МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
SMALL HYDROENERGETICS
Статья поступила в редакцию 30.04.14. Ред. рег. № 1987
УДК 620.92:627.8.04
The article has entered in publishing office 30.04.14. Ed. reg. No. 1987
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОТУРБИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ
Ю.С. Васильев, Л.И. Кубышкин
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Тел.: (812) 552-77-71, e-mail: kubishkin@cef.spbstu.ru
Заключение совета рецензентов 05.05.14 Заключение совета экспертов 06.05.14 Принято к публикации 07.05.14
В работе рассматривается современная методология автоматизированного определения параметров гидротурбин проектируемых ГЭС. Дается описание прикладного программного и информационного обеспечения, используемого при поиске оптимальных параметров оборудования ГЭС. Представлен пример реализации предлагаемой методики.
Ключевые слова: гидроэлектростанция, ГЭС, проектирование, оборудование, гидротурбина, программное обеспечение, информационное обеспечение.
SEARCH AUTOMATIZATION OF OPTIMAL PARAMETERS OF HYDROTURBINES
AT HYDROPOWER OBJECTS DESIGN
Yu.S. Vasil'ev, L.I. Kubyshkin
Saint-Petersburg State Polytechnic University Science and Educational Center «Renewable Energy Sources» 29 Polytechnicheskaya St., St.-Petersburg, 195251, Russia Tel.: (812)552-77-71, e-mail: kubishkin@cef.spbstu.ru
Referred 05.05.14 Expertise 06.05.14 Accepted 07.05.14
This work considers the modern methodology of automated determination of parameters of hydroturbines of designed HPP. A description of application software and informational support used at searching optimum parameters of HPP equipment is given. An example of the proposed method realization is presented.
Keywords: hydro power plant, HPP, designing, equipment, hydroturbine, software, informational support.
Сведения об авторе: профессор кафедры "Водохозяйственное и гидротехническое строительство" Инженерно-строительного института Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Заслуженный работник Высшей школы РФ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник НОЦ «ВИЭ».
Область научных интересов: гидроэнергетика, компьютерные технологии, автоматизация проектирования объектов возобновляемой энергетики. Публикации: более 120.
Леонид Иванович Кубышкин
Введение
В Научно образовательном центре "Возобновляемые виды энергии и установки на их основе" Санкт-Петербургского государственного политехнического университета ведутся работы по совершенствованию процессов проектирования гидроэнергетических объектов на основе интеллектуальных технологий. В статье
представлена методика автоматизированного обоснования параметров гидротурбин
проектируемой ГЭС с использованием прикладного программного и информационного обеспечения автоматизации проектирования гидроэнергетических объектов.
Отметим, что процесс проектирования это комплексная проблема, при решении которой требуется согласовать многочисленные вопросы,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
относящиеся к различным научным дисциплинам, таким как гидротехника, гидравлика, электротехника, гидромашиностроение, организация и производство работ, экономика, гидрология, геология и другие. В основе принятия решения лежит экономическая эффективность, надежность и безопасность при эксплуатации сооружений и основного и вспомогательного оборудования.
Анализ различных способов проектирования гидроэнергетических объектов показал
экономическую целесообразность использования компьютерных технологий, которые сокращают сроки выполнения расчетов и обеспечивают рассмотрение большего количества вариантов проектных решений.
Завершенный проект гидроэнергетической установки, как известно, состоит из текстовых, табличных и графических документов. Автоматизация расчетных проектных процедур подробно освещена в [1-8].
В представленном в статье материале дается описание технологии автоматизированного обоснования параметров гидротурбин.
Актуальность автоматизации выполнения такой работы объясняется тем, что часто необходимо быстро оценить правильность выбора той или иной гидротурбины (ГТ) для заданных условий, например на начальных стадиях проектирования гидроэлектростанций или на стадии реконструкции гидроагрегатов. Обычно оценка проводится по универсальным (УХ) и эксплуатационным (ЭХ) характеристикам гидротурбины. Построение ЭХ в ручном режиме представляет собой долгую, рутинную и трудоемкую последовательность действий. Учитывая то, что малейшее изменение любых начальных условий, таких, например, как расчетный, максимальный, минимальный напоры означает, что работу по расчету параметров ГТ нужно проделать повторно с новыми данными, создание системы автоматизации обоснования параметров ГТ позволит минимизировать затраты времени и труда инженера-проектировщика при проведении таких расчетов. Для уменьшения времени расчетов и ускорения процесса проектирования на кафедре ВИЭГ СПбГПУ совместно с инженерами ОАО Ленгидропроект был создан комплекс программ "ВИЭГ ТУРОБО" и "БД ВИЭГ", написанный на языке Visual Basic for Applications (VBA) в среде MS Excel.
