Помощь студентам в учебе
Анализ модернизации Воткинской ГЭС
|
Введение
1 Расчет и анализ энергетических характеристик гидроагрегата до
модернизации на Воткинской ГЭС 7
1.1 Исходные данные 7
1.2 Задачи для расчетов 10
1.3 Измеряемые величины 10
1.4 Обработка результатов измерений 11
1.5 Необходимые результаты измерений 14
1.6 Расчет энергетических параметров при напоре ГЭС 18,99 м 14
1.7 Анализ результатов при напоре 18,99 м 19
1.8 Расчет энергетических параметров при напоре ГЭС 21,37 м 19
1.9 Анализ результатов при напоре 21,37 м 24
1.10 Расчет энергетических параметров при напоре ГЭС 22,06 м 25
1.11 Анализ результатов при напоре 22,06 м 30
2 Расчет и анализ энергетических характеристик гидроагрегата после
модернизации на Воткинской ГЭС. Сравнение максимальных КПД до и после модернизации 31
3 Моделирование неравномерности распределения скоростей потока при
обтекании колонн статора. Расчет КПД 36
3.1 Теория математического моделирования 36
3.2 Создание модели для расчетов 42
3.3 Построение расчетных сеток элементов проточного тракта 44
3.4 Задание граничных условий 46
3.5 Погрешность расчетов 49
3.6 Исходный код программы 50
3.7 Получение 3D потока жидкости в проточном тракте 58
3.8 Разработка индивидуальных профилей колонн статора 58
3.9 Расчет КПД 61
3.10 Экономический эффект 62
Заключение 63
Список использованных источников 64
Приложение А Энергетические характеристики при напоре 18,89 м 68
Приложение Б Энергетические характеристики при напоре 21,37 м 73
Приложение В Энергетические характеристики при напоре 22,06 м 79
Приложение Г Энергетические характеристики при напоре 19,00 м 85
1 Расчет и анализ энергетических характеристик гидроагрегата до
модернизации на Воткинской ГЭС 7
1.1 Исходные данные 7
1.2 Задачи для расчетов 10
1.3 Измеряемые величины 10
1.4 Обработка результатов измерений 11
1.5 Необходимые результаты измерений 14
1.6 Расчет энергетических параметров при напоре ГЭС 18,99 м 14
1.7 Анализ результатов при напоре 18,99 м 19
1.8 Расчет энергетических параметров при напоре ГЭС 21,37 м 19
1.9 Анализ результатов при напоре 21,37 м 24
1.10 Расчет энергетических параметров при напоре ГЭС 22,06 м 25
1.11 Анализ результатов при напоре 22,06 м 30
2 Расчет и анализ энергетических характеристик гидроагрегата после
модернизации на Воткинской ГЭС. Сравнение максимальных КПД до и после модернизации 31
3 Моделирование неравномерности распределения скоростей потока при
обтекании колонн статора. Расчет КПД 36
3.1 Теория математического моделирования 36
3.2 Создание модели для расчетов 42
3.3 Построение расчетных сеток элементов проточного тракта 44
3.4 Задание граничных условий 46
3.5 Погрешность расчетов 49
3.6 Исходный код программы 50
3.7 Получение 3D потока жидкости в проточном тракте 58
3.8 Разработка индивидуальных профилей колонн статора 58
3.9 Расчет КПД 61
3.10 Экономический эффект 62
Заключение 63
Список использованных источников 64
Приложение А Энергетические характеристики при напоре 18,89 м 68
Приложение Б Энергетические характеристики при напоре 21,37 м 73
Приложение В Энергетические характеристики при напоре 22,06 м 79
Приложение Г Энергетические характеристики при напоре 19,00 м 85
Большинство существующих гидроэлектростанций (ГЭС) были спроектированы и построены в середине 20 века. В процессе эксплуатации любой машины в той или иной мере теряются ее первоначальные эксплуатационные качества в результате естественного износа трущихся частей или существенного разрушения отдельных частей. Это приводит к снижению ее точности и производительности, а в некоторых случаях к полной потере работоспособности. С целью восстановления характеристик оборудования в соответствии с паспортными данными производится его ремонт - замена быстро изнашиваемых частей, исправление отдельных деталей и узлов, регулировка механизмов.
