Особенности применения на малых ГЭС насосных агрегатов в качестве турбинных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.10, кандидат технических наук Тобар Коронель, Родриго Патрисио

• Тобар Коронель, Родриго Патрисио
• кандидат технических наук
• 1993

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тобар Коронель, Родриго Патрисио

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ

1.1 Перспективы развития строительства МГЭС в

различных странах

1.2 Состояние и проблемы сооружения малых ГЭС в Эквадоре

1.3 Возможности и особенности использования на

малых ГЭС насосов вместо турбин

1.3.1 Характеристики насосов и способы их представления ,„„.,„..„„„

1.3.2 Основные характеристики электродвигателей, применяемых для привода насосов и возможность их использования в качестве генераторов

1.4 Задачи работы

1.5 Выводы

2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И КАВИТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАСОСНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ РАБОТЕ В ТУРБИННОМ РЕЖИМЕ

2.1 Исследования показателей насосных агрегатов в

турбинном режиме

2.2 Особенности подбора насосного оборудования для работы

в качестве турбин на малых ГЭС

2.3 Построение эксплуатационных характеристик насосных

агрегатов, используемых в качестве турбин

2.4 Применение мультипликаторов для согласования частот вращения гидравлической и электрической машин

2.5 Кавитационные характеристики насосов при работе

в турбинных режимах

2.5.1 Состояние вопроса

2.5.2 Связь между коэффициентами быстроходности

и кавитации

2.5.3 Анализ результатов кавитационных исследований

модели насос ОПВ-Ш в турбинных режимах

2,6 Выводы

3,1 СПЕЦИФИКА ВОДНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ МАЛЫХ

ГЭС С НЕРЕГУЛИРУЕМЫМИ АГРЕГАТАМИ

3.1 Общие положения

3.2 Режимы работы агрегатов МГЭС при сработке

водохранилища

3.3 Работа МГЭС при форсировке уровня в водохранилище

3.4 Режимы работы МГЭС при наполнении водохранилища

3.5 Аналитические расчеты выработки энергии при условии остановки станции в фазе наполнения водохранилища

3.6 Расчет выработки энергии в случае работы агрегатов

при наполнении и сработке водохранилища ,.,.,

3.7 Программирование на ЭВМ водноэнергетических

расчетов МГЭС

3.8 Комплексный анализ энергетических параметров МГЭС, оборудованной насосными ^регатами..

работающими в турбинных режимах

3.9 Влияние санитарных попусков на условия работы МГЭС

3.10 Выводы

4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В МАЛЫХ ГЭС ПРИ

УСТАНОВКЕ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ В КАЧЕСТВЕ ТУРБИННЫХ

4.1 Общие положения

4.2 Переходные процессы на МГЭС с осевыми насосами

4.3 Переходные процессы на МГЭС с центробежными насосами

4.4 Переходные процессы на МГЭС с диагональными насосами

4.5 Методы расчета и основные уравнения, описывающие переходные процессы в гидроэнергетических установках.

Исследования сбросов нагрузки

4,5.1 Общая часть

-44,5,2 Решение уравнений движения воды в водоводах

установки методом характеристик

4.5.3 Граничные условия на входе в трубопровод с учетом характеристик рабочего колеса гидромашины и

затвора. Уравнение вращения агрегата

4.5.4 Уравнение вращения агрегата

4.5.5 Программа для ЭВМ по расчету переходных процессов

4.6 Результаты исследований на ЭВМ процессов, связанных

с отключением агрегатов от сети

4.6.1 Основные задачи, решенные при расчетах

4.6.2 Представление результатов расчетов

4.6.3 Результаты расчетов сбросов нагрузки в установках

с центробежными насосами

4.6.4 Результаты расчетов процессов сбросов нагрузки

в установках с диагональными насосами

4.6.5 Результаты расчетов сбросов нагрузки установок с высоконапорными осевыми насосам

4.6.6 Результаты расчетов сбросов нагрузки установок с низконапорными осевыми насосами

4.7 Выводы

5. ПУСКИ АГРЕГАТОВ

5.1 Общие положения

5.2 Описание программного комплекса

5.3 Основные уравнения, использованные в

математической модели

5.3.1 Уравнения открытия затвора

5.3.2 Уравнения наполнения трубопровода и напора турбины

5.3.3 Уравнение частоты вращения агрегата

* 5.4 Основные допущения, сделанные в модели

5.5 Исследование гидравлического пуска агрегатов

5.5.1 Анализ условий протекания гидравлического пуска

5.5.2 Исследования пусков осевых насосов

5.5.3 Пуск центробежных насосов открытием затвора на водоприемнике

5.5.4 Пуски агрегатов с центробежными рабочими колесами с открытием затвора перед

гидромашиной

5.6 Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЛ. Текст программы водноэнергетических расчетов на ЭВМ

для МГЭС с насосными агрегатами

П.2, Варьируемые параметры водноэнергетических расчетов МГЭС с насосными агрегатами и результатаы расчетов

на ЭВМ по разработанной программе

П.З. Текст программы расчетов переходных процессов на

ЭВМ для MTX с насосными агрегатами

П.4. Исходные данные и алгебраические выражения

составляющие диаграмму рис. 5.1

П.5. Исходные данные и алгебраические выражения

составляющие диаграмму рис. 52

П.6. Исходные данные и алгебраические выражения

составляющие диаграмму рис. 5.3

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности применения на малых ГЭС насосных агрегатов в качестве турбинных»

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия возникла необходимость использования гидроэнергетических ресурсов малых рек. Это вызвано заметным исчерпанием ресурсов крупных водотоков, ужесточением требований к поддержанию экологического равновесия и охране окружающей среды, трудностями энергоснабжения потребителей, изолированных или удаленных от магистральных электросетей. Во многих промышленно развитых, а также развивающихся странах ведутся работы по сооружению малых ГЭС (МГЭС), предназначенных для снабжения электроэнергией сельскохозяйственых предприятий и населения. Важным фактором, стимулировавшим внедрение этих установок, был рост цен на нефтепродукты, в результате чего значительно снизилась конкурентноспособность ранее широко применявшихся в сельских районах дизельных электростанций.

