Гідравлічний розрахунок водоводів дериваційних гідроелектростанцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гідравлічний розрахунок водоводів дериваційних гідроелектростанцій

Методичні вказівки до практичних занять та самостійної роботи

Міністерство освіти і науки України одеський національний технологічний університет

Дем'яненко Ю.І., Бошков Л.З.

Одеса, 2022



Анотація

Дем'яненко Ю.І., Бошков Л.З. Методичні вказівки до практичних занять та самостійної роботи «Гідравлічний розрахунок водоводів дериваційних гідроелектростанцій». Одеський національний технологічний університет, 2022. - 52 с.

Методичні вказівки розроблено згідно з робочою навчальною програмою для студентів, які навчаються за спеціальністю 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка».

Призначено для підготовки до практичних занять та самостійної роботи. Наведено довідковий матеріал по коефіцієнтам шорсткості русел каналів, труб, коефіцієнтам опору тертя в трубопроводах, сортамент сталевих труб та труб із синтетичних матеріалів для закритих каналів, вартість прокладки сталевих водоводів.

Приведені методика та приклади розрахунків дозволяють студентам самостійно виконувати практичні завдання.

Рецензент: Кологривов М.М., к. т. н., доцент кафедри тепломасообміну та трубопровідного транспорту Одеського національного технологічного університету.

Розглянуто та рекомендовано до видання на засіданні кафедри екоенергетики, термодинаміки та прикладної екології.

Протокол № 5 від 16.06.2022 р.

Розглянуто та рекомендовано до видання на засіданні ради зі спеціальностей 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» галузі знань 14 «Електрична інженерія»

Протокол № ?? від ??.??. 2022 р.

ОНТУ, 2022



ЗМІСТ



ВСТУП

Деривація (від лат. derivatio - відведення, відхилення) в гідротехніці - відведення води від русла річки з різною метою по каналу або системі водоводів.

У більш широкому значенні під деривацією розуміють сукупність гідротехнічних споруд, що відводять воду з річки, водосховища чи іншого водоймища та підводять її до інших гідротехнічних споруд.

Розрізняють такі типи дериваційних споруд - безнапірні (канал, тунель, лоток) та напірні (трубопровід, напірний тунель). Напірний тип застосовується в тому випадку, якщо є суттєві (більше кількох метрів) сезонні чи тимчасові коливання рівня води у місці її забору.

Сучасні дериваційні канали та водотоки мають протяжність у десятки кілометрів та пропускну здатність у кілька тисяч мі/с.

Відкриті (безнапірні) канали проектуються і будуються найчастіше трапецієдального перерізу, що за своєю формою найбільш наближаються до перерізів природних потоків. Елементи перерізу такого каналу показані на рисунку 1 [1].

Основними завданнями гідравлічного розрахунку каналів є визначення наступних параметрів:

* витрати Q і середньої швидкості в каналі при відомій геометрії поперечного перерізу;

* ухилу дна ;

* розмірів каналу - глибини h, ширини по дну b.

При розрахунку напірних водоводів ГЕС значну увагу приділяють розрахунку зрівняльних резервуарів, призначених для захисту споруд та обладнання ГЕС від гідравлічних ударів, що виникають при регулюванні навантаження.



1. ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ ЖИВОГО ПЕРЕРІЗУ ТРАПЕЦІЄДАЛЬНОГО КАНАЛУ І КОЕФІЦІЄНТУ УХИЛУ

Дано: витрата води Q, м3/с і тип грунту

Визначити елементи живого перерізу трапецієдального каналу і коефіцієнт ухилу .

Рисунок 1.1 - Елементи перерізу каналу та відкоси

Допустима нерозмиваюча швидкість води повинна бути більшою від критичної швидкості замулювання і меншою від критичної швидкості розмиву каналу [2]:

,

Допустимі швидкості для деяких грунтів вказані нижче, вони

залежать від типу грунту:

* Незв'язні грунти:

пил, мул - 0,15...0,20 м/с

пісок - 0,20...0,60 м/с

гравій - 0,60...1,20 м/с

Зв'язні грунти:

супісь і суглинок - 0,7...1,0 м/с

глина - 1,0...1,8 м/с

Скельні породи:

осадові - 2,5...4,5 м/с

кристалічні - 20...25 м/с

Кріплення:

одиночна мостова - 3,0...3,5

подвійна мостова - 3,5...4,5

бетонне облицювання - 5...10

Відносну ширину каналу приймають в межах [2]:

,

Глибина води в каналі розраховується за формулою [1]:

h =0,5(1+)

Живий переріз каналу

,

Ширина каналу по дну визначається із формули [1] :

,

,

Крутизна мокрого відкосу каналу характеризується коефіцієнтом відкосу m = ctg, де - кут нахилу відкосу (рис.1).

Коефіцієнт відкосу m залежить від стійкості грунтів, насичених водою. Для піщаних грунтів m = 3 - 5 і пологіше, для супіщаних m = 2 - 3, для суглинків і глин m =1,5 - 2, для скелястих грунтів m = 0,5 - 0,25 і навіть крутіше - m = 0,1 [1].

Далі уточнюють глибину каналу для прийнятого значення , використовуючи формулу [1]:

= 0

Звідси глибина каналу при прийнятому значенні :

,

Підраховуємо змочений периметр [1]:

,

Визначаємо гідравлічний радіус каналу:

,

Для визначених параметрів каналу підраховуємо ухил дна із формули Шезі:

,

тут коефіцієнт Шезі:



,

де n - коефіцієнт шорсткості (таблиця 1).

