Напорные характеристики русловой и деривационной ГЭС, практическое задание №3 НГТУ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра СЭСП
Дисциплина «Гидроэнергетика»
Практическое задание №3
«Напорные характеристики русловой и деривационной ГЭС»
Факультет:
ФЭН
Группа:
ЭН1-73
Студент:
Белкин Д.А.
Вариант:
№3
Преподаватель:
Панова Я.В.
Новосибирск, 2020
Цель: научиться строить напорные характеристики для различных
типов ГЭС и определять режимное поле гидротурбин с учетом накладываемых
оборудованием ограничений.
Задачи:
1. Построить напорные характеристики русловой и деривационной
станции.
2. Нанести линии ограничения по мощности генератора и пропускной
способности турбины.
3. Сделать вывод о видах и назначении напорных характеристик ГЭС.
1. Исходные данные:
Таблица 1 - Характеристика нижнего бьефа русловой ГЭС
QНБ (лето),
м3/с
QНБ (зима),
м3/с
ZНБ, м
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
2000
0
120
240
360
480
600
720
840
1200
47
48,41
49
49,45
49,83
50,16
50,35
50,47
50,7
Таблица 2 - Характеристика нижнего бьефа деривационной ГЭС
QНБ, м3/с
ZНБ, м
0
750
5
750,8
10
751,3
15
751,6
20
751,9
25
752,15
30
752,35
60
753,3
Исходные данные для построения напорных характеристик русловой ГЭС
Вид
ГЭС
Вариант
характеристики
НБ
Максимальная
пропускная
способность, м3/с
Расчётный
напор Hр, м
Зимний
коэффициент
Kз
Русл.
1
1100
18,7
0,6
НПУ
и
УМО
70,5;
66
Таблица 3 - Исходные данные для построения напорных характеристик
деривационной ГЭС
Вид
ГЭС
Вариант
характерист
ики НБ
Дери
в.
Максималь
ная
пропускная
способност
ь, м3/с
1
28
Расчётн
ый
напор
Hр, м
Число
агрегат
ов z
Число
ниток
деривац
ии
НП
Уи
УМ
О
Коэффициен
ты α1, α2
114,7
5
1
900;
860
0,015; 0,03
2. Расчёт для русловой ГЭС
2.1.
Пользуясь данными по нижнему бьефу, построить кривые
зависимости нижнего бьефа от расхода водохранилища как для
летнего, так и для зимнего периода
51
50,5
Напор, м
50
49,5
49
48,5
48
47,5
47
0
200
400
600
800
1000
Расход,
Лето
Зима
1200
1400
1600
1800
2000
м3/с
Макс.пропуск.сп.
Рисунок 1 - График зависимости Zнб(Qнб) для русловой ГЭС в летний и
зимний период
2.2.
Определение Zнб при различных уровнях расхода, используя кривые
уровня нижнего бьефа
С помощью кривой зависимости нижнего бьефа от расхода
водохранилища русловой ГЭС определим Zнб (для летнего и зимнего
периода), для различных значений расхода. Результаты сведём в таблицу 4.
2.3.
Расчёт изменения напора в зависимости от расхода через ГЭС
Напорные характеристики ГЭС строятся для зимнего и летнего периодов.
Однако у деривационных ГЭС они совпадают. В работе не учитывается
замерзание воды в нижнем бьефе вследствие малых расходов и
незначительного изменения уровня нижнего бьефа этих гидроэлектростанций.
При выполнении задания расчёт ведётся для отметок НПУ (нормальный
подпорный уровень) и УМО (уровень мёртвого объёма), так как эти отметки
служат верхней и нижней границей зоны нормальной работы водохранилища
ГЭС.
На низконапорных ГЭС (русловых ГЭС) потери напора в
водоподводящих сооружениях близки к нулю, поэтому напорная
характеристика будет определяться потерями в нижнем бьефе.
лето
зима
Произведем подробный расчет HНПУ и HУМО при 𝑄𝑄нб
= 0 м3/c и 𝑄𝑄нб
=
0 м3/c, так как значение нижнего бьефа у них одинаковое, HНПУ и HУМО для
лета и зимы будут равны друг другу.
