способ эксплуатации малой гэс

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАЛОЙ ГЭС, содержащей гидроагрегат, в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата, включающий изменение момента на его валу, отличающийся тем, что вначале увеличивают тормозной момент ротора гидроагрегата, затем запускают гидроагрегат с отключенной электрической нагрузкой и изменяют тормозной момент вплоть до достижения заданной максимально допустимой частоты вращения ротора гидроагрегата, после чего подключают к генератору электрическую нагрузку, изменяют ее и определяют максимально допустимую выличину электрической нагрузки, соответствующую минимально допустимой частоте вращения ротора гидроагрегата, и после этого эксплуатируют ГЭС в диапазоне изменения электрической нагрузки от нулевой до максимально допустимой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тормозной момент ротора гидроагрегата увеличивают путем присоединения к гидроагрегату гидравлического тормоза и изменяют его, например, путем изменения степени заполнения тормоза водой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тормозной момент ротора гидроагрегата увеличивают путем присоединения к гидроагрегату механического тормоза и изменяют его, например, путем изменения натяжения тормозной ленты.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тормозной момент ротора гидроагрегата увеличивают путем присоединения к гидроагрегату индукторного тормоза и изменяют его путем, например, изменения величины тока возбуждения индуктора.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тормозной момент ротора гидроагрегата увеличивают путем присоединения к гидроагрегату насоса и изменяют его путем, например, изменения протекающего через насос в единицу времени объема воды.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при выработке электроэнергии на малых или микрогидроэлектрических станциях (ГЭС).

При выработке электроэнергии на ГЭС необходимо поддерживать частоту вращения ротора гидроагрегата, состоящего из гидротурбины и соединенного с ней генератора электрического тока, в заданном диапазоне. Это требование обусловлено тем, что напряжение и частота электрического тока являются функциями частоты вращения ротора электрогенератора. Для решения этой задачи необходимо поддерживать равенство мощностей потребителя электрического тока и мощности, вырабатываемой электрогенератором.

Известен способ эксплуатации ГЭС в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата, заключающийся в изменении мощности на валу генератора в зависимости от мощности потребителя путем изменения мощности водяного потока, поступающего на гидротурбину, присоединенную к генератору. Этот способ включает использование специального регулирующего органа на входе в гидротурбину направляющего аппарата и гидромеханического или электрогидравлического регулятора. Этот способ целесообразен на ГЭС средней и крупной мощности, но очень дорог для малых и микроГЭС.

Известен также способ эксплуатации малых и микроГЭС в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата с использованием электрической балластной нагрузки, подключенной к генератору электрического тока, принятой за прототип. При помощи такой балластной нагрузки изменяют тормозной момент на валу гидроагрегата. На рабочих режимах регулятор задает необходимое открытие направляющего аппарата, соответствующее оптимальному использованию водотока, а все изменения нагрузки потребителя (ниже оптимальной нагрузки гидротурбины) поглощаются балластной нагрузкой (например, электрическими сопротивлениями для нагрева воды или отопления). Регулирование балластной нагрузки может производиться либо по методу реостата, либо путем импульсного включения постоянной нагрузки тиристорными включателями. Таким образом поддерживается постоянное равенство мощности потребителя и мощности электрического тока, вырабатываемого генератором. Использование направляющего аппарата в ряде случаев может быть вообще исключено, что является преимуществом этого способа. Однако способ включает использование электронного регулятора и электрического балласта, что также делает его применение для малых и микроГЭС очень дорогим и кроме того, снижается надежность эксплуатации из-за сложной конструкции регулятора.

Предлагается способ эксплуатации малой ГЭС, включающей гидроагрегат, состоящий из гидротурбины и соединенного с ней генератора электрического тока, в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата, заключающийся в том, что вначале увеличивают тормозной момент ротора гидроагрегата, затем запускают гидроагрегат с отключенной электрической нагрузкой и изменяют тормозной момент вплоть до достижения заданной максимально допустимой частоты вращения ротора гидроагрегата, после чего подключают к генератору электрическую нагрузку, изменяют ее и определяют максимально допустимую величину электрической нагрузки, соответствующую минимально допустимой частоте вращения ротора гидроагрегата и после этого эксплуатируют ГЭС в диапазоне изменения электрической нагрузки от нулевой до максимально допустимой. Тормозной момент ротора гидроагрегата может быть увеличен путем присоединения к гидроагрегату гидравлического тормоза и изменен, например, путем изменения степени заполнения тормоза водой. Тормозной момент ротора гидроагрегата может быть увеличен путем присоединения к гидроагрегату механического тормоза и изменен, например, путем изменения натяжения тормозной ленты. Тормозной момент ротора гидроагрегата может быть увеличен путем присоединения к гидроагрегату индукторного тормоза и изменен путем, например, изменения величины тока возбуждения индуктора. Тормозной момент ротора гидроагрегата может быть увеличен путем присоединения к гидроагрегату насоса, например, вихревого, и изменен путем например изменения подачи насоса.

Техническим результатом изобретения является эффект саморегулирования гидроагрегатов, позволяющий отказаться в ряде случаев от использования сложных, дорогих и ненадежных регуляторов. Это в свою очередь позволяет резко повысить надежность, уменьшить эксплуатационные затраты и стоимость малых ГЭС.