Как и в большинстве развивающихся стран, в Эквадоре существует проблема с выпуском основного оборудования для МГЭС. Страна не обладает большими возможностями для закупок его на валюту за рубежом, а развитие промышленности требует прироста энергетического потенциала. Отметим, что если для крупных ГЭС стоимость гидросилового оборудования составляет 12-201 от общей суммы капиталовложений, то для малых ГЭС этот показатель достигает 50-60:1,

В специальной литературе обсуждается вопрос о возможности и имеются примеры использования в качестве гидротубинных насосных агрегатов. При этом стоимость последных оказывается в 3-4 раза меньше, ввиду налаженного серийного их производства в больших количествах.

Таким образом, возможность использования на малых ГЭС в качестве турбинного - насосного оборудования, выпускающегося во всем мире по гораздо большей номенклатуре и имеющего в связи с этим гораздо меньшую стоимость, является актуальной.

Целью настоящей работы является обобщение данных и разработка

\ \

конкретной методики подпора насосных агрегатов для работы в турбинных режимах на МГЭС, анализ особенностей, связанных с отсутствием оперативных регулирующих органов гидромашин, которые должны учитываться при проведении водноэнергетических расчетов, назначении режимов эксплуатации, в том числе и при пусках, остановках, в процессах сбросах нагрузки.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

проанализировать современное состояние развития малой гидроэнергетики и обосновать возможность применения на МГЭС насосов вместо турбин;

разработать методику, позволяющую осуществлять при проектировании подбор насосов для работы в турбинных режимах на МГЭС на основе анализа и обобщения энергетических, кавитационных и других показателей насосного оборудования;

- разработать и усовершенствовать методы выполнения водноэнергетических расчетов МГЭС с учетом специфики нерегулируемых агрегатов, алгоритмы и программы расчетов на ЭВМ переходных процессов;

- изучить особенности неустановившихся режимов насосных агрегатов при их работе в турбинных режимах;

- выполнить анализ и обобщение результатов и дать рекомендации по рационализации основных переходных процессов в МГЭС при установке насосных агрегатов в качестве турбинных.

К числу новых результатов, изложенных в диссертации, следует отнести.

- получение областей применения по расходам и напорам насосов в качестве турбин, методах определения их показателей и ограничений по использованию,

- разработка методики водноэнергетических расчетов суточного регули-рования, учитывающей специфические особенности режимов работы MTX с нерегулируемыми насосными агрегатами;

- получение результатов расчетов на ЭВМ для определения выработки электроэнергии и количества пуско-остановочных операций, базирующихся на использовании календарных рядов среднесуточных расходов притока, эксплуатационных расходнонапорных характеристик, учете санитарных попусков в НБ.;

- получение результатов и зависимостей переходных процессов пуска и сбросов нагрузки МГЭС с насосным оборудованием, а также технологии их проведения.

Результаты исследования использованы в проекте реконструкции Добромыслянской МГЭС при состовлении "Временные рекомендации по использованию насосных агрегатов в качестве энергетического оборудования малых ГЭС", М.: Информэнерго, 1990. Ф На защиту выносятся:

1. Результаты исследований областей по расходам и напорам применения насосов в качестве турбин, методы определения их показателей и ограничений по использованию;

2. Методика водноэнергетических расчетов суточного регулирования, учитывающая специфические особенности режимов работы и ограничения характерным для МГЭС с нерегулируемыми насосными агрегатами;

3. Аналитические зависимости и алгоритм водноэнергетических расчетов на ЭВМ для определения выработки электроэнергии и количества пуско -остановочных операций, базирующиеся на использовании календарных рядов среднесуточных расходов притока, эксплуатационных расходнонапорных характеристик, учете санитарных попусков;

4. Результаты анализа данных водноэнергетических расчетов МГЭС с « нерегулируемыми насосными агрегатами и рекомендации по режимам

работы станции в фазах наполнения и сработки водохранилища;

5. Результаты анализа и расчетов переходных процессов пуска и сбросов нагрузки МГЭС с насосным оборудованием, а также рекомендации по технологии их проведения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 104 наименований и приложений.

Автор пользуется возножностью выразить признательность научному руководителю профессору, д. т. н. Н. Н. Аршеневскому и научным консультантам к. т. н. Б. Б. Поспелову, и к. т. н. О. А. Муравьеву, заведующему лабораторией динамики напорных систем и гидроагрегатов к. т. н. В. В. Берлину, коллективу кафедры исползования водной энергии за постоянное внимание и помощь в работе над диссертацией.

Ь МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ

1.1 Перспективы развития строительства МГЭС в различных ! V ч странах

»4- /

В последние десятилетия во всем мире возрос интерес к использованию гидроэнергетических ресурсов малых и средних рек, что вызвано заметным исчерпанием ресурсов крупных рек, ужесточением требований к поддержанию экологического равновесия и охране окружающей среды, трудностями энергоснабжения изолированных энергопотребителей от магистральных электросетей. Во многих промышленно развитых капиталистических, а также развивающихся странах ведутся работы по использованию энергии малых водотоков. К ним относится прежде всего сооружение малых ГЭС, предназначенных для снабжения электроэнергией сельскохозяйственых предприятий и населения. Важным фактором, стимулировавшим внедрение этих установок, был рост цен на нефтепродукты, в результате чего значительно снизилась конкурентноспособность ранее широко применявшихся в сельских районах дизельных электростанций [481.

Использование имеющегося гидроэнергетического потенциала приобретает исключительно важное значения для развивающихся стран. Например, доля ГЭС в общей выработке электроэнергии по странам Южной Америки составляет (%): в Бразилии - 93, Коста Рика — 85, Гондурасе - 80, Боливии - 78, Перу - 76, Мексике - 40, Венесуэле - 40, Эквадоре - 32.

