EA036765B1 - Water aeration system for hydraulic turbines - Google Patents

Water aeration system for hydraulic turbines Download PDF

Info

Publication number
EA036765B1
EA036765B1 EA201991878A EA201991878A EA036765B1 EA 036765 B1 EA036765 B1 EA 036765B1 EA 201991878 A EA201991878 A EA 201991878A EA 201991878 A EA201991878 A EA 201991878A EA 036765 B1 EA036765 B1 EA 036765B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
turbine
water
aeration
air
hydraulic
Prior art date
Application number
EA201991878A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201991878A1 (en
Inventor
Флорентина Буня
Габриэль Дан Чокан
Адриан Неделку
Диана Мария Букур
Джорджана Дунка
Себастьен Кодеску
Original Assignee
Институтул Нацьонал Де Черчетаре Дезволтаре Пентру Инджинерие
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институтул Нацьонал Де Черчетаре Дезволтаре Пентру Инджинерие filed Critical Институтул Нацьонал Де Черчетаре Дезволтаре Пентру Инджинерие
Publication of EA201991878A1 publication Critical patent/EA201991878A1/en
Publication of EA036765B1 publication Critical patent/EA036765B1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/74Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with air
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/002Injecting air or other fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/02Adaptations for drilling wells
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/14Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy
    • F03B13/16Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem"
    • F03B13/18Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • F03B3/06Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines with adjustable blades, e.g. Kaplan turbines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00Geometry
    • F05B2250/70Shape
    • F05B2250/72Shape symmetric
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/10Purpose of the control system
    • F05B2270/20Purpose of the control system to optimise the performance of a machine
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/30Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/301Pressure
    • F05B2270/3015Pressure differential
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10Biological treatment of water, waste water, or sewage

Abstract

The invention relates to a water aeration system for hydraulic turbines integrable with hydraulic turbine draft tube cones to increase the dissolved oxygen level of water discharged from hydro power plants. Water aeration system for hydraulic turbines according to the invention is a system comprising a water aerating device that aerates via perforated plates, which replicate, together with a support grid, the internal geometry of the original draft tube cone of the turbine, by means of orifices calibrated to the void fraction required to aerate the flow in the turbine. The air injection in the turbine is based on the turbine pressure level and the deficiency in dissolved oxygen level in the water, readings of which actuate the aeration process control module, minimising the energy consumption required for aeration, either activating natural aeration, with no associated power consumption, or forced aeration fed by compressed air.

Description

Настоящее изобретение относится к системе аэрации, предназначенной для использования на гидравлических турбинах, встраиваемой в конус отсасывающей трубы для повышения содержания растворенного кислорода (DOL) в воде, выходящей из гидравлической турбины.The present invention relates to an aeration system for use on hydraulic turbines incorporated into a draft tube cone to increase the dissolved oxygen (DOL) content of the water leaving the hydraulic turbine.

Хорошо известно, что гидроэлектростанции (ГЭС) непосредственно или опосредованно влияют на флору, фауну и даже на микроклимат в местах их размещения. Однако ГЭС представляют собой основной источник возобновляемой энергии, полученной экологически чистым методом, поскольку при надлежащем использовании выработанная энергия не загрязняет окружающую среду. Для сохранения экологичных свойств гидроэнергии необходимо принять надлежащие меры для ограничения влияния электростанций на окружающую среду. Одной из главных проблем природоохранных органов является качество воды, сбрасываемой через турбины в реки, особенно когда DOL (содержание растворенного кислорода) низкое, что может оказать негативное воздействие на окружающую среду и даже поставить под угрозу жизнь водных организмов. ГЭС являются основным источником полученной экологически чистым методом энергии, пока операторы и производители гидрооборудования учитывают экологические последствия эксплуатации турбины и принимают меры по смягчению их воздействия. Основной целью является качество сбрасываемой воды по отношению к DOL. Применение экологически безопасных норм во всех странах имеет важное значение для развития гидротехники. Для устойчивого развития ГЭС ухудшение экологического состояния водных путей недопустимо. Водозабор плотины высокого уровня находится в самом глубоком слое водохранилища, на такой глубине, где DOL минимально. Когда вода протекает через турбину, DOL снова понижается из-за снижения давления.It is well known that hydroelectric power plants (HPPs) directly or indirectly affect the flora, fauna and even the microclimate in their places of residence. However, hydroelectric power plants are the main source of renewable energy, obtained by an environmentally friendly method, since, when properly used, the generated energy does not pollute the environment. To preserve the sustainable properties of hydropower, appropriate measures must be taken to limit the environmental impact of power plants. One of the main concerns of environmental authorities is the quality of water discharged through turbines into rivers, especially when the DOL (Dissolved Oxygen Content) is low, which can have a negative impact on the environment and even endanger the life of aquatic organisms. Hydroelectric power plants are the main source of clean energy, while operators and manufacturers of hydraulic equipment consider the environmental impact of turbine operation and take measures to mitigate their impact. The main goal is the quality of the discharged water in relation to the DOL. The application of environmentally sound standards in all countries is essential for the development of hydraulic engineering. For the sustainable development of hydropower plants, the deterioration of the ecological state of waterways is unacceptable. The high-level dam's intake is located in the deepest layer of the reservoir, at a depth where the DOL is minimal. When water flows through the turbine, the DOL drops again due to the pressure drop.

