ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКОНСТРУКЦИИ ГИДРОТУРБИН МАЙНСКОЙ ГЭС

EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF THE RECONSTRUCTION OF HYDRO TURBINES OF THE MAIN HPP

Kirill Karpov

Sayano-Shushenskiy branch Siberian Federal University, Russia, Cheryomushki

Аннотация. Статья посвящена сравнению оборудования, которое было установлено до реконструкции и после реконструкции. Проанализированные важнейшие параметры гидроагрегата. Оценена эффективность работы гидротурбины при различных напорах.

Abstract. The article is devoted to the comparison of equipment that was installed before reconstruction and after reconstruction. Analyzed the most important parameters of the hydraulic unit. The efficiency of the hydraulic turbine at different pressures is estimated.

Ключевые слова: модернизация, гидроагрегат, КПД, характеристики, экономический эффект, коэффициент полезного действия, режимы работы.

Keywords: modernization, hydraulic unit, efficiency, characteristics, economic effect, efficiency coefficient, operating modes.

Введение

Гидроэнергетика является возобновляемым источником электроэнергии и увеличение доли выработки чистой энергии становится особенно актуально в последнее время, когда возможно развитие программ субсидирования зеленой энергетики, штрафов и дополнительного налогообложения за грязную энергию.

Гидроагрегаты Майнской ГЭС были введены в эксплуатацию более 30 лет назад. Они отработали нормативный срок службы и достигли высокой степени износа. Кроме этого, в результате обновления основного и вспомогательного оборудования Майнской ГЭС более чем в 1,5 раза увеличится располагаемая мощность и, соответственно, экономическая эффективность гидроэлектростанции. Завершение всех мероприятий в рамках проекта намечено на 2023 год.

До реконструкции на Майнской ГЭС были установлены поворотно-лопастные турбины, однако из-за несовершенства конструкции данные агрегаты работали в пропеллерном режиме, что значительно снижало эффективность их работы, сокращало объём вырабатываемой электроэнергии.

Исходя из вышесказанного, для увеличения выработки чистой энергии, для повышения эффективности работы Майнской ГЭС и необходима замена устаревших гидротурбин. Новые рабочие колеса более совершенны с точки зрения конструкции и имеют возможность работать в режиме двойного регулирования расхода воды.

По результатам ранее проведенных обследований выявлены основные проблемные узлы:

- по рабочему колесу: выявлены зоны концентрации напряжений (особенно на лопастях), которые являются источником накопления, образования и развития повреждений. Ресурс лопастей рабочего колеса практически исчерпан.

- по камере рабочего колеса: выявлены поперечное и продольное растрескивание металла в зоне сварочных стыков. В за облицовочном пространстве камеры рабочего колеса выявлено наличие пустот.

- по статору турбины: на колоннах статора обнаружены участки коррозии, местоположение которых соответствует выявленным зонам концентрации напряжений.

Сравнение гидротурбин ПЛ20(811а- В-1000) и ПЛ-20-В-1000

Таблица 1.

Анализ турбин

Из таблицы 1 видно, что значения напора при которых работают турбины несколько изменились. Минимальный напор, при котором может работать новая гидротурбина стал ниже, а это значит, что новая гидротурбина будет более эффективно работать при низких напорах. Максимальный напор уменьшился, но завод изготовитель утверждает, что новое рабочее колесо, так же, как и старое, может работать при напоре 19,6 м.

Мощность гидротурбины ПЛ20(811а- В-1000) при расчетном напоре 110 МВт, а гидротурбина ПЛ-20-В-1000 при расчетном напоре выдает мощность 110,31 МВт, но расчетный напор ПЛ-20-В-1000 на 2,8 м ниже чем у ПЛ20(811а- В-1000). Если посмотреть на расход через турбину при расчетном напоре, из этого можно сделать вывод, что новое рабочее колесо при меньшем расходе воды через турбины и меньшем значении напора выдает большую мощность.

Нельзя оставить без внимания и коэффициент полезного действия, у рабочего колеса до реконструкции и после он составляет 94,5 и 95,2 соответственно.

Совокупность всех этих факторов говорит, что технологии не стоят на месте и на замену устаревшему, отработавшему свой срок оборудованию, приходит конструктивно более новое и совершенное оборудование. 

Таблица 2.

