Методика обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Селиверстов, Владимир Александрович

• Селиверстов, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Селиверстов, Владимир Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ, МЕТОДОВ ОБОСНОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ГЭУ.

1.1. Состав водопроводящего тракта гидроэнергетических установок, требования, предъявляемые к водоприемным устройствам.

1.2. Конструктивные решения водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ.

1.3. Анализ направлений совершенствования водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ с целью повышения эффективности использования энергии водного потока.

1.4. Методы обоснования основных параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ.

1.5. Обзор результатов экспериментальных исследований водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ.

1.6. Выводы по главе и задачи исследований.

2. МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОДОПРИЕМНО-ВОДОВЫПУСКНЫХ УСТРОЙСТВ ГЭУ.

2.1. Методика обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ на основе метода сравнительной эффективности.

2.2. Методика обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ на основе метода интегрального эффекта.

2.3. Учет насосного режима работы ГЭУ при обосновании параметров водоприемно-водовыпускных устройств.

2.4. Выводы по главе.

3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА В ВОДОПРИЕМНО-ВОДОВЫПУСКНЫХ УСТРОЙСТВАХ ГЭУ.

3.1. Повышение эффективности ГЭУ за счет совершенствования формы элементов водоприемно-водовыпускных устройств.

3.2. Применение потоконаправляющих элементов, повышающих эффективность использования водной энергии

3.3. Уточнение классификации водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ по конструктивным признакам.

3.4. Выводы по главе

4. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРИЕМНО-ВОДОВЫПУСКНЫХ УСТРОЙСТВ ГЭУ.

4.1. Описание установки для исследований физической модели водоприемно-водовыпускного устройства.

4.2. Описание исследованных физических моделей водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ.

4.3. Условия-моделирования и методика проведения исследований физической модели водоприемно-водовыпускного устройства.

4.4. Исследования водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ с применением программы «ANSYS», краткое описание программы.

4.5. Условия моделирования и методика проведения исследований с применением программы «ANSYS».

4.6. Описание моделей водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, исследованных с применением программы «ANSYS».

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРИЕМНО-ВОДОВЫПУСКНЫХ УСТРОЙСТВ ГЭУ

НА МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ.

5.1. Методические исследования водоприемно-водовыпускного устройства ГЭУ с применением программы «ANSYS».

5.2. Результаты исследований водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ с применением программы «ANSYS».

5.3. Результаты исследований водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ на физической модели.

5.4. Анализ результатов исследований водоприемно-водовыпускных устройств для насосного режима.

5.5. Анализ результатов исследований водоприемно-водовыпускных устройств для турбинного режима.

5.6. Анализ неравномерности потока в водоприемно-водовыпускном устройстве ГЭУ.

5.7. Выводы по результатам исследований.

6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОПРИЕМНО-ВОДОВЫПУСКНЫХ УСТРОЙСТВ ГЭУ.

6.1. Пример практической реализации методики обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ.

6.2. Эффективность новых конструкций водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ.

6.3. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок»

В настоящее время важным направлением развития энергетики является повышение эффективности работы электрических станций на основе возобновляемых видов энергии, в том числе гидроэнергетических установок (ГЭУ).

Водопроводящий тракт ГЭУ представляет собой сложный комплекс сооружений (элементов) для забора воды из водоема, подвода ее к гидроэнергетическому оборудованию и последующего отвода. Состав сооружений водопроводящих трактов и их конструкции весьма разнообразны, однако ко всем элементам предъявляется общее требование - обеспечение наименьших потерь напора водного потока, а, следовательно, мощности.

В ответственном элементе водопроводящего тракта средненапорной ГЭУ - в водоприемно-водовыпускном устройстве доля потерь может достигать 25 % всех потерь [33, 40, 41]. Значительные величины потерь обусловлены сложностью конструкции этих устройств, из-за чего в потоке образуются отрывные течения и циркуляционные области. Особенно сложным является течение в водоприемнике-водовыпуске ГАЭС из-за реверсивности его работы. Именно для этих электростанций важно правильно выбрать наиболее рациональные параметры водоприемно-водовыпускных устройств, обеспечивающие наилучшие энергетические характеристики для обоих режимов работы станции.