Основная цель Европейской политики водопользования - достижение хорошего состояния для всех почвенных и подземных вод в странах ЕС и сопутствующих территориях, а также достижение хорошего экологического потенциала для существенно модифицированных и искусственных вод.The main goal of the European Water Policy is to achieve a good status for all soil and ground waters in the EU countries and related territories, as well as to achieve a good ecological potential for substantially modified and artificial waters.

Низкое DOL в реках является фактором загрязнения. В некоторых случаях DOL снижается до 0-2 мг/л, учитывая, что минимально необходимый DOL для существования водной жизни составляет приблизительно 6 мг/л. Подчеркивается, что это значение изменяется в зависимости от температуры и/или преобладающего климата ГЭС, органических веществ в водохранилищах, глубины водозабора (чем ниже водозабор, тем ниже DOL), типа и режима работы ГЭС, уровня давления в турбине (особенно для турбин Френсиса, работающих при частичной нагрузке). Низкое DOL возникает при соблюдении следующих условий:Low DOL in rivers is a pollution factor. In some cases, the DOL is reduced to 0-2 mg / L, given that the minimum DOL required for the existence of aquatic life is approximately 6 mg / L. It is emphasized that this value varies depending on the temperature and / or the prevailing climate of the HPP, organic matter in reservoirs, the depth of water intake (the lower the water intake, the lower the DOL), the type and mode of operation of the HPP, the pressure level in the turbine (especially for Francis turbines, operating at partial load). Low DOL occurs when the following conditions are met:

глубина водохранилища больше 15 м;the depth of the reservoir is more than 15 m;

объем водохранилища больше 6-107 м3;the volume of the reservoir is more than 6-10 7 m 3 ;

вырабатываемая мощность больше 10 МВт;the generated power is more than 10 MW;

скорость водообмена водохранилища больше 10 дней.the rate of water exchange in the reservoir is more than 10 days.

Существует несколько решений для внедрения во время модернизации гидравлических турбин с целью увеличения DOL в реке ниже по течению от ГЭС. Обычные методы увеличения DOL тщательно выбираются из следующего:There are several solutions to be implemented during retrofitting of hydraulic turbines in order to increase DOL in the river downstream of the HPP. The usual methods for increasing DOL are carefully selected from the following:

водозаборы, плотины, водосливы, насосы, диффузоры, компрессоры;water intakes, dams, weirs, pumps, diffusers, compressors;

дефлекторы на корпусах рабочего колеса и отсасывающих трубах (например, съемные дефлекторы, установленные в турбинах, создают области низкого давления и направляют воздух в каналы ниже по потоку от ГЭС).deflectors on impeller housings and suction tubes (for example, removable deflectors installed in turbines create low pressure areas and direct air to channels downstream of the hydroelectric power plant).

Эти методы использовались на ГЭС с различной степенью успешности в достижении аэрации. Вихревая аэрация считается самой эффективной технологией с точки зрения затрат для улучшения DOL. Тем не менее аэрация, улучшающая качество воды ниже по течению, все еще игнорируется на большинстве существующих ГЭС.These methods have been used at hydropower plants with varying degrees of success in achieving aeration. Vortex aeration is considered the most cost effective technology to improve DOL. However, aeration, which improves water quality downstream, is still ignored in most existing hydropower plants.

