Разработка и численное моделирование рыбозащитных сооружений на основе потокообразующих устройств
Аннотация. Разработаны новые типы рыбозащитных сооружений на основе потокообразующих устройств: со струегенераторами на основе распределенных конических сопел, с мешалками, оснащенными погружными электродвигателями степени защиты IP68. Новизна подтверждена патентованием
Для расчета рыбозащитных сооружений предложен метод анализа механики жидкостей (CFD анализ) численным методом с алгоритмами решений на базе уравнений Навье-Стокса, неразрывности струи, учета сопротивлений системы, уравнений Эйлера, реализуемых в стандартном программном обеспечении, например ANSYS.
На основе полученных данных выполнены проекты с подбором реального оборудования: насосы Indar и мешалки Sulzer-ABS. Проекты внедряются в практику.
ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» (ВИВ) около 20 лет занимается инжинирингом, проектированием, поставками, производством, монтажом, пусконаладкой, сервисом и арендой оборудования в ВКХ и в водном секторе, а также публицистикой (более100 печатных работ, в том числе две книги [1, 2]) и обучением студентов и специалистов водного профиля ВКХ и промышленности.
Одним из методов разработки и обоснования новых проектных решений, освоенных специалистами ЗАО ВИВ, стало численное (математическое) моделирование различных процессов. В статье описаны примеры моделирования рыбозащитных устройств (РЗУ) крупных гидротехнических сооружений, выполненных в сотрудничестве со специалистами ОАО «Институт «Гидропроект» им. С. Я. Жука» (г. Москва).
Разработка рыбозащитных устройств
В соответствии с нормативными требованиями [3, 4] и российским законодательством, гидротехнические сооружения, осуществляющие забор воды из рыбохозяйственных водных объектов, должны быть оборудованы рыбозащитными устройствами.
Из существующих направлений развития рыбозащитных сооружений (РЗС) наиболее перспективным применительно к условиям ГЭС являются устройства, формирующие перед водозабором искусственное течение и перенаправляющие траектории миграций скатывающейся в стоковом течении молоди рыб от источника опасности в безопасные зоны. Тем самым обеспечивается бесконтактная, т. е. не травмирующая молодь защита, полностью основанная на использовании физиологических и поведенческих особенностей покатных миграций рыб по водоему с целью расселения на его наиболее вскормленные и жизненно привлекательные участки.
Коррекцию гидравлической структуры водной среды наиболее целесообразно осуществлять с помощью водных струй, формируемых потокообразователями в виде струегенераторов или мешалок погружного типа
Работа представляется к внедрению на крупных гидротехнических сооружениях, характеризующихся наибольшим расходом воды: ГЭС, ГАЭС и береговых насосных станций ГРЭС и других объектов энергетики и отраслей промышленности. Она включает научные изыскания в ходе двух этапов:
• Выбор типа и конкретной модели потокообразователя (погружные: насос или мешалка) — связан со знанием техники и оценкой общих конструктивных размеров объекта.
• НИР на базе компьютерного анализа гидравлических систем (CDF-анализ1 ) — достоверно предсказывает формирование гидродинамической картины течения при математическом описании формы и размеров объекта и исходных параметров предполагаемого к применению потокообразователя.
Рассмотрим несколько примеров разработок.
Пример 1. Рыбозащитные сооружения (РЗС) ГАЭС.
Использование на Загорской ГАЭС-2 РЗС на основе струегенераторов позволило существенно сократить финансовые затраты на строительство (рис. 1). РЗС формирует восходящие водяные струи, которые обеспечивают перенаправление только самого верхнего рыбонасыщенного слоя, ниспадающего водозаборного течения в поверхностный комфортный для обитания рыб горизонт. Также учтено и используется реверсивное течение ГАЭС в качестве системы рыбоотвода, в устье которого на удалении от ГАЭС размещено специально оборудованное безопасное место продолжительного обитания рыб [5–9].
К примеру, при проектировании РЗС в соответствии с требованиями СНиП 2.06.07-87 [10] сметная стоимость строительства рыбозащитного сооружения с рыбоотводящим трактом необходимой протяженности составляла порядка 250 млн руб. в ценах 2001 г. Использование авторских разработок в области РЗС на основе струегенераторов позволило сократить стоимость ориентировочно в 15 раз
РЗУ, использованное для создания восходящих водяных струй, представляет собой протяженную группу расположенных на забральной стене водоприемника горизонтальных струегенераторов с соплами. Источником формирования в них водного потока являются погружные электронасосные агрегаты осевого типа. Вода под давлением поступает в горизонтальные крылья струегенераторов и через ряд сопел направляется вдоль забральной стены вверх, формируя вращающийся в вертикальном сечении вихрь, в котором рыба удерживается на протяжении всего периода работы ГАЭС в водозаборном режиме. При переходе ГАЭС на работу в турбинном режиме рыбу реверсивным течением выносит обратно в водохранилище, в котором для нее с помощью искусственных рифов оборудованы специальные места безопасного обитания.
