способ эксплуатации гидроагрегата малой гэс

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОАГРЕГАТА МАЛОЙ ГЭС, содержащего гидротурбину, приводящую во вращение генератор электрического тока в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата, включающий изменение мощности потока воды, проходящей через гидротурбину, отличающийся тем, что вначале устанавливают напор на гидротурбине, при котором при отключении от генератора электрической нагрузке частота вращения ротора гидроагрегата превышает оптимальную, соответствующую промышленной частоте тока не более чем в 1,2 раза, затем подключают к генератору электрическую нагрузку, изменяют ее и определяют максимально допустимую величину электрической нагрузки, при которой частота вращения ротора гидроагрегата меньше оптимальной не более чем в 1,2 раза, после чего эксплуатируют гидроагрегат малой ГЭС при установленном напоре в диапазоне изменения электрической нагрузки от нулевой до максимально допустимой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что генератор электрического тока приводится во вращение гидротурбиной радиально-осевого типа.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что генератор электрического тока приводится во вращение гидротурбиной радиально-осевого типа без направляющего аппарата быстроходностью 80 145 мин^-1.

Описание изобретения к патенту

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, которая в свою очередь является функцией мощности потока воды, проходящего через гидротурбину. На практике при работе на индивидуального потребителя отклонение частоты вращения ротора гидроагрегата от оптимального значения, соответствующего промышленной частоте тока, должно быть не более, чем 20% Часто потребители требуют обеспечения более узкого диапазона поддержания частоты вырабатываемого электрического тока.

Известен способ эксплуатации малых и микроГЭС в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата с использованием регулируемой электрической балластной нагрузки, подключенной к генератору электрического тока. При помощи такой балластной нагрузки изменяют тормозной момент на валу гидроагрегата. На рабочих режимах задается необходимое открытие направляющего аппарата, соответствующее оптимальному использованию водотока, а все изменения нагрузки потребителя (ниже оптимальной нагрузки гидротурбины) компенсируются балластной нагрузкой (например, электрическими сопротивлениями для нагрева воды или отопления). Регулирование балластной нагрузки может производиться либо по методу реостата, либо путем ступенчатого импульсного включения постоянной нагрузки тиристорными включателями (см.книгу Малая гидроэнергетика, под ред. Л.П.Михайлова. М. Энергоатомиздат, 1989, с.120). 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 снижает надежность и делает его применение для малых и микроГЭС очень дорогим.

Известен также 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 принят за прототип. Способ позволяет эффективно эксплуатировать гидроагрегат. К недостаткам известного способа относится то, что он включает использование дорогостоящих и сложных в эксплуатации специального регулирующего органа на входе в гидротурбину направляющего аппарата и гидромеханического или электрогидравлического регулятора (см. книгу Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование микроэлектростанций, под ред. Ю. С. Васильева, М. Энергоатомиздат, 1988, том 1, с. 101). Мощность водяного потока, проходящего через гидротурбину, изменяется посредством изменения открытия направляющего аппарата и, следовательно, изменения расхода воды через гидротурбину. Этот способ целесообразен на ГЭС средней и крупной мощности, но также очень дорог для малых и микроГЭС. Кроме того наличие сложного регулятора требует специального непрерывного обслуживания, что часто невозможно обеспечить на малых и микроГЭС.

Предлагается способ эксплуатации гидроагрегата малой ГЭС, содержащего гидротурбину, приводящую во вращение генератор электрического тока, в заданном диапазоне изменения частоты вращения ротора гидроагрегата, включающий изменение мощности потока воды, проходящей через гидротурбину, заключающийся в том, что вначале устанавливают напор на гидротурбине, при котором при отключенной от генератора электрической нагрузке частота вращения ротора гидроагрегата превышает оптимальную, соответствующую промышленной частоте тока не более, чем в 1,2 раза, затем подключают к генератору электрическую нагрузку, изменяют ее и определяют допустимую величину электрической нагрузки, при которой частота вращения ротора гидроагрегата меньше оптимальной не более, чем в 1,2 раза, после чего эксплуатируют гидроагрегат малой ГЭС при установленном напоре в диапазоне изменения электрической нагрузки от нулевой до максимально допустимой. Генератор электрического тока может приводиться во вращение гидротурбиной радиально-осевого типа с направляющим аппаратом, либо без направляющего аппарата. Во втором случае наибольший эффект достигается при использовании гидротурбин быстроходностью от 80 до 145 об/мин.

