Книга адресована специалистам-гидроэнергетикам, персоналу гаэс, проектировщикам, преподавателям и студентам гидроэнергетических специальностей. Может быть полезна также специалистамэнергетикам

ГИДРоаГРеГаты

Двухмашинный насосотурбинный гидроагрегат состоит только из двух машин – обратимой гидромашины (насосотурбины) и жестко соединенной с ней обратимой синхронной электромашины (гене- ратор-двигатель – ГД). Такие гидроагрегаты называют обратимыми или реверсивными агрегатами, так как их работа в насосном и турбинном режимах происходит при противоположных по направлению вращениях общего вала агрегата. Как правило, двухмашинные гидроагрегаты имеют вертикальное исполнение, которое дает ощутимое снижение объема строительной части машинного здания ГАЭС, упрощает изготовление, монтаж и эксплуатацию основного гидросилового оборудования станции.
Применение двухмашинных гидроагрегатов вместо трех- и четырехмашинных дает возможность снизить общую стоимость ГАЭС не только за счет уменьшения габаритов машинного здания, но и за счет уменьшения на 20–30 % стоимости насосотурбинного и гидромеханического оборудования, подводяще-отводящих водоводов и количества необходимых для гидромашин рабочих и ремонтных затворов.
Создать насосотурбину, которая имела бы максимальный к.п.д. при работе как в насосном, так и в турбинном режиме, сложно, особенно если это связано с необходимостью иметь одинаковую скорость вращения в обоих режимах, так как число оборотов синхронной электромашины определяется числом полюсов. На некоторых ГАЭС установлены двухскоростные генераторы-двигатели, однако широкого применения они не нашли. Важно также, что напор при работе в турбинном режиме будет всегда меньше, чем в насос- ном, так как в первом случае потери в напорных водоводах вычитаются, а в насосном они добавляются. Следовательно, расчетные напоры в турбинном и насосном режимах будут разные. Кроме того, нужно также учитывать, что во многих случаях, особенно на высоконапорных ГАЭС, за период цикла отметки верхнего и нижнего бьефов значительно изменяются, а это приводит к переменным величинам напора и подтопления насосотурбин.
Особенности проектирования обратимых гидромашин проил люстрируем на примере радиально-осевых гидромашин. Очевидно, чтобы обратимая радиально-осевая гидромашина давала достаточно высокие показатели в турбинном и насосном режимах, она должна иметь соответственно подобранную форму лопастей рабочего колеса. Если выбрать форму лопастей и диаметр рабочего колеса по условию оптимальной работы в турбинном режиме, то развиваемый напор в насосном режиме будет меньше, чем в турбинном. Чтобы повысить напор насосного режима, нужно увеличить окружную скорость внешней кромки рабочего колеса, чего можно достигнуть либо увеличением скорости вращения в насосном режиме (возможно в случае применения двухскоростного генератора-двигателя) либо увеличением внешнего диаметра рабочего колеса. Последнее решение приходится принимать, если скорость вращения в обоих режимах одинакова. В результате у обратимых радиально-осевых насосотурбин отношение внешнего и внутреннего диаметров рабочего колеса обычно больше, чем у соответствующих по напору турбин. В первом приближении можно сказать, что диаметр насосного рабочего колеса насосотурбины примерно равен диаметру рабочего колеса турбины вместе с направляющим аппаратом.
Кроме того, поворотные лопатки направляющего аппарата насосотурбины выполняются более толстыми, чем для обычных насоса и турбины, так как они рассчитаны на большие нагрузки и вибра2 ции при переменных режимах работы. Это обстоятельство снижает к.п.д. насосотурбины и способствует возникновению значительных пульсаций и вибраций, что преимущественно проявляется в насосном режиме работы.
Выпуск крупных обратимых гидромашин начался в США практически с 1950 г., а в Европе – спустя 10 лет. В настоящее время суммарная (во всем мире) установленная мощность ГАЭС с обратимыми гидромашинами значительно превышает установленную мощность всех остальных ГАЭС.
Первые обратимые гидромашины были изготовлены на напор менее 100 м, однако этот показатель непрерывно повышался, и уже в 1975 г. для ГАЭС Кош во Франции были изготовлены обратимые многоступенчатые насосотурбины на напор 931 м, а в 1978 г. для ГАЭС Чиота-Пиастра – на напор 1048 м.
Пионером в области изготовления и применения обратимых агрегатов ГАЭС как по количеству, так и по напору, является Япония.