лето
лето
лето
зима
зима
) = ∇НПУ − 𝑍𝑍нб
(𝑄𝑄нб
) = ∇НПУ − 𝑍𝑍нб
(𝑄𝑄нб
);
ННПУ (𝑄𝑄нб
лето
зима
лето
лето
(𝑄𝑄нб
ННПУ (𝑄𝑄нб
= 0) = ННПУ (𝑄𝑄нб
= 0) = ∇НПУ − 𝑍𝑍нб
= 0)
зима
(0) = 70,5 − 47 = 23,5 м
= ∇НПУ − 𝑍𝑍нб
лето
лето
лето
зима
зима
) = ∇УМО − 𝑍𝑍нб
(𝑄𝑄нб
) = ∇УМО − 𝑍𝑍нб
(𝑄𝑄нб
);
НУМО (𝑄𝑄нб
лето
зима
лето
зима
(0) = ∇УМО − 𝑍𝑍нб
(0) =
НУМО (𝑄𝑄нб
= 0) = НУМО (𝑄𝑄нб
= 0) = ∇УМО − 𝑍𝑍нб
= 66 − 47 = 19 м
лето
зима
Для остальных значений 𝑄𝑄нб
и 𝑄𝑄нб
расчёт производится аналогично.
Результаты сведём в таблицу 4.
24
22
Напор, м
20
18
16
14
12
10
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Расход, м3/с
НПУ
УМО
Макс.проп.сп.
НПУ зима
УМО зима
Рисунок 2 – Напорные характеристики русловой ГЭС
1600
2.4.
Расчёт значений расхода для линии ограничения по мощности
генераторов (ЛОГ)
Для определения рабочего поля ГЭС, а также точек Hmax, Hp, Hmin на
напорные характеристики наносятся линии ограничения.
Линия ограничения по мощности генераторов (ЛОГ) может наносится
как на напорные характеристики отдельных агрегатов, так и на напорные
характеристики всей станции. В последнем случае линия служит
ограничением по установленной мощности ГЭС. В работе при построении
ЛОГ будем руководствоваться установленной мощность станции.
Значение установленной мощности ГЭС постоянно, однако это значение
на основе формулы мощности может быть достигнуто при различных
сочетаниях значений Q и H. Уменьшение H приводит к необходимости
повышения Q для поддержания одного и того же значения мощности, что
объясняет наклонный вид ЛОГ на характеристике.
Превышение номинальной мощности гидрогенераторами станции
приводит к перегреву изоляции токоведущих частей, что в свою очередь ведёт
к аварии. Поэтому выход за пределы ЛОГ в нормальном режиме работы
недопустим.
ЛОГ характеризуется зависимостью:
где К = 8,5, НР = 18,7 м.
Установленная мощность 𝑁𝑁устГЭС = 𝐾𝐾 ∙ 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝐻𝐻р = 8,5 ∙ 1100 ∙ 18,7 = 174 845 кВт.
где 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 1100 м3/c.
Соблюдая условие H ≥ HP , найдем Q ЛОГ для значений H равное от
18,7 до 21,2 с шагом 0,5.
𝑄𝑄(𝐻𝐻) =
𝑁𝑁устГЭС
𝐾𝐾∙𝐻𝐻
=
174845
8,5∙18,7
= 1100 м3/c,
Для остальных значений расчёт производится аналогично. Результаты
расчета сведём в таблицу 4.
2.5.
Расчёт значений расхода для линии ограничения по пропускной
способности турбины (ЛОТ)
Линия ограничения по мощности турбины (ЛОТ) определяет
максимальную мощность турбины, обусловленную максимальной пропускной
способностью.
ЛОТ характеризуется зависимостью:
Соблюдая условие H ≤ HP , найдем Q ЛОТ для значений H от 15,2 до
22,2 с шагом 0,5.
𝑄𝑄(𝐻𝐻) = 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ �
𝐻𝐻
𝐻𝐻р
= 1100 ∙ �
15,2
18,7
= 991,73 м3/c,
Для остальных значений расчет производится аналогично. Результаты
расчёта сведём в таблицу 4.
2.6.
