2-2. НАПОРЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Для одной и той же гидроэнергетической установки различают несколько характерных напоров, в том числе напор турбины, являющийся одним из основных параметров, определяющих режим работы турбины и использующихся при оценке ее энергетических качеств.
Величина и энергетический смысл напора зависят от положения сечений, в которых определяются уровни энергии, и учета кинетической энергии в этих сечениях (рис. 2-1).
Статический напор — превышение уровня верхнего бьефа над уровнем нижнего бьефа (разность отметок свободной поверхности воды в бьефах)
(2-3)
По этому напору при проектировании производятся общие энергетические расчеты (с учетом потерь напора), предварительное определение параметров турбин, ориентировочный расчет пропускной способности водосбросов здания ГЭС, а также расчет устойчивости и прочности здания ГЭС и его основания.
Полный напор ГЭС (напор брутто) — разность осредненных по сечению полных удельных энергий воды в верхнем и нижнем бьефах ГЭС (турбинного блока)
Здесь а и аt—коэффициенты кинетической энергии, принимающиеся практически равными единице. Остальные обозначения ясны из рис. 2-1.
Удельная потенциальная энергия в каждом из рассматриваемых сечений определяется уровнем свободной поверхности воды, что практически вполне допустимо.
Произведение полного напора ГЭС (турбинного блока) и весового расхода определяет мощность брутто, т. е. мощность, которой обладает поток на участке расположения ГЭС.
Статический и полный напоры зависят от местных условий, определяющих возможность концентрации падения уровней воды в водотоке. При оценке этих величин створ tt в нижнем бьефе располагается там, где эпюра скоростей стабилизируется, а уровень нижнего бьефа практически отвечает бытовому.
Напор установки (турбинного блока ГЭС) — разность осредненных по сечению удельных энергий воды: полной — в створе перед водоприемником и потенциальной—в выходном сечении отсасывающей трубы
Считалось, что по полному рабочему напору турбины вычисляется к. п. д. турбины [268, термин 177], наносящийся на характеристику. В этом случае получается, что к. п. д. турбины зависит от перепада восстановления, который в свою очередь зависит от расхода турбины и геометрических особенностей нижнего бьефа; значение к. п. д. турбины ставится в зависимость от перепада восстановления. При вычислении к. и. д. по напору турбины влияние на к. п. д. перепада восстановления исключается; такой способ определения к. и. д. турбины ныне принят в нормативных документах1.
Вопрос о несоответствии значений к. п. д. по заводским характеристикам коэффициенту полезного действия, определяющемуся при испытаниях турбины в натуре, поставлен был в 1955 г. нами [240] и А. А. Сабанеевым [221].
Оба автора исходили из одного и того же факта — возникновения в нижнем бьефе в определенных условиях перепада восстановления. Но А. А. Сабанеев утверждает, что участок нижнего бьефа, на котором образуется перепад восстановления, является продолжением турбины, мы же ограничиваем турбину выходным сечением отсасывающей трубы.
А. А. Сабанеев, относя к турбине участок, на котором образуется перепад восстановления, ссылается на принятую по международному соглашению формулировку: «гидротурбина начинается в сечении входа в турбинную камеру и оканчивается в сечении турбинного потока в нижнем бьефе с наивысшей отметкой уровня воды и с распределением скоростей, наиболее близким к бытовому». Именно такое определение турбины привело к введению в терминологию неприемлемого понятия «полный напор турбины» и соответствующего ему к. п. д. турбины.
Важно отметить, что на стендах для энергетических испытаний моделей турбин площадь живого сечения нижнего бьефа значительно больше площади выходного отверстия отсасывающей трубы. В таком бьефе кинетическая энергия потока, поступающего из отсасывающей трубы, рассеивается и уровень энергии в нижнем бьефе определяется уровнем свободной поверхности воды, т. е. величиной потенциальной энергии в выходном сечении отсасывающей трубы. Получается, что на характеристику, снятую на подобном стенде, наносятся значения к. п. д. по напору турбины, а не по полному рабочему напору турбины, как это считалось ранее.
Использование термина «напор турбины» при проектировании здания ГЭС позволяет принимать решения, обеспечивающие повышение мощности установки за счет перепада восстановления, которое при соответствующих условиях может быть весьма существенным.
Так, при лабораторных гидравлических исследованиях турбинного блока Воткинской ГЭС (опыты автора, МЭИ) определено [245], что за счет перепада восстановления используется до 31% энергии потока на выходе из отсекающей трубы. По данным Η. М. Щапова [310], на Углической ГЭС благодаря перепаду восстановления турбина отбирает 17,7% энергии потока, поступающего из отсасывающей трубы. Годовая дополнительная выработка достигает здесь 2 515 000 кВт-ч, чем нельзя пренебрегать.
Относительно велика энергия потока, выходящего из отсасывающих труб низконапорных ГЭС. Например, остаточная кинетическая энергия в выходном сечении отсасывающей трубы капсульного агрегата с рабочим колесом = 6,25 м при напоре 7 м и расходе 420 м2/сек достигает 0,6 м, что при аm=1,3 составляет 11% .
Рис. 2-4. Напоры турбины совмещенной ГЭС.
а — при отсутствии сброса; б, в — при сбросе воды над отсасывающей трубой.
При средних и тем более высоких напорах относительное значение кинетической энергии потока, выходящего из отсасывающей трубы, мало, однако на крупных ГЭС дополнительная энергия, получаемая за счет перепада восстановления, может быть значительной.
1 Правила гидравлических испытаний моделей гидротурбин. Бюро технической информации, ЦКТИ, Ленинград, 1960.
Данные журнала «Houill blanche» (Экспресс-информация «Гидроэнергетика»), 1968, № 38). В этом случае Q' превышает 3 000 л|сек.
При проектировании здания ГЭС напор турбины в первом приближении может определяться без учета перепада восстановления, т. е. в формуле (2-6) можно принимать
(в формуле (2-6") Δh0=0], Перепад восстановления следует учитывать при уточнении параметров турбины, при энергетических расчетах, проводящихся с целью сопоставления вариантов турбинного блока различной ширины и с различным заглублением выходного отверстия отсасывающей трубы, при определении оптимального высотного положения водобоя и при расчете эжекции.
При рассмотрении напора гидроэлектрической установки речь шла о несовмещенных ГЭС. Введенные понятия применимы и к совмещенным ГЭС при неработающих водосбросах (рис. 2-4,а). Но при пропуске сбросного расхода над отсасывающей трубой удельная потенциальная энергии в выходном сечении отсасывающей трубы определяется не уровнем свободной поверхности, а средним пьезометрическим уровнем (отметка
ОТ, рис. 2-4,б, в), отвечающим давлению под сбросной струей в створе отверстия отсасывающей трубы. Уровни
ОТ и свободной поверхности в створе отверстия отсасывающей трубы совпадают в следующих случаях: при наличии под сбросной струей воздушного пространства (рис. 2-5,а); при равенстве пьезометрического напора (отсчитываемого от сливной кромки) глубине h1 струи в створе уступа (рис. 2-5,6); при значительном затоплении струи 1 (рис. 2-5,в).
Рис. 2-5. Случаи совпадения пьезометрического уровня и свободной поверхности в створе отсасывающей трубы.
а — под сбросной струей воздушная полость; б — свободная поверхность потока за уступом горизонтальная; в— значительное затопление водосбросных отверстий.
В РУ 10-53 [218] напор турбины отсчитывается при затопленной водосбросной струе, независимо от степени ее затопления, от уровня свободной поверхности в створе отверстия отсасывающей трубы, что может привести к значительной погрешности.
Обозначая через h0 пьезометрический напор, отвечающий давлению в выходном сечении отсасывающей трубы, и отсчитывая его от сливной кромки уступа (вверх—со знаком плюс, вниз— со знаком минус), получаем
Учитывая схему на рис. 2-6, рассмотрим на рис. 2-7 характеристику модельной турбины ПЛ 495-18,6 в турбинном блоке В-1 совмещенного здания ГЭС (исследование автора, МЭИ, 1955 г.; см. также пример в § 2-7). Кривая 1 дает зависимость мощности турбины от напора Hт. Поскольку в нижнем бьефе при определении Hт сечение берется в створе выходного отверстия отсасывающей трубы, связь между мощностью и напором Hт однозначна, она не зависит от условий формирования потока в нижнем бьефе и не зависит от того, имеется или нет сброс потока через здание ГЭС помимо турбин. Кривая 2 определяет зависимость мощности турбины от статического напора при неработающих водосбросах. В данном случае напор турбины больше статического напора на величину перепада восстановления ∆h0. Но при нулевом или отрицательном значении ∆h0 напор турбины может быть равен или меньше статического напора. Кривая 3 дает зависимость мощности от статического напора при работающих водосбросах. При напоре Hст=24 см. напор турбины за счет перепада восстановления больше дать мощность, меньшую, чем та, которую фактически развивает турбина, поскольку за счет потока, поступающего в отсасывающую трубу помимо рабочего колеса, под рабочим колесом может быть дополнительное понижение давления.
Рис. 2-6. Связь между увеличением напора и мощности турбины.
1 — без эжекции; 2 — с эжекцией.
В результате этого к. п. д. турбины, вычисленный как отношение развиваемой мощности к мощности потока, проходящего через рабочее колесо при напоре Нт=▼ВБ—▼ ОТ, может оказаться больше единицы. Вопрос о напоре турбины в случае дополнительного сброса воды в отсасывающую трубу в силу его специфичности рассматривается особо в гл. 8.
