Назначение, условия применения и типы уравнительных резервуаров

 

Назначение уравнительных резервуаров. При переходных процессах гидроэлектростанций, вызванных регулированием нагрузки, в напорных водоводах возникает неустановившееся движение, сопровождающееся гидравлическим ударом. Положительный гидроудар (повышение давления) увеличивает внутреннее давление воды на облицовку водовода. Отрицательный гидроудар может привести к разрыву сплошности потока с последующим его смыканием и значительным всплеском давления. Уравнительные резервуары являются одним из эффективных средств снижения как положительного, так и отрицательного гидроудара. В напорных системах ГЭС с уравнительными резервуарами переходные процессы происходят в виде гравитационных колебаний. При этом существенно растягивается во времени переход кинетической энергии потока в потенциальную, за счет этого снижаются пики гидродинамического давления.

Кроме того, уравнительный резервуар улучшает условия регулирования турбин, позволяя повысить маневренность гидроэлектростанций за счет обеспечения возможности более быстрого закрытия и открытия турбин.

По расположению уравнительные резервуары подразделяются на верховые, размещаемые на подводящих водоводах, и низовые, размещаемые на отводящих напорных водоводах (рис. 1).

Рис. 1. Схема гидроэлектростанции с верховым и низовым уравнительными резервуарами:

1 - водоприемник; 2 - верховой уравнительный разервуар; 3 - подводящий деривационный водовод; 4 - желательное размещение верхового уравнительного резервуара; 5 - турбинный водовод; 6 - здание ГЭС; 7 - низовой уравнительный резервуар; 8 - отводящий деривационный водовод;
9 - аэрационная шахта

 

На рис. 1 представлена схема гидроэлектростанции с верховым уравнительным резервуаром (2) и низовым уравнительным резервуаром (7). Между верхним бьефом (ВБ) и верховым уравнительным резервуаром проходит подводящий деривационный водовод (3), между нижним бьефом и низовым уравнительным резервуаром – отводящий деривационный водовод (8). Обычно деривационный водовод делится на несколько турбинных водоводов, подводящих воду к турбинам (5).

Как правило, верховые уравнительные резервуары располагаются в месте перелома трассы подводящего водовода. Расположение верхового уравнительного резервуара перед зданием ГЭС (рис. 1, (4)) является предпочтительным с точки зрения снижения гидроудара, но требует существенного увеличения его высоты, что в большинстве случаев экономически не оправдано.

Низовые резервуары максимально приближаются к выходному сечению отсасывающих труб гидротурбин.

Критерием необходимости установки верхового уравнительного резервуара является значение постоянной инерции напорного водовода T _W. Для водовода постоянного сечения расчетная формула для расчета T _W имеет вид

,                                                                                         (1)

где: L – длина подводящего водовода от верхнего бьефа до входного сечения спиральной камеры, F – площадь сечения водовода, g – ускорение свободного падения, Н – напор турбин. Для получения максимально возможного значения   в формулу подставляются расчетный расход и расчетный напор турбин ГЭС.

Для водовода с переменной по длине площадью сечения водовода  определяется как сумма постоянных инерции отдельных участков

                                                                                     (2)

Если на ГЭС подводящий деривационный водовод делится на несколько турбинных водоводов, то в формулу (2) подставляется суммарная площадь сечения турбинных водоводов, отходящих от одного деривационного водовода.

Установка верхового уравнительного резервуара может рассматриваться при значениях . Окончательное решение принимается на основании технико-экономического сравнения варианта с уравнительным резервуаром и вариантов, обеспечивающих снижение гидроудара другими способами, например установкой холостого выпуска.

Критерием установки низового уравнительного резервуара является значение вакуума в отсасывающей трубе турбины за счет отрицательного гидроудара при сбросах нагрузки. Согласно нормам проектирования режимов регулирования гидроэлектростанций допустимым является вакуум не более 5 м. Опыт показывает, что установка низового уравнительного резервуара необходима на отводящих напорных водоводах даже при относительно небольшой их длине, превышающей 70 – 100 м.

Принцип работы уравнительного резервуара. При установившихся режимах уравнительный резервуар работает как пьезометр, уровень занимает положение  (рис. 2). Уравнительный резервуар вступает в работу при нарушении установившегося режима вследствие изменения расхода турбин.

В верховом резервуаре при уменьшении расхода турбин, происходит подъем уровня. Подъем уровня вызывает плавное торможение расхода в подводящем деривационном водоводе. Уровень в резервуаре поднимается выше уровня верхнего бьефа (ВБ), достигает максимального значения , затем начинает снижаться. Гидравлические потери напора в деривации и уравнительном резервуаре вызывают затухание колебаний и приход уровня к положению , отвечающему новому установившемуся режиму с расходом .