Построение напорных характеристик русловой ГЭС с учётом
ограничений
24
23
22
НПУ
Напор, м
21
ЛОГ
Hmax=20,3 м
20
Режимное поле ГЭС
19
Hр=18,7 м
18
17
УМО
16
15
Hmin=15,9 м
ЛОТ
0
200
400
600
800
1000
1200
Расход, м3/с
Рисунок 3 – Напорные характеристики русловой ГЭС с учётом
ограничений (режимное поле ГЭС)
По построенному графику определяем точки Hmin = 15,9 м, Hmax =
20,3 м и Hр = 18,7 м.
Пересечение ЛОГ с характеристикой напора при отметке НПУ
позволяет определить максимальный напор Hmax, при котором станция может
вырабатывать установленную мощность.
Наименьший напор, при котором станция вырабатывает установленную
мощность, называется расчётным по мощности напором Hр.
Пересечение ЛОТ с отметкой напора при УМО позволяет определить
минимальный напор Hmin, при котором станция может вырабатывать
электроэнергию.
Таблица 4 – Результаты расчётов для русловой ГЭС
Qнб
(лето),
м3/с
Qнб (зима),
м3/с
Zнб (лето),
м
Zнб (зима),
м
Напорные
характеристики
Нумо,
м
19
Ограничения
по мощности
генераторов
(ЛОГ)
Ограничения
по пропускной
способности
турбины
(ЛОТ)
0
0
47,00
47,00
Ннпу,
м
23,5
Q, м3/с
H, м
1100,00
H,
м
18,7
1100,00
18,7
100
60
47,75
47,75
22,75
18,25
1071,35
19,2
1085,19
18,2
200
120
48,41
48,41
22,09
17,59
1044,16
19,7
1070,18
17,7
300
180
48,75
48,75
21,75
17,25
1018,32
20,2
1054,96
17,2
400
240
49,00
49,00
21,5
17
993,72
20,7
1039,51
16,7
500
300
49,25
49,25
21,25
16,75
970,28
21,2
1023,83
16,2
600
360
49,45
49,45
21,05
16,55
947,93
21,7
1007,91
15,7
700
420
49,60
49,60
20,9
16,4
926,58
22,2
991,73
15,2
800
480
49,83
49,83
20,67
16,17
-
-
-
-
900
540
50,00
50,00
20,5
16
-
-
-
-
1000
600
50,16
50,16
20,34
15,84
-
-
-
-
1100
660
50,25
50,25
20,25
15,75
-
-
-
-
1200
720
50,35
50,35
20,15
15,65
-
-
-
-
1300
780
50,40
50,40
20,1
15,6
-
-
-
-
1400
840
50,47
50,47
20,03
15,53
-
-
-
-
1500
900
50,51
50,51
19,99
15,49
-
-
-
-
Q, м3/с
3. Расчёт для деривационной ГЭС
3.1.
Пользуясь данными по нижнему бьефу, построить кривые
зависимости нижнего бьефа от расхода водохранилища
754
753,5
Напор, м
753
752,5
752
751,5
751
750,5
750
0
10
20
30
Расход,
Лето
40
50
60
м3/с
Макс.пропускн.сп.
Рисунок 4 - График зависимости Zнб(Qнб) для деривационной ГЭС
3.2.
Определение Zнб при различных уровнях расхода, используя кривые
уровня нижнего бьефа
С помощью кривой зависимости нижнего бьефа от расхода
водохранилища деривационной ГЭС определим Zнб, для различных значений
расхода. Результаты сведём в таблицу 6.
3.3.
Расчёт потерь в водоподводящих сооружениях
На высоконапорных ГЭС (деривационных ГЭС) напорные
характеристики сильно зависят от потерь напора в водоподводящих
сооружениях.
где n – число ниток деривации; z – число работающих агрегатов на ГЭС; a1 и
a2 – коэффициенты, учитывающие конструктивные особенности
водоподводящих сооружений; Δhсоор – это та часть напора, которая теряется в
водоподводящих сооружениях до входа воды в турбинную камеру. Она
зависит от величины проходящего через них расхода Qгэс.
Исходные данные: n = 1, z = 5, a1 = 0,015 и a2 = 0,03.
