МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

 

ГЛАВНОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

 

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО НАЛАДКЕ, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И СЕТЕЙ «СОЮЗТЕХЭНЕРГО»

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ПЕРЕВОДУ ГИДРОАГРЕГАТОВ В РЕЖИМ СИНХРОННОГО КОМПЕНСАТОРА

 

СО 34.31.605

 

 

РАЗРАБОТАНО Производственным объединением по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей "Союзтехэнерго".

 

ИСПОЛНИТЕЛИ А.Ю. Ильин, В.Н. Маркин, А.М. Смирнов (цех гидроэлектростанций).

 

УТВЕРЖДЕНО Производственным объединением по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей "Союзтехэнерго" 05.12.85 г.

Заместитель главного инженера А.Д. Герр

 

 

Методические указания предназначены для персонала ПО "Союзтехэнерго" и рекомендуются для работников других организаций, занимающихся испытаниями и проверкой систем перевода гидроагрегатов в режим СК, а также могут быть использованы при проектировании синхронных компенсаторов.

С выпуском настоящих Методических указаний отменяются:

"Руководящие указания по переводу гидроагрегатов с различными типами турбин в режим синхронного компенсатора" (М.: СЦНТИ ОРГРЭС, 1973).

"Методические указания по наладке и эксплуатации воздушных систем перевода гидроагрегатов в режим СК" (М.: СПО Союзтехэнерго, 1980).

 

 

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

 

1.1. Перевод гидроагрегата в режим СК в зависимости от первоначального состояния агрегата сопровождается следующими переходными процессами:

пуск агрегата в режим СК;

перевод из генераторного в режим СК;

перевод из насосного в режим СК (для гидромашин ГАЭС).

1.2. В большинстве случаев агрегат переводится из генераторного в режим СК. Этот процесс начинается с разгрузки генератора до холостого хода. Без отключения генератора от сети закрывается направляющий аппарат турбины. В момент полного закрытия открывается клапан пуска сжатого воздуха из системы в камеру рабочего колеса турбины. Вода из камеры отжимается сжатым воздухом до определенного уровня в конусе отсасывающей трубы, после чего клапан закрывается и доступ сжатого воздуха в камеру прекращается. Рабочее колесо турбины при этом вращается в воздухе и гидроагрегат потребляет из сети наименьшую мощность. При этом генератор работает в двигательном режиме, а турбина - в насосном.

При подъеме уровня отжатия воды за счет утечек воздуха из камеры периодически производится автоматическая "подкачка" воздуха для восстановления отжатого уровня.

1.3. Перевод агрегата из режима СК в генераторный производится открытием направляющего аппарата. Воздух из камеры выносится в нижний бьеф водой и агрегат набирает активную нагрузку.

К разновидностям вывода агрегата из режима СК относятся также останов работающего в режиме СК агрегата и перевод его в насосный режим (для гидромашин ГАЭС).

2. МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

 

2.1. Эксплуатация и ремонт воздушной системы, предназначенной для перевода гидроагрегатов в режим СК, осуществляются в соответствии с действующими "Правилами устройства и безопасной эксплуатации стационарных компрессорных установок, воздухопроводов и газопроводов", "Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением" и "Правилами пожарной безопасности при проведении сварочных и других огневых работ на объектах народного хозяйства".

2.2. На ГЭС должна быть вывешена схема трубопроводов и оборудования пневматического хозяйства с нанесением на нее всех запорных и регулирующих органов и соответствующей нумерации.

2.3. Необходимо постоянно следить за:

температурой сжатого воздуха в воздухосборниках и воздухопроводах, не допуская ее повышения под влиянием посторонних тепловых источников;

воздухопроводами и арматурой для своевременного выявления и устранения вибраций;

удалением конденсата, не допуская обмерзания воздухопроводов и устройств слива конденсата. В случае обмерзания отогревание элементов воздушной системы разрешается только горячей водой, паром или горячим воздухом.

2.4. При расположении арматуры, требующей систематического обслуживания, на высоте более 1,8 м от уровня земли или перекрытия должны быть предусмотрены площадки и лестницы для удобства обслуживания арматуры.

 

3. ТИПЫ ОБОРУДОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО В ВОЗДУШНЫХ СИСТЕМАХ

 

3.1. Стандартные воздухосборники, применяемые в воздушных системах, имеют объем от 2 до 40 м³. Они снабжены патрубками для подсоединения воздухопроводов, патрубком и вентилем с электромагнитным приводом для периодического выпуска конденсата, устройством для электрообогрева днища (во избежание обмерзания конденсата), люком для осмотра и очистки, манометром с трехходовым краном для присоединения контрольного манометра, предохранительными клапанами.

Кроме стандартных конструкций, в системе отжатия применяется, например, воздухосборник - труба большого диаметра или воздухосборники горизонтального исполнения по 75 м³, расположенные вдоль здания ГЭС. Преимущество таких конструкций - возможность размещения их без специальных помещений, удобство ревизий, ремонтов, отсутствие длинных магистралей и лишних запорных органов, отсутствие устройств обогрева и др.

3.2. Емкость воздухосборников, требуемых для отжатия, зависит от объема камеры рабочего колеса турбины, который необходимо освободить от воды, количества одновременно переводимых в режим СК гидроагрегатов и интервала между их переводами. При этом учитывается вынос воздуха в нижний бьеф водой при вращении рабочего колеса турбины в процессе отжатия.

