Введение
Энергоаудит, или энергетическое обследованиепредприятий и организаций предполагает оценку всех аспектов деятельностипредприятия, которые связаны с затратами на топливо, энергию различных видов инекоторые ресурсы, например, воду.Цель энергоаудита – оценить эффективность использованиятопливно-энергетических ресурсов и разработать эффективные меры для снижениязатрат предприятия.
При проведении энергетического обследования решаются ряд основныхзадач, последовательное решение которых складывается в устоявшуюся методикупроведения энергоаудита. Кроме того, в соответствии с требованиями действующегозаконодательства в области энергосбережения, решаются некоторые формальныезадачи энергетического обследования. И наконец, у заказчика энергоаудита могутбыть дополнительные пожелания к составу работ.
Решение всех этих задач возможно только при совместной работевысококвалифицированных инженеров и экспертов энергоаудитора с эксплуатационнымперсоналом и специалистами заказчика непосредственно на объектах предприятия.
Привлечениеспециалистов высокой квалификации, их работа с выездом на объекты, а такженеобходимость использования специализированных приборов, предполагаетопределённые затраты на выполнение этих работ. Такие затраты имеют две основныесоставляющие, скорее даже ипостаси, учитывая их неразрывность: время и деньги.Периодичность и продолжительность энергоаудита
Время вообще имеет странное свойство, особенно в наши времена: задачивозникают, как правило, «вдруг», а решить их необходимо в кратчайшие сроки,желательно, «ещё вчера». При этом, однако, нужно понимать, что любая работа, аэкспертная работа энергоаудиторов особенно, требует определённых затратвремени.
Массовое начало деятельности по энергосбережению в России пришлось наэпоху «бесплановой экономики», когда уже некому было составлять дляэнергоаудита удобные и понятные прейскуранты и ценники. Отсюда, все проблемы исложности с ценообразованием в этой области.
В простейшем случае, руководителю, заказывающему дешёвый энергоаудит,необходимо понимать, что высококвалифицированные специалисты энергоаудитораимеют повышенный спрос, и дёшево их работа цениться не может.Энергоаудиторы при проведении энергетических обследований,как и в других сегментах инжиниринговых услуг, их качество, срок выполнения истоимость значительно различаются в зависимости от конкретного субъекта в этомбизнесе. А однозначного мерила этих характеристик в энергоаудите нет. Этим иобъясняются сложности при выборе энергоаудитора. Благо, что аудиторов много.Плохо, что настоящих мало.
Конечно, фактическим результатом работы любого аудитора является большееили меньшее количество бумаги. Причём, большее её количество не значит болеевысокое качество, обычно бывает наоборот.
Предложения энергоаудиторов, как правило, носят рекомендательныйхарактер. Поэтому, любая работа энергоаудиторов может так и остаться – толькона бумаге, поскольку реализация мероприятий зависит от специалистов ируководства предприятия заказчика.
С другой стороны, качественно выполненную работу по энергоаудиту всегдаможно превратить в деньги. Иногда, количество этих денег на несколько порядковможет превысить затраты на проведение энергетического обследования. Нередкобывает, что затраты окупаются ещё в процессе работы.
В своей работе я хочу представить связь энергоаудита с гидроагрегатом, точнеес работай ГЭС.
1. Конструкция ипринцип действия гидроагрегата
1.1 Объект управления
Объектом управления вданной работе является гидроагрегат (рисунок 1.1).
/>
1 – спиральная камера; 2 –направляющий аппарат; 3 – рабочее колесо;
4 – отсасывающая труба; 5– генератор
Рисунок 1.1 – Схематехнологического процесса
Гидравлическаятурбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергиювращения вала [1]. Существуют разные конструкции гидротурбин, соответствующиеразным скоростям течения и разным напорам воды, но все они имеют только двалопастных венца (паровые и газовые турбины – со многими венцами лопаток.) Клопастям первого венца относятся профилированные колонны статора и лопаткинаправляющего аппарата, причем последние обычно позволяют регулировать расходводы через турбину.
Второй венецобразуют лопасти рабочего колеса турбины. Два последовательных лопастных венца(статора и колеса) составляют ступень турбины. Таким образом, в гидротурбинахимеется только одна ступень.
Турбины длянапоров, превышающих 300 м, совершенно иные, нежели описанные выше. В нихимеются от одного до шести сопел кругового сечения, создающих водяные струи,которые падают на лопасти рабочего колеса. Расход воды регулируется перекрытиемпроходного сечения сопел. Рабочее колесо работает не под водой, как в осевой ирадиально-осевой турбинах, а в воздухе. Высокоскоростная свободная водянаяструя бьет в лопасть рабочего колеса, которая имеет форму двойного ковша.Конструкция ковшовой гидротурбины была предложена в 1878 и запатентована в 1880американским инженером А. Пелтоном.