ЗАО «ВИВ» в инициативном порядке провело работу по оптимизации энергетических характеристик рыбозащитного сооружения методом математического моделирования гидродинамических процессов вблизи водоприемных окон ГАЭС, рис. 2, 3.
Так, снижение индуктивных потерь в системе насос — струегенератор с помощью оптимизации формы струегенератора и сопел на основе результатов численного решения позволило снизить потребляемую мощность агрегатов с 75 кВт до 62 кВт. Это решение позволит ежесуточно экономить 468 кВт*ч. Годовая экономия электроэнергии, полученная после оптимизации, — 170 000 кВт*ч.
Особенности технологического цикла ГАЭС и, в частности, большая разница в уровнях бассейна над линией струегенераторов при работе агрегатов в турбинном и насосном режимах имеют существенное влияние на геометрию вихревой зоны. Моделирование показало, что при нижнем уровне воды струегенератор будет формировать у стены плотины фонтан, нерационально затрачивая избыточную энергию. При максимальном уровне воды струегенератор функционирует в номинальном режиме, формируя вихрь необходимой формы и протяженности, а насосное оборудование — в оптимальной рабочей зоне.
Из этого следует, что существует потенциал энергосбережения за счет изменения производительности насосов в зависимости от уровня воды перед плотиной ГАЭС посредством применения частотно-регулируемого привода (ЧРП). Применение ЧРП позволяет сократить потребление электроэнергии, затрачиваемой на эффективную работу РЗС, в 2,6 раза по отношению к РЗС без регулирования.
Следует заметить интересное решение, примененное при разработке насосов Indar (Испания) [11], рис. 4. Так как Indar производит погружные электродвигатели самостоятельно, а не приобретает их у сторонних производителей, то были использованы маслозаполненные погружные электродвигатели, обычно применяемые для скважинных насосов. В отличие от воздухозаполненных погружных электродвигателей, «мокрые» не теряют работоспособности на глубинах более 200 м, при этом не боятся протечек и характеризуются увеличенным межремонтным интервалом, что сокращает эксплуатационные расходы.
Пример 2. РЗС на основе потокообразователей погружных мешалок
В большинстве случаев источником формирования искусственного течения служит погружной или сухой центробежный электронасос. Однако при оценке общего КПД системы (насос + струегенератор) было замечено, что значительное количество энергии непродуктивно расходуется на преодоление внутренних сопротивлений в потокообразующих элементах струегенератора. В то же время практика свидетельствует о широком применении в системах очистки сточных вод специализированных устройств для перемешивания жидкости, т. н. мешалок. Оснащенные погружными электродвигателями степени защиты IP68 и пропеллерами различной формы, мешалки хорошо зарекомендовали себя в условиях непрерывной работы.
Отличительной особенностью мешалки по сравнению с насосом при решении задачи создания направленного течения является более высокий КПД. Следовательно существует возможность создания энергоэффективных рыбозащитных устройств на основе применения погружных мешалок взамен насосов.
Замысел функционирования РЗУ заключается в следующем. По дугообразной траектории поперек русла реки размещаются низкооборотные (оснащенные редуктором) погружные мешалки. Каждая из них формирует направленный поток, скорость которого позволяет принудительно транспортировать рыбную молодь в установленные зоны. Порядок расположения мешалок и ориентация диаграммы направленности (ДН) каждой из них позволят сформировать результирующую диаграмму направленности РЗУ (группы мешалок). Характеристики результирующей ДН должны быть таковы, чтобы вся рыбная молодь, скатывающаяся вниз по течению в опасную зону к водоприемным окнам, была перемещена в зону комфортного обитания.
В качестве основного оборудования, формирующего направленный поток, предлагается использовать погружную низкооборотную трехлопастную мешалку Sulzer-ABS XSB, рис. 5.
Мешалка Sulzer-ABS XSB — новейшая разработка компании ABS и на сегодняшний день является самой мощной и экономичной в своем классе. По сравнению с другими низкооборотными мешалками, представленными на рынке разными производителями, модель XSB снижает потребление энергии примерно на 25%. Основная техническая характеристика мешалок — тяга 6422Н, что в 1,5 раза превышает характеристики конкурентных производителей и позволяет вдвое сократить количество единиц оборудования. Это приводит к существенному (в 2 раза) сокращению количества опорных пьедесталов — наиболее дорогостоящей части проекта.