Начиная с 1950 года основные поставщики энергии и производители гидрооборудования в Европе и США занимаются экологическими аспектами эксплуатации ГЭС. Два типа систем аэрации были испытаны на плотине Тимс-Форд [Harshharger et al., 1995] с целью достижения DOL 6 мг/л: одна с впрыском воздуха через турбину и одна с впрыском кислорода через пористые резиновые трубы в напорный водовод длиной 250 м и диаметром 6,7 м. Воздуходувки впрыскивали воздух либо под рабочее колесо, либо под отсасывающую трубу. Вспомогательная система была разработана для использования в случае, если DOL можно было достичь только посредством воздуходувок. Для DOL выше по течению максимум 1 мг/л, когда обе системы аэрации работали, DOL достигало 5,2 мг/л, а если работала только воздушная система, DOL увеличивалось до 4,2 мг/л. Обе системы проходили испытание в течение 52 недель с различными расходами воды, воздуха и кислорода, причем проводили измерения для контроля увеличения DOL и эффективности турбины. В каждом случае данные показали небольшое снижение эффективности турбины приблизительно на 1%, но целевое DOL (6 мг/л) не было достигнуто.Since 1950, the main energy suppliers and manufacturers of hydroelectric equipment in Europe and the United States have dealt with the environmental aspects of hydroelectricity. Two types of aeration systems were tested at the Tims-Ford dam [Harshharger et al., 1995] with the aim of achieving a DOL of 6 mg / l: one with air injection through a turbine and one with oxygen injection through porous rubber pipes into a 250 m long pressure water conduit and 6.7 m in diameter. Air blowers injected air either under the impeller or under the suction pipe. The auxiliary system was designed to be used when DOL could only be achieved with blowers. For DOL upstream, a maximum of 1 mg / L, when both aeration systems were in operation, DOL reached 5.2 mg / L, and if only the air system was in operation, DOL increased to 4.2 mg / L. Both systems were tested for 52 weeks with varying flow rates of water, air and oxygen, and measurements were taken to monitor the increase in DOL and turbine efficiency. In each case, the data showed a slight decrease in turbine efficiency of about 1%, but the target DOL (6 mg / L) was not achieved.

Во-первых, на электростанции в Булл-Шолс, США [Harshbarger et al., 1999], оснащенной турбинами Френсиса, дефлекторы были установлены на рабочем колесе начиная с 1991 года. Дефлекторы были расположены таким образом, чтобы оптимизировать сброс давления с целью поддержания минимального значения DOL ниже по течению на уровне 4 мг/л. Во-вторых, на ГЭС Тейбл-Рок на периферии рабочего колеса было установлено дефлекторное кольцо, а диаметр существующих отверстий был увеличен с 2,5 до 3,75 см. Кроме того, вакуумная разрывная система была модифицирована, чтобы обеспечить поступ- 1 036765 ление большего количества воздуха. В первом случае DOL увеличивалось на 2-3 мг/л при работе одной турбины и на 1-2 мг/л при работе всех турбин. Также мощность, вырабатываемая станцией, снизилась наFirst, at the Bull Shoals power plant, USA [Harshbarger et al., 1999] equipped with Francis turbines, deflectors have been installed on the impeller since 1991. The baffles were positioned to optimize pressure relief to maintain a minimum DOL of 4 mg / L downstream. Second, at Table Rock, a deflector ring was installed at the periphery of the impeller, and the diameter of the existing holes was increased from 2.5 to 3.75 cm. In addition, the vacuum bursting system was modified to accommodate more air. In the first case, the DOL increased by 2-3 mg / L when one turbine was operating and by 1-2 mg / L when all turbines were operating. Also, the power generated by the station decreased by

1,3-3%. Во втором случае DOL увеличился на 2,5-3 мг/л при работе одного блока и на 2-2,5 мг/л при работе обоих блоков.1.3-3%. In the second case, DOL increased by 2.5-3 mg / L during the operation of one unit and by 2-2.5 mg / L during the operation of both units.

Исследования и измерения влияния аэрации на мощность и механические свойства турбин были выполнены на водохранилище Дир-Крик (Wahl et al., 1994), чтобы получить данные для проектирования системы постоянной аэрации. В летние месяцы DOL в сбросной воде ГЭС снизился до 0-2 мг/л, что отрицательно повлияло на жизнь водных организмов в диапазоне 3-5 км. Новая система аэрации направлена на увеличение DOL до 3,5 мг/л. Воздух впрыскивался в отсасывающую трубу через существующие проходы (система срыва вакуума и патрубки двух турбин) с использованием двух компрессоров, так что воздух смешивался с водой турбины, таким образом увеличивая DOL.Studies and measurements of the effect of aeration on turbine power and mechanical properties were performed at the Deer Creek reservoir (Wahl et al., 1994) to provide data for the design of a permanent aeration system. In the summer months, the DOL in the waste water from the HPP decreased to 0-2 mg / l, which negatively affected the life of aquatic organisms in the range of 3-5 km. The new aeration system aims to increase the DOL to 3.5 mg / l. Air was injected into the suction pipe through the existing passages (vacuum breaker and twin turbine nozzles) using two compressors, so that the air was mixed with the turbine water, thus increasing the DOL.