Изобретение поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 приведен генератор электрического тока 1, приводимый во вращение гидротурбиной 3, соединенной с генератором 1 муфтой 2. Вода из реки 4 подводится к гидротурбине 3 через гибкий трубопровод (рукав) 5, на конце которого установлен водозаборник 6, и отводится из гидротурбины 3 через трубопровод, на котором установлена задвижка 8. На входе в гидротурбину установлена задвижка 7. На фиг.1 показано два варианта забора воды из реки. Первый вариант, показанный сплошными линиями, обеспечивает напор на турбине Н₁, а второй вариант, показанный пунктирными линиями Н₂, меньший, чем Н₁. Электрическая нагрузка подключается к генератору 1 посредством кабеля 9.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Вначале устанавливают напор на гидротурбине 3, при котором при отключенной электрической нагрузке частота вращения ротора гидроагрегата превышает оптимальную, соответствующую промышленной частоте тока (50 Гц) не более, чем в 1,2 раза. При увеличении напора частота вращения увеличивается, а при уменьшении падает. Напор на гидротурбине 3 можно изменить, например, путем изменения места водозабора, как это и показано на фиг.1, либо путем изменения открытия задвижек 7 и 8 на входе и выходе из гидротурбины (путем дросселирования потока). Затем к генератору 1 посредством кабеля 9 подключают электрическую нагрузку (не показано) и изменяют ее величину. При увеличении мощности электрической нагрузки частота вращения ротора гидроагрегата уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Путем подбора определяют такую величину электрической нагрузки, при которой частота вращения ротора гидроагрегата меньше оптимальной не более, чем в 1,2 раза. Таким образом определяют максимально допустимую величину электрической нагрузки, после чего гидроагрегат эксплуатируют при установленном напоре и при изменении электрической нагрузки от нулевой до максимальной. При этом частота вращения ротора гидроагрегата не будет отличаться от оптимальной более, чем на 20%

При выполнении указанных операций можно эксплуатировать практически любой гидроагрегат без какого-либо регулятора частоты. Однако относительная величина полезной электрической нагрузки, которую можно подключить к генератору без нарушения условий по частоте тока, различна для различных турбин. Чем больше эта величина тем лучше гидротурбина саморегулируется. Способность к саморегулированию тем больше, чем меньше изменяется частота вращения ротора гидроагрегата при изменении мощности электрической нагрузки на генератор. Лучше всего саморегулируются турбины, у которых при увеличении электрической нагрузки автоматически увеличивается мощность потока воды, проходящего через них. Этот эффект обусловлен тем, что при увеличении мощности электрической нагрузки на генератор изменяется частота вращения ротора гидроагрегата, и турбина переходит на другой режим работы с другим значением приведенного расхода воды через нее. Если это изменение приведенного расхода положительно, то мощность потока воды, проходящей через турбину, увеличивается, а если отрицательно то уменьшается. Таким образом, в наибольшей степени эффект саморегулирования проявляется у тех турбин, у которых автоматически увеличивается мощность проходящего через них потока воды при увеличении мощности электрической нагрузки, т.е. имитируется работа направляющего аппарата. Указанной способностью к саморегулированию различные гидротурбины обладают в разной степени. Для относительной оценки способности гидротурбин к саморегулированию удобно ввести специальный параметр

П (1) где П параметр саморегулирования;

n_Ip", Q_Ip" приведенная частота вращения и приведенный расход при отключенной нагрузке (разгонные значения);

n_Iопт", Q_Iопт" приведенная частота вращения и приведенный расход при оптимальном режиме.

Приведенные значения частоты вращения и расхода определяются по известным формулам (см.например книгу Оpго В.М. Гидротурбины. Л. 1975, с.233):

n (2)

Q (3) где n частота вращения, об/мин;

D диаметр, м;

Н напор, м;

Q расход, м³/с.