Таким образом, повысить эффективность ГЭУ можно за счет обоснованного назначения оптимальных параметров элементов водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, а также использования более эффективных конструктивных решений, улучшающих условия работы этих устройств и повышающих их энергетические показатели.

В связи с этим, актуальным направлением исследований в настоящее время является разработка и совершенствование методов техникоэкономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок с учетом особенностей и условий их функционирования, а также разработка, предложений и обоснование применения более эффективных конструкций этих устройств, в которых исключаются или уменьшаются отрывные течения и циркуляционные области, служащие источником повышенных потерь.

Цель диссертационной работы - разработка методики технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок с учетом конструктивных особенностей и условий эксплуатации на основе исследований их конструкций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе анализа конструктивных решений уточнена классификация водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ по направлениям их совершенствования и по конструктивному признаку. В частности, предложено выделить дополнительный подтип водоприемно-водовыпускных устройств, к которому отнесены конструкции, имеющие потоконаправляющие устройства, обеспечивающие исключение (уменьшение) вихревых областей в потоке.

2. Разработана методика технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок с учетом конструктивных особенностей и условий их эксплуатации для современных экономических условий.

3. Предложены и исследованы новые эффективные конструкции водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ: водоприемника (Патент № 2389846), водоприемника-водовыпуска (Патент № 2389847) и водоприемного устройства (Патент № 2392378 и № 87431).

4. На основе экспериментальных исследований получены данные о влиянии параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ и параметров их потоконаправляющих элементов на энергетические характеристики для турбинного и насосного режимов работы.

Практическая значимость исследований состоит в использовании полученных результатов для обоснования основных параметров эффективных конструкций водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ при выполнении проектов строительства или реконструкции водопроводящих трактов ГЭУ.

Anpoöaifiin результатов работы. Основные положения работы докладывались на региональных и международных научно-технических конференциях и совещаниях: Всероссийская XXX научно-техн. конф «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 1999 г.), Международная научно-техническая конференция «Научные проблемы энергетики возобновляемых источников» (Самара, 2000 г.), Международная научно-техническая конференция «Гидротехника и гидроэнергетика: проблемы строительства, эксплуатации, экологии и подготовки специалистов» (Самара, 2002 г.), Miedzynarodowa konferencja naukowa II Okragly stol Hydroenergetyki WislaWolga «Kaskady elektrowni wodnych na rzekach Europy» (Wloclawek, 2004 г.), с 57-ой по 67-ю научно-технические конференции по итогам НИР ГОУ ВПО «СГАСУ».

Реализаг^ия работы. Результаты исследовательской работы внедрены Центральным производством ОАО «Инженерный Центр Энергетики Поволжья» при проектировании новых и реконструкции существующих водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок, а также в учебный процесс ГОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» при выполнении дипломного и курсового проектирования студентов, обучающихся по специальности «Гидротехническое строительство».

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна, сформулированы цель и основные задачи исследований, приведены сведения о личном вкладе автора, практической значимости результатов работы и ее апробации.

В первой главе диссертации приведен аналитический обзор публикаций, отражающих конструктивные решения по водоприемно-водовыпускным устройствам ГЭУ, проанализированы основные направления1 совершенствования водоприемных устройств, повышающие эффективность использования энергии водного потока. Рассмотрены методы обоснования и результаты экспериментальных исследований водоприемных и водовыпускных устройств.

Во второй главе изложена методика обоснования параметров водопри-емно-водовыпускных устройств ГЭУ на основе метода сравнительной экономической эффективности и метода интегрального эффекта.

В третьей главе рассмотрены и охарактеризованы новые конструктивные решения по водоприемно-водовыпускным устройствам ГЭУ, в том числе, предложенные и обоснованные автором, приведена уточненная классификация водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ по конструктивным признакам.