Таблиця 1.1 - Коефіцієнт шорсткості для русел і труб

Відкриті русла в природному стані
Грунтові канали правильної форми, вкриті мулистим грунтом Канали в піщаних і супіщаних грунтах Канали грунтові без відповідного додаткового планування поверхні Грунтові канали за порівняно поганих умов утримання (наявність водоростей, валунів, каміння на дні) Грунтові канали за істотно поганих умов утримання	0,018 0,02 0,025 0,03 0,035
Русла замкнутого перерізу (труби)	n
Чавунні з внутрішнім покриттям	0,013
Чавунні без внутрішнього покриття	0,015
Бетонні з необробленою негладкою поверхнею	0,017
Бетонні з необробленою гладкою поверхнею	0,014
Залізобетонні	0,012
Асбоцементні	0,011
Керамічні	0,012



2. ВИЗНАЧЕННЯ РОЗМІРІВ ВІДКРИТОГО ТРАПЕЦІЄДАЛЬНОГО КАНАЛУ ГІДРАВЛІЧНО НАЙВИГІДНІШОГО ПЕРЕРІЗУ

Дано: витрата води коефіцієнт відкосу коефіцієнт ухилу дна .

Гідравлічно найвигіднішим називається такий переріз, який при заданій площі перерізу , ухилі дна і шорсткості має найбільшу пропускну здатність.

Знаходимо значення видаткової характеристики потоку, м3/с:

,

Параметр, що характеризує гідравлічно найвигідніший переріз:

,

Ширина каналу:

,

Задаючись різними глибинами в каналі (наприклад, підраховуємо:

1) ширину по дну

2) площу поперечного перерізу

3) змочений периметр

4) гідравлічний радіус для гідравлічно найвигіднішого трапецієдального перерізу

5) коефіцієнт Шезі

6) видаткову характеристику

Значення цих величин зводимо в таблицю 2.

Таблиця 2.1 - Поточні значення параметрів перерізу каналу

h, м			R, м	С, м0,5/с	К, м3/с

Згідно з даними таблиці 2.1 будується графік функції . На осі абсцис відкладаються поточні значення , а на осі ординат - відповідні значення видаткових характеристик . Відклавши на осі K значення , проведемо горизонталь до перетину з кривою . Абсциса точки перетину відповідає нормальній початковій глибині .

Рисунок 2.1 - Графоаналітичне визначення нормальної початкової глибини каналу .

3. ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК ТУРБІННОГО ВОДОВОДУ

Турбінний водовід є напірним каналом. Компонування турбінних водоводів можна розділити на наступні групи:

до кожного агрегату вода підводиться по індивідуальному водоводу - головна схема компонування ГЕС (рис.1.1, в); застосовується при великій потужності гідроагрегатів і відповідно великій витраті води, а також на ГАЕС з відносно невеликим напором і невеликою довжиною турбінних водоводів;

один турбінний водовід на всі агрегати ГЕС з розгалуженнями перед турбінами; застосовується при великій довжині водоводів, високих напорах і відповідно малих витратах - кінцева і проміжна схема компонування (рис. 1.1, а);

один турбінний водовід на групу агрегатів з розвилками для підведення води до кожної турбіни; застосовується при великому числі агрегатів, великій довжині турбінних водоводів в кінцевій і проміжній схемах компоновок, рідше в головній схемі (рис. 1.1, б).

Рисунок 3.1 - Схеми компоновок турбінних водоводів: а) - один турбінний водовід на всі агрегати ГЕС; б) - секційний турбінний водовід на групу агрегатів ГЕС; в) - індивідуальний турбінний водовід до кожного агрегату ГЕС

Найвигідніші швидкості течії води в турбінних водоводах становлять 3-4 м/с, при великих напорах (на кінцевих ділянках) вони можуть досягати 8-11 м / с. При зростанні вартості енергії в системі найвигідніший діаметр буде збільшуватися, а при зростанні вартості прохідницьких робіт, бетону і металу, навпаки, буде зменшуватися.

Дано:

Потужність гідроагрегату ГЕС .

Напір верхнього водосховища . Витік відбувається при постійному напорі .

Робочий напір перед решіткою турбінного водоводу, який може бути спрацьований (рис. 3.2):

,

Напір ГЕС брутто становить (рис. 3.2).

Довжина турбінного водоводу

Визначити, яка потужність витрачається на подолання опору водоводу та на скільки треба збільшити витрату води (, щоб зберегти задану потужність.

З виразу для потужності ГЕС:

,

знаходимо витрату води (без втрат на тертя і місцеві опори (:

,

Попередньо визначимо оптимальний діаметр турбінного водоводу:

,

При цьому для сприйняття можливого гідроудару (стрибок тиску в системі, заповненій водою, спричинений швидкою зміною швидкості потоку) діаметр напірного водоводу повинен бути не меншим певної величини:

dmin = (4·Qmax·L/(р·k·H0·Ts))0,5,

де:

Qmax -- максимальна витрата води, м,

L -- довжина трубопроводу, м,

k -- поправочний коефіцієнт,

H0 -- статичний напір, м,

Ts -- тривалість закриття регулюючого органу турбіни, с.

Швидкість води при оптимальному діаметрі



, Тут

За сортаментом (таблиця 2) вибираємо трубу найближчого діаметру . (Через проблеми з транспортуванням максимальний діаметр сталевих електрозварних труб обмежений величиною 1420 мм.)

Визначаємо фактичну швидкість:

,

Слід відмітити, що втрати напору по довжині водоводів пропорційні квадрату швидкості води. Тому розрахунок поперечних розмірів турбінних водоводів, як і дериваційних тунелів, необхідно проводити на основі мінімуму суми витрат по спорудженню водоводу і вартості енергії, затраченої на подолання опору. Опір формується двома складовими: втратами напору по довжині та втратами в місцевих опорах, а саме: в решітках, на вході, в пазах затворів, на поворотах [3].

