И науки Российской федерации

И науки Российской федерации

__________

ФГБОУ ВО НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О.А.МУРАВЬЕВ

УРАВНИТЕЛЬНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ

Учебное пособие

___________________________________________________________

Москва 2016

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВО НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

О.А.Муравьев

 

Уравнительные резервуары

 

 

Учебное пособие

 

 

Москва 2016

Муравьев О.А. Уравнительные резервуары: Учебное пособие. М.:МГСУ, 2016. – 75 с.

 

 

Учебное пособие написано по разделу уравнительные резервуары гидроэлектростанций дисциплины ”Расчет и проектирование гидросооружений” и предназначено для студентов специальности _____

 

 

Рецензенты

Проф. кафедры Гидротехнического строительства к.т.н., с.н.с. В.В.Берлин

Проф. Энергетического института д.т.н., проф. М.Г.Тягунов

В учебном пособииизложены методы гидравлического расчета уравнительных резервуаров гидроэлектростанций, основанные на решении уравнений, описывающих в жесткой постановке неустановившееся движение в системе деривационный водовод – уравнительный резервуар с учетом граничных условий, определяемых переходными режимами ГЭС. Представлены аналитические и численные методы решения системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс колебаний в системе деривация- уравнительный резервуар. Изложены основы решения задачи об устойчивости колебаний и определения критической площади уравнительного резервуара. Представлены компьютерные программы и примеры расчетов основных задач, решаемых при проектировании уравнительных резервуаров гидроэлектростанций.

ВВЕДЕНИЕ

Уравнительные резервуары устанавливаются на деривационных гидроэлектростанциях и являются ответственными сооружениями, призванными уменьшать гидавлический удар, возникающий в напорных водоводах при регулировании нагрузки гидроэлектростанци, а также при аварийных отключениях.

Уравнительные резервуары вступают в работу только при изменении расхода ГЭС, когда в напорных водоводах возникает неустановившееся движение, и выполняют очень важную задачу – снижают амплитуду колебаний давления. Уравнительный резервуар позволяет:

- ограничить максимальное давление допустимой величиной по условиям обеспечения прочности облицовки водовода;

- ограничить минимальное давление, чтобы не допустить образования вакуума близкого 10 м, опасного разрывом сплошности потока и последующим резким всплеском давления, приводящим к разрушению водоводов и турбинного оборудования.

Конструктивные параметры уравнительных резервуаров определяются на стадии проектирования расчетным путем. Важным является то, что от результатов расчетов зависит не только надежность работы самого резервуара, но и надежность работы напорного водовода, поскольку прочность водовода обеспечивается по полученному в результате расчета максимальному давлению.

Колебания уровня в резервуаре вызывают колебания напора и, как следствие, мощности ГЭС.  Реакцией системы автоматического регулирования на колебания мощности является изменение расхода ГЭС, которое в свою очередь может инициировать дополнительные колебания уровня. В такой замкнутой динамической системе колебания уровня и расхода могут быть незатухающими, что недопустимо. Обеспечение затухания колебаний в этих условиях может достигаться путем увеличения площади уравнительного резервуара, увеличения потерь напора, изменением настроек системы регулирования ГЭС. Обеспечение устойчивости (затухания колебаний) является одной из важных задач проектирования уравнительных резервуаров гидроэлектростанций.

ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ расчетА колебаний в уравнительных резервуарах

ПРИМЕРЫ УРАВНИТЕЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

Ингури ГЭС. Подводящий деривационный водовод имеет длину 15,3 км, диаметр 9,5 м и рассчитан на пропуск максимального расхода пяти турбин 460 м³/с. Большая кинетическая энергия массы воды в деривации и значительная глубина сработки водохранилища 90 м обусловили применение уравнительного резервуара камерного типа (рис. 21). Шахта резервуара сопрягается с напорными водоводами Т-образной развилкой с боковым ответвлением в виде патрубка диаметром 9,5 м. Узел сопряжения имеет коэффициент сопротивления ζ_Р=2. Шахта резервуара диаметром 20 м имеет бетонную обделку толщиной 0,9 м и внутреннюю стальную облицовку δ=25 мм до середины высоты шахты.

Верхняя камера резервуара размещена в открытой скальной выемке. Ее объем 60 тыс. м³ определен из условий одновременного сброса полной нагрузки всеми агрегатами ГЭС. При этом учитывался выход гидротурбин на холостой ход после закрытия направляющего аппарата.