В четвертой главе описываются методики проведения математических и лабораторных исследований, исследованные математические и физические модели водоприемно-водовыпускных устройств, приводятся описание экспериментальной установки для исследований физической модели водоприемно-водовыпускных устройств и условия моделирования.

В пятой главе приведены результаты исследований водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ и их анализ. Описаны результаты этапа методических исследований на математических моделях с применением программного средства «АЫБУЗ» и физических моделях на экспериментальном стенде, а также основных этапов исследований. Приводится анализ полученных результатов исследований водоприемно-водовыпускных устройств для насосного и турбинного режимов ГЭУ.

В шестой главе приведены результаты расчетов по реализации разработанной методики технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств для средненапорной ГЭУ, примеры расчетов энергетической эффективности разработанных автором конструкций водо-приемно-водовыпускных устройств.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты по диссертационной работе.

Публикации. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе в 4 периодических изданиях, рекомендованных ВАК. Имеется 3 патента на изобретения и один патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 125 наименований, в том числе 10 на иностранном языке. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, в том числе 71 рисунок и 4 таблицы. Общий объем работы - 161 страница.

Заключение диссертации по теме «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», Селиверстов, Владимир Александрович

6.2. Выводы по главе

В результате выполненных расчетов по оптимизации параметров водо-приемно-водовыпускного устройства ГЭУ и расчета энергетической эффективности новых конструкций водоприемно-водовыпускных устройств, разработанных с участием автора, можно сформулировать следующие выводы:

1. Разработано программное обеспечение на базе Microsoft Excel для ПЭВМ, с использованием которого выполнены оптимизационные расчеты и получены графики зависимостей АЗ (дополнительных расчетных затрат) и АН (стоимости дополнительно потерянной электроэнергии) от угла установки потолочного элемента Ди от длины водоприемной камеры Ь.

2. Определены« оптимальные параметры для водоприемника-водовыпуска средненапорной гидроэнергоустановки (на примере Загорской ГАЭС). Так для водоприемника-водовыпуска без дополнительных специальных устройств при относительной длина Ь =2//, угол установки потолочного элемента Д- составит 15°-14°, а для водоприемника-водовыпуска с одним дополнительным устройством при Ь =2Н, Д - 22°-21°. При Ь = 5Н, для водопри-емника-водовыпуска без дополнительных специальных устройств, оптимальный угол Д составит 11°-10°, а при той же относительной длине Ь —5Н, но с одним дополнительным устройством, оптимальным угол /3 уже 14°-13°. Для водоприемника-водовыпуска с двумя дополнительными устройствами при Ь = 2Н, Д - около 27°, при одном специальном устройстве Д = 17°-16°, а при двух специальных устройствах оптимальный угол Д составит 14°-12°.

3. Выполнены расчеты энергетической эффективности, для различных режимов работы, новых конструктивных решений водоприемных устройств ГЭУ, разработанных с участием автора: в водоприемника-водовыпуска с автоматически изменяющим толщину разделителем потока, водоприемника с автоматически закрывающимися и открывающимися потоконаправляющими элементами расположенными в пазах, водоприемного устройства с отводящим участком, изменяющим форму сечения. Полученные эффекты подтвердили целесообразность использования новых технических решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ конструкций водоприемно-водовыпускных устройств гидроэнергетических установок, результатов их исследований и методов обоснования параметров, который выявил наличие значительного количества новых разработанных конструктивных решений по этим устройствам, позволяющих повысить эффективность использования энергии водного потока и работы ГЭУ в целом, а также показал необходимость разработки уточненной методики технико-экономического обоснования параметров во-доприемно-водовыпускных устройств, учитывающей их конструктивные особенности и условия эксплуатации. В обоснованиях рекомендовано выделять основные и второстепенные параметры.

