3. Гидросиловое оборудование малых гэс
Термин «гидросиловое оборудование» объединяет то оборудование, которое служит для преобразования гидравлической энергии в электрическую (с заданными параметрами). Исходя из этого к гидросиловому оборудованию малой ГЭС относят гидротурбины с регулятором частоты вращения, гидрогенератор с системой возбуждения, предтурбинный затвор.
Гидротурбина, преобразующая гидравлическую энергию в механическую энергию вращающего вала, характеризуется следующими основными энергетическими расчетными параметрами: напором (давлением) воды перед входом в турбину, частотой вращения, соответствующей оптимальному к.п.д., и расходом воды, соответствующим первым двум параметрам. Мощность гидротурбины выражают через напор и расход:
PT = 9,81QHηT, (3.1)
где РТ – мощность на валу гидротурбины, кВт; Q – расход воды, м3/с; Н – напор нетто, м; ηT – КПД турбины при соответствующих Н, Q и частоте вращения.
Частота вращения п, соответствующая оптимальным условиям работы гидротурбины, зависит от геометрии ее проточной части (быстроходности гидротурбины) и определяется по коэффициенту быстроходности ns.
По характеру передачи энергии потока воды рабочим органам гидравлические турбины подразделяются на реактивные (с избыточным давлением, т.е. напорноструйные) и активные (свободноструйные).
В реактивных турбинах происходит преобразование всех видов энергии потока (энергии положения z, энергии давления p/pg и кинетической энергии v 2/2g) в механическую.
Активные турбины работают под действием свободной струи, обладающей только кинетической энергией v2 /2g.
По конструктивным признакам реактивные турбины подразделяются на радиально-осевые (РО), пропеллерные (Пр), поворотно-лопастные (ПЛ) и диагональные (Д), активные турбины – на ковшовые свободноструйные и двукратные (рисунок 3.1).
Радиально-осевые турбины применяются обычно при напорах от 20 до 350 м; поворотно-лопастные и пропеллерные – при напорах от 1 до 40 м; ковшовые – при напорах от 20 до 1500 м.
В зависимости от расположения вала турбины делятся на вертикальные (при расположении вала вертикально) и горизонтальные (при расположении вала горизонтально).
Гидротурбины подразделяются на малые, средние и крупные.
К малым относятся гидротурбины, у которых диаметр рабочего колеса D < 1,2 м при низких напорах и D < 0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт. К средним относятся гидротурбины, у которых 1,2 < D < 2,5 м при низких напорах и 0,5< D < 1,6 м при высоких, мощность 1000 кВт < NT < 15000 кВт.
Коэффициент быстроходности отражает основные свойства каждого типа рабочего колеса и зависит от типа гидротурбины. Ограничением к применению гидротурбин высокой быстроходности является кавитация в проточной части гидротурбины и, как следствие, разрушение гидротурбины.
Для ориентировочных расчетов при отсутствии заводских характеристик гидротурбины можно пользоваться среднестатистическими зависимостями коэффициента быстроходности от напора:
ns = (3200-4100)H-0,5(для ПЛ турбин); (3.2)
ns = (2350-3500) H-0,5(для РО турбин). (3.3)
Таблица 3.1 – Коэффициент быстроходности nS
Тип турбин |
nS |
Ковшовые |
10…50 |
Радиально-осевые: тихоходные средней быстроходности быстроходные |
70…150 150…250 250…400 |
Пропеллерные и поворотно-лопастные: средней быстроходности быстроходные |
550…750 750…950 |
|
|
Рисунок 3.1 – Общий вид рабочих колес реактивных турбин
а – радиально-осевая; б – пропеллерная; в – поворотно-лопастная;
г – двухперовая; д – диагональная
В нашей стране проектировщики чаще выбирают гидротурбину не по коэффициенту быстроходности, а по конкретным характеристикам гидротурбин отечественных заводов.
После продолжительного перерыва в производстве оборудования для малых ГЭС с 1983 года в СССР вновь начались планомерные работы по изучению и практическому использованию малой гидроэнергетики, энергомашиностроительные заводы приступили к разработке гидросилового оборудования для малых ГЭС на современном технологическом уровне.
Большой интерес вызывает гидрооборудование акционерного межотраслевого научно-технического объединения «ИНСЭТ» из Санкт-Петербурга. С 1988 года оно специализируется на работке, серийном изготовлении и монтаже микроГЭС мощностью от 3 до 100 кВт и гидроагрегатов для малых ГЭС единичной мощностью до 5000 кВт.