Рисунок 3.2 - Схема турбінного водоводу



РВБ, РНБ - відповідно рівень верхнього і нижнього б'єфу; РМО - рівень мертвого об'єму Втрати у вхідних решітках визначаються за залежністю:

,

де - швидкість входу на решітку (рис. 3):

? 1,25 м/сек - за механічного очищення;

? 1,00 м/сек - за ручного очищення;

б - кут нахилу решітки (80-90o);

д - товщина стрижнів;

в - коефіцієнт, що залежить від форми перерізу стрижнів: в = 0,504 для прямокутних, в = 0,318 для прямокутних із заокругленими вхідними кромками, в = 0,182 для клиноподібних із заокругленими кромками [4].

b - шаг між стрижнями, приймається:

1) для гідроагрегату з поворотно-лопастними турбінами 1/20 D1, але не менше 5 см і не більше 15-20 см;

2) для установок з радіально-осьовими турбінами 1/30 вихідного діаметра колеса, але не менше 3,2 см і не більше 10 см.

Втрати в перехідному конусі

,

Рисунок 3.3 - Схема до розрахунку втрат в решітці і перехідному конусі



Коефіцієнт втрат залежить від кута збіжності (таблиця 1)

Таблиця 3.1 - Опір в перехідному конусі за різних кутів збіжності

Втрати на вході у водовід після решітки і конуса визначаються за залежністю:

,

де коефіцієнт втрат на вході, приймається:

а) при гострих кромках = 0,5;

б) при заокруглених кромках і плавному вході = 0,20;

в) при дуже плавному вході = 0,05;

- швидкість у турбінному водоводі, м/с.

Профіль входу слід підбирати так, щоб втрати на вході не перевищували 0,1 м.

Втрати на повороті визначаються за залежністю:.

,

Значення для прямокутних трубопроводів визначаються з виразу:

,

де b - ширина трубопроводу в площині повороту, м; R - радіус повороту осьової лінії, м;

б1 = б - 90· n (б - повнии? кут повороту);

n - число прямих кутів в спільному куті повороту.

Для круглих трубопроводів - за залежністю:

,

де d - діаметр трубопроводу, м.

б - кут повороту.

Якщо поворот виконаний у вигляді коліна, коефіцієнт втрат знахо-димо за графіком (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - Залежність коефіцієнта втрат від кута повороту круглої труби (поворот виконано у вигляді коліна)

Втрати в пазах затворів

,

де [3] Втрати напору по довжині визначаються за залежністю:

а) для круглих трубопроводів:



,

б) для прямокутних трубопроводів:

,

Де:

коефіцієнт опору тертя по довжині каналу;

- довжина трубопроводу, м;

d - діаметр трубопроводу, м;

R - гідравлічний радіус трубопроводу, м;

С - коефіцієнт Шезі.

Коефіцієнт опору залежить від значень коефіцієнту Шезі і визначається за табл. 3.2.

Таблиця 3.2 - Залежність коефіцієнтів опору тертя від значень коефіцієнта Шезі [3]

10	0,785	35	0,064	60	0,022
15	0,345	40	0,049	70	0,016
20	0,196	45	0,039	80	0,012
25	0,125	50	0,031	90	0,010
30	0,087	55	0,026	100	0,008

Величина С визначається за формулою Павловського:

,



де n - коефіцієнт шорсткості. При R<1м y = 1,5а при R >1м y1,3

Повні втрати напору є сумою місцевих втрат і втрат по довжині

=hр + hкон + hвх + hпов + hз + .

Отже, напір Ннетто ГЕС становитиме:

,

Витрата потоку без урахування опору водоводу:

,

Витрата потоку, менша проти заданої через гідравлічний опір водоводу:

,

Щоб зберегти задану потужність, витрату води треба збільшити:

,



Таблиця 3.3 - Сортамент сталевих електрозварних труб (ГОСТ 10706-76)

4. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК ОПТИМАЛЬНОГО ДІАМЕТРУ ТУРБІННОГО ВОДОВОДУ

На відміну від водопровідних труб, діаметри яких вибираються такими, щоб швидкість води не перевищувала 1,5 - 2,0 м/с , діаметри водоводів вибираються з огляду на вартість їх прокладання.

Задають вихідні дані.

Одна турбіна - один водовід

Встановлена потужність одного гідроагрегату Р, кВт;

Кількість умовних годин роботи на рік зі встановленою потужністю Тр= 3600 год;

Кількість умовних годин роботи на добу зі встановленою потужністю Тд= 9 год;

Максимальна витрата одного гідроагрегату Qmax, м3/с;

Водоводи - сталеві, коефіцієнт шорсткості n = 0,011;

Відпускна вартість електроенергії з 01.10.2021 b =1,238 грн/кВт·год ;

Вартість сталевих труб [6];

Довжина турбінного водоводу L, м

Визначити оптимальний діаметр турбінного водоводу з урахуванням вартості його спорудження. турбінний водовід коливання резервуар

Розрахунок діаметру проводиться графо-аналітичним способом. Розглядається ряд варіантів швидкості води, наприклад: 2, 4, 6, 8, 10 м/с.

Для кожної швидкості визначаються діаметр водоводу, втрати напору в ньому, затрати енергії на подолання опору та її вартість. Якщо для вибраної швидкості діаметр перевищує максимальний за сортаментом (табл.2 в задачі 3), переходимо до наступного варіанту ряду.

1 Діаметр водоводу:

Вибираємо найближчий за сортаментом [5] діаметр. Якщо він відрізняється від розрахованого, визначаємо фактичну швидкість в ньому та втрати напору (послідовність розрахунку така ж, як в задачі 3).

Розраховуємо суму втрат опорів в м.в.ст. і потужність, затрачену на їх подолання:

,

Знаючи кількість годин роботи гідроагрегату впродовж року, визначаємо втрачену (не вироблену) електроенергію:

,

та її вартість

,

Результати заносимо в таблицю 4.1.



