2.3. Основные параметры гидротурбины
Гидроагрегаты ГЭС работают с разными мощностями согласно графику нагрузки энергосистемы. Для обеспечения нужных мощностей сквозь турбины нужно пропускать определенные расходы воды. При увеличении расхода через гидротурбины верхний бьеф снижается, а нижний увеличивается. Кроме этого уровень воды в верхнем и нижнем бьефах зависит от поры года, годового, месячного и суточного регулирования стока.
Таким образом, турбины работают при разных напорах и расходах. Для проектирования и определения характеристик в условиях их работы на ГЭС должны быть заданы расчетная (номинальная) мощность и диапазон колебания напора на турбине. При движении потока из верхнего (В.Б) в нижний бьеф (Н.Б) часть его энергии теряется в водоподводных устройствах на преодоление гидравлических сопротивлений. В связи с этим при проектировании ГЭС и турбин вводят следующие виды напоров: брутто (напоры на станции) и напоров нетто (напоры на турбинах).
Напор
брутто Н
на
станции представляет – разность отметок
верхнего и нижнего бьефа, когда расход
через турбину равняется нулю; при
работающих турбинах он определяется
как разность полных удельных энергий
потока в верхнем и нижнем бьефах.
Полезный
напор на турбине Н
(напор нетто)
меньше чем напор брутто на ГЭС при тех
самых отметка верхнего и нижнего бьефов
на величину потерь энергии в подводных
устройствах и представляет – разность
удельных энергий потока на входе и
выходе из турбины, то есть это рабочий
напор на турбине. При проектировании
турбины необходимо знать расчетный Н
,
средневзвешенный Н
,
максимальный Н
и минимальный Н
напоры на турбине. При расчетном напоре
и синхронной частоте оборотов турбина
должна развивать расчетную мощность.
Для заданного диапазона напоров Н
-Н
выбирают определенный тип гидротурбинного
оборудования (pиc. 7-10).
Объемный
расход Q, м
/с,
представляет собой количество воды,
которая проходит сквозь турбину за одну
секунду (включая объемные протечки и
собственные нужды). При проектировании
гидротурбины необходимо знать следующие
величины расходов: расчетный расход Q
, максимальный Q
и расход холостого хода Q
.
Расчетный расход Q
- это расход сквозь турбину при расчетных
значениях напора, мощности и синхронной
частоте оборотов турбины. Максимальный
расход сквозь турбину Q
может иметь место при минимальном напоре
для обеспечения заданной мощности
турбины. Расход холостого хода Q
- это величина расхода при расчетном
напоре Н
и синхронной частоте оборотов, когда
полезная нагрузка на турбине равняется
нулю.
Подводимая к турбины мощность представляет собой гидравлическую мощность потока на входе в турбину:
QH
, 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:
,
кВт
Расчетная мощность турбины N - это мощность, которую она развивает при выбранном диаметре рабочего колеса и расчетных величинах напора и частоты оборотов. Гидротурбину проектируют и изготовляют на расчетную мощность.
В
процессе преобразования гидравлической
энергии потока в механическую часть
энергии в гидротурбине безвозвратно
теряется. В результате механическая
мощность турбины N
меньше подводимой мощности. Отношение
мощности на валу гидротурбины к подводимой
мощности потока называется полным
КПД гидротурбины:
%
Полный
КПД гидротурбины учитывает гидравлические,
объемные, механические и дисковые
потери. Перечисленные потери энергии
зависят от нагрузки, поэтому КПД турбины
определяется ее режимом работы. Режим,
при котором КПД турбины достигает
максимального значения, называется
оптимальным.
Соответственно режим (N
,
Н
),
на который рассчитывают турбину и
определяют ее основные параметры
(диаметр рабочего колеса D
,
м, синхронную частоту оборотов n, об/мин,
и высоту отсасывания H
,
м), называют расчетным. В зависимости
от типа турбины, ее размеров, качества
изготовления и других факторов КПД
мощных гидротурбин на оптимальном
режиме достигает 93-95%, снижаясь на не
расчетных режимах.
Современные
мощные и средние гидротурбины
непосредственно объединены с генераторами.
Потому что в генераторе при преобразовании
механической энергии в электрическую
возникают электрические, механические
и другие потери, поэтому КПД гидроагрегата
.
Коэффициент полезного действия генератора
=
96
98% для средних и мощных генераторов и
мало меняется при изменению нагрузки.
Мощность гидроагрегата, учитывая потери в турбине и генераторе
,
кВт
Для
характеристики энергетических показателей
гидроагрегата при разных напорах и
мощностях вводят средневзвешенный КПД
.
Он равняется отношению действительной
произведенной энергии гидроагрегатом
при его работе по графику нагрузки к
выработке, которую он мог бы обеспечить
при тех самых затратах воды и при
=
1:
=
Так как гидротурбина объединена с синхронным генератором переменного тока, то ее частота оборотов должна быть четко определенной, то есть синхронной. Синхронную частоту оборотов турбины и генератора определяют, пользуясь зависимостью:
f =
В Украине частота переменного тока принята f = 50Гц, тогда синхронная частота оборотов гидроагрегата:
n =
, об/мин
где: р – число пар полюсов генератора.
При
проектировании гидроагрегата используют
значение расчетной частоты оборотов
n
и разгонной частоты оборотов n
. Расчетная частота оборотов n
равняется синхронной частоте оборотов
на которую гидротурбина проектируется.
Частота
оборотов холостого походка n
-
это частота оборотов возбужденного
генератора, отключенного от системы.
Разгонной
частотой оборотов n
называется
максимальное число оборотов, которое
достигается при полном сбрасывании
нагрузки и при полностью открытом
направляющем аппарате (для поворотно-лопастных
гидротурбин – промежуточное положение
лопаток направляющего аппарата и
лопастей рабочего колеса).
Сечение А - А – вход в водоприемник; сечение В - В – нижний бьеф за отсасывающей трубой
Рис. 7. Определение напора на ГЭС.
Рис. 8. Определение напора низконапорной реактивной гидротурбины
Рис. 9 Определение напора среднее- и высоконапорних реактивных гидротурбин
Рис. 10. Определение напора ковшовой гидротурбины.