ИВЭ. Ч. 1. ВЭР

а)

б)

Рис. 8.2. Напорные характеристики: а) русловая ГЭС; б) деривационная ГЭС

Для высоконапорных ГЭС (приплотинные, деривационные и смешаннодеривационные плотины ГЭС) напорные характеристики выглядят иначе.

Напорная характеристика такой ГЭС построена на рис. 8.2,б). При этом величина hСООР для таких станций может значительно влиять на напор.

В общем случае потери напора определяются характеристикой:

hСООР(QГЭС) = hДЕР(QГЭС) + hВОДОПОДВ(QГЭС), (8.1)

61

где hДЕР(QГЭС) = a1 QДЕР2 ;QДЕР = n1 QГЭС;

hВОДОПОДВ(QГЭС) = a2 QВОД2 ;QДЕР = z1 QГЭС; n – число ниток де-

ривации; z – число работающих агрегатов на ГЭС; a1 и a2 – коэффициенты,

учитывающие конструктивные особенности водоподводящих сооружений. Напорные характеристики ГЭС строятся для зимнего и летнего перио-

да. Однако у деривационных ГЭС они совпадают. В работе не учитывается замерзание воды в нижнем бьефе вследствие малых расходов и незначительного изменения уровня нижнего бьефа данных гидроэлектростанций.

При выполнении задания расчет ведется для отметок НПУ (нормальный подпорный уровень) и УМО (уровень мертвого объема), так как эти отметки выступают верхней и нижней границей зоны нормальной работы водохранилища ГЭС. В реальности это будет семейство характеристик с шагом в один метр.

Для построения напорных характеристик русловых ГЭС используют выражение:

Для определения рабочего поля ГЭС, а также точек Нmax , НР, Нmin на напорные характеристики наносим линии ограничения.

Линия ограничения по мощности генераторов

Линия ограничения по мощности генераторов (ЛОГ) может наноситься как на напорные характеристики отдельных агрегатов, так и на напорные характеристики всей станции. В последнем случае линия выступает в качестве ограничения по установленной мощности ГЭС. В работе при построении ЛОГ будем руководствоваться установленной мощностью станции.

Значение установленной мощности ГЭС постоянно, однако данное значение, исходя из формулы мощности, может быть достигнуто при различных сочетаниях значений Q и H . ↓ Н приводит к необходимости ↑Q для под-

держания одного и того же значения мощности, что объясняет наклонный вид ЛОГ на характеристике.

62

Превышение номинальной мощности гидрогенераторами станции приводит к перегреву изоляции токоведущих частей, что в свою очередь, ведет к аварии. Поэтому выход за пределы ЛОГ в нормальном режиме работы недопустим.

Точки, лежащие на линии установленной мощности, определяются выражением:

где kN = 9, 81 ηВС ηТУРБ ηГЕН ≈ 8,5.

Пересечение ЛОГ с характеристикой напора при отметки НПУпозволяет определить максимальный напор Нmax , при котором станция может

вырабатывать установленную мощность.

Наименьший напор, при котором станция вырабатывает установленную мощность, называется расчетным по мощности напором НР.

Линия ограничения по мощности турбины

Линия ограничения по мощности турбины (ЛОТ) определяет максимальную мощность турбины, обусловленную максимальной пропускной способностью.

Линия ограничения по турбине характеризуется зависимостью:

Пересечение ЛОТ с отметкой напора при УМО позволяет определить минимальный напор Нmin , при котором станция может вырабатывать

электроэнергию (рис. 8.3). Снижение уровня верхнего бьефа ниже УМО невозможно по конструктивным особенностям ГЭС (на данном уровне расположены водоприемные отверстия).

63

Рис. 8.3. Напорные характеристики ГЭС с учетом ограничений

Линия огра ничения по минимальному расходу.

Поскольку ГЭС не может допустить режим, когда расход в нижний бьеф равен нулю , из-за требований водопользователей, задается минимально необхо димый расход в нижний бьеф, равный санитарному пропуску. На напорной характе ристике эта ограничение выглядит как вертикальная линия,

пересекающая ось расходов в значенииQmin .

Исходные данные приведены в таблицах 8.1, 8.2, 8.3, 8.4.

