АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В ВОДЕ НА ГИДРОАБРАЗИВНЫЙ ИЗНОС ТУРБИН БОЗСУЙСКОЙ ГЭС

АННОТАЦИЯ

Особенностью эксплуатации гидроэнергетических объектов в Республике Узбекистан является то, что оборудование работает с жидкостями, содержащими большое количество механических примесей. Целью исследования является оценка влияния концентрации  механических примесей в воде, проходящей через проточную часть гидротурбин, на гидроабразивный износ. Для оценки гидроабразивных свойств жидкости с примесями был проведен анализ гранулометрического и минералогического состава отложений и особенно тех фракций примесей, которые представляют гидроабразивную опасность. Для воды, проходящей через турбины Бозсуйской ГЭС, это фракции полевого шпата и кварца Большую часть механических примесей составляют минералы полевого шпата (58,46% при среднем диаметре 0,093 мм). Общее содержание опасных фракций (полевого шпата и кварца) составляет 77,07% или 0,3-0,4 кг/м3, что превышает предельно допустимую норму (0,2 кг/м3). Но в то же время никаких опасных фракций по размеру (диаметром более 0,25 мм) обнаружено не было. Натурное обследование проточной части турбины показало наличие гидроабразивного износа. Тип гидроабразивного износа - мелкозернистый износ с редкими, отдельно расположенными, неглубокими чешуйками и глубокий (углубленный) тип износа с длинными канавками.

ABSTRACT

The peculiarity of the operation of hydropower facilities (pumping stations and hydroelectric power plants) in the Republic of Uzbekistan is that the equipment works with liquids containing a large amount of mechanical impurities. The purpose of the research is to assess the effect of the content of mechanical impurities in water on waterjet wear. The object of research is the Bozsu HPP (Uzbekistan). To assess the hydroabrasive properties of a liquid with impurities, an analysis of the granulometric and mineralogical composition of sediments and especially those fractions of impurities that pose a danger was carried out. For water passing through the turbins of the Bozsu HPP, these are fractions of feldspar and quartz, Most of the composition of mechanical impurities are feldspar minerals (58.46 % with an average diameter of  0.093 mm). The total content of hazardous fractions (feldspar and quartz) is 77.07 % or 0.3-0.4 kg/m³, which exceeds the maximum permissible norm (0,2 kg/m³). But at the same time, no dangerous fractions in diameter (more than 0.25 mm) were detected. A full-scale inspection of the turbine parts showed that waterjet (hydroabrasive) wear is present. The type of waterjet wear is fine-scaled wear with rare, separately located, shallow scales and deep (deep) type of wear with long grooves.

Ключевые слова: наносы, гидроабразивный износ, гидротурбина, гидроэлектростанция, гранулометрический состав.

Keywords: sediments, hydroabrasive wear, hydro turbine, hydroelectric power plant, granulometric composition.

Введение

Проблема повышения эффективности является одной из наиболее актуальных в области гидроэнергетики. На эффективность оборудования гидроэнергетических объектов влияет большое количество различных факторов, среди которых одним из основных является наличие большого количества механических примесей в перекачиваемой воде [4,8]. Механические примеси в виде наносов и отложений значительно усложняют и ухудшают работу гидроэлектростанций. Например, согласно исследованиям A. Abgottspon и др. [6], КПД турбин Пелтона в сезоны с большим количеством наносов снижается на 0,4-1,0%. Турбины (проточная часть) таких гидроэлектростанций в той или иной степени страдают от абразивного воздействия наносов, требуют значительных затрат на борьбу с негативным воздействием наносов и поддержание турбин в рабочем состоянии [1,2,3]. Поэтому, при проектировании и эксплуатации турбин ГЭС крайне важно оценить абразивную способность механических примесей в речной воде, которая будет проходить через гидроэлектростанции, и спрогнозировать степень опасности этих отложений для гидротурбин. При достаточно значительном воздействии этих отложений техническое состояние турбин быстро ухудшается, снижается их КПД и увеличиваются потери мощности на гидроэлектростанциях и, соответственно, выработка электроэнергии [1,4,6,7,8,9]. Теорией гидроабразивного износа гидромашин занимались многие выдающиеся ученые [9], но хотелось бы отдельно упомянуть В. Б. Дульнева и В. Я. Карелина, внесших значительный вклад в изучение этого явления применительно к условиям Центральной Азии [2,3].

Целью исследования  является изучение состава механических примесей и оценка их влияния на гидроабразивный износ турбин Бозсуйской ГЭС. Для достижения этой цели были поставлены ставятся следующие задачи:

• Сбор, обработка и анализ данных службы эксплуатации ГЭС.

