4 Основное и вспомогательное оборудование

4.1 Выбор числа и тип гидроагрегатов

При технико-экономическом обосновании оптимального варианта основного оборудования для выбора числа и типа агрегатов необходимо учитывать следующие основные положения:

- выбранные параметры оборудования должны обеспечивать эксплуатацию агрегатов и станции в целом во всех допустимых режимах работы с наибольшим КПД;

- необходимо стремится к выбору минимального числа гидроагрегатов при возможно большей мощности каждого из них, что приводит к увеличению КПД реактивных турбин за счет масштабного эффекта, снижению стоимости основного оборудования, сокращению сроков изготовления, монтажа и численности эксплуатационного персонала проектируемой ГЭС.

Выбор оборудования с использованием главных универсальных характеристик состоит в том, чтобы для каждого рассматриваемого типа турбин, наметить такие варианты диаметра рабочего колеса и синхронной частоты вращения, при которых в области допустимых режимов по напору и расходу воды, проектируемая ГЭС работала бы с наибольшим КПД при минимальном заглублении рабочего колеса и количестве установленных агрегатов.

Необходимо определить область допустимой работы проектируемой ГЭС, для этого строится режимное поле с указанием линий ограничений для различных режимов.

Построение этих характеристик выполняется по следующему уравнению:

(4.1)

где – отметка уровня воды в водохранилище, которая изменяется в зависимости от объема сработкиот НПУ до УМО (рис. 1);

– отметка уровня воды в нижнем бьефе в зависимости от расхода (рис.3);

– потери напора в водопроводящих сооружениях.

Также строим кривую зависимости прим в январе в маловодном году.

Определение ограничения работы турбин:

1. ограничение по расчетной установленной мощности, определяемое уравнением:

, (4.2)

где - коэффициент мощности (k_n=9,1);

2. ограничение по пропускной способности ГЭС, которую до выбора турбинного оборудования строим по зависимости:

, (4.3)

где – максимальная пропускная способность ГЭС, соответствующая работе гидростанции при расчетном напорем.

Результаты расчета представлены в табл. 18.

Таблица 18. Результаты расчета режимного поля проектируемой ГЭС

Кривые связи нижнего бьефа для летних и зимних условий		Dhвс, м	ZНПУ, м	ZУМО, м	ZВБ1, м	Напорные характеристики			Ограничение по мощности		Ограничение по пропуск. способности
QНБ, м3/с	ZНБЗима, м					HНПУ, м	HУМО, м	HZВБ1, м	Q, м3/с	H, м	Q, м3/с	H, м
0	48.0	0.5	107	88	100.4	58.48	39.48	51.88	100	792.70	100	0.11
200	50.6	0.5	107	88	100.4	55.89	36.89	49.29	400	198.18	400	1.77
400	52.3	0.5	107	88	100.4	54.21	35.21	47.61	700	113.24	700	5.41
600	53.5	0.5	107	88	100.4	53.03	34.03	46.43	1000	79.27	1000	11.05
800	54.4	0.5	107	88	100.4	52.13	33.13	45.53	1300	60.98	1300	18.67
1000	55.1	0.5	107	88	100.4	51.37	32.37	44.77	1600	49.54	1600	28.28
1200	55.8	0.5	107	88	100.4	50.70	31.70	44.10	1900	41.72	1900	39.87
1400	56.4	0.5	107	88	100.4	50.09	31.09	43.49	2200	36.03	2200	53.46
1600	57.0	0.5	107	88	100.4	49.53	30.53	42.93	2500	31.71	2500	69.03
1800	57.5	0.5	107	88	100.4	49.03	30.03	42.43	2800	28.31	2800	86.60
2000	57.9	0.5	107	88	100.4	48.59	29.59	41.99	3100	25.57	3100	106.15
2200	58.3	0.5	107	88	100.4	48.19	29.19	41.59	3400	23.31	3400	127.68
2400	58.7	0.5	107	88	100.4	47.83	28.83	41.23	3700	21.42	3700	151.21
2600	59.0	0.5	107	88	100.4	47.49	28.49	40.89	4000	19.82	4000	176.73
2800	59.3	0.5	107	88	100.4	47.15	28.15	40.55	4300	18.43	4300	204.23
3000	59.7	0.5	107	88	100.4	46.80	27.80	40.20	4600	17.23	4600	233.72
3200	60.1	0.5	107	88	100.4	46.44	27.44	39.84	4900	16.18	4900	265.20
3400	60.4	0.5	107	88	100.4	46.07	27.07	39.47	5200	15.24	5200	298.67
3600	60.8	0.5	107	88	100.4	45.69	26.69	39.09	5500	14.41	5500	334.12
3800	61.2	0.5	107	88	100.4	45.33	26.33	38.73	5800	13.67	5800	371.57
4000	61.5	0.5	107	88	100.4	44.98	25.98	38.38	6100	13.00	6100	411.00
4200	61.9	0.5	107	88	100.4	44.65	25.65	38.05	6400	12.39	6400	452.42
4400	62.2	0.5	107	88	100.4	44.26	25.26	37.66	6700	11.83	6700	495.83

