Режимни характеристики на ВЕЦ и ПАВЕЦ

Една от най-важните задачи в съвременната хидроенергетика е оптимизирането на режимите на работа на хидроагрегатите с оглед повишаване на тяхната ефективност при работата им в енергийните системи. Оптималната работа на хидроагрегатите в енергийните системи може да бъде осигурена само ако се познават характеристиките им за всички режими, в които те се експлоатират. Следва да се има предвид, че тези характеристики се изменят във времето и е необходима актуализация през определен период от време. Друг важен въпрос, непосредствено свързан с ефективността на работата на хидроагрегатите, е определянето на реалните водни количества, изразходвани при производството на електроенергия. Тези проблеми могат да бъдат решени, ако се познават реалните характеристики на хидроагрегатите.

Основната задача при оптимизирането на режимите на работа на хидроагрегатите е определянето на характеристиките им за всички режими на работа в експлоатационния диапазон на основата на резултати от опитни изследвания. Режимите на работа се дефинират от диапазона на натоварванията и на напорите, при които се експлоатират турбините. Основният проблем се състои в това, че измервания обикновено се провеждат само за определени стойности на напора. Това налага да бъдат използвани изчислителни процедури за пресмятане на характеристиките за други стойности на напора.

Изчислителна схема

Режимната таблица на една ВЕЦ представлява съвкупност от зависимости на основни външни параметри, характеризиращи работата на хидроагрегатите:

- геодезичен напор Hg;

- напор H на турбините;

- активна (генераторна) мощност Pg ;

- дебит Q;

- специфичен разход (обемът вода, необходим за производството на един киловатчас електроенергия) qs;

- обем на горния изравнител;

- кота на горното водно ниво (ГВН).

Тези зависимости се представят в табличен вид, като независима променлива е котата на ГВН. Режимната таблица включва още най-важните условия за работа на хидроагрегатите, които се определят от техните експлоатационни характеристики, а също и от характеристиките на хидротехническите съоръжения, работещи в системата. Тя е основен документ, в съответствие с който се експлоатират хидроагрегатите във водноелектрическите централи (ВЕЦ).

Изготвянето на режимната таблица може да се извърши на основата на проектните характеристики на хидроагрегатите и хидротехническите съоръжения (основно водни турбини, генератори, водохранилища и напорен тръбопровод). В редица случаи обаче реалните характеристики на тези съоръжения се различават в една или друга степен от проектните, а след известен срок на експлоатация различията в характеристиките са неизбежни. От тази гледна точка необходимостта от периодична актуализация на данните в режимната таблица изглежда очевидна. За тази цел е необходимо провеждането на натурни изследвания, които да покажат реалните характеристики на експлоатираните машини и съоръжения. Ясно е също така, че след извършването на основни ремонти или рехабилитация на турбините, генераторите или напорния тръбопровод се налага да бъдат коригирани данните в режимната таблица в съответствие с новите характеристики на машините и съоръженията, включени в хидроенергийната турбосистема. Изменения в режимната таблица се налагат и при промяна на условията на работа на енергийните обекти, включени в националната енергийна система.

Разработването на реална режимна таблица е възможно само на основата на резултатите от проведени натурни (полеви) изпитвания на хидроагрегатите във ВЕЦ. Тези измервания трябва да бъдат направени за няколко стойности на напора в границите, в които се експлоатират хидроагрегатите. Ясно е, че такива измервания могат да бъдат направени в един продължителен период от време (понякога в рамките на няколко години), което обезсмисля задачата, тъй като в този период характеристиките на самите машини и съоръжения се изменят. Затова се прилага следният подход: използват се резултати от натурни изследвания, както и резултати от преизчисляване на характеристиките на водните турбини за други стойности на напора в диапазона, в който се експлоатират хидроагрегатите. Получената база данни се използва за извършване на изчисленията по режимната таблица. Разработен е алгоритъм за изчисление, отделните етапи на който са изложени по-долу:

1. Създават се едномерни масиви от данни според резултатите от измерванията и преизчисляването на характеристиките. Масивите са от вида Pmax=f(H); h=f(H) при Pmax и qs=f(H) при Pmax. При формирането на тези масиви следва да се имат предвид ограниченията, наложени от универсалната характеристика на всяка турбина (минималното и максимално натоварване, ограниченията по мощност на генератора и др.).

2. Задават се стойностите на минималната и максималната кота на ГВН, максималната стойност на геодезичния напор (за Q=0), броят на хидроагрегатите в централата, както и стъпката на нарастване на геодезичния напор при изчисленията (според вариацията на ГВН). Задават се също така стойностите на котата на долното водно ниво (ДВН) при работа на една, две и т. нар. хидрогрупи в централата.

3. Определя се стойността на напора в първо приближение, като се задава начална стойност на хидравличните загуби в тръбопровода h`v: опитът от многобройните (над 50 ВЕЦ) опитни изследвания показва обикновено 4-5% от стойността на геодезичния напор.

4. Последователно се извършват изчисленията при работа на 1, 2, 3 и т. н. хидрогрупи (организира се външен цикъл).

Изчисленията за всеки хидроагрегат се организират във вътрешен цикъл със следната последователност:

- Определят се стойностите на Pmax, h и qs за всяка стойност на геодезичния напор, респ. нето-напора (започва се с минималната му стойност). За целта се използва интерполационна формула (кубична интерполация) по масивите от данни, формирани в т. 1;

- Определя се стойността на к. п. д. на генератора, като за целта предварително се намира (според паспортните данни) апроксимиращата зависимост ng=f(Pg);

- Определя се стойността на дебита: Q=Pg/(r gHhhg), където Н е стойността на напора, а h е к. п. д. на турбината;

- Определя се стойността на хидравличните загуби в напорния тръбопровод, като за целта се използва намерената преди това съпротивителна характеристика на тръбопровода hv=f(Q). Тази зависимост се получава посредством апроксимация на данни от натурните изпитвания на хидроагрегатите;

- Сравнява се получената стойност на хидравличните загуби със зададената (т. 3). Ако Dhv=|hv - h`v|=0.1 m изчисленията продължават за следващата стойност на напора. В случай че Dhv=|hv - h`v|>0.1 m, се коригира стойността на напора с DH (стойността на корекцията DH зависи от стойността на напора, а знакът й - от знака на Dhv).

При едновременна работа на две и повече машини се сумират стойностите на дебита и мощността. Ако няма данни за всички еднотипни машини, параметрите се усредняват на основата на данните от изпитаните машини.

5. Формират се масиви с данни, получени в резултат на направените изчисления.

Аналогична е изчислителната схема и за случаите на работа на обратима турбомашина в помпен режим (в ПАВЕЦ). В този случай трябва да бъдат съобразени особеностите на процеса на енергопреобразуване, както и на системата, в която работи хидроагрегатът.

За ВЕЦ, които се експлоатират в широк диапазон от режими е важен и въпросът за ефективната работа на хидроагрегатите в този диапазон. За тази цел описаният по-горе алгоритъм и изчислителната програма се модифицират. Задава се минималната мощност и стъпката за нарастване на мощността (според стойностите на минималната и максималната мощност за един хидроагрегат). Организира се цикъл, аналогичен на описания по-горе, като в този случай стойностите на външните параметри на турбината се определят според зададената стойност на мощността.

Важно е да се отбележи, че режимните таблици дават възможност за оптимизиране работата на хидроагрегатите, когато те работят в паралел.

Данните от режимните таблици в съвременните ВЕЦ и ПАВЕЦ се използват за разработване на софтуера на системите за управление на централите.

Примери

В съответствие с изложения по-горе алгоритъм е разработена компютърна програма REGTAB за пресмятане на основните параметри на режимните таблици на ВЕЦ. Програмата дава възможност за бързи изчисления на режимните таблици. По този начин са разработени режимните таблици на всички ВЕЦ от каскадите Арда, Въча, Баташки водносилов път, Белмекен-Сестримо и др. Програмата генерира файлове с данни и може да бъде използвана за автоматизирано управление на режимите на работа на хидроагрегатите във ВЕЦ и ПАВЕЦ.

На фиг.1, 2, 3 и 4 са представени графични зависимости за някои характерни параметри на хидроагрегатите във ВЕЦ Батак, ПАВЕЦ Чаира (кота ДВН 1248 m; турбинен режим), ПАВЕЦ Орфей и ВЕЦ Жребчево:

- активна мощност на генератора Pg;

- напор на турбината H;

- дебит на турбината Q;

- специфичния разход qs.

Независима променлива е геодезичният напор Hg (респ. котите на горното и долното водно ниво).

Заключение

Разработените метод и софтуер за пресмятане на режимните характеристики на хидроагрегатите във ВЕЦ е ПАВЕЦ дават възможност за ефективната им експлоатация при самостоятелна работа и работа в паралел. На тази основа се разработват т. нар. режимни таблици на ВЕЦ.

Осигуряването на ефективна експлоатация на хидроагрегатите във ВЕЦ и ПАВЕЦ изисква разработване на режимни таблици на основата на реални данни от опитни изследвания. Това налага провеждането на системни натурни (полеви) изпитвания на хидроагрегатите в тези ВЕЦ и ПАВЕЦ.

Забележка: Представените резултати са част от изследвания, направени по научната програма на проекта ДУНК-01/3, финансиран от МОМН.

Източник: доц. В.С. Обретенов, ТУ-София