Переходные процессы при последовательных комбинациях сбросов и наборов нагрузки гэс

Колебания в напорной системе с уравнительным резервуаром после набора или сброса нагрузки продолжаются десятки и сотни секунд. За это время турбины могут еще раз изменить расход, например набрать нагрузку после ее сброса или снизить после набора.

При колебаниях расход в деривационном водоводе в определенный период времени может на 15‑20 %превысить максимальное его значение в установившемся режиме. Если в этот период происходит сброс или снижение нагрузки, то подъем уровня может получиться б о льшим, чем при сбросе от установившегося режима работы ГЭС. Таким образом, необходима проверка работы уравнительного резервуара в особых условиях, при последовательных комбинациях переходных режимов набора и сброса нагрузки.

Аналитическое решение дифференциальных уравнений колебательного процесса при последовательных изменениях расхода ГЭС. Дифференциальное уравнение (14), описывающие переходный процесс в цилиндрическом уравнительном резервуаре и деривации, может быть решено аналитически при условии ступенчатого изменения расхода ГЭС и отсутствии нелинейных членов, учитывающих потери напора.

Частное решение для первого по времени изменения расхода в виде (18) приведено в разделе 4.

Для второго по времени изменения расхода общее решение сохраняет вид (15), (16), но коэффициенты С₁ и С₂ будут определяются по начальным условиям, каковыми являются параметры переходного процесса в момент времени  второго скачка изменения расхода ГЭС. Согласно (15), (16) начальные условия для   будут иметь вид:

,                                                                     (45)

.                                                                   (46)

В результате замены переменных в (45), (46) получаем выражения для коэффициентов   и , а также частное решение исходных дифференциальных уравнений для двух последовательных скачков изменения расхода ГЭС:

                                        (47)

Теперь находим выражение для определения наибольшего отклонения уровня в резервуаре, а также значений моментов времени  и t, при которых это отклонение достигается. Приравняем нулю производные  и . После сокращений получаем:

,                                         (48)

.                                                                 (49)

Решением уравнений (48) и (49) будут , где n = 1, 2, 3 …

Если подставить в (47) значения t и  при , максимальная амплитуда колебаний в резервуаре определится выражением:

,                                                                    (50)

при этом  достигается в момент времени при условии, что  и знаки скачков изменения расхода одинаковы.

Если подставить в (47) значения t и t ₂ при , максимальная амплитуда колебаний в резервуаре определится выражением:

,                                                                   (51)
при этом  достигается в момент времени   при условии, что , и знаки скачков изменения расхода противоположны. В этом случае амплитуда колебаний получается вдвое больше, чем при однократном изменении расхода.

Таким образом, можно выделить нормальное и особое сочетание переходных процессов. К нормальному сочетанию относятся последовательность режимов набор-набор и сброс-сброс нагрузки при таком сочетании максимальная амплитуда достигается при одновременном изменении расхода всех агрегатов. Это решение совпадает с рассмотренным в разделе 3 при мгновенном скачке расхода. К особому сочетанию относятся  последовательности набор-сброс и сброс-набор нагрузки в которых наибольшая амплитуда достигается при времени запаздывании, равном полупериоду колебаний, а сама амплитуда может в 2 раза превысить амплитуду при однократном изменении расхода (однократном сбросе или однократном наборе нагрузки).

Влияние потерь напора. Анализ влияния потерь напора выполнен на основе численного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих колебательный процесс в резервуаре и деривации. Расчеты выполнены для напорной системы ГЭС с резервуаром цилиндрического типа. Рассмотрены три модели: I – c нулевыми потерями, II – с потерями напора только по длине деривации, III – с потерями по длине деривации и в узле дополнительного сопротивления резервуара.

Последовательный набор нагрузки. На рис. 19представлены графики переходных процессов, на рис. 20, – обобщенные зависимости минимальных отметок уровня в резервуаре в функции времени запаздывания. Для большей наглядности последние построены в безразмерных координатах. За единицу принято максимальное отклонение уровня при наборе нагрузки одним гидроагрегатом из установившегося режима в отсутствие потерь напора. Как при наличии, так и отсутствии потерь напора наибольшее понижение уровня возникает при одновременном наборе нагрузки гидроагрегатами, т.е. при нулевом запаздывании. Остальные минимумы носят локальный характер, что связано с затуханием колебаний за счет потерь напора.

Последовательность сброс-набор нагрузки. На рис. 19, б представлены графики переходных процессов, на рис. 20, б в безразмерных координатах – зависимости минимальных отметок уровня в резервуаре в функции времени запаздывания.

Для моделей I и II наибольшее понижение уровня наблюдается, когда второе изменение расхода происходит в момент времени Т _{Q мин}достижения расходом деривации в базисном процессе своего минимального значения. Введение дополнительного сопротивления в резервуар (модель III) приводит к смещению экстремумов кривой (Т_1‑2) в сторону большего времени запаздывания. Это является следствием того,. Фактически процессы с временем запаздывания, большим, чем Т _{Q мин}, начинаются при зна­чительно более низких отметках в резервуаре.

Последовательность набор-сброс нагрузки. На рис. 19, в представлены графики переходных процессов, на рис. 20, в в безразмерных координатах – зависимости максимальных отметок уровня в резервуаре в функции времени запаздывания.

Для моделей I и II наибольшее по­вышение уровня наблюдается при времени запаздывания, совпадающем с моментом Т _{Q макс} достижения расходов деривации в базисном процессе своего максимального значения. Введение дополнительного сопротивления в резервуар (модель III) приводит к смещению экстремумов кривой (T _1‑2) в сторону большего времени запаздывания. Рассуждения, аналогичные приведенным выше, а также анализ графиков рис. 19, в объясняют это тем, что в уравнительных резервуарах с дополнительным сопротивлением процессы с запаздыванием, большим, чем Т _{Q макс}, начинаются при значительно более высоких отметках уровня, что способствует его большему подъему.

Последовательные комбинации переходных режимов воспроизводят реальные ситуации, возникающие при регулирования нагрузки гидроэлектростанциями, и должны учитываться при проектировании уравнительных резервуаров ГЭС. Амплитуды колебаний уровня при последовательных комбинациях набор-сброс или сброс-набор при наиболее невыгодном времени запаздывания могут на 15…20% превысить полученные при  максимальном однократном изменении расхода ГЭС.

 

Рис. 19. Переходные процессы в деривации и резервуаре с дополнительным сопротивлением при различных комбинациях наборов и сбросов и разных временах запаздывания

а – набор-набор нагрузки; б – сброс-набор нагрузки; в – набор-сброс нагрузки

в)

б)

а)

Рис. 20. Влияние потерь напора на экстремумы уровня в резервуаре:

а – набор-набор нагрузки; б – сброс-набор нагрузки; в – набор-сброс нагрузки; 1 – без учета потерь напора; 2 – с учетом потерь напора; 3 – с учетом потерь напора в деривации и на дополнительном сопротивлении

 

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