2. Уточнена классификация водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ по направлениям развития конструкций, а также по конструктивному признаку. Предложено выделить дополнительное направление совершенствования - комбинированное. При классификации по конструктивному признаку показана целесообразность выделения дополнительного подтипа - с потоконаправляющими устройствами, обеспечивающими исключение (уменьшение) циркуляционных областей в потоке.

3. Разработана методика технико-экономического обоснования параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, позволяющая учитывать конструктивные особенности и местные условия их эксплуатации. При выполнении оптимизационных расчетов на основе метода сравнительной экономической эффективности в качестве критериев оптимизации рекомендовано использовать выражения (2.6) и (2.7) соответственно для обоснования основных и второстепенных параметров водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ. Местные условия эксплуатации предложено учитывать за счет использования «тарифного», «компенсирующего», «потребительского» или «рыночного» метода расчета стоимости потерянной электроэнергии.

4. Разработаны и обоснованы новые конструкции водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ, обеспечивающие исключение (уменьшение) циркуляционных областей в потоке и повышение эффективности работы ГЭУ в турбинном и насосном режимах: водоприемника с изменяющейся формой водоприемной камеры и возможностью исключения влияния пазов; водоприемника-водовыпуска с разделителями водного потока, обеспечивающими изменение раструбности водоприемно-водовыпускной камеры; водоприемного устройства с дополнительными камерами. На предложенные конструкции получены патенты на изобретения.

5. Выполнены комплексные экспериментальные исследования разработанных конструкций водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ на математических и физических моделях, на основании которых определены их наиболее рациональные параметры. Исследованиями выявлено, что: для турбинного режима работы ГЭУ наилучшие энергетические параметры соответствуют углам конфузорности водоприемно-водовыпускной камеры в диапазоне 28°-35°. С уменьшением этого угла увеличивается неравномерность потока на начальном участке камеры, а при его увеличении неравномерность потока возрастает во входном участке водовода; для насосного режима работы наилучшие энергосберегающие условия в водоприемно-водовыпускной камере отвечают углам, составляющим 12°-9°. Большее значение соответствует длине камеры Ь < ЗН, среднее - Ь = (3-7)Н, а меньшее - Ь >7Н. При использовании камер значительной длины рекомендовано применять переменную диффузорность; установка разделителей потока в водоприемно-водовыпускной камере при работе ГЭУ в насосном режиме уменьшает потери напора в водовыпускной камере с большими углами диффузорности. При установке одного разделителя потока оптимальными углами /? являются 16°-20° (для каждой секции 8°-10°), а при размещении двух разделителей - 21°-27° (для секций 7°-9°).

6. С использованием разработанной автором методики выполнен расчет по обоснованию параметров водоприемно-водовыпускного устройства средненапорной ГАЭС, а также проведена оценка эффективности применения предложенных новых конструктивных решений водоприемно-водовыпускных устройств ГЭУ. Расчеты подтвердили целесообразность использования эффективных конструкций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Селиверстов, Владимир Александрович, 2010 год

1. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский // Москва: Наука. — 279 с.

2. Александров М.Г. О проектировании водоприемника-водовыпуска Г АЭС / М.Г. Александров, А.Б. Коновалов // Труды ЛПИ, 1978. № 361. -С.28-30.

3. Альтшуль А.Д. Гидравлические потери на трение в водоводах электростанций /А.Д. Альтшуль, Ю.А. Войтинская, В.В. Казеннов, Э.Н. Полякова// Москва: Энергоатомиздат, 1985. — 104 с.

4. Альтшуль А.Д. Гидравлические потери на трение в трубопроводах / А.Д. Альтшуль // Москва. Госэнергоиздат, 1963. 256 с.

5. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления / А.Д. Альтшуль // Москва: Недра, 1970.

6. Арбузова Т.Б. Как сделать и оформить научную работу или диссертацию (справочное руководство) / Т.Б. Арбузова, В.И. Кичигин, Н.Г. Чумачен-ко // Москва: Ассоциация стр. высш. уч. зав., 1995. С.53-65.

