CC BY
99
Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования -►
УДК 62-97/-98: 621.224.346: 621.22-253: 621.311.212
В.В. Елистратов, М.А. Конищев, К.И. Давыдов
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОНАПОРНОГО БЛОКА МИКРО-ГЭС
Одно из наиболее эффективных направлений развития возобновляемой энергетики — это развитие малой гидроэнергетики с использованием низконапорной энергии небольших водотоков с помощью микро-ГЭС.
Возрастающая потребность в автономных микро-ГЭС связана с рядом факторов, в числе которых: удорожание органического топлива и стоимости энергии от традиционных энергоустановок; необходимость повышения качества энергоснабжения удаленных потребителей; повышение требований к экологической чистоте производства электроэнергии; задача снижения эксплуатационных расходов и др.
В связи с этим возникает необходимость в оптимизации проточного тракта и разработке новых, более совершенных конструкций микро-ГЭС, особенно работающих на низких (до 5 метров) напорах. Для этого нужны совместные теоретические расчеты параметров и элементов новых блоков и их энергогидравлические исследования в гидротурбинных лабораториях на экспериментальных стендах.
Объект исследований — низконапорный горизонтальный блок микро-ГЭС с осевым рабочим колесом. Применение вертикальных осевых турбин на низкие напоры приводит к увеличению гидравлических потерь в искривленном водопроводящем тракте, увеличению размеров и массы агрегата. Поэтому для низконапорных (Н = 2—5 м) микро-ГЭС целесообразно использовать более быстроходные и экономичные горизонтальные капсульные агрегаты. Одно из главных преимуществ этих гидроагрегатов — наличие прямоосных подводящей и отсасывающей труб, в которых поток при движении через проточную часть турбины мало искривляется. Вследствие этого уменьшаются потери энергии и увеличивается пропускная способность.
Для исследований выбрано осевое поворот-нолопастное рабочее колесо ПЛ984. Диаметр
рабочего колеса = 350 мм. Рабочее колесо ПЛ984 имеет четыре лопасти с диапазоном изменения угла установки ф от —10 до +15°. Приведенные расход ( и частота вращения п{ для оптимального режима горизонтальной капсуль-ной гидротурбины с рабочим колесом ПЛ984— 35 [1] имеют следующие значения:
(опт = 1,2 м3/с;
я1опт = 150 об/мин; -лопт = 89,5 %.
При проведении энергетических испытаний исследуемого низконапорного блока микро-ГЭС основными измеряемыми параметрами режима работы были:
уровень верхнего Нвб и нижнего Нвб бьефов, мм вод. ст.;
расход ( воды, пропускаемый турбиной, м3/с;
частота п вращения вала агрегата, об/мин.; момент М на валу, Нм; угол а0 установки лопаток направляющего аппарата;
угол ф установки лопастей рабочего колеса. Для измерений указанных параметров использованы современные измерительные преобразователи, обеспечивающие погрешность определения КПД около 0,3 %.
Цель энергетических испытаний — определение характеристик блока микро-ГЭС по значениям функций отклика в виде КПД и мощности и построение главной универсальной характеристики низконапорной гидротурбины.
Энергетические исследования низконапорного блока микро-ГЭС с рабочим колесом ПЛ984—35 проводились на экспериментальном стенде в лаборатории гидроэнергетических установок кафедры ВИЭГ СПбГПУ [2, 6].
Экспериментальный стенд включает напорный водосберегательный бак, подводящие трубопроводы, баки нижнего и верхнего бьефов,
модельную установку, отводящие трубопроводы, пульт управления. По своим основным техническим характеристикам стенд соответствует требованиям МЭК 60193 [3] и обеспечивает проведение испытаний с соблюдением основных критериев моделирования [4].
Диаметр рабочих колес испытываемых моделей равен 350 мм. При этом значение мощности двигателя-генератора соответствует значениям до 5,5 кВт. Диапазон изменения основных параметров в рабочей зоне составляет: по расходу — от 0,05 до 0,3 м3/с; по напору — от 0,2 до 2,0 м; по мощности — от 0,1 до 5,5 кВт. Общая схема стенда с местами размещения контрольно-измерительной аппаратуры приведена на рис. 1. Особенностью стенда является
то, что при снятии характеристик блока микро-ГЭС учитываются потери в подводящем и отводящем устройствах и определяются напор и КПД блока, а не турбины.
Для построения универсальной характеристики необходимо получить семейство рабочих характеристик для различных углов ф и а0 .
Испытания проводились в следующей последовательности: для фиксированного значения ф снимались рабочие характеристики при различных значениях а0 , затем изменялось значение ф и испытания повторялись.