Расчет объема воздухосборника дан в приложении 1.

3.3. В воздушных системах низкого давления при подаче до 70 м³/мин применяются компрессоры 2028П10/8, а свыше 70 м³/мин - 2058П30/8.

В воздушных системах высокого давления при подаче до 30 м³/мин применяются компрессоры ЧВУ-3146, свыше 30 м³/мин - 2058П16/70.

3.4. Воздуховоды в воздушных системах разделяются на следующие:

соединительные D_y 50-150, предназначенные для объединения воздухосборников в группы и соединяющие воздухосборники с системой. На них размещаются ремонтные и разделительные вентили;

магистральные и коллекторные, предназначенные для объединения всех сборочных единиц воздушной системы. Они прокладываются обычно вдоль здания ГЭС. На них могут размещаться секционные запорные органы, компенсаторы и др. Проходное сечение магистралей должно превышать сечение соединительных труб воздухопроводов и обычно составляет D_y 100-300;

отводящие, соединяющие магистраль с шахтой турбины; их условный диаметр равен (или меньше) диаметру магистральных воздухопроводов. На них устанавливаются автоматические клапаны пуска сжатого воздуха и ручные ремонтные задвижки с двух сторон клапана. В некоторых случаях на них устанавливаются обратные клапаны, предотвращающие попадание воды в магистраль из камеры рабочего колеса турбины;

разводящие, предназначенные для разветвления отводящего воздухопровода по крышке турбины непосредственно к местам подачи воздуха в камеру рабочего колеса; их условный диаметр меньше диаметра отводящих труб; на них, как правило, размещаются ремонтные задвижки.

Разновидности воздушных систем приведены в приложении 2.

3.5. Наиболее распространенными устройствами пуска сжатого воздуха в камеру рабочего колеса турбины являются:

на давление 0,8 МПа - клапан тарельчатый с гидроприводом и электромагнитным приводом, клапан проходной с пневмоприводом;

на давление от 20 до 6,4 MПa - кран-пробка с пневмоприводом 11с722бк на условный диаметр до 300 мм.

От конструкции и характеристики устройства пуска сжатого воздуха во многом зависит эффективность работы воздушной системы по переводу гидроагрегатов в режим СК. Устройство должно обладать малым проходным сопротивлением, достаточной герметичностью в закрытом состоянии, достаточным быстродействием (время полного открытия не должно быть более 3-4 с). Устройство пуска воздуха должно монтироваться на отводящем воздухопроводе по возможности ближе к месту подключения его к крышке турбины.

3.6. Контроль заданного уровня отжатия воды в камере рабочего колеса при работе гидроагрегата в режиме СК осуществляется следующими устройствами:

электроконтактным манометром или реле давления - по давлению воздуха в камере, когда уровень воды в нижнем бьефе меняется незначительно (не более 1 м). Применение таких датчиков в условиях переменного уровня в нижнем бьефе приводит к перерасходу сжатого воздуха;

дифференциальным реле давления в случае колебаний уровня воды в нижнем бьефе более 1 м;

поплавковыми устройствами, соединенными с камерой рабочего колеса короткими патрубками, следящими непосредственно за уровнем по принципу сообщающихся сосудов;

пневмогидравлическими реле, принцип действия которых основан на измерении давления воздуха, равного давлению столба вытесненной воды из измерительной трубки, открытым концом погруженной под уровень воды в нижнем бьефе;

сигнализаторами уровня типа РСУ-3 и СУС;

электродами, принцип действия которых основан на замыкании их через воду при повышении уровня отжатия воды выше заданного значения;

реле времени с экспериментально подобранным временем срабатывания;

реле мощности.

3.7. От действия устройств контроля уровня отжатая воды подкачка воздуха в камеру рабочего колеса турбины осуществляется:

из основной магистрали - открытием основного клапана пуска сжатого воздуха;

байпасами в обвод основного клапана с автоматическим приводом запорного вентиля;

воздуходувкой.

 

4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕВОДА В РЕЖИМ СК ГИДРОАГРЕГАТОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ТУРБИН

 

4.1. Общие положения

 

4.1.1. Работа устройств, обеспечивающих срыв вакуума и отжатие воды от рабочего колеса, должна быть такой, чтобы время перевода гидроагрегата в режим СК от момента подачи импульса с пульта управления до достижения минимальной потребляемой мощности не превышало 1 мин.

4.1.2. Осуществление срыва вакуума, образующегося в камере рабочего колеса после закрытия направляющего аппарата при переводе гидроагрегата в режим СК, атмосферным воздухом нецелесообразно. В этом случае для ощутимого эффекта требуется большое сечение трубопровода, подводящего атмосферный воздух. Поэтому срыв вакуума следует производить сжатым воздухом одновременно с отжатием. Подача сжатого воздуха для срыва вакуума или отжатия воды должна осуществляться в момент полного закрытия направляющего аппарата без выдержки времени.

4.1.3. Уровень отжатия воды имеет два предела (верхний и нижний). Верхний определяется достаточным расстоянием от рабочего колеса турбины, исключающим захват воды лопастной системой, и для предварительных расчетов должен приниматься:

для радиально-осевых турбин - на 1 м ниже нижнего обода;

для поворотно-лопастных турбин с четырьмя лопастями - на 1 м ниже выходных кромок свернутых лопастей;

для поворотно-лопастных с количеством лопастей более четырех и для пропеллерных турбин на 2,0 м ниже выходных кромок лопастей.