• Оценка гидроабразивных свойств воды в водоисточнике и воды, проходящей через проточную часть гидротурбины.
• Определение типа и природы гидроабразивного износа деталей гидротурбины.

Методология исследований

Методы исследования включают: сбор, обработку и анализ данных службы эксплуатации ГЭС, натурное обследование объекта, обобщение и научный анализ имеющегося и опубликованного материалов. Бозсуйская ГЭС расположена в пределах г. Ташкента и является первенцем гидроэнергетики Республики Узбекистан. Первый энергоблок станции был введен в эксплуатацию в 1926 году, вся станция была введена в эксплуатацию в 1937 году [1].

Под гидроабразивным износом обычно понимают разрушение деталей проточной части гидромашин в результате механического воздействия твердых частиц в воде [2,3,5]. Разрушение происходит из-за непрерывных столкновений переносимых потоком твердых частиц с поверхностью детали. В момент удара кинетическая энергия движущейся частицы преобразуется в работу деформации материала детали, обтекаемой потоком [2,3,5].

Не все отложения переносимые потоком, а только те частицы, твердость которых превышает твердость материалов деталей проточной части турбин, представляют реальную опасность для гидротурбин [2,3]. Детали турбин обычно изготавливаются из углеродистой стали, твердость которой (по шкале Мооса) составляет 5-5,5. Следовательно, оценка абразивной способности примесей практически может быть проведена путем учета только тех минералов в составе этих отложений, твердость которых равна 5 и выше.

Результаты и обсуждения

Гранулометрический состав механических примесей (наносов) был проанализирован в соответствии данными проб донных отложений канала Бозсу (по данным АО "Гидропроект") в верхнем бьефе гидроэлектростанции (перед напорным бассейном)  27 августа 2015 года и в нижнем бьефе 2 сентября 2015 года [1].

Результаты определения среднего диаметра механических примесей в воде представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Гранулометрический состав донных отложений в верхнем и нижнем бьефах гидроузла

На рисунке 1 показаны интегральные кривые гранулометрического состава донных отложений в водотоках Бозсуской ГЭС, построенные по имеющимся данным фракционного состава (таблица 1).

а)                                            б)

Рисунок 1. Интегральные кривые гранулометрического состава донных отложений в водотоках Бозсуской ГЭС в верхнем (а) и нижнем бьефах (б)

В таблице 2 показан минералогический и петрографический состав механических примесей, которые проходят через турбины и участвуют в гидроабразивном износе.

Таблица 2.

Минералогический и петрографический состав отложений канала Бозсу (ниже по течению) [1]

Анализ данных, приведенных в таблице 2, показывает, что русловые наносы в верхнем бьефе ГЭС-1, в основном, представлены илистыми (пылевидными) частицами с фракциями диаметром d=0,1-0,01 мм. А ниже ГЭС - как частицами песка в котором фракции d=1,0–0,1 мм составляют 57,3%, так и илистыми частицами - 42,7 %. В минералогическом составе преобладают фрагменты минералов – 80,6%, фрагменты горных пород составляют 9,3%.  Из минералов преобладает полевой шпат – 58,5%. Содержание кварца во фракциях алевролита (0,05-0,1 мм) и песка (0,10-1,0 мм) колеблется от 12,1 до 6,5%.

В таблице 3 представлены обобщенные характеристики механических примесей (взвешенных) отложений в воде, проходящей через проточную часть турбин Бозсуйской ГЭС, которые могут быть использованы при анализе и прогнозировании гидроабразивного износа деталей гидротурбин.

Таблица 3.

Общая характеристика взвешенных наносов

Таблица 4.

Гранулометрический состав гидроабразивных наносов

В таблице 4 представлен гранулометрический состав наносов, представляющих гидроабразивную опасность, а на рисунке 2 показаны интегральные кривые гранулометрического состава этих фракций (полевого шпата и кварца), построенные в соответствии с имеющимися данными о фракционном составе.

а)                                            б)

Рисунок 2. Интегральные кривые гранулометрического состава абразивных частиц в воде (полевой шпат (а) и кварц (б)

В соответствии с существующей классификацией [2,3] мутность канала Бозсу можно отнести к зоне III (с высокой мутностью речных вод (150-500 г/м³)). То есть существует риск износа при гидроабразивном воздействии.

Проведем оценку состава механических отложений на предмет их гидроабразивных свойств.

