THE INFLUENCE OF OPERATION CONDITIONS OF HYDROELECTRIC POWER PLANTS THE CHOICE OF THE MAIN PARAMETERS OF THE SUCTION PIPES

Full Text

Гидроэлектростанциям (ГЭС) принадлежит важная роль в обеспечении электроэнергией различных потребителей в пиковые периоды суточного графика нагрузки энергосистем, поскольку они обладают очень высокими маневренными качествами [1-4]. Вместе с тем, эти станции требуют значительных затрат на строительство, особенно при возведении русловых ГЭС на равнинных реках [5-7], а также оказывают существенное влияние на параметры состояния окружающей среды в составе гидроузла [8-10]. Для сокращения неоправданных расходов очень важно проводить тщательные исследования и технико-экономические расчеты по обоснованному назначению геометрических размеров крупногабаритных частей здания ГЭС [11-16], в том числе, элементов водопроводящего тракта [17-19]. При этом среди различных видах исследований важную роль играют экспериментальные исследования [20-24]. Отсасывающие трубы русловых зданий ГЭС сооружают в виде коленчатых устройств (рис. 1). Этим обеспечивается снижение объемов работ и финансовых затрат на их возведение. Однако, как и для всех энергетических водопроводящих элементов, габариты отсасывающей трубы влияют не только на стоимость строительных работ, но и на потери напора в них. Следовательно, они определяют коэффициент полезного действия гидравлической турбины и эффективность работы ГЭС в целом. Автором выполнены исследования по выявлению влияния условий эксплуатации ГЭС на выбор основных параметров отсасывающих труб. В качестве основного параметра этих важнейших устройств принята длина отсасывающей трубы L. Исследования выполнялись с применением метода общего интегрального эффекта. В соответствии с описанными условиями, изменение геометрических параметров в сторону их увеличения принималось экономически оправданным решением, если , (1) т.е. если сумма приведенных дополнительных доходов, связанных с увеличением размеров отсасывающей трубы за рассматриваемый период времени, будет не меньше суммы приведенных к тому же году дополнительных расходов, обусловленных изменением этих геометрических параметров. 87 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) М.И. Бальзанников В выражении (1) обозначено: ΔД - дополнительный n-й доход; ΔР - дополнительный n-й расход (затраты); Т - рассматриваемый временной период; t - текущий годовой период; τ - год, к которому приводятся все затраты; i - величина дисконтной ставки. Следует отметить важное обстоятельство: с одной стороны, увеличение длины отсасывающей трубы явно вызовет рост затрат на строительные работы из-за увеличения объема выемки грунта и объема укладываемого бетона. Однако, с другой стороны, при увеличении длины диффузорной части отсасывающей трубы увеличивается площадь выходного сечения (при условии сохранения угла раструбности этого элемента). При этом средняя скорость водного потока в выходном сечении уменьшится. Из-за проявления последствий описанных факторов, потери скоростного напора в выходном сечении сократятся на величину ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ = - g V g h V 2 2 2 1 α 2 α , (2) где V и V1 - средняя скорость потока воды в выходном сечении соответственно начального варианта и варианта с удлиненным диффузорным участком. Снижение потерь напора обусловит получение дополнительной мощности, выработки электроэнергии и дополнительного дохода: , (3) . (4) , (5) где η - коэффициент полезного действия гидроагрегата; Q - расход воды; ТN - условное годовое число часов использования мощности ГЭС; b - величина тарифа за 1 кВт-ч электроэнергии. Из критерия (1) следует, что если приведенное выражение соблюдается, то удлинение отсасывающей трубы может считаться экономически оправданным. С использованием изложенной выше методики проведены расчеты по выявлению степени влияния условий эксплуатации гидроэлектростанции