Но на многих предприятиях морально и физически устаревшее оборудование не позволяет внедрять инновационные технологии производства. В связи с этим требуются решения о полной замене или модернизации оборудования. Слово «модернизация» происходит от французского modern - новейший. Модернизация оборудования означает его обновление, приведение в соответствие с новыми современными техническими требованиями.
Основными направлениями модернизации промышленного оборудования являются:
1. Увеличение производительности машины за счет повышения мощности приводов и частоты вращения, числа ходов и величины подач рабочих органов. Для этого производится замена двигателя и изменение кинематики отдельных механизмов машины, а также за счет механизации и автоматизации таких процессов, как крепление и снятие детали, смена скоростей и подач, холостой ход, измерение размеров и шероховатостей поверхности детали.
2. Повышение точности, расширение технологических возможностей и изменение технологического назначения оборудования.
3. Увеличение долговечности и надежности оборудования за счет повышения износостойкости ответственных деталей, улучшения условий смазки, установки защитных устройств, усиления слабых звеньев (заменой материала, термической обработкой, изменением размеров и формы деталей).
4. Повышение безопасности работы и облегчение обслуживания машины за счет установки блокирующих устройств, ограждений опасных зон, упоров и конечных выключателей, различной сигнализации, предохранительных устройств и др.
Цель работы - расчет и сравнительный анализ энергетических характеристик гидроагрегата Воткинской ГЭС до и после модернизации. Создание экспериментально обоснованной методики определения неравномерности скоростей потока при обтекании колонн статора с помощью вычислительной гидродинамики Ansys CFX. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Собрана необходимая информация об энергетических испытаниях на
Воткинской до и после модернизации.
2. Выполнены расчеты для определения энергетических характеристик. Сделано сравнения показателей коэффициента полезного действия до и после модернизации.
3. Получены недостающие экспериментальные данные, необходимые для верификации численного расчета неравномерности скоростей потока при обтекании колонн статора гидроагрегата.
4. Выполнена верификация численного расчета по результатам экспериментальных исследований, выбраны сеточные модели, наиболее адекватно описывающие характеристики потока в спиральной камере гидротурбины.
5. Смоделированы в программе Ansys CFX характеристики потока жидкости.
6. Скорректированы методики, необходимые для оценки характеристик при работе на различных углах открытия направляющего аппарата, опираясь на численно и экспериментально полученные данные.
7. Выполнены численные исследования влияния неравномерности обтекания колонн статора в программе Ansys CFX.
Научная новизна работы определяется тем, что:
- показаны в сравнении энергетические характеристики до и после модернизации гидроагрегата Воткинской ГЭС;
- получены экспериментальные характеристики неравномерности обтекания колонн статора при различных углах открытия направляющего аппарата;
- создана методика расчета неравномерности потока в спиральной камере гидротурбины;
- получены расчетные характеристики улучшения равномерности потока при изменении форм колонн статора.
Достоверность и обоснованность результатов определяется:
- применением при проведении экспериментальных исследованиях современной, цифровой, системы диагностики;
- использованием в процессе выполнения работы наиболее современных, апробированных и научно обоснованных программ и методик численного расчета трехмерного течения в лопаточных гидромашинах;
- согласование результатов численного моделирования с экспериментальными данными.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- экспериментально получены энергетические характеристики гидроагрегата Воткинской ГЭС;
- разработан алгоритм расчета характеристик неравномерности обтекания потоком колонном статора, реализованный в программном комплексе Ansys CFX.
Реализаиия результатов работы.
Результаты работы используются при проектировании и модернизации гидроэлектростанций.
Но на многих предприятиях морально и физически устаревшее оборудование не позволяет внедрять инновационные технологии производства. В связи с этим требуются решения о полной замене или модернизации оборудования. Слово «модернизация» происходит от французского modern - новейший. Модернизация оборудования означает его обновление, приведение в соответствие с новыми современными техническими требованиями.
Основными направлениями модернизации промышленного оборудования являются:
1. Увеличение производительности машины за счет повышения мощности приводов и частоты вращения, числа ходов и величины подач рабочих органов. Для этого производится замена двигателя и изменение кинематики отдельных механизмов машины, а также за счет механизации и автоматизации таких процессов, как крепление и снятие детали, смена скоростей и подач, холостой ход, измерение размеров и шероховатостей поверхности детали.