Раньше, когда энергия, получаемая на дизельных электростанциях, была сравнительно дешевой, при составлении национальных программ электрификации сельских районов недооценивалась возможность использования энергетического потенциала небольших рек и водотоков.

В настоящее время в этих странах предусматривается оценка эффективности створов ГЭС малой мощности, использование которых раньше считалось нецелесообразным.

Большой интерес к решению проблем снабжения электроэнергией сельскохозяйственных районов путем строительства небольших ГЭС проявляют и промышленно развитые капиталистические страны. Этот факт приобретает особое занчение, если учесть, что более 80% гидроэнергетического потенциала (в основном за счет использования энергии круных рек) этой группой стран уже практически исчепарно. Так например, в Норвегии, из 1818 действовавших в 1944 г. гидростанций мощностью менее 1 МВт к 1979 в эксплуатации осталось 250. Однако в связи с резким ростом цен на топливо, существенным увеличением стоимости строительства ТЭС и другими факторами интерес к ГЭС малой мощности вновь возрос. В той же Норвегии из оставшихся 250 гидростанций мощностью менее 1 МВт в течение 1979 г. были получены разрешения на строительство около 500 ГЭС мощностью от 300 кВт до 10 тыс. кВт и годовой выработкой электроэнергии приблизительно 6 млн. кВт.ч, что составляло на тот год 1% гидроэнергетического потенциала страны [24].

Наиболее полное исследование возможностей МГЭС на современном уровене развития энергетики проведено в США, где первое подробное описание возможностей малой гидроэнергетики было проведено в 1977 г. корпусом военных инженеров, который обследовал свыше 49500 существующих малых гидроузлов различного назначения; только 1372 из них имели в своем составе ГЭС. Проведенные расчеты показали, что строительство малых ГЭС в составе существующих гидроузлов с потенциалом створа до 5 МВт может увеличить установленую мощность

"(й 'С 'iti-t- )

электростанции страны на 26600 34Вт. Если же предусмотреть возможность сооружения MTX в новых створах, то потенциал малой гидроэнергетики составит 200 тыс. МВт, что почти в два раза больше гидроэнергетического потенциала США, оставшегося для использования крупными ГЭС. Базируясь

на полученных данных, в США считают возможным довести мощность МГЭС уже к 2000 и 2020 годам до 20000 и 50000 МВт, На уровне 2000 г, МГЭС должны обеспечивать 25-50% бытового электропотребления страны и значительно сократить расход органического топлива на производство электроэнергии.

В числе мер поощрения строительства малых ГЭС было решение предоставить ссуды для разработки проектов и получения лицензий на строительство малых ГЭС, установлен более простой и быстрый порядок получения лицензий на их строительство (проекты ГЭС мощностью менее 5 МВТ вообще освобождены от необходимости получения лицензий), урегулирован вопрос подключения малых ГЭС к энергосетям, установлены цены на электроэнергию, продаваемую владельцам ГЭС. В 1980 г. все эти положения, действовавшие только для ГЭС мощностью до 5 МВт, были распространены на ГЭС мощностью до 30 МВт.

Результатом принятия указанных решений явилось резкое увеличение количество заявок на строительство малых ГЭС [58, 1001: если в 1976 было подано 12 заявок, в 1977 г, - 18, 1978 г. - 36, в 1979 г. - 114 заявок (суммарной мощностью ГЭС 6200 МВт), то за период с января по май 1981 г. -819 заявок суммарной мощностью ГЭС 21800 Мвт). Всего за 1981 г. было подано 900 заявок.

В настоящее время доля ГЭС в общем объеме производства электроэнергии в США составляет 12.5%, причем значительная часть ее вырабатывается на ГЭС малой мощности. По оценке Федеральной энергетической комиссии США, в настоящее время в стране существует экономически целесообразная возможность увеличения производства электроэнергии на ГЭС еще на 40%. При этом существенная доля электроэнергии будет выработаться на малых ГЭС.

Учитывая важное значение развития строительства ГЭС малой мощности, правительство США в 1980/81 и 1981/82 финансовые годы

выделило на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторных работ в этой области соответственно 7.2 млн. и 2 млн. дол. [58].

В Италии в ближайшие 10 лет предполагается построить значительное количество малых ГХ. Кроме того, ведется изучение 314 ГЭС (в том числе и остановленных) в целях выявления возможности установки на них современного оборудования [82].

Во Франции выработка электроэнергии на ГХ малой мощности в 1977 г. увеличивалась по сравнению с 1963 г. в 4.5 раза и составила 1839 млн. кВт.ч при общей установленной мощности 491 МВт [58]. В 1980г. при участии французкой электроэнергетической компании "Электрисите де Франс" была подготовлена программа сооружения к 1987 г. восьми малых ГЭС на реке Мозель суммарной установленной мощностью 37 МВт. Помимо увеличения годового производства электроэнергии на 180-200 млн. кВт.ч с сооружением этих ГХ создано водохранилище объемом 50 млн. м3 для комплесного использования гидроресурсов рек Мёрт и Мозель. Затраты на осуществление этой программы оцениваются в 500 млн. фр. (около 70 млн. дол.).

В Бельгии в 1980-1981 гг. введены в эксплуатацию ГЭС Энден мощностью 10.2 МВт (3*3.4 МВт) и Ликсе мощностью 23.3 МВт (4*5.8 МВт), на которых установлены прямоточные агрегаты типа "страфло", изготовленные бельгийской фирмы "Ателье де конструксьон электрик де Шарлеруа" по лицензии фирмы "Эшер-Висс" (Швейцария). Выбор оборудования для электростанций определялся требованием предельного сокращения затрат на строительство за счет сооружения здания ГЭС минимальных размеров и использования унифицированных агрегатов. Установка пропеллерных турбин позволила снизить эксплуатационные расходы [58].