По полученным значениям построено режимное поле с учетом ограничений по мощности и пропускной способности (рис. 16).

Рисунок16. Режимное поле Бикинской ГЭС по напору и расходу.

По режимному полю определяем следующие параметры:

– расчетный напор Нр = 42 м;

– минимальный напор Нmin= 30.5 м;

– максимальный напор Нmax= 55 м;

– максимальный расход Qmax= 1880 м³/с.

Для полученного диапазона изменения напора по справочным материалам подбираем все возможные типы гидротурбин, исходя из следующих условий:

1) значение предельного напора не должно быть меньше максимального расчетного;

2) отношение должно быть не меньше справочных данных;

3) максимальный диаметр рабочего колеса гидротурбин должен выбираться с учетом транспортировки к месту монтажа.

Диапазону напоров соответствует ПЛД60-В60^ои ПЛ60-В со следующими параметрами, представленными в таблице 19.

Таблица 19. Параметры турбинного оборудования

Параметр		Турбина ПЛ60-В	Турбина ПЛД60-В60о
Максимальный напор гидротурбин		60	60
Диапазон регулирования		0.5	0.5
Оптимальная приведенная частота вращения		116	111
Оптимальный приведенный расход		1080	1130
Оптимальный КПД модели		0.913	0.906
Приведенный максимальный расход		1500	1600
Коэффициент кавитации		0.55	0.65
Приведенный диаметр рабочего колеса		0.46	0.46
Напор модельной турбины		12	12
		20	20

На главных универсальных характеристиках турбин намечаем расчетные точки Р₁, предварительно проведя линию.

Для более обоснованного выбора параметров гидротурбины выполняем расчеты для ряда стандартных диаметров до максимально возможного для каждого типа турбин, результаты которых представлены в таблицах 20 и 21.

Для примера рассмотрим турбину ПЛ60-В-750.

КПД натурной турбины определим по формуле:

, (4.4)

где ,D_1м,Н_м– КПД, диаметр и напор модельной турбины;

D₁, – диаметр и расчетный напор натурной турбины;

,– коэффициенты кинематической вязкости воды для натурной и модельной турбины соответственно, зависящие от температуры воды для натурных и модельных условий.

- коэффициент, выражающий отношение потерь трения ко всем гидравлическим потерям ().

Мощность одного агрегата:

, (4.5)

N= 9.81∙7.5²∙ (42)^1.5∙1560 ∙0.913∙0.96=212.23 МВт

где – приведенный расход в расчетной точке;

- средний КПД генератора (предварительно принимаем).

Число устанавливаемых на ГЭС агрегатов находим по формуле:

, (4.6)

где МВт – расчетная установленная мощность (по формуле 3.13).

Рассчитанное число агрегатов округляется в большую сторону () по правилу кратности 3 или чётности числа,

После чего уточняется мощность агрегата:

(4.7)

Синхронная частота вращения:

(4.8)

где – приведенная частота в расчётной точке на ГУХ;

– поправка на приведённую частоту вращения при переходе от модели к натуре.

По полученной синхронной частоте вращения принимаем ближайшее большее стандартное значение из стандартного ряда,.

Приведенные частоты вращения соответствующие известным напорам – максимальному, расчетному и минимальному находятся по следующим формулам:

(4.9)

(4.10)

(4.11)

Таблица 20. Результаты расчета параметров оборудования для различных значений D₁гидротурбины ПЛ60-В