Нормальным нижним предельным уровнем отжатия воды считается уровень, при котором обеспечивается частота подкачек воздуха в камеру рабочего колеса не чаще одного раза в час.

4.1.4. В случае использования в системе отжатия воздуха высокого давления и быстродействующих клапанов впуска воздуха в тупиковых трубопроводах, свободные концы которых выходят под крышку радиально-осевой турбины, в момент пуска сжатого воздуха возникает ударное* давление, которое может превышать начальное в системе в два раза. В тех случаях, когда тупиковые элементы не полностью заполнены водой, это превышение может быть еще большим. Кроме того, для варианта подвода воздуха в разгрузочную полость радиально-осевых турбин при времени открытия клапана впуска воздуха менее 1 с под крышкой турбины происходит ударный заброс давления, значение которого может превысить то, на которое производится прочностной расчет крышки турбины. Последствием тупикового гидроудара могут быть разрушения элементов воздушной системы, системы гидравлических измерений и отдельных узлов гидротурбины.

___________________

* Под ударным понимается резкое повышение давления в трубопроводах и полостях рабочего колеса, обусловленное внезапным подключением их к источнику высокого давления.

 

При эксплуатации системы высокого давления необходимо проведение специальных испытаний с определением оптимальных параметров. Испытания следует вести, начиная с такого минимального начального давления в воздухосборниках, при котором возможно осуществить отжатие. Дальнейшее повышение начального давления следует вести ступенями через 0,5 МПа, фиксируя повышение заброса давления под крышкой турбины и в каком-нибудь из тупиковых элементов трубопровода (например, в подводящем трубопроводе воздуходувки с обратным клапаном).

Заброс давления под крышкой турбины и в тупиковых элементах не должен превышать значений, допустимых заводом-изготовителем. При достижении этих значений дальнейшее повышение начального давления в воздухосборниках невозможно без проведения специальных мероприятий.

Одним из наиболее эффективных и менее трудоемких способов снижения тупикового гидроудара является увеличение времени срабатывания запорных устройств. Так, увеличение времени открытия кран-пробки Пс722бк в три-четыре (при исходном времени открытия менее 1 с) позволяет уменьшить заброс давления под крышкой турбины и ударное давление в тупиковых трубопроводах в два-три раза.

Большие скорости воздуха в трубопроводах систем высокого давления вызывают значительные реактивные усилия в местах крепления воздухопровода, поэтому особое внимание необходимо уделять контролю за состоянием опор запорной арматуры и трубопроводов.

4.1.5. Подвод сжатого воздуха в камеру рабочего колеса турбины следует осуществлять в область между направляющим аппаратом и лопастями рабочего колеса. Для отжатия воды на радиально-осевых турбинах подвод воздуха может быть осуществлен также и в зону разгрузочных отверстий (под крышку турбины) при давлении в системе до 2,5 МПа.

4.1.6. Остаточное давление в системе после выпуска воздуха на отжатие воды должно превышать давление под крышкой турбины для предотвращения попадания воды в воздухопроводы системы. Давление в системе в конце отжатия принимается большим, чем в камере, на 0,1-0,15 МПа при номинальном давлении в системе 0,8 МПа и на 0,35-0,4 МПа при номинальном давлении в системе свыше 2,0 МПа.

4.1.7. Протечки воды через направляющий аппарат турбины увеличивают вынос сжатого воздуха из камеры рабочего колеса при работе агрегата в режиме СК. Состояние направляющего аппарата с этой точки зрения следует считать нормальным, если на остановленном агрегате подъем уровня в камере не превышает 1 м/ч при достаточной герметичности камеры.

4.1.8. При работе гидроагрегата в режиме СК необходимо обеспечить нормальную смазку работающего на воде турбинного подшипника: при увеличении противодавления со стороны камеры рабочего колеса, заполняющейся сжатым воздухом, должно быть увеличено давление в напорной камере подшипника.

Для подшипников с регуляторами давления "после себя" не требуется специальных мероприятий: в этом случае давление перед подшипником автоматически регулируется в соответствии с изменением давления в камере рабочего колеса.

4.1.9. При останове агрегата, работающего в режиме СК, должен быть осуществлен выпуск воздуха из камеры рабочего колеса, чтобы обеспечивалось его интенсивное торможение. Это достигается кратковременным открытием направляющего аппарата до положения холостого хода. В случае отключения выключателя при работе агрегата в режиме СК должно быть также предусмотрено автоматическое открытие направляющего аппарата до положения холостого хода.

 

4.2. Особенности перевода в режим СК агрегатов с поворотно-лопастными и пропеллерными турбинами

 

4.2.1. Процесс отжатия воды из камеры рабочего колеса поворотно-лопастных турбин отличается тем, что при работе с закрытым направляющим аппаратом (без отключения агрегата от сети) лопастная система рабочего колеса стремится отбросить воду в сторону отсасывающей трубы. Поэтому при отжатии рабочие колеса поворотно-лопастных турбин полностью освобождаются от воды. Этот же эффект определяет потери воздуха при уносе его в нижний бьеф.

4.2.2. На рис.1 показана типовая схема устройств, используемых для отжатия воды в камере рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины. При переводе гидроагрегата в режим СК воздух из воздушной системы 1 при открытии клапана пуска сжатого воздуха 2 по воздухопроводам 3, разветвленным по крышке турбины, поступает через диаметрально противоположные отверстия 4 в камеру рабочего колеса 5 и отжимает в ней воду до заданного уровня 6. После этого включаются в работу устройства закрытия клапана пуска воздуха и поддержания уровня 7 в заданных пределах.