Для расхода воздуха, меньшего или равного 4% (φ<4%) расхода воды турбины, эффективность аэрации увеличивалась приблизительно на 10% с каждым дополнительным процентом расхода воздуха. При открытых направляющих лопатках в диапазоне от 55 до 77% было обнаружено, что снижение энергоэффективности из-за аэрации составило 0,5% для φ=1%. В конце концов, действующая система аэрации была закрыта из-за высокой стоимости обслуживания электрического оборудования. Тем не менее был сделан вывод, что каждая из альтернатив даст лучшие результаты, если ввести воздух с относительно высоким расходом в турбину при различных условиях эксплуатации.For an air flow less than or equal to 4% (φ <4%) of the turbine water flow, the aeration efficiency increased by about 10% with each additional percentage of the air flow. With open guide vanes in the 55 to 77% range, it was found that the reduction in energy efficiency due to aeration was 0.5% for φ = 1%. In the end, the existing aeration system was closed due to the high maintenance costs of electrical equipment. However, it was concluded that each of the alternatives would give better results by introducing relatively high flow air into the turbine under various operating conditions.

Целью других исследований [March et al., 1992] было обеспечение до 6 мг/л DOL в воде ниже по течению, сводя к минимуму влияние аэрации на энергоэффективность и мощность ГЭС. Было проведено испытание ряда альтернативных вариантов, включая впрыск воздуха через рабочее колесо или измененный дефлектор, задние кромки лопаток турбины, коаксиальный диффузор, выпускное кольцо, отсасывающую трубу или комбинации вышеперечисленного.Other studies [March et al., 1992] aimed to provide up to 6 mg / L DOL in downstream water, minimizing the impact of aeration on energy efficiency and hydropower capacity. A number of alternatives have been tested, including air injection through an impeller or modified deflector, trailing edges of turbine blades, a coaxial diffuser, an exhaust ring, a suction tube, or a combination of the above.

Администрация долины Теннесси предложила программу модернизации, в которой несколько турбин были заменены или улучшены для решения проблемы DOL ниже по течению от ГЭС. Гидравлический и экологический анализ производительности был выполнен, чтобы выбрать систему аэрации турбин, наиболее подходящую для конкретного места. Самовентилируемые турбины (SVT) были впервые внедрены на плотине Норрис вместе с тремя основными типами аэрации: центральная, распределенная и периферийная аэрация (на выходе из лопаток рабочего колеса турбины). Для оценки воздействия на окружающую среду и энергетических характеристик были проведены измерения. Каждый вариант (при отдельном использовании или в сочетании с другими) был испытан в широком диапазоне режимов работы турбины. Для одной группы было достигнуто увеличение DOL до 5,5 мг/л при использовании всех вариантов аэрации. В этом случае количество воздуха, поступающего в турбину, было более чем в два раза выше, чем при работе с первоначальной турбиной, снабженной дефлекторами на рабочем колесе. В зависимости от условий эксплуатации и варианта аэрации энергоэффективность снижалась с 0 до 4%. Эффективность самовентилируемых турбин анализируется и сравнивается в литературе [Rohland, 2010], где приводятся основные параметры аэрации: геометрия турбины, количество воздуха, место впрыска воздуха [Papillon et al., 2002], [Sullivan & Bennett, 2006] и т.д. В этих исследованиях размер и распределение пузырьков воздуха особенно не рассматриваются, хотя и упоминаются. Исследования и поиск продолжают математическое моделирование потоков SVT. Каждый метод имеет различные характеристики и влияет на размер и распределение пузырьков, протекающих через отсасывающие трубы при различных условиях эксплуатации [Perkinsin et al., 2013], [His et al., 2006].The Tennessee Valley Administration proposed a modernization program in which several turbines were replaced or improved to address the DOL problem downstream of the plant. A hydraulic and environmental performance analysis was performed to select the most suitable turbine aeration system for the specific site. Self-ventilated turbines (SVT) were first introduced at the Norris Dam along with three main types of aeration: central, distributed and peripheral aeration (at the outlet of the turbine impeller blades). Measurements were made to assess the environmental impact and energy performance. Each option (whether used alone or in combination with others) has been tested over a wide range of turbine operating conditions. For one group, an increase in DOL to 5.5 mg / L was achieved using all aeration options. In this case, the amount of air entering the turbine was more than twice that of the original turbine equipped with deflectors on the impeller. Depending on the operating conditions and the aeration option, energy efficiency decreased from 0 to 4%. The efficiency of self-ventilated turbines is analyzed and compared in the literature [Rohland, 2010], where the main aeration parameters are given: turbine geometry, air volume, air injection location [Papillon et al., 2002], [Sullivan & Bennett, 2006], etc. In these studies, the size and distribution of air bubbles are not particularly considered, although they are mentioned. Research and search continues to mathematically model SVT streams Each method has different characteristics and affects the size and distribution of bubbles flowing through the suction tubes under different operating conditions [Perkinsin et al., 2013], [His et al., 2006].

