1-3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЖЕКЦИИ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ГЭС И ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТА ЭЖЕКЦИИ
Из опыта проектирования и эксплуатации совмещенных ГЭС следует, что изменение конструкции ГЭС в целях лишь использования эжекции, как правило, нецелесообразно. Усложнение конструкции здания, производства работ по его возведению, условий эксплуатации не оправдываются энергетическим эффектом, который достигается за счет эжекции. Именно поэтому американские специалисты, рассматривавшие совмещение лишь с точки зрения использования эжекции, после· строительства нескольких для своего времени крупных ГЭС с использованием эжекции прекратили строительство совмещенных ГЭС,
Не может играть существенной роли эжекции и на ГЭС с большим напором.
Главным достоинством совмещения ГЭС с водосбросами является возможность сокращения фронта бетонных сооружений и в ряде случаев облегчения условий пропуска строительных расходов. Это обстоятельство широко используется в советской и зарубежной гидротехнической практике.
Вместе с тем в ряде случаев возможность использования эжекции на совмещенных ГЭС является дополнительным существенным преимуществом таких ГЭС. Эжекция здесь может быть использована как для увеличения выработки энергии, так и для повышения пропускной способности гидроузла.
По данным В. С. Серкова, обобщившего результаты натурных исследований эжекции на Волжских ГЭС имени В. И. Ленина и имени XXII съезда КПСС, Уч-Курганской, Дубоссарской и Новосибирской ГЭС, увеличение среднегодовой выработки энергии за счет эжекции может составить на этих ГЭС около 0,3—0,7% или в сумме около 110— 120 млн. кВт·ч [223]. На Уч-Курганской ГЭС увеличение мощности в паводок за счет эжекции достигало 7,5% —14,5% при статическом напоре 21,5—24,9 м.
На Камской водосливной ГЭС в паводок 1957 г. (продолжительностью 20 дней) сброс воды осуществлялся через 16—18 водосливных отверстий при общем числе отверстий, равном 24. За 13 дней натурных испытаний дополнительная выработка электроэнергии составила 8,7 млн. кВт-ч[60]. При расчетном (р = 0,1%) паводке ожидается увеличение мощности ГЭС за счет эжекции на 105 МВт, или 45% возможной мощности ГЭС без эжекции.
Весьма существенно наличие эжекции сказывается на характеристиках совмещенной Саратовской ГЭС, в составе гидроузла которой не имеется водосливной плотины. Разность между УНБ, соответствующая сбросу максимальных расходов, и НПУ на этом гидроузле меньше трех метров. Для работы турбины необходим напор не менее 5,6 м. Поэтому во избежание остановки турбин при сбросе расходов приходится форсировать УВБ. Эффект эжекции по напору достигает 2 м, что позволяет начинать форсировку УВБ при расходах, существенно больших, чем это требовалось бы при отсутствии эжекции. В условиях пропуска максимального расчетного расхода благодаря эжекции пропускная способность всех турбин возрастает на величину, превышающую пропускную способность двух водосбросов. При отсутствии эжекции эти водосбросы необходимо было бы предусмотреть, увеличив фронт бетонных водосбросных сооружений.
Однако из всех отечественных ГЭС с напорными водосбросами, входящих в состав гидроузлов с водосбросными плотинами, эжекция систематически используется лишь на Уч-Курганской ГЭС. Использованию эжекции препятствует трудоемкость и длительность операций по открытию и закрытию водосбросных отверстий и необходимость проведения после их закрытия дополнительных мероприятий по прекращению фильтрации через уплотнения.
Эффективность использования эжекции уменьшается на всех этих ГЭС, кроме Уч-Курганской ГЭС, потому, что согласно заложенным при проектировании возможностям маневрирования затворами водосбросы здания ГЭС вступают в работу лишь после открытия некоторой части отверстий водосливной плотины, т. е. когда напор турбин уже снизился по сравнению с расчетным на 5—7%. Водосбросы ГЭС включаются только при расходах редкой повторяемости.
В большинстве случаев натурные наблюдения показывают увеличение мощности агрегатов при работе водосбросов меньшее, чем было определено в проектных предположениях [223.]. Это имеет место в тех случаях, когда допущена ошибочная оценка эффекта эжекции при расчетах или при лабораторных исследованиях, неправильном использовании лабораторных данных или невыполнении строителями рекомендаций лабораторий. Отличие данных натурных наблюдений от лабораторных результатов может иметь место также при неправильной постановке натурных испытаний.
