Сработка водохранилища производится по следующим сценариям:

В таблице 3.2 представлены характеристики модельных гидротурбин, подходящих по вышеперечисленным условиям.

Таблица 3.2 - параметры выбранных типов модельных гидротурбин

Из условия, что доставка оборудования на ГЭС будет производиться железнодорожным транспортом, диаметр рассчитываемых типов гидротурбин следует брать менее 6, 3 (м) (таблица 5.3, 5.4).

Коэффициент полезного действия натурной гидротурбины определяем по формуле:

(3.9)

где - коэффициент полезного действия модельной гидротурбины в точке оптимума (таблица 3.2);

- коэффициент, выражающий отношение потерь трения ко всем гидравлически потерям;

- диаметр модельной гидротурбины (таблица 3.2);

- диаметр натуральной гидротурбины, по справочным данным;

- напор на модельной гидротурбине (таблица 3.2);

- расчётный напор натуральной гидротурбины, формула (3.7);

- кинетический коэффициент вязкости воды натуральной гидротурбины;

- кинематический коэффициент вязкости воды модельной гидротурбины (таблица 3.2).

Для радиально - осевых типов гидротурбин коэффициент, выражающий отношение потерь трения ко всем гидравлическим потерям, определяется из следующего условия:

(3.10)

где - приведённый расход воды в расчётной точке;

- приведённый расход воды в точке оптимума (таблица 3.2).

Приведённый расход воды в расчётной точке определяется в точке пересечения горизонтальной линии, проходящей через оптимум универсальной характеристики, и линии ограничения (для радиально - осевых типов турбин - линия 5% запаса мощности) (таблица 3.2).

Для выбранных типов гидротурбин , значит, исходя из условия (3.9):

(3.11)

Кинематический коэффициент вязкости зависит от температуры воды при испытаниях и определяется по справочным данным []. Для модельных гидротурбин - таблица 3.2.

Средняя температура реки Индигирка:

(3.12)

по справочным данным:

(3.13)

Принимаем коэффициент полезного действия гидрогенератора:

(3.14)

Мощность агрегата в расчётной точке:

(3.15)

где - средний коэффициент полезного действия генератора из выражения (3.14).

Число агрегатов:

(3.16)

где - мощность агрегата из выражения (3.15).

Очевидно, в общем случае число агрегатов получится дробное, что потребует округления его в большую сторону до цело числа и, следовательно, затем уточнения мощности агрегата, после округления числа агрегатов до целого числа. Число агрегатов рекомендуется принимать кратное 2 или 3 для того, чтобы главная схема электрических соединений была симметричной.

Частота вращения турбины:

(3.17)

где - приведённая частота вращения модельной гидротурбины в расчётной точке (таблица 3.2);

- поправка на приведённую частоту вращения при переходе от модели к натуре, равная отношению КПД натурной турбины к КПД модели расчётной точке.

По полученной синхронной частоте вращения необходимо принять ближайшее большее стандартное значение синхронной частоты вращения по известному стандартному ряду.

Для выбранного максимально диаметра турбины и стандартного значения синхронной частоты вращения необходимо нанести на главную универсальную характеристику линии приведённой частоты вращения, соответствующие известным напорам турбины , и предварительно вычислив три значения приведённой частоты вращения для указанных напоров по формуле:

(3.18)

где - стандартное значение синхронной частоты вращения;

- напор на станции, соответствует , и .

Произведение приведённого расхода в расчётной точке на КПД:

(3.19)

Правая часть уравнения (3.19) является константой при всех известных его параметрах, а левая часть определяется подбором такой точки на линии , чтобы произведение в этой точке обеспечивало выполнение указанного равенства.

Необходимо сделать перерасчёт режимного поля на координаты универсальной характеристики.

Верхняя и нижняя граница режимного поля есть горизонтальные линии, соответствующие максимальному и минимальному напору, посчитанные по формуле (3.18).

Левая граница режимного поля - линия ограничения по минимальному расходу. приведённый расход определяем по формуле:

(3.20)

где - минимальный расход через станцию из выражения (3.2).

Так как напор на станции по универсальной характеристике является величиной не постоянной, значит, линия ограничения по минимальному расходу будет вертикальной.

Правая граница пересчитанного режимного поля состоит из двух линий. Верхняя линия проводится параллельно линиям открытия направляющего аппарата. Нижняя линия строится по двум точкам, одна из которых - расчётная точка, а другая - точка, определённая по формуле (3.19), подстановкой в формулу не расчётного напора, а максимального.

Рассчитанные по формулам (3.15) - (3.20) величины для разных диаметров натуральных турбин сводим в таблицы В.1 и В.2 приложение В.

Произведения , в таблицах В.1 и В.2 приложение В, представлены в для удобства определения их на универсальных характеристиках.

