принимается равным полученному критическому значению кавитационного коэффициента установки

Назначение допустимой высоты отсасывания Н$ при проектировании гидротурбин принимается согласно ОСТу по формуле

Необходимость введения в формулу коэффициента запаса К$ или 1,5 м в формулу /3.2/ диктуется в основном следующими соображениями. 1. Экспериментальное определение на модели кавитационного коэффициента турбины имеет ограниченную степень точности. 2. Геометрическое подобие проточной части модели и натуры, как правило, не удается выдержать из-за неизбежных технологических отклонений. 3. Не выдерживается динамическое подобие потоков модели и натуры, что приводит к масштабному эффекту. 4. Разность величин Зи/& может меняться на 0,4 - 0,5 м от погодных условий.

Анализ параметров большого числа действующих ГЭС показывает, что за последние годы проявляется явная тенденция к увеличению запасов по высоте отсасывания на крупных радиально-осевых турбинах /24/. А в литературе /27/ высказывается мнение о том, что заглубление надо принимать больше и запас по заглублению должен находиться в пределах около 100

Такая тенденция противоречит рекомендациям номенклатуры и объясняется стремлением конструкторов и проектировщиков предот m вратить или существенно уменьшить кавитационную эрозию.

Стремясь к малой величине кавитационной эрозии требуется более высокое значение Э уст., т.е. большее заглубление гидравлической машины и, следовательно, более высокая стоимость строительных работ /37/.

При анализе результатов кавитационной эрозии в натурных ус-ловиях возникают трудности в свзи с тем, что материал лопастной системы не шяеет постоянных физических свойств, наличие же наплавок приводит к созданию еще большей неоднородности металла, а также" к искажению профиля лопасти по сравнению с расчетным. Размеры и формы лопастей, а также межлопастные каналы не являются идентичными по площади даже для одного рабочего колеса. Это может привести к изменению скоростей, которые в сочетании с технологическими отклонениями лопастей могут вызвать отрывные течения. Даже небольшие изменения скоростей могут привести к значительным изменениям интенсивности эрозии /9, 16/.

В 14 подчеркивается, что натурные исследования кавитационной эрозии "имеют важные преимущества, так как не возникает вопроса о подобии с точки зрения физических размеров, отсутствия геометрического подобия или скорости течения. Даже если турбина выполнена с отклонениями от рабочих чертежей, измеренные характеристики будут соответствовать самой машине.

Существующие в натурных условиях сезонные изменения расхода, напора и температуры воды практически одинаковы для всех агрегатов ГЭС, т.е. в одинаковой степени влияют на развитие кавитационной эрозий. Только формы лопастей, размеры межлопастных каналов, чистота обработки лопастей, качество наплавки и другие фак m торы могут привести к изменению эрозии рабочих колес одной серии турбин в одинаковых гидротурбинных блоках, установленных на данной ГЭС. В настоящее время до конца не выявлено, какие из этих параметров существенны и как качественно они влияют на ка-витационную эрозию.

Несомненно одно, что причиной различия характеристик турбин, в том числе и кавитационных, построенных по годному проекту, является неполное подобие всех указанных выше параметров. Так как на лопастях рабочих колес радиально-осевпго типа эпюры распределения давления в различных сечениях различны, то кавитация может возникнуть в нескольких областях неодновременно в зависимости от рабочих условий.

Состояние вопроса натурных исследований гидроагрегатов и задача оптимизации работы агрегатов ГЭС

Состояние вопроса натурных исследований гидроагрегатов и задачи оптимизации работы агрегатов ГЗС

Одним из путей повышения эффективности работы гидроэлектростанций является назначение оптимальных режимов работы гидроагрегатов с учетом их фактических энергетических характеристик.

Опыт натурных.исследований показывает, что энергетические характеристики агрегатов, установленных на данной ГЭС, могут существенно отличаться между собой и от паспортной характеристики.

Распределение нагрузки между агрегатами ГЭС с учетом их фактических характеристик может существенно увеличить средневзвешенный КПД ГЭС.

Расхождения энергетических характеристик агрегатов по сравнению с расчетными может быть выявлено только]при проведении натурных энергетических испытаний.

Однако, проведение энергетических испытаний с измерением расхода через турбину абсолютным методом даже на одном агрегате ГЭС требует больших материальных затрат и длительного простоя агрегата. Проведение же таких испытаний на всех агрегатах ГЭС практически исключено. Наиболее доступным методом уточнения энергетических характеристик агрегатов ГЭС являются испытания с измерением расхода через турбину способом Винтера Кеннеди /относительным способом /18/. Указанный метод измерения расхода через турбину был использован при выполнении программы испытаний гидротурбин Красноярской ГЭС для оптимизации работы агрегатов в реальных условиях эксплуатации.

Для уточнения эксплуатационной характеристики каждой гидротурбины и ГЗС в целом требуется проведение как минимум трех циклов ИСПЫТаНИЙ При Трех Напорах, бЛИЗКИХ К НтMUH,Нтpact, Нтна с на каждом из агрегатов.

Только при наличии на ГЭС уточненных эксплуатационных характеристиках каждого агрегата можно назначать оптимальные режимы работы каждого агрегата при любом заданном графике нагрузки.

Проведение повторных испытаний через контрольный срок / Z/C / теоретически может дать ответ о степени снижения уровня КОД в процессе эксплуатации или о деформации энергетической характеристики. Однако анализ погрешностей измеряемых при испытаниях с измерением.расхода относительным способом показывает, что невозможно дать оценку снижению уровня КПД турбины, если в процессе эксплуатации лопастная система рабочего колеса и лабиринтные уплотнения " подвержены серьезному кавитационно-абразивному разрушению.

Проведение всестороннего анализа состояния элементов проточного тракта гидротурбин и характера развития кавитационной эрозии на агрегатах ГЭС в процессе эксплуатации позволяет расчетным путем с достаточной степенью достоверности определять и прогнозировать степень снижения КПД гидротурбин.

Выбор состава гидроагрегатов ГЭС, участвующих в покрытии графиков нагрузки, производится на многих станциях упрощенно, без учета их индивидуальных характеристик. Наиболее полно и качественно вопросы оптимизации режимов работы агрегатов рассмот 207 рены в /26, 27, 34, 35, 36, 37/. Указывается, что при выборе работающих агрегатов ГЗС в любом варианте оптимальным будет решение, при котором за определенный промежуток времени расход ГЭС / &гэс I бУДет минимальным. Агрегаты ГЗС имеют разные характеристики, но некоторые из них имеют идентичные характеристики и поэтому надо отыскать оптимальный состав работающих агрегатов. Разница в КПД агрегатов одной ГЭС иожет достигать 1-5%.

Рекомендуется постоянно проверять агрегаты в процессе эксплуатации для корректировки состава агрегатов, участвующих в работе и находящихся в резерве.

Указывается, что чаще всего эксплуатационная характеристика станции строится в предположении, что все агрегаты ГЗС имеют одинаковые характеристики. Анализ 128 натурных характеристик гидроагрегатов показал, что часто характеристики взаимно располагаются в различных сочетаниях при Цт сопъЪ . Главным из этих сочетаний является смещение или отсутствие смещения оптимума КПД при различных его уровнях. Агрегаты с более низким уровнем КПД подключаются к сети в последнюю очередь, когда этого потребует на некоторые грузка ГЭС. ОднакбУавторы не дают анализа погрешности измерения КПД турбины. Иначе, может оказаться, что уровень КПД лежит в зоне погрешности измерения параметра и неточности КПД нельзя отнести к характеристике турбины.