Гидравлические машины

Направление подготовки: 13.03.02.62 «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» Профиль: Гидроэнергетика ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ (лекционный курс) Автор: доц. Орахелашвили Б. М. 2016 Лекция 1. Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОМАШИНОСТРОЕНИЯ РОССИИ 1.1 Гидроэнергетический потенциал Несмотря на значительное развитие гидроэнергетики в мире, в учете мировых гидроэнергетических ресурсов до сих пор нет полного единообразия. Также отсутствуют материалы, дающие сопоставимую оценку гидроресурсов мира. Кадастровые подсчеты запасов гидроэнергии различных стран и отдельных специалистов отличаются друг от друга рядом показателей: полнотой охвата речной системы отдельной страны и отдельных водотоков, методологией определения мощности; в одних странах учитываются потенциальные гидроресурсы, в других вводятся различные поправочные коэффициенты и т.д. Попытка упорядочить учет и оценку мировых гидроресурсов была сделана на Мировых энергетических конференциях (МИРЭК). Было предложено следующее содержание понятия гидроэнергетического потенциала - совокупность валовой мощности всех отдельных участков водотока, которые используются в настоящее время или могут быть использованы в производстве электроэнергии. Валовая мощность водотока, характеризующая собой его теоретическую мощность, определяется по формуле: 𝑁 = 9,81 ∗ 𝑄 ∗ Н [кВт], где Q - расход водотока, м3/с; H – перепад высот на участке водотока, м. Мощность определяется для трех характерных расходов: Q 95 % расход, обеспеченностью 95 % времени; Q 50 % - обеспеченностью 50 % времени; Q ср. - среднеарифметический. 2 Существенным недостатком этих предложений было то, что они предусматривали учет гидроресурсов не по всему водотоку, а только по тем его участкам, которые представляют энергетический интерес. Отбор же этих участков не мог быть твердо регламентирован, что на практике приводило к внесению в подсчеты элементы субъективизма. Комитет по электроэнергии Европейской экономической комиссии установил рекомендации по определению потенциала в виде: - теоретический валовой (брутто) гидроэнергетический потенциал (или общие гидроэнергетические ресурсы), включающий в себя: поверхностный сток, учитывающий энергию стекающих вод на территории целого района или отдельно взятого речного бассейна и речной, учитывающий энергию водотока. - технический - часть теоретического валового речного потенциала, которая используется или может быть использована при существующем уровне развития техники (мировой технический потенциал оценивается более чем в 13 трл. кВт-ч); - экономический - часть технического потенциала, использование которой в существующих условиях экономически оправдано (табл. 1.1 и рис. 1.1). Таблица 1.1 Основные показатели гидроэнергетики в мире Страна Китай Россия Бразилия Канада США Норвегия Япония Экономический Установл. Выработка % ГЭС Общая г/э потенциал, мощность на ГЭС, в общей выработка 1012 КВт/; ГЭС, выработке э/э, млн. % использования ГВт э/энергии ГВт-ч/год 1,26/17 0,85/18 0,74/40 0,54/65 0,38/82 0,18/64 0,115/90 72,9 44,4 56,5 65,7 75,5 27,4 21,4 млн. ГВт-ч 0,21 0,16 0,30 0,35 0,31 0,12 0,10 17,3 19,4 93,5 62,0 8,8 99,4 10,0 1,2 0,8 0,3 0,6 3,5 0,12 1,0 3 Зарубежная Азия 7,3 2 Латинская Америка 11,2 27,3 Северная Америка Африка 16,4 19,4 16,4 СНГ Зарубежная Европа Австралия и Океания Рис. 1.1- Распределение гидроэнергетического потенциала по регионам мира Самые крупные эксплуатируемые ГЭС имеют установленную мощность: «Три ущелья» (Китай) – 18,2 млн. кВт (см. рис. 1.2), «Итайпу» (Бразилия – Парагвай) – 12,6 (14,0) млн. кВт (см. рис. 1.3), «Гури» (Венесуэла) – 10,3 млн. кВт, «Тукуру» (Бразилия) – 7,2 млн. кВт, «Гранд Кули» (США) – 6,5 млн. кВт, «Саяно–Шушенская» – 6,4 млн. кВт (см. рис. 1.4) и «Красноярская» (Россия) – 6 млн. кВт. Рис. 1.2 ГЭС «Три ущелья» 4 Рис. 1.3 ГЭС «Итайпу» Рис. 1.4- Саяно-Шушенская ГЭС 5 Россия обладает значительными гидроэнергетическими ресурсами. Ее теоретический потенциал оценивается в 2900 млрд. кВтч, технический – в 1670 млрд. кВтч, а экономический – в 850 млрд. кВтч. Его распределение крайне неравномерно: на европейскую часть приходится 15%, а на азиатскую – 85% (см. рис. 1.5). Освоено из него пока лишь 18%, в том числе в европейской части – 50%, в Сибири – 19% и на Дальнем Востоке – 4%. Рис. 1.5 Распределение гидроэнергетического потенциала по России В настоящее время на территории России работают 102 гидростанции установленной мощностью свыше 100 МВт. Общая установленная мощность гидроагрегатов на ГЭС в России составляет примерно 45 млн. кВтч, а выработка порядка 165 млрд. кВтч/год. В общем объеме производства электроэнергии в России доля ГЭС не превышает 21 %, что существенно ниже, чем в развитых странах и создает условия для интенсивного развития этой области энергетики. 6 1.2 Исторический обзор развития гидромашиностроения Основа развития отечественной энергетики была заложена в 20-х годах ХХ века в соответствии с планом ГОЭЛРО. Его главной характерной особенностью являлось жесткое планирование развития энергетики в привязке к созданию всего народно-хозяйственного комплекса СССР. Это был план развития промышленности на базе электрификации страны. На протяжении всей истории советской гидроэнергетики проектирование и строительство крупных ГЭС были централизованы. Это способствовало созданию высококвалифицированных коллективов проектировщиков, строителей и монтажников. За 60 лет (1921–1980) в стране была создана мощная отрасль промышленности - гидроэнергетика. В 1980 году установленная мощность ГЭС страны составляла более 52 ГВТ, то есть около 20% от мощности всех электростанций. По установленной мощности ГЭС Советский Союз занимал второе место в мире, а по выработке электроэнергии на гидроэлектростанциях — третье, уступая США и Канаде. Сегодня программа комплексного использования водных ресурсов и дальнейшего гидроэнергетического строительства в составе энергетического комплекса страны пока находится на стадии обсуждения. Существенно обострилась проблема должного кадрового обеспечения такого сложного строительства, как гидротехническое, практически на всех его уровнях. Главным направлением на ближайшие годы является модернизация и реконструкция действующих ГЭС. Одновременно необходимо учитывать, что принятая программа развития атомной энергетики в нашей стране потребует создания гидроаккумулирующих станций, обеспечивающих покрытие пиковых нагрузок. В мировой практике строительству ГАЭС уделяется большое внимание. В России же построена одна Загорская ГАЭС. С учетом мирового опыта эксплуатации АЭС для оптимального покрытия графиков нагрузки в системе целесообразно иметь гидроаккумулирующие 7 электростанции суммарной мощностью 6–10 % от суммарной мощности АЭС. Для реализации программы развития страной накоплен огромный технический и технологический опыт. По уровню основного показателя, характеризующего технический уровень создаваемого оборудования (КПД), отечественное оборудование соответствует и даже превышает импортное оборудование. Рассмотрим этот показатель для различных типов гидротурбин. Разнообразие природных условий (сочетаний напора и расхода воды) обуславливает применение гидротурбин различных типов. Капсульные гидромашины применяются при напорах меньше 15÷16 м и больших расходах воды. Созданные ОАО «ЛМЗ» турбины экспортировались в Канаду (ГЭС «Дженпег» — 6 машин), в Румынию (ГЭС «Железные ворота II» — 2 машины), в Югославию (ГЭС «Джердап» — 8 машин), в Сирию (ГЭС «Аль – Баас» — 3 машины). Сам факт поставки таких турбин за рубеж свидетельствует об их высоком техническом уровне. Максимальный уровень КПД составляет 94 %. Поворотно-лопастные (пропеллерные) турбины применяются при напорах 15÷60 м и по уровню КПД не уступают зарубежным машинам. Так, при реконструкции ГЭС «Джердап» КПД новых турбин разработки ОАО «ЛМЗ» составило 92 % (по модели) и не уступало гарантированному фирмой Sulzer (эта фирма проводила реконструкцию гидротурбин на том же гидроузле со стороны Румынии). В последние годы на экспорт поставлялись гидротурбины небольшой мощности: ГЭС «Винучи» (США) — мощностью 16,0 МВт; ГЭС «Мункфорс» (Швеция) — мощностью 14,4 МВт; ГЭС «Утатен» (Финляндия) — мощностью 20,0 МВт. Активно идет изготовление новых крупных гидротурбин (диаметр рабочего колеса 10,3 м) для модернизации каскада Волжских ГЭС. 8 Радиально-осевые турбины применяются при напорах 40÷300 м. Гидромашины этого класса российская промышленность производит на мировом уровне. В последние годы были поставлены за рубеж мощные турбины для следующих гидростанций - ГЭС «Капанда» (Ангола) мощностью 133 МВт; ГЭС «Уитес» (Мексика) мощностью 211 МВт; ГЭС «Яли» (Вьетнам) мощностью 188,5 МВт. Гидротурбины мощностью менее 100 МВт поставлялись для ГЭС Швеции, Греции, Финляндии, Ирака. За последние годы в России изготовлена серия турбин Бурейской ГЭС (мощность турбины — 330 МВт). Максимальное значение КПД натурной гидротурбины Бурейской ГЭС составляет 96,2 %. Такой же уровень КПД гарантируется ведущими зарубежными фирмами Voith Turbo, Alstom, Sulzer. Закончена поставка 10 новых гидроагрегатов для Саяно-Шушенской ГЭС мощностью по 640 МВт. Ковшовые турбины применяются при напорах станции свыше 300 метров. За изготавливались последние только годы малые отечественной горизонтальные промышленностью ковшовые турбины мощностью менее 2 МВт для внутреннего рынка. Исключение составляет 4-х сопловая вертикальная гидротурбина для ГЭС «Су-Джинь-Шань» (КНР) мощностью 16,5 МВт. Насос - турбины (обратимые гидромашины) в России были созданы в начале 1980-х годов для Загорской ГАЭС. Единичная мощность агрегата составляет 200 МВт в турбинном режиме и 216 МВт в насосном режиме. Максимальный напор — 115 м, диаметр рабочего колеса — 6,3 м. Натурные энергетические испытания показали, что максимальный уровень КПД гидромашины равен 92,5–93,0 % в турбинном режиме и 90,0–90,5 % в насосном режиме. В целом эти значения КПД находятся на мировом уровне. В настоящее время ОАО «ЛМЗ» создало новую обратимую машину для Загорской ГЭС-2, которая в габаритах проточной части машины Загорской ГАЭС-1 развивает мощность 230 МВт. Создание насос - турбин с 9 повышенной пропускной способностью даст возможность также уменьшить число агрегатов для планируемой Центральной ГАЭС (мощность — 4000 МВт) с 18 до 10–12 машин единичной мощностью до 400 МВт. 1.3 Основные направления развития гидромашиностроения До недавнего времени общей закономерностью энергетики был рост единичных мощностей турбин. В СССР планировалось увеличить единичную мощность поворотно-лопастных турбин до 300–500 МВт (для СреднеЕнисейской и Осиповской ГЭС), и достичь мощности 1000–1500 МВт для радиально-осевых машин (в качестве предполагаемого объекта рассматривалась Туруханская ГЭС, турбина которой имела бы мощность 1000 МВт при напоре 180 м и диаметре колеса 8,5 м). В России самые мощные турбины установлены на Саяно-Шушенской ГЭС (единичная мощность — 640 МВт, расчетный напор — 194 м, диаметр рабочего колеса — 6,77 м). Сегодня происходит пересмотр концепции развития гидроэнергетики: выдвигается тезис децентрализации источников энергии. Такая ситуация исключает создание гидротурбин большой единичной мощности. Так, для Средне - Енисейской ГЭС вместо планируемой раньше поворотно-лопастной турбины мощностью 375 МВт при напоре 54,9 м теперь предлагается турбина мощностью 165 МВт при напоре 30,3 м. Зарубежная практика также не дает оснований надеяться, что гидротурбины единичной мощностью 900– 1000 МВт и выше имеют перспективу. Долгое время в гидромашиностроении господствовала идея продвижения в область высоких напоров поворотно-лопастных турбин, обеспечивающих более высокий среднеэксплуатационный КПД и снижение вибраций на нерасчетных режимах. Практическая реализация этой идеи привела к появлению новых конструкций рабочих колес: диагональных и двухперовых. В 1976 году был пущен первый из 6 агрегатов с диагональной 10 турбиной мощностью 220 МВт. За прошедшие годы они продемонстрировали высокие энергетические и вибрационные показатели. Основной интерес представляет повышение технического уровня действующих ГЭС, что вызвано несколькими причинами: - высокой степенью освоенности гидроресурсов в большинстве экономически развитых стран; - ужесточением экологических требований, что затрудняет получение новых площадок под гидростроительство; - высокой эффективностью работ по реконструкции оборудования. Замена оборудования позволяет повысить максимальный КПД машин большинства ГЭС при сохранении основных закладных частей и диаметра рабочего колеса. В России не предусматривается начало строительства новых гидроузлов в ближайшее десятилетие. Наиболее реальный путь ввода новых мощностей — это завершение строительства 16 ГЭС общей мощностью 8515 МВт, заложенных еще в советские годы. В эти объекты вложены значительные средства. Дополнительная выработка энергии может быть получена также от гидроузлов, оборудование которых давно отработало свой нормативный срок службы. Таким образом, особенность развития гидроэнергетики России состоит в том, что при незначительных масштабах строительства новых ГЭС имеется нарастающая потребность в реконструкции установленных агрегатов. К реконструкции действующего оборудования на каждой конкретной ГЭС следует подходить индивидуально. Но существует общее требование к реконструкции оборудования: выбор типа и параметров нового агрегата должен производиться с учетом конструктивных особенностей существующего гидроблока и реально сложившихся режимных условий. 11