На ГЭС принят режим последовательного набора пятью агрегатами от холостого хода. Такое решение позволило отказаться от устройства нижней камеры и разместить емкость, необходимую для обеспечения режима набора нагрузки, в самой шахте резервуара.

Уравнительный резервуар расположен в прочных скальных породах. Высота его от оси деривационного туннеля до гребня водослива составляет 180 м.

Рис. 21. Уравнительный резервуар Ингури ГЭС

Мингечаурская ГЭС. Подвод воды к шести агрегатам ГЭС осуществляется от башенного водоприемника индивидуальными стальными водоводами диаметром 5,3 и длиной 400 м. Расчетный расход каждого водовода составляет 150 м³/с. На каждом водоводе установлен уравнительный резервуар с дополнительным сопротивлением (рис. 22). Уравнительные резервуары выполнены в виде отдельно стоящих конструкций и представляют собой стальные цилиндры диаметром 11,5 м, установленные на массивной железобетонной анкерной опоре толщиной 20 м. Сопряжение с водоводом выполнено в виде Т-образной развилки с коротким патрубком диаметром 4,4 м, в котором на уровне днища резервуара устроено дополнительное сопротивление в виде диафрагмы с диаметром отверстия 3,6 м. Узел сопряжения с диафрагмой имеет коэффициент сопротивления ζ_Р=7,5. Максимальный подъем уровня в резервуаре над НПУ при полном сбросе нагрузки составляет 8,4 м. Полная высота уравнительного резервуара, включая фундамент, равна 63,5 м.

Рис. 22. Уравнительный резервуар Мингечаурской ГЭС

 

Зеленчукская ГЭС. Напорный подводящий деривационный водовод имеет длину 2100 м, диаметр 5 м и рассчитан на пропуск максимального расхода двух турбин 80 м³/с. В условиях небольшой сработки бассейна верхнего бьефа и относительно небольших расходов принят уравнительный резервуар дифференциального типа (рис. 23). Резервуар соединен с водоводом внутренней шахтой диаметром 5 м, переходящей во внутренний металлический цилиндрический стояк резервуара. Верхняя кромка цилиндра образует кольцевой водослив с тонкой стенкой, возвышающийся над НПУ бассейна на 12,8 м. По всей высоте внутренний металлический цилиндр раскреплен в облицовку внешнего цилиндра распорками для увеличения жесткости. В основании внутреннего металлического цилиндра расположены 6 прямоугольных водопропускных окон общей площадью 4,0 м².

Верхняя часть уравнительного резервуара выполнена в виде башни. Внешняя камера имеет оболочку диаметром 13,4 м. Снаружи оболочка опирается на металлический каркас, вокруг которого устроена бетонная облицовка.

Камера резервуара имеет перекрытие из радиально расположенных металлических ферм с уложенными на них кольцевыми балками, на которые опирается металлическая крыша.

В центральной части крыши устроена перфорированная аэрационная труба для сообщения с атмосферой. Размеры трубы определены с учетом максимального расхода, поступающего в уравнительный резервуар, и максимально допустимой скорости воздушного потока 50 м/с.

Сопряжение шахты резервуара с водоводом выполнено в виде Т-образной развилки с равными площадями ответвлений и коэффициентом сопротивления ζ=1,1.

Максимальный подъем уровня в резервуаре над НПУ определен по комбинации набор-сброс и составил 12,4 м, что на 2 м выше, чем при сбросе нагрузки двумя агрегатами из установившегося режима.

Минимальное опускание уровня от УМО при комбинации сброс-набор нагрузки составило 41 м, что на 12 м ниже, чем при одновременном наборе нагрузки двумя агрегатами от холостого хода.

Рис. 23. Уравнительный резервуар Зеленчукской ГЭС

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Текст программы расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ на языке Фортран

C Вспомогательные расчёты

DD=SQRT(FD*4./3.14)

R=DD/4.

IF (AN.EQ.0.) GO TO 15

C=1./AN*R**0.1667

AKWD=ALD/(C**2*R*FD**2)

GOTO 20

15 AKWD=0.

20 AKWR=DZR/(19.6*FD**2)

C Печать строки результатов

WRITE (2,1002) T,QST,QD,QR,Z,HWD,HWR,HD

GOTO 100

 1000 FORMAT(' ВРЕМЯ РАСХ. СТ. РАСХ. ДЕР. РАСХ. УР. УРОВЕНЬ ПОТ.ДЕР. '

1' ПОТ.УР ПЬЕЗ.ДЕР')

 1001 FORMAT(' СЕК М3/С М3/С М3/С М   М '

1' М   М ')