Исследования по системам аэрации сбросной воды с турбин продолжаются, учитывая их значение для экосистем [Bunea et al., 2010 и 2014] и норм по качеству воды. Операторы ГЭС пытаются добиться оптимального взаимоотношения между мерами по улучшению качества воды и энергоэффективностью.Research on aeration systems for waste water from turbines continues, given their importance for ecosystems [Bunea et al., 2010 and 2014] and water quality standards. Hydroelectric operators are trying to achieve the optimal relationship between measures to improve water quality and energy efficiency.

Другие известные запатентованные технические решения:Other well-known patented technical solutions:

ЕР 2873851 А1, в котором аэрация осуществляется дефлекторами/гидрокрыльями, расположенными на лопатках рабочего колеса турбины;EP 2873851 A1, in which aeration is carried out by deflectors / hydraulic wings located on the turbine impeller blades;

US 6854958 В2, в котором аэрация осуществляется через специальную камеру, расположенную вокруг ленты рабочего колеса в неподвижной части турбины. Впуск воздуха обеспечивается через несколько частей турбины: на впуске рабочего колеса, между направляющей лопаткой и рабочим колесом и на выпуске рабочего колеса между лентой рабочего колеса и конусом отсасывающей трубы через прорези, расположенные по окружности рабочего колеса;US 6854958 B2, in which aeration is carried out through a special chamber located around the impeller belt in the stationary part of the turbine. Air inlet is provided through several parts of the turbine: at the inlet of the impeller, between the guide vane and the impeller, and at the outlet of the impeller between the impeller belt and the cone of the suction pipe through slots located around the circumference of the impeller;

US 6247893 В3, в котором аэрация обеспечивается с помощью лопаток рабочего колеса на внешней стороне направляющей. Это решение подходит для турбин Френсиса и Каплана;US 6247893 B3, in which aeration is provided by means of impeller blades on the outside of the guide. This solution is suitable for Francis and Kaplan turbines;

US 941628 А, в котором регулируемый круговой паз выполнен на выпуске рабочего колеса в верхней части отсасывающей трубы. Впрыск осуществляется через паз.US 941628 A, in which an adjustable circular groove is made at the outlet of the impeller in the upper part of the suction pipe. The injection is carried out through the slot.

US 5823740 А, в котором смесь воздуха и воды впрыскивается выше и ниже по потоку от рабочего колеса турбины. Вода втягивается со стороны высокого давления через каналы рабочего колеса или лабиринты, а воздух впрыскивается в смесительные камеры, расположенные в неподвижных частях вокруг ленты или крышки рабочего колеса;US 5823740 A, in which a mixture of air and water is injected upstream and downstream of the turbine impeller. Water is drawn in from the high pressure side through impeller channels or labyrinths, and air is injected into mixing chambers located in fixed parts around the belt or impeller cover;

- 2 036765- 2 036765

US 5780935 А, в котором рабочее колесо расположено и вытянуто так, что его край пересекает свободную поверхность воды, и, таким образом, происходит смешивание с атмосферным воздухом.US 5780935 A, in which the impeller is located and elongated so that its edge crosses the free surface of the water, and thus mixing with atmospheric air.

Недостатки известных решений заключаются в следующем.The disadvantages of the known solutions are as follows.

Все эти патенты относятся к аэрации воды, протекающей через гидравлические турбины. Методы аэрации, а также их реализация отличаются от решения, предложенного в настоящем документе. Все запатентованные методы аэрации предусматривают модификацию рабочих колес или деталей, находящихся в непосредственной близости от нее, и не предусматривают впрыскивание калиброванных мелких пузырьков. Хотя большинство представленных методов не связаны с нарушением целостности оборудования, их применение в существующих турбинах будет связано с серьезными изменениями в существующих конструкциях и, следовательно, может использоваться только в новых машинах или в тех, которые подлежат капитальному ремонту. Преимущество предлагаемой методики состоит в том, что она может быть реализована во время обычных периодов технического обслуживания, включая интеграцию устройства аэрации в конус отсасывающей трубы турбины. Общая стоимость установки нового устройства аэрации явно меньше, чем у других запатентованных способов, и сама аэрация может выполняться без затрат энергии, когда давление внутри конуса отсасывающей трубы ниже атмосферного, в противном случае инициируется принудительная аэрация.All of these patents relate to the aeration of water flowing through hydraulic turbines. The aeration methods and their implementation differ from the solution proposed in this document. All patented aeration methods involve modification of impellers or parts in close proximity to it, and do not involve the injection of calibrated small bubbles. While most of the techniques presented are not related to equipment integrity, their application to existing turbines will involve major changes to existing designs and therefore can only be used in new machines or those that are subject to major repairs. An advantage of the proposed technique is that it can be implemented during normal maintenance periods, including the integration of the aeration device into the turbine suction cone. The total cost of installing the new aeration device is clearly less than other patented methods, and the aeration itself can be performed without energy consumption when the pressure inside the suction cone is below atmospheric, otherwise forced aeration is initiated.