Указанный технический результат достигается тем, что вначале увеличивают тормозной момент ротора гидроагрегата путем присоединения к его валу какого-либо тормозного устройства, например гидравлического тормоза, представляющего собой один или несколько дисков, прикрепленных к валу и размещенных в кожухе, степень заполнения которого водой может регулироваться. Затем подают воду на гидротурбину при отключенной электрической нагрузке генератора. Ротор гидроагрегата начинает вращаться. После этого последовательно изменяют тормозной момент путем изменения степени заполнения водой кожуха тормоза и экспериментально подбирают такой тормозной момент, при котором ротор гидроагрегата вращается с аксимально допустимой частотой. После этого подключают электрическую нагрузку и изменяют ее. При увеличении электрической нагрузки ротор гидроагрегата уменьшает частоту вращения. Последовательно изменяя электрическую нагрузку, определяют ее максимально допустимую величину, при которой ротор гидроагрегата вращается с минимально допустимой частотой. Присоединенный к ротору гидроагрегата гидравлический тормоз изменяет свою мощность N_т по закону N_тn³, где n частота вращения. Это приводит к тому, что, например, при заданном допустимом диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата от 1950 до 1150 об/мин (n30% при синхронной частоте вращения генератора n=1500 об/мин) мощность тормоза изменяется приблизительно в 2,2 раза. Пусть, например, гидротурбина при отключенной электрической нагрузке развивает мощность 30 кВт, которая полностью гасится гидравлическим тормозом при частоте вращения ротора n=1950 об/мин. При подключении к генератору полезной электрической нагрузки частота вращения ротора уменьшается и соответственно уменьшается поглощаемая тормозом мощность на величину подключаемой полезной электрической мощности. Происходит саморегулирование гидроагрегата. В рассматриваемом примере только за счет закона N_тn³ малую ГЭС можно эксплуатировать в диапазоне изменения полезной электрической нагрузки от нулевой до приблизительно 14 кВт без какого-либо регулятора. При этом минимальная частота вращения ротора гидроагрегата будет не меньше, чем допустимое по условию значение n=1150 об/мин. Эффект саморегулирования в ряде случаев может быть еще увеличен за счет особых характеристик некоторых гидротурбин и рационального выбора эксплуатационных режимов, при которых турбина увеличивает мощность по мере уменьшения частоты вращения ротора гидроагрегата. Это происходит за счет увеличения КПД гидротурбины и увеличения расхода протекающей через нее воды при уменьшении частоты вращения, т.е. по мере увеличения полезной электрической нагрузки.

Аналогично можно использовать для увеличения тормозного момента вместо гидравлического механический или индукторный тормоз, либо присоединить к ротору гидроагрегата насос, например, вихревого или центробежного типа. При использовании центробежного насоса и, в частности, консольного центробежного насоса типа К290/30 величину тормозного момента удобно изменять не только путем изменения подачи воды, а путем уменьшения (проточки) диаметра рабочего колеса.

Предлагаемый способ поясняется следующим примером.

На чертеже приведена схема установки включающей гидроагрегат, состоящий из гидротурбины 1 с выходным 2 и входным 3 патрубками, электрогенератор 4 и гидравлический тормоз 5 с входным 6 и выходным 7 патрубками. Ротор гидроагрегата состоит из ротора гидротурбины 8, соединенного при помощи муфты 9 с ротором 10 электрогенератора 4. Ротор 10 электрогенератора 4 соединен также при помощи муфты 11 с ротором 12 гидравлического тормоза 5. Электрическая нагрузка подключается и отключается от электрического генератора (на схеме условно не показана) посредством кабеля 13.

Установка работает следующим образом. Вначале увеличивают тормозной момент ротора гидроагрегата путем присоединения к нему при помощи муфты 11 гидравлического тормоза 5. Затем запускают гидроагрегат с отключенной электрической нагрузкой и изменяют тормозной момент путем заполнения гидравлического тормоза 5 водой. Уровень воды в тормозе устанавливают посредством входного 6 и выходного 7 водяных патрубков. По мере заполнения водой гидравлического тормоза 5 тормозной момент ротора гидроагрегата увеличивается, а по мере опорожнения уменьшается. При этом частота вращения соответственно уменьшается и увеличивается. Изменяя таким образом тормозной момент, подбирают такую его величину, которая соответствует максимально допустимой частоте вращения ротора гидроагрегата. После этого посредством кабеля 13 подключают к генератору электрического тока 4 электрическую нагрузку и изменяют ее путем, например, уменьшения или увеличения количества потребителей. При увеличении электрической нагрузки частота вращения ротора гидроагрегата будет уменьшаться, а при уменьшении электрической нагрузки увеличиваться. Изменяя таким образом электрическую нагрузку, подбирают ее максимально допустимую величину, при которой ротор гидроагрегата вращается с минимально допустимой частотой вращения. После этого эксплуатируют ГЭС в диапазоне изменения электрической нагрузки от нулевой до максимальной.

Во всех рассмотренных случаях будет обеспечиваться эффект саморегулирования гидроагрегатов. Различие будет заключаться лишь в различных законах изменения мощности различных тормозных устройств или насосов от частоты вращения, что будет обуславливать различную эффективность саморегулирования.