Неправильная оценка эффекта допущена при лабораторных исследованиях турбинного блока Дубоссарской ГЭС. Не были учтены потери напора в водоприемнике; снижение за счет эжекции давления в створе выходного отверстия отсасывающей трубы меньше увеличения потерь напора в водоприемнике. По данным натурных испытаний 1955 г., при статическом напоре 7,6 м, расходе через турбину 70—90 м3/сек, расходе через водосбросы одного блока 2X380 м3/сек давление в выходном отверстии отсасывающей трубы за счет эжекции при полном открытии отверстий водосбросов снизилось на 0,5 м, а потери напора в водоприемнике достигли 0,8 м. Напор турбины при эжекции уменьшился на 4%, мощность агрегата — на 6%. При частичных открытиях отверстий водосбросов, при которых потери напора в водоприемнике малы, мощность увеличивается за счет эжекции на 1,6—1,8%.
На Волжской ГЭС имели XXII съезда КПСС результаты натурных испытаний эжекции [36]. лабораторных исследований автора и расчета эжекции (по формулам, приведенным в настоящей работе) [243] дали практически вполне удовлетворительное совпадение. Например, при Нст≈17 полном открытии водосбросных отверстий, угле разворота лопастей в натуре φ = 17°15/ и на модели φ=20° получено (рис. 1-39) для агрегата № 17:
Большее значение ΔΝ, полученное на модели по сравнению с натурой, есть результат того, что угол разворота лопастей на модели был больше, чем в натуре, т. е. турбина работала в области меньших к.п.д., где увеличение напора дает более существенное увеличение мощности.
'Рис. 1-39. Эффект эжекции на Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС.
а — изменение уровней бьефов; б, в — эффект эжекции по мощности для агрегатов № 17 и 11; г — эффект эжекции по напору; 1 — натурные данные; 2— по расчету; 3— опыты на модели при φ=20° (на модели D1=186 мм).
Потери напора в водоприемнике турбинного блока Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС составляют по лабораторным данным всего 0,04 м (приведено к натуре); при натурных исследованиях они не были уловлены. В данном случае утверждать о несовпадении результатов натурных испытаний с проектными предположениями нет оснований.
Нельзя утверждать о несоответствии увеличения мощности агрегатов проектным предположениям, основываясь на натурных испытаниях, проведенных на Новосибирской ГЭС, при которых открывались водосбросы лишь одного турбинного блока. Эффект эжекции был меньше, чем он. может быть при работе водосбросов нескольких смежных турбинных блоков.
Пока остается неясным, почему эффект эжекции на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина оказался по данным натурных испытаний меньше, чем на модели. Поскольку ошибка в результатах натурных испытаний маловероятна, можно предполагать, что отрицательное влияние на эжекцию оказывает занижение отметки кромки потолка на входе в пристройку по сравнению с отметкой, заданной лабораторией. При проведении натурных исследований автор наблюдал, что при полном открытии водосбросных отверстий уровень воды в пространстве между блоком и пристройкой вместо того, чтобы снизиться, несколько повышался, что может быть следствием удара струн о торец пристройки, происходящего из-за некоторого занижения кромки ее потолка. При Нст=14,5 м и полном открытии водосбросов увеличение напора за счет эжекции равно в натуре 5,5%, а на модели ~ 1 1%.
Поиски эффективных схем эжектирования, несмотря на сложившееся, несколько скептическое отношение к эжекции, не прекращаются с момента первых попыток использовать эжекцию. Наряду с уже изученными и опробованными схемами эжектирования, принятыми практикой или отвергнутыми, имеются схемы, подлежащие дальнейшему изучению. Нет пока оснований отвергать возможность использования эжекции в нижний бьеф при отогнанном прыжке на водосливных (рис. 1-7) и бычковых гидроэлектростанциях и гидроэлектростанциях, совмещенных с быстротоками (рис. 1-14, 27). Еще в 1911 г. Б. А. Бахметев показал, что при установке турбины в бычке с расположением отверстия отсасывающей трубы в боковой грани бычка отгон прыжка при истечении из-под затвора при разности уровней бьефов, равной 2 м, увеличивает напор турбины (без учета влияния расхода турбины) до 6,4 м (!). Как указывает сам автор расчета, «к результатам приведенного выше примера, кажущимся на первый взгляд «парадоксальным», с недоверием относиться отнюдь нельзя» [37].
О возможности достичь значительного эффекта эжекции при отогнанном прыжке на бычковых ГЭС можно судить по данным наблюдений за нижним бьефом плотины Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина. Оказывается, что если сбрасывать воду через два смежных пролета плотины, то за двумя соседними блоками плотины уровень воды снижается на 5—6 м. Если открывать пролеты через один, то за блоками плотины с неработающими водосбросами уровень воды снижается на 6—7 м1. Следовательно, при размещении между пролетами плотины турбинных блоков можно было бы получить весьма существенное увеличение напора турбин. В современных проектах возможность использования эжекции при отогнанном прыжке не рассматривается, по-видимому, безосновательно. Напомним, что на ГЭС Митчелл (США, 3Х19 МВт) за счет эжекции увеличение напора турбин в паводок достигает 10—15%.
