Особенности гидромеханических переходных процессов на низконапорных ГЭС с учетом крутильных колебаний вращающихся частей агрегата

Актуальность темы

исследований. В России и странах с развитой гидроэнергетикой значительное количество электроэнергии вырабатывается на низконапорных ГЭС с осевыми гидротурбинами. В настоящее время многие из эксплуатируемых ГЭС вступили в период реконструкции с заменой выработавших свой ресурс турбин на новые, в ряде случаев имеющие большую мощность. В этих условиях важную роль играют переходные процессы. Из опыта эксплуатации известны случаи аварийных ситуаций, связанных с недостаточным их учетом при определении гарантий регулирования.

Математические модели, используемые для расчетов переходных процессов, должны учитывать все. наиболее существенные факторы, имеющие место в натуре. Динамика процессов при сбросах нагрузки агрегатов с осевыми турбинами характеризуется высокой интенсивностью изменения вращающего момента турбины, связанного с гидравлическим ударом и крутильными колебаниями агрегата, который является двухмассовой системой, связанной упругим валом. Параметры крутильных колебаний зависят не только от показателей инерции ротора и рабочего колеса, но и от участвующей в колебаниях массы воды. Характеристики крутильных колебаний используются при прочностных расчетах вала, определяют пульсационную составляющую давления в водоводах, влияют на показатели качества регулирования частоты и мощности.

Таким образом выбранная тема исследований представляется актуальной Она позволяет создать более совершенные модели для расчета переходных процессов ГЭС с осевыми турбинами двойного регулирования, обоснованно подходить к назначению режимов регулирования турбин.

Целью работы является исследование закономерностей, присущих переходным процессам с осевыми гидротурбинами двойного регулирования с учетом упругих крутильных колебаний вала гидроагрегата при сбросах нагрузки. В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

Анализ факторов, влияющих на крутильные колебания, на базе обобщения данных по реальным гидроэлектростанциям. Количественная оценка присоединенной массы воды, участвующей в крутильных колебаниях.

Теоретический анализ решения задачи о движении двухмассовой системы при действии постоянного момента. Анализ существующих математических моделей и их усовершенствование, связанное с возможностью расчета крутильных колебаний частей агрегата.

Исследование коэффициентов передаточной функции динамической системы «турбина — водовод» по изменению момента на валу и частотных характеристик на базе обобщения данных по ряду осевых турбин в широком диапазоне режимов работы.

Анализ применимости моделей упругого и жесткого гидроудара для расчетов переходных процессов русловых ГЭС. Анализ влияния шага расчета на экстремумы переходного процесса при сбросах нагрузки. Проверка моделей на адекватность результатам натурных испытаний.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Найден обоснованный подход к определению величины присоединенной массы воды через частоту крутильных колебаний, подтвержденный данными натурных испытаний и расчетами переходных процессов.

2. Получено теоретическое решение задачи о движении двухмассовой системы применительно к переходному процессу при сбросе нагрузки агрегата ГЭС.

3. Исследована передаточная функция турбины по изменению вращающего момента от скорости вращения с учетом гидроудара в жесткой и упругой постановках. Выполнено обобщение данных по входящим в него коэффициентам в широком диапазоне режимов работы осевых гидротурбин различных типов.

Практическая ценность работы:

1. Усовершенствован алгоритм расчета переходных процессов низконапорных ГЭС путем учета более полной системы уравнений вращения гидроагрегата, позволяющей воспроизводить крутильные колебания вращающихся частей гидроагрегата и сопутствующие им колебания электрического угла, частоты вращения, давления в проточном тракте турбины.

2. На основании обобщения натурных данных переходных процессов уточнено соотношение для оценки момента инерции присоединенной массы воды, участвующей в крутильных колебаниях.

3. Обобщенные данные по коэффициентам линеаризованных уравнений гидротурбин на напоры 7 — 30 м, которые могут быть использованы в расчетах устойчивости и показателей качества регулирования осевых турбин двойного регулирования.

4. Математические модели переходных процессов ГЭС дополнены алгоритмом расчета крутильных колебаний частей агрегата.

Внедрение результатов.

Предложенная методика учета движения двух массовой системы, связанной упругим валом, внедрена в компьютерную программу расчета переходных процессов турбин двойного регулирования. Объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов, списка литературы из 104 наименований. Полный объем работы 168 страниц, в том числе: текста 161 стр., рисунков — 52, таблиц — 13. Апробация работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Переходные процессы сбросов нагрузки агрегатов с осевыми турбинами сопровождаются высокой динамикой изменения вращающего момента турбины, определяемой гидроударом и крутильными колебаниями частей агрегата. Существенное влияние на параметры процесса оказывает свойство осевых турбин увеличивать расход с ростом частоты вращения и вызываемый увеличением расхода гидроудар в напорных водоводах, приводящий к снижению напора и вращающего момента в начальной фазе процесса.

