Модельные и натурные исследования основного гидросилового оборудования
При разработке проектов гидромашин заводами-изготовителями оборудования выполняются расчетно-теоретические и модельные лабораторные исследования по отысканию оптимальных форм элементов проточного тракта машины. При этом определяются энергетические и кавитационные характеристики модели, прочностные характеристики основных элементов конструкции и др., на основании которых строятся эксплуатационные характеристики натурных гидротурбин и определяются гарантийные показатели их работы.
Проектирование и строительство крупных гидроэлектростанций с гидротурбинами большой единичной мощности потребовали тщательного научно-технического обоснования применяемых конструкций и компоновок гидротурбинных блоков ГЭС. Эта задача успешно решается на основе теоретических и экспериментальных исследований на специальных стендах блоков ГЭС с модельными гидротурбинами. Эти исследования касаются не только спиральных камер и отсасывающих труб, они включают и гидравлические исследования проточной части турбинных блоков ГЭС с целью совершенствования их компоновок, форм отдельных элементов, исследований гидродинамических нагрузок на эти элементы. Проводятся также гидравлические исследования проточной части блоков ГЭС совмещенного типа с целью снижения потерь напора, обеспечения надлежащего эффекта эжекции и режима сопряжения бьефа; исследования явлений кавитации и т. и.
В частности, в лабораториях НИС Гидропроекта и ВНИИГ были выполнены исследования оригинальной компоновки блока ГЭС с двухрядным размещением агрегатов в блоке и соответствующим ему двухъярусным расположением отсасывающих труб, что дает большой экономический эффект при строительстве гидроэлектростанций в узких ущельях. Проведенные исследования подтвердили возможность осуществления указанной компоновки ГЭС без снижения к. и. д. гидроагрегата и позволили рекомендовать ее для Токтогульской и Чиркейской ГЭС.
В связи со строительством в СССР гидроаккумулирующих электростанций в последние годы большое внимание уделяется исследованиям режимов работы обратимых гидроагрегатов. Кроме нормальных эксплуатационных режимов существуют аварийные, которые должны учитываться как при определении гарантий регулирования, так и при расчете водоподводящих устройств и спиральных камер. К ним, в первую очередь, относятся аварийные сбросы нагрузки в турбинном режиме и аварийная потеря привода (питание электромашины от сети) в насосном режиме. Характеристики переходных процессов в таких режимах определялись обычно расчетным путем. Однако увеличение мощностей агрегатов и напоров установок, рост гидродинамических нагрузок потребовали проведения специальных модельных исследований для уточнения изменения давления и частоты вращения и для определения пульсации давления с отработкой оптимального режима закрытия направляющего аппарата.
Опыт разработки и эксплуатации обратимых агрегатов ГАЭС показал, что обратимые гидромашины характеризуются ростом гидродинамических нагрузок, расширением их спектра, большей вероятностью возникновения резонансных явлений в блоках ГАЭС. Все это требует более тщательного анализа спектральных характеристик потока и динамических свойств конструкций, являющихся основой динамического расчета водоводов и здания ГАЭС, исходные данные для которого могут быть получены по характеристикам пульсации давления, замеренным на границах потока в различных элементах проточного тракта. Для строящейся Загорской ГАЭС, например, в НИС Гидропроекта был выполнен комплекс исследований пульсации давления на специальном стенде с моделью блока ГАЭС, которые показали, что из всех стационарных режимов максимальной интенсивностью нестационарности потока характеризуется разгонный режим. При исследовании переходных процессов моделировались постоянная инерции напорного трубопровода, маховой момент агрегата, время и закон закрытия направляющего аппарата. Было установлено, что для агрегата Загорской ГАЭС с маховым моментом 32 000 тс-м2, постоянной инерции водоводов 4,2 с при времени закрытия лопаток направляющего аппарата 40 с максимальное повышение осредненных давлений в период сброса полной нагрузки составляет 25% напора, в то время как амплитуда динамической составляющей достигает 13% напора. При потере привода максимальное понижение давления равняется 44% напора, а динамическая составляющая — 10 % напора.
Большой комплекс гидравлических исследований был также выполнен в НИС Гидропроекта на моделях блоков Загорской и Кайшядорской ГАЭС при различных их компоновках, что позволило принять оптимальное унифицированное решение и по агрегатам и по зданию станции в целом. Серьезные исследования были выполнены также и по выбору конструкции гидрогенератора-двигателя ГАЭС и способа пуска обратимых гидроагрегатов в насосный режим. При этом было обосновано решение о следующих способах пуска агрегатов в насосный режим: в аварийных случаях — прямой пуск при полном напряжении сети, в нормальных эксплуатационных случаях — при помощи установки статических преобразователей частоты.
В связи с дальнейшей интенсификацией рабочего процесса в гидротурбинах и повышением их единичной мощности, а также совмещением зданий ГЭС с водосбросами стали широко изучаться в натурных условиях переходные, неустановившиеся режимы работы гидротурбин, их работа на пониженных напорах и при частичных нагрузках, а также влияние сбросных расходов ГЭС на работу гидроагрегатов. В результате таких испытаний уточняются эксплуатационные характеристики агрегатов и допускаемые режимы эксплуатации по напору и мощности.