В Австрии в настоящее время насчитывается 1300 малых ГЭС общей мощностью 370 МВт. В то же время, не использованый потенциал малых рек оценивается в 400-600 МВт. Крупнейшая энергоснабжающая компания Австрии "Неваг" намерена благодаря использованию энергетического потенциала малых рек увеличить долю ГЭС в своей системе с 5 до 20%.

В Испании принято решение о вводе в эксплуатацию ИЗ малых ГХ суммарной мощностью 110 МВт с годовым производством электроэнергии 355 млн. кВт л. [48]. Принятый план строительства и реконструкции малых ГЭС является составной частью более широкой программы по сооружению ГЭС общей мощностью 1940 МВт, суммарная годовая выработка которых (при среднегодовом числе часов работы 5400) будет эквивалентна производству электроэнергии на двух сооружаемых в настоящее время АЭС.

В Канаде наряду с продолжением сооружения крупных ГЭС изучается возможность строительства ГЭС малой мощности, в частности в отдаленных и труднодоступных районах, где в настоящее время используются дизельные электростанции, стоимость топлива для которых довольно высока [58].

В Японии в период с 1980 по 1984 г. проводилось обследование гидроэнергетического потенциала страны. Подчеркивается необходимость развития строительства ГХ малой мощности в целях дальнейшего снижения потребления нефти. В настоящее время используются около 2/3 гидроэнергетического потенциала страны. В ближайшие 10 лет должно быть освоено 669 створов. Затраты на осуществление проектов их освоения оцениваюся около 18 млрд. дол. в ценах 1980 г. [58]. Одной из ведущих японских фирм в области производства оборудования для малых ГЭС является электротехническая компания "Хитачи".

В развивающихся странах использование ГЭС малой мощности рассматривается как важная часть программ электрификации отдаленных и труднодоступных районов страны.

В настоящее время в ООН осуществляется широкая программа строительства малых ГЭС для 42 развивающихся стран. Уже подготовлены проекты 41 малой ГЭС мощностью 100-150 кВт в Малайзии, создается программа сооружения малых ГЭС для Филиппин и Таиланда [84].

В 1982 г. французкие компании "Кжээальстом" и "Нейрпик" получили из Бразилии заказ на поставку оборудрования для шести мини ГЭС общей установленной мощностью 12.74 МВт.

B Колумбии реализуется план сроительства 56 МГЭС N=50-5000 кВт.

В Индии предполагают использовать опыт КНР при сооружении ГЭС малой мощности (в том числе микро-ГЭС) в штате Махараштра. В начале намечено построить две опытные электростанции, затраты на каждую из которых на должны превышать 2млн. инд. руп. В дальнейшем каскад таких ГЭС может быть создан при строительстве ирригационных систем.

В КНР технический гидроэнергетический потенциал составляет 370 тыс. МВт, из которых 150 тыс. МВт, или 40%, может быть получено на малых ГЭС. С 1949 г. малые реки начали использоваться для ирригации а затем и в других целях. В КНР к малым относят ГЭС мощностью до 12 МВт с единичной мощностью агрегатов не более 6 МВт. Таких ГЭС в КНР к началу 1980 г. построено 89 тысяч сумарной мощностью 6.3 млн МВт с годовой выработкой электроэнергии 11 млрд кВт.ч, что обеспечивало нужды сельского хозяйства на 35%. Общая мощность ГЭС страны составляла к тому времени 19.45 тыс. МВт. Строительство, эксплуатация и потребление электроэнергии осуществляется, как правило, в пределах одного района, вследствие чего большинство малых ГЭС работают на изолированную нагрузку. В целом по стране в год вводятся в эксплуатацию ГЭС суммарной мощностью в среднем 1000 МВт. Гидроузлы сооружаются многоцелевого назначения: для ирригации, борьбы с наводненями, обеспечения навигационных условий, лесосплава, нужд бытового хозяйства. Установленная мощность агрегатов обычно выбирается из условия работы их в течение всего года.

Дополнительные агрегаты для использованной сезоной мощности добавляются лишь при возможности их работы в течение не менее 2000 ч. в год.

Учитывая большой опыт КНР в строительстве малых ГЭС, ООН заключила с ней соглашение о строительстве специального международного центра по исследованию развития малых ГЭС, а также обучению персонала для их обслуживания, который создан в городе Ханьчжоу.

В конце 1982 г. заключен контракт с Филиппинами на поставку 100 малых агрегатов суммарной мощностью 8 Шт. В Новую Зеландию поставлено несколько агрегатов по 100 кВТ, в Перу - 22 агрегата мощностью от 55 до 320 кВт [833.

В Перу между электроэнергетической компанией "Электроперу" и английской гидроэнергетической копанией "Бельфор Битли энджиниринг лтд" в 1982 г. заключен контракт общей стоимостью 25,6 млн. ф. ст. на проектирование и строительство малых ГЭС в отдаленных горных районах страны [93].

1.2 Состояние и проблемы сооружения малых ГЭС в Эквадоре

Республика Эквадор - аграрно-индустриальная страна на северозападной части Южной Америки. Население Эквадора составляет 11 млн. человек и распределяется в трех разных по свом характеристикам зонах: Коста или побережье; Сьерра или долины между Андами; Восток или джунгли, (рис. 1.1). Гидравлические ресурсы Эквадора значительны и мало использованы. В целях экономии жидкого топлива, сохранения окружающей среды, повышения уровня жизни населенных пунктов далеких от городов в настоящее время изучается возможность по разработке и реализации проектов использования гидроэлектрического потенциала малых рек нашей страны.

Эквадорский институт электрификации (ИНЕСЕЛ), разрабатывающий проблему электрификации страны установил, что для многих районов страны, особенно предгорья Анд и района Амазонии, практически лишенных возможности пользоваться электроэнергией (что сдерживает их экономический рост), строительство малых ГЭС является одной из альтернатив развития энергетики. Это объясняется наличием в этих районах малых рек, большой стоимостью ЛЭП при получении энергии от крупной ЭС, возросшей стоимостью топлива и обслуживания ТЭС.