Таблиця 4.1 - Електроенергія, витрачена впродовж року на подолання опорутурбінного водоводу

Діаметр водоводу d, м	Швидкість води , м/с	Втрачена потужність , кВт	Втрачена електроенергія за рік ,	Вартість втраченої електроенергії за рік Свтр, грн

2 Розрахунок вартості прокладання водоводу

Приймемо термін служби сталевих труб 20 років. Це означає, що лінійні амортизаційні відрахування становитимуть щороку 1/20 вартості водоводу. Ця сума використовується при техніко-економічному визначенні оптимального діаметру турбінного водоводу (таблиця 4).

Вартість будівництва водоводу складається із множини складових, які можна умовно об'єднати в три групи:

1) земляні роботи, що включають розробку, ущільнення, засипку, навантаження, перевезення і тимчасове розміщення ґрунту, а також кріплення інвентарними щитами стінок траншей і вартість піску для будівельних робіт, обсяги яких визначаються розмірами траншеї, що залежить від діаметра труби. Залежність обсягів земляних робіт від діаметра газопроводу наведено у табл. 1 [7];

2) прокладання газопроводу (без вартості матеріалів), що включає укладання труб, нанесення вельми посиленої антикорозійної ізоляції, підвішування підземних комунікацій при перетині їх з трасою трубопроводу, контроль зварних з'єднань, перевірка якості ізоляції дефектоскопом;

3) вартість матеріалів, що включає вартість труби, вартість зовнішнього антикорозійного двошарового покриття з поліетилену; вартість стрічки полівінілхлоридної ізоляційної для захисту трубопроводів від корозії; вартість рулонного гумо-бітумного гідроізоляційного матеріалу.

Для розрахунку використано кошторис, укладений в базисних цінах на квітень 2011 р. для типових умов прокладання [7]. За результатами аналізу кошторисних розрахунків укладена зведена таблиця вартостей (таблиця 4.2).

Таблиця 4.2 - Вартість прокладання 100 п.м. трубопроводу (в млн. грн)

Діаметр трубопроводу, мм	Вартість прокладання 100 п.м. трубопроводу
	Сталевий	Поліетиленовий
Сталевий	Поліетиленовий
50	63	0,091	0,076
65	-	0,093	-
80	90	0,096	0,084
100	110	0,100	0,086
150	160	0,115	0,100
200	225	0,131	0,121
250	-	0,146	-
300	315	0,162	0,146
350	-	0,188	-
400	400	0,209	0,170
500	-	0,262	-
600	-	0,287	-
700	-	0,339	-
800	-	0,402	-
1000	-	0,651	-

Таблиця 4.2 представлена в графічному вигляді на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 - Залежність вартості прокладки 100 п.м. сталевих електрозварних труб від діаметру



Визначаємо вартість прокладки водоводу заданої довжини:

,

За прийнятого терміну служби амортизаційні відрахування становитимуть:

,

Отримані результати заносимо в табл. 4.3.

Таблиця 4.3 - До розрахунку щорічних амортизаційних відрахувань

Швидкість води , м/с	Діаметр водоводу d, м (в дужках - стандартний)	Вартість прокладання 100 м труб , грн	Амортизаційні відрахування грн

За даними останніх колонок таблиць 4.2 і 4.3 будуємо графіки функцій

і . Абсциса точки їх перетину (рис.4.2) дає нам оптимальну швидкість води стосовно мінімуму втрат потужності ГЕС на подолання опору водоводу.



Рисунок 4.2 - Визначення оптимальної швидкості води у турбінному водоводі

5. ВИЗНАЧЕННЯ КРИТИЧНОЇ ПЛОЩІ ТА КОЛИВАНЬ РІВНЯ У ЗРІВНЮВАЛЬНИХ РЕЗЕРВУАРАХ

При перехідних процесах гідроелектростанцій, спричинених регулюванням навантаження, рух води в напірних водоводах може викликати гідравлічний удар. Гідравлічний удар (гідроудар) - стрибок тиску в будь-якій системі, заповненій рідиною, викликаний швидкою зміною швидкості потоку цієї рідини. Гідравлічний удар здатний викликати утворення поздовжніх тріщин у трубах, що може призвести до їхнього розколу або пошкодження інших елементів трубопроводу. Також гідроудари надзвичайно небезпечні для іншого обладнання, такого як теплообмінники, насоси та ємності, що працюють під тиском.

У напірних системах ГЕС із зрівняльними резервуарами перехідні процеси відбуваються у вигляді гравітаційних коливань. При цьому суттєво розтягується у часі перехід кінетичної енергії потоку в потенційну, за рахунок цього знижуються піки гідродинамічного тиску.

Крім того, зрівняльний резервуар покращує умови регулювання турбін, дозволяючи підвищити маневреність гідроелектростанцій за рахунок забезпечення можливості швидшого закриття та відкриття турбін.

За розташуванням зрівняльні резервуари діляться на верхові, які розміщуються на підвідних водоводах, і низові на відвідних напірних водоводах (рис.5.1).

Приблизним критерієм необхідності установки верхового зрівняльного резервуару може слугувати постійна інерції напірних водоводів. Для водоводу постійного перерізу формула для розрахунку має вигляд:

,

де: L - довжина підвідного водоводу від верхнього б'єфу до вхідного перерізу спіральної камери,

F - площа перерізу водоводу,

- прискорення вільного падіння,

Н - напір турбіни.

Для отримання максимально можливого значення в формулу підставляються розрахункова витрата і розрахунковий напір турбіни ГЕС.

Для водоводів змінного перерізу постійна інерції визначається рівнянням: турбінний водовід коливання резервуар

,

Тут та - довжина та площа поперечного перерізу водоводу на і-тій дільниці.