Риск абразивного износа возможен  при следующих условиях [2,3] когда содержание осадка в потоке превышает 0,5 кг/м³  и если количество фракций, опасных для турбин, составляет не менее 0,2 кг/м³. По размерам считаются опасными фракции с диаметром частиц 0,25 мм и более для абразивных частиц (кварц) и не менее 0,4 мм для более мягких частиц. Анализ таблиц 2-3 показывает, что в составе воды, проходящей через турбины, присутствуют минералы различной абразивности. Наибольшую опасность для гидравлических машин представляют частицы, твердость которых превышает твердость материалов деталей проточной части гидротурбины (твердость по шкале Мооса 5-5,5).  Большую часть состава механических примесей, как видно из таблиц 2-3, составляют минералы полевого шпата (58,46% при среднем диаметре 0,093 мм). Полевой шпат имеет твердость по шкале Мооса 5-7 баллов и может быть отнесен к породам средней абразивности. Кварцевые породы (твердость по шкале Мооса более 7) обладают средней и высокой степенью абразивности и составляют вторую группу минералов по содержанию (18,61% от общей массы всего образца при среднем диаметре 0,023 мм). Таким образом, общее содержание опасных фракций (полевого шпата и кварца) составляет 77,07% или 0,3-0,4 кг/м³, что превышает предельно допустимое содержание.  Но, в то же время, никаких опасных фракций по размеру (диаметром более 0,25 мм) обнаружено не было.

Как показывает практика, при эксплуатации гидротурбин в условиях гидроабразивного износа наиболее интенсивно подвергаются воздействию передние части лопаток рабочего колеса, наружная часть направляющих лопаток и внутренняя часть корпуса [2,3,7]. Натурное обследование изношенных деталей гидротурбин (лопасти рабочего колеса, направляющие лопатки) позволило классифицировать тип гидроабразивного износа.  Характер повреждений лопастей указывает на мелкозернистый износ с редкими, отдельно расположенными, неглубокими чешуйками и глубокий (углубленный) тип износа с длинными канавками. Что свидетельствует о наличии гидроабразивного износа деталей турбин гидроэлектростанции Бозсу. Количественно и качественно этот гидроабразивный износ можно отнести к износу низкой и средней активности.

Заключение

Анализ приведенного выше материала по гидроабазивному износу оборудования Бозсуской ГЭС-1 позволяет нам сделать следующее заключение:

1. Несмотря на относительно незначительную мутность воды, проходящей через проточную часть турбины, в составе содержатся минералы со средней и высокой степенями абразивности (полевой шпат более 50,5% и кварц -18,6% от общего количества твердых примесей).

2. Тип гидроабразивного износа - мелкозернистый износ с редкими, отдельно расположенными, неглубокими чешуйками и глубокий тип износа с длинными канавками. Количественно и качественно гидроабразивный износ турбин можно отнести к низкой и средней степени износа.

Список литературы:

1. Дoнаева С. Исследование гидроабразивного износа гидротурбин на ГЭС Бозсу: дис. … магистр техн. наук. - Ташкент, 2021,ТГТУ. - 85 с,
2. Дульнев В.Б. Абразивный износ радиально-осевых гидротурбин и методы борьбы с ним. - Л.:Госэнергоиздат,1962.-  62 с,
3. Карелин В.Я. Износ лопастных гидромашин из-за кавитации и отложений. - Москва, "Машиностроение",1970. - 184 с,
4. Мамажанов М., Уралов Б., Хидиров С. Влияние гидроабразивного износа деталей центробежных и осевых насосов на эффективность эксплуатации оросительных насосных станций // Ирригация и мелиорация. – 2019. - № 1(15). – с. 36-41,
5. Штерцер А. А., Гринберг Б. Е. Воздействие гидроабразивной струи на материал:гидроабразивный износ// Прикладная механика и техническая физика.- 2013.- т. 54, № 3. – с. 191-201,
6. Abgottspon A., von Burg M., Staubli T., Felix D. Analysis of hydro-abrasive erosion and efficiency changes measured on the coated Pelton turbines of HPP Fieschertal //IOP Conf.Series: Earth and Environmental Science (30^th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems).- 2021.-  774, 012030,
7. Arora N., Kumar A., Singal S. Technological advancement in measurements of suspended sediment and hydraulic turbine erosion // Measurement. – 2022. - 190, 110700, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.110700
8. Kan E., Vatin N. Consumption of Irrigation Pumps Pumping Water with a High Content of  Mechanical Impurities // E3S Web of Conferences. - 2023. - 365, 0301, DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202336503011
9. Truscott G.F., A literature survey on abrasive wear in hydraulic machinery// Wear, - 1972. Volume 20, Issue 1, pp.29-50, https://doi.org/10.1016/0043-1648(72)90285-2