КОМПЛЕКС ГИДРОАГРЕГАТОВ ДЛЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Российский патент 1998 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при создании комплексов гидроагрегатов с регулируемой мощностью, предназначенных для установки на ГЭС с годичным регулированием стока реки и с широким сезонным колебанием напора.

На существующих ГЭС с объемом водохранилища, меньшим чем это необходимо для полного годичного регулирования стока реки, в период паводка осуществляют значительные по расходу холостые сбросы воды. Эти сбросы осуществляют при заполнении водохранилища, чтобы исключить его переполнение при расходе потока большем пропускаемого через весь комплекс установленных на ГЭС гидротурбин. Это приводит к тому, что потенциальные возможности увеличения выработки электроэнергии в паводковый период не используются.

Известны установленные на ГЭС комплексы гидроагрегатов, в которые включены гидротурбины различных систем, быстроходностей и размеров. Однако на каждой из таких существующих ГЭС все гидротурбины выполнены для эксплуатации в одном диапазоне проектных напоров.

Известен также установленный на ГЭС комплекс гидроагрегатов, в который были включены гидротурбины двух групп, предназначенные для использования в разных диапазонах напоров [1]. Этот комплекс можно считать ближайшим аналогом изобретения. В такой комплекс гидроагрегатов, установленных на Саяно-Шушенской ГЭС, была включена группа гидротурбин, предназначенных для эксплуатации на пониженных напорах. Однако решаемая указанной группой задача касалась только пускового периода эксплуатации ГЭС в период заполнения водохранилища до расчетных отметок (период эксплуатации). Для этого на гидротурбинах указанной группы были установлены более быстроходные сменные рабочие колеса, позволяющие увеличить мощность гидротурбин при пониженных напорах. В основной период эксплуатации сменные рабочие колеса были заменены на штатные и тем самым описанный комплекс гидроагрегатов превратился в обычный комплекс, состоящий из гидроагрегатов, гидротурбины которых предназначены для эксплуатации в одном диапазоне напоров, соответствующем периоду основной эксплуатации.

В основу изобретения поставлена задача создания комплекса гидроагрегатов для ГЭС, в котором путем определенного сочетания групп гидротурбин с различными рабочими параметрами обеспечивалось бы увеличение выработки электроэнергии в период основной эксплуатации за счет сокращения холостых сбросов воды в паводковый период и вместе с тем обеспечивалась бы возможность выработки дополнительной энергии с использованием гидротурбин с штатными колесами при пониженных напорах в период временной эксплуатации.

Эта задача решается в комплексе гидроагрегатов для ГЭС, состоящем по меньшей мере из двух групп гидроагрегатов с различными параметрами гидротурбин, в котором в соответствии с сущностью изобретения одна группа гидротурбин выполнена с использованием гидротурбин, предназначенных для эксплуатации в диапазоне проектных напоров от минимального до максимального значений с максимально возможным форсированием единичной мощности от расчетного до максимального значения напора, а другая группа гидроагрегатов выполнена с использованием гидротурбин, предназначенных для эксплуатации в диапазоне напоров от минимального значения до промежуточного между расчетным и максимальным значениями напоров и с приведенным расходом, большим чем у турбин первой группы. При этом максимальное количество гидроагрегатов второй группы, согласно изобретению, пропорционально приращению единичной мощности гидротурбин первой группы при максимальном значении напора.

В этом определении сущности изобретения, как и в дальнейшем тексте, мощности и приведенный расход рассматриваются при их максимальных значениях, однако для большей ясности описания это уточнение опускается.

В соответствии с сущностью изобретения благодаря наличию гидротурбин второй группы с увеличенным приведенным расходом в диапазоне напоров, охватывающем напоры паводкого периода, можно увеличить суммарную мощность гидроагрегатов второй группы, а следовательно, и всего комплекса, по сравнению с суммарной мощностью, которая могла бы быть обеспечена с использованием гидротурбин только одной первой группы. В диапазоне напоров от названного промежуточного значения напора до максимального гидроагрегаты второй группы не работают. Однако благодаря форсировке мощности гидротурбин первой группы при напорах больших расчетного значения, обеспечивается получение от этой группы мощности, не меньшей той, которая могла бы быть получена с использованием гидротурбин только одной первой группы без форсирования их мощности. Из этого следует, что изобретение позволяет увеличить выработку электроэнергии и тем самым повысить эффективность работы ГЭС.

На фиг. 1 показан комплекс гидроагрегатов ГЭС, условно представленных гидротурбинами; на фиг. 2 - зависимости единичной мощности гидротурбин от напора.

Изобретение описывается на примере проектирующейся ГЭС "Три ущелья" (КНР), на которой в соответствии с технико-экономическим обоснованием предполагалось установить 26 одинаковых радиально-осевых гидротурбин РО 115, имеющих следующие параметры: мощность N 710 МВт, диаметр рабочего колеса D1 9,87 м, частота вращения n = 75 об/мин, диапазон напоров в период постоянной эксплуатации от H_min 71 м и до H_max 113 м, расчетный напор H_p 80,6 м. Зависимость N от H этих гидротурбин представлена линией 1 на фиг. 2.

Как следует из универсальной характеристики гидротурбин PO 115 (предназначена доля работы при максимальном напоре до 115 м), мощность в 710 МВт при расчетном напоре обеспечивается при максимально возможном приведенном расходе 1,18 м³/с. При максимальном напоре 113 м и мощность в 710 МВт обеспечивается при расходе 0,66 м³/с, который значительно меньше максимально возможного приведенного расхода 1,16 м³/с при этом напоре. Вместе с тем при минимальном напоре 71 м и максимальном приведенном расходе при этом напоре 1,18 м³/с обеспечивается мощность только 580 МВт. Таким образом в диапазоне от H_min до H_p мощность повысить невозможно, а в диапазоне от H_p до H_max возможности увеличения мощности не реализуются.

В соответствии с изобретением предлагается установить две группы гидротурбоагрегатов: n₁ и n₂. Первая группа гидроагрегатов n₁ выполнена с гидротурбинами PO 115, которые, учитывая возможности увеличения приведенного расхода в диапазоне от H_p до H_max, спроектированы с форсированием мощности в этом диапазоне до 880 МВт при H_max (линия 2 на фиг.2). Вторая группа гидроагрегатов n₂ выполнена с гидротурбинами PO 90 (предназначена для работы при максимальном напоре до 90 м), которые спроектированы с диаметром рабочего колеса D1 и частотой вращения n, одинаковыми с гидротурбинами PO 115, но их рабочий диапазон напоров простирается от H_min до некоторого промежуточного между H_p и H_max значения H_np, составляющего в данном примере 86 м. В общем случае Н_np определяется из условия того, чтобы при работе гидроагрегатов только группы n₁, за пределами диапазона работы гидроагрегатов группы n₂, суммарная мощность комплекса не уменьшалась по сравнению с той, которая могла бы быть получена, если бы комплекс состоял из 26 одинаковых гидроагрегатов PO 115 с характеристикой 1 на фиг. 2. При этом гидротурбины PO 90 спроектированы для работы с максимальным приведенным расходом 1,224 м³/с во всем диапазоне напоров от H_min до Н_np с мощностью при H_min - 620 МВт, при H_p - 765 МВт и при Н_np - 800 МВт (линия 3 на фиг. 2.).

Количество гидроагрегатов n₁ и n₂ выбрано следующим образом. Как следует из вышеизложенного, приращение единичной мощности гидроагрегата группы n₁ при H_max составляет 880 - 710 = 170 МВт, что составляет примерно 20% единичной мощности. В этой связи около 20% общего числа агрегатов на ГЭС могут быть выполнены как агрегаты группы n₂, которые не эксплуатируются при напорах, больших, чем Н_np. Тогда n₂ = 26•0,2 ≈ 5 и n₁ = = 26 - 5 = 21. При большем формировании мощности гидротурбин группы n₁ число гидроагрегатов этой группы может быть уменьшено, а число гидроагрегатов группы n₂ пропорционально увеличено.

В результате использования комплекса гидроагрегатов с описанным сочетанием групп турбин при постоянной эксплуатации обеспечивается значительное увеличение суммарной мощности в диапазоне напоров от 71 до 86 м, который включает диапазон паводковых напоров.

В таблице наглядно представлены значения суммарной мощности предлагаемого комплекса в сравнении с планируемым ранее комплексом из 26 одинаковых гидроагрегатов.

Кроме увеличения мощности в описанном комплексе повышается среднеэксплуатационный КПД турбин: в группе n₁ за счет увеличения приведенных расходов при напорах от H_p до H_max, а в группе n₂ - за счет более высоких оптимальных приведенных оборотов турбин PO 90. Все это позволяет существенно увеличить выработку электроэнергии на ГЭС в основной период эксплуатации - при проектных показателях. Кроме того, как в прототипе, может быть выработано значительное количество дополнительной электроэнергии за счет начала эксплуатации гидроагрегатов группы n₂ на пониженных напорах, например с 61 м в период заполнения водохранилища до расчетных отметок. Наиболее эффективно использование изобретения для ГЭС с большими холостыми сбросами воды, с большим диапазоном изменения напоров и с относительно большим проектным числом гидроагрегатов.

Кроме того, особо значительно эффективность изобретения проявляется при использовании гидротурбин с одним регулирующим органом: радиально-осевых и пропеллерных. Это позволяет расширить их применение, не ограничивая область использования гидроэлектростанциями с узкими диапазонами колебаний напоров, как это практикуется до настоящего времени.

Использование: в гидроэнергетике. Сущность изобретения: комплекс гидроагрегатов состоит из двух групп с различными параметрами гидротурбин. Одна из этих групп выполнена с использованием гидротурбин, расчитанных на эксплуатацию в диапазоне проектных напоров от минимального до максимального значений и с форсированием единичной мощности от расчетного до максимального значений напоров, а другая группа гидроагрегатов выполнена с использованием гибдротурбин, расчитанных на эксплуатацию в диапазоне напоров от минимального значения до промежуточного между максимальным и расчетным значениями напоров и максимальным приведением расходов в этом диапазоне, большим, чем у турбин первой группы. При этом количество гидроагрегатов второй группы пропорционально степени форсирования единичной мощности гидротурбин первой группы, т.е. чем больше приращение единичной мощности гидротурбин первой группы, тем, больше может быть установлено гидроагрегатов второй группы, отключаемых при указанном заданном промежуточном значении напора. Такой комплекс позволяет сократить холостые сбросы воды в паводковый период и тем самым увеличить в этот период выработку электроэнергии на ГЭС. 1 табл., 2 ил.

Комплекс гидроагрегатов для гидроэлектростанций, состоящий по меньшей мере из двух групп гидроагрегатов с различными параметрами гидротурбин, отличающийся тем, что одна группа гидроагрегатов выполнена с использованием гидротурбин, предназначенных для эксплуатации в диапазоне проектных напоров от минимального до максимального значений с форсированием единичной мощности от расчетного до максимального значений напора, а другая группа гидроагрегатов выполнена с использованием гидротурбин, предназначенных для эксплуатации в диапазоне напоров от минимального значения до промежуточного между расчетным и максимальным значениями напоров и с максимальным приведенным расходом большим, чем у турбин первой группы, при этом количество гидроагрегатов второй группы пропорционально приращению единичной мощности гидротурбин первой группы при максимальном напоре.