Найбільш доцільним є встановлення зрівняльного резервуару в точці перелому профіля траси напірних водоводів; у цьому випадку його висота є найменшою (рис.5.1, поз. 2).

Рисунок 5.1 - Схема розміщення зрівняльних резервуарів

1 - водоприймач; 2 - верховий зрівняльний резервуар; 3 - підвідний дериваційний водовід; 4 - бажане розміщення верхового зрівняльного резервуару; 5 - станційний водовід; 6 - будівля ГЕС; 7 - низовий зрівняльний резервуар; 8 - відвідний дериваційний водовід; 9 - аераційна шахта

Фізичний смисл - час розгону води, при якому витрата виростає від нуля до під впливом напору , але без урахування гідравлічних опорів. При с можна відмовитися від встановлення зрівняльного резервуару.

Остаточне рішення повинно прийматися на основі техніко-економічного співставлення варіантів напірної системи зі зрівняльним резервуаром і без нього.



Рисунок 5.2 - Схема роботи зрівняльних резервуарів:

1, 2 - коливання рівня в резервуарі відповідно при зменшенні і при збільшенні витрати турбін; - довжина деривації; і - витрати відповідно деривації і турбін; і - початковий і кінцевий рівні в резервуарі; - статичний напір

Для забезпечення стійкої роботи напірної системи і затухання коливань рівня води у резервуарі площа його поперечного перерізу має бути більше деякого критичного значення , що відповідає межі ділянки стійкості [8]:

,

де:

довжина і переріз дериваційного водоводу відповідно;

- втрати напору по довжині дериваційного водоводу [8]:

,

Тут: коефіцієнт Шезі:



,

коефіцієнт шорсткості бетону

гідравлічний радіус для круглого водоводу:

,

Площу перерізу зрівняльного резервуару приймаємо із запасом 50 %:

,

Діаметр зрівняльного резервуару:

,

Максимальний підйом рівня води в резервуарі при миттєвій зміні витрат від до (або при зміні швидкості в деривації від до ) і при відсутності гідравлічного опору визначається за формулою [8]:

,

Ця формула може бути використана як перше наближення, оскільки не враховує гідравлічний опір водоводу. Проте урахування гідравлічного опору зменшує висоту максимального підйому рівня в резервуарі порівняно з ідеалізованим випадком при деривації довжиною 1 км на 13 %, при деривації 20 км - на 25%. Максимальне значення буде відповідати повному і миттєвому закриттю турбін, коли .



,

- максимальне відхилення рівня в зрівняльному резервуарі від статичного рівня у водосховищі (рис. 5.3).

Формула справедлива і для миттєвого відкриття турбін при

Рисунок 5.3 - Коливання рівня у зрівнювальному резервуарі за відсутності гідравлічних опорів: 1 - при миттєвому зменшенні витрати; 2 - при миттєвому збільшенні витрати.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Лавров Н.П., Логинов Г.И. Проектирование гидросооружении? деривационнои? ГЭС и подбор основного силового оборудования: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. - Бишкек: КРСУ, 2008. - 112 с.

2. Андреевская А. В., Кременецкии? Н. Н., Панова М. В. Задачник по гидравлике. Изд. 2-е, переработ. и доп. Учебное пособие для гидромелиоративных и гидротехнических факультетов и вузов. «Энергия», 1970. - 424 с.

3. Гидравлический расчет водоподводящих трактов гидроэнергетических установок: учебно-методическое пособие/сост. С.В. Артемчук. - Минск : МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2010. - 102 с.

4. Справочник по гидравлическим расчетам / под ред. П. Г. Киселева. - М. : Энергия, 1975. - 309 с.

5. Сортамент сталевих електрозварних труб

6. Маса і вартість сталевих електрозварних труб діаметром до 1220 мм

7. Табунщиков Ю.А., Прохоров В.И., Брюханов О.Н. та ін. Анализ зависимости капитальных затрат при строительстве газораспределительных сетей от их диаметра. - Вестник МГСУ №3, 2012.

8. Гидроэлектрические станции: Учебник для вузов/ Н.Н. Аршеневс-кий, М.Ф. Губин, В.Я. Карелин и др.; Под ред. В.Я. Карелина, Г.И. Кривчен-ко. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 464 с.: ил.



ДОДАТОК

ЗАДАЧА 1 Розрахунок безнапірного дериваційного каналу

Дано: витрата води 700 м3/с ; канал ґрунтовий, ґрунт - суглинок, n = 0,025

Визначити елементи живого перерізу трапецієдального каналу і коефіцієнт ухилу .

Допустима нерозмиваюча швидкість води для даного типу ґрунту [3].

Відносна ширина каналу

,

Глибина води в каналі розраховується за формулою [1]:

,

Живий переріз каналу

,

Ширина канала по дну визначається із формули [1] :

,

,

Тут крутизна мокрого відкосу каналу для даного типу ґрунту характеризується коефіцієнтом відкосу m = 1.

Підраховуємо змочений периметр [1]:

,

Визначаємо гідравлічний радіус каналу:

,

Для визначених параметрів каналу підраховуємо ухил дна із формули Шезі:

,

тут коефіцієнт Шезі:

,

де n - коефіцієнт шорсткості (таблиця 1.1).

Тоді ухил дна:

,

ЗАДАЧА 2 Розрахунок безнапірного дериваційного каналу гідравлічно найвигіднішого перерізу



Дано:

Визначити розміри відкритого трапецієдального каналу гідравлічно найвигіднішого перерізу (переріз з найменшою площею при заданих .