Из вышеописанного следует, что чем больше числитель в формуле (1), тем больше способность турбины к саморегулированию. Еще одно важное качество гидротурбины: диапазон изменения частоты вращения при изменении нагрузки. Чем меньше этот диапазон тем лучше, так как многие потребители электроэнергии могут успешно эксплуатироваться только в узком диапазоне изменения частоты тока, которая является функцией частоты вращения гидротурбины. Таким образом, чем меньше знаменатель в формуле (1), тем больше способность турбины к саморегулированию. Отсюда следует, что чем больше параметр саморегулирования, тем больше способность турбины к саморегулированию.

Хорошей способностью к саморегулированию обладают гидротурбины радиально-осевого типа, однако в наибольшей степени эта способность выражена у радиально-осевых гидротурбин без направляющего аппарата быстроходностью от 80 до 145 об/мин. Результаты обработки данных испытаний различных гидротурбин радиально-осевого типа без направляющего аппарата, проведенных авторами, представлены на фиг.2 показана зависимость параметра саморегулирования П от коэффициента быстроходности n_s.

Быстроходность турбин вычислялась по известной формуле (см.например книгу В.М.Орго. Гидротурбины, Л. 1975, с.235):

n_S= 3,65 n (4) где n_Io" величина приведенных оборотов в оптимальной точке универсальной характеристики, об/мин;

Q_Io" величина приведенных расходов в оптимальной точке универсальной характеристики, м³/с;

коэффициент полезного действия турбины в оптимальной точке характеристики.

Из фиг.2 видно, что наибольшей способностью к саморегулированию обладают гидротурбины радиально-осевого типа без направляющего аппарата при быстроходностях от n_s 80 об/мин до n_s 145 об/мин.

При применении заявляемого способа на практике удобно пользоваться зависимостями мощности гидроагрегата N_o от напора H, построенными для различных частот вырабатываемого электрического тока f. Результаты такой обработки данных экспериментов, проведенных авторами на гидроагрегате с турбиной радиально-осевого типа без направляющего аппарата быстроходностью n_s 115 об/мин, представлены на фиг.3.

По оси ординат отложены значения относительной мощности гидроагрегата N_a/Na_o, где N мощность гидроагрегата. По верхней оси абсцисс отложен относительный напор Н/Н_о, где Н напор, Н_о максимальный напор, т.е. напор при максимальной мощности. По нижней оси абсцисс отложены разгонные значения частоты тока f_р, т.е. значения частоты тока, при электрической нагрузке, отключенной от генератора.

П р и м е р Пусть потребитель требует, чтобы гидроагрегат производил электрическую энергию с частотой тока от 55,5 до 47 Гц.

Из фиг. 3 находим по нижней оси абсцисс значение разгонной частоты вращения f_р 55,5. Этому значению f_р соответствует значение относительного напора 0,88 на верхней оси абсцисс. Следовательно, для того, чтобы частота тока не превышала значение f 55,5 Гц, необходимо установить на турбине напор, абсолютное значение которого равняется 88% от максимального для данного гидроагрегата. Если паспортный максимальный напор турбины Н_о 100 м, то эксплуатационный напор должен быть Н 88 м.

Теперь найдем пересечение вертикальной линии, соединяющей значения f_р 55,5 Гц и 0,88 с f 47 Гц и найдем соответствующее этой точке значение относительной полной мощности гидроагрегата N 100. Следовательно, при подключении к генератору полезной электрической нагрузки, равной его максимальной мощности частота вырабатываемого электрического тока будет не менее 47 Гц.

Таким образом получим, что при эксплуатации гидроагрегата на напоре, составляющем 88% от известного максимального для данной турбины при изменении полезной электрической нагрузки от нулевой до максимальной, равной полной максимальной мощности гидроагрегата, частота вырабатываемого электрического тока будет находиться в заданном диапазоне от f_max 55,5 Гц до f_min 47 Гц. При этом гидроагрегат можно эксплуатировать без какого-либо регулятора частоты.

При других заданных потребителем допустимых диапазонах изменения частоты электрического тока аналогичным образом находят по данным, приведенным на фиг.3 значения напора Н и мощности нагрузки, обеспечивающие заданные диапазоны изменения частоты вырабатываемого электрического тока.

Предлагаемый способ позволяет резко удешевить стоимость гидроагрегатов для малых ГЭС, уменьшить стоимость их эксплуатации и повысить надежность.