Лабораторные энергетические исследования низконапорного блока микро-ГЭС

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

Нбл = Нвб _ Ннб ;

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„

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^

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.

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 /

- 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

= 5 _ Iz2! = 4,17 м. 3

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

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