Выбор подходящего типа гидротурбин производим в следующем порядке. В первую очередь отсеиваем типы турбин, левая граница режимного поля которая входит за пределы универсальной характеристики или находится в непосредственной близости к оптимуму или за ним. прикидываем положение расчётной точки, и отсеиваем гидротурбины, в которых она левее или очень близко к оптимуму. далее отсеиваем турбины, у которых в промежутке между максимальными и минимальными приведёнными оборотами оптимум находится слишком близко к линии максимальных оборотов (из условия, что турбина должна работать с наибольшим КПД в диапазоне напоров от максимального до расчётного).

Из анализа таблиц В.1 и В.2 приложения В восемь гидротурбин РО115 - В с следующими параметрами:

(3.21)

(3.22)

(3.23)

Главная универсальная характеристика турбины РО115 - В с построенным режимным полем представлена в приложении В, рисунок В.1.

3.2 Гидротурбины и их проточная часть

3.2.1 Определение заглубления рабочего колеса гидротурбины

Определение заглубления рабочего колеса гидротурбины производится с целью обеспечения её бескавитационной работы.

Расчётное значение высоты отсасывания определяется наиболее неблагоприятным с точки зрения кавитации режимом работы гидротурбинного оборудования. Полное представление о таких режимах даёт кавитационная характеристика, которая представляет собой совмещение кривой связи нижнего бьефа и характеристики при различном числе работающих агрегатов ГЭС.

Высоты направляющего аппарата модельной турбины:

(3.24)

где - диаметр рабочего колеса модельной гидротурбины (таблица 3.2). Высота направляющего аппарата натурной турбины:

(3.25)

Для поворотно - лопастных диагональных гидротурбин:

(3.26)

где - высота направляющего аппарата натурной турбины из выражения (3.25).

Принимаем коэффициент запаса по кавитации при переходе от модельной гидротурбины к натурной в пределах 1,05 - 1,15:

(3.27)

Высота отсасывания:

(3.28)

где - барометрической давление;

- отметка НБ в зависимости от расхода в НБ;

- коэффициент запаса по кавитации при переходе от модельной гидротурбины к натурной из выражения (3.27);

- коэффициент кавитации, определяемый по главной универсальной характеристике для расчётных условий;

- напор на турбине, определяемый уровнем верхнего бьефа и ;

- разность высотных отметок двух характерных плоскостей модельной и натурной турбин, выражение (3.26).

Анализ кавитационной характеристики показывает, что наиболее опасными с точки зрения кавитации, т.е. требующими наибольшего заглубления являются, как правило, три режима:

- работа одного агрегата с установленной мощностью при отметке НПУ;

Приданном режиме работы расход через турбину будет минимальным, а напор на турбине будет максимальным. Данный режим соответствует на режимное поле (приложение В, рисунок В.1) точке пересечения напорной характеристики при НПУ и линии ограничения по минимальному расходу.

Пересчитаем эту точку в координаты главной универсальной характеристики. используя формулу (3.18):

(3.29)

На главной универсальной характеристике (приложение В, рисунок В.1) находим точку пересечения горизонтальной прямой, посчитанной частоты, и линии ограничения по генератору. В этой точке определяем:

(3.30)

По кривой связи НБ (рисунок 1.1 и 1.2):

(3.31)

Пользуясь формулой (3.28) определяем высоту отсасывания:

(3.32)

- работа ГЭС с установленной мощность при отметке НПУ;

Данному режиму соответствует режим работы станции с минимальным напором. данный режим соответствует на режимном поле (приложение В, рисунок В.1) точке пересечения напорной характеристики при УМО и линии ограничения по пропускной способности ГЭС.

Пересчитаем эту точку в координаты главной универсальной характеристики, используя формулу (3.18):

(3.33)

На главной универсальной характеристике (приложение В, рисунок В.1) находим точку пересечения горизонтальной прямой, посчитанной частоты, и линии ограничения по генератору. В этой точке определяем:

(3.34)

По кривой связи НБ (рисунок 1.1 и 1.2):

(3.35)

Пользуясь формулой (3.28) определяем высоту отсасывания:

(3.36)

- работа всех агрегатов с установленной мощностью при расчётном по мощности напоре.

Данному режиму соответствует режим работы станции с максимальным расходом и расчётным напором. данный режим соответствует режимном поле (приложение В, рисунок В.1) расчётной точке.

Пересчитаем эту точку в координаты главной универсальной характеристики, используя формулу (3.18):

(3.37)

На главной универсальной характеристике (приложение В, рисунок В.1) находим точку пересечения горизонтальной прямой, посчитанной частоты, и линии ограничения по генератору. В этой точке определяем:

(3.38)

По кривой связи НБ (рисунок 1.1 и 1.2):

(3.39)

Пользуясь формулой (3.28) определяем высоту отсасывания:

(3.40)

Из условия обеспечения бескавитационной работы высоту отсасывания выбирают такой, чтобы обеспечить бескавитационную работу во всех режима:

(3.41)

3.2.2 Определение геометрических размеров проточной части

По чертежу проточной части модельной гидротурбины определяем основные геометрические размеры гидротурбины.

Высота отсасывающей трубы:

(3.42)

Диаметр спиральной камеры на входе:

(3.43)

Угол охвата спиральной камеры:

(3.44)

Ширина спиральной камеры:

(3.45)

Длин отсасывающей трубы:

(3.46)

3.2.3 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки

Наиболее крупными элементами по габаритам системы регулирования гидротурбин является маслонапорная установка (МНУ), размещение которой должно быть предусмотрено при проектировании строительной части здания ГЭС. Она обеспечивает подачу масла под давлением. На сливном баке, смонтированы маслонасосные агрегаты, периодически пополняющие запасы масла в котле. Габаритные размеры МНУ определяются объёмом масловоздушного котла, зависящего от суммарного объёма сервомоторов, обслуживаемых одной МНУ. По номограмме предварительно определяем маслонапорную установку МНУ6,3/1-40-8-2.

Для радиально - осевой турбины работоспособность сервомоторов, обслуживающих направляющий аппарат:

(3.47)

где - коэффициент, полученный на основе опытов, для радиально - осевых турбин равен 0,04; - объёмный вес воды, ;

- максимальный напор на турбину из выражения (3.5);

- высота направляющего аппарата турбины из выражения (3.25).

Назначаем номинальное давление котла исходя из номограммы []:

(3.48)

Необходимый объём сервомотора:

(3.49)

где - работоспособность сервомоторов из выражения (3.48);

- номинальное давление котла из выражения (3.49).

МНУ должна содержать запас масла, обеспечивающий работу системы автоматического регулирования при самых неблагоприятных режимах работы сервомоторов (например, полное закрытие направляющего аппарата турбины после израсходования масла на процесс регулирования).

Поэтому объём масловоздушного котла на много превышает объём обслуживающих МНУ сервомоторов и не только из-за того, что две трети котла заполнены воздухом, но и для аккумуляции необходимого запаса масла (производительность маслонасоса не компенсирует возможного максимального расхода масла). С учётом этих требований объём котла:

(3.50)

Рассчитанная МНУ соответствует выбранной по номограмме. Назначаем МНУ6,3/1-40-8-2. Обозначение типоразмера гидроаккумулятора ГА 6,3/1-40, маслонасосного агрегата МА 8-2; номинальный объём - 6,3 м3; число сосудов - 1; номинальный объём сливного бака - 8,0 м3; масса не более 11,2 т; два насоса 3В40/40ГТ подачей 8,9 л/с мощностью 53 кВт; электродвигатель 4А225М4 мощностью 55 кВт и частотой вращения 1450 об/мин.

Габаритные размеры:

? диаметр бака гидроаккумулятора 1664 мм;

? диаметр опорного кольца гидроаккумулятора 2050 мм;

? полная высота бака гидроаккумулятора 3650 мм;

? от пола до верхнего фланца 3070 мм;

? диаметр входного фланца 150 мм;

Выбираем электрогидравлический регулятор ЭГР-2И1-150-11. Тип панели электрооборудования ?ЭГР-2И1:

? формирование основного сигнала регулирования по ПИД закону;

? выходной усилитель с применением транзисторов;

? частоточувствительный элемент интегратор, управляемый частотой;

? формирование изодромной обратной связи по выходному сигналу электрического интегратора.

Тип гидромеханической колонки управления - ЭГР-150-11.

Габаритные размеры электрогидравлического регулятора:

? высота 1300 мм;

? длинна 3030 мм;

? ширина 2716 мм. масса - 150 кг.

3.3 Гидрогенераторы

По нормальным режимом установки принимают режим, предусмотренный планом эксплуатации. В нормальном режиме функционируют все элементы данной электроустановки без вынужденных отключений и без перегрузок.

Утяжелённым режимом называется режим при вынужденном отключении части присоединений вследствие их повреждения или связи с профилактическим ремонтом. При этом рабочие токи других присоединений могут заметно увеличиться и значительно превышать рабочие токи нормального рабочего режима.

4.6 Выбор электрических аппаратов

4.6.1 Определения расчётных токов рабочего и утяжелённого режимов

Расчётный ток присоединения генераторов :

(4.27)

Расчётный ток присоединения трансформатора определяется рабочим током генератора:

(4.28)

Присоединения линий связи с системой 220 кВ:

(4.29)

(4.30)

Присоединение отпаечного трансформатора собственных нужд на генераторном напряжении 13,8 кВ:

(4.31)

4.6.2 Выбор выключателей и разъединителей

Для установки на генераторном напряжении принимаем элегазовые выключатели типа FKG1N-24-80/10800, французской машиностроительной компании «ALSTOM».

Таблица 4.7 - Сводная таблица по выбору высоковольтных аппаратов генераторного напряжения 13,8 кВ

Таблица 4.8 - сводная таблица по выбору высоковольтных аппаратов КРУЭ - 220 кВ

4.7 Выбор ОПН