Знаходимо значення видаткової характеристики потоку:

,

Параметр, що характеризує гідравлічно найвигідніший переріз:

,

Ширина каналу:

,

Задаючись різними глибинами в каналі ( підраховуємо:

1) ширина по дну

2) площа поперечного перерізу

3) змочений периметр

4) гідравлічний радіус для гідравлічно найвигіднішого трапецієдального перерізу

5) коефіцієнт Шезі

6) видаткова характеристика

Значення цих величин зводимо в таблицю А.1.



Таблиця А.1 - Поточні значення параметрів перерізу каналу

h, м			R, м	С, м0,5/с	К, м3/с
5	45,75	18,3	2,5	46,61	3371,92
10	183	36,5	5	52,33	21413,46
15	411,75	54,87	7,5	56,0	63146,93
20	732	73,17	10	58,75	135993,75

Згідно з даними таблиці А.1 будується графік функції . - рис. А.1.На осі абсцис відкладаються поточні значення , а на осі ординат - відповідні значення видаткових характеристик . Відклавши на осі K значення , проведемо горизонталь до перетину з кривою . Абсциса точки перетину відповідає нормальній початковій глибині .

Рисунок А1 - Побудова графіку за даними таблиці А.1

ЗАДАЧА 3 Розрахунок турбінного водоводу

Дано:

Гідроагрегат ГЕС має потужність .

Витік із верхнього водосховища відбувається при постійному напорі.

Робочий напір перед решіткою турбінного водоводу:



,

Напір ГЕС брутто

Довжина турбінного водоводу

Визначити, яка потужність витрачається на подолання опору водоводу та на скільки треба збільшити витрату води (, щоб зберегти задану потужність.

З виразу для потужності ГЕС:

,

знаходимо витрату води (без втрат на тертя і місцеві опори (:

,

,

Попередньо визначимо оптимальний діаметр турбінного водоводу:

,

Швидкість води при такому діаметрі

,

За сортаментом (таблиці 3.3, 4.2) вибираємо трубу найближчого діаметру = 1320 Визначаємо фактичну швидкість:



,

Слід відмітити, що втрати напору у водоводах пропорційні квадрату швидкості води. Тому розрахунок поперечних розмірів турбінних водоводів, як і дериваційних тунелів, необхідно проводити на основі мінімуму суми витрат по спорудженню водоводу і вартості втраченої енергії.

Проте найвигідніші швидкості течії води в турбінних водоводах з огляду на вартість прохідницьких робіт, бетону і металу складають 3-4 м/с,

а при великих напорах (на кінцевих ділянках) вони можуть за розрахунком досягати 8-11 м/с.

Опір формується двома складовими: втратами напору по довжині та втратами в місцевих опорах, а саме: в решітках, на вході, в пазах затворів, на поворотах [3].

Втрати в решітках визначаються за залежністю:

,

де - швидкість входу на решітку:

? 1,25 м/сек - за механічного очищення;

? 1,00 м/сек - за ручного очищення;

б - кут нахилу решітки (80-90o);

д - товщина стрижнів;

в - коефіцієнт, що залежить від форми перерізу стрижнів: в = 0,504 для прямокутних, в = 0,318 для прямокутних із заокругленими вхідними кромками, в = 0,182 для клиноподібних із заокругленими кромками [4].

b - шаг між стрижнями, приймається:

1) для гідроагрегату з поворотно-лопастними турбінами 1/20 D1, але не менше 5 см і не більше 15-20 см;

2) для установок з радіально-осьовими турбінами 1/30 вихідного діаметра колеса, але не менше 3,2 см і не більше 10 см.

Приймаємо: = 1,25 м/сек; б = 90o; коефіцієнт стрижнів решітки в = 0,318; товщина стрижнів д = 0,015 м; шаг між стрижнями b = 0,1 м

Тоді втрати в решітці:

,

або (1 м вод. ст. = 9806,65 Па)

Рисунок А.2 - Схема турбінного водоводу

РВБ, РНБ - відповідно рівень верхнього і нижнього б'єфів; РМО - рівень мертвого об'єму водосховища

Втрати на вході визначаються за залежністю:

,

де коефіцієнт втрат на вході, приймається:

а) при гострих кромках = 0,5;

б) при заокруглених кромках і плавному вході = 0,20;

в) при дуже плавному вході = 0,05;

- швидкість у турбінному водоводі, м/с.

Профіль входу слід підбирати так, щоб втрати на вході не перевищували 0,1 м.

Приймаємо = 0,20. Тоді втрати на вході:

,

або 0,12

Втрати на повороті визначаються за залежністю:

,

Значення для прямокутних трубопроводів визначаються з виразу:

,

де b - ширина трубопроводу в площині повороту, м; R - радіус повороту осьової лінії, м;

б1 = б - 90· n (б - повнии? кут повороту);

n - число прямих кутів в спільному куті повороту.

Для круглих трубопроводів, де поворот виконаний по радіусу - за залежністю:

,

де d - діаметр трубопроводу, м;

б - кут повороту.

Якщо поворот виконаний у вигляді коліна, коефіцієнт опору визначається за графіком (рисунок А.3):

Рисунок А.3 - Залежність коефіцієнта втрат від кута повороту круглої труби

,

а) для круглих трубопроводів:

,

б) для прямокутних трубопроводів:

,

,

де - довжина трубопроводу, м.

d - діаметр трубопроводу, м.

R - гідравлічний радіус трубопроводу, м.

С - коефіцієнт Шезі.

Коефіцієнт опору залежить від значень коефіцієнту Шезі і визначається за табл. А.2.

Таблиця А.2 - Залежність коефіцієнтів опору тертя від значень коефіцієнта Шезі [3]

10	0,785	35	0,064	60	0,022
15	0,345	40	0,049	70	0,016
20	0,196	45	0,039	80	0,012
25	0,125	50	0,031	90	0,010
30	0,087	55	0,026	100	0,008

Величина С визначається за формулою Павловського:

де n - коефіцієнт шорсткості. При R<1м y = 1,5

а при R >1м y1,3

Турбінний водовід круглий, втрати напору по довжині

,

Щоб визначити коефіцієнт треба знати режим течії.