 1002 FORMAT(4F9.0,4F9.2)

CLOSE (1)

CLOSE (2)

END

ТЕКСТ программы линейной интерполяции

 

SUBROUTINE INT11(D,V,DYDX,N,X,Y)

C

C * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * S

C                                                      *

C    PROGRAM FOR LINEAR INTERPOLATION FUNCTIONS   *

C                                                      *

C    Y=F(X) AND COMPUTATION OF DERIVATIONS DY/DX  *

C                                                      *

C * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * F

C

DIMENSION X(N),Y(N)

DO 1 I=2,N

IF(D-X(I))2,2,1

1 CONTINUE

I=N

2 I1=I-1

DX=X(I)-X(I1)

DYDX=(Y(I)-Y(I1))/DX

V=(Y(I)*(D-X(I1))-Y(I1)*(D-X(I)))/DX

RETURN

END

 

ПРИМЕЧАНИЕ Трансляция выполняется с использованием стандартных процедур программного обеспечения Watcom FORTRAN

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ИНСТРУКЦИЯ ПО ВВОДУ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ в программу расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре с дополнительным сопротивлением

 

При первом запуске исполняемого модуля RESER.EXE образуются два файла DAN и RESULT. Исходные данные вводятся в файл DAN текстовым редактором (например Notepad). Числа вводятся в файл построчно в десятичном формате (с десятичной точкой). Число от числа отделяется запятой.

Строка 1 вводит 3 числа: длину деривационного водовода, площадь деривационного водовода и площадь уравнительного резервуара.

Строка 2 вводит 2 числа: коэффициент шероховатости облицовки и коэффициент дополнительного сопротивления уравнительного резервуара.

Строка 3 вводит 2 числа: шаг расчета по времени и время расчета

Строка 4 вводит 1 число – количество точек закона Q _тур (t) изменения расхода турбинного водовода; это целое число, оно вводится без десятичной точки.

Строка 5 вводит массив значений T(i) моментов времени закона Q _тур (t)

Строка 6 вводит массив значений расходов Q _тур (i) закона Q _тур (t)

 

ПРИМЕР ВВОДА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

2100.,20.,190.

0.012,16.

1.,200.

3

0.,12.,200.

80.,0.,0.

 

ИНСТРУКЦИЯ ПО ВЫВОДИМЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТА

 

Результаты расчета выводятся в файл RESULT. Содержимое этого файла может быть просмотрено любым текстовым редактором. Результаты выводятся в табличном виде. Параметры колебательного процесса расположены по столбцам:

1-ый столбец – время, с

2-ой столбец – расход деривационного водовода

3-ий столбец – расход турбинного водовода (водоводов)

4-ый столбец – расход в основании уравнительного резервуара

5-ый столбец – уровень в резервуаре

6-ой столбец – потери напора в деривационном водоводе

7-ой столбец – потери напора в уравнительном резервуаре

8-ой столбец – давление в деривации

 

ПРИМЕР ТАБЛИЦЫ С РЕЗУЛЬТАТАМИ РАСЧЕТА

 

C ВВОД ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

READ(1,*)ALD,FD,FR

READ(1,*)AN,DZR

READ(1,*)ZWOD,AMW,BWOD

READ(1,*)ZBHK,ZHHK,FHK

READ(1,*)DT

READ(1,*)IK

READ(1,*)(UT(I),I=1,IK)

READ(1,*)(UQC(I),I=1,IK)

C ПОДЪЕМ УРОВНЯ В СТОЯКЕ

DZDT=QR/FR

Z=Z+DZDT*DT

DQDDT =-(Z + HWD + HWR)*9.81* FD / ALD

QD = QD + DQDDT * DT

HD = Z + HWR

QR = QD - QC

WRITE (2,1200) T, QC, QD, QR, Z, HWD, HWR, HD, WBK

IF(QR.LE.0.)STOP

GOTO 100

C Вспомогательные расчёты

DD=SQRT(FD*4./3.14)

R=DD/4.