Параметры режима работы установки определялись п о следующим формулам:
напор блока Нбл (принято, что скоростной напор на входе и на выходе примерно одинаковы)
Нбл = Нвб _ Ннб ; (1)
Рис. 1. Общая схема стенда испытаний микро-ГЭС с контрольно-измерительной аппаратурой:
A — емкостные преобразователи давления; Б — преобразователи дифференциального давления; В — вращающийся датчик крутящего момента; Г — частотный преобразователь; Д — аналого-цифровой преобразователь; Е — Пульт управления трехфазным асинхронным двигателем; Ж — персональный компьютер
I
Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования
расход
Q = к (VH"
■я„
(2)
в1 H н1 ^ VH в2 H н2
где K — тарировочный коэффициент расходо мера Вентури, К = 1,723;
коэффициент полезного действия
Лт =
дг М Л- + #мех
Nn =_30 мех
N
yQH^
(3)
По результатам каждой серии энергетических испытаний построены рабочие характеристики блока микро-ГЭС в координатах nj = f (Qj) и л = f (Qj )при ф = const и а 0 = const.
В качестве примера результатов энергетических испытаний низконапорного блока микро-ГЭС с рабочим колесом ПЛ984—35 на рис. 2 приведены рабочие характеристики при ф = —5 и а0 = (100-120)°.
По результатам испытаний была построена главная универсальная характеристика блока микро-ГЭС (рис. 3). Анализ универсальной характеристики показывает, что зона оптимума находится в интервале приведенных расходов Qj' = 0,9-1,55 м3/с и приведенных частот вращения п{ = 125-160 об/мин. Максимальное значение КПД наблюдалось при ф = —5 и а0 = = 110° и составило Лмакс = 89,0 %.
nj',
об/мин
По результатам анализа выполненных исследований было предложено компоновочное решение низконапорного блока микро-ГЭС, изображенное на рис. 4. Для сохранения прямолинейного характера движения воды предложено разместить в капсуле угловой повышающий редуктор, а генератор вынести за пределы водо-проводящего тракта.
Данный блок микро-ГЭС мощностью 2—5 кВт предполагается использовать на низкие напоры Н = 2,5—5 м. Произведен расчет параметров блока и диаметра рабочего колеса, определена зона работы гидротурбины для диаметров В1 = 200 мм и В1 = 212 мм.
Диаметр рабочего колеса определен по формуле
N
l9,81nTQHj H.
(4)
где N — номинальная мощность гидротурбины, кВт; <01 — приведенный расход в расчетной точке, м3/с; Нр — рабочий напор гидротурбины, м; — КПД гидротурбины, соответствующий режиму ее работы в расчетной точке; Лт = 88,0 %.
Рабочий напор гидротурбины Нр найден по следующей зависимости:
190 180 170 160 150 14U 130 120 110 100 90 80 70 60
ш J'
/ W /
/ v ' XI/
7s' "Ж X* д / НК jt Д
Y ft ч "Ч ч
9 L -> V / / '/—¿У— \ /у ^ ' ' л j> н \ V
,yfs Лч *s X г / ж fiS J / *// л
' J /ль <Д f \ у / / / / Л \ \
/ / Т л/ /ж jb ifi ' J А л
/ у ' А \ А / " /щ
* у у / •/ д/ ш *
Ж /
|- ion
- 9S
- 96
- 9Л
- 92
- 90
- 88
- 86
- 84 ♦ а= =100
- 82 ■а= =105
- 80 =110
- /Ь •а- 115
- 76 Жа- ■120
- 74
- 72
- 70
- 6Я
- 66
- 64
- 62
- 60
0,8
0,9
1,0
1Л
1,2
1,3
1А
1,5 Qj', м3/с
Рис. 2. Рабочие характеристики при ф= —5 и а0 = 100—120°
Рис. 3. Универсальная характеристика низконапорного блока микро-ГЭС с зонами работы для Б1 = 200 мм и Б1 = 212 мм
Рис. 4. Низконапорный блок микро-ГЭС: 1 — асинхронный двигатель; 2 — проходной статор; 3 — капсула с угловым редуктором
Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования -►
Нр Hmax 3 (-Hmax Hmin)
= 5 _ Iz2! = 4,17 м. 3
(5)
Значение приведенного расхода взято из универсальной характеристики, полученной в результате энергетических испытаний:
0{ = 1,3 й'опт = 1,6 м3/с.
Расчетные диаметры рабочего колеса для трех вариантов значений мощности блока микро-ГЭС — 2,5; 4 и 5 кВт — с учетом округления до стандартных значений составили соответственно 160, 200 и 212 мм.
Учитывая сложности изготовления рабочих колес малого диаметра, для дальнейшего рассмотрения оставлены варианты с = 200 мм и = 212 мм.
Увеличение диаметра ведет к возрастанию КПД и уменьшению приведенного расхода, а следовательно, к смещению расчетной точки.
Произведен пересчет приведенного расхода:
3 3
& = 1,36 01 = 1,51—.