Рис, 1,1 Карта-схема размещения МГЭС в Эквадоре (проект),

Этот институт установил методом последовательного отбора первоочередные объекты строительства малых ГЭС на основе учета следующих факторов: выявление областей и селений, не имеющих электроснабжения (260 мест); наличие основных данных для подбора ГЭС (отбор 62 возможных объектов); транспортная доступность намечаемого объекта (34 ГЭС); наличие исходных данных для проектирования ГЭС (12 мест); выбор первоочередных ГЭС (6 ГЭС).

Эти работы были закончены в 1981 г. В 1982 г. началась реализация этого плана, предусматривавшего строительства ГЭС установленной мощностью от 30 до 400 кВт.

На рис. 1.1 и в табл. 1.1 показаны местонахождение проектируемых ГЭС и их основные параметры. Для некоторых из них представляется возможным использовать насосы в качестве гидросилового оборудования вместо турбин.

Как и в большинстве развивающихся стран, в Эквадоре существует проблема с выпуском основного оборудования для МГЭС. Наша национальная машиностроительная промышленность пока не в силах выпускать оборудование необходимое для строительства МГЭС. В то же время, страна не обладает большими возможностями для закупок на валюту за рубежом, а развитие промышленности требует прироста энергетического потенциала.

Отсюда, по нашему мнению, следует рассмотреть возможность использования на малых ГЭС в качестве основного насосное оборудование, выпускающееся во всем мире в гораздо большей номенклатуре и имеющее в связи с этим гораздо меньшую стоимость.

Правильная оценка стоимости оборудования-весьма важный фактор влияющий вообще на начало обсуждение проекта сооружения той или иной МГЭС. Тем более, что распределение затрат на сооружение МГЭС существенно отличается от такового для крупной ГЭС. На рис. 1.2 показаны распределения затрат на крупной и малой ГЭС [98]. Как видно на МГЭС затраты на основное оборудование составляют до 60% от стоимости всего

Таблица 1,1

Некоторые проектируемые МГЭС в Эквадоре, где могут быть использованы насосы в качестве турбин.

№ Река Расход ?=%% мУс Напор брутто Н, м Мощность М, кВт

1 Бланко 0.67 30 141

2 Сантьяго 0.72 100 570

3 Пита 0.90 20 126

4 Уеле 1.30 20 182

5 Интаг 1.50 40 420

6 Хатункама 0.70 40 196

7 Ангамарка 0.80 40 280

8 Ангамарка 1.50 40 420

9 Ангамарка 1.30 40 364

10 Пилало 2.00 110 1700

11 Каньи 0.60 35 147

12 Катамаё 6.00 11 462

13 Аламор 0.60 90 378

14 Оньа 0.60 26 100

15 Пукул 0.80 40 235

16 Луис 1.90 45 600

17 Калера 2.00 30 420

18 Якутаса 1.00 20 140

19 Сардинас 1.40 20 200

20 Санта Роса 2.40 20 360

21 Сардинас 0.90 40 300

Чико

22 Камбана 1.50 30 335

23 Вальядолид 1.00 29 200

24 Исиманчи 1.50 16 200

25 Лумбаки 1.20 41 400

Рис, 1.2 Сравнение распределения стоимости а) крупной ГЭС мощностью 626 МВт при напоре 16 м и б) малой ГЭС мощностью 1.5 МВт при напоре 14 м. Стоимость, %: П -проектирование и руководства строительством, С - строительно-монтажные работы, О - оборудование и поставки.

Дол. (США)/кВт

3000 2000 1000

о

0 200 400 600 800 1000 кВт

Рис. 1.3 Сопостовление удельной стоимости МГЭС с обору-

дованием турбин (Норвегия -1,2,3), насосов (Австрия -4, 5, 6) для напоров 10, 25, и 100 м, (Россия -7) для всех напоров.

сооружения. Аналогичные даные имеются и в [49], где затраты на оборудование оцениваются 35-55% от стоимости всего оборудования.

На рис. 1.3 показано сравнение удельных показателей МГЭС на базе турбинного оборудования [98], австрийских проработок на базе насосов [A3] и проработок настоящей работы для российского насосного оборудования (по данным заводов-изготовителей).

Как видно из приведенного графика, МГЭС на базе насосного оборудования получается в 4-5 раз дешевле, чем с использованием гидротурбин. Это обстоятельство делает такие MTX конкурентноспособными в условиях Эквадора.

1.3 Возможности и особенности использования на малых ГЭС

насосов вместо турбин

Принципиальная возможность. Лопастные гидромашины принципиально обратимы, что вытекает из анализа и сопоставления уравнений Эйлера для насосов и турбин [42]. Свойства обратимости проявляется при изменений направлений вращения рабочего колеса и расхода воды, и практически используется в насос-турбинах (обратимых гидромашинах) Г АЭС.

В работе обычной насосной установки возникают режимы, когда насос работает как турбина, например при отключении двигателя от электросети. Если в трубопроводе отсутствует (или не сработал) обратный клапан или другое запорное устройство, то поток, изменив направление и двигаясь от верхнего бьефа к нижнему, будет вращать также и насос. С того момента переходного процесса, когда первоначальные направления и расхода, и вращения изменяются на противоположные, насос работает как турбина, а возникающий на его валу вращающий момент затрачивается на увеличение скорости вращения до разгонных значений.

Исследования работы насосов в качестве турбин начались в 30-е годы, хотя явление обратимости было известно давно [31. Первые результаты по центробежным насосам опубликованы Тома, Криттреге и Кнаппом [99, 89, 90].

В последние десятилетия эта тема продолжает быть актуальной, о чем говорит значительное количество докладов на конференциях по насосам в 1984 г. в Карлсруэ (ФРГ) [86, 81, 87]. В России эти исследования проводятся в МИСИ в содружестве с рядом заводов и институтов.