 

 

Рис. 1. Воздушная схема отжатия воды из камеры рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины:

1 - магистраль воздушной системы; 2 - клапан пуска сжатого воздуха; 3 - подводящий воздухопровод; 4 - отверстия в крышке турбины; 5 - камера рабочего колеса; 6 - отжатый уровень воды; 7 - устройство поддержания отжатого уровня; 8 - клапан впуска атмосферного воздуха; 9 - клапан срыва вакуума

 

В некоторых схемах перед пуском сжатого воздуха на отжатие воды в камере предусматривается предварительный срыв вакуума, образовавшегося после закрытия направляющего аппарата, с помощью клапана впуска атмосферного воздуха 8 или клапана срыва вакуума 9. Однако в настоящее время на основе опыта эксплуатации предпочтительным считается производить отжатие без предварительного срыва вакуума атмосферным воздухом. Сразу после закрытия направляющего аппарата производится пуск сжатого воздуха на отжатие, обеспечивающего срыв вакуума одновременно.

4.2.3. При работе агрегата в режиме СК с заполненной водой камерой рабочего колеса создается подъемная сила, в некоторых случаях превышающая массу вращающихся частей. В этом случае при определенных условиях возможен подъем ротора агрегата, часто сопровождающийся задеванием вращающихся деталей за неподвижные, поломкой щеточного аппарата и пр.

Возможность подъема ротора должна быть выявлена при наладке, в процессе которой следует определить также оптимальные условия (характер закрытия направляющего аппарата, пуск воздуха, угол разворота лопастей рабочего колеса), исключающие такой подъем. После отжатия воды для уменьшения вентиляционных потерь лопасти рабочего колеса должны быть свернуты. Современные регуляторы частоты вращения удовлетворяют этому требованию: при закрытии направляющего аппарата механизм ограничения открытия, воздействуя на механизм разворота лопастей, сворачивает лопасти.

4.2.4. На гидроагрегатах с турбинами, имеющими более четырех лопастей, возможно такое сочетание частоты вращения агрегата, высоты и формы отсасывающей трубы, при котором процесс отжатия затруднен, а поддержание заданного уровня воды в отсасывающей трубе становится невозможным. Это объясняется образованием глубокой воронки под рабочим колесом, что и вызывает повышение утечки воздуха.

Необходимыми условиями отжатия воды в этом случае являются: высокая интенсивность подачи сжатого воздуха и правильное расположение подающих воздухопроводов.

Высокая интенсивность подачи воздуха при условии правильно выбранных сечений трубопроводов может быть обеспечена как повышением начального давления в системе, так и быстродействием клапанов впуска воздуха и должна быть более 15 нм³/с.

Воздухопроводы должны быть расположены таким образом, чтобы подвод воздуха был рассредоточен по площади крышки турбины (по крайней мере в двух точках) и чтобы вводы были расположены непосредственно за направляющим аппаратом, т.е. в верхней части конуса крышки. В результате этого воздушная подушка под крышкой турбины образуется сразу после подачи воздуха в ее верхней части. Потери воздуха и вынос в нижний бьеф в этом случае минимальны.

4.2.5. При невозможности поддержания заданного уровня воды в камере рабочего колеса из-за повышенных утечек в нижний бьеф необходимо установить воздуходувки соответствующей производительности, включающиеся автоматически после первичного отжатия по сигналу реле уровня отжатой воды. Производительность воздуходувки определяется в ходе испытаний, по результатам которых оценивается расход воздуха в нижний бьеф.

4.2.6. Отжатие воды из камеры высоконапорного рабочего колеса поворотно-лопастной турбины характерно и для пропеллерных турбин. Поэтому рекомендации пп.4.2.4 и 4.2.5 относятся и к пропеллерным рабочим колесам.

 

4.3. Особенности перевода в режим СК агрегатов с радиально-осевыми турбинами

 

4.3.1. При закрытии направляющего аппарата без отключения агрегата от сети гидротурбина переходит в насосный режим. При этом гидротурбина работает в насосном режиме, а генератор в двигательном. Радиально-осевые рабочие колеса, действуя как центробежный насос в заполненной водой камере, подают воду вверх, создавая подпор на закрытом направляющем аппарате, зависящий от быстроходности. У рабочих колес с коэффициентом быстроходности меньше 150 диаметр расположения входных кромок больше, чем выходных. У таких рабочих колес образуется протяженный межлопастной канал, по форме приближающийся к каналу центробежного насоса, что обеспечивает их большее насосное действие, чем рабочих колес с коэффициентом быстроходности более 150.

4.3 2. На рис.2 представлена схема отжатия воды из камеры рабочего колеса радиально-осевой турбины с коэффициентом быстроходности более 150, а также показаны различные схемы подвода воздуха.

 

 

Рис. 2. Различные схемы подвода воздуха в камеру рабочего колеса радиально-осевой турбины:

А - через крышку турбины в пространство между направляющим аппаратом и рабочим колесом; Б - через крышку турбины в разгрузочную полость; В - в отсасывающую трубу;

Г – одновременно в разгрузочную полость и в предколесное пространство

 

А. Подача воздуха через крышку турбины в пространство между лопатками направляющего аппарата и рабочим колесом. В этом случае по сравнению с другими схемами достигается сокращение времени отжатия при том же количестве затраченного воздуха. Кроме того, такой подвод воздуха максимально снижает тупиковый гидроудар, возникающий в случае использования в системе высокого давления и быстродействующих клапанов впуска воздуха.