Известные решения для аэрации сбросной воды ориентированы на количество вводимого воздуха и не учитывают площадь поверхности раздела фаз воздух-вода и время контакта между фазами. Эффективность аэрации на ГЭС обычно выражается долей пустот (уравнение 1):Known solutions for aeration of waste water are focused on the amount of introduced air and do not take into account the surface area of the air-water phase interface and the contact time between phases. The efficiency of aeration at a hydroelectric power station is usually expressed in the fraction of voids (equation 1):

В целом, чтобы увеличить DOL на 1 мг/л, требуется количество воздуха, составляющее 1% от объема воды. И наоборот, чтобы ограничить снижение энергоэффективности, расход воздуха не должен превышать 3-5% от расхода воды турбины (уравнение 2):In general, to increase the DOL by 1 mg / L, an amount of air is required that is 1% of the volume of water. Conversely, to limit the reduction in energy efficiency, the air flow should not exceed 3-5% of the turbine water flow (Equation 2):

= < 3 _ 50/0) (2)1ph = <3 _ 50/0) ( 2 )

Qivater где Qair и Qwater - расход воздуха и расход воды соответственно.Qivater where Q air and Q water are air flow and water flow, respectively.

Однако введение воздуха в гидравлический контур турбины приводит к снижению эффективности турбины. Ограничение количества впрыскиваемого воздуха означает, что этого может быть недостаточно для достижения желаемого DOL, особенно когда начальное DOL в воде составляет <2-3 мг/л. Это важный вопрос для производителей и операторов гидравлических турбин, поскольку впрыск дополнительного воздуха в контур турбины снижает эффективность; следовательно, параметры впрыска воздуха (метод, место введения, количество и т.д.) важны для балансировки эффективности турбины и факторов окружающей среды.However, the introduction of air into the hydraulic circuit of the turbine reduces the efficiency of the turbine. Limiting the amount of injected air means that this may not be enough to achieve the desired DOL, especially when the initial DOL in the water is <2-3 mg / l. This is an important issue for manufacturers and operators of hydraulic turbines, as the injection of additional air into the turbine circuit reduces efficiency; therefore, air injection parameters (method, injection site, quantity, etc.) are important in balancing turbine efficiency with environmental factors.

Другим недостатком большинства известных способов аэрации является то, что они меняют конструкцию оборудования, что приводит к изменению характеристик потока и, следовательно, снижению эффективности, даже когда система аэрации не используется.Another disadvantage of most known aeration methods is that they change the design of the equipment, which leads to a change in flow characteristics and, therefore, a decrease in efficiency, even when the aeration system is not in use.

Еще одним недостатком известных способов аэрации является высокое количество энергии, расходуемой на впрыск.Another disadvantage of the known aeration methods is the high amount of energy required for injection.

Другим недостатком запатентованных способов аэрации является необходимость модификации рабочих колес или распределителей: сложные операции на существующих турбинах, сопровождающиеся высокими затратами на новые или отремонтированные турбины.Another disadvantage of the patented aeration methods is the need to modify the impellers or distributors: complex operations on existing turbines, accompanied by high costs for new or refurbished turbines.

Техническим преимуществом настоящего изобретения является разработка системы аэрации, увеличивающей DOL сбросной воды турбины, которая требует естественной аэрации (NA), когда давление в конусе отсасывающей трубы ниже атмосферного, или принудительной аэрации (FA), обеспечиваемой компрессорами, когда давление в конусе отсасывающей трубы выше или равно атмосферному давлению. Впрыск воздуха из устройства в гидравлический контур турбины осуществляется через перфорированные пластины, которые вместе с опорной решеткой дублируют внутреннюю геометрию исходного конуса отсасывающей трубы. Отверстия характеризуются диаметром от 0,2 до 5 мм и расположены на одинаковом расстоянии с шагом от 3 до 7 диаметров во избежание слияния пузырьков в зависимости от доли пустот потока. Впрыск зависит от уровня давления ниже по потоку от рабочего колеса и недостаточного значения DOL воды и запускается модулем управления. Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму потребление энергии для аэрации, выбирая между NA или FA.A technical advantage of the present invention is to provide an aeration system that increases the DOL of the turbine discharge water, which requires natural aeration (NA) when the suction cone pressure is below atmospheric, or forced aeration (FA) provided by compressors when the suction cone pressure is higher or equal to atmospheric pressure. Air injection from the device into the turbine hydraulic circuit is carried out through perforated plates, which, together with the support grid, duplicate the internal geometry of the original draft tube cone. The holes are characterized by a diameter of 0.2 to 5 mm and are spaced at the same distance in steps of 3 to 7 diameters to avoid coalescence of bubbles depending on the fraction of voids in the flow. The injection is dependent on the downstream pressure of the impeller and insufficient water DOL and is triggered by the control module. The goal is to minimize energy consumption for aeration by choosing between NA or FA.

