Реконструкция гидротурбин Нижне-Свирской ГЭС на базе пропеллерных рабочих колес с переменной частотой вращения

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.

1. Иванченко И. П., Прокопенко А. Н. Эксплуатационные характеристики гидротурбин со сроком службы выше нормативного. Надежность и безопасность энергетики 2017, 10(3): 197 – 205.

2. Иванченко И. П., Прокопенко А. Н. Состояние проблемы реконструкции гидротурбин в России // Гидротехника 2018, 1(50): 27 – 39.

3. Vishnu Prasad. Prediction of cavitation and its mitigation techniques in hydraulic turbines. February 2021. Ocean Engineering 221(2): 108512.

4. 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.

5. Иванченко И. П., Прокопенко А. Н., Конаков А. А. Опыт реконструкции гидротурбин Павловской ГЭС // Гидротехническое строительство 2017, 9: 21 – 28.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Mostafa Valavi, Arne Nysveen. Variable speed operation of hydropower plants. A look at the past, present, and future. IEEE Industry applications magazine. September 2018.

10. 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.

11. Hell J. High flexible hydropower generation concepts for future grids J. Phys.: Conf. 2017. Ser. 813 012007.