ANALIZA HIDROMEHANIČKIH PRELAZNIH REŽIMA NA HE „PIVA“ ZA SLUČAJ BRZOG
ZAUSTAVLJANJA FRANCISOVOG AGREGATA
Zdravko Giljen, EPCG Direkcija Nikšić, Crna GoraUroš Karadžić, Mašinski fakultet Podgorica, Crna Gora
Crnogorski Komitet CIGRE – III Savjetovanje,13 - 16 Maj, 2013 Pržno, Crna Gora
• Uvod
• Opis postrojenja HE „Piva“
• Analitičko i numeričko modeliranje elemenata protočnog trakta
HE „Piva“
• Poređenje numeričkih rezultata i vrijednosti dobijenih mjerenjima za brzo zatvaranja agregate A3 sa početne snage P = 112.7 MW
• Zaključak
Sadržaj
• Razvijeni numerički modeli TM i EM za simulaciju hidromehaničkih prelaznih režima na HE „Piva“
• Urađena verifikacija numeričkih modela TM i EM poređenjem sa rezultatima mjerenja dobijenim na samoj elektrani
• Metoda karakteristika (MOC) korišćena za numeričko rješavanje parcijalnih diferencijalnih jednačina prelaznih procesa
• Modeliranju Francisove turbine i njenom ponašanju u prelaznim režimima dat je poseban akcenat
• Prva mjerenja i istraživanja nestacionarnih pojava na HE „Piva“ izvršena su u 2009 godini
• Hidraulički udar je sinonim za nestacionarno strujanje u protočnom traktu hidrauličkog sistema
• Sigurnost elektrane zavisi od pravilnog praćenja i modeliranja prelaznih radnih režima i pridaje im se poseban značaj
• Tokom istraživanja hidromehaničkih prelaznih režima dobijaju se rezultati koji su osnova za projektovanje protočnog trakta hidroelektrana
Uvod
Opis postrojenja HE „Piva“
• HE „Piva“ je vršna elektrana i nalazi u sklopu elektroenergetskog sistema Crne Gore
• Hidroelektrana je u pogonu od 1976. godine i akumulaciono pribransko postrojenje sa relativno kratkim dovodnim cjevovodom i mašinskom zgradom koja se nalazi nizvodno od brane u lijevom boku kanjona
• U 2009 godini su izvršena obimna ispitivanja i mjerenja odgovarajućih fizičkih veličina na postrojenju hidroelektrane
• U ovom radu su prikazani rezultati numeričkih modela koji su razvijeni za prelazne procese i izvršeno je poređenje sa eksperimentalnim rezultatima dobijenim na realnom hidropostrojenju HE „Piva“
• Protočni trakt HE „Piva“ :• ulazna građevina sa ulazni brzim tablastim zatvaračem• tri dovodna cjevovoda čiji se prečnik mijenja od 5.0 m na ulazu do
3.4 m ispred turbine
• tri predturbinska leptirasta zatvarača• tri vertikalne Francisove turbine• tri sifona u odvodnom sistemu• zajednički donji vodostan• odvodni tunel od donjeg vodostana do izlazne vade• Tehničke karakteristike HE „Piva“: ukupna zapremina akumulacije Vbr = 880 x 106 m3 lučna brana konstruktivne visine HRb = 220 m i hidrauličke visine
Hh = 190 m. instalisani protok Qi = 3 x 80 m3/s kota normalnog uspora akumulacije 675.0 mnm najveći bruto pad 185.5 m srednja godišnja proizvodnja 860 GWh od toga vršne energije 795
GWh godišnji broj pogonskih časova sa maksimalnom snagom 2380 h
tri Francis spiralne turbine sa vertikalnom osovinom instalisane snage 3 x 120 MW
tri trofazna sinhrona generatora sa vertikalnom osovinom 120 MVA Cos φ = 0.95
tri trofazna transformatora 120 MVA 16/245 kV
Brana HE - Piva
Analitičko i numeričko modeliranje elemenata protočnog trakta HE „Piva“
• Za adekvatan opis prelazni procesi koji se dešavaju u protočnom traktu HE „Piva“ potrebno je uraditi analitičko i numeričko modelira-
nje svih elemenata protočnog trakta HE „Piva“• U ovom radu prikazani su rezultati koji su dobijeni iz razvijenog
numeričkog modela za opisivanje prelaznih procesa u protočnom traktu HE „Piva“ agregata A3 sa posebnim osvrtom na Francis turbinu koja je sastavni dio ovog sistema
• Rezultati mjerenja koja su vršena na agregatu A3 HE „Piva“ su iskorišćeni u prvom načinu modeliranja. Za određivanje nepoznate trenutne vrijednosti protoka kroz sprovodni aparat Q =ƒ(t) a zatim i pritiska u cjevovodu iskorišćene su dobijene zavisnosti YV =ƒ(t),
aV =ƒ(YV), Q =ƒ(aV). Ova metoda je označena kao empirijska (EM) • Drugi način modeliranja Francis turbine koji je razvijen u potpunosti
uvažava njene karakteristike koje su izražene preko školjkastog dijagrama. Ova metoda je označena kao teorijska (TM).