Анализ рабочего колеса

Из таблицы 2 видно, что материал лопастей рабочего колеса остается неизменным, так лопасти подвержены коррозии и кавитации, а изготовление их из нержавеющей стали позволяет им оказывать большее сопротивление вешним факторам. В новом рабочем колесе увеличилось число лопастей, несмотря на это масса рабочего колеса уменьшилась на 48620 кг.

Таблица 3.

Анализ направляющих подшипников турбины

Турбинный подшипник является важным узлом гидроагрегата. На гидроэлектростанциях, расположенных на реках с чистой водой, применяются подшипники с резиновыми вкладышами (так как для смазки и охлаждения используется вода из реки, на которой расположена ГЭС). Баббитовые применяются там, где речная вода содержит много твердых частиц. В некоторых случаях могут наблюдаться исключения, когда заказчик вносил изменения в техническое задание на проектирование и выдвигал соответствующие требования, при этом баббитовые подшипники могли устанавливаться на реке с чистой водой. Подшипник каждого типа имеет свои минусы. Подшипники с резиновыми вкладышами со смазкой и охлаждением водой имеют следующие недостатки: необходимость выполнения облицовки вала в зоне турбинного подшипника нержавеющей сталью, большие трудозатраты при регулировке зазоров кольцевого типа, сгорания резины при недостаточной подачи водяной смазки или ее внезапном прекращении, возрастание биение вала гидроагрегата в зоне турбинного подшипника в ходе эксплуатации у сегментных резиновых подшипников происходит быстрее чем у других типов подшипников.

Баббитовый с масляной смазкой требует надёжного уплотнения вала в труднодоступной зоне между подшипником и рабочим колесом, что значительно усложняет конструкцию турбины и ее обслуживание.

На Майнской ГЭС было принято решение заменить подшипник на водяной смазке с обрезиненными вкладышами, на подшипник на масленой смазке с баббитовыми вкладышами. Судить о том лучше новый подшипник чем старый можно будет только по прошествии времени и получению опыта по эксплуатации.

Таблица 4.

Анализ направляющего аппарата

Направляющий аппарат претерпел незначительные изменения, изменилось максимальное открытие, что обусловлено изменением формы лопаток. Средний и верхний подшипники лопаток направляющего аппарата до реконструкции были выполнены совместно, а после реконструкции эти детали имеют раздельное исполнение. Число лопаток НА, высота лопаток и диаметр окружности расположения осей лопаток остались неизменными.

Таблица 5.

Анализ сервомоторов НА турбины

Из таблицы 5 можно сделать вывод, что, исходя из экономических соображений диаметр поршня сервомотора уменьшили, а максимальное давление на сервомотор и ход поршня увеличили для более плавного регулирования НА.

Сравнение удельного расхода на выработку 1 кВт·ч гидроагрегатов до и после замены турбины Майнской ГЭС

Для сравнения значений удельного расхода до и после замены турбины используется расходно-мощностная характеристика.

При максимальном напоре существенных изменений не наблюдается.

Расходно-мощностные характеристики для расчётного напора представлены на рисунке 1.

Расходно-мощностные характеристики для среднего напора представлены на рисунке 2.

Рисунок 1. Расходно–мощностная характеристика для расчетного напора

Рисунок 2. Расходно–мощностная характеристика для среднего напора

На рисунках 1-2 показано как изменится расход воды после того как будет заменена турбина на новую. Расход уменьшится.

Произведём сравнение показателей удельного расхода на выработку 1 кВт·ч в среднем по всей зоне работы гидротурбины.

Сравнение средних показателей удельного расхода для всех зон работы гидротурбины представлено в таблице 6.

Таблица 6.

Средних показателей удельного расхода для всех зон работы гидротурбины

Произведенный анализ характеристик (рисунок 3), что после замены гидроагрегата, удельный расход воды уменьшится на выработку кВт·ч в среднем на 12,08%. Сравнительный анализ характеристик удельного расхода воды в зависимости от мощности турбины показал положительный эффект от замены гидроагрегата.

Рисунок 3. Удельный расход воды на выработку 1 кВт·ч

Вывод: Исходя из всех представленных характеристик новая турбина является более надежным и более экономичным вариантом.

Модернизация турбин на Майнской ГЭС позволяет решить комплекс задач с точки зрения повышения надежности, повышение управляемости режимами работы, также сокращение затрат водных ресурсов на выработку электроэнергии.