В низовом резервуаре при уменьшении расхода турбин происходят обратные колебания, а именно – опускание уровня, вызывающее торможение расхода в отводящем деривационном водоводе. Уровень в резервуаре опускается ниже отметки нижнего бьефа (НБ), достигает минимального положения  и начинает подниматься.

При увеличении расхода турбин, в течение первой четверти периода колебаний происходит снижение уровня в верховом резервуаре и подъем – в низовом, что обеспечивает увеличение расхода в подводящем и отводящем деривационных водоводах.

 

Рис. 2. Схема работы уравнительных резервуаров:

1 – колебания уровня в резервуаре при уменьшении расхода; 2 – колебания уровня в резервуаре при увеличении расхода

Рис. 3 Типы уравнительных резервуаров: цилиндрический (I), с дополнительным сопротивлением (II), камерный (III), дифференциальный (IV), пневматический (V); 1 – кольцевой водослив, 2 – водопропускные окна, 3 – соединительный патрубок, 4 - диафрагма дополнительного сопротивления

 

На деривационных гидроэлектростанциях находят применение уравнительные резервуары следующих типов.

Цилиндрический уравнительный резервуар (рис. 3, схема I) представляет собой вертикальную или наклонную шахту постоянного поперечного сечения. Цилиндрический уравнительный резервуар обеспечивает минимальные потери напора при колебаниях и может применяться в качестве низового для уменьшения отрицательного гидроудара и предотвращения разрыва сплошности потока в отсасывающей трубе при сбросах нагрузки на ГЭС. Уравнительные резервуары этого типа имеют существенный недостаток. В установившихся режимах работы гидроэлектростанции при движении воды через узел сопряжения уравнительного резервуара с водоводом практически полностью теряется скоростной напор в водоводе , где  – скорость в деривационном водоводе.

Уравнительный резервуар с дополнительным сопротивлением (рис. 3, схема II) соединяется с напорным водоводом через короткий патрубок с поперечным сечением меньшим, чем сечение резервуара. Для увеличения гидравлического сопротивления в патрубке может быть установлена диафрагма. Соединительный патрубок и диафрагма образуют дополнительное сопротивление. Дополнительное сопротивление обеспечивает уменьшение амплитуды колебаний уровня воды в резервуаре по сравнению с цилиндрическим, однако приводят к дополнительному повышению давления в деривации. Преимуществом уравнительного резервуара данного типа является практически полное отсутствие потерь напора в узле сопряжения в установившемся режиме работы ГЭС.

Камерный уравнительный резервуар (рис. 3, схема III) представляет собой вертикальную или наклонную шахту, соединенную с двумя камерами – верхней и нижней. В уравнительном резервуаре верхняя камера располагается выше максимального уровня свободного бьефа, нижняя – ниже минимального уровня свободного бьефа (верхнего или нижнего соответственно для верхового и низового уравнительных резервуаров). Заполнение и опорожнение верхней камеры происходят через водослив (1) и водопропускные окна (2).

Дифференциальный уравнительный резервуар (рис. 3, схема IV) имеет в конструкции два цилиндра – внешний и внутренний. Внутренний цилиндр соединен с напорным водоводом. Гидравлическая связь внутреннего и внешнего цилиндров осуществляется через водопропускные окна и кольцевой водослив на гребне внутреннего цилиндра. При поступлении воды в резервуар происходит быстрый подъем воды во внутреннем цилиндре и наполнение внешнего цилиндра через водослив (1) и водопропускные окна (2). При выходе воды из резервуара в водовод происходит быстрое опускание уровня во внутреннем цилиндре и долив в него из внешнего через водопропускные окна.

Пневматический уравнительный резервуар (рис. 3, схема V) расположен ниже уровня верхнего бьефа (для верхового резервуара) или нижнего бьефа (для низового резервуара). Замкнутое пространство над свободной поверхностью в резервуаре занимает сжатый воздух. Сжатие и расширение воздушной полости при колебаниях способствует уменьшению размаха колебаний уровня.

 

 

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, описывающие колебаня В НАПОРНОЙ СИСТЕМЕ И УРАВНИТЕЛЬНОМ РЕЗЕРВУАРЕ

 

Вывод основных уравнений выполнен с учетом следующих допущений:

- при изменении давления вода не сжимается, облицовка водовода не деформируется (жесткая модель);

- давление на свободной поверхности в уравнительном резервуаре равно атмосферному;

- деривационный водовод на всей длине имеет постоянную площадь сечения.

При выводе уравнений принято правило знаков расходов и уровней, показанное на рис. 2. Ноль шкалы уровней совпадает с уровнем верхнего бьефа для верхового резервуара или с уровнем нижнего бьефа для низового резервуара. Положительное направление оси уровней – вверх, отрицательное – вниз. Положительное направление расходов деривационного и турбинного водоводов – от бьефа к турбине, отрицательное – от турбины к бьефу. Для расхода резервуара – положительное направление при направлении потока ”в резервуар”, отрицательное – при направлении ”из резервуара”.