Система аэрации воды для гидравлических турбин согласно настоящему изобретению устраняет вышеуказанный недостаток следующим образом: чтобы увеличить DOL воды ниже по потоку от турбины, устройство аэрации воды дублирует поток в конусе отсасывающей трубы. Она состоит из воздушной камеры с внутренней стенкой, образованной перфорированными пластинами, которые закреплены на опорной решетке и полностью или частично охватывают внутреннюю стенку. Таким образом, поток в отсасывающей трубе не изменяется из-за внесения возмущений, и гидравлические характеристики турбины сохраняются после установки устройства аэрации: использование NA или FA зависит от режима работы турбины.The water aeration system for hydraulic turbines according to the present invention overcomes the aforementioned drawback as follows: in order to increase the DOL of water downstream of the turbine, the water aeration device duplicates the flow in the cone of the suction pipe. It consists of an air chamber with an inner wall formed by perforated plates, which are fixed to a support grid and completely or partially enclose the inner wall. Thus, the flow in the suction pipe does not change due to disturbances, and the hydraulic characteristics of the turbine are preserved after the installation of the aeration device: the use of NA or FA depends on the operating mode of the turbine.

- 3 036765- 3 036765

Преимущества настоящего изобретения заключаются в следующем.The advantages of the present invention are as follows.

Впрыскиваемый воздух рассеивается в форме мелких пузырьков для увеличения поверхности и времени контакта воздух-вода. Для увеличения аэрации также учитываются другие параметры: распределение размеров пузырьков воздуха в воде, градиент давления в конусе отсасывающей трубы, перепад давления на устройстве аэрации, режим работы турбины, недостаточное значение DOL в воде.The injected air is dispersed in the form of small bubbles to increase the surface area and air-water contact time. To increase aeration, other parameters are also taken into account: the distribution of the size of air bubbles in the water, the pressure gradient in the cone of the suction pipe, the pressure drop across the aeration device, the operating mode of the turbine, insufficient DOL value in the water.

Увеличение DOL в воде, используемой ГЭС, может потребоваться для соблюдения стандартов качества воды, установленных европейскими/мировыми экологическими нормами. Для достижения максимально возможной площади межфазного контакта воздух в турбине рассеивается через небольшие отверстия в стенке отсасывающей трубы турбины. Расстояние между отверстиями и их количество определяются таким образом, чтобы количество впрыскиваемого воздуха соответствовало уравнению (2) и требованиям, предъявляемым операторами ГЭС. Время контакта увеличивается, мелкие воздушные пузырьки движутся потоком воды по сравнению с воздушными карманами, которые стремятся выйти из гидравлического контура за более короткое время.An increase in DOL in the water used by the hydroelectric power station may be required to meet the water quality standards set by European / global environmental regulations. To achieve the largest possible interphase contact area, the air in the turbine is dissipated through small holes in the wall of the turbine exhaust pipe. The distance between the holes and their number are determined so that the amount of injected air is in accordance with equation (2) and the requirements of the HPP operators. The contact time is increased, and small air bubbles are moved by the flow of water compared to air pockets, which tend to exit the hydraulic circuit in a shorter time.

Устройство аэрации согласно настоящему изобретению соответствует существующей внутренней геометрии конусов отсасывающих труб турбины, где оно реализовано, при этом воздух вводится без напора.The aeration device according to the present invention corresponds to the existing internal geometry of the cones of the turbine suction tubes, where it is implemented, with air being introduced without pressure.

Система может использоваться как с новыми, так и с существующими турбинами, поскольку требует установки устройства аэрации в конусе отсасывающей трубы турбины, что может быть осуществлено в течение периода технического обслуживания турбины. Пневматическое соединение для подачи сжатого воздуха и модуль управления процессом аэрации легко крепятся к устройству аэрации.The system can be used with both new and existing turbines, as it requires the installation of an aeration device in the turbine exhaust cone, which can be done during the turbine maintenance period. The compressed air connection and the aeration control module are easily attached to the aeration unit.

Система сводит к минимуму влияние на производительность турбины, и, когда система не используется, на производительность турбины это не влияет, тогда как другие известные системы аэрации существенно снижают эффективность турбины, как показано в уровне техники.The system minimizes the impact on turbine performance, and when the system is not in use, the turbine performance is not affected, while other known aeration systems substantially reduce turbine efficiency, as shown in the prior art.