2. Повышение точности, расширение технологических возможностей и изменение технологического назначения оборудования.
3. Увеличение долговечности и надежности оборудования за счет повышения износостойкости ответственных деталей, улучшения условий смазки, установки защитных устройств, усиления слабых звеньев (заменой материала, термической обработкой, изменением размеров и формы деталей).
4. Повышение безопасности работы и облегчение обслуживания машины за счет установки блокирующих устройств, ограждений опасных зон, упоров и конечных выключателей, различной сигнализации, предохранительных устройств и др.
Цель работы - расчет и сравнительный анализ энергетических характеристик гидроагрегата Воткинской ГЭС до и после модернизации. Создание экспериментально обоснованной методики определения неравномерности скоростей потока при обтекании колонн статора с помощью вычислительной гидродинамики Ansys CFX. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Собрана необходимая информация об энергетических испытаниях на
Воткинской до и после модернизации.
2. Выполнены расчеты для определения энергетических характеристик. Сделано сравнения показателей коэффициента полезного действия до и после модернизации.
3. Получены недостающие экспериментальные данные, необходимые для верификации численного расчета неравномерности скоростей потока при обтекании колонн статора гидроагрегата.
4. Выполнена верификация численного расчета по результатам экспериментальных исследований, выбраны сеточные модели, наиболее адекватно описывающие характеристики потока в спиральной камере гидротурбины.
5. Смоделированы в программе Ansys CFX характеристики потока жидкости.
6. Скорректированы методики, необходимые для оценки характеристик при работе на различных углах открытия направляющего аппарата, опираясь на численно и экспериментально полученные данные.
7. Выполнены численные исследования влияния неравномерности обтекания колонн статора в программе Ansys CFX.
Научная новизна работы определяется тем, что:
- показаны в сравнении энергетические характеристики до и после модернизации гидроагрегата Воткинской ГЭС;
- получены экспериментальные характеристики неравномерности обтекания колонн статора при различных углах открытия направляющего аппарата;
- создана методика расчета неравномерности потока в спиральной камере гидротурбины;
- получены расчетные характеристики улучшения равномерности потока при изменении форм колонн статора.
Достоверность и обоснованность результатов определяется:
- применением при проведении экспериментальных исследованиях современной, цифровой, системы диагностики;
- использованием в процессе выполнения работы наиболее современных, апробированных и научно обоснованных программ и методик численного расчета трехмерного течения в лопаточных гидромашинах;
- согласование результатов численного моделирования с экспериментальными данными.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- экспериментально получены энергетические характеристики гидроагрегата Воткинской ГЭС;
- разработан алгоритм расчета характеристик неравномерности обтекания потоком колонном статора, реализованный в программном комплексе Ansys CFX.
Реализаиия результатов работы.
Результаты работы используются при проектировании и модернизации гидроэлектростанций.
В ходе магистерской диссертации был выполнен расчет и сравнительный анализ энергетических характеристик гидроагрегата Воткинской ГЭС до и после модернизации. Результатом такой модернизации является увеличение КПД турбины с 93,0% до 93,4%. Также создана экспериментально обоснованная методика определения неравномерности скоростей потока при обтекании колонн статора с помощью вычислительной гидродинамики Ansys CFX. Было выявлено и доказано присутствие неравномерности потока в проточной части гидротурбины (что пагубно влияет на снижение КПД), разработаны индивидуальные профили колонн статора, при которых неравномерность потока стала минимальной. Это положительно сказывается на износостойкости колонн, а также ведет к повышению КПД турбины. Если данный расчет применить на практике, то максимальный КПД турбины Воткинской ГЭС составит 94,094%. Данное значение КПД было достигнуто за счет точечного изменения форм колонн статора. Использование программного комплекса ANSYS CFX позволяет моделировать потоки жидкости в проточных частях гидротурбины, что в свою очередь является неоспоримым преимуществом, при проектировании станции. Комплекс позволяет еще на стадии проектирования увидеть недостатки геометрических моделей и справить их.