В России первые опыты использования гидромашин в обратимых режимах были проведены в середине ХХ столетия. Во время Великой Отечественной войны были проведены опыты по использованию насосных агрегатов канала Москва–Волга в турбинном режиме для получения дефицитной электроэнергии. Учитывая, что на пяти насосных станциях этого канала суммарная мощность электрических машин составляет 60 МВт, использование агрегатов в качестве источника электроэнергии имело значительный эффект. Поэтому и в последующее время 20 агрегатов на насосных станциях канала использовались в обратимых режимах в течение нескольких десятков лет. К.п.д. насосного гидроаккумулирования при этом составлял 0,57.
В начале 1960-х гг. по поручению «Ленэнерго» бригадой специалистов ОРГРЭС под руководством А. Е. Александрова были проведены опыты по использования гидроагрегатов мощностью 2 и 40 МВт с турбинами поворотно-лопастного типа Свирских ГЭС в насосном режиме. И хотя к.п.д. насосного режима не превышал 40 % при наличии значительной вибрации, была подтверждена принципиальная возможность использования существующих гидроагрегатов ГЭС в обратимых режимах.
Как и на обычных ГЭС, на ГАЭС могут применяться различные типы обратимых реактивных гидромашин: осевые, диагональные, радиально-осевые. Примерный диапазон напоров: для осевых по- воротно-лопастных гидромашин от 3 до 40 м, диагональных – от 30 до 200 м, и радиально-осевых – от 50 до 650 м и выше. При более высоких напорах находят применение многоступенчатые радиальноосевые гидромашины.
В зоне напоров 50–650 м наибольшее распространение на зарубежных ГАЭС получили обратимые гидроагрегаты с классическими одноступенчатыми радиально-осевыми обратимыми гидромашинами, которые имеют сравнительно простую конструкцию рабочего колеса и цилиндрического направляющего аппарата, достаточно хорошие энергетические показатели, но являются относительно тихоходными, крупногабаритными и металлоемкими гидромашинами. Аналогичное решение принято и в отношении обратимых гидромашин Загорской, а также других проектируемых для Европейской части России ГАЭС с напорами около 100 м.
Однако относительная простота конструкции обратимых гидромашин и снижение стоимости ГАЭС имеют и оборотную сторону.
Во-первых, обратимые гидромашины значительно уступают трехмашинным по маневренности, так как необходимость изменения направления вращения вала обратимого агрегата при переходе из насосного режима работы в турбинный и обратно требует полной его остановки с принудительным торможением и последующим разворотом в обратном направлении.
Во-вторых, к.п.д. обратимых гидромашин, как правило, на 1–3 % ниже по сравнению с трехмашинными агрегатами. Дело в том, что максимальное значение к.п.д. обратимых гидромашин в турбин ном и насосном режимах может быть достигнуто, если обеспечить в турбинном режиме больший (на 10–15 %) напор или меньшую на (10–15 %) частоту вращения, чем в насосном режиме. Если первое условие для ГАЭС практически невыполнимо, то двухскоростные обратимые агрегаты на некоторых современных ГАЭС применяются (например, ГАЭС Бремм, Германия).
В-третьих, при напорах 200–350 м и более радиально-осевая насосотурбина выполняется как центробежный насос, который, однако, для возможности работы в турбинном режиме делается одноступенчатым и к тому же оборудуется направляющим аппаратом с подвижными лопатками. В случае «чистого» центробежного насоса у трехмашинного агрегата опасность кавитации может быть уменьшена путем выполнения гидромашины двух- или многоступенчатой. Поскольку для обратимых агрегатов этот вариант исключен, одноступенчатую насосотурбину для достижения требуемой высоты всасывания в насосном режиме необходимо располагать значительно ниже по сравнению с обычной гидротурбиной. Кроме того, в насосном режиме, особенно во время пуска, возникают значительные вибрации подвижных лопаток направляющего аппарата.
В-четвертых, у обратимых гидроагрегатов, в отличие от трехмашинных, нельзя произвольно выбирать величину соотношения между мощностями агрегата в насосном и турбинном режимах работы. Это отношение ограничивается пределами 0,8–1,2 и определяется следующими условиями: ограничения, связанные с гидравлической формой рабочего ко-
леса насосотурбины; при заданном типе рабочего колеса зона рабочих точек насосотурбины ограничивается частотой вращения и диаметром ее рабочего колеса; ограничение открытия направляющего аппарата в насосном ре-
жиме.
В-пятых, по сравнению с трехмашинными агрегатами, пускаемыми в насосный режим собственной гидротурбиной, для обратимых агрегатов возникают трудности, связанные с пуском в насосный режим, которые возрастают с увеличением единичной мощности агрегата.
Ниже рассмотрены примеры применения обратимых гидромашин различных конструкций на некоторых ГАЭС.
На эксплуатируемой в США ГАЭС Рэккун Маунтин (рис. 14.1) установлено четыре обратимых агрегата единичной мощностью 400 МВт при напоре 320 м и частоте вращения 300 об/ мин.