Б. Подача воздуха через крышку турбины в разгрузочную полость и далее через конус в камеру. Достоинство этого варианта заключается в том, что отжатие происходит при минимальном (по сравнению с другими) исходном давлении в воздухосборниках. Воздух попадает в вакуумную зону под рабочим колесом, что облегчает истечение его из конуса. Происходит интенсивный срыв вакуума. Однако при этом варианте действие тупикового гидроудара максимально, что приводит к необходимости принятия специальных мер по его снижению.

В. Подача воздуха в отсасывающую трубу. В этом случае воздух поступает непосредственно под рабочее колесо турбины в зоне нижнего обода, что способствует уменьшению закрутки потока в отсасывающей трубе, разрушению шнура под рабочим колесом, а также уменьшению воронки, что снижает вынос сжатого воздуха в нижний бьеф. Недостатком этого способа является то, что отжатие требует более высокого исходного давления в воздухосборниках, чем при первых двух способах. Тупиковый гидроудар, как и в первом случае, минимален.

Г. Подача воздуха одновременно в разгрузочную полость и в предколесное пространство турбины. В этом случае сокращается время отжатия по сравнению с предыдущим. Тупиковый гидроудар меньше, чем при подаче воздуха в отсасывающую трубу.

4.3.3. Ha pиc.3 показана схема отжатия воды для гидроагрегата, оснащенного рабочим колесом с коэффициентом быстроходности менее 150. При работе таких гидротурбин в режиме СК с отжатой водой из камеры рабочего колеса значительная часть энергии (5-10% номинальной) затрачивается на образование и поддержание водяного кольца в зоне между рабочим колесом и направляющим аппаратом и на циркуляцию потока в межлопастных каналах. Подпитка этих потоков происходит за счет протечек воды через направляющий аппарат, из системы смазки турбинного подшипника и лабиринтных уплотнений. При заполненной спиральной камере выходу воды из этого пространства препятствует противодавление в спирали.

 

 

Рис. 3. Схема отжатия воды для гидроагрегата, оснащенного рабочим колесом с коэффициентом быстроходности менее 150

 

Для достижения минимальной потребляемой из сети мощности (2-4% номинальной) при работе агрегата в режиме СК необходимо проведение следующих мероприятий:

предтурбинный затвор должен быть закрыт;

спиральная камера должна быть разгружена от давления, создаваемого насосным действием рабочего колеса. Разгрузка спирали достигается приоткрытием холостого выпуска или клапана спуска воды из спиральной камеры на величину, достаточную для слива протечек. Однако предпочтительнее такую разгрузку осуществлять через гидроклапан, устанавливаемый в верхней части спирали. Управление клапаном должно входить в схему автоматики режима СК: клапан открывается в момент полного закрытия затвора и остается открытым до перевода агрегата в генераторный режим.

4.3.4. В случае появления колебаний потребляемой мощности, вызываемых периодическими срывами водяного кольца в пространстве между закрытыми лопатками направляющего аппарата и рабочим колесом, рекомендуется открыть направляющий аппарат на 3-5% полного открытия. При этом потребление мощности из сети может еще больше снизиться.

4.3.5. Длительная работа рабочих колес этого типа с освобожденной от воды камерой вызывает интенсивный нагрев лабиринтных уплотнений. Для отвода тепла должен быть обеспечен подвод воды к этим уплотнениям.

 

4.4. Особенности перевода в режим СК агрегатов ГАЭС с насос-турбинами

 

4.4.1. Перевод и работа в режиме СК радиально-осевых гидротурбин с коэффициентом быстроходности менее 150 в большей степени характерны для обратимых турбин, так как их рабочие колеса имеют специальную лопастную систему, обеспечивающую эффективную работу как в турбинном, так и в насосном режимах.

4.4.2. Для обеспечения минимального потребления мощности из сети радикальным решением является установка предтурбинного затвора и работа в режиме СК с осушенной спиральной камерой. Такого же эффекта можно достичь установкой разгрузочных трубопроводов по возможности ближе к периферийной части рабочего колеса. При этом суммарный диаметр разгрузочных трубопроводов должен быть рассчитан на пропуск всех протечек в освобожденную от воды камеру рабочего колеса (протечки через закрытый направляющий аппарат, охлаждающей воды из ванны турбинного подшипника, охлаждающей воды лабиринтных уплотнений и пр.).

 

5. КОНТРОЛЬ ЗА РАБОТОЙ ВОЗДУШНОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕВОДА ГИДРОАГРЕГАТОВ В РЕЖИМ СК

 

5.1. Общие положения

 

5.1.1. Проверка технического состояния системы перевода гидроагрегатов в режим СК должна состоять из технического обслуживания и испытаний.

5.1.2. При техническом обслуживании достаточно ограничиваться определением герметичности воздушной системы и камеры рабочего колеса. Для этого измеряется давление в пневмосистеме и камере через определенные интервалы времени.

Измерения производятся с помощью манометров класса точности 0,4 и секундомера.

Одновременно с измерениями необходимо проводить визуальное обследование, состоящее из:

осмотра воздухосборников, трубопроводов, компенсаторов, запорной арматуры, промежуточных и анкерных опор;

проверки состояния прокладок фланцевых соединений, уплотнений крышки и вала турбины, цапф и лопаток направляющего аппарата.