Расчёт для Qнб = 5 м3/с
1
1
Q дер 2 = ( Q нб )2 = ( ∙ 5)2 = 25 м3/с;
n
1
1
1
Q вод 2 = ( Q нб )2 = ( ∙ 5)2 = 1 м3/с;
z
5
Δhдер (5) = a1 ∙ Q2дер = 0,015 ∙ 52 = 0,375 м;
Δhводоподв (5) = a2 ∙ Q2вод = 0,03 ∙ 12 = 0,03 м;
Для остальных значений расхода расчёт аналогичен. Результаты расчёта
сведены в таблицу 5
Δhсоор (5) = Δhдер (5) + Δhводоподв (5) = 0,375 + 0,03 = 0,405 м.
Таблица 5 – Потери напора в водоподводящих сооружениях
Qнб, м3/с
0
5
10
15
20
25
30
35
Q дер 2 , (м3/с)2
0
25
100
225
400
625
900
1225
Q вод 2, (м3/с)2
0
1
4
9
16
25
36
49
∆hдер, м
0
0,375
1,5
3,375
6
9,375
13,5
18,375
∆hводоподв, м
0
0,03
0,12
0,27
0,48
0,75
1,08
1,47
Значения 𝛥𝛥ℎсоор сведём в таблицу 6.
3.4.
Расчёт изменения напора в зависимости от расхода через ГЭС
лето
зима
= 0 м3/c и 𝑄𝑄нб
=
Произведем подробный расчет HНПУ и HУМО при 𝑄𝑄нб
0 м3/c, так как значение нижнего бьефа у них одинаковое, HНПУ и HУМО для
лета и зимы будут равны друг другу.
ННПУ (𝑄𝑄нб ) = ∇НПУ − 𝑍𝑍нб (𝑄𝑄нб ) − 𝛥𝛥ℎсоор (𝑄𝑄нб )
ННПУ (0) = ∇НПУ − 𝑍𝑍нб (0)−𝛥𝛥ℎсоор (0) = 900 − 750 − 0 = 150 м
НУМО (𝑄𝑄нб ) = ∇УМО − 𝑍𝑍нб (𝑄𝑄нб ) − 𝛥𝛥ℎсоор (𝑄𝑄нб )
НУМО (0) = ∇УМО − 𝑍𝑍нб (0)−𝛥𝛥ℎсоор (0) = 860 − 750 − 0 = 110 м
лето
зима
Для остальных значений 𝑄𝑄нб
и 𝑄𝑄нб
расчёт производится аналогично.
Результаты сведены в таблицу 6.
Напорные характеристики деривационной ГЭС
155,00
Напор, м
145,00
135,00
125,00
115,00
105,00
95,00
85,00
0
5
10
15
20
Расход,
НПУ
УМО
25
30
35
40
м3/с
Макс.пропускн.сп.
Рисунок 5 – Напорные характеристики дервиационной ГЭС
3.5.
Расчёт значений расхода для линии ограничения по мощности
генераторов (ЛОГ)
ЛОГ характеризуется зависимостью:
где К = 8,5, НР = 18,7 м.
Установленная мощность NустГЭС = K ∙ Qmax ∙ Hр = 8,5 ∙ 28 ∙ 114,7 = 27 298,6 кВт.
где 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 28 м3/c.
Соблюдая условие H ≥ HP , найдем Q ЛОГ для значений H от 114,7 до
149,7 с шагом 5.
𝑄𝑄(𝐻𝐻) =
𝑁𝑁устГЭС
𝐾𝐾∙𝐻𝐻
=
27298,6
8,5∙114,7
= 28 м3/c
Для остальных значений расхода расчёт производиться аналогично.
Результаты расчёта сведём в таблицу 6.
3.6.
Расчёт значений расхода для линии ограничения по пропускной
способности турбины (ЛОТ)
ЛОТ характеризуется зависимостью:
Соблюдая условие H ≤ HP , найдем Q ЛОТ для значений H от 79,7 до
114,7 с шагом 5.
𝑄𝑄(𝐻𝐻) = 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ �
𝐻𝐻
𝐻𝐻р
= 28 ∙ �
79,7
18,7
= 23,34 м3/c,
Для остальных значений расчет производится аналогично. Результаты
расчёта сведём в таблицу 6.