Преимущества. Для использования в качестве турбин могут применятся почти все виды насосов. Перечислим основные преимущества, вытекающие из такого подхода:

- значительная более низкая стоимость ГХ по сравнению с турбинами (см. рис. 1.2);

- обширная номенклатура серийных насосов и покрываемый ею большой диапазон по напорам и расходам;

- большой выбор конструкций насосных агрегатов - с вертикальным или горизонтальным валом, в стандартном или моноблочном исполнении, обычные и погружные - с утопленным насосом и двигателем, двухпоточные многоступеньчатые на высокие напоры и т. д;

- разнобразие материалов, из которых изготовлены насосы (для агрессивных сред, для химических производств);

- возможность использования вместо генераторов дешевых серийных электродвигателей, в том числе асинхронных, что предельно упрощает процедуру пуска - не требует синхронизации, двигатель посто включается в сеть;

- насосный агрегат намного компактнее турбинного, здание ГЭС оказывается более экономичным.

Недостатки. Главные недостатки следующие:

- более низкий чем у турбины КПД;

- невозможность регулирования нагрузки; без специального регулятора

баластной нагрузки агрегат работает только в сеть на выработку электроэенергии;

из-за отсутствия быстродействующего регулятора расхода необходимы специальные мероприятия для защиты агрегата от выхода в разгон;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тобар Коронель, Родриго Патрисио, 1993 год

Список литературы

1. Авалшивили Р. Г, Гогоберидзе В. А. Швелидзе Т. В. ¡Пульп Г. М. Малая гидроэнэргетика Грузинской СССР- Гидроэнергетическое строительство. 1985 №8 с. 13-16.

2. Альтшуль А. Д., Киселев П. Г., Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости).— М., Строиздат, 1975.-328 с.

3. Аршеневский Н. Н. Обратимые гидромашины гидроаккумулируклцих электростанций. М., Энергия, 1977. 238 с.

4. Аршеневский Н. Н. Процессы выхода в разгон обратимых арегатов ГАЭС. Гидротехническое строительство, 1986, №2, с. 16-18.

5. Аршеневский Н. Н., Берлин В. В., Кривченко Г. И. и др. Переходные процессы в крупных осевых насосах .- В кн.: Лопасныые насосы. Л., Энергия, 1975, с. 234-240.

6. Аршеневский Н. Н. Поспелов Б. Б. Переходные процессов крупных насосных станций. М., Энергия 1980,110 с.

7. Асарин А. Е., Бестужева Н, К. Водноэнергетические расчеты. М.: Энергоатомиздат 1986.

8. Бабурин Б. Л., Фаин И. И. Экономическое обоснование гидроэнргострои-тельства. - М,: Энергия, 1975,- 121 с.

9. Бегеза В. В., Мареш М., Федоров М. П. Строительство малых ГЭС в ЧССР.-Энергохозяйство за рубежом, 1987, №4, с. 41-43.

10. Берлин В. В. Особенности режимов регулирования агрегатов ГХ с длинными напорными водоводами. Автореферат диссертации канд. техн. наук. -М„ 1977. - 23 с.

И. Берлин В. В., Муравьев О. А. Переходные процессы на ГЭС с уравнительными резервуарами. - М,: Энергоатомиздат. 1991. - 152 с.

12. Бержерон Л. От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической цепи.:- Машгиз, 1962 - 348 с.

13. Васильев Ю. С., Виссарионов В. И., Кубышкин Л. И. Решение гидроэнергетических задач на ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1987.

14. Васильев Ю. С., Виссарионов В. И., Кубышкин Л. И. Моделирование энергогидравлических процессов на аналоговых ЭВМ. - Л.: Изд-во Л ПИ, 1978 г. -74 с.

15. Великанов А. Л., Закачурина Е. В. Роль малых ГЭС в рациональном использовании малых рек.- Гидротехническое стрительство, 1987, №2, с. 49-52.

16. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. -М.: Высшая школа, 1978. - 416 с.

17. Виссарионов В. И., Елистратов В., В., Бейдиткис Л. И. Гидроаккумулирование на насосных станциях - резерв маневренных мощностей .— Гидротехническое стрительство, 1989 №8, с. 39-42.

18. Виссарионов В. И., Беляев С. Г., Садовский И. С. Применения электрического торможения для снижения вибрации водоводов насосных станций.

- Энергетика, Изд. Вузов, 1984, № 11, с. 109-114.

19. Вишневский К. П. Применение ЭВМ для расчета нестационарных процессов движения воды в напорных водоводах.- В кн.: Математика и ЭВМ в мелиорации. М. 1971, с. 100-110.

20. Вишневский К. П. Переходные процессы в напорных системах водоподачи.

- М.: Агропромиздат, 1986, - 136 с.

21. Временные рекомендации по проектированию малых ГЭС МЭиЭ СССР. Всесоюзный проектно-изыскательское и научно-исследователбское объединение "Гидропроект". Дедовск. 1989.

22. Временные рекомендации по использованию насосных агрегатов в качестве энергетического оборудования малых ГЭС. М.: Информэнерго, 1990.

23. Григорьев В. И. К расчету гидравлического удара в гидроэнергетических установках.- Энергомашиностроение, 1963, № 7, с. 18-21.

24

25

26

27

28

29

30

31,

32,

33,

34,

35,

36,

37,

Гудков Ю. В. Перспективы строительства ГЭС малой мощности — Энергетическое строительство за рубежом, 1984 Ш с. 32-39. Гидрологические основы гидроэнергетики /Под ред. А. Ш. Резниковского. М.: Энергоатомиздат,- 1989.-351 с.

Гидрологические основы гидроэнергетики /А. Ш. Резниковский, А. Ю. Александровский, В. В. Атурин и др.- М.: Энергия 1979.-332 с. Гидромеханические переходные процессы в гидроэнергетических установках / Под ред. Г. И. КривченкоМ.: Энергия, 1975 - 368 с. Гидроэлектрические станции / Под ред. Ф. Ф. Губина, Г. И. Кривченко.— М.: Энергия, 1987.- 464 с.