ПЛ60-В
D1	4.5	5	5.3	5.6	6	6.3	7.1	7.5	8	8.5
КПД т	0.940	0.941	0.941	0.941	0.942	0.942	0.943	0.944	0.944	0.944
Na*, МВт	76.10	94.03	105.70	118.06	135.60	149.56	190.12	212.23	241.59	272.85
Za*	9.48	7.67	6.82	6.11	5.3	4.8	3.79	3.40	2.99	2.64
Za	10	8	8	8	6	6	4	4	3	3
Na, МВт	72	90	90	90	120	120	180	180	240	240
дельта Р	1.029	1.030	1.031	1.031	1.032	1.032	1.033	1.033	1.034	1.034
nc*, об/мин	172.0	154.9	146.2	138.4	129.3	123.2	109.4	103.6	97.2	91.5
nc, об/мин	176.5	157.9	150.0	142.9	130.4	125.0	111.1	107.1	100.0	93.8
n'1 min	105.5	104.9	105.6	106.2	103.9	104.5	104.7	106.6	106.1	105.7
n'1 р	120.8	120.0	120.8	121.6	118.9	119.6	119.8	122.0	121.4	120.9
n'1 max	141.7	140.8	141.8	142.7	139.5	140.4	140.5	143.1	142.5	141.9
Q'1*КПД т от Нр (n'1 р)	1.390	1.407	1.252	1.122	1.303	1.182	1.396	1.251	1.466	1.298
Q'1*КПД т от Нmax (n'1 min)	0.927	0.939	0.836	0.749	0.869	0.789	0.931	0.835	0.978	0.866
Qmin для Hmax (n'min)	2.081	1.685	1.499	1.342	1.169	1.060	0.834	0.748	0.657	0.582
Qmin для Hmin (n'max)	2.794	2.262	2.013	1.802	1.570	1.424	1.120	1.004	0.882	0.781

Таблица 21. Результаты расчета параметров оборудования для различных значений D₁гидротурбиныПЛД60-В60^о

ПЛД60-В60˚
D1	4.5	5	5.3	5.6	6	6.3	7.1	7.5	8	8.5
КПД т	0.935	0.936	0.936	0.937	0.937	0.938	0.939	0.939	0.939	0.940
Na*, МВт	76.92	95.05	106.86	119.35	137.09	151.20	192.23	214.60	244.29	275.91
Za*	9.38	7.59	6.75	6.04	5.3	4.8	3.75	3.36	2.95	2.61
Za	10	8	8	8	6	6	4	4	4	3
Na, МВт	72	90	90	90	120	120	180	180	180	240
дельта Р	1.032	1.033	1.033	1.034	1.035	1.035	1.036	1.036	1.037	1.037
nc*, об/мин	165.0	148.6	140.3	132.8	124.0	118.2	105.0	99.4	93.2	87.8
nc, об/мин	166.7	150.0	142.9	136.4	125.0	120.0	107.1	100.0	93.8	88.2
n'1 min	99.6	99.5	100.4	101.3	99.4	100.2	100.8	99.3	99.3	99.3
n'1 р	113.9	113.9	114.9	115.9	113.8	114.7	115.3	113.7	113.6	113.6
n'1 max	133.7	133.6	134.9	136.0	133.5	134.6	135.3	133.4	133.4	133.3
Q'1*КПД т от Нр (n'1 р)	1.390	1.407	1.252	1.122	1.303	1.182	1.396	1.251	1.099	1.298
Q'1*КПД т от Нmax (n'1 min)	0.927	0.939	0.836	0.749	0.869	0.789	0.931	0.835	0.734	0.866
Qmin для Hmax (n'min)	2.078	1.682	1.497	1.340	1.167	1.059	0.833	0.746	0.656	0.581
Qmin для Hmin (n'max)	2.790	2.259	2.010	1.800	1.568	1.422	1.119	1.002	0.881	0.780

Анализируя полученные варианты параметров турбин, выбираем турбины для более подробного рассмотрения:

ПЛ60-Всо следующими параметрами: D₁=7.1 м, Za=4, n_c=111.1 об/мин.

ПЛ60-Всо следующими параметрами: D₁=7.5 м, Za=4, n_c=107.1 об/мин.

ПЛД60-В60^осо следующими параметрами: D₁=7.5 м, Za=4, n_c=100 об/мин.

На главных универсальных характеристиках проводим линии n`<sub>max</sub>, n`_p, n`<sub>min</sub>. Определяем окончательно положение расчетной точки. Для этого на универсальной характеристике на линии n`_pподбираем такое сочетаниеи, чтобы выполнялось равенство:

(4.12)

где м³/с,.

Для полученной расчетной точки строим линию ограничения по установленной мощности генератора. Для этого на линии n`_minсоответствующей напору Н_max, аналогичным образом, подставив в уравнение (4.12) вместо Н_рмаксимальный напор:

м³/с.

где м³/с,.