Таблица 6 – Результаты расчётов для деривационной ГЭС
Qнб,
м3/с
0
5
10
15
20
25
30
35
Zнб (зима),
м
750
750,8
751,3
751,6
751,9
752,15
752,35
752,5
∆hсоор, м
Напорные
характеристики
0,000
0,405
1,620
3,645
6,480
10,125
14,580
19,845
Ннпу, м Нумо, м
150,00
110,00
148,80
108,80
147,08
107,08
144,76
104,76
141,62
101,62
137,73
97,73
133,07
93,07
127,66
87,66
Ограничения
Ограничения
по мощности
по пропускной
генераторов
способности
(ЛОГ)
турбины (ЛОТ)
Q, м3/с H, м Q, м3/с H, м
28,00
114,7
28,00
114,7
26,83
119,7
27,38
109,7
25,75
124,7
26,75
104,7
24,76
129,7
26,11
99,7
23,84
134,7
25,44
94,7
22,99
139,7
24,76
89,7
22,19
144,7
24,06
84,7
21,45
149,7
23,34
79,7
3.7.
Построение напорных характеристик деривационной ГЭС с
учётом ограничений
160,00
150,00
ЛОГ
НПУ
Hmax=139 м
140,00
Напор, м
130,00
Режимное поле ГЭС
120,00
Hр=114,7 м
110,00
100,00
Hmin=97 м
УМО
90,00
80,00
70,00
ЛОТ
0
5
10
15
Расход,
20
25
30
35
м3/с
Рисунок 6 – Напорные характеристики деривационной ГЭС с учётом
ограничений (режимное поле ГЭС)
По построенному графику определяем точки Hmin = 97 м, Hmax = 139
м и Hр = 114,7 м.
Вывод: итогом выполненной работы стало определение режимного
поля ГЭС для русловой и деривационной ГЭС.
Режимное поле ГЭС — это область допустимых режимов работы ГЭС.
Режимное поле строится по таким напорным характеристикам, как
расход и напор. Напорные характеристики отражают связь напоров ГЭС и
расхода воды, поступающего в нижний бьеф, а также обозначают ограничения
по мощности генератора (ЛОГ) и по мощности турбины (ЛОТ).
Верхней границей режимного поля является напорная характеристика
при работе ГЭС с водохранилищем на отметке нормального подпорного
уровня (НПУ), нижней – при работе ГЭС с водохранилищем, сработанным до
отметки уровня мёртвого объёма (УМО). Также при построении режимного
поля ГЭС учитываются такие характеристики, как линия ограничения по
мощности генераторов (ЛОГ) и линия ограничения по мощности турбины
(ЛОТ).
ЛОГ служит для поддержания одного и того же значения мощности
генераторов всей станции (в данной работе). Превышение номинальной
мощности гидрогенераторами станции приводит к перегреву изоляции
токоведущих частей, что в дальнейшем приводит к аварии. Выход за пределы
ЛОГ в нормальном режиме работы недопустим.
ЛОТ определяет максимальную мощность турбины, обусловленную её
максимальной пропускной способностью.
Пересечение ЛОГ с характеристикой НПУ позволяет определить
максимальный напор Hmax, при котором станция может вырабатывать
установленную мощность.
Пересечение ЛОГ и ЛОТ позволяет определить точку расчётного по
мощности напора Hр, который показывает наименьший напор, при котором
станция вырабатывает установленную мощность.
Пересечение ЛОТ с характеристикой УМО позволяет определить
минимальный напор Hmin, при котором станция может вырабатывать
электроэнергию.
В данной работе эти точки получились следующими:
1) Для русловой ГЭС Hmax = 20,3 м, Hр = 18,7 м, Hmin = 15,9 м;
2) Для деривационной ГЭС Hmax = 139 м, Hр = 114,7 м, Hmin = 97 м.
Разница в напорах между русловой ГЭС и деривационной ГЭС
объясняется различным устройством водоподводящих сооружений этих двух
типов ГЭС.
На русловой ГЭС напор создаётся плотиной, а на деривационной ГЭС
напор обеспечивается посредством деривации. Вода из речного русла
отводится деривационным каналом (безнапорная деривация), туннелем или
напорным трубопроводом (напорная деривация) к зданию ГЭС на большой
высоте (с большим напором). Благодаря этому уровень воды в конце водовода
оказывается выше уровня воды в реке. Этой разностью уровней и создается
напор деривационной гидроэлектростанции.