ГИДРОАГРЕГАТ МАЛОЙ ГЭС Российский патент 1996 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при выработке электроэнергии на малых или микрогидроэлектрических станциях (МГЭС).

При выработке электроэнергии на ГЭС необходимо поддерживать частоту вращения ротора гидроагрегата, состоящего из гидротурбины и соединенного с ней генератора электрического тока, в заданном диапазоне. Это требование обусловлено тем, что напряжение и частота электрического тока являются функциями частоты вращения ротора электрогенератора. Для решения этой задачи необходимо поддерживать равенство мощностей потребителя электрического тока и мощности, вырабатываемой электрогенератором, которая является функцией мощности потока воды, проходящего через гидротурбину. На практике при работе на индивидуального потребителя отклонение частоты вращения ротора гидроагрегата от оптимального значения, соответствующего промышленной частоте тока, должно быть не более чем ± 20% Часто потребители требуют обеспечения более узкого диапазона поддержания частоты вырабатываемого электрического тока.

Известен гидроагрегат ГЭС, включающий генератор электрического тока, содержащий ротор с валом и основную гидротурбину, содержащую ротор с валом, который обеспечивает эксплуатацию ГЭС в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата путем изменения мощности водяного потока, поступающего на гидротурбину. Этот гидроагрегат позволяет эффективно эксплуатировать ГЭС. Однако этот гидроагрегат включает дорогостоящие и сложные в эксплуатации специальные регулирующие органы на входе в гидротурбину направляющий аппарат и гидромеханический или электрогидравлический регулятор (Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций./Под ред.Ю.С. Васильева. М. Энергоатомиздат, 1988, т.1, стр.101).

Наиболее близким к предлагаемому является агрегат для малых и микроГЭС, включающий генератор электрического тока, содержащий ротор с валом и основную гидротурбину, содержащую ротор с валом. Этот гидроагрегат обеспечивает эксплуатацию в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата с использованием регулируемой электрической балластной нагрузки, подключенной к генератору электрического тока. При помощи такой балластной нагрузки изменяют тормозной момент на валу гидроагрегата. На рабочих режимах задается необходимое открытие направляющего аппарата, соответствующее оптимальному использованию водотока, а все изменения нагрузки потребителя (ниже оптимальной нагрузки гидротурбины) компенсируются балластной нагрузкой (например, электрическими сопротивлениями для нагрева воды или отопления). Регулирование балластной нагрузки может производиться либо по методу реостата, либо путем ступенчатого импульсного включения постоянной нагрузки тиристорными включателями (Малая гидроэнергетика./Под ред.Л.П. Михайлова. М. Энергоатомиздат, 1989, с.120). Использование направляющего аппарата в ряде случаев может быть вообще исключено, что является преимуществом этого гидроагрегата.

Однако этот гидроагрегат включает электронный регулятор и электрический балласт, что снижает надежность и делает его применение для малых и микроГЭС очень дорогим.

Для устранения указанных недостатков целесообразно воспользоваться вместо электронного регулятора частоты способностью некоторых гидротурбин к саморегулированию. Способность к саморегулированию тем больше, чем меньше изменяется частота вращения ротора гидроагрегата при изменении мощности электрической нагрузки на генератор. Лучше всего саморегулируются турбины, у которых при увеличении электрической нагрузки автоматически увеличивается мощность потока воды, проходящего через них. Этот эффект обусловлен тем, что при увеличении мощности электрической нагрузки на генератор изменяется частота вращения ротора гидроагрегата и турбина переходит на другой режим работы с другим значением приведенного расхода воды через нее. Если это изменение приведенного расхода положительно, то мощность потока воды, проходящей через турбину, увеличивается, а если отрицательно то уменьшается.

Таким образом, в наибольшей степени эффект саморегулирования проявляется у тех турбин, у которых автоматически увеличивается мощность проходящего через них потока воды при увеличении мощности электрической нагрузки, т.е. имитируется работа направляющего аппарата. Способностью к саморегулированию различные гидротурбины обладают в разной степени. Для относительной оценки способности гидротурбин к саморегулированию удобно ввести специальный параметр
П
(1) где П параметр саморегулирования;
n_Ip', Q_Ip' приведенная частота вращения и приведенный расход при отключенной нагрузке (разгонные значения);
n_Iопт', Q_Iопт' приведенная частота вращения и приведенный расход при оптимальном режиме.

Приведенные значения частоты вращения и расхода определяются по известным формулам (Орго В.М. Гидротурбины. Л. 1975, с.233):
n (2)
Q (3) где n частота вращения, об/мин;
D диаметр, м;
Н напор, м;
Q расход, м³/с.