Ковшоваягидротурбина называется активной (свободноструйной), поскольку в соплах напорпадает до нуля и сила, действующая на лопасти, создается ударом струи. Осеваяже и радиально-осевая турбины относятся к реактивным (напороструйным), так какпоток продолжает ускоряться в проходах между лопастями рабочего колеса и крутящиймомент частично создается реакцией, ответственной за ускорение.
Поворотно-лопастнаягидротурбина, реактивная гидротурбина двойного регулирования, в которойизменение мощности осуществляется одновременным поворотом лопаток направляющегоаппарата и лопастей рабочего колеса.
/>
Рисунок 1.2 –Поворотно-лопастная гидротурбина
Вповоротно-лопастной гидротурбине лопасти рабочего колеса могут быть какперпендикулярны к оси турбины (осевая поворотно-лопастной гидротурбина), так иобразовывать с ней острый угол (диагональная гидротурбина). Поворотные лопастигидротурбины имеют цапфы, которые установлены в окнах втулки рабочего колеса.
Различаютвертикальные и горизонтальные поворотно-лопастные гидротурбины. Вертикальныеобычно применяются на ГЭС с напорами от 15 до 60 м. Горизонтальныеиспользуются в прямоточных агрегатах на ГЭС с напорами от 15 до 30 м. Ввертикальной поворотно-лопастной гидротурбине поток воды, поступающий изподводящего трубопровода, закручивается в спиральной камере, а затем попадает встатор (который вносит осевую симметрию в движение воды) и в радиальныйнаправляющий аппарат гидротурбины с поворотными лопатками. Перед рабочимколесом направление потока при помощи обтекателя переводится из радиального восевое.
Отсасывающаятруба вертикальной поворотно-лопастной гидротурбины изогнутая, горизонтальной –прямоосная.
Для заданныхзначений мощности агрегата и напора ГЭС поворотно-лопастной гидротурбины имеетоднозначно определяемые значения углов поворота лопаток направляющего аппаратаи лопастей рабочего колеса, которые обеспечивают в этом режиме максимальноезначение коэффициента полезного действия. В регуляторе поворотно-лопастнойгидротурбины устанавливается комбинатор гидротурбины. По сравнению срадиально-осевыми гидротурбинами имеет более пологую рабочую характеристику приодном и том же напоре и более высокие значения мощности и частоты вращения приодном и том же диаметре рабочего колеса и напоре. По своим прочностным и противокавитационнымсвойствам поворотно-лопастная гидротурбина уступает радиально-осевойгидротурбине, что делает неэффективным её применение на ГЭС с напорами выше 60 м.Мощность поворотнолопастной гидротурбины достигает 200 МВт и более.
1.2 Анализ основногооборудования
Рабочее колесо(рисунок2.1, позиция 3) имеет поворотные лопасти, отлитые из нержавеющей стали марки20Х13НЛ, которые закреплены на литом корпусе из углеродистой стали марки Л30 –втулке рабочего колеса. В нижней части втулки расположен механизм повороталопастей, а верхняя часть представляет собой полый цилиндр, в которомрасположен поршень сервомотора, приводящий в движение механизм повороталопастей. Втулка верхней своей частью непосредственно прикреплена болтами кфланцу вала, который одновременно служит крышкой сервомотора. Полость цилиндрасервомотора отделена от нижней части втулки днищем, через центральное отверстиекоторого проходит шток поршня, соединенный со стальной крестовиной механизмаповорота лопастей. На крестовине укреплены четыре проушины, в которых шарнирнозакреплены серьги. Другим концом каждая серьга надевается на палец рычага,насаженного на цапфу лопасти.
Присоединение каждогорычага к фланцу лопасти осуществляется снаружи при помощи 8 болтов.
Крестовина предохраняетсяот поворота во втулке рабочего колеса двумя призматическими шпонками,приваренными к втулке.
Нижняя полость рабочегоколеса всегда заполнена маслом и закрыта снизу стальным, обтекаемой формы,кожухом, болтовое крепление которого закрыто облицовкой.
Для предотвращенияпротечек через места сопряжения фланцев лопасти с втулкой, предусмотреныспециальные уплотнения, состоящие из резиновых колец, прижимаемых к фланцулопасти двумя пружинными кольцами из бериллиевой бронзы. Между кольцамипроложены резиновые прокладки.