Данный комплекс программ предназначен для расчета параметров гидротурбин и построения их характеристик. Он состоит из следующих модулей:
- VIEGTURBO.xls - модуль расчета параметров турбины,
- BDVIEG.xls - модуль записи универсальных характеристик в базы данных, файлы с
расширениями *.tu1 - базы данных, в которых в специальном числовом формате хранятся универсальные характеристики гидротурбин,
- HELPLHP - папка, в которой находится справка модулей VIEGTURBO.xls и BDVIEG.xls.
Расчет параметров гидротурбин и построение их характеристик производится по общепринятой методике, изложенной в [9,10].
Пересчет с модели на натуру коэффициента полезного действия (кпд), высоты отсасывания и других параметров производится по формулам, рекомендуемым этим изданием.
Краткие сведения о программном комплексе
Компоненты программного комплекса (рис. 1) расположены в корневом каталоге персонального компьютера. После запуска программы нужно указать местонахождение Справки и Базы Данных. Для этого следует (см. рис. 2):
1. Нажать кнопку «Настройка»;
2. В появившемся окне указать путь к каталогу
помощи HELP;
3. Нажать «ОК»;
4. В появившемся окне указать путь к файлу
базы данных (файл с расширением *.TU1);
Программа настроена и готова к дальнейшей работе.
Рис. 1. Общий вид программ в корневом каталоге Fig. 1. General view of the program in the root directory
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
приведенной частоте вращения модели, при которой КПД имеет максимальное значение.
Подсчитанный диаметр рабочего колеса округляется до ближайшего большего стандартного. За счет увеличения диаметра приведенный расход уменьшается, а КПД несколько возрастает, т.е. происходит смещение расчетной точки по приведенному расходу , что автоматически учитывается при определении координаты 0 рабочей точки, т.е.
q; =
N
Рис. 2. Главное окно программы "ВИЭГ ТУРБО" Fig. 2. Main window "VIEG TURBO"
Математическое обеспечение обоснования параметров гидротурбин
Подробно весь процесс построения ЭХ описан во многих учебных пособиях, поэтому ниже приведены лишь основные формулы и зависимости [9], используемые в коде программы.
Определение и выбор диаметра рабочего колеса. Для определения диаметра рабочего колеса используется универсальная характеристика выбранной ГТ и начальные данные, соответствующие условиям работы.
Диаметр определяется по формуле:
9,81 A2 H
(4)
Определение и выбор нормальной частоты вращения. Частота вращения турбины предварительно определяется по формуле:
П/ОПТ \H p
Dl
(5)
где п1 ОПТ - оптимальная приведенная частота вращения турбины, определяется по формуле
Лт
(6)
Di =
N
9,810H ^ H Л
(1)
где N - номинальная мощность ГТ, кВт; -приведенный расход в расчетной точке, м3/с; Н -расчетный напор ГТ, м; - КПД натуральной ГТ, соответствующий режиму ее работы в расчетной точке.
КПД натурной ГТ определяется следующим образом:
Лн = Лм + АЛ-.
(2)
Q V = (1,3-1,5)01
(3)
где и ^мшах - максимальное значение КПД,
соответственно, натурной турбины и модели; п[ м опт - оптимальная приведенная частота
вращения модели. п'1 мопт и Лмтах определяем с помощью универсальной характеристики.
Лтах 1 (1 Лм max)
0,25 + 0,75 • 5
Явы Re,,
(7)
причем
где г)м - КПД модельной турбины в рабочей точке универсальной характеристики; Д^ - поправка за счет масштабного эффекта.
Для поворотно-лопастных ГТ значение Q \ в формуле для определения диаметра рассчитывается по формуле:
ReM Re„
D'
(8)
Для радиально-осевых ГТ значение Q¡ принимается равным величине приведенного расхода на линии 5%-го запаса мощности и при величине п'1м, соответствующей оптимальной
где Цм - диаметр рабочего колеса модельной ГТ, м; Д - диаметр рабочего колеса натурной ГТ, м; Нм -напор модельной ГТ, м; НР - рабочий напор натурной ГТ, м.
Нормальная частота вращения п должна быть строго определенной и равной синхронной частоте вращения ротора генератора. Вычисленное значение частоты округляется до ближайшего значения из стандартного ряда.
Для дальнейших расчетов находятся поправки по КПД и по приведенной частоте вращения,
n =
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
учитывающие увеличение этих характеристик натурной турбины по сравнению с моделью за счет масштабного эффекта.
вращения турбины приводит к пропорциональному смещению зоны работы турбины на большие приведенные обороты, и наоборот.
ДП=Птах
Дп 'i = П VОПТ ~ П MОПТ об / мин.
(9)
(10)
Построение зоны работы турбины на УХ. Для проверки правильности выбора диаметра рабочего колеса и частоты вращения проектируемой ГТ на универсальную характеристику
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.