Вывод основных уравнений выполнен для подводящей деривации и верхового уравнительного резервуара. Расчет процессов в отводящей деривации и низовом уравнительном резервуаре может выполняться по тем же формулам. Для получения корректного результата следует учитывать приведенное выше правило знаков расходов. В отводящей деривации направлению течения от турбин к нижнему бьефу будут соответствовать отрицательные значения расходов деривации и турбинного водовода.

Динамическое уравнение. В качестве динамического уравнения, для описания переходного процесса в деривационном водоводе и уравнительном резервуаре используется уравнение Бернулли, записанное для неустановившегося движения жидкости. Уравнение связывает удельные энергии потока в двух сечениях со свободной поверхностью. Сечение 1-1 совмещено с уровнем верхнего бьефа. Сечение 2-2 совмещено с уровнем свободной поверхности в уравнительном резервуаре.

         не W_wр, а Н_wр ВБ                    (3)

Последний член в уравнении (3) характеризует инерционный напор воды в деривационном водоводе. Для водовода постоянной площади сечения он может быть записан в виде:

тоже Н_{wр ­­}-– это потери на вход-выход вУР (4)

Если провести плоскость сравнения 0-0 на уровне верхнего бьефа, то удельная энергия в сечении 1-1 будет равна нулю . Если пренебречь скоростным напором на свободной поверхности в уравнительном резервуаре и инерцией столба жидкости в резервуаре, то динамическое уравнение будет иметь вид:

                                                          (5)

Член  учитывает потери напора в деривационном водоводе, включая потери в водоприемнике, на местных сопротивлениях и по длине, а также потери скоростного напора. В общем виде эти потери определяются по формулам:

,                                                                                   (6)

,                                                                   (7)
где  –суммарный коэффициент местных гидравлических сопротивлений в деривации, С – коэффициент Шези, R – гидравлический радиус.

Форма записи расхода в формулах потерь напора позволяет учесть изменение знака потерь напора при изменении направления течения.

Член  учитывает потери напора в узле сопряжения уравнительного резервуара с водоводом. Сюда входят потери напора на диафрагме дополнительного сопротивления. Расчет этих потерь напора выполняется через расход в резервуаре и коэффициент местного сопротивления . Обобщенные данные по значениям коэффициента местного сопротивления узла сопряжения резервуара с водоводом приведены на рис. 4 [1].

Рис. 4 Обобщенные данные по коэффициентам сопротивления бокового ответвления в Т-образной развилке

Следует обратить внимание на то, что скоростной напор рассчитывается через расход резервуара и площадь сечения деривационного водовода.

,                                                                  (8)
где .

Уравнение неразрывности связывает между собой расходы в узле сопряжения уравнительного резервуара с водоводами (рис. 2). Для принятого выше правила знаков расходов и уровней оно запишется в виде:

.                                                                                  (9)

В уравнениях (5) и (9) два неизвестных: расход деривационного водовода и уровень в уравнительном резервуаре. Изменение суммарного расхода турбинных водоводов во времени  задается в качестве граничного условия.

Простейшим граничным условием является мгновенное изменение расхода турбин от некоторого начального до конечного значения (рис. 5 а, в, д, ж). Такой упрощенный закон принимается при аналитическом решении уравнений (3) и (7).

Более точным является линейный закон изменения расхода турбин, в котором может учитываться реальное время изменения расхода при наборе или сбросе нагрузки (см. рис. 5 б, г, е, з).

г)

з)

ж)

в)

е)

б)

д)

а)

 

Рис. 5. Граничные условия расчета колебаний в верховом и низовом уравнительных резервуарах

3. НАЧАЛЬНЫЕ И ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ для определения максимального и минимального уровней в резервуаре

 

Для разработки конструкции уравнительного резервуара необходимо рассмотреть переходные процессы, приводящие к наибольшему возможному подъему уровня и наибольшему его опусканию в уравнительном резервуаре. Эти условия должны учитывать не только режимы изменения расхода ГЭС, но и положения уровней верхнего и нижнего бьефов, а также условия расчета потерь напора.

Обычно деривационный водовод ГЭС разветвляется на несколько турбинных водоводов. Поэтому рассматриваемые ниже переходные процессы относятся ко всем гидроагрегатам, связанным с данной деривацией и уравнительным резервуаром.

В разделе рассмотрены процессы набора и сброса нагрузки, происходящие из начального установившегося режима. В разделе ___ будут рассмотрены процессы, в которых сброс или набор нагрузки происходят в условиях незакончившихся колебаний расхода и уровня от предыдущего переходного процесса.