24.3. Подбор основного оборудования гэс по главным универсальным характеристикам

Параметры основного оборудования ГЭС, полученные по номенклатурным данным, можно дополнить и уточнить с помощью главных универсальных характеристик гидротурбин. Для этого прежде всего определяются все возможные типы и серии гидротурбин, которые могут работать в заданном диапазоне изменения напора.

Для однотипных гидротурбин необходимо сопоставить между собой их главные универсальные характеристики и для дальнейшего рассмотрения оставить варианты, которые соответствуют наибольшему КПД в оптимуме характеристики, наилучшим кавитационным качествам и наибольшей пропускной способности.

Подбор оборудования с использованием главных универсальных характеристик состоит в том, чтобы для каждого рассматриваемого типа гидротурбин наметить такие варианты диаметра рабочего колеса D₁ и синхронной частоты вращения п, при которых в области допустимых режимов по напору и расходу воды проектируемая ГЭС работала бы с наибольшим КПД при минимальном заглублении и количестве установленных агрегатов. Оптимальный вариант основного оборудования ГЭС будет соответствовать минимуму суммарных приведенных затрат по энергосистеме.

Область допустимых режимов работы проектируемой ГЭС обычно называется режимным полем по расходу и напору (рис. 24.4). Верхней границей режимного поля является напорная характеристика при работе ГЭС с наполненным водохранилищем до отметки НПУ, нижней границей— напорная характеристика при работе ГЭС с водохранилищем, сработанным до отметки УМО. Построение этих характеристик выполняется по следующему уравнению:

где Z_ВБ(Uсраб)—отметка уровня воды в верхнем водохранилище, которая изменяется в зависимости от объема сработки Uсраб от НПУ до УМО; Z_НВБ (Qн.б) —отметка уровня воды в нижнем бьефе в зависимости от расхода Q_H.6; ΔHв.с— потери напора в водопроводящих сооружениях.

Потери напора ΔHв.с до выбора гидротурбинного оборудо­вания могут быть учтены только приближенно в виде предва­рительно принятого среднего значения, поскольку состав, компоновка и параметры водопроводящих сооружений зависят от параметров основного оборудования ГЭС. Потери напора уточ­няются итерационным путем после расчета параметров по гид­роэнергетическому оборудованию.

Ограничением слева на режимном поле (рис. 24.4, линия 1—2) является минимальный расход воды Q_ГЭС, определяемый заданным ограничением по условиям функционирования водохозяйственного комплекса или особенностями режимов работы ГЭС в графиках нагрузки.

Ограничением справа на режимном поле является линия рас­четной установленной мощности (3—4), уравнение которой имеет следующий вид:

где k^N — коэффициент мощности, изменяющийся в пределах от 8,0 до 8,8 в зависимости от принятого значения среднего КПД ГЭС.

Ниже точки расчетного напора режимное поле ограничено линией пропускной способности ГЭС (4—5), которая до выбора турбинного оборудования может быть построена по следующей зависимости:

где Q_ГЭС^макс — максимальная пропускная способность ГЭС, соответ­ствующая работе ГЭС при расчетном по мощности напоре H_P^N. Полученную область допустимых режимов ра­боты проектируемой ГЭС по напору и расходу необходимо на­нести на главные универсальные характеристики для всех на­меченных к рассмотрению типов гидротурбин. Для этого пред­варительно необходимо в качестве первого приближения при­нять максимальный диаметр рабочего колеса для каждого типа гидротурбин, исходя из условий их изготовления и доставки на ГЭС, а на главных универсальных характеристиках задаться ограничением пропускной способности гидро­турбин.

Для радиально-осевых и пропеллерных гидротурбин ограни­чением является линия 5%-ного запаса мощности, которая одно­значно определена на главной универсальной характеристике заводом-изготовителем.

Для поворотно-лопастных и диагональных турбин такое огра­ничение на характеристике отсутствует. В этом случае в ка­честве ограничения пропускной способности принимается неко­торое сочетание открытия направляющего аппарата а₀ и угла разворота лопастей рабочего колеса φ, которое рекомендуется выбирать из условия обеспечения максимальной пропускной спо­собности и допустимых условий кавитации гидротурбины. Этим условиям соответствуют известные для каждого типа гидро­турбин приведенный расчетный максимальный расход Q'_I и до­пустимый коэффициент кавитации σ (см. табл. 24.1 и 24.2).

На линии ограничения пропускной способности турбины необходимо наметить расчетную точку и определить в ней мощность агрегата для предварительно принятого максимального диаметра рабочего колеса. Расчетная точка должна соответствовать принятой в первом приближении максимальной пропускной способности турбины, и находиться на линии приведенной частоты вращения,проходящей черезоптимальное значение КПД на главной универсальной характеристике.

Мощность агрегата в расчетной точке определяется по формуле

(12.4)

где Q`_{I р} - приведенный расход воды в расчетной точке; _г^ср – средний КПД генератора, принимаемый равным 0,96-0,97; _Т – КПД натурной гидротурбины, вычисляемый в расчетной точке по формуле

( 12.5)

где _м , D_1М , Н_м — КПД, диаметр и напор модельной турбины; d_i, Н_р^N — диаметр и расчетный напор натурной турбины; _m, _h — коэффициенты кинематической вязкости воды для модельной и натурной гидротурбины, зависящие от температуры воды для натурных и модельных условий t_н и t_м;  - коэффициент, выражающий отношение потерь трения ко всем гидравлическим потерям и принимаемый равным 0,75 для ПЛ- и ПЛД-турбин, а для РО-турбин исходя из следующих условий

(12.6)

где Q'₁₀ — приведенный расход воды в оптимуме главной универсальной характеристики.

Разность между _Т и _М является поправкой КПД при переходе от модели к натурной гидротурбине и определяется по формуле

(12.7)

Число устанавливаемых на ГЭС агрегатов рассчитывается по формуле

(12.8)

Очевидно, в общем случае число агрегатов z_а получится дробное, что потребует округления его в большую сторону до целого числа и, следовательно, затем уточнения мощности агрегата N_a, по формуле (12.8) после округления числа агрегатов до целого числа. Число агрегатов рекомендуется принимать кратное 2 или 3 для того, чтобы главная схема электрических соединений была симметричной.

Далее необходимо рассчитать частоту вращения турбины по формуле

(12.9)

где n'_1p - приведенная частота вращения в расчетной точке главной универсальной характеристики; _р - поправка на приведенную частоту вращения при переходе от модели к натуре, равная отношению КПД натурной турбины к КПД модели в расчетной точке. По полученной синхронной частоте вращения необходимо принять ближайшее большее стандартное значение синхронной частоты вращения по известному стандартному ряду [1].

Для выбранного максимального диаметра турбины D₁ и стандартного значения синхронной частоты вращения необходимо нанести на главную универсальную характеристику линии приведённой частоты вращения, соответствующие известным напорам турбины Н_max, Н_ри Н_min, предварительно вычислив три значения приведенной частоты вращения для указанных напоров по формуле

(12.10)

где n_с– стандартное значение синхронной частоты вращения.

Указанные линии должны размещаться на главной универсальной характеристике таким образом, чтобы в диапазоне напоров от H_maxдоH_p^Nгидротурбина работала с наибольшим КПД, а следовательно с наибольшей мощностью и выработкой энергии по сравнению с диапазономH_p^N-H_min. Если это условие не выполняется, необходимо принять другое стандартное значение синхронной частоты вращения, повторить расчеты по формуле (12.10) и в результате получить удовлетворительное совмещение диапазона напоров с главной универсальной характеристикой. В результате нанесения указанных линийn`<sub>I</sub>на главную универсальную характеристику изменится положение расчетной точки. Она переместиться с линииn`_I, проходящей через оптимум КПД главной универсальной характеристики, на линиюn`_IНр, вычисленную по формуле (12.10 ) дляH_p^N.

Окончательное положение расчетной точки на линии n`_IНрс учетом ранее округленного числа агрегатов и уточненной мощности агрегатаN_aосуществляется на основании решения следующего уравнения

(12.11)

Правая часть уравнения (12.11) является константой при всех известных его параметрах, а левая часть определяется подбором такой точки на линии n`<sub>IНр</sub>, чтобы произведение параметровQ`_Iи_тв этой точке обеспечивало выполнение указанного равенства.

Для полученной расчетной точки необходимо построить линию ограничения по установленной мощности агрегата. Для этого на линии n`_IНmax, соответствующей напору Н_max, необходимо аналогичным образом, подставив в уравнение (12.11) вместо Н_рнапор Н_max,найти точку и соединить её с расчетной точкой.

Полученное сочетание параметров D₁,Z_aиn_сявляется приемлемым, если расчетная точка на главной универсальной характеристике находится в рекомендуемом по справочным данным [1] диапазоне изменения поQ`_Imaxидля данной турбины, и линия ограничения по установленной мощности агрегата лежит правее оптимума, что соответствует более полному использованию турбины.

В противном случае необходимо перейти к другому стандартному значению диаметра гидротурбины D₁и выполнить расчеты по изложенному выше алгоритму.

На рис. 24.5 и 24.6 приведены главные универсальные харак­теристики поворотно-лопастной и радиально-осевой гидротурбин, совмещенные с режимным полем, пересчитанным в координаты п'\ и Q'i. Полученное совмещение характеризуется расположе­нием оптимальной зоны КПД в пределах ограничений режимного поля и является вполне удовлетворительным.