Таблица 8.1

Характеристика нижнего бьефа русловой ГЭС

64

Таблица 8.2

Характеристика нижнего бьефа деривационной ГЭС

Порядок выполнения расчетов

1.Пользуясь данными из таблиц 8.1 или 8.2 построить кривые зависимости отметки нижнего бьефа от расхода в нижний бьеф (для русловой ГЭС построить кривые как для летнего, так и для зимнего периода).

2.Аппроксимировать кривые с помощью полиномов шестой и более степени в любом математическом пакете: Excel, Matcad, Matlab. Полученное

математическое выражение использовать для вычисления ZНБ = f (QНБ ).

3.Для удобства ведения расчетов результаты лучше всего свести

втаблицу 8.5.

4.Задать значения расхода (от 0 до 1500 м3/с с шагом в 100 м3/с – для русловых ГЭС и от 0 до 35 м3/с с шагом в 5 м3/с – для деривационных ГЭС) в колонке 1 таблицы 8.5.

5.Пользуясь функциями ZНБ = f (QНБ ) для зимы и лета опреде-

лить ZНБ при различных значениях расхода. Значения занести в столбцы 3 и 4 таблицы 8.5.

6.Произвести расчет потерь в водоподводящих сооружениях для деривационной ГЭС по формуле (8.1) и результаты записать в колонку 5 таблицы 8.5.

7.Пользуясь формулой (8.2) для русловых ГЭС и формулой (8.3) для деривационных ГЭС рассчитать изменение напора в зависимости от расхода через ГЭС. Данные записать в столбцы 8 и 9 таблицы 8.5.

8.Для построения ЛОГ необходимо задать значения напора, соблю-

дая условие Н ≥ НР . Рассчитать значения расхода по формуле (8.4) и ре-

зультаты занести в столбцы 10 и 11 таблицы 8.5.

9. Для построения ЛОТ необходимо задать значения напора, соблюдая условие Н ≤ НР . Рассчитать значения расхода по формуле (8.5) и ре-

зультаты занести в столбцы 12 и 13 таблицы 8.5.

10. Полученные значения могут быть графически представлены в следующем виде (рис. 8.3).

65

11. В выводе объяснить физический смысл изменения вида напорных характеристик от величины напора и типа ГЭС. Указать значения Нmax , НР,

Нmin для полученных характеристик, описать назначение режимного поля ГЭС.

68

9. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОАГРЕГАТА И ГЭС

Цель: изучить назначение основных энергетических характеристик ГЭС, научиться строить расходные, рабочие и удельные характеристики гидроагрегата и всей станции.

Задачи

1. На основе универсальной характеристики гидроагрегата построить рабочую η= f (N ), расходную Q = f (N ) и удельную qУД = f (N )

энергетические характеристики станции для различных значений напоров. 2. Сделать вывод о видах и назначении энергетических характери-

стик ГЭС.

Основные сведения

Гидроагрегат (ГА) состоит из турбины и генератора, которые имеют свои энергетические характеристики. Эти характеристики связывают такие параметры как мощность N , расход Q , напор Н и КПД η. Также на харак-

теристиках могут быть учтены некоторые конструктивные особенности ГА – число оборотов турбины n , открытие направляющего аппарата и пр. На универсальных характеристиках турбин указываются все перечисленные параметры, на эксплуатационных – часть из них (приложение 6). Однако все характеристики имеют свою область использования.

На основе характеристик гидротурбины и генератора строятся энергетические характеристики гидроагрегата и станции. Рассмотрим подробнее эти характеристики.

Характеристики гидротурбин

1.Универсальные характеристики гидротурбин дают связь всех энергетических параметров мощности, расхода, КПД и напора (рис. 9.1). Из такой характеристики можно построить рабочую характеристику.

2.Рабочая характеристика представляет собой зависимость КПД

от мощности η= f (N )при постоянном напоре. Соответственно при различ-

ных значениях напора будут получаться различные характеристики. Таким образом, имеет место быть семейство характеристик для каждой турбины и ГА.

КПД турбины представляет собой отношение получаемой полезной мощности турбины к той мощности потока, которая подводится в турбинную камеру:

69

η= NПОЛ . NПОД

Рис. 9.1. Универсальная характеристика турбины

Так как напор и мощность турбины переменны, то меняется и КПД. На рисунке 9.2,а показана зависимость КПД турбины от мощности при трех различных значениях напора. Из графика видно, что при каждом значении напора КПД достигает максимального значения при некотором определенном значении мощности.

Рис. 9.2. Рабочая характеристика: а) для турбины; б) для ГЭС

70