В результате исследований эффекта эжекции на Камской ГЭС (здание ГЭС с поверхностными водосбросами) было установлено следующее: 1) эффект эжекции зависит от степени открытия водосбросов, уровня воды в нижнем бьефе, степени засорения сороудерживающих решеток и др.; г) при закрытых затворах водосбросов соседних агрегатов эффект эжекции на испытуемом агрегате снижается на 50%. а режимы работы остальных агрегатов сказываются менее значительно; 3) максимальный мощностный эффект эжекции имеет место при равномерном открытии водосбросов, при полностью открытых затворах водосбросов испытываемого и соседних агрегатов. На Волжской ГЭС имени В. И. Ленина (здание ГЭС совмещено с донными водосбросами) мощностный эффект эжекции составлял около 2,3% мощности агрегата (при условии аналогичного открытия водосбросов соседних агрегатов).
Особое внимание уделяется натурным исследованиям опытных образцов гидросилового оборудования, так как обоснованные решения о перспективности внедрения новых типов гидроэнергетического и электротехнического оборудования должны базироваться на результатах комплексных натурных испытаний, завершающих проведенные в процессе проектирования теоретические и модельные исследования. Так, Гидропроектом были выполнены комплексные натурные исследования:
агрегатов с двухперовыми поворотнолопастными гидротурбинами на Серебрянской ГЭС, которые показали, что гидротурбины этого типа
имеют существенные недостатки и не могут быть рекомендованы для применения на других ГЭС;
горизонтальных капсульных гидроагрегатов мощностью 45 МВт и диаметром рабочего колеса 7,5 м на Саратовской ГЭС, выявившие перспективность таких агрегатов и позволившие рекомендовать их для установки на ряде зарубежных ГЭС (ГЭС Дженпег в Канаде, Джердап—Железные Ворота II в Югославии и Румынии, Никопол-Турну Мигуреле в Болгарии и Румынии и др.);
агрегатов с самыми мощными в мире диагональными гидротурбинами на Зейской ГЭС, которые позволили принять обоснованное решение о применении таких гидротурбин на Колымской ГЭС при более высоких напорах.
В последние годы в связи с расширением строительства гидроэлектростанций, сочетающих высокие напоры с большими сбросными расходами, стала острой проблема создания высоконапорных затворов. Возросли требования к их конструкции, защите от кавитационных воздействий, вибростойкости и надежности работы уплотнений (см. § 18.2).
Дальнейшее совершенствование технологического оборудования ГЭС, ГАЭС и крупных насосных станций
Для ряда крупных ГЭС и ГАЭС, строительство которых намечено в ближайшие пятилетия, необходимо разработать и создать новое, уникальное, высокоэффективное технологическое оборудование. При этом потребуется решение следующих основных задач:
- Разработка и создание эффективных обратимых гидромашин, устройств для их пуска в насосный режим, аппаратуры и системы автоматического управления и регулирования; расширение исследований по отработке элементов проточного тракта и блока в целом, тщательное изучение всех стационарных и переходных режимов, процессов пуска агрегата в насосный режим и обратно, работы обратимой гидромашины в режиме синхронного компенсатора; тщательное изучение работы электротехнического оборудования (выключатели, трансформаторы, разъединители и др.) и его создание для условий частых пусков и остановок агрегатов; проведение дальнейших проработок по основному технологическому оборудованию перспективных ГАЭС, в том числе высоконапорных ГАЭС шахтного типа.
- Разработка сверхмощных гидротурбин радиально-осевого типа (в качестве опытной установки на Саяно-Шушенской ГЭС) единичной мощностью около 1000 МВт с выполнением необходимого комплекса исследования. Создание для Рогунской ГЭС мощностью 3600 МВт радиально-осевой гидротурбины новой конструкции, совмещающей функции турбины и затвора, в которой между статором и направляющим аппаратом располагается цилиндрический затвор, перемещающийся вертикально при помощи специальных сервомоторов.
- Разработка и дальнейшее внедрение гидротурбин диагонального типа: освоение диагональных поворотнолопастных турбин на Зейской ГЭС с проведением комплекса натурных испытаний, создание и освоение турбин для строящейся Колымской ГЭС, проработки возможности применения турбин этого типа на проектируемых Мокской ГЭС (напор до 140 м, мощность агрегата 260 МВт), Средне-Енисейской ГЭС (напор 55 м, мощность 500 МВт) и других ГЭС с большими колебаниями напора.
- Создание и освоение опытных гидрогенераторов на высокое напряжение 165 кВ для Днепрогэс I с проведением необходимого комплекса натурных испытаний.
- Разработка и исследование мощных гидроагрегатов с турбинами ковшового типа для проектируемых Зарамагской и Дарьяльской ГЭС (напор 630 м, мощность агрегата 180 МВт).
- Дальнейшая разработка конструкций и очертаний турбинных блоков; изучение гидравлики турбинных блоков, включая переходные и неустановившиеся процессы, пульсации давления в проточном тракте и явлений кавитации с целью повышения эксплуатационной надежности работы оборудования.
- Исследования и разработка крупных насосных агрегатов для насосных станций проектируемых каналов, в том числе для переброски части стока северных рек в южные районы страны.
- Разработка и внедрение автоматизированной системы управления технологическим процессом производства электроэнергии (АСУ ТП) ГЭС и ГАЭС (см. гл. 19), включая разработку необходимых преобразователей.
