Статья поступила в редакцию 07.07.15. Ред. рег. № 2282
The article has entered in publishing office 07.07.15. Ed. reg. No. 2282
УДК 621.311.24 doi: 10.15518/isjaee.2015.13-14.002
ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОАГРЕГАТНЫХ БЛОКОВ ВЫСОКОНАПОРНЫХ ГЭС
Г.Л. Козинец
ОАО «Ленгидропроект» 197227 Санкт-Петербург, пр. Испытателей, д. 22 Тел.: (812) 395-29-01, факс: (812) 394-44-26, e-mail: galina4410@yandex.ru
Заключение совета рецензентов: 10.07.15 Заключение совета экспертов: 13.07.15 Принято к публикации: 16.07.15
В статье представлена история проблемы обоснования надежности гидроузлов, математического моделирования уникальных гидроэнергетических объектов. Выполнена оценка параметров стальной оболочки и арматуры турбинных водоводов высоконапорных ГЭС по нормативным документам. Представлена методика многослойного пространственного моделирования водопроводящих трактов и определены ее преимущества.
Ключевые слова: гидроагрегатный блок, математическая модель, конечно-элементный анализ, турбинный водовод, многослойная модель, водопроводящий тракт, стальная оболочка, арматура, бетон.
substantiation of project parameters of hydraulic units of high-head turbines
G.L. Kozinets
"Lenhydroproject" LLC 22 Ispytateley Ave., St.-Petersburg, 197227, Russia Tel.: (812) 395-29-01, fax: (812) 394-44-26, e-mail: galina4410@yandex.ru
Referred: 10.07.15 Expertise: 13.07.15 Accepted: 16.07.15
This paper presents a history of substantiation of hydraulic units reliability, mathematical simulation of unique hydro-power objects. Based on legal regulations, the authors performed parameters evaluation of a steel case and armature of penstocks of high-head turbines. A method of multi-layer spatial simulation of water pathways is presented in the paper, its advantages are determined.
Keywords: hydraulic unit, mathematical model, finite-element analysis, penstock, multi-layer model, water pathway, steel case, armature, concrete.
Галина Леонидовна
Козинец Galina L. Kozinets
Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» СПбСТУ, начальник отдела расчетных обоснований ОАО «Ленгидропроект».
Образование: Ленинградский политехнический институт (1986).
Область научных интересов: разработка методов и математических моделей гидроагрегатных блоков ГЭС для рационального проектирования.
Публикации: 25, 3 патента РФ.
Information about the author: Ph.D., Assistant Professor at the chair "Hydroeconomics and Hydraulic Construction" at SPbSTU, Head of Calculation Substantiations Department at "Lenhydroproject" LLC.
Education: Leningrad Polytechnical Institute (1986).
Research area: development of methods and mathematical models of hydraulic units for rational design.
Publications: 25, including 2 patents of RF.
Введение
Современное развитие крупной гидроэнергетики в мире ориентируется, как правило, на высоконапорные ГЭС с высокой единичной мощностью гидротурбинного оборудования. Уникальные параметры элементов высоконапорных водопроводящих трактов позволяют обеспечить высокие технико-экономические характеристики гидроузла и производства электроэнергии. Одной из важнейших проблем при проектировании таких объектов является обеспечение прочности и безопасной эксплуатации элементов водопроводящего тракта, оборудования, гидроагрегатного блока и сооружения в целом. Аварийные ситуации на гидроузлах всегда сопряжены с огромными материальными, экологическими и социальными ущербами, поэтому разработка принципиально новых проектных и технических решений по обоснованию параметров гидроагрегатных блоков на основе современных компьютерных методов пространственного математического моделирования элементов и сооружений и их внедрение в практику проектирования представляет собой крайне важную и актуальную проблему. В этой связи компанией «РусГидро» в апреле 2010 г. принята «Программа безопасной эксплуатации гидроэнергетических объектов», которая получила приоритетное развитие на ближайшее десятилетие. Особое внимание в этой программе уделяется высоконапорным гидроэлектростанциям с напором выше 100 м, таким как Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего, Чиркейская ГЭС, Ирга-найская ГЭС, Зарамагская ГЭС, Бурейская ГЭС, Зей-ская ГЭС, аварии на которых могут приводить к особенно тяжелым последствиям.
В настоящее время проектирование высоконапорных гидроагрегатных блоков и их водопроводя-щих трактов регламентируется нормативно-методическими документами, разработанными, в основном, в 70-80-х годах ХХ-го века. При этом действующая нормативная база, обеспечивая в целом достаточно высокий технический уровень проектных решений, но основанный на раздельном моделировании элементов, конструкций и процессов в гидроагрегатном блоке, не соответствует современным требованиям проектирования и расчетных обоснований высоконапорных гидроэнергетических объектов. Подобный фрагментарный подход не учитывает в полной мере влияния на водопроводящий тракт гидродинамических нагрузок от движущегося потока воды и работающего оборудования, не позволяет проводить комплексное расчетное обоснование элементов и конструкций в трехмерной постановке, затрудняет оценку остаточного ресурса прочности конструкций эксплуатируемого объекта при отклонениях от проектных решений. Современные компьютерные технологии и программные комплексы позволяют решать многовариантные задачи на основе пространственного математического моделирования элементов, конструкций, процессов водопроводящего тракта с
учетом широкого спектра факторов, ранее не рассматриваемых, либо учитываемых упрощенно.
В настоящее время пока не сложилось единого нормативного и методологического подхода к проектированию гидроэнергетических объектов, особенно высоконапорных, на основе пространственного численного моделирования, позволяющего оценить работоспособность гидроагрегатных блоков при экстремальных воздействиях.
Перечисленные проблемы являются существенными препятствиями на пути повышения безопасности гидроэлектростанций в целом и обеспечении выдачи гарантированной мощности потребителю.
Следует отметить, что основанная А.А. Морозовым в Ленинградском Политехническом институте кафедра «Использование водной энергии» положила начало формированию научной базы для исследований гидроагрегатных блоков. Начиная с 1964 года, под руководством Ю.С. Васильева успешно решались задачи по определению параметров объектов гидроэнергетики на ЭВМ ЕС 1022. Тем самым была создана основа для математического моделирования уникальных гидроэнергетических объектов с использованием компьютерной техники. В этой связи следует отметить труды Н.В. Арефьева, Ю.С. Васильева, В.И. Виссарионова, Л.И. Кубышкина, А.А. Морозова, М.П. Федорова, Д.С. Щавелева, Б.А. Соколова [1-6].
Вместе с тем, использование современных программных комплексов делает возможным исследование объектов без создания их макета, путем решения задачи для математической конечно-элементной модели, адекватной реальному сооружению, что позволяет уменьшить период проектирования, материальные расходы и оптимизировать проектные параметры конструкции в соответствии с критериями прочности [7, 8].
Оценка параметров турбинных водоводов по нормативным документам
Российские нормативные документы не регламентируют детальное моделирование водопроводя-щих трактов высоконапорных ГЭС, работающих в условиях нелинейного поведения бетона, расчет ста-лежелезобетонного элемента сводится к определению суммарного нормального усилия в данном элементе из условия разделения усилия между стальной оболочкой и арматурой: N = Лст + Ла, где Л2, Лст, N - суммарное усилие, усилие в стальной оболочке, усилие в арматуре соответственно.
Суммарное усилие в элементе определяется по котельной формуле:
N = qr,
(1)
где q - давление воды внутри трубы, г - радиус трубы.
Котельную формулу для нормальных напряжений растяжения при наступлении предельного состояния в оболочке можно представить в виде
а = qr/8,
(2)
где а - суммарные нормальные напряжения растяжения; 8 - суммарная толщина стальной оболочки и арматуры.
Площадь расчетной кольцевой арматуры стале-железобетонных водоводов вычисляется по формуле
A >
NeYlc Yn - Yc YsAsiRsi
Y c Y sRs
(3)
где Rsi, Rs - расчетные сопротивления стали оболочки и арматуры соответственно; у1с, уи, Yc, у, - коэффициенты сочетаний нагрузок, условий работы, надежности по назначению для класса сооружения, условий работы арматуры соответственно; А,, А^ - расчетное сечение арматуры и стальной оболочки соответственно; N - суммарное усилие в элементе.
Расчет арматуры выполняется из условия достижения в стальной оболочке предельного состояния по пределу текучести. Такой расчет целесообразен на начальной стадии проектирования и только для водоводов.
По нормам РусГидро, в модель включается бетонная оболочка, и площадь расчетной кольцевой арматуры сталежелезобетонных водоводов вычисляется по формуле
A > NEYlcYn
s Y c Y sRs
(4)
При этом чтобы получить напряжения в стальной оболочке, рекомендуется снизить начальный модуль упругости бетона в радиальном направлении, то есть наделить бетон водовода ортотропными свойствами, в предположении продольных (вдоль оси водовода) трещин. Напряжения в бетоне при таком моделировании снижаются, и по уровню пониженных напряжений выполняется расчет усилий в арматуре:
а + а
I низ верх ,
N =J-1 h,
(5)
вании всех несущих элементов водопроводящих трактов. Этот способ позволяет еще на этапе проектирования получить оптимальные толщины стальной оболочки и площади арматуры из условия их совместной работы.
Постановка задачи пространственного многослойного моделирования
Пространственная численная модель водопрово-дящего тракта строится из условия физических особенностей материалов при включении в модель многослойных элементов оболочки с различными геометрическими и физическими параметрами на каждом слое. При этом численное моделирование основано на совместной работе всех составляющих элементов водопроводящего тракта с привлечением аппарата общей трехмерной теории напряжений и деформаций.
С математической точк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.