Периодичность контроля определяется техническими возможностями ГЭС, но не должна превышать 12 мес для контроля герметичности воздушной системы. Контроль герметичности камеры рабочего колеса турбины достаточно произвести перед капитальным ремонтом с повторным контролем после ремонта, если производились работы по устранению негерметичности.

5.1.3. Испытания должны проводиться после монтажа, перед вводом системы СК в эксплуатацию, после проведения реконструкции или модернизации как пневмосистемы, так и основного гидротурбинного оборудования, которая может вызвать изменение параметров процесса отжатия воды из камеры рабочего колеса.

При испытаниях следует также определять затраты воздуха на отжатие, потери воздуха в нижний бьеф и уточненную отметку отжатия. С этой целью фиксируется давление и температура в пневмосистеме и камере рабочего колеса, потребляемая агрегатом из сети мощность, время процесса отжатия, работы запорных органов, устройств подкачки и компрессоров.

Измерения осуществляются с помощью датчиков и осциллографа или образцовых измерительных приборов.

 

5.2. Контроль герметичности воздушной системы

 

5.2.1. Контроль герметичности воздушной системы ведется периодическим измерением давления в воздухосборниках в течение 2 ч с начала испытаний.

5.2.2. Давление регистрируется по контрольному манометру, который устанавливается параллельно рабочему или вместо него.

Испытания проводятся при номинальном рабочем давлении в системе при полностью открытой ремонтной и закрытой рабочей запорной арматуре (клапанах, задвижках и др.) и при отключенных компрессорах. Отпуск воздуха потребителю не производится.

5.2.3. Герметичность воздушной системы считается удовлетворительной, если через 2 ч после начала испытаний давление в воздухосборниках снизится не ниже давления уставки на включение компрессоров.

 

5.3. Контроль герметичности камеры рабочего колеса турбины

 

5.3.1. Проверка герметичности камеры рабочего колеса турбины проводится на остановленном агрегате. Пуск сжатого воздуха в камеру осуществляется вручную. Вода отжимается до уровня, близкого к уровню колеса отсасывающей трубы. Подача воздуха в камеру прекращается при давлении воздуха в камере Р_к, равном давлению водяного столба между отметками уровня нижнего бьефа УНБ и выбранным уровнем отжатой воды УО.

5.3.2. Давление в камере фиксируется по контрольному манометру, устанавливаемому вместо рабочего на приборной доске в шахте турбины* в точке "за направляющим аппаратом".

_________________

* Перед производством измерений трубку отбора давления необходимо продуть.

 

5.3.3. После отключения подачи сжатого воздуха производится измерение давления в камере рабочего колеса и времени с интервалами, зависящими от интенсивности утечки воздуха.

 

5.4. Контроль утечки воздуха из камеры рабочего колеса турбины при работе в режиме СК

 

5.4.1. В процессе эксплуатации агрегатов в режиме СК необходимо периодически контролировать утечку воздуха q из камеры рабочего колеса, которая при обеспечении герметичности камеры зависит прежде всего от протечек воды через направляющий аппарат.

5.4.2. Для осуществления такого контроля необходимо измерить время T, за которое изменится давление в камере в одних и тех же пределах - от P_к1 до P_к2 (рис.4,а).

 

 

Рис. 4. Контроль утечки воздуха из камеры рабочего колеса турбины при работе в режиме СК:

а - схема; б - кривая изменения утечки воздуха из камеры рабочего колеса турбины

 

Например, если давление в камере при каком-то уровне отжатия воды составляет Р_к = 0,08 МПа, то измерение можно произвести в диапазоне от 0,07 МПа до 0,04 МПа по контрольному манометру, устанавливаемому на приборной доске в шахте турбины в точке "за направляющим аппаратом". Тогда утечка воздуха из камеры рабочего колеса определяется как

,

где q - утечка воздуха, м³/ч;

D₁ - диаметр рабочего колеса турбины, м;

h₁ и h₂ - расстояние от крышки турбины до уровня отжатия (см. рис.4).

При этом считается, что процесс утечки воздуха должен происходить при неизменной температуре. Сравнивая утечки на отдельных гидроагрегатах, можно определить, на каком из них ухудшается состояние уплотнения направляющего аппарата. Для этого на рис.4,б наносится зона нормальных утечек q норм, значения которых определяются при наладке системы СК.

5.4.3. Значения утечек, полученных при периодических измерениях на данном гидроагрегате, сравниваются со значениями утечек q_норм. Так, на рис.4,б видно, что на агрегате № 9 уровень утечек повышенный, что свидетельствует о нарушении работы уплотнений лопаток направляющего аппарата.

В условиях эксплуатации удобнее оценивать утечки как повышение уровня в камере (м/ч), т.е. h_Dp / T (см. рис.4,а), но при этом следует учитывать изменение нижнего бьефа.

 

5.5. Определение потерь воздуха в нижний бьеф

 

5.5.1. При переводе гидроагрегата в режим СК сжатый воздух из пневмосистемы в основном расходуется на заполнение камеры рабочего колеса и потери в нижний бьеф. Для определения расхода воздуха используется формула приведенных объемов, т.е. объем воздуха, содержащийся в ёмкости V (м³), при давлении P (МПа) и температуре t (°С) приводится к объему при атмосферном давлении и температуре 0 °С:

.