Другим параметром, который был рассмотрен, является потребление энергии, связанное с впрыском, для поддержания общей производительности ГЭС. Соответственно, способ введения воздуха и использование мелких пузырьков сводят к минимуму воздействие на структуры потока в зависимости от расхода впрыскиваемого воздуха (регулируется клапанами и пневматической системой).Another parameter that has been considered is the energy consumption associated with injection to maintain the overall performance of the HPP. Accordingly, the air injection method and the use of fine bubbles minimize the impact on flow patterns depending on the injected air flow rate (controlled by valves and pneumatic system).

Система может использовать NA без дополнительного потребления энергии, связанного с FA.The system can use NA without the additional power consumption associated with FA.

Далее описан пример системы аэрации воды для гидравлических турбин согласно настоящему изобретению, представленный со ссылками на фиг. 1-12, на которых:The following describes an example of a water aeration system for hydraulic turbines according to the present invention, shown with reference to FIG. 1-12, on which:

на фиг. 1 показана система аэрации воды для гидравлических турбин в сечении А-А;in fig. 1 shows a water aeration system for hydraulic turbines in section A-A;

на фиг. 2 показан вид в изометрии сечения А-А;in fig. 2 shows an isometric view of section A-A;

на фиг. 3 показан трехмерный вид системы аэрации воды для гидравлических турбин согласно настоящему изобретению;in fig. 3 shows a three-dimensional view of a water aeration system for hydraulic turbines according to the present invention;

на фиг. 4 показан вид сверху системы аэрации воды для гидравлических турбин согласно настоящему изобретению;in fig. 4 is a top view of a water aeration system for hydraulic turbines according to the present invention;

на фиг. 5 показан вид снизу системы аэрации воды для гидравлических турбин согласно настоящему изобретению;in fig. 5 is a bottom view of a water aeration system for hydraulic turbines according to the present invention;

на фиг. 6 показаны воздушная камера и труба впуска атмосферного воздуха в сечении F-F;in fig. 6 shows an air chamber and an atmospheric air inlet pipe in section F-F;

на фиг. 7 показан внешний вид воздушной камеры и расположение кранов для впуска воздуха для NA и FA;in fig. 7 shows the appearance of the air box and the location of the air inlet valves for NA and FA;

на фиг. 8 показан вид перфорированной пластины;in fig. 8 shows a view of a perforated plate;

на фиг. 8a показан местный вид А согласно фиг. 8;in fig. 8a is a fragmentary view A according to FIG. 8;

на фиг. 8b показан трехмерный вид перфорированной пластины;in fig. 8b shows a three-dimensional view of a perforated plate;

на фиг. 9 показана система аэрации воды;in fig. 9 shows a water aeration system;

на фиг. 10 показано схематическое изображение узла пневматического соединения, подающего сжатый воздух в систему аэрации воды;in fig. 10 is a schematic illustration of a pneumatic connection assembly for supplying compressed air to a water aeration system;

на фиг. 11 показана демонстрационная модель;in fig. 11 shows a demo model;

на фиг. 12 показаны фотографии области впрыска устройства аэрации воды для работы Турбины при Qwater relative=57,1% и φ=1%;in fig. 12 shows photographs of the injection area of the water aeration device for the operation of the Turbine at Qwater relative = 57.1% and φ = 1%;

на фиг. 12а показаны перфорированные пластины перед впрыском воздуха;in fig. 12a shows the perforated plates before air injection;

на фиг. 12b показаны перфорированные пластины в начальный момент впрыска воздуха;in fig. 12b shows the perforated plates at the start of air injection;

на фиг. 12с показаны перфорированные пластины во время впрыска воздуха;in fig. 12c shows the perforated plates during air injection;

на фиг. 13 показано изменение КПД генератора турбины в зависимости от доли пустот, обеспечиваемой впрыском через систему аэрации воды для гидравлических турбин согласно настоящему изобретению для различных режимов работы с частичной нагрузкой (B-F).in fig. 13 shows the variation in efficiency of a turbine generator as a function of the void fraction provided by injection through a water aeration system for hydraulic turbines according to the present invention for various partial load (B-F) modes.

Согласно настоящему изобретению система аэрации воды для гидравлических турбин встроена в конус отсасывающей трубы с точным соблюдением внутренней геометрии отсасывающей трубы.According to the present invention, a water aeration system for hydraulic turbines is built into the cone of the suction pipe, precisely following the internal geometry of the suction pipe.

Система аэрации воды содержит устройство аэрации воды, оснащенное клапанами для подачи воздуха под атмосферным давлением для NA;The water aeration system comprises a water aeration device equipped with valves for supplying air at atmospheric pressure for NA;

пневматическое соединