energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2022-15-4-300-308energsecurity-851Research ArticleОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИOPERATING EXPERIENCEРеконструкция гидротурбин Нижне-Свирской ГЭС на базе пропеллерных рабочих колес с переменной частотой вращенияReconstruction of Nizhne-Svirskaya HPP hydroturbines using propeller blade runners with variable rotation speedПрокопенкоА. Н.ProkopenkoA. N.

Атаманская ул., д. 3/6, 191167, Санкт-Петербург

Atamanskaya str., 3/6, 191167, Saint Petersburg

КострубаА. В.KostrubaA. V.

Атаманская ул., д. 3/6, 191167, Санкт-Петербург

Atamanskaya str., 3/6, 191167, Saint Petersburg

Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»)РоссияJoint-Stock Company "I. I. Polzunov Scientific and Development Association on Research and Design of Power Equipment"Russian Federation202209022023154300308Copyright © Прокопенко А.Н., Коструба А.В., 20232023Прокопенко А.Н., Коструба А.В.Prokopenko A.N., Kostruba A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/851

Рассмотрена реконструкция осевых гидротурбин путем установки пропеллерных рабочих колес с переменной частотой вращения. На основе суточных ведомостей со сведениями о напоре, мощности и высоте отсасывания гидроагрегатов Нижне-Свирской ГЭС построены топограммы режимных условий оборудования. Для определения закономерности использования мощности агрегата в энергосистеме полученные топограммы переформатированы в гистограммы относительной продолжительности нормированной мощности. На основе полученных гистограмм обоснована возможность установки пропеллерных рабочих колес при реконструкции гидроэлектростанции. Найдены наиболее опасные для кавитации режимные условия работы гидроагрегата. Установлено предельно допустимое значение кавитационного коэффициента турбины для нового рабочего колеса. Изложены методики и произведен выбор из нескольких углов установки лопастей рабочего колеса на основе анализа максимального уровня КПД, развиваемой приведенной мощности и кавитационного коэффициента турбины. На основе эмпирических зависимостей в первом приближении учтены потери по элементам проточной части от несоответствия проточных частей старой и реконструируемой гидротурбины. С учетом особенностей пропеллерного рабочего колеса и потерь по элементам проточной части построена прогнозная универсальная характеристика гидротурбины с замененным рабочим колесом. На ее основе построена эксплуатационная характеристика реконструированной гидротурбины с учетом ее работы с переменной частотой вращения. На характеристике выделены основные зоны работы гидроагрегата. Одновременно с достижением более высокой мощности, чем у поворотно-лопастной гидротурбины, расширен регулировочный диапазон турбин по сравнению с традиционными пропеллерными машинами, работающими с постоянной частотой вращения.

Reconstruction of axial-flow hydroturbines through installation of variable speed propeller blade runners is considered. Using daily information about water head, capacity, and suction height of Nizhne-Svirskaya HPP units, topograms of hydro equipment operating conditions were created. For obtaining a regular pattern of unit capacity usage in power grid, those topograms were redesigned into histograms of relative duration of normalized capacity. Using aforementioned histograms enabled to substantiate the possibility of application of propeller blade runners for HPP reconstruction. The most dangerous unit operating conditions were identified in terms of cavitation. The upper limit for turbine cavitation coefficient was established. Methodologies were presented and a choice was made from several blade angles using analysis of efficiency levels, maximum normalized capacity, and turbine cavitation coefficient. Based on empirical dependencies, approximate losses in water parts induced by differences in geometry of old and reconstructed turbines were considered. With specifics of the propeller blade runner and losses in elements of the turbine water part taken into account, an estimated model hill chart of a hydroturbine with a new blade runner was created. This was used to plot an estimated prototype hill chart of the reconstructed hydroturbine operating with variable rotation speed. Three main operating zones are highlighted on the prototype hill chart. Simultaneously with achieving higher values of capacity compared to those of a Kaplan turbine, the operating range has been widened compared to traditional propeller turbines with a constant speed.

гидротурбинарабочее колесопеременная частота вращенияметодика расчетаэнергетические показателипотери в проточной частиhydroturbineblade runnervariable speed of rotationcalculation methodologyenergy outputwater part lossesReferencesИванченко И. П., Прокопенко А. Н. Эксплуатационные характеристики гидротурбин со сроком службы выше нормативного. Надежность и безопасность энергетики 2017, 10(3): 197 – 205.Ivanchenko I. P., Prokopenko А. N. Operating characteristics of hydraulic turbines with service life exceeding the standard one. Safety and Reliability of Power Industry 2017, 10(3): 197 – 205. (In Russ.)Иванченко И. П., Прокопенко А. Н. Состояние проблемы реконструкции гидротурбин в России // Гидротехника 2018, 1(50): 27 – 39.Ivanchenko I. P., Prokopenko А. N. State of the hydroturbines reconstruction problem in Russia // Hydrotechnika 2018, 1(50): 27 – 39. (In Russ.)Vishnu Prasad. Prediction of cavitation and its mitigation techniques in hydraulic turbines. February 2021. Ocean Engineering 221(2): 108512.Vishnu Prasad. Prediction of cavitation and its mitigation techniques in hydraulic turbines. February 2021. Ocean Engineering 221(2): 108512 (In Eng.)Яковлева И. В., Максутова Д. А., Халиуллина А. Р. Продление срока эксплуатации гидротурбин, подверженных кавитации. Сборник материалов VIII Всероссийской студенческой научно-практической конференции 2018: 135 – 139.Yakovleva I. V., Maksutova D. А., Haliullina А. Р. Increasing exploitation cycle of hydroturbines influenced by cavitation. Compilation of VIII Russian student science-practical conference 2018: 135 – 139. (In Russ.)Иванченко И. П., Прокопенко А. Н., Конаков А. А. Опыт реконструкции гидротурбин Павловской ГЭС // Гидротехническое строительство 2017, 9: 21 – 28.Ivanchenko I. P., Prokopenko А. N., Konakov A. A. Experience of Pavlovskaya HPP hydroturbine reconstruction // Power Technology and Engineering 2017, 9: 21 – 28. (In Russ.)Иванченко И. П., Топаж Г. И., Коструба А. В. Повышение эффективности работы пропеллерных гидротурбин при использовании переменной частоты вращения // Гидротехническое строительство 2018, 1: 2 – 9.Ivanchenko I. P., Topazh G. I., Kostruba А. V. Using variable speed for improving the efficiency of propeller turbines // Power Technology and Engineering 2018, 1: 2 – 9. (In Russ.)Pavel Rudolf, Jiří Litera, Germán Alejandro Ibarra Bolanos, and David Štefan. Manipulation of the swirling flow instability in hydraulic turbine diffuser by different methods of water injection. 2018. EPJ Web of Conferences 180, 02090.Pavel Rudolf, Jiří Litera, Germán Alejandro Ibarra Bolanos, and David Štefan. Manipulation of the swirling flow instability in hydraulic turbine diffuser by different methods of water injection. 2018. EPJ Web of Conferences 180, 02090 (In Eng.)Variable speed micro-hydropower generation system: Review and Experimental results. Baoling Guo, Seddik Bacha, Mazen Alamir, Amgad Tarek Mohamed. Symposium de Génie Electrique, Université de Lorraine [UL], Jul 2018, Nancy, France. hal-02981922.Variable speed micro-hydropower generation system: Review and Experimental results. Baoling Guo, Seddik Bacha, Mazen Alamir, Amgad Tarek Mohamed. Symposium de Génie Electrique, Université de Lorraine [UL], Jul 2018, Nancy, France. hal-02981922.Mostafa Valavi, Arne Nysveen. Variable speed operation of hydropower plants. A look at the past, present, and future. IEEE Industry applications magazine. September 2018.Mostafa Valavi, Arne Nysveen. Variable speed operation of hydropower plants. A look at the past, present, and future. IEEE Industry applications magazine. September 2018. (In Eng.)Variable-speed operation and pressure pulsations in a Francis turbine and a pump-turbine. I. Iliev, C. Trivedi, E. Agnalt, O. G. Dahlhaug. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Volume 240, Issue 7.Variable-speed operation and pressure pulsations in a Francis turbine and a pump-turbine. I. Iliev, C. Trivedi, E. Agnalt, O. G. Dahlhaug. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Volume 240, Issue 7. (In Eng.)Hell J. High flexible hydropower generation concepts for future grids J. Phys.: Conf. 2017. Ser. 813 012007.Hell J. High flexible hydropower generation concepts for future grids J. Phys.: Conf. 2017. Ser. 813 012007 (In Eng.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.