сс
Частота вращения определена по формуле
n = -
й1опт\/ H
D
(6)
мин
Таким образом: па = 1531,74- 0б
пъ = 1444,85
об
Координаты (п1Р , Q[P ) точки Р, соответствующие работе турбины при расчетном напоре и заданной мощности, определены по формуле (6):
n'a1P = 146,91 = const; мин
3
Qa1P = 1,36—;
с
ПЪХР = 155,73 об = const; мин
м3
Q'biP = 1,51 • с
Аналогично определены координаты (n[c , QC) точки С, соответствующие работе турбины при максимальном напоре и заданной мощности:
na1C = Па1мтш = 134,16
об
- = const;
мин
м
Qa,c = 1,04 —;
ПЪ1С = nЪ1мmin
= 142,21~о6- = const; мин
м
где «1опт — оптимальная приведенная частота вращения турбины, определяемая по универ-
об
сальной характеристике, п1опт = 150-.
Qb1C = U5 —• с
Далее по универсальной характеристике определена точка А, соответствующая работе турбины при минимальном напоре (пересечение линии a0 = const через точку Р с горизонтальной линией n1Mmax= const).
Таким образом, получено
na1A = П
a^max
= 189,74-^ = const; мин
м
мин мин
Нормальная частота вращения принималась равной ближайшей большей синхронной частоте вращения генератора: в обоих случаях при числе пар полюсов р = 2 она равна п = пс = = 1500 об/мин.
Определены зоны работы турбины с рабочими колесами различного диаметра; они ограничены сверху и снизу по приведенной частоте вращения двумя горизонтальными линиями и соответствуют работе гидротурбины при минимальном и максимальном напорах.
Qa1A = 0,94—;
с
об
nb1A = nb^max = 201,12-= const;
мин
Яи = 1,02-
с
На основе полученных данных построены зоны работы турбины (рис. 3).
В результате исследований принято решение использовать для блока микро-ГЭС мощностью N = 4 кВт рабочее колесо диаметром ^ = 200 мм с жесткозакрепленными лопастями при угле
с
установки ф = —10°. Лопатки направляющего аппарата также жестко закрепляются в положении а0 = 115°. Такое техническое исполнение с жестким закреплением рабочего колеса и направляющего аппарата обусловлено упрощением конструкции и удешевлением установки в целом, а также возможностью работы установки в автономном режиме. Несмотря на фиксированные угол установки лопастей рабочего
колеса и угол установки направляющего аппарата, обеспечиваются достаточно высокие значения КПД блока микро-ГЭС при работе в требуемой зоне.
Статья подготовлена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК №02.740.11.0750) ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям» (ГК №16.516.11.6107).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций [Текст]: Справочное пособие в 2 т. / Под ред. Ю.С. Васильева и Д.С. Ща-велева .— Т. 1. Основное оборудование гидроэлектростанций.— М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. Виссарионов, В.И. Перспективы использования реконструируемых низконапорных ГЭС в режимах ГЭС—ГАЭС [Текст] / В.И. Виссарионов, В.В. Елистра-тов, С.И. Поташник // Гидротехническое строительство.— 1989. № 10.
3. Международный код модельных приемо-сдаточных испытаний гидравлических турбин [Текст]:
Рекомендации МЭК / МЭК.— Публикация 193.— Женева, 1965 г.— 54 с. Первое дополнение к публикации 193. Женева, 1974.— 21с.
4. Малышев, В.М. Модельные исследования гидротурбин [Текст] / В.М. Малышев.— Л.: Машиностроение, 1970.— 288 с.
5. Справочник конструктора гидротурбин [Текст] / Под ред. Н.Н. Ковалева.—Л.: Машиностроение, 1984.
6. Энергогидравлические исследования блока насосной станции с капсульными агрегатами в обратимых режимах работы [Текст]: Отчет о НИР / ЛПИ.— Л., 1986.— 73 с.
УДК 532:531
В.Н. Бухарцев, М.Р. Петриченко
ТРАНСЛЯЦИОННАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ ФОРМУЛЫ ДЮПЮИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ ПРОМЕЖУТКА ВЫСАЧИВАНИЯ
Формула Дюпюи для средней скорости фильтрации в однородном грунте применима для равномерного (синоним: параллельноструй-ное) движения или для движения, близкого к равномерному. Широкое применение формулы Дюпюи в гидравлической теории фильтрации, в частности при расчетах неравномерного фильтрационного движения сквозь однородные грунтовые плотины, объясняется не столько устойчивостью традиции сколько соблазнительной точностью прогнозов: удается правдоподобно вычислять величину фильтрационного расхода и даже высоту промежутка высачива-ния. Правда, последнее требует искусственных приемов, но они также основаны на формуле Дюпюи. Альтернативой этим приемам служат
точные гидромеханические решения, основанные на применении методов теории функций: используется отображение круговых и прямолинейных треугольников на круг и на верхнюю полуплоскость. Для отображающей функции получается дифференциальное уравнение с тремя регулярными особыми точками. Частные решения этого уравнения связаны некоторой группой преобразований [1]. Как показали Б.Б. Девисон и Н.Е. Кочин, групповые свойства решений уравнения Гаусса имеют приложение к теории фильтрационных потоков со свободной поверхностью [2].
Пусть Н — глубина потока в сечении х = 0, А0 — глубина фильтрационного потока в сечении х = X; к < к < Н — глубина потока в любом