• Na rezultatima mjerenja koja su vršena na agregatu A3 HE „Piva“ zasnovana je Empirijska metoda – EM
• Na konceptu potpunog modela Francis turbine zasnovana je teorijska metoda – TM, pri čemu navedeni koncept uključuje dinamičku jednačinu Francis turbine kao i očitavanje i preračunavanje vrijednosti karakteristika turbine sa školjkastog dijagrama modela Francis turbine za različite položaje otvorenosti lopatica sprovodnog aparata.
• U oba razvijena numerička modela zatvaranje lopatica sprovodnog aparata Francis turbine modelirano je kao dvostepeno
Rastojanje između dvije lopatice sprovodnog aparata (av)
Poređenje numeričkih rezultata i vrijednosti dobijenih mjerenjima za brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW
Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW
Promjena pritiska na ulazu u spiralno kućište Francis turbine tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage P = 112.7 MW prikazane vrijednosti dobijene mjerenjem i numeričkim modelima
Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW
Promjena broja obrtaja Francis turbine tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW, na prvom dijagramu je prikazana izmjerena promjena broja obrtaja na drugom dijagramu je prikazana promjena broja obrtaja koja je dobijena numeričkim modelom TM
Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW
Promjena protoka kroz Francis turbinu tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage P = 112.7 MW, prikazane vrijednosti dobijene numeričkim modelima TM i EM
Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW
Promjena položaja klipnjače servomotora lopatica sprovodnog aparata tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage P = 112.7 MW, na dijagramima je prikazano poređenje vrijednosti dobijenih mjerenjem i numeričkim modelima TM i EM
Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW
Profil cjevovoda agregata A3, maksimalni pritisak duž profila cjevovoda,
minimalni pritisak duž profila cjevovoda tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage P = 112.7 MW, prikazane vrijednosti pritiska dobijene numeričkim modelima
Zaključak
U ovom radu analizirani su hidromehanički prelazni režimi u hidrauličkim sistemima pod pritiskom sa posebnim osvrtom na hidrosisteme sa Francisovim turbinama
Naveden je kratak osvrt na analitički i numerički model prelaznih procesa u hidrauličkim sistemima
U radu su kratko opisana dva numerička modela sa kojima je izvršeno modeliranje Francis turbine: numerički model EM i numerički model TM
Svi rezultati pokazuju da su vrijednosti maksimalnog i minimalnog pritiska u sistemu ostale u dozvoljenim granicama za ispitanu snagu agregata A3 od 112,7 MV
Maksimalna vrijednost pritiska koja je nastala u sistemu tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage od 112,7 MW ima manju vrijednost od vrijednosti maksimalno dozvoljenog pritiska u sistemu koji iznosi Hdoz = 740.5 mnm
Tokom brzog zatvaranja agregata A3 vrijednosti minimalnog pritiska u sistemu, za razmatrani slučaj bile su pozitivne, i navedeno znači da opasnost od pojave kavitacije nije postojala
Uslijed brzog zatvaranja agregata A3 sa snage od 112,7 MW porast broja obrtaja turbine je bio u dozvoljenim granicama odnosno manji od maksimalno dozvoljenog porasta broja obrtaja od 37 %
Međusobnim poređenjem rezultata dobijenih numeričkim modelima EM i TM, dolazi se do zaključka da su bolji rezultati postignuti modelom TM
Nedostatak kod empirijske metode je što se ne uzima u obzir dinamička jednačina turbine i parametri sa školjkastog dijagrama modela turbine već samo zakon zatvaranja lopatica sprovodnog aparata dobijen mjerenjima
Generalni zaključak je da su razvijena dva numerička modela EM i TM sa kojima se može uspješno simulirati prelazni proces u hidrauličkim sistemima sa Francisovim turbinama
Hvala na pažnji !!!