IF (AN.EQ.0.) GO TO 15

C=1./AN*R**0.1667

AKWD=ALD/(C**2*R*FD**2)

GOTO 20

15 AKWD=0.

20 AKWR=DZR/(19.6*FD**2)

C Печать строки результатов

WRITE (2,1002) T,QST,QD,QR,Z,HWD,HWR,HD,PIZB

GOTO 100

200 CONTINUE

 1000 FORMAT(' ВРЕМЯ РАСХ. СТ. РАСХ. ДЕР. РАСХ. УР. УРОВЕНЬ ПОТ.ДЕР. '

1' ПОТ.УР ПЬЕЗ.ДЕР ДАВЛ.ВОЗД')

 1001 FORMAT(' СЕК М3/С М3/С М3/С М   М '

1' М   М    М ')

 1002 FORMAT(4F9.0,4F9.2,1X,F9.0)

CLOSE (1)

CLOSE (2)

END

 

ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Текст программы линейной интерполяции приведен в Приложении 1.

2. Трансляция выполняется с использованием стандартных процедур программного обеспечения Watcom FORTRAN.

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ИНСТРУКЦИЯ ПО ВВОДУ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ в программу расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ТИПА

 

При первом запуске исполняемого модуля RESPNE.EXE образуются два файла DAN и RESULT. Исходные данные вводятся в файл DAN текстовым редактором (например Notepad). Числа вводятся в файл построчно в десятичном формате (с десятичной точкой). Число от числа отделяется запятой.

Строка 1 вводит 3 числа: длину деривационного водовода, площадь деривационного водовода и площадь уравнительного резервуара.

Строка 2 вводит 2 числа: коэффициент шероховатости облицовки и коэффициент дополнительного сопротивления уравнительного резервуара.

Строка 3 вводит 2 числа: шаг расчета по времени и время расчета

Строка 4 вводит 3 числа: начальное избыточное давление воздуха в м вод. столба, начальный объем воздуха в м³, показатель политропы.

Строка 5 вводит 1 число – количество точек закона Q _тур (t) изменения расхода турбинного водовода; это целое число, оно вводится без десятичной точки.

Строка 6 вводит массив значений T(i) моментов времени закона Q _тур (t)

Строка 7 вводит массив значений расходов Q _тур (i) закона Q _тур (t)

 

ПРИМЕР ВВОДА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

 

2100.,20.,190.

0.012,16.

1.,200.

90.,5000.,1,2

3

0.,10.,200.

80.,0.,0.

ИНСТРУКЦИЯ ПО ВЫВОДИМЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТА

 

Результаты расчета выводятся в файл RESULT. Содержимое этого файла может быть просмотрено любым текстовым редактором. Результаты выводятся в табличном виде. Параметры колебательного процесса расположены по столбцам:

1-ый столбец – время, с

2-ой столбец – расход деривационного водовода, м³/с

3-ий столбец – расход турбинного водовода (водоводов), м³/с

4-ый столбец – расход в основании уравнительного резервуара, м³/с

5-ый столбец – уровень в резервуаре, м

6-ой столбец – потери напора в деривационном водоводе, м

7-ой столбец – потери напора в уравнительном резервуаре, м

8-ой столбец – избыточное давление воздуха, м вод. столба

 

ПРИМЕР ТАБЛИЦЫ С РЕЗУЛЬТАТАМИ РАСЧЕТА

 

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Берлин В.В., Муравьев О.А. Переходные процессы на ГЭС с уравнительными резервуарами. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 150 с.

2. Орлов В.А. Уравнительные резервуары гидроэлектростанций. - М.: Энергия, 1968. - 179 с.

3. Чернятин И.А. Точность расчетных формул, определяющих наи­большее понижение горизонта воды в цилиндрическом уравни­тельном резервуаре при полном открытии турбин. // Изв.ВНИИГ. М.-Л.: Энергия, 1962. Т.69. С. 295-315.

4. Гидроэлектрические станции /Под ред. В.Я. Карелина, Г.И.Кривченко. - М.: Энергия, 1987. - 464 с.

5. Аронович Г.В., Картвелишвили Н.А., Любимцев Я.К. Гидравличес­кий удар и уравнительные резервуары. М.: Наука, 1968. - 248 с.

6. Муравьев О.А. Влияние режима работы турбины и настроек системы автоматического регулирования на условия устойчивости и критическую площадь уравнительных резервуаров ГЭС. Гидротехническое строительство, 2010, № 11

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ. 4

1. Назначение, условия применения и типы уравнительных резервуаров. 6

2. Дифференциальные уравнения, описывающие колебаня в напорной системе и уравнительном резервуаре. 13

3. Начальные и граничные условия для определения максимального и минимального уровней в резервуаре. 18

4. Аналитические расчеты колебаний в верховом уравнительном резервуаре и подводящей деривации. 20

5. Численные методы расчета колебаний в уравнительных резервуарах. 28

6. Оптимизация конструктивных параметров уравнительных резервуаров. 34

7. Аналитические расчеты устойчивости режимов работы гэс с уравнительными резервуарами. 40

