Модернизация на водни турбини

В. С. Обретенов

Модернизацията на водните турбини обхваща комплекс от мероприятия, чиято цел е удължаване срока на експлоатация и повишаване ефективността на работния процес на турбините. Основните причини за провеждането й могат да бъдат изчерпване срока на експлоатация, повреди, нарушаващи нормалната експлоатация или кавитационно износване.

Изчерпване срока на експлоатация

От практиката е известно, че срокът за нормална експлоатация след пускане в действие на една водна турбина е 50-60 години. След това е наложително турбината да бъде модернизирана, за да се повиши ефективността й, както и да се избегнат аварии, които в някои случаи могат да бъдат катастрофални. Показателно е например, че по данни на Voith Hydro дори в Африка 50% от работещите водни турбини са инсталирани през последните 36 години. Ако не се вземат предвид водноелектрическите централи с малка мощност, в България през последните 30 години са въведени в експлоатация само ВЕЦ Цанков камък (2 турбини) и ПАВЕЦ Чаира (4 обратими турбомашини). Уместно е да се отбележи, че през последните 15 години у нас бяха модернизирани турбините в почти всички основни за енергийната ни система ВЕЦ.

Повреди, нарушаващи нормалната експлоатация

В тези случаи обикновено се поставя въпросът: модернизация или проектиране на нова турбина? Отговорът зависи от състоянието на турбината и възможностите на собственика на централата. Показателен е примерът с ВЕЦ Тополница, в която през април 2003 г. хидроагрегат №3 на практика беше разрушен в резултат на авария (фиг.1) и се наложи проектиране, изработване и монтиране на нова Францисова турбина. В несравнимо по-големи мащаби бяха разрушенията след аварията през 2009 г. в Саяно-Шушенската ВЕЦ (Русия). По принцип износването на някои от елементите на проточната част е основание за предприемане на действия за модернизирането й.

Кавитационно износване

Известно е, че съвременните водни турбини се проектират за работа в начална фаза на развитие на кавитационни процеси в проточната част. Понякога турбините се експлоатират извън предписаните от производителя режими (например според изисквания, свързани с управлението на електроенергийната система), което води до ускорена кавитационна ерозия. Това съкращава (в някои случаи съществено) нормалния срок на експлоатация на турбините и необходимостта от модернизация на проточната част става очевидна. На фиг. 2 са показани работни лопатки на обратимата турбомашина от хидроагрегат №1 в ПАВЕЦ Чаира и развитието на кавитационна ерозия за период от 2 години (2005/2007 г.).

Особености на модернизацията на водните турбини

Независимо от състоянието на турбината и нейните основни характеристики, процесът на модернизация най-често преминава през следните етапи:

1. Анализ на конструкцията и състоянието на турбината. Включва следния обем мероприятия:

- Запознаване с наличната конструктивна документация. Измервания на геометричните характеристики на елементите от проточната част на турбината;

- Анализ на данните за режимите на работа;

- Анализ на възможностите за увеличаване на дебита, респ. мощността на турбината;

- Установяване на реалните стойности на външните параметри (дебит, напор, мощност) на турбината за разчетния режим на работа;

- Експериментално определяне на работните характеристики на турбината.

2. Изготвяне на доклад с анализ и системна оценка на технико-икономическите аспекти на модернизацията. Дефиниране на диапазона по отношение обема на работите (крайното решение се взема от собственика на централата).

3. Пресмятане и конструиране на елементите - обект на модернизацията. При необходимост - провеждане на моделни изследвания.

4. Изработване на модернизираните елементи и монтиране на турбината.

5. Пускане в експлоатация, опитно определяне на характеристиките на модернизираната турбина. Мониторинг на работата на хидроагрегата.

Често срещани проблеми при модернизацията

При модернизацията на водните турбини най-често възникват следните проблеми:

- Ограничения (особено при по-старите конструкции) от гледна точка на осигуряването на геометрична съвместимост на модернизираните със съществуващите елементи от проточната част на турбината.

- Осигуряване на съответствие на кинематичните параметри на течението на входа на работното колело с тези на изхода на направляващия апарат (при реактивните турбини). Затова често се налага модернизирането и на двете лопатъчни системи с цел постигане на необходимата съгласуваност в работата.

- Крайно ограничени възможности за промяна на диаметровото отношение при Пелтоновите турбини.

- Ограничени възможности за намаляване на хлабините между работното колело и работната камера, без да се модернизират лагерите на турбината.

Примери за модернизация на Францисови водни турбини

При реактивните турбини модернизацията на проточната част обхваща най-често работното колело и направляващия апарат. На фиг. 3 е направено сравнение на меридианните проекции на старото и новото работно колело на Францисова турбина от ВЕЦ Solina (Полша). Двете турбини в централата са модернизирани от фирмата Voith Hydro (Австрия). В резултат на модернизацията на работните колела ефективната мощност е нараснала от 45 MW на 73 MW. Модернизирани са също системата за управление и възбуждането на генераторите.

На фиг. 4 са показани меридианните проекции на старото и новото работни колела на турбини №1 и 2 във ВЕЦ Асеница 1, а на фиг. 5 е направено сравнение на зависимостта на к.п.д. от генераторната мощност преди и след модернизацията.

Вижда се, че в резултат на направената модернизация се е повишила забележимо ефективността на работния процес практически в целия експлоатационен диапазон. В оптималния режим на работа (Pg˜2300 kW) турбината работи с около 6% по-висок к.п.д., а при максимално натоварване стойностите на к.п.д. са по-високи с почти 10%. Забележимо е нараснала и максималната стойност на мощността.

На фиг. 6 е показан резултатът от успешната модернизация на Францисовата турбина от хидроагрегат №3 в ПАВЕЦ Орфей от Voith Hydro. Вижда се, че след направената модернизация значително се е повишила ефективността на работния процес в целия експлоатационен диапазон и особено при по-ниските товари. Например при мощност 31 MW разликата между к.п.д. на модернизираната и старата турбина достига до 9%.

На фиг. 7 са показани старото и новото работно колело на Каплановата водна турбина от ВЕЦ Железни врата 1 (Румъния). В резултат на модернизацията мощността на всяка от 6-те турбини е нараснала от 175 MW на 194.4 MW.

Пълният цикъл на проектиране при модернизацията на водни турбини е илюстриран на фиг. 8. Модернизирани са двете Капланови турбини в корейската ВЕЦ Сuncheon (напор 30.7 m, ефективна мощност 34 MW). Модернизацията е извършена от японската фирма Toshiba. Направено е числено моделиране на работното колело чрез последователно прилагане на задачите за синтез на лопатъчната система и анализ на течението през нея. На основата на получените резултати е проектиран модел, който е изпитан в хидравличната лаборатория на Toshiba Corporation. След това са проектирани и изработени работни колела за двата хидроагрегата. Опитните изследвания са показали нарастване на стойностите на к.п.д. с над 4% практически в целия експлоатационен диапазон.

Примери за модернизация на Пелтонови турбини

Обект на модернизация при Пелтоновите турбини най-често е работното колело, а в някои случаи иглата и дюзата на направляващото устройство. На фиг. 9 е направено сравнение между хоризонталните проекции на старата и модернизираната (от фирмата Hetch Hetchy Water and Power - Сан Франциско) лопатка на Пелтоновата турбина от ВЕЦ Moccasin (САЩ). Модернизирано е и направляващото устройство (ъгълът на дюзата е увеличен от 800 на 900, а на иглата - от 500 на 600).

На фиг. 10 са сравнени работните характеристики на Пелтоновата турбина от хидроагрегат №3 в ПАВЕЦ Белмекен преди и след модернизацията на проточната част (работно колело и направляващо устройство) от фирмата VA TECH (Австрия). Вижда се, че в целия диапазон на изменение на мощността, измерените стойности на к.п.д. на турбината с новото работно колело са по-високи от тези със старото, като в зоната на максималните мощности разликата нараства и достига 1.7%.

Заключение

След направена модернизация на една водна турбина могат да се очакват следните по-съществени резултати:

1. Нарастване производството на електроенергия от хидроагрегата. Основните причини за това са:

- Повишаване ефективността на работния процес в турбината;

- По-ефективно управление на турбината и хидроагрегата;

- Ако има възможност, при модернизацията на реактивните турбини не е трудно да се повиши пропускателната способност на работното колело.

На фиг. 11 е показано нарастването на максималните стойности на к.п.д. на основните видове водни турбини през ХХ век в резултат на технологичното развитие в хидротурбостроенето (по данни на Andritz Hydro).

2. По-висока кавитационна устойчивост на проточната част на турбината (резултат на съвременните методи за пресмятане, както и на новите материали).

3. Намаляване на експлоатационните разходи.

4. По-ефективно аериране на водата.

5. Намаляването на хлабините между работното колело и камерата при Каплановите водни турбини, освен намаляване на обемните загуби, води и до намаляване на риска за рибите.

6. Съвременните технологии позволяват да се намали до минимум рискът от замърсяване на водата с масло и грес (при Каплановите и диагоналните турбини).

7. По-висока надеждност на турбината и хидроагрегата.