Гидроэнергетика / Под ред. В. И. Обрезкова М.: Энергоатомиздат 1982, 206 с.

Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектрос-танцй. Справочное пособие: в 2 т. /Под ред. Ю. С. Васильева, Д. С. Щавелева. М,: Энергоатомиздат. Том 1-1988, 400 с. Том 2. - 1990, - 336 с. Гидроэнергетические установки /Под ред. Д. С. Щавелева.- Л.: Энергоатомиздат, 1981. — 520 с.

Демидович Б. П. Марон И. А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970. 664 с.

Использование водной энергии. /Под ред. Д. С. Щавелева.- Л.:: Энергоатомиздат, 1976— 656 с.

Карелин В. Я. Волшаник В. В. Сооружения и оборудование малых гидроэлектростанций. М.: Энергоатомиздат 1986 200 с. Карелин В. Я. Новодережкин Р. А. Насосные станции гидротехнических систем с осевыми и диагональными насосами— М. Энергия, 1979 - 238 с. Карелин В. Я. Новодережкин Р. А. Насосные станции с центробежными насосами,- М.: Стройиздат, 1983 — 224 с.

Картвелишвили Н. А. Стохастическая гидрология - Л.: Гидрометео-издат, 1975.-161 с.

38

39

40

41

42

43

44

45

46,

47,

48,

49,

50,

51,

Картвелишвили Н. А. Неустановившиеся режимы в силовых узлах гидроэлектрических станций. - М.: Госэнергоиздат, 1951. - 134 с. Картвелишвили Н. А. Динамика трубопроводов. - М.: Энергия, 1979.-220 с Картвелишвили Н. А... Галактионов Ю. И. Идеализация сложных динамических систем, - М.: Наука, 1976. - 293 с.

Кривченко Г. И. Гидравлический удар и рациональные режимы регулирования гидроэлектростанций— М." Госэнергоиздат, 1951.— 196 с. Кривченко Г. И. Гидравлические машины. Турбины и насосы. М.: Энергоатомиздат, 1983, 286 с.

Кривченко Г. И. Расчеты на микрокалькуляторах переходных процессов в гидроэлектростанциях.- М.: Энергоатомиздат. 1989 - 136 с. Кривченко Г. И., Аршеневский Н. Н., Квятковская Е. В. Исследования неустановившихся режимов работы гидроэлектростанций.- В кн.: Сборник трудов по гидротехнике и гидростроительству. М.: Наука, 1970, с. 192-205. Крицкий С. Н., Менкелл М. Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. М.: Наука, 1982.

Лямаев Б. Ф. Гидравлические расчеты в переходных процессах. Л.: Машиностроение, 1980.

Лямаев Б. Ф. Небольсин Г. П. Нелюбов В. А. Стационарные и переходные процессы в сложных гидросистемах— Л.: Машиностроение, 1978, 192 с. Лукьянов А. Б. Небольшие электростанции для сельской местности.-БИКИ, 1983, № 2.

Малая Гидроэнергетика / Под ред. Л. П. Михайлова. М.. Энергоатомиздат, 1989, 180 с.

Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и програмирование на Фортране. Перевод с англ. М.: Мир 1977.-584 с.

Малинин Н. К. Водноэнергетические расчеты и режимы гидроэнергетических установок. М.: Энергоатомиздат, 1985.

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62,

63

64,

65,

№ линии Н. К, Машнев Р. Я, Современное состояние и классификация действующих малых ГЭС Минэнерго СССР. Межведомственный тематический сборник №41. М,: МЭИ, 1984 с. 81-87.

Мостков М. А. Основы теории гидроэнергетического проектирования. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. - 351 с.

Мостков М. А, Башкиров А. А. Расчеты гидравлического удара. - М,: Госэнергоиздат, 1952. - 200 с.

Нгуен Вьет Дон. Процессы потери привода в водоподъемных станциях с

паралельным соединением насосов. Автореф. .. канд. техн. наук. М.. 1992 г.

Нейман 3. Б., Пекне В. 3., Моз Л. С. Крупные вертикальные

электродвигатели перменного тока. М.: Энергия, 1974.

Насосы осевые типа О, ОП и центробежные вертикальные типа В,

/Каталог-справочник ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ М.: 1987.

Паршин Ю. М. Перспективы строительства гидроэлектростанции малой

мощности в капиталистических странах.- БИКИ, 1983, №56.

Поспелов Б. Б. Переходные процессы крупных установок с осевыми

насосами. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: 1981. 23 с.

Поспелов Б. Б. Пресняков В. Г. Натурные исследования гидравлического

удара при пуске насоса— Труды МИСИ, М., 1971, №91, с. 127-132.

Потапов В. М., Ткаченко П. Е., Юшманов О. Л. Использование водной

энергии— М.: Колос, 1972 — 343 с.

Проектирование насосных станций и испытание насосных установок. - Под ред. В. Ф. Чебаевского, - М.: Колос, 1982, - 320 с.

Резниновский А. Ш., Рубинштеиин М. И. Диспетческие правила управленя режимом работы водохранилищ. М,: Энергоатомиздат, 1984. Румянцев А. М. Обратимые насосотурбины. В сб.: Опыт эксплоатации сооружений канала Москва-Волга. Выпуск II, М. Л.: Госэнергоиздат, 1946 г. с. 56-66.

Рябинин В. Е. Обратимые гидромашины для гидроаккумулирующих электростанций. Тр. ВНИИГИДРОМАШа, вып. 41. М.: 1970, с. 69-82.

68, Седов Л. И. Механика сплошной среды. Т. 1-2, М.: Наука —1970, 530 с.

67. Справочник по гидравлическим расчетами. / Под ред. П. Г. Киселева. М.: Энергия, 1972- 312 с.

68. Степанов А. И. Центробежные и осевые насосы. Перевод с англ. М.: Машгиз, 1960 - 463 с.