Глубина установки мешалок (расстояние от поверхности воды до продольной оси вала) определяется толщиной верхнего населенного рыбой слоя, расположенного выше раннелетнего, т. е. постнерестового термоклина, и нижним уровнем льда.
Общая потребляемая мощность РЗС из пяти мешалок (рис. 6) не превышает 40 кВт, что является недостижимым для насосов результатом. Однако мешалки предполагают донное размещение на жестких фундаментах, и возможность их применения на глубинах более 8–10 м крайне ограничена.
Пример 3. Искусственный стрежень для Богучанской ГЭС. Технологический процесс ГЭС, в отличие от ГАЭС, не имеет ярко выраженной суточной цикличности и перепадов уровня, поэтому решение, разработанное для ГАЭС, в данном случае неприемлемо. С другой стороны, профиль русла характеризуется глубинами перед ГЭС до 70 м. В силу этого, использование энергетически выгодного решения для создания направленного течения с помощью мешалок донного размещения технически труднореализуемо.
Для перенаправления верхнего рыбонасыщенного слоя водозаборного течения над заглубленными водоприемниками в сторону от них в безопасный приплотинный риф использована система вертикальных струегенераторов, расставленных вдоль напорной грани гидроузла [5, 7, 12].
Необходимость применения методов численного моделирования в этом случае была продиктована следующими причинами:
1. Для создания вдоль напорной грани гидроузла сплошного искусственного течения (стрежня) струегенераторы создают протяженную плоскую струю [12]. Для ее формирования конструктивно скважинный погружной насосный агрегат располагается в едином потокоформирующем комплексе (водоприемная колонна + струегенератор) не вдоль оси колонны устройства, а с явным эксцентриситетом (рис. 7). Это приводит к неравномерности скорости потока вдоль электродвигателя, а значит, и условий его охлаждения, к чему скважинные насосы очень чувствительны.
Компьютерное моделирование показало, что в данном случае минимальная скорость потока не ниже 0,5 м/с, чего достаточно для сохранения теплового баланса агрегата. В свою очередь, инженеры завода-производителя насосов Indar обеспечили проверочное магнитоэлектрическое моделирование, подтвердившее сохранение теплового баланса в условиях неравномерного охлаждения (рис. 8).
2. Для обеспечения эффективного изменения траекторий движения рыб в водозаборном течении с опасного направления (в водоприемники ГЭС и водосбросы) на безопасное (в приплотинный риф) требовалась проверка непрерывности поля течения искусственного стрежня вдоль напорной грани гидроузла с заданными параметрами при различных скоростях потока на входе в водоприемники ГЭС и водосбросы.
Моделирование столь сложного объекта проводилось с участием специалистов ФГУП «Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского» (ЦАГИ). В ходе работ по оптимизации формы и расположения сопел генератора и углов осей потока к плотине ГЭС удалось достичь формирования непрерывного течения (стрежня) с требуемой скоростью (рис. 9).
Разработка приведенных схем РЗУ основана на точном математическом описании формы объектов и элементов систем, а также анализе различных по энергетическим условиям вариантов. И каждый новый вариант виртуального анализа должен был «опираться» на реальные возможности существующего оборудования
Применение новых технологических решений с потокообразователями, основанных на компьютерном анализе, позволяет существенно снизить не только энергетические затраты на создание рыбоотводящего течения, но повысить эффективность рыбозащитных сооружений для крупных гидроэнергетических водозаборов с расходами от одного до нескольких десятков тысяч метров кубических в секунду.
Выводы
1. Уровень развития компьютерных технологий делает возможным использование анализа механики жидкостей численным методом с алгоритмами решений на базе уравнений Навье — Стокса, неразрывности струи, учета сопротивлений системы, уравнений Эйлера, реализуемых в стандартном программном обеспечении, например ANSYS.
2. Метод численного моделирования гидравлических систем предлагается в качестве альтернативы экспериментальному масштабированию гидродинамических объектов к использованию для решения динамических задач для ГЭС и ГАЭС, в частности рыбозащитных устройств. В ходе проведенных работ была отработана методика расчета и подбора оборудования для задач проектирования РЗУ.
3. К устройству на объектах и в зависимости от их характеристик предлагаются два базовых технических решения рыбозащитных сооружений:
• со струегенераторами на основе распределенных конических сопел;
• с мешалками, оснащенными погружными электродвигателями степени защиты IP68.
4. Проектирование, компьютерный анализ гидродинамических систем и подбор реального оборудования рассматривается как единый и неразрывный комплекс мероприятий.