Таким образом, если емкость воздухосборников (системы) - V_c, начальное (перед отжатием воды) и конечное (после отжатия) избыточное давление в них P₁ и P₂ и соответствующие температуры в них t₁ и t₂, то израсходованный на отжатие до установленного уровня объем воздуха (м³) составит

.

5.5.2. После достижения установленного уровня отжатой воды в емкости камеры рабочего колеса турбины V_к при давлении Р_к и температуре t_к остается объем воздуха (м³), равный

.

Тогда объем воздуха (м³), унесенного в нижний бьеф в процессе отжатия, составит

V_{у пр} = V_{с пр} – V_{к п}р.

5.5.3. Емкость камеры V_к (м³) определяется по действительным размерам проточной части, заполняемой сжатым воздухом при отжатии воды до отметки уровня отжатия. Для сравнения объемов одной камеры при проведении серии отжатий можно пользоваться формулой для приближенного расчета и не учитывающей емкость камеры рабочего колеса турбины и другие емкости, обусловленные конфигурацией проточной части:

,

где D₁ - диаметр рабочего колеса турбины, м;

h - расстояние от крышки турбины до уровня отжатия воды, м.

При проведении специальных испытаний часто применяется метод определения потерь, основанный на том, что при отжатии на остановленном агрегате практически отсутствует вынос воздуха в нижний бьеф. Исходя из этого потери воздуха в нижний бьеф (м³) определяются как разность объемов воздуха, истраченного на отжатие до установленного уровня на работающем V_{с пр} и остановленном V_{о пр} агрегатах:

V_{у пр} = V_{с пр} - V_{о пр}.

 

5.6. Уточнение отметки уровня отжатия

 

5.6.1. Для повышения эффективности использования сжатого воздуха при переводе гидроагрегата в режим СК отжатие воды в камере рабочего колеса турбины необходимо производить до оптимального уровня, который не всегда удается определить при проектировании. Поэтому он уточняется в процессе специальных испытаний. Для этого в первую очередь следует определить верхний предел уровня отжатия воды. С этой целью гидроагрегат переводится в режим СК на ручном управлении. Вода отжимается на 1-2 м ниже рабочего колеса. Затем воздух из камеры постепенно выпускается через специальный воздухопровод или клапан срыва вакуума, что приводит к подъему отжатого уровня воды в камере. При этом регистрируется мощность, потребляемая агрегатом из сети, давление в камере и отметка нижнего бьефа. При достижении уровня рабочего колеса происходит захват воды его лопастной системой с одновременным увеличением потребляемой мощности и агрегат переходит в насосный режим. Момент начала изменения мощности, потребляемой агрегатом из сети, и является критерием достижения уровня рабочего колеса турбины. Таким образом, уровень захвата (УЗ) воды рабочим колесом при давлении в камере Р_в и уровне нижнего бьефа УНБ составит

ÑУЗ = ÑУНБ - h_в,

где h_в - давление в камере Р_в, м вод. ст.

5.6.2. Контроль уровня захвата воды лопастями рабочего колеса турбины может быть также осуществлен методом измерения вибрации крышки турбины, опоры подпятника или биения вала у турбинного подшипника.

С учетом возможных колебаний уровня нижнего бьефа и погрешностей уставки автоматических устройств подкачки отметку верхнего предельного уровня отжатия воды (м) определяет как

ÑВПУ = ÑУЗ – 0,5 или ÑВПУ = ÑУНБ – (h_в + 0,5).

Нижний предельный уровень (НПУ) отжатия воды следует выбирать из условий экономичности работы устройств впуска и "подкачки" воздуха. При этом следует оценить затрату электроэнергии для восстановления давления в ресиверах, амортизацию компрессоров и другого оборудования в зависимости от частоты его включения при разных отметках нижнего предела уровня отжатия. В большинстве случаев экономически целесообразно выбирать нижний предел отжатия таким, чтобы обеспечить включение "подкачки" воздуха не чаще одного раза в час.

Зная средний нормальный уровень утечки воздуха из камеры рабочего колеса, нижний предел отжатия воды (м) определяется по выражению

,

где  - подъем воды в камере, м/ч.

 

 

Приложение 1

 

ОТЖАТИЕ ВОДЫ ИЗ КАМЕРЫ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ПРИ ПЕРЕВОДЕ ГИДРОАГРЕГАТА В РЕЖИМ СК

 

Истечение воздуха из воздухосборников воздушной системы в камеру рабочего колеса при переводе гидроагрегата в режим СК происходит за сравнительно небольшой отрезок времени. При этом значительно понижается температура в воздушной системе без ощутимого теплообмена с окружающей средой. В термодинамике такой процесс называется адиабатическим.

Заполнение воздухом камеры рабочего колеса носит иной характер. При поступлении воздуха в наполненную водой камеру происходит перемешивание сред с интенсивным теплообменом. Этот процесс по характеру близок к изотермическому.

С точки зрения термодинамики весь процесс перетекания воздуха из воздухосборников в камеру можно рассматривать как политропический, т.е. обобщенный термодинамический процесс сжатия или расширения рабочего тела, протекающий с подводом или отводом тепла и с изменением всех параметров: давления, температуры и объема.

Политропический процесс описывается уравнением, отражающим неизменность произведения давления P и объема V с показателем политропы n:

P · Vⁿ = const.

Показатель политропы для условий воздушного хозяйства ГЭС с достаточной для практических расчетов процесса отжатия точностью принимается равным 1,2.

На основе приведенного общего уравнения выведена формула объема воздухосборника

,

где V_к - объем камеры рабочего колеса турбины, м³;

V_п - объем воздуха, унесенного в процессе отжатия, м³;

V_ср.в - объем воздуха, идущего на срыв вакуума, приведенный к давлению в камере, м³;

Р_к - абсолютное давление в камере в конце отжатия, МПа;

DР_р - перепад давления в воздухосборнике при отжатии, МПа;

к - показатель адиабаты.

Объем камеры рабочего колеса V_к подсчитывают по геометрическим размерам.

Объем уноса воздуха в процессе отжатия для радиально-осевых турбин и для осевых и для диагональных турбин определяют по формулам:

;

где D_об - диаметр обода рабочего колеса, м;

Н_об - высота обода рабочего колеса, м;

t_п - время отжатия, с;

n - частота вращения агрегата, об/мин;

D₁ - диаметр рабочего колеса, м;

Н_л - высота лопастной системы, м.

Объем воздуха, расходуемый на срыв вакуума, учитывают и определяют только для осевых турбин

,

где V_к.в - объем камеры выше оси поворота лопастей, м³.

 

 

Приложение 2

 

РАЗНОВИДНОСТИ ВОЗДУШНЫХ СИСТЕМ

 

1. Воздушная система, предназначенная для перевода гидроагрегата в режим СК, является частью пневматического хозяйства ГЭС.

В обеспечении работы гидроагрегата в режиме СК участвуют следующие устройства воздушной системы:

компрессоры;

воздухосборники;

воздухопроводы (соединительные, магистральные, подводящие и т.д.);

запорная арматура и устройства, позволяющие автоматически подавать необходимый объем воздуха в камеру рабочего колеса, осуществлять подкачку воздуха для восстановления его потерь, производить ремонты и т.п.

2. В воздушных системах ГЭС для отжатия воды из камеры рабочего колеса гидротурбин при переводе гидроагрегатов в режим СК используется сжатый воздух с номинальным (расчетным) давлением до 6,3 МПа. Давление свыше 2 МПа принято считать высоким. Наибольшее распространение получили системы с давлением 4,0 МПа. Это связано прежде всего с тем, что в системе регулирования используется такое же давление и возможна унификация компрессорных установок.

В типовую схему воздушного хозяйства высокого давления входят те же элементы, что и в схему низкого (0,8 МПа) давления: компрессорная установка, воздухосборники, воздухопроводы с запорной арматурой, подкачивающие устройства и устройства автоматики.

Воздушные системы низкого и высокого давления делятся на три типа (рис. 5): объединенные (общестанционные), групповые (блочные) и индивидуальные (агрегатные).

В общестанционных системах отжатие воды на всех турбинах производится от общего коллектора, питание которого осуществляется всей группой воздухосборников одновременно. При этом воздухосборники могут размещаться у какого-либо конца коллектора в специальном помещении или вне здания ГЭС, либо распределяться внутри него вдоль коллектора.

В блочных системах каждый отдельный воздухосборник или каждая часть воздухосборников со своим коллектором обеспечивает отжатие воды у группы турбин (как правило, двух, трех, четырех). При этом воздухосборники обычно располагаются вдоль здания ГЭС.

Агрегатные системы характеризуются индивидуальным подводом воздуха к каждой турбине от своего воздухосборника. При этом воздухосборники равномерно располагаются вдоль здания ГЭС.

3. В проектных схемах, как правило, предусматривается возможность резервирования в случае выхода из строя воздухосборников, предназначенных для данного агрегата.

Воздушная система обычно содержит более двух компрессоров, один из которых резервный. Компрессорная установка должна иметь обособленную магистраль для заполнения воздухосборников.

Заполнение воздухосборников осуществляется автоматически в зависимости от наличия в них требуемого давления: запуск компрессоров производится при снижении давления в системе до установленного предела, а останов - при достижении номинального давления.

В некоторых системах в компрессорной установке предусматриваются группы компрессоров малой и большой производительности, причем первая - автоматически поддерживает давление в системе при небольшом снижении давления в ней, а вторая - при глубокой "посадке" давления.

 

 

Рис. 5. Компоновка воздушной системы отжатия:

1 - компрессорная; 2 - воздухосборник; 3 - агрегат

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Общая часть

2. Меры безопасности

3. Типы оборудования, применяемого в воздушных системах

4. Особенности перевода в режим СК гидроагрегатов с различными типами турбин

4.1. Общие положения

4.2. Особенности перевода в режим СК агрегатов с поворотно-лопастными и пропеллерными турбинами

4.3. Особенности перевода в режим СК агрегатов с радиально-осевыми турбинами

4.4. Особенности перевода в режим СК агрегатов ГАЭС с насос-турбинами

5. Контроль за работой воздушной системы перевода гидроагрегатов в режим СК

5.1. Общие положения

5.2. Контроль герметичности воздушной системы

5.3. Контроль герметичности камеры рабочего колеса турбины

5.4. Контроль утечки воздуха из камеры рабочего колеса турбины при работе в режиме СК

5.5. Определение потерь воздуха в нижний бьеф

5.6. Уточнение отметки уровня отжатия

Приложение 1 Отжатие воды из камеры рабочего колеса при переводе гидроагрегата в режим СК

Приложение 2 Разновидности воздушных систем