Из вышесказанного следует, что чем больше числитель в формуле (1), тем больше способность турбины к саморегулированию. Еще одно важное качество гидротурбины: диапазон изменения частоты вращения при изменении нагрузки. Чем меньше этот диапазон, тем лучше, так как многие потребители электроэнергии могут успешно эксплуатироваться только в узком диапазоне изменения частоты тока, которая является функцией частоты вращения гидротурбины. Таким образом, чем меньше знаменатель в формуле (1), тем больше способность турбины к саморегулированию. Отсюда следует, что чем больше параметр саморегулирования, тем больше способность турбины к саморегулированию.

Хорошей способностью к саморегулированию обладает большинство гидротурбин радиально-осевого типа, однако в наибольшей степени эта способность выражена у радиально-осевых гидротурбин быстроходностью от 80 до 145 об/мин.

Результаты обработки данных испытаний различных гидротурбин радиально-осевого типа, проведенных авторами, представлены на фиг.1. На фиг.1 представлена зависимость параметра саморегулирования П от коэффициента быстроходности n_s.

Быстроходность турбин вычислялась по известной формуле (Орго В.М. Гидротурбины. Л. 1975, с.235):
n_s= 3,65•n (4) где n_Io' величина приведенных оборотов в оптимальной точке универсальной характеристики, об/мин;
Q_Io' величина приведенных расходов в оптимальной точке универсальной характеристики, м³/с;
η_To коэффициент полезного действия турбины в оптимальной точке характеристики.

Из фиг.1 видно, что наибольшей способностью к саморегулированию обладают гидротурбины радиально-осевого типа при быстроходностях от n_s 80 об/мин до n_s145 об/мин.

Предлагается гидроагрегат малой ГЭС, включающий генератор электрического тока, содержащий ротор с валом, и основную гидротурбину, содержащую ротор с валом, отличающийся тем, что к основной гидротурбине присоединен насос, содержащий ротор с валом и выходной патрубок, к насосу присоединена вспомогательная гидротурбина, содержащая ротор с валом и входной патрубок, которая присоединена к генератору электрического тока, причем вал насоса соединен с валом основной гидротурбины, выходной патрубок насоса соединен с входным патрубком вспомогательной гидротурбины, а вал вспомогательной гидротурбины соединен с валом генератора электрического тока. Вал насоса может быть соединен с валом основой гидротурбины через редуктор. В качестве вспомогательной гидротурбины может быть использована гидротурбина радиально-осевого типа быстроходностью от 80 до 145 об/мин.

На фиг.2 приведена схема предлагаемого гидроагрегата. Гидроагрегат содержит основную гидротурбину 1, имеющую входной 5 и выходной 2 патрубки, к которым присоединены водопроводы 4 и 3 соответственно. Гидротурбина включает ротор с валом 6, который соединен посредством муфты 7 с валом 8 ротора насоса 9. Насос 9 имеет входной 10 и выходной 12 патрубки, к которым присоединены водопроводы 11 и 13 соответственно. Выходной патрубок 12 насоса 9 присоединен посредством трубопровода 13 к входному патрубку 14 вспомогательной турбины 17, которая также имеет выходной патрубок 15 с присоединенным водопроводом 16. Вал 18 ротора вспомогательной гидротурбины 17 соединен посредством муфты 19 с валом 20 ротора генератора 21 электрического тока. Электрическая энергия отводится от генератора 21 электрического тока посредством кабеля 22. Вал 8 насоса 9 может быть соединен с валом 6 основной гидротурбины 1 не напрямую посредством муфты 7, а через редуктор (не показан).

Гидроагрегат работает следующим образом.

Поток жидкости из реки или другого источника подводится через водопровод 4 и входной патрубок 5 к основной низконапорной гидротурбине 1, приводит во вращение ротор с валом 6 и отводится от гидротурбины через выходной патрубок 2 с водопроводом 3. Вращение вала 6 посредством муфты 7 передается валу 8 ротора насоса 9, к которому также подведен поток жидкости из реки через входной патрубок 10 с водопроводом 11. Ротор насоса 9 вступает во взаимодействие с потоком жидкости и подает ее под давлением через трубопровод 13 и входной патрубок 14 на ротор вспомогательной высоконапорной гидротурбины 17, приводит его во вращение и отводится от гидротурбины 17 через выходной патрубок 15 и водопровод 16. Вал 18 ротора гидротурбины 17 передает вращение посредством муфты 19 на вал 20 ротора генератора 21. В процессе вращения ротора генератора 21 электрического тока вырабатывается электроэнергия, которая отводится потребителю посредством кабеля 22.

Таким образом, практическое применение предлагаемого гидроагрегата позволяет использовать саморегулирующиеся высоконапорные гидротурбины на ГЭС с низкими напорами, что позволяет резко повысить надежность оборудования ГЭС, удешевить его и упростить обслуживание. Особенно хорошие результаты по саморегулированию гидроагрегата могут быть получены при использовании в качестве вспомогательной гидротурбины 17 гидротурбины радиально-осевого типа быстроходностью от 80 до 145 об/мин.

При практическом использовании предлагаемого гидроагрегата удобно пользоваться зависимостями мощности гидроагрегата N_а от напора Н, построенными для различных частот вырабатываемого электрического тока f. Результаты такой обработки данных экспериментов, проведенных авторами на гидроагрегате со вспомогательной турбиной радиально-осевого типа быстроходностью n_s 115 об/мин, представлены на фиг.3.

По оси ординат отложены значения относительной мощности гидроагрегата N_a N_a/N_ao, где N_a мощность гидроагрегата; N_ао максимальная мощность гидроагрегата. По верхней оси абсцисс отложен относительный напор H/H_о, где Н напор; Н_о максимальный напор при максимальной мощности. По нижней оси абсцисс отложены разгонные значения частоты тока f_р, т.е. значения частоты тока при электрической нагрузке, отключенной от генератора.

Практическое применение гидроагрегата поясняется следующим примером.

П р и м е р. Пусть потребитель требует, чтобы гидроагрегат производил электрическую энергию с частотой тока от 55,5 до 47 Гц.

Из фиг.3 находим по нижней оси абсцисс значение разгонной частоты вращения f_р 55,5 Гц. Этому значению f_р соответствует значение относительного напора 0,88 на верхней оси абсцисс. Следовательно, для того, чтобы частота тока не превышала значение f_р 55,5 Гц, необходимо установить на турбине напор, абсолютное значение которого равняется 88% от максимального для данного гидроагрегата. Если паспортный максимальный напор турбины Н_о 100 м, то эксплуатационный напор должен быть Н 88 м.

Теперь найдем пересечение вертикальной линии, соединяющей значения f_p 55,5 Гц и 0,88 с кривой f 47 Гц, и найдем соответствующее этой точке значение относительной полной мощности гидроагрегата 100. Следовательно, при подключении к генератору полезной электрической нагрузки, равной его минимальной мощности, частота вырабатываемого электрического тока будет не менее 47 Гц.

Таким образом, получили, что при эксплуатации гидроагрегата на напоре, составляющем 88% от известного максимального для данной турбины при изменении полезной электрической нагрузки от нулевой до максимальной, равной полной максимальной мощности гидроагрегата, частота вырабатываемого электрического тока будет находиться в заданном диапазоне от f_макс 55,5 Гц до f_мин 47 Гц. При этом гидроагрегат можно эксплуатировать без какого-либо регулятора частоты.

При других заданных потребителем допустимых диапазонах изменения частоты электрического тока аналогичным образом находят по данным, приведенным на фиг.3, значения напора и мощности нагрузки, обеспечивающие заданные диапазоны изменения частоты вырабатываемого электрического тока.

Предлагаемый гидроагрегат позволяет резко удешевить стоимость гидроагрегатов для малых ГЭС, уменьшить стоимость их эксплуатации и повысить надежность.

Использование: в гидроэнергетике при производстве электроэнергии на малых или микрогидроэлектрических станциях. Сущность изобретения: к основной гидротурбине присоединен насос, содержащий ротор с валом и выходной патрубок, к насосу присоединена вспомогательная гидротурбина, содержащая ротор с валом и входной патрубок, которая присоединена к генератору электрического тока, причем вал насоса соединен с валом основной гидротурбины, выходной патрубок насоса соединен с входным патрубком вспомогательной гидротурбины, а вал вспомогательной гидротурбины соединен с валом генератора электрического тока. Вал насоса может быть соединен с валом основной гидротурбины через редуктор. Наибольшей эффект при эксплуатации гидроагрегата достигается, если в качестве вспомогательной гидротурбины используют гидротурбину радиально-осевого типа быстроходностью от 80 до 145 об/мин. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Гидроагрегат малой ГЭС, включающий генератор электрического тока, содержащий ротор с валом, и основную гидротурбину с ротором и валом, отличающийся тем, что к основной гидротурбине присоединен насос, содержащий ротор с валом и выходной патрубок, к насосу присоединена вспомогательная гидротурбина, содержащая ротор с валом и входной патрубок, которая присоединена к генератору электрического тока, причем вал насоса соединен с валом основной гидротурбины, выходной патрубок насоса соединен с входным патрубком вспомогательной гидротурбины, а вал вспомогательной гидротурбины соединен с валом генератора электрического тока. 2. Гидроагрегат по п.1, отличающийся тем, что вал насоса соединен с валом основной гидротурбины через редуктор. 3. Гидроагрегат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве вспомогательной гидротурбины используют гидротурбину радиально-осевого типа быстроходностью 60 145 об/мин.