на выбор основных параметров отсасывающих труб гидроагрегатов. С этой целью была составлена программа для компьютера, позволяющая быстро получать расчетные величины от варьируемых параметров. Рис. 1. Поперечный разрез агрегатного здания русловой ГЭС: 1 - водоприемник; 2 - турбинная камера; 3 - машинный зал; 4 - отсасывающая труба Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) 88 Гидротехническое строительство Таблица 1 Варьируемые параметры эксплуатации гидроагрегата ГЭС Параметр Величина Напор гидротурбины, м 24 Диаметр турбины, м 9,0 Расход воды, м3/с 620 Исходная относительная длина отсасывающей трубы 3,5 Использование установленной мощности в год, ч От 1000 до 7000 Цена реализации электроэнергии, руб./кВт-ч 2,4 Удлинение отсасывающей трубы, м От 0,5 до 8,0 Дополнительные затраты на строительные работы, тыс. руб./м3 От 10 до 15 Период расчета, лет От 5 до 20 Ставка дисконтирования, % От 2 до 10 Увеличение цены на электроэнергию, % в год От 0 до 20 -4 0 4 8 12 16 1 2 3 4 5 6 7 8 Увеличение длины, м Эффект, млн. руб. 6 5 4 3 2 1 Рис. 2. Графики зависимости при b = 2,4 руб./кВт-ч и Т = 10 лет: 1 - при i = 10 % и неизменном тарифе на электроэнергию; 2 - при i = 10% и ежегодном повышении тарифа на 10 %; 3 - при i = 10 % и ежегодном повышении тарифа на 20 %; 4 - при i = 2 % и неизменном тарифе на электроэнергию; 5 - при i = 2 % и ежегодном повышении тарифа на 10 %; 6 - при i = 2% и ежегодном повышении тарифа на 20 % 89 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) М.И. Бальзанников 6 7 8 9 10 2 6 10 Ставка дисконтирования, % Маскимальное увеличение длины отсасывающей трубы, м 3 2 1 Рис. 3. Графики зависимости при Т = 10 лет: 1 - при неизменном тарифе на электроэнергию; 2 - при ежегодном повышении тарифа на 10 %; 3 - при ежегодном повышении тарифа на 20 % 0 10 20 30 1000 3000 5000 7000 Число часов использования установленной мощности Эффект, млн. руб 3 2 1 Рис. 4. Графики зависимости для ΔL=2,5 при Т = 10 лет и неизменном тарифе на электроэнергию: 1 - при ставке дисконтирования, равной 4 %; 2 - 6 %; 3 - 8 % Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) 90 Гидротехническое строительство Диапазоны варьируемых параметров приведены в табл. 1. Результаты расчетов для наглядности представлялись в графическом виде. На рис. 2 и 3 представлены примеры полученных данных техникоэкономических расчетов при ТN = 3000 ч для 10-летнего расчетного периода. Семейство построенных кривых зависимости показывает, что для рассмотренных диапазонов изменения условий эксплуатации гидроагрегатов начальное увеличение длины отсасывающей трубы вызывает резкий рост интегрального эффекта. Однако в дальнейшем повышение энергетического эффекта начинает уступать росту затрат на строительные работы. В связи с этим все кривые имеют максимум, что свидетельствует о наличии оптимальной величины варьируемого параметра - дополнительной длины отсасывающей трубы. В качестве исходного варианта отсасывающей трубы была принята конструкция с относительной длиной 3,5 (абсолютной - 31,5 м). В соответствии с полученными данными оптимальная величина относительного удлинения отсасывающей трубы составила 0,25-0,33 (абсолютная - 2,5-3,0 м). На основании этого сделан вывод о том, что максимальный интегральный эффект, согласно анализу для исследованных условий, может быть достигнут при применении отсасывающей трубы, имеющей общую относительную длину в диапазоне 3,75-3,83 (абсолютную - 34,0-34,5 м). Наибольшее экономически обоснованное удлинение отсасывающей трубы, удовлетворяющее условию (1), составило: при числе часов использования установленной мощности ТN=3000 и ставке дисконтирования, равной 2 %, относительная величина - 0,90-1,01 (абсолютная - 8,1-9,1 м), а при ставке дисконтирования 10 % относительная величина - 0,72- 0,80 (абсолютная - 6,5-7,2 м). При этом общая длина отсасывающей трубы составила: при ставке дисконтирования 2 % относительная величина - 4,40-4,51 (абсолютная - 39,6-40,6 м), а при ставке дисконтирования 10 % относительная величина - 4,22-4,30 (абсолютная - 38,0-38,7 м). Выявлено, что оптимальная и наибольшая по экономическим соображениям длина отсасывающей трубы зависит от стоимости 1 м3 дополнительных строительных работ. При увеличении стоимости, указанные выше значения сокращаются, а при уменьшении - возрастают. Однако первый показатель изменяется незначительно, а второй - существенно. Анализ выполненных расчетов показал, что весьма существенное влияние на величину интегрального эффекта оказывает также такой показатель условий эксплуатации ГЭС, как число часов ТN. На рис. 4 приведены графики зависимости интегрального эффекта от этого параметра. 4 8 12 16 20 24 28 32 5 10 15 20 Расчетный период, лет Эффект, млн. руб 3 2 1 Рис. 5. График зависимости для ΔL=2,5, при TN=5000 ч и неизменном тарифе на электроэнергию: 1 - при ставке дисконтирования, равной 8 %, 2 - 6 %, 3 - 4 % 91 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) М.И. Бальзанников Из графиков следует, что для ГЭС, предназначенных к работе в полупиковом и базисном режимах, экономически обоснованный вариант габаритов отсасывающих труб может привести к значительному эффекту. В расчетах величина интегрального эффекта была определена в размере 21-26 млн. рублей. Следует отметить, что рассчитанные данные приведены за очень короткий расчетный период - 10 лет. Гидроэлектростанции эксплуатируются существенно дольше. Очевидно, что величина эффекта существенно зависит от рассматриваемого расчетного периода. Пример влияния расчетного периода отражен на графиках рис. 5. Из них следует, что даже увеличение расчетного периода с 10 до 20 лет приводит к повышению экономического интегрального эффекта на 45-62 %. Однако на оптимальную и максимально допустимую длину отсасывающей трубы этот параметр влияния не оказывает. Таким образом, выполненные расчеты подтвердили положение о том, что рекомендуемые в справочной литературе основные размеры отсасывающих труб, определяемые требованиями гидромашиностроителей, являются минимально допустимыми. Причем увеличение их габаритов не только допустимо, но и экономически целесообразно. Выводы. 1. Основный размер коленчатых отсасывающих труб, используемый для вертикальных гидравлических агрегатов гидроэлектростанций руслового типа - ее длина, приводимый в справочной литературе в качестве рекомендуемых значений, является минимально допустимым размером по условиям нормальной эксплуатации гидротурбин. В каждом конкретном случае применения коленчатых отсасывающих труб необходимо выполнять технико-экономические расчеты по выявлению целесообразности и обоснованию параметров увеличения этого параметра. 2. Выполненные с применением метода интегрального эффекта расчеты и их анализ показали, что условия эксплуатации ГЭС оказывают существенное влияние на выбор основных геометрических параметров отсасывающих труб. Для рассмотренных случаев оптимальные параметры трубы - относительное и абсолютное увеличение ее длины - составили соответственно 0,25-0,33 и 2,5-3,0 м. При увеличении стоимости 1 м3 строительных работ указанные параметры несколько сокращаются, а при уменьшении - возрастают. 3. В случае увеличения длины отсасывающей трубы до ее оптимального значения может быть получен значительный интегральный эффект, величина которого будет определяться экономическими условиями эксплуатации ГЭС - тарифом на 1 кВт-ч выдаваемой электроэнергии, действующей в рассматриваемом периоде ставкой дисконтирования, расчетным периодом. 4. Максимальная с точки зрения экономической целесообразности длина отсасывающей трубы существенно зависит от величины и динамики тарифа на 1 кВт-ч выдаваемой электроэнергии и стоимости дополнительных строительных работ.

About the authors

Mikhail Ivanovich BALZANNIKOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files