7. Бальзанников М.И. Влияние потоконаправляющих устройств на характеристики установки использующей энергию течения / М.И. Бальзанников, С.В. Евдокимов, Ю.М. Галицкова // Труды НГАСУ, Т.З, № 2(9). Новосибирск, 2000. — С.68-77.

8. Бальзанников М.И. Возобновляемые источники энергии. Аспекты комплексного использования / М.И. Бальзанников, В.В. Елистратов // Самара: ООО «Офорт»; Самарский госуд. арх.-строит. университет, 2008. -331 с.

9. Бальзанников М.И. Гидравлические исследования водовыпуска крупной насосной станции / М.И. Бальзанников, В.В. Елистратов // Сб. науч. тр, Труды ЛПИ, 1986.-№.415.-с. 30-33.

10. Бальзанников М.И. Исследования влияния разделителей потока для применения в водоприемных устройствах гидроэнергетических установок / М.И.Бальзанников, В.А.Селивёрстов // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». 2009. - № 3 (25). - С.199-205.

11. Бальзанников М.И. Новые конструкции и результаты лабораторных исследований водоприемных устройств гидроэнергетических установок / М.И. Бальзанников // Дис. канд. техн. наук. — Л., 1986.

12. Бальзанников М.И. Особенности выбора основных параметров конструкции водовыпускного сооружения секционного типа крупной насосной станции / М.И.Бальзанников, В.А.Селивёрстов // Промышленное и гражданское строительство. 2010. - № 8. - С. 20-22.

13. Бальзанников М.И. Особенности компоновки и оборудования низовых водоприёмников-водовыпусков ГАЭС / Бальзанников М.И, Петро Г.А // Гидротехническое строительство, 1994, № 5, Энергоатомиздат.

14. Бальзанников М.И. Патент 1289954 Российская Федерация, МПК Е02В Водоприемник-водовыпуск гидроаккумулирующей электростанции / М.И. Бальзанников (RU), В.А. Кукушкин (RU), С.Г. Беляев (RU), Ю.С. Васильев (RU), 1987, бюл. № 6

15. Бальзанников М.И. Патент 1622638 Российская Федерация, МПК Е02В Подводящее устройство вертикального лопастного насоса / М.И.Бальзанников (RU), С.Г.Беляев (RU), Е.Д.Куклин (RU), В.В.Кругликов (RU), 1991, бюл. № 3

16. Бальзанников М.И. Патент 1705484 Российская Федерация, МПК Е02В Водовыпуск / М.И. Бальзанников (RU), В.В. Елистратов (RU), A.B. Уча-ев (RU), A.A. Орлова (RU), 1992. Бюл. № 2.

17. Бальзанников М.И. Патент 2068051 Российская Федерация, МПК Е02В Водоприемник-водовыпуск / М.И. Бальзанников (RU), O.A. Козлов (RU), 1996.

18. Бальзанников М.И. Патент 2169229 Российская Федерация, МПК Е02В Водоприемник-водовыпуск / М.И. Бальзанников (RU), С.В. Евдокимов (RU), Ю.М. Галицкова (RU), 2001

19. Бальзанников М.И. Патент 2389846 Российская Федерация, МПК Е02В9/00 Водоприемник /.М.И. Бальзанников (RU), В.А.Селивёрстов (RU). № 2008143016, заявл. 29.10.2008; опубл. 20.05.2010.

20. Бальзанников М.И. Патент 2389847 Российская Федерация, МПК Е02В9/04 Водоприемник-водовыпуск / М.И. Бальзанников (RU), В.А.Селивёрстов (RU). № 2008143011, заявл. 29.10.2008; опубл. 20.05.2010.

21. Бальзанников М.И. Патент 2392378 Российская Федерация, МПК Е02В9/02 Напорный водовод гидроаккумулирующей электростанции / М.И. Бальзанников (RU), В.А.Селивёрстов (RU). № 2009112154, заявл. 01.04.2009; опубл. 20.06.2010.25.