2. Резкое изменение момента сопротивления генератора при сбросах нагрузки вызывает крутильные колебания вращающихся частей агрегата. Частота крутильных колебаний зависит от многих факторов, из которых определяющим является постоянная инерции вращающихся частей агрегата и доля в ней рабочего колеса турбины. У горизонтальных капсульных агрегатов частота крутильных колебаний составляет 15.20 Гц, у вертикальных она меньше и находится в диапазоне 5. 10 Гц.

3. Сопоставление результатов расчета частоты крутильных колебаний по аналитической формуле с результатами натурных испытаний показало, что для получения адекватных значений необходимо учитывать дополнительный момент инерции от присоединенной массы воды, участвующей в колебаниях. В имеющемся диапазоне частоты крутильных колебаний 5.20 Гц доля присоединенной массы составляет от 30 до 60% момента инерции рабочего колеса турбины. Учет присоединенной массы воды, участвующей в крутильных колебаниях рабочего колеса, позволяет на 11,5% приблизить результаты расчета максимальной неравномерности хода агрегата к данным натурных испытаний.

4. В результате аналитического решения задачи о вращении двухмассовой системы, связанной упругим валом, под действием постоянного момента, получены выражения для основных параметров колебательного процесса (ускорения, скорости, углового пути турбины и ротора генератора), отвечающих условиям сброса нагрузки ГЭС. Решение имеет следующие свойства: при равенстве моментов инерции двухмассовой системы максимальные ускорения ротора и рабочего колеса равны друг другу, а минимальные — равны нулю;

— по мере уменьшения момента инерции турбины по отношению к моменту инерции ротора генератора, амплитуда крутильных колебаний ротора уменьшается, а турбины — возрастает, однако последняя не может больше, чем в 2 раза превысить значение начального ускорения ротора генераторапроцесс не имеет отрицательных ускорений, дающих замедление скорости вращения при колебаниях.

5. Наиболее полно учесть особенности переходных процессов при сбросах нагрузки позволяют методы расчета с численным решением уравнений гидроудара в напорных водоводах и уравнений вращения агрегата. Введено усовершенствование существующих алгоритмов путем включения дифференциальных уравнений, описывающих вращение двухмассовой системы с упругим валом и позволяющих воспроизводить крутильные колебания частей агрегата.

При использовании теории жесткого гидроудара наилучшие результаты дают алгоритмы, построенные на использовании абсолютной системы отсчета параметров. При этом снимаются ограничения, связанные с появлением бесконечно больших значений коэффициентов в уравнениях переходного процесса в режимах нулевого вращающего момента и нулевого расхода.

При использовании упругой модели гидроудара для расчетов переходных процессов русловых ГЭС не рекомендуется задавать отсасывающую трубу в виде телескопического трубопровода. Такая идеализация приводят к возникновению большого количества отраженных волн, которые дают в расчете неадекватную натуре пульсационную составляющую давления. Хорошее совпадение с натурой дают расчеты с заданием отсасывающей трубы водоводом постоянной площади сечения.

6. Крутильные колебания сопровождаются колебаниями угла лопастей рабочего колеса турбины, которые усиливают амплитуду колебаний момента и давления в проточном тракте ГЭС. Соответствующая натурным осциллограммам идентичных режимов амплитуда колебаний момента может быть получена ведением в расчет колебаний угла лопастей с амплитудой 0.3 — 0.5°- при этом пульсации давления в отсасывающей трубе возрастают и составляют до 3−5% от напора.

7. На протекание переходных процессов русловых ГЭС оказывают влияние две колебательные системы: двухмассовая, инициирующая крутильные колебания, и гидравлическая, проявляющаяся колебаниями давления в отсасывающей трубе. Собственные частоты этих колебательных систем близки, что определяет важность учета взаимного влияния колебаний давления и крутильных колебаний при расчетах переходных процессов.

Динамическая характеристика турбины описывается неминимально-фазовым пропорционально-дифференциирующим звеном первого порядка. Переходная функция дает скачок вращающего момента турбины, величина которого определяется коэффициентами линеаризованных уравнений турбины.

Наибольшее значение модуля амплитудно-частотной характеристики гидротурбины определяется через коэффициенты линеаризованных уравнений турбины и достигается в широком диапазоне частот колебаний за исключением узких областей вблизи частот, соответствующих четным гармоникам собственной частоты колебаний давления в отсасывающей трубе.

8. Наибольшие численные значения модуля амплитудно-частотной характеристики соответствуют режиму номинальной мощности при расчетном напоре и разгонным режимам на больших углах лопастей. В этих режимах имеет место наибольшая интенсивность крутильных колебаний и соответствующих пульсаций давления. С уменьшением нагрузки значения модуля АЧХ убывают и в режиме холостого хода во всем диапазоне частот равны коэффициенту саморегулирования турбины.

9. Расчеты сбросов нагрузки русловых ГЭС (Ту < 2 с) по моделям жесткого и упругого гидроудара дают одинаковую амплитуду крутильных колебаний вращающего момента за исключением узких областей частотного спектра, где происходит их демпфирование при совпадении частоты крутильных колебаний со второй гармоникой собственной частоты колебаний давления в отсасывающей трубе.