Поворот лопастейпроисходит при подаче масла под давлением через соответствующее отверстие вштоке в одну из полостей сервомотора, расположенных над или под поршнем.Перемещаясь, поршень сервомотора поворачивает лопасти, воздействуя на них черезшток, крестовину, проушины, серьги и рычаги. Для слива масла из системырабочего колеса внизу конуса имеется клапан, закрытый пробкой. Избыток масла вовтулке рабочего колеса, получающийся при работе турбины за счет протечек маслачерез зазоры, выдавливается возникающим давлением через трубку, проходящую вцентральном отверстии штока до места подсоединения штанг к штоку сервомотора идалее по пространству между штангами и валом турбины к основаниюмаслоприемника, откуда сливается по трубопроводу в бак маслонапорной установки.
Вал турбины – единый длярабочего колеса и генератора, откован из мартеновской стали. По всей длине валарасточено центральное отверстие, служащее для установки штанг, а также дляконтроля металла. В верхнем и нижнем концах отверстия запрессованы бронзовыевтулки для направления штанг, подводящих масло к сервомотору рабочего колеса.Нижний фланец вала служит одновременно крышкой цилиндра сервомотора рабочегоколеса.
На верхнем конце валанасажена опорная втулка ротора генератора. На верхней торцевой плоскости валаустановлен фланец и вал-надставка, на который насажен якорь возбудителя и якорьпендель-генератора. Для предохранения от коррозии на вал в месте установкинаправляющего турбинного подшипника надета рубашка из нержавеющей стали.
Направляющий турбинныйподшипникимеет разъемный чугунный корпус, состоящий из двух частей,соединенных между собой болтами, который прикреплен своим фланцем к крышкетурбины. В отверстие корпуса вставлен чугунный вкладыш, состоящий из двухчастей, соединенных между собой болтами. Корпус вкладыша крепится к корпусуподшипника через фланец с помощью гаек и шпилек.
В корпусе вкладышаустановлены на болтах восемь стальных сегментов с привулканизированной к нимрезиной.
В корпусе подшипника вдва ряда установлены радиальные болты, предназначенные для центровки корпусавкладыша относительно вала турбины.
На верхней плоскостикорпуса подшипника установлена и закреплена шпильками чугунная ванна с торцевымуплотнением. В своей напорной части ванна имеет отверстие для подводасмазывающей воды на подшипник. Для отвода воды, проникающей через торцевоеуплотнение в верхнюю часть ванны, в ней предусмотрено отверстие с трубой, черезкоторую вода сливается на наружную часть корпуса подшипника.
Вода для смазки иохлаждения подшипника поступает по специальному трубопроводу в ванну подшипникаиз спиральной камеры, и в качестве резерва, от трубопровода технической воды,проходит через подшипник и отводится в камеру рабочего колеса. Протечки воды изкорпуса подшипника откачиваются дренажным насосом. На ванне подшипникаустановлена крышка, на которой укреплен предохранительный кожух вала.
На верхнем фланце икрышке турбины установлены рифленые листы, которые являются площадкой дляобслуживания подшипника.
В нижней части корпусаподшипника со стороны фланца вала под листами облицовки установлено резиновоеуплотнение, служащее для прекращения поступления воды из камеры рабочего колесапосле подъема ротора агрегата тормозами на высоту от 20 до 25 мм исоздания условий для осмотра, прочистки смазочных канавок обрезиненныхсегментов направляющего турбинного подшипника при высоком уровне воды в нижнембьефе.
Направляющий аппарат(НА)(рисунок 1.1, позиция 2) состоит из отлитых из углеродистой стали (иногдачугунных) поворотных лопаток, цапфы которых установлены в подшипниках верхнегои нижнего колец. На верхние концы цапф лопаток надеты и закреплены, с помощьюразрезных цилиндрических шпонок, стальные рычаги. Связь рычагов с регулирующимкольцом осуществлена посредством серег, надетых на пальцы, запрессованные врычаги и регулирующее кольцо.
На каждой серьге имеетсяспециальная деталь-камень, закрепленный разрывным болтом, который в случаепопадания посторонних тел между лопатками (бревен и других предметов) призакрытии турбины разрывается, предохраняя тем самым от поломки другие деталинаправляющего аппарата. Для предохранения серьги от поломки при разрыве болтаустановлен гибкий упор. Кроме того, для сигнализации о разрыве болтов, накаждой серьге установлен концевой электрический выключатель.