Режим визначається числом :

-ламінарний режим, (для гідравлічно гладких труб);

- турбулентний режим, (для гідравлічно гладких труб)

,

Режим турбулентний. Вважаємо, що труби водоводу нові і гідравлічно гладкі. Тоді

,

,

Повні втрати напору є сумою місцевих втрат і втрат по довжині

,

Отже, напір Ннетто ГЕС становитиме:

,

Щоб досягти заданої потужності, треба збільшити витрату води. Вона становитиме:

,

ЗАДАЧА 4 Техніко-економічний розрахунок оптимального діаметру турбінного водоводу Вихідні дані

Встановлена потужність одного гідроагрегату Р= 9000 кВт;

Кількість умовних годин роботи на рік зі встановленою потужністю Тр= 3600 год; Кількість умовних годин роботи на добу зі встановленою потужністю Тд= 9 год;

Максимальна витрата одного гідроагрегату Qmax= 4,6 м3/с;

Водоводи - сталеві, коефіцієнт шорсткості n = 0,011;

Відпускна вартість електроенергії з 01.10.2021 b =1,238 грн/кВт·год ;

Вартість сталевих труб [6];

Довжина турбінного водоводу L= 350 м

Визначити оптимальний діаметр турбінного водоводу з урахуванням вартості його спорудження.

Розрахунок діаметру проводиться графо-аналітичним способом. Розглядаються кілька варіантів швидкості води, наприклад: 2, 4, 6, 8, 10 м/с.

1. Швидкість води

1.1 Діаметр водовода:

,

Труби діаметром понад 1420 мм [5] серійно не випускаються через проблеми з їх транспортуванням.

Тому переходимо до швидкості води 4 м/с.

,

Вибираємо найближчий за сортаментом [5] діаметр -122010 мм. Внутрішній діаметр 1200 мм, тому швидкість можна не перераховувати.

1.2. Втрати напору по довжині для круглих трубопроводів визначаються за залежністю:



,

Коефіцієнт залежить від режиму течії. Режим визначається числом :

-ламінарний режим, (для гідравлічно гладких труб);

- турбулентний режим, (для гідравлічно гладких труб).

,

Тут коефіцієнт кінематичної в'язкості води за даної температури.

Коефіцієнт опору тертя

,

,

або 1,56 м.в.ст.

1.3 Втрати напору в решітках визначаються за залежністю [3]:

,

або 0,002 м.в.ст.

вибираємо із методичних вказівок

1.4 Втрати на вході у водовід:



,

або 0,16 м.в.ст.

1.5 Втрати в пазах затворів

,

де [3]

,

або 0,24 м.в.ст.

1.6 Втрати на повороті:

,

Рисунок А.4 - Залежність коефіцієнта втрат від кута повороту круглої труби (поворот виконаний у вигляді коліна)



При б = 150 (рис.А.4)

,

або 0,10 м.в.ст.

1.7 Втрати в перехідному конусі

,

Рисунок А.5 - Схема до розрахунку втрат опору в решітці та в перехідному конусі

Коефіцієнт втрат залежить від кута збіжності (таблиця 1)

Таблиця А.3 - Опір в перехідному конусі за різних кутів збіжності

Якщо кут збіжності 150,

,

або 0,14 м.в.ст.



1.8 Сума втрат:

= 1,56 + 0,002 +0,16+0,24+0,10+0,14 = 2,2 м.в.ст.

1.9 Втрачена потужність:

,

1.10 Втрачена (не вироблена) електроенергія за рік:

,

Результати заносимо в таблицю А.4.

Таблиця А.4 - Електроенергія, витрачена на подолання опору турбінного водоводу впродовж року

Діаметр водоводу d, м (в дужках - стандартний діаметр труби)	Швидкість води , м/с	Втрачена потужність , кВт	Втрачена електроенергія за рік ·,	Вартість втраченої електроенергії за рік Свтр·, грн
1,2(1220)	4,0	99,37	0,36	0,45
0,99(1,02)	6,0	247,38	0,89	1,10
0,86(920)	8,0	462,18	1,66	2,06
0,76(820)	10,0	775,35	2,79	3,45

1.11 Розрахунки вартості прокладання водоводу

Приймемо термін служби сталевих труб 20 років. Це означає, що лінійні амортизаційні відрахування становитимуть щороку 1/20 вартості водоводу. Ця сума використовується при техніко-економічному визначенні оптимального діаметру турбінного водоводу (таблиця 4).

Вартість будівництва водоводу складається із множини складових, які можна умовно об'єднати в три групи:

1) земляні роботи, що включають розробку, ущільнення, засипку, навантаження, перевезення і тимчасове розміщення ґрунту, а також кріплення інвентарними щитами стінок траншей і вартість піску для будівельних робіт, обсяги яких визначаються розмірами траншеї, що залежить від діаметра труби. Залежність обсягів земляних робіт від діаметра газопроводу наведено у табл. 1 [7];

2) прокладання газопроводу (без вартості матеріалів), що включає укладання труб, нанесення вельми посиленої антикорозійної ізоляції, підвішування підземних комунікацій при перетині їх з трасою трубопроводу, контроль зварних з'єднань, перевірка якості ізоляції дефектоскопом;

3) вартість матеріалів, що включає вартість труби, вартість зовнішнього антикорозійного двошарового покриття з поліетилену; вартість стрічки полівінілхлоридної ізоляційної для захисту трубопроводів від корозії; вартість рулонного гумо-бітумного гідроізоляційного матеріалу.

