ОСНОВНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЭС И НС
ГАЭС и НС могут работать как в установившихся, так и в переходных режимах. На рис. 20-1 показана схема режимов работы обратимых агрегатов ГАЭС.
К установившимся режимам работы относятся: насосные, турбинные, компенсаторные при турбинном или насосном направлении вращения. Переходные процессы подразделяются на: а) нормальные эксплуатационные, которые возникают согласно графику работы станции, и б) аварийные, появляющиеся внезапно в аварийных ситуациях. Рассмотрим нормальные эксплуатационные режимы обратимого агрегата. Они следующие • (рис. 20-1): 1— пуск в насосном режиме и регулирование расхода и напора; 2— остановка из насосного режима; 3—переход из насосного в компенсаторный режим; 4 — переход из компенсаторного режима в насосный; 5 — остановка из компенсаторного (насосное направление вращения) режима; 6 — переход из насосного режима в турбинный; 7 — пуск в турбинном режиме и регулирование мощности; 8 — переход из турбинного режима в ком-пенсаторный; 9 — переход из компенсаторного режима в турбинный; 10— остановка из компенсаторного (турбинное направление вращения) режима; 11 — остановка из турбинного режима.
При переходе из турбинного режима в насосный агрегат останавливается, а затем пускается в насосный режим (рис. 20-1, 11 — 1).
Аварийные режимы ГАЭС характеризуются внезапным отключением электромашины от энергосистемы (рис. 20-1): 12 — отключение в турбинном режиме; 13 — отключение в насосном режиме.
Агрегаты НС могут работать в нормальных эксплуатационных (1-5) и аварийном (13) режимах.
Продолжительность нормальных эксплуатационных переходных процессов обусловлена параметрами оборудования и сооружений ГЭУ, условиями ее работы в энергетической или водохозяйственной системе. В табл. 20-1 приведены некоторые основные параметры крупных обратимых агрегатов и продолжительность их переходных режимов.
На рис. 20-2 показана диаграмма последовательности операций и изменение основных параметров при переводе обратимого агрегата из насосного режима в турбинный и наоборот. Перевод агрегата в турбинный режим (рис. 20-2, а) происходит при открытом затворе. При отключении двигателя от сети начинает закрываться направляющий аппарат до открытия, соответствующего холостому ходу ах.х в турбинном режиме. Происходит снижение частоты вращения в насосном режиме до нуля, а затем возрастание частоты вращения п в турбинном режиме до номинальной пт. Осуществляется включение нагрузки N, ее набор и регулирование до требуемой NT. При переводе агрегата из турбинного в насосный режим (рис. 20-2, б) начинает закрываться затвор трубопровода, а за-тем закрывается направляющий аппарат. При этом снижается мощность агрегата до нуля. Частота вращения агрегата снижается, причем для быстрейшей остановки машины производится электрическое торможение. При п = 30 %п0 в камеру рабочего колеса подается сжатый воздух и происходит отжатие воды из камеры. Одновременно с остановкой агрегата производится его пуск в насосный режиме. Набор оборотов производится при опорожненной камере рабочего колеса и потребляемой мощности до 0,15iVH. При достижении оборотов, близких к синхронным, производится синхронизация, а затем открытие затвора а3 направ-ляющего аппарата до открытия холостого хода и выпуск воздуха из камеры рабочего колеса. Производится дальнейшее открытие направляющего аппарата и набор мощности до номинальной в насосном режиме Ns
Неустановившийся режим работы станции вызывает электромагнитные. механические и гидравлические переходные процессы. Переходные процессы являются более опасными для оборудования и сооружений, чем установившиеся и должны учитываться при проектировании и эксплуатации ГАЭС и НС.
В процессе пуска электродвигатель потребляет ток, значительно превышающий номинальный, иногда в 5—7 раз. Длительное время пе-реходного процесса может явиться причиной недопустимого нагрева обмоток. Поэтому при выборе электродвигателей для НС и ГАЭС проверяют их на нагрев при пуске и в необходимых случаях устанавливают двигатели увеличенной мощности.
При аварийном отключении агрегатов НС от электросети насосы переходят в турбинный режим работы. Причем может оказаться, что частота их вращения в турбинном режиме существенно превысит допустимую по условиям крепления обмоток ротора или прочности отдельных узлов двигателя или насоса. В этом случае необходимо предусмотреть специальные тормозные устройства. При закрытии запорного органа на трубопроводе турбинный режим работы насоса называется угонным, а при аварийном отказе от закрытия запорного органа — разгонным. Максимальную частоту вращения ротор агрегата достигает в разгонном режиме.
Переходные процессы могут вызвать значительные динамические нагрузки на элементы проточной части агрегата и сооружений ГЭУ. Переходные процессы, как правило, сопровождаются интенсивными пульсациями гидродинамического давления и усилий на органы гидромашины, повышенными вибрациями узлов оборудования и строительной части сооружений. При этом возможны резонансные явления.
Так, например, П. П. Аршеневский в [8-1] приводит результаты исследований переходных процессов на Кубанской ГАЭС. Он показывает, что наибольшие динамические нагрузки на лопатку направляющего аппарата обратимой гидромашины наблюдаются в режиме противотока, при этом двойная амплитуда момента на лопатке в 10 раз больше, чем его среднее значение, и в 19 раз превосходит пульсацию момента с лопастной частотой (равной произведению частоты вращения насоса на число лопастей) в установившемся режиме. Пульсации давления в водоводе ГАЭС при разгонном режиме иногда достигают 55 % от напора [19-1].
Развитие кавитационных явлений при переходных процессах может быть интенсивно, что иногда требует, как указывает В. Я. Карелин в [9-2], специальных мер для их снижения. Например, при переходном процессе в осевом насосе зафиксировано изменение давления в камере рабочего колеса, достигающее пяти статических напоров, а кавитационные зоны занимают до 7з ширины межлопастных каналов.рабочего колеса.
Переходные процессы в водоводах НС и ГАЭС могут сопровождаться разрывом сплошности потока, а затем значительным гидравлическим ударом. По исследованиям ВНИИВодгео напор в трубопроводе НС при гидравлическом ударе может достичь значения
Для оценки эксплуатационной надежности оборудования и сооружений необходимо исследовать переходные процессы, возникающие в НС и ГАЭС в условиях нормальной эксплуатации и в прогнозируемых аварийных режимах.
При проектировании НС учитывают основные характеристики переходных процессов, а именно: а) длительность процесса при пуске и остановке агрегата; б) угонную и разгонную частоту вращения ротора; в) время выхода агрегата в угонный и разгонный режим; г) максимальный момент на валу насоса; д) максимальное и минимальное гидродинамическое давление в проточном тракте; е) время заполнения водой трубопровода и сифона; ж) возможность повторного включения агрегата после кратковременного отключения.
Переходные процессы в НС и ГАЭС изучаются на натурных объектах [8-1], а также на физических [20-4] и математических моделях с помощью цифровых [20-2, 20-3] и аналоговых [20-1] ЭВМ.