69. Стритер В. Численные методы расчета нестационарных течений.-Теоретические основы инженерных расчетов. 1972 №2, с. 218-228.

70. Технико-экономический расчет восстановления, реконструкции и техпе-ревооружения Добромыслянской ГЭС на реке Черница Лиозноненского района Витебской области БССР. Пояснителбная записка. Вильнюс.-1990.

71. Тимошенко Г. М. Научные основы проектирования и эксплуатации насосных установок в переходных режимах. Киев-Донецк, Внща Школа — 1986 126 с.

72. Турк В. И., Минаев А. В., Карелин В. Я. Насосы и насосные станции. М.: Сроииздат, 1976, 304 с.

73. Фельдман Б. Н., Маркова Т. К., Зорина Т. Н. Потенциальные гидроэнергетические ресурсы СССР, реализуемые на малых ГЭС — Гидротеническое сроительство, 1986, №10, с. 4-7.

74. Фортран 77 ЕС ЭВМ /3. С. брич, О. Н. Гуляцкая, Д. В. Капилевич и др.- М.: Финансы и статистика, 1989 - 351 с.

75. Фокс Д. А. Гидравлический анализ неустановившегося движения в трубопроводах. Перевод с англ. —М.: Энергоиздат, 1981.-248 с.

76. Чиняев И. А. Лопастные насосы. Справочное пособие. - Л,: Машиностроение, 1973. - 184 с.

77. Чирков П. П. Влияние переходных процессов на выбор напорных коммуникаций станций с крупными центробежными насосами. Автореф. канд. дисс. Москва, МИСИ, 1986.-29 с.

78. Чугаев Р. Р. Гидравлика. Л.: Энергоиздат— 1984. 640 с.

79. Эрдрайх В, С, Исследование установившихся процессов в проточной части гидроаккумулирующей электростанции с радиально -осевыми насосотурбинами, Автореф. ... канд. техн. наук. М.: 1974 г.

80. Яныпин Б. И. Затворы и переходы трубопроводов— М.: Машиностроение. 1962 - 180 с.

81. Bothman, v.: Untersuchung einer Radialpumpe Als Turbine. Danmarks Teknishe Hojskole, DK- Lyngby. Pumpentagung Karlsruhe, Oktober 1984, Sektion CI, VDMA, Frankfurt/M.

82. Electrical review (Gr. Brit.), 1982, 211, Ш 20 p. 19.

83. Electrical review (Gr. Brit ), 1982, 2113 p. 23.

84. Engineerig News - Record, 1982, № 12, p. 26-27.

85. Fox J. A. Transient flow in pipes, open chanels and sewers.- Chichester: Ellis Horwood Limited, 1989 - 284 p.

86. Hellman, H. D., Dechow, R.: KSB Unterwassermotorpumpe; Konzept mit vielen Anwendungsmoglichkeiten. Pumpentagung Karlsruhe, Oktober 1984, Sektion A5, VDMA, Frankfurt/M.

87. Hergt, P., Kreiger, P., Thomnes, S.: KSB, Die Stromungs-Technisehen Eigenschaften von Kreiselpumpen in Turbine betrieb. Pumpentagung Karlsruhe, Oktober 1984, Sektion C1, VDMA, Frankfurt/M.

88. Heinz-Peter, Lewinsky-Kesslitz. Pumpen als Turbinen fur Kleinkraftwerke, Wasserwirtschaft 77. Oct. 1987, с. 531 -537.

89. Kittrege, С. P. & Thoma, D.: Centrifugal pumps operated under abnormal conditions. Power, June 2, 1931.

90. Knapp, R. T. Complete caracteristies of centrifugal pumps and their use in the prediction of transient behavior. ASME Trans, Nov. 1937

91. Logan T. H./Analyzing hydraulic transients/Hydro Rev - 1992.-11, № 1,- c. 74, 76, 78, 80,-англ.

92. Luz у Fuerza,1982, 37, № 457, p. 33, 35, 37-40.

93. Modern Power Systems, 1982, 2, № 10, p. 9.

94. Passagnolo E. Canholi A., Panes N... Viera J. /А case of transient analysis and control in booster pump installation - itaparica project Brasil// Mod. Neehnol. Hydrsul. Mach, and Cavitat. Belgrade., 11-14 Sept., 1990. Vjl. 1- [Beograd], 1990-c. D1 /1 -D1 /9,-англ.; рез. фор.

95. Olson Т. Small-scale hydropower comí ni on line.-Costrucion Equipment, 1981, 64, № 2, p. 75-77.

96. Parmakian J. Water-Hammer Analisis, Dover Publications, inc., New York, 1963.

97. Streeter V. L. Waterhammer Analisis of Pipelines, Proceedings ASCE, Journal of Hidraulics Division, vol. 89, 1964, p.p. 151-172.

98. Teichmann H.T. international standardization of small hydro schemes. -International Water Power and Dam Construction, 1983, 35, Ш 5, p. 41-44.

99. Thoma D.: Vorgange beim ausfallen des Betriebes von Kreiselpumpen. Mitteilungen des Hydraulishen der Technishen Hochschule. München, vol. 4, 1931.

100. Willer D. C. The commercialization of small-scale hydropower projet at existing dams in the United States - New Energy Conservation. Technology and Commerce Procedings International Conference. Berlin, 6-10 Apr., 1981, vol. 3. p. 2709-2715.

101. Williams Arthur/Micro-hydro: Small is beautiful//Safe Energy- 1991, № 85-c. 13 - англ.

102. Wylie E. B. Streeter V. L. Fluid Transients, Mc Graw-Hill Inc. New York, 1978,

384 p.

103. Yedidiah S. Application of centrifugal pumps for power recovery purposes. "Perform. Charact. Hydraulic Turbines and pumps. Winter Annu. meet. Amer. Soc. Mech. Eng., Boston, Mass.; 13-18 Nov. 1983" New york, N.Y. 1983, p. 111-119.

«