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 !!!