Верхнее кольцо НАстальное, состоит из четырех частей, соединенных между собой болтами иустановлено на стальной статор.
Чугунные подшипникинаправляющих лопаток установлены в отверстия верхнего кольца и закреплены нанем болтами. В подшипниках запрессованы по две капролоновые втулки, служащиенаправляющими цапф лопаток и воспринимающие от них радиальную нагрузку.
Для защиты отпроникновения воды из спиральной камеры на крышку турбины на верхней частиподшипника установлено манжетное уплотнение. Шейка лопатки в месте установкиманжетного уплотнения облицована кольцом из нержавеющей стали с цельюисключения коррозии шейки и уменьшения механического износа манжеты.
Внизу верхнего кольцаимеется выемка, которая используется при демонтаже лопаток.
Нижняя торцовая плоскостьверхнего кольца облицована листами, которые перекрывают выемку и отверстия дляподшипников.
Нижнее кольцо НАчугунное, состоит из четырех частей, соединенных между собой болтами. Самокольцо закреплено болтами к нижнему кольцу статора. На нижнем кольце НАрасточено 24 отверстия, в которые запрессованы капролоновые или лигнофолевые втулки,служащие подшипниками для нижних цапф лопаток. Кроме того, на нижнем кольце повнутренней сфере в восьми местах имеются резьбовые отверстия и выемки для крепленияподвесок, на которых держится рабочее колесо при монтаже и ремонте. Крышкатурбины отлита из прочного модифицированного чугуна, состоит из двух частей,соединенных между собой болтами. Крышка установлена на внутренний фланецверхнего кольца направляющего аппарата и закреплена болтами. Крышка имеетприливы для установки двух клапанов срыва вакуума и двух лючков для установкитакелажных приспособлений, а также пропуска воздуха в камеру рабочего колесапри переводе гидроагрегата в режим синхронного компенсатора. На верхней частикрышки расположены опора регулирующего кольца направляющего аппарата и опораподпятника генератора.
Регулирующее кольцо сдвумя ушами, посредством которых оно соединяется с тягами сервомоторов,установлено на опоре крышки. Регулирующее кольцо состоит из двух частей,соединенных между собой болтами. Смазка трущихся поверхностей регулирующегокольца производится турбинным маслом, залитым через масленки в ванну опоры.Смазка шарниров серьги, тяг сервомоторов производится тавотом (cолидолом) черезтекалимиты (пресс-масленки).
К нижнему фланцу крышкитурбины крепится шпильками корпус направляющего подшипника турбины.
Направляющий аппаратоборудован специальным резиновым уплотнением, установленным на кольцах илопатках, предохраняющим от протечек из спиральной камеры в камеру рабочегоколеса при закрытом положении лопаток. Уплотнение осуществляется как в местесоприкосновения лопаток между собой, так и между кольцами и торцами лопаток.
Поворот регулирующегокольца направляющего аппарата, а следовательно, и открытие его, осуществляетсядвумя масляными сервомоторами, установленными в шахте турбины. Сервомоторыпредставляют собой чугунные цилиндры с перемещающимися в них чугуннымипоршнями. Поршни сервомоторов соединены с тягами, идущими к регулирующемукольцу.
Тяги сервомоторов состоятиз двух частей, соединенных винтовой стяжкой, позволяющей в некоторых пределахрегулировать длину тяг, чем создаются более удобные условия для разборкисервомоторов.
Сервомоторы снабженыспециальным замедлительным устройством, предохраняющим поршень от удара окрышку сервомотора в конце хода на закрытие, одновременно замедлительноеустройство предотвращает повышение давления (гидроудар) в спиральной камере вмомент полного закрытия НА.
Сервомотор, установленныйсо стороны правого берега, соединен с валом выключателя колонки регулятора икомандоаппаратом НА стальными тягами, которые выполняют роль обратной связи.
На одном из сервомоторовустановлен стопор для фиксации НА в закрытом положении, имеющий малый сервомотори золотник, управляемый из колонки регулятора. Поршень стопора связан с вилкой,которая, опускаясь, препятствует движению поршня сервомотора турбины наоткрытие.
Стопор сервомотора связанблокировочным устройством с гидроклапаном и механизмами регулятора так, чтообеспечивается очередность их включения и выключения.
Протечки масла черезсальниковые уплотнения и масло из полостей цилиндров сервомоторов отводятся потрубопроводам в сливной бак МНУ.
