CC BY
63
4/2010 М1 ВЕСТНИК
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПЭС С ОРТОГОНАЛЬНЫМИ ТУРБИНАМИ
О.А. Муравьев, Д.С. Савченков
МГСУ
Рассматриваются результаты оптимизации режимов работы и характеристик оборудования приливных электростанций с ортогональными турбинами на примере действующей Кислогубской и проектируемой Северной ПЭС.
Results of optimization of operating modes and characteristics of the equipment of tidal power stations with orthogonal turbines on an example operating Kislogubskaya and projected Severnaya stations are considered.
В России и в мире в целом не ослабевает интерес к проектам приливных электростанций. Рост цен на органическое топливо, исчерпание его запасов, экологические проблемы выдвигают развитие проектов по использованию энергии приливов в разряд актуальных.
Приливные электростанции имеют ряд особенностей, которые влияют на параметры турбинного оборудования. Специфика поступления энергетического ресурса ПЭС требует его использования в определенные промежутки времени при определенных уровнях в море. Энергия, недополученная в период работы агрегатов по причине недостаточной пропускной способности турбин, пусть и при высоком кпд, теряется навсегда. Поэтому гидротурбины ПЭС форсируют на увеличение расхода, а эксплуатационные режимы распространяются вплоть до линии 100% мощности, где кпд снижаются до 60...75%о.
Актуальным является вопрос о применении наиболее эффективных видов турбинного оборудования. В качестве альтернативы капсульным гидроагрегатам, в последние годы рассматриваются агрегаты с ортогональными турбинами.
Простота конструкции ортогональных гидротурбин, низкая материалоемкость, высокая пропускная способность, возможность отказа от специальных водопропускных сооружений, полная обратимость при изменении направления расхода выводят это колесо в ряд перспективных для проектов будущих ПЭС.
В работе представлены результаты обоснования водно-энергетических режимов ПЭС с ортогональными турбинами. Исследования выполнены для условий эксплуатируемой Кислогубской ПЭС и проекта Северной ПЭС. Параметры агрегатов этих станций даны в табл. 1.
Ортогональные агрегаты могут эксплуатироваться как с постоянной, так и с переменной частотой вращения, обеспечивающей работу турбины в оптимуме характеристики при изменении напора. Росту выработки при работе с переменной частотой вращения способствуют: увеличение кпд в области средних и низких напоров, увеличение расхода турбины, существенное снижение напора холостого хода(с #CT=1,15 м до НС1= 0,44 м).
Таблица 1 - Параметры ортогональных агрегатов Кислогубской и Северной ПЭС
Параметры
Кислогубская ПЭС
Северная ПЭС
Количество агрегатов, шт
1
3
Количество турбин на валу, шт
1
3
Диаметр РК, м
5,0
5,0
Длина лопасти одной турбины, м
4,0
5,0
Номинальная частота вращения, об/мин
36,9
36,9
Расчетный напор турбины, м
2,48
2,5
Расчетный расход, м/с
61,4
244
Номинальная мощность, кВт
990
4430
Максимальный кпд турбины
0,714*
0,74**
Мультипликатор
- коэффициент передачи
- кпд
27,11 0,925
13,55 0,94
Генератор
- номинальная мощность, кВт
- номинальная частота вращения, об/мин
- максимальный кпд
1500 1000 0,96
4000 500 0,96
Регулятор частоты вращения
- номинальная частота, Гц
- минимальная частота, Гц
50 30
50 30
* по данным натурных испытаний ** прогнозный
Оптимизация режимов работы ПЭС выполнялась по критерию максимума выработки электроэнергии. При этом ставились следующие задачи:
- сравнение одностороннего и двухстороннего режимов работы ПЭС;
- сравнение режимов работы агрегата при постоянной и переменной частотах вращения;
- определение оптимальных значений напоров пуска останова, оценка их влияния на выработку ПЭС.
При разработке диспетчерских правил эксплуатации ПЭС использовалась следующая методика. Для данного режима работы ПЭС (одностороннего или двухстороннего) и характеристики турбины (с постоянной или переменной частотами вращения) выполнялась серия расчетов с варьированием значений напоров пуска и останова. Расчеты выполнялись по мареограммам сизигийного, среднего и квадратурного прилива. По результатам расчетов строились:
- зависимости выработки, стока через ПЭС, средневзвешенных напора и кпд от напоров пуска и останова;
- анализирующие графики, показывающие связь между двойной амплитудой прилива и напорами пуска и останова.
На рис. 1 приведены анализирующие графики, полученные для условий Кислогубской и Северной ПЭС. Они связывает между собой двойную амплитуду прилива и характеристики соответствующего диспетчерского режима работы ПЭС (максимальный статический напор, пусковой напор и напор останова), обеспечивающие выработку ПЭС с отклонением от максимальной не более, чем на 1%.
1 2 3 4 5
Величина прилива,м
12 3 4 Величина прилива,м
а) б)
Рис. 1. Анализирующие графики для определения режимов эксплуатации Кислогубской ПЭС (а), Северной ПЭС (б) 1-двойная амплитуда прилива, 2-максимальный статический напор,3-диапазон оптимизированных напоров пуска, 4-диапазон оптимизированных напоров останова.