1 Данные начальника гидроцеха ДнепроГЭС И. Е. Алексеенко.
Понижение уровня нижнего бьефа при отгоне прыжка исследовалось для небольшой ГЭС Фоля-Монтан (Франция) [330]. Отводящий канал ГЭС выведен в конец быстротока, что при сопряжении бьефов отогнанным прыжком позволяет поддерживать уровень воды в отводящем канале ниже уровня воды в реке в паводок.
Несколько небольших гидроэлектростанций с эжекцией в нижний бьеф при отогнанном прыжке (по фронту ГЭС) были построены в ФРГ на р. Майне [330].
В. И. Синотиным предложено для повышения эффективности эжекции в нижний бьеф применять «эжекторную балку» в виде вертикальной стенки в конце быков нижнего бьефа, уменьшающей затопление водосбросных отверстий и увеличивающей пропускную способность водосбросов и эффект эжекции [225]. Предложение заслуживает внимания и подлежит дальнейшему изучению.
Вопросы эффективности и целесообразности эжекции в отсасывающую трубу (рис. 1-7) пока надлежащим образом не разрешены. Не ясно, какие схемы ввода в отсасывающую трубу обеспечивают наибольший эффект эжекции. Независимо от схемы эжектирования не удается получить значительного эффекта эжекции при малых сбросных расходах. Но с увеличением сбросного расхода, пропускаемого через отсасывающую трубу, в зависимости от схемы ввода потока в трубу можно вместо увеличения напора эжекцией получить его снижение. При эжекции в отсасывающую трубу следует четко различать две составляющие эффекта эжекции, определяющиеся взаимодействием сбросного и турбинного потоков в отсасывающей трубе и вне ее, — так называемые внутреннюю и внешнюю составляющие эффекта эжекции (см. § 8-4).
При исследовании в гидроиспытательной лаборатории НИС Гидропроекга турбины ПЛ 510-46 с эжекцией в колено отсасывающей трубы зафиксировано без учета внешней составляющей эффекта эжекции снижение мощности на 6—7%. При исследовании автором варианта турбинного блока Саратовской ГЭС внутренняя составляющая эффекта эжекции оказалась практически равной нулю или ничтожно малой. Ван Ли-янь (МИСИ) получил в лаборатории дополнительное разрежение под рабочим колесом лишь при поступлении сбросного потока в диффузорный горизонтальный патрубок отсасывающей трубы, а не под рабочее колесо [59]. К выводу о том, что внутренняя составляющая эффекта эжекции мала или отрицательна, приводит анализ результатов натурных испытаний Шильской ГЭС [77], на которой увеличение мощности агрегата изменялось в пределах от 9,2% до 45,5% в зависимости от величины снижения мощности в паводок, режима работы турбины, величины эжектирующего расхода и открытия правого, левого или обоих водосбросов, выведенных в колено отсасывающей трубы. К сожалению, в некоторых работах разделение эффекта эжекции на внутреннюю и внешнюю составляющие не производилось [236, 192].
При эжекции в колено отсасывающей трубы увеличение напора турбины происходит полностью или главным образом за счет внешней составляющей эффекта эжекции. По данным автора, полученным при лабораторных исследованиях варианта турбинного блока Саратовской ГЭС (рис. 1-30) с эжекцией в колено отсасывающей трубы, внешняя составляющая эффекта эжекции при Нст=3,7 м равна 0,15 м и при Нст=10 м равна 0,8 м.
Мнения об устойчивости работы агрегата при эжекции в колено отсасывающей трубы расходятся. По одним данным введение потока в колено отсасывающей трубы не нарушает устойчивой работы агрегата [101], по другим — имеет место некоторая неустойчивость работы турбины [192].
При эжекции в камеру отсасывающей трубы (рис. 1-7, 1-14, 22, 24) камера может быть затопленной или незатопленной. При затопленной камере следует, как и при эжекции в колено отсасывающей трубы, различать внутреннюю и внешнюю составляющие эффекта эжекции. Наличие в этом случае внешней составляющей эффекта эжекции учитывается расчетными зависимостями С. А. Егорова [97]. Однако при испытаниях модели с эжекцией в камеру отсасывающей трубы разделение эффекта эжекции на внутреннюю и внешнюю составляющие С. А. Егоров не произвел (на модели определялось увеличение за счет эжекции мощности агрегата).
При лабораторных исследованиях варианта турбинного блока Саратовской ГЭС с раструбной отсасывающей трубой (рис. 1-14, 24 и 1-33) при Нст=10 и 6 м мощность турбины при отсутствии сброса через камеру отсасывающей трубы была равна соответственно 44,5 и 14 МВт (данные приведены к натуре). При пропуске сбросного расхода через камеру отсасывающей трубы (отношение Qb/Qt=2,2 и 2,1) мощность увеличилась на 3 и 4,5 МВт, т. е. на 6,7 и 32%. Увеличение мощности довольно значительно [272], что, по-видимому, частично происходит и за счет внутренней составляющей эффекта эжекции, поскольку при эжекции в камеру отсасывающей трубы сбросной расход не препятствует отводу воды из под рабочего колеса, как это имеет место при эжекции в колено отсасывающей трубы. Весьма показательно, что при поступлении сбросного расхода в камеру отсасывающей трубы по всей ее ширине эффект эжекции был меньше, чем при закрытом среднем входном отверстии, расположенном перед раструбом. Внешняя составляющая эффекта эжекции при напоре 10 м была менее 8% (при эжекции в колено отсасывающей трубы — около 10%).
Рис. 1-40. Схемы эжектирования в диффузор и из диффузора отсасывающей трубы.
а — эжекция в диффузор отсасывающей трубы ГЭС «Железные ворота», довоенный проект; б — эжекция из диффузора отсасывающей грубы; в — эжекция через водосброс, выведенный в потолок отсасывающей трубы (отрицательный эффект эжекции).
При пропуске через камеру отсасывающей трубы сбросного раскола важно, чтобы выходное сечение отсасывающей трубы было в плоскости, расположенной ниже нижней границы транзитного потока, поступающего в камеру из верхнего бьефа. С. А. Егоров предлагает [97] делить камеру горизонтальным перекрытием на два этажа, что должно обеспечивать эжекцию, а не потери напора турбины за счет ухудшения условий выхода потока из отсасывающей трубы.
Внимание исследователей привлекает также эжекция в диффузор или водоводы, соединенные с диффузором отсасывающей трубы. На рис. 1-40,а изображен вариант ГЭС «Железные ворота» на р. Дунай с эжекцией в диффузор отсасывающей трубы [179]. На рис. 1-40,б — схема эжекции в водосброс, соединенный с диффузором отсасывающей трубы, предложенная ВНИИГ (1951 г.). Сведения об испытании этих схем эжекции отсутствуют.
При проектировании Куйбышевской ГЭС разрабатывался вариант здания ГЭС с водосбросом, выведенным в потолок диффузора отсасывающей трубы (рис. 1-40,в). Исследования автора показали, что при работающих водосбросах мощность турбины снижается.
В 1941 г., по предложению А. Я. Миловича, была испытана модель с выпуском сбросного расхода в нижний бьеф через отверстия, расположенные по периметру выходного сечения отсасывающей трубы [239]. Эта схема заметного эффекта эжекции не дала. Одна из схем, которая может быть отнесена к эжекции, — водовод, соединенный с отсасывающей трубой, появилась еще в 1908 г. Имеется в виду предложение Гершеля [193, 330] понижать давление в отсасывающей трубе путем соединения ее с суженной частью водосброса, выполненного в виде трубы Вентури. При исследовании этой схемы применительно к установке в г. Бремене полная мощность агрегата поддерживалась при падении напора до 0,7 от расчетного. Оригинальный способ использования эжекции в водосбросы предложен в 1956 г. Н. В. Николаевым [180]. Напорные водосбросы имеют камеры, подобные применяющимся в водоструйных насосах (рис. 1-7). Вертикальный патрубок отсасывающей трубы соединен с камерами водосбросов, в результате чего вода из-под рабочего колеса поступает в камеры. Расход воды, поступающий из-под рабочего колеса в камеры водосбросов, оказался при модельных исследованиях столь значительным, что автор предложения пришел к выводу о необходимости закрывать (!) при эжектировании отверстие отсасывающей трубы. Проведенный нами анализ экспериментальных данных показал, что опыты проводились при слишком малых приведенных расходах турбины.
Эффект эжекции может быть достигнут при расположении в одном турбинном блоке водосбросов нескольких типов (рис. 1-30, 1-32—1-34, 1-7 и др.). При сбросе воды через водослив с широким порогом и одновременно через камеру отсасывающей трубы (рис. 1-33) мощность турбины увеличилась согласно лабораторным данным [262] при напоре 10 м на 7,9 МВт (30%); к. п. д. турбины возрос с 21 до 60 %. До настоящего времени ни одной ГЭС с комбинированной эжекцией не построено.
В заключение отметим, что к оценке эжекции как увеличению мощности, выраженной в процентах мощности без эжекции, следует относиться с осторожностью, поскольку при падении мощности до нуля даже незначительное ее увеличение за счет эжекции может дать сколь угодно большое относительное приращение мощности.