Гидрогенератор(рисунок1.3) выполнен в зонтичном исполнении с подпятником, опирающимся на крышкутурбины, и с одним направляющим подшипником, установленным в верхнейкрестовине[2]. На вал-надставке, крепящейся к втулке ротора гидрогенератора,размещены кольца контактные и генератор регуляторный.
/>
Рисунок 1.3 –Гидрогенератор (СВ 1210/122–60)
Статор разъемный состоитиз пяти секторов. Сердечник статора набран из сегментов электротехническойстали толщиной 0,5 мм, лакированных с обеих сторон. Сердечник статора повысоте состоит из пакетов, между которыми по каналам проходит охлаждающийвоздух. Нажимные элементы сердечника выполнены из немагнитной стали.
Обмотка статорастержневая, волновая, двухслойная. Корпусная изоляция стержней обмотки, перемычеки шин – термореактивная по нагревостойкости соответствует классу F по ГОСТ 8865–87,при нагреве по классу В.
Конструкция ротора – разъемная,допускает выем остова ротора без обода и полюсов. Ротор гидрогенератора состоитиз остова, обода и полюсов.
Остов ротора состоит извал-надставки, втулки ротора и шести отъемных спиц коробчатого сечения. Ободротора нашихтован из стальных сегментов толщиной 4 мм, смещенных поокружности на полюсное деление. По высоте обод ротора разделен на пакеты, а наторцах обода ротора встроены центробежные вентиляторы. Образованные пакетамиканалы и центробежные вентиляторы обеспечивают эффективное охлаждение активныхчастей гидрогенератора.
Полюса крепятся к ободуротора с помощью двух Т-образных хвостов каждый. Сердечники полюсов нашихтованыиз стали толщиной 1 мм. Катушки полюсов выполнены из голой шинной медиспециального профиля. Полюса ротора снабжены продольно-поперечной демпфернойобмоткой.
Подпятник – однорядный начетырнадцати гидравлических опорах с автоматическим выравниванием нагрузки насегменты. Поверхность трения сегментов облицована эластичнымметаллопластмассовым покрытием. Масло охлаждается при помощи встроенных вмасляную ванну четырнадцати маслоохладителей V-образного типа. Крестовинавыполнена лучевого типа и состоит из центральной части и десяти отъемных лапдвутаврового сечения. В центральную часть крестовины встроен направляющийподшипник с маслоохладителями. Подшипник имеет десять самоустанавливающихсявкладышей, облицованных баббитом. Самоустановка вкладышей осуществляется засчет сочетания опорных поверхностей «цилиндр-плоскость», позволяющих вкладышуповорачиваться на некоторый угол вокруг продольной оси. Система смазкиподшипника – переливная. Масло охлаждается при помощи встроенных в маслянуюванну подшипника десяти секционированных маслоохладителей V‑образноготипа.
Система вентиляциигидрогенератора радиальная, замкнутая с охлаждением воздуха в десятивоздухоохладителях, размещенных на обшивке корпуса статора.
Торможение и подъемвращающихся частей гидроагрегата осуществляется двадцатью тормозами домкратами,установленными под ротором гидрогенератора на фундаментных опорах.Гидрогенератор снабжен водяной системой пожаротушения.
Автоматика и контроль.Гидрогенератор оснащен системами водо- и маслоснабжения, пожаротушения,теплового контроля защиты подпятника и подшипника.
Регуляторный синхронныйгенератор трехфазного тока с возбуждением от постоянных магнитов предназначендля питания электрогидравлического регулятора скорости вращения гидроагрегата.
1.3 Техническиетребования к работе гидротурбины
Поданным, полученным при испытаниях модели турбины в гидравлической лаборатории,завод-изготовитель дает гарантии коэффициента полезного действия (кпд) имощности поставляемой турбины для определенных режимов работыгидроэлектростанции. Однако вследствие неизбежного различия условий работымодели в лаборатории и действительной турбины на месте установки, а такжевследствие отсутствия точных формул пересчета кпд модели на действительнуютурбину, фактические данные несколько отличаются от гарантийных. Поэтомунеобходимы испытания турбины на месте ее установки. Такие испытания дают верноепредставление о кпд, мощности и пропускной способности турбины в рабочихусловиях и позволяют наиболее правильно использовать ее в эксплуатации.
Иногдабывает желательно провести испытания по определению кпд турбины последлительной ее эксплуатации, чтобы узнать, насколько изменились значения кпдвследствие износа элементов проточной части турбины. Знать это необходимо, таккак заменой изношенных частей новыми или сменой всего рабочего колеса можнозначительно повысить кпд турбины и выработку энергии.
Испытанияпо определению кпд поворотнолопастных турбин занимают значительно большевремени, чем испытания радиально-осевых турбин. Объясняется это тем, что дляполучения оптимальных условий работы поворотнолопастной турбины требуетсяснимать несколько пропеллерных характеристик, определяя зависимость для рядауглов установки лопастей рабочего колеса турбины, закрепленных неподвижно на времяиспытаний.
Послепостроения пропеллерных характеристик строят рабочую характеристику турбины,огибающую вершины пропеллерных характеристик и дающую зависимость максимальныхзначений кпд от нагрузки (рисунок 1.5). Определенная такими испытаниями рабочаяхарактеристика поворотнолопастной турбины одновременно решает вопрос онаилучшей комбинаторной связи для данного напора. Поэтому профиль клинакомбинатора, в случае обнаруженных отклонений, должен быть прокорректирован всоответствии с полученными данными испытаний.
/>
Рисунок1.4 – Эксплуатационная характеристика
Рабочаяхарактеристика турбины служит для проверки гарантий кпд, выданных заводом-изготовителем.Результатом нарушений данных условий может привести к ненормальным режимамработы гидротурбины в целом. Следствием может являться кавитация.
Подкавитацией понимают динамический процесс, характеризующийся местным разрывомсплошности жидкости с образованием парогазовых полостей и последующим ихсмыканием.
Развитаякавитация приводит к падению кпд турбины, пульсациям давления, в потоке, копасным вибрациям всего гидроагрегата. Следствие кавитации – кавитационнаяэрозия, которая разрушает детали проточной
/>
Рисунок1.5 – Рабочие характеристики различных типов гидротурбин
Возникновениекавитации, увеличение парогазовых пустот (каверн) связано с уменьшениемдавления в жидкости. В этом отличие кавитации от явления кипения, когдаувеличение каверн происходит за счет повышения давления внутри каверн.
Приобразовании каверны происходит разрыв жидкости, а необходимое для этогонапряжение определяется прочностью жидкости при определенной температуре.Реальная жидкость не выдерживает растягивающих напряжений и разрывается придавлении, близком к давлению насыщенных паров. Это объясняется наличием вжидкости мельчайших газовых пузырьков – ядер кавитации, по которым происходитразрыв сплошности.
Различаютнесколько типов кавитации. Кавитационные каверны, образовавшиеся в потоке,могут перемещаться вместе с потоком до зоны с повышенным давлением, гдепроисходит конденсация паров и схлопывание каверн. Кавитационные каверны,движущиеся с потоком и не связанные с обтекаемой поверхностью, имеют, какправило, сферическую форму. Такую кавитацию называют перемещающейся или поформе кавитационных каверн – пузырьковой. Перемещающиеся нестационарныепузырьки могут возникать в точках низкого давления на твердой границе или вядрах движущихся вихрей.
Другойтип кавитации называют присоединенной или полостной кавитацией. В этом случаепоток жидкости отрывается от твердой границы обтекаемого тела с образованиемквазистационарной кавитационной полости. Скоростная съемка такой полостипоказывает, что она пульсирует, претерпевая стадии возникновения, роста иотрыва. Граница раздела между кавитационной полостью и жидкостью может бытьгладкой или шероховатой. В последнем случае вся полость как бы заполненагроздьями более мелких каверн.
Приразвитии кавитационного процесса кавитационная полость может охватывать всеобтекаемое тело и тогда это явление называется суперкавитацией.
Процессысхлопывания кавитационных пузырьков (каверн) происходят с огромной скоростью завесьма малые промежутки времени и представляют большие трудности для изучения.В зависимости от характера замыкания кавитационных пузырьков различают игидромеханические силы, возникающие при этом. При замыкании шарового пузырькавозникает сферическая ударная волна, которая может вызвать разрушение поверхностиобтекаемого тела, если замыкание произошло в непосредственной близости от него.При смыкании пузырька путем продавливания его стенки входящей струей разрушениеповерхности происходит под действием струи.
Механическоевоздействие при кавитации сопровождается интенсивной коррозией. Объясняется этотем, что кавитационные удары, приводящие к пластической или упругой деформацииматериала, образуют на его поверхности точки со свойствами, отличными отосновного материала. Для металлов из всей работы, затрачиваемой на деформацию,85% превращается в теплоту, а остальная часть переходит в потенциальную энергиювнутреннего напряжения. Тем самым на металлической поверхности, находящейся вводной среде, служащей электролитом, образуются участки, представляющие собоймгновенные микроэлементы. Периодически возникающие, как бы пульсирующиемикроэлементы резко усиливают электрохимические процессы коррозии. Усилениюпроцессов коррозии способствует также чередование водяной и парогазовой среды вместе пульсации кавитационной каверны.
В водена поверхности металла образуется защитная пленка окислов. На нержавеющей сталипленка тонкая, очень прочная и образует с металлом прочное соединение. Защитнаяпленка и, следовательно, сама нержавеющая сталь стойки к электрохимическимпроцессам коррозии при кавитации. Разрушение нержавеющей стали происходитглавным образом под действием гидроударов, имеющих давление выше пределатекучести стали. Такие гидроудары составляют менее 10% общего числа ударов,поэтому процесс разрушения нержавеющей стали протекает медленно.
Углеродистаяи низколегированная сталь имеет сравнительно толстую, но рыхлую пленку окислов,которая легко скалывается даже под действием слабых кавитационных ударов. Вэтом случае все ударные импульсы будут разрушающими. Вследствиеэлектрохимических процессов, сопутствующих кавитации, происходит повторноеокисление поверхности, очищенной от пленки окислов. Совместное действиекоррозии и кавитационных гидроударов приводит к быстрому и глубокому разъеданиюуглеродистой и низколегированной стали с образованием характерной губчатойповерхности.
Ещеодним ненормальным и даже опасным фактором является вибрация.
Работагидроагрегата в любом режиме всегда вызывает ту или иную степень биения иликолебания вращающихся частей и вибрации деталей, особенно деталей неподвижныхопор (корпусов подшипников, верхних и нижних крестовин генераторов, крышектурбин, фундаментных частей и других). Нормальной амплитудой и частотойвибрации для данного агрегата считают такую амплитуду и частоту, которыенеспособны, привести агрегат в аварийное состояние, требующее его немедленной инепредвиденной остановки.
Ненормальноебиение вала агрегата в поперечном направлении относительно неподвижных частейможет возникнуть вследствие износа вкладышей подшипников, увеличения зазоров вних и нарушения центровки общей линии вала.
Повышенныевибрации как вращающихся, так и неподвижных частей агрегата вызываютсямеханическими, электромагнитными и гидравлическими возмущающими силами.Источниками механических возмущающих сил могут быть:
– неуравновешенность(небаланс) вращающихся масс ротора агрегата;
– повышенноебиение вала агрегата вследствие нарушения центровки и «излома» его линии;
– износыв подшипниках и подпятнике агрегата;
– ослаблениекрепления опорных частей к фундаментам агрегата.
Неуравновешенностьвращающихся частей гидроагрегата устраняют динамической балансировкой роторагенератора и статической балансировкой рабочего колеса турбины.
Вибрацииагрегата, вызванные электромагнитным небалансом ротора генератора, порождаются:
– неравномернымзазором между расточкой статора и полюсами ротора;
– нарушениемизоляции и замыканием соседних витков обмоток полюсов ротора.
Этивибрации появляются после подачи напряжения на возбуждение ротора генератора.Первую причину устраняют центровкой статора генератора относительно осивращения его ротора и выравниванием зазора между полюсами ротора и расточкой статора.Если произошло межвитковое замыкание обмотки полюса, последний снимают с ротораи восстанавливают изоляцию его обмотки.
Наиболеечастыми источниками вибраций, вызванных гидравлическими явлениями в проточнойчасти турбины, могут быть:
– расстройствосистемы комбинатора у поворотнолопастных гидротурбин и нарушение комбинаторнойзависимости;
– кавитационныеявления.
В старыхмоделях колонок комбинаторную зависимость проверяют по шкале на маслоприемникеи колонке управления регулятором скорости. Если она нарушена, то следуетвосстановить ее по данным завода-поставщика или настроить методомотносительного КПД. или методом наименьших вибраций [4].
Дляустранения вредных последствий этого явления следует при эксплуатации агрегатапо возможности избегать нерасчетных режимов как по напору, так и по нагрузкам.Если избежать этого не удается, то во многих случаях применяют впускатмосферного или сжатого воздуха в проточную часть турбины, что устраняет илипо меньшей мере значительно ослабляет разрушение рабочих поверхностей элементовтурбины под влиянием кавитации.
1.4Анализ способов управления гидроагрегатом
Изучение системуправления показало, что основной задачей регулирования гидротурбиной являетсяподдержание постоянной частоты вращения ротора, что обусловлено работойэлектрических генераторов на сеть со стандартной частотой 50 или 60 Гц.
Из механики известно, чтовращение ротора гидроагрегата определяется основным уравнением машины [3]:
/>, (1.1)
где /> – момент инерции ротора;
/> – угловая скорость;
/> – момент турбины;
/> – момент генератора.
Из выражения (1.1)следует, что для поддержания постоянной скорости вращения ротора агрегата,когда ускорение />, необходиморавновесиемежду моментом турбины и моментом генератора />. Момент генератора/> определяетсяэлектрической нагрузкой генератора и трением в подвижных узлах регулирующихорганов; а момент турбины /> зависитот расхода воды через турбину, ее напора и определяется по формуле
/>, (1.2)
где /> – плотность воды;
/> – ускорение свободного падения;
/> – напор воды;
/> – расход воды;
/> – КПД турбины.
Из этоговыражения видно, что при /> моменттурбины можно изменять путем изменения расхода воды Qили напора Н. В реальных условиях практическиневозможно автоматически изменить действующий напор, поэтому момент турбинырегулируют изменением расхода воды. Расход воды Qявляется так называемым параметром регулирования, спомощью которого регулируемая величина (скорость вращения агрегата)поддерживается в заданных пределах. Изменение расхода воды осуществляетсярегулирующими органами, которые соответствуют типу гидротурбины.
Дляперестановки регулирующих органов в крупных и средних гидротурбинах применяютсяисключительно гидравлические сервомоторы, позволяющие создать необходимыеусилия в несколько сот тонн и более.
Поддержаниечастоты вращения гидроагрегата в заданных пределах при различных нагрузкахгенератора осуществляется автоматическим регулятором скорости, который,перемещая регулирующий орган, соответствующим образом изменяет расход водычерез турбину.
Автоматическимрегулятором скорости гидротурбины или просто регулятором скорости называютсовокупность устройств и приборов, осуществляющих измерение регулируемойвеличины (скорости вращения) и ее сравнение с заданным значением, формированиеуправляющего воздействия и перестановку регулирующего органа, то есть крегулятору скорости относят все устройства от измерителя скорости досервомоторов направляющего аппарата и рабочего колеса включительно.
Большинствосистем автоматического регулирования построено на принципе регулирования поотклонению регулируемой величины /> от еезаданного значения. Регуляторы, основанные на этом принципе, называютсярегуляторами с воздействием по скорости. При этом регулятор должен таквоздействовать на регулирующий орган турбины, чтобы уменьшить или полностьюликвидировать отклонение регулируемой величины.
Нагидростанциях с высокими напорами и относительно длинными подводящимитрубопроводами гидравлический удар в момент сброса нагрузки может достигнутьособенно большой величины, опасной для трубопровода [4]. Поэтому дляпредотвращения или значительного уменьшения гидравлического удара к спиральнойкамере радиально-осевых гидротурбин присоединяют особый клапан, называемыйхолостым выпуском.
Прибыстром закрытии направляющего аппарата турбины в момент сброса нагрузки клапанхолостого выпуска автоматически открывается и выпускает часть воды изспиральной камеры турбины мимо рабочего колеса. Вследствие этого в подводящемтрубопроводе изменение расхода воды в процессе регулирования будет меньше, а поэтомугидравлический удар будет значительно смягчен. В целях экономии воды холостойвыпуск к концу процесса регулирования вновь медленно закрывается со скоростью,обеспечивающей отсутствие опасного для подводящего трубопровода гидравлическогоудара. Таким образом, холостой выпуск работает лишь при внезапном сбросенагрузки, а в остальное время он закрыт.
Другимпринципом регулирования является регулирование по возмущению. В этом случаекомандой для перестановки регулирующего органа может служить, например,появление разности моментов. Однако необходимо заметить, что регулированиегидротурбин только по возмущению невозможно, так как в этом случае невыполняется основная задача регулирования – поддержание в заданных пределахугловой скорости вращения ротора. Для полного решения задачи автоматическогорегулирования скорости гидроагрегата воздействия по возмущению обязательнодолжны вводиться вместе с самим отклонением скорости вращения. Такие регуляторыназываются комбинированными.
Впоследнее время гидротурбинные фирмы многих стран широко применяют регуляторыскорости с различными видами дополнительных воздействий: по производной(ускорению), по интегралу, по производной и интегралу, по второй производной итак далее. Начинают применяться и комбинированные регуляторы с воздействием поскорости и нагрузке [1].
Следуетотметить, что введение в регулятор скорости дополнительных воздействийпроизводится не для выполнения задачи регулирования, а для улучшениякачественных показателей работы регулятора скорости и системы автоматическогорегулирования.