Выработка ПЭС зависит от стока в турбинном режиме, напора и кпд оборудования. Все указанные параметры входят в формулу
W Н л
" ПЭС I Т Г1 ОБОР г ^^
э
ПЭС
367,2
где Эпэс - выработка ПЭС за рассматриваемый г-ый отрезок времени Д^ Жиэс г -
сток через турбины ПЭС за рассматриваемый отрезок времени; Нт ; - средний статический напор ПЭС за рассматриваемый отрезок времени; ^ о6ор г - кпд основного оборудования ПЭС (с учетом потерь во всем водопроводящем тракте ПЭС, мультипликаторе, генераторе, преобразователе частоты).
Если перейти в (1) к средневзвешенным параметрам, то получим выработку за один цикл ПЭС в виде
W Н л
^ _ ПЭС Р ср Ч ОБОР ср ПЖ ' ^ ,
где #тср, ^обор сР - средневзвешенные значения напора ПЭС и кпд оборудования (турбина, мультипликатор, генератор), Жпэс - объем стока через ПЭС в турбинном режиме за один цикл.
Максимальная выработка соответствует максимуму произведения
эг
^^^^ПЭС'^^Р ср Л ОБОР СП ) Л
(3)
ПЭС макс ПЭС Р ср I ОБОР ср / макс
Нами выполнен обобщенный анализ влияния на выработку Кислогубской и Северной ПЭС основных параметров: объема стока, напора и кпд оборудования.
В табл. 2 показаны соотношения между выработкой в периоды сизигии, среднего прилива и квадратуры для одностороннего, двухстороннего режимов, эксплуатации агрегатов Кислогубской ПЭС с постоянной и переменной частотами вращения. За
4
3
2
0
5
ВЕСТНИК 4/2010
единицу принята наибольшая суточная выработка, достигнутая в период сизигии при одностороннем режиме ПЭС и переменной частоте вращения.
Таблица 2. Выработка Кислогубской ПЭС в характерные периоды в зависимости от _режима эксплуатации_
Двойная Односторонний режим работы Двухсторонний режим работы
амплитуда Постоянная Переменная Постоянная Переменная
прилива, частота частота частота частота
м вращения вращения вращения вращения
4,0 0,82 1,0 0.62 1.0
3,0 0,45 0,61 0.21 0.60
2,0 0,12 0,31 - 0.2
В периоды среднего и высокого приливов односторонний и двухсторонний режимы дают близкую выработку. При этом энергетический эквивалент большего объема стока, характерный для двухстороннего режима, компенсируется большим средневзвешенным напором, характерным для режима односторонней работы.
В период квадратуры, при малой величине прилива, односторонний режим имеет преимущество в выработке за счет преобладающего влияния напора.
Преобладающее влияние напора обусловлено особенностями водовода ПЭС, который имеет увеличенную длину и повышенные гидравлические потери.
В табл. 3 даны соотношения между выработкой в периоды сизигии, среднего прилива и квадратуры для одностороннего, двухстороннего режимов Северной ПЭС. Здесь наибольшая выработка получена при двухстороннем режиме работы. Превышение над односторонним составляет 8 - 10%. Более высокая выработка в двухстороннем режиме получена за счет увеличения объема стока через ПЭС в турбинном режиме, несмотря на более низкое значение средневзвешенного напора (см. рис. 2).
1
0.8 0.6 0.4 0.2
Выработка относительная
— двухсторон I ■одностор
Сток относительный
/ /
/ /
/ / 1
/
— — двухсторон
0 1 2 3 4 5
Величина прилива, м
0 12 3 4
Величина прилива,м
Напор относительный
0 1 2 3 4 5
Величина прилива,м
Рис. 2. Изменение относительных значений энергетических параметров Северной ПЭС
в зависимости от величины прилива
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
Таблица 3. Выработка Северной ПЭС в характерные периоды в зависимости от
Двойная амплитуда прилива, м Переменная частота в ращения
Односторонний режим работы Двухсторонний режим работы
4,0 0,9 1,0
3,0 0,4 0,48
2,5 0,22 0,25
По результатам выполненных водно-энергетических расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Полученные анализирующие графики с областями изменения напоров пуска и останова показывают, что максимальная выработка достигается при их изменении в определенном диапазоне значений; графики позволяют назначать оптимальные условия эксплуатации агрегатов ПЭС в зависимости от величины прилива. В условиях Северной ПЭС оптимизация напоров пуска и останова дала увеличение выработки на 5%.
2. Двухсторонний режим ПЭС обеспечивает по сравнению с односторонним больший объем стока в турбинном режиме и меньшие значения средневзвешенного напора и средневзвешенного кпд турбин.
3 В условиях Северной ПЭС наибольшая выработка получена при двухстороннем режиме за счет преобладающего влияния стока в турбинном режиме на фоне снижения средневзвешенных значений напора и кпд турбины.
4. В условиях Кислогубской ПЭС односторонний и двухсторонний режимы в периоды сизигии и среднего прилива дают близкую выработку. При этом энергетический эквивалент большего объема стока, характерный для двухстороннего режима, компенсируется большим средневзвешенным напором, характерным для режима односторонней работы. Преобладающее влияние напора обусловлено особенностями водовода ПЭС, который имеет увеличенную длину и повышенные гидравлические потери.
Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»
