СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОТЕЧЕК ЧЕРЕЗ ЗАКРЫТЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 2001 года по МПК G01M3/26 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области гидромашин, преимущественно к гидротурбинам и насос-турбинам (далее по тексту просто гидротурбины) гидроэлектрических и гидроаккумулирующих электростанций, и может быть использовано при их эксплуатации. При эксплуатации гидротурбин весьма важно исправное состояние направляющего аппарата, определяющее величину протечек воды через него в закрытом состоянии. Измерение этих протечек позволяет дать оценку состоянию направляющего аппарата, будь то впервые вводимая в эксплуатацию или уже действующая гидротурбина.

Уровень техники.

Известные способы определения протечек через закрытый направляющий аппарат (далее просто ЗНА) основаны на расчете изменения объема воды в спиральной камере при установленном верхнем затворе или в отсасывающей трубе при установленном нижнем затворе в течение некоторого времени. Смотри, например, "Справочник по эксплуатации и ремонту гидротурбинного оборудования" под ред. Штерн Е.П., Москва, Энергоатомиздат, 1985.

Известен способ определения протечек через ЗНА гидротурбин, основанный на подсчете объема протечек по снижению уровня воды в водоводе. Смотри ОСТ 108.023.16-82 "Аппарат направляющий вертикальных гидротурбин и насос-турбин. Методы определения протечек воды". Для этого перед водоводом устанавливают затвор, уровень воды в водоводе сливают до заранее выбранного прямолинейного участка с постоянным зеркалом. Записывают процесс снижения (подъема) уровня воды на контрольном участке. При испытании необходимо постоянство отметок верхнего и нижнего бьефов. Записанная кривая решается приближенно по методу наименьших квадратов с выделением составляющих протечки через затвор и через ЗНА. Результат при промежуточном напоре приводится к расчетному напору.

Существующий способ определения протечек через ЗНА требует для своего выполнения проведения продолжительных испытаний. Реально выполненные испытания по этому методу занимали не менее 6 ч. Эти испытания требуют вывод гидроагрегата, а для ГАЭС вывод всех гидроагрегатов, из работы. Подсчет объема выбранного контрольного участка из-за сложной геометрии проточного тракта и строительных отклонений содержит значительную погрешность. Полученный на контрольном участке результат замера соответствует промежуточному значению напора и требует приведения к величине полного напора. Достаточно часто, например, при совмещенной конструкции здания ГЭС, необходимого участка с простой геометрией просто нет, и тогда метод становится просто неприменим. Из-за этих сложностей, прежде всего из-за больших затрат времени, в практической эксплуатации ГЭС и ГАЭС определение протечек через ЗНА не производится.

Сущность изобретения.

Целью настоящего изобретения является универсализация способа для условий любой ГЭС, сокращение затрат времени на его выполнение до нескольких минут, повышение точности измерения, снятие ограничений на работу других агрегатов. Тем самым получение эффективного и простого средства контроля (экспресс-диагностики) технического состояния направляющего аппарата без осушения проточной части агрегата.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения протечек через ЗНА, включающем установку перед спиральной камерой или водоводом затвора и подсчет объема протечек по снижению уровня воды на контрольном участке, снижение уровня воды контролируют в аэрационной трубе водовода или спиральной камеры. Другое отличие состоит в том, что в опыте фиксируют момент закрытия затвора, и подсчет протечек ведут для этого момента времени. Опытную кривую снижения уровня воды H(t) представляют аналитически уравнением H=f(t) и находят значение ее производной в момент закрытия затвора, которая является ничем иным, как скоростью снижения уровня воды в аэрационной трубе в момент закрытия затвора. Если ее умножить на площадь сечения аэрационной трубы, получится скорость изменения объема воды в данный момент, то есть протечки через ЗНА.

Наиболее предпочтительной функцией для выражения опытной кривой является экспоненциальная функция вида H=H₀e^-at+H₁. Выведем формулу определения протечек для такого представления уравнения. Величина протечки через ЗНА определяется как отношение изменения объема воды к промежутку времени:
Q= Δ V Δ t.

Применительно к аэрационной трубе Δ V = S Δ H, то есть
Q=S Δ H/Δ t,
здесь S - площадь сечения аэрационной трубы.

Переходя к величине протечки в момент t₀ закрытия затвора:
Q=S dH/dt при t=t₀. (1)
Записанная в опыте кривая H(t) представляет собой начальный участок экспопенциальной кривой, которую удобно представить в виде
H=H₀ e^-at+H₁. (2)
Здесь: H, m - показания манометра на спиральной камере;
H₀, м - действующий напор при испытании;
H₁, м - подпор нижнего бьефа по отношению к измерительному манометру.

Подставляя (2) в (1) и дифференцируя, получим выражение для протечек Q, которое будем использовать для подсчета:
Q=S d(H₀e^-at+H₁)/dt=-S a H₀. (3)
Возможно и графическое определение производной построением на графике касательной к кривой в момент времени закрытия затвора. Производная равна тангенсу угла наклона касательной. Протечка рассчитывается по (1).

Использование аэрационной трубы для контроля снижения уровня воды позволяет:
- сделать способ универсальным для любой ГЭС, так как аэрационная труба является обязательным элементом проточного тракта любой турбины, и поиск участка с постоянной геометрией ниже порога затвора становится ненужным;
- ограничиться изменением уровня воды в пределах аэрационной трубы, и даже ее начальной части, что сводит время испытания к нескольким минутам, поскольку аэрационная труба является первым элементом проточной части, в котором происходит снижение уровня воды после установки затвора, а ее объем несопоставим с объемом водовода или спиральной камеры;
- получить более точный результат благодаря простой форме аэрационной трубы (обычно это труба или прямоугольный канал) и ее небольшим абсолютным размерам, а также исключению необходимости приведения результата к полному напору;
- сократив время испытаний до нескольких минут, снять требование остановки всех остальных агрегатов.

Определение протечек в момент времени, соответствующий закрытию затвора, дополнительно повышает точность измерения и упрощает расчеты, исключая составляющую протечки через уплотнения затвора и необходимость ее определения. Это следует из того, что в момент закрытия затвора уровень воды до и после него одинаков, и, следовательно, протечки воды через него равны нулю.

Определение в опыте момента закрытия затвора повышает точность измерения, так как опытная кривая в этот момент искажена, в большей или меньшей степени, переходным процессом и определение по ней момента закрытия затвора вносит погрешность. Сам момент закрытия затвора легко определяется в опыте, например по указателю положения затвора, по командоаппарату затвора, по давлению масла в гидроприводе и т.п.

Способ принципиально пригоден для любой ГЭС, в то время как известные способы часто имеют ограничения по применимости, определяемые конкретными конструктивными решениями проточного тракта. Так, описанное в примере 2 измерение неисполнимо по способу прототипа из-за отсутствия участка проточного тракта с простой геометрией.

Простота и малые затраты времени делают способ эффективным средством экспресс-диагностики технического состояния направляющего аппарата. Так, реальные испытания насос-турбины РОНТ-115/812-В 630 по методу прототипа занимали свыше 6 ч и требовали остановки остальных четырех гидроагрегатов. Реально имели место случаи прекращения испытаний до окончания их выполнения из-за требования диспетчера о включении агрегатов в работу. Измерение описанным методом занимало не более 5 мин в самом начале испытаний. Это позволяет снять требование об остановке остальных агрегатов ГЭС.

Знание величин протечек через ЗНА позволяет планировать ремонты направляющего аппарата по мере возникновения необходимости в них. Высокая точность измерения позволяет анализировать влияние каких-либо изменений, вносимых при ремонтах для улучшения работы направляющего аппарата. Это снижает затраты на ремонт, снижает потери воды из верхнего водохранилища и увеличивает выработку ГЭС, в особенности ГАЭС.

При длинном водоводе экономится определенное количество воды для выработки электроэнергии, которая раньше терялась при испытании.

Перечень фигур чертежей.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема проведения испытания, а на фиг. 2 и 3 приведены опытные кривые снижения уровня воды в аэрационной трубе во времени, полученные по описанному способу на двух различных ГЭС.

На фиг. 1 показано водоприемное сооружение ГАЭС. Перед водоводом 1 установлен аварийно-ремонтный затвор 2. В аэрационной трубе 3 водовода площадью поперечного сечения S начальный уровень воды H₀ понижается после установки затвора. Давление воды, а значит и ее уровень за аварийно-ремонтным затвором, изменяется манометром 4. Удобно использовать электрический манометр с записью на бумажную ленту изменения давления во времени. Обозначено:
Q_АРЗ - протечка через аварийно-ремонтный затвор;
Q_ЗНА - протечка через закрытый направляющий аппарат.

На фиг. 2, 3 по оси абсцисс отложено общее время испытания t' и время t от момента закрытия затвора t₀. По оси ординат отложено давление воды в водоводе P, МПА и уровень воды в аэрационной трубе H, м.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Возможность осуществления изобретения подтверждается реально выполненными измерениями на действующих гидроагрегатах. Ниже приводится два примера исполнения выполненных измерений.

Пример 1. Определение протечек через закрытый направляющий аппарат насос-турбины типа РОНТ-115/812-В 630, рабочий напор 96-115 м, мощность 217 МВт, с длинным водоводом, аварийно-ремонтным затвором перед ним, двумя аэрационными трубами общей площадью поперечного сечения 3,042 м². В опыте записывали на видеокамеру показания образцового манометра, установленного на спиральной камере турбины, и текущее время при сбросе аварийно-ремонтного затвора. Момент закрытия АРЗ определен с командоаппарата. Кривая изменения уровня воды построена на фиг. 2, время t₀=8 с, отметка нижнего бьефа над манометром спиральной камеры 17,6 м.

Располагая опытной кривой и подставляя ее значения в (2), подбором определяем a=-0,0021, а само уравнение выглядит:
H=105 e^-0,0021t+ 17,6.

Подставляя в (3) все известные величины, находим искомую протечку Q:
Q=-0,0021 • 3,042 • 105 = -0,67 м³/с.

Знак минус указывает на снижение объема воды.

Графическое определение протечек. Проводим касательную a-a к кривой в точке t_o. Тангес угла наклона равен (с графика):
(124,3 - 110)/63=0,227 м/с. Протечки Q по (1) равны:
Q=3,042•0,227=0,69 м³/с.

Пример 2. Определение протечек через ЗНА турбины типа ПЛ-642-В 600, рабочий напор 40-48 м, мощность 102 МВт, установленной в здании ГЭС совмещенного типа с аварийно-ремонтным затвором, размещенным перед аванкамерой спиральной камеры и аэрационной трубой прямоугольного сечения площадью S=2,53 м². В опыте записывали на бумажную ленту изменение давления воды в спиральной камере при сбросе аварийно-ремонтного затвора. Давление измеряли электрическим манометром МЭД-10 и образцовым манометром. Запись вели прибором H-3031-6. Кривая изменения уровня воды построена на фиг. 3, время t₀= 18 с. Из записи процесса видно, что около момента закрытия затвора давление воды выраженно меняется по переходному процессу. Причина этого в конструктивном исполнении уплотнений аварийно-ремонтного затвора. В данном случае они "надувные", в них после закрытия затвора предусмотрена подача воды под давлением, которая в опыте не подавалась. Наличие увеличенных протечек через аварийно-ремонтный затвор дает заметный переходный процесс около точки закрытия затвора.

Поскольку в результате опыта получили экспоненциальную кривую с начальным значением H₀= 47,9 м и установившимся значением H_уст=42,5 м в пределах аэрационной трубы, ее удобно представить уравнением H = H₀е^-at, (H₁= 0), где H=47,9-42,5=5.4 м.

По опытной кривой подбирает a=-0,109, тогда само уравнение получает вид:
H=5,4 e^-0.109t.

Протечки Q через ЗНА определяем по формуле (3):
Q= -S a H₀= -2.53•0,109•5.4= -1,49 м³/с.

Графическое определение протечек. Проводим касательную a-a к кривой в точке t₀. Тангенс угла наклона равен (с графика) 5,4/9,2=0,587 м/с.

Протечки Q по (1) равны:
Q=2,53•0,587=1,48 м³/с.

Нормированное значение протечек через ЗНА для этой турбины составляет 0,7 м³/с. Последующий осмотр направляющего аппарата с осушением проточной части показал нарушение резинового торцевого уплотнения лопаток. То есть подтвердил дефект, на который указывал результат измерений.

Изобретение относится к области практической эксплуатации гидротурбин и насос-турбин на гидравлических и гидроаккумулирующих электростанциях. В способе используют в качестве контрольного участка для измерений снижения уровня воды аэрационную трубу водовода или спиральной камеры, засекают момент закрытия затвора и определяют протечку, умножая площадь сечения аэрационной трубы на производную опытной кривой снижения уровня воды в момент закрытия затвора. Аэрационная труба является идеальным участком для измерения, так как имеет небольшой объем, простую форму, высокую точность исполнения. Момент закрытия затвора является единственным моментом, когда отсутствует составляющая протечки через затвор, поскольку уровень воды до и после него одинаков. Отпадает необходимость нахождения и учета этой составляющей в опыте. Определение протечки в точке закрытия затвора дает мгновенное значение протечки при рабочем напоре и исключает необходимость приведения результата измерений по напору. В результате измерение занимает несколько минут, не налагает ограничений на остальные агрегаты ГЭС, просто в исполнении и более точно. Это делает его чрезвычайно простым и удобным в практической эксплуатации ГЭС и ГАЭС для диагностики состояния направляющего аппарата гидротурбин. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения протечек через закрытый направляющий аппарат гидротурбин, включающий установку перед спиральной камерой или водоводом затвора и подсчет протечек по снижению уровня воды, отличающийся тем, что снижение уровня воды контролируют в аэрационной трубе водовода или спиральной камеры, фиксируют момент закрытия затвора, опытную кривую H(t) выражают аналитически уравнением Н = f(t), определяют производную dH/dt в момент закрытия затвора и рассчитывают протечку как произведение площади поперечного сечения аэрационной трубы на производную dH/dt в момент закрытия затвора. 2. Способ определения протечек через закрытый направляющий аппарат гидротурбин по п. 1, отличающийся тем, что уравнение H(t) выбирают в виде Н = Н₀e^-at + Н₁, где Н₀, Н₁ - постоянные, соответствующие отметкам воды верхнего и нижнего бьефов. 3. Способ определения протечек через закрытый направляющий аппарат гидротурбин по п.1, отличающийся тем, что значение производной dH/dt определяют графически с опытной кривой H(t), проводя касательную к ней в точке, соответствующей моменту закрытия затвора.