8. Численные расчеты устойчивости режимов гэс с уравнительными резервуарами 45

9. Переходные процессы при последовательных комбинациях сбросов и наборов нагрузки гэс. 46

10. Примеры уравнительных резервуаров. 53

Приложение 1 Текст программы расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре с дополнительным сопротивлением на языке фортран. 58

Приложение 2 Инструкция по вводу исходных данных в программу расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре с дополнительным сопротивлением. 61

Приложение 3 Текст программы расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре камерного типа на языке фортран. 63

Приложение 4 Инструкция по вводу исходных данных в программу расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре камерного типа. 67

Приложение 5 Текст программы расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре пневматического типа на языке фортран. 70

Приложение 6 Инструкция по вводу исходных данных в программу расчета колебаний в деривации и уравнительном резервуаре пневматического типа. 73

Приложение 7 Текст программы расчета устойчивости колебаний на языке фортран 75

Приложение 8 Инструкция по вводу исходных данных в программу расчета устойчивости режимов гэс с уравнительном резервуаром. 77

БИБЛИОГРАФИЯ.. 79

и науки Российской федерации

__________

ФГБОУ ВО НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О.А.МУРАВЬЕВ

УРАВНИТЕЛЬНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ

Учебное пособие

___________________________________________________________

Москва 2016

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВО НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

О.А.Муравьев

 

Уравнительные резервуары

 

 

Учебное пособие

 

 

Москва 2016

Муравьев О.А. Уравнительные резервуары: Учебное пособие. М.:МГСУ, 2016. – 75 с.

 

 

Учебное пособие написано по разделу уравнительные резервуары гидроэлектростанций дисциплины ”Расчет и проектирование гидросооружений” и предназначено для студентов специальности _____

 

 

Рецензенты

Проф. кафедры Гидротехнического строительства к.т.н., с.н.с. В.В.Берлин

Проф. Энергетического института д.т.н., проф. М.Г.Тягунов

В учебном пособииизложены методы гидравлического расчета уравнительных резервуаров гидроэлектростанций, основанные на решении уравнений, описывающих в жесткой постановке неустановившееся движение в системе деривационный водовод – уравнительный резервуар с учетом граничных условий, определяемых переходными режимами ГЭС. Представлены аналитические и численные методы решения системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс колебаний в системе деривация- уравнительный резервуар. Изложены основы решения задачи об устойчивости колебаний и определения критической площади уравнительного резервуара. Представлены компьютерные программы и примеры расчетов основных задач, решаемых при проектировании уравнительных резервуаров гидроэлектростанций.

ВВЕДЕНИЕ

Уравнительные резервуары устанавливаются на деривационных гидроэлектростанциях и являются ответственными сооружениями, призванными уменьшать гидавлический удар, возникающий в напорных водоводах при регулировании нагрузки гидроэлектростанци, а также при аварийных отключениях.

Уравнительные резервуары вступают в работу только при изменении расхода ГЭС, когда в напорных водоводах возникает неустановившееся движение, и выполняют очень важную задачу – снижают амплитуду колебаний давления. Уравнительный резервуар позволяет:

- ограничить максимальное давление допустимой величиной по условиям обеспечения прочности облицовки водовода;

- ограничить минимальное давление, чтобы не допустить образования вакуума близкого 10 м, опасного разрывом сплошности потока и последующим резким всплеском давления, приводящим к разрушению водоводов и турбинного оборудования.

Конструктивные параметры уравнительных резервуаров определяются на стадии проектирования расчетным путем. Важным является то, что от результатов расчетов зависит не только надежность работы самого резервуара, но и надежность работы напорного водовода, поскольку прочность водовода обеспечивается по полученному в результате расчета максимальному давлению.

Колебания уровня в резервуаре вызывают колебания напора и, как следствие, мощности ГЭС.  Реакцией системы автоматического регулирования на колебания мощности является изменение расхода ГЭС, которое в свою очередь может инициировать дополнительные колебания уровня. В такой замкнутой динамической системе колебания уровня и расхода могут быть незатухающими, что недопустимо. Обеспечение затухания колебаний в этих условиях может достигаться путем увеличения площади уравнительного резервуара, увеличения потерь напора, изменением настроек системы регулирования ГЭС. Обеспечение устойчивости (затухания колебаний) является одной из важных задач проектирования уравнительных резервуаров гидроэлектростанций.