Для розрахунку використано кошторис, укладений в базисних цінах на квітень 2011 р. для типових умов прокладання [7]. За результатами аналізу кошторисних розрахунків укладена зведена таблиця вартостей (таблиця А.5).

Таблиця А.5 - Вартість прокладання 100 п.м. трубопроводу (в млн. грн)

Діаметр трубопроводу, мм	Вартість прокладання 100 п.м. трубопроводу
	Сталевий	Поліетиленовий
Сталевий	Поліетиленовий
50	63	0,091	0,076
65	-	0,093	-
80	90	0,096	0,084
100	110	0,100	0,086
150	160	0,115	0,100
200	225	0,131	0,121
250	-	0,146	-
300	315	0,162	0,146
350	-	0,188	-
400	400	0,209	0,170
500	-	0,262	-
600	-	0,287	-
700	-	0,339	-
800	-	0,402	-
1000	-	0,651	-

Таблиця А.5 представлена в графічному вигляді на рис. А.6.

Рисунок А.6 - Залежність вартості прокладки 100 п.м. сталевих електрозварних труб від діаметру

Визначаємо вартість прокладки водоводу заданої довжини:

,

За прийнятого терміну служби амортизаційні відрахування становитимуть:



,

Отримані результати заносимо в табл. А.6.

Таблиця А.6 - До розрахунку щорічних амортизаційних відрахувань

Швидкість води , м/с	Діаметр водоводу d, м (в дужках - стандартний)	Вартість прокладання 100 м труб , грн	Амортизаційні відрахування грн
4,0	1,2(1220)	0,97	0,17
6,0	0,99(1,02)	0,65	0,11
8,0	0,86(920)	0,54	0,09
10,0	0,76(820)	0,42	0,07

Таблиця А.7 - Сортамент сталевих електрозварних труб (ГОСТ 10706-76)

За даними останніх колонок таблиць А.4 і А.6 будуємо графіки функцій

і . Абсциса точки їх перетину (рис.А.7) дає нам оптимальну швидкість води -стосовно мінімуму втрат потужності ГЕС на подолання опору водоводу.



Рисунок А.7 - Визначення оптимальної швидкості води у турбінному водоводі

ЗАДАЧА 5 Розрахунок критичного перерізу зрівняльного резервуару та максимального відхилення рівня в ньому (від рівня верхнього б'єфу)

Вихідні дані

Потужність ГЕС Р = 27 МВт (три турбіни)

Напір Нст = 200 м

Витрата води Q = 18 м3/с

Дериваційний водовід:

Довжина Lдер =2635 м

Діаметр Dдер = 2,5 м

Турбінний водовід:

Довжина Lтур =380 м

Діаметр Dтурб = 2,1 м

На всі агрегати ГЕС вода підводиться єдиним дериваційним водоводом, який перед турбінами розгалужується на три турбінних водоводи; така схема застосовується при великій довжині водоводів, високих напорах і відповідно малих витратах.

Приблизним критерієм необхідності установки верхового зрівняльного резервуару може слугувати постійна інерції напірних водоводів. Фізичний смисл - час розгону води, при якому витрата виростає від нуля до під впливом напору , але без урахування гідравлічних втрат. Для водоводу змінного перерізу ( на окремих ділянках довжиною ( формула для розрахунку має вигляд [8]:

,

6

Очевидно, що така величина часу розгону води від нуля до не задовольняє умову с) і робить зрівняльний резервуар необхідним.

Для забезпечення стійкої роботи напірної системи і затухання коливань рівня води у резервуарі площа його поперечного перерізу має бути більше деякого критичного значення , що відповідає межі ділянки стійкості.

Критична площа зрівняльного резервуару:

,

Тут площа поперечного перерізу дериваційного водоводу;

втрати напору по довжині дериваційного водоводу:

,

коефіцієнт Шезі (

а гідравлічний радіус (для круглого водоводу )

Якщо дериваційний водовід має на окремих ділянках різний діаметр ,

то вибирають більший із них.

Для забезпечення затухання коливань в системі площу зрівнювального резервуару беруть більше критичної:

,

Для дериваційного водоводу ( = 2635 м і діаметр Dдер = 2,5 м) опір тертя становитиме:

,

Тут коефіцієнт Шезі:

,

Тоді критичний переріз зрівняльного резервуару для дериваційного водоводу буде дорівнювати:

,

Для турбінного водоводу ( = 380 м, діаметр Dтурб = 2,1 м)

,

,



,

,

Отже, вибираємо зрівняльний резервуар більшого перерізу: його критична величина .

Площа перерізу зрівняльного резервуару із запасом 50 %:

,

Діаметр зрівняльного резервуару:

,

Приймаємо м

Рисунок А.8 - Коливання рівня у зрівнювальному резервуарі за відсутності гідравлічних опорів: 1 - при миттєвому зменшенні витрати; 2 - при миттєвому збільшенні витрати.



Максимальний підйом рівня води в резервуарі при миттєвій зміні витрат від до (або при зміні швидкості в деривації від до ) і при відсутності гідравлічного опору визначається за формулою [8]:

,

Ця формула може бути використана як перше наближення, оскільки не враховує гідравлічний опір водоводу. Проте урахування гідравлічного опору порівняно з ідеалізованим випадком зменшує висоту максимального підйому рівня в резервуарі при деривації довжиною 1 км на 13 %, при деривації 20 км - на 25%.

Максимальне значення буде відповідати повному і миттєвому закриттю турбін, коли .

- максимальне відхилення рівня в зрівняльному резервуарі від статичного рівня у водосховищі

Формула справедлива і для миттєвого відкриття турбін при

,

Тут початкова швидкість в дериваційному водоводі:

,

Тоді максимальне відхилення рівня води в зрівняльному резервуарі від статичного рівня у водосховищі (рівня верхнього б'єфу) становить:



,

Размещено на Allbest.ru

...