Особенности водно-энергетических расчетов малых ГЭС с насосами в качестве турбин

Строительство гидроэлектростанций малой мощности наряду с крупными энергоустановками ведется в настоящее время как в странах с развитой экономикой, так и в развивающихся. Это магистральный путь развития мировой энергетики. Малые ГЭС (МГЭС) решают не только проблемы энергоснабжения конкретных потребителей, но вносят определенный вклад в улучшение экологической ситуации, являясь экологически чистым возобновляемым источником электроэнергии. Важным аспектом является и то, что эксплуатация малых ГЭС не связана с конъюнктурой рынка топливно-энергетических ресурсов.

Показатели экономической эффективности крупных гидроэлектростанций как правило выше, чем у МГЭС. Улучшения экономических показателей МГЭС можно добиться за счет применения основного оборудования, более дешевого по сравнению с гдротурбинами и генераторами. Одним из вариантов такого оборудования являются серийные насосы и асинхронные электродвигатели, используемые в обратимых режимах. Как показал опыт конкретных проектов, такое решение позволяет существенно снизить стоимость МГЭС.

Расчеты экономической эффективности базируются на водно-энергетических расчетах. Их проведение представляет трудоемкую задачу, если учитывать характеристики конкретного турбинного оборудования. Выполнение данных расчетов для насосных агрегатов, не имеющих органов для плавного регулирования расхода, имеет ряд особенностей, которые оказывают существенное влияние на результаты. Поэтому выбранная тема диссертационной работы представляется актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель состоит в разработке автоматизированной системы водно-энергетических расчетов годичного и суточного регулирования для русловых, приплотинных и деривационных МГЭС с насосами в качестве турбин. 6.

Для достижения поставленной цели в рамках настоящей, работы были решены следующие задачи:

— обобщить данные по характеристикам турбинных режимов консольных, двустороннего входа и вертикальных центробежных насосов с коэффициентами быстроходности 100.300 об/мин;

— разработать методику прогнозирования характеристик турбинных режимов центробежных насосовразработать алгоритм и компьютерную реализацию программы представления энергетических характеристик насосов с учетом потерь напора в турбинных водоводах;

— разработать алгоритм и компьютерную реализацию программы автоматизированного проведения водно-энергетических расчетов русловых, приплотинных и деривационных МГЭС с насосными агрегатами для условий сезонного и суточного регулирования стока;

— исследовать режимы деривационных МГЭС с саморегулирующейся деривацией при суточном регулировании МГЭС с насосными агрегатами;

— исследовать влияние параметров применяемого насосного оборудования на основные энергетические экономические показатели МГЭС.

На защиту выносятся: 1. Результаты обобщения данных по полным четырехквадрантным характеристикам консольных, двухстороннего входа и вертикальных центробежных насосов с коэффициентами быстроходности 100.300 об/мин;

2. Методика получения характеристик турбинных режимов центробежных насосов, базирующаяся на обобщенных безразмерных характеристиках турбинных режимов;

3. Методика представления характеристик насосов в турбинных режимах с учетом потерь напора в турбинных водоводах;

4. Алгоритм автоматизации водно-энергетических русловых, приплотинных и деривационных МГЭС с насосными агрегатами для условий сезонного и суточного регулирования стока- 7.

5. Результаты анализа режимов в саморегулирующейся деривации при суточном регулировании МГЭС с насосными агрегатами;

6. Результаты анализа влияния типоразмеров насосного оборудования, количества агрегатов, глубины сработки водохранилища на основные показатели МГЭС с насосными агрегатами.

Личный вклад автора состоит в обработке и обобщении данных по полным характеристикам центробежных насосов, разработке методик прогнозирования характеристик турбинных режимов центробежных насосов, разработке алгоритмов автоматизированного выполнения водно-энергетических расчетов для МГЭС с нерегулируемыми насосными агрегатами, анализе режимов МГЭС в том числе с безнапорными подводящими деривационными водоводами.

Основные результаты научных исследований были использованы при выполнении проектов Хоробровской, Веселовской, Белгородской МГЭС, а также МГЭС на р. Ресса, и на р.Зама.

Апробация работы выполнена в виде доклада на заседании кафедры использования водной энергии МГСУ, где она была одобрена и рекомендована к защите.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения и пяти глав, основных выводов, списка литературы из 97 наименований, приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Отечественный и зарубежный опыт показал эффективность применения насосов в качестве турбин малых ГЭС, поставив ряд задач, среди которыхобоснование параметров малых ГЭС на основании водно-энергетических расчетов при условии отсутствия у насосов органов для регулирования расхода и мощности.

2. Обработка полных четырехквадрпнтных характеристик центробежных насосов позволила уточнить соотношение между оптимумами насосного и турбинного режимов для центробежных насосов с коэффициентами быстроходности 100.300 об/мин. Справедливы следующие соотношения:

— при равных частотах вращения Нт/Нн = (1,2.1,5), Qt / Qh = (1,1.1,4);

— при равных напорах Пх/Пн = (0.8.0.9), Qt / Qh = (1,0.1,2).

3. У насосов с коэффициентами быстроходности менее 100 об/мин наблюдается рост отношения Нт/Нн до 2 и более. Это является следствием низких значений кпд насосов данной быстроходности и того, что согласно уравнению Эйлера отношение турбинного напора к насосному обратно пропорционально произведению кпд в оптимумах турбинного и насосного режимов.

4. На основании обработки полных характеристик центробежных насосов российского производства:

— получены эмпирические зависимости для приведенных параметров rij у, f.

Qj j оптимального турбинного режима в функции коэффициента быстроходности насоса;

— показано негативное влияние обточки рабочего колеса насоса, которая приводит к снижению кпд в оптимуме турбинного режима на 4.5%- смещению оптимума на 3.5 об/мин в сторону увеличения приведенной частоты вращенияувеличению в 1,1 и 1,2 раза разгонной частоты вращения (соответственно для первой и второй подрезки) — получены относительные оборотно-расходные характеристики турбинных режимов центробежных насосов, позволяющие выполнять подбор насоса для работы в турбинных режимах по известному коэффициенту быстроходности.

5. Разработана методика подбора центробежных насосов для работы в турбинных режимах с использованием относительных характеристик qlT = f (р1тnSH), % / Лтопт = (PiTnSH). Получены номенклатурные графики турбинных режимов серийных консольных насосов, насосов двухстороннего входа и вертикальных центробежных при основных и пониженных частотах вращения.

6. Водно-энергетические расчеты МГЭС с нерегулируемыми агрегатами имеют ряд специфических особенностей:

— расчеты проводятся для конкретного варианта основного оборудования, определяемого номенклатурным рядом, с учетом напорно-расходной и напорно-мощностной характеристик гидромашин,.

— напор нетто является единственным фактором, определяющим расход и мощность гидроагрегата.

— в условиях заданного гидрографа различные варианты оборудования дают разные значения не только выработки, но и установленной мощности ГЭС;

— регулирование расхода осуществляется изменением количества работающих агрегатов;

— потери напора и уровни нижнего бьефа определяются не по среднесуточным расходам потребления, а по фактическим расходам МГЭС;

7. Разработанные алгоритмы, позволяют автоматизировать водно-энергетические расчеты для МГЭС с сезонным и суточным режимом регулирования стока. В процессе расчета подбираются характеристики диспетчерского режима регулирования, автоматически определяется режим работы МГЭС с регулированием расхода за счет изменения количества работающих агрегатов, рассчитывается изменение во времени напора, расхода и мощности МГЭС, а также выработка электроэнергии за расчетный период времени с учетом характеристик гидромашин и напорной системы.

8. Получено аналитическое выражение для объема водохранилища, обеспечивающего баланс между среднемесячным расходом потребления и расходами МГЭС в условиях ступенчатого регулирования при различном количестве пусков (остановок).

9. Водно-энергетические расчеты для МГЭС с саморегулирующейся деривацией должны выполняться с учетом неустановившегося медленно изменяющегося движения в деривации. В регулировании расходов участвуют объемы воды, заключенные в бассейне ВБ, бассейне суточного регулирования, а также непосредственно в деривации. При суточном регулировании неравномерность изменения расхода саморегулирующейся деривации растет в направлении от начала к концу деривации. По мере исчерпания регулирующей емкости деривации в данном сечении, в нем устанавливается режим равномерного течения с расходом, равным расходу притока.

10. Емкость БСР для неограниченного суточного регулирования подбирается так, чтобы обеспечить опускание уровня при сработке до отметки, соответствующей равномерному режиму в деривации с расходом притока.

11. Водно-энергетические расчеты для МГЭС с несаморегулирующейся деривацией не отличаются от расчетов для русловых и приплотинных МГЭС и могут выполняться по разработанной выше методике. При этом регулирующей емкостью является бассейн суточного регулированияотметки уровня в БСР фигурируют в качестве отметок верхнего бьефа.

12. На примере анализа конкретных МГЭС выявлено, что в зависимости от типоразмера насоса и количества агрегатов, увеличение угла установки лопастей может приводить не только к увеличению выработки электроэнергии, но, при определенных условиях, и к ее снижению. При фиксированном объеме стока увеличение угла установки лопастей уменьшает выработку за счет снижения средневзвешенного напора, что является следствием роста уровня НБ.

159 и роста потерь напора в условиях заданных размеров турбинных водоводов.

13. Показано, то для низконапорных МГЭС зависимость мощности от угла установки лопастей имеет максимум в области правее оптимума характеристики. Наличие максимума обусловлено снижением кпд, ростом потерь напора и ростом уровня НБ с ростом угла установки лопастей.

14. Использование разработанных методик и алгоритмов позволяет получить необходимую информацию по водно-энергетическим режимам насосов в качестве турбин, позволяющую наиболее обосновано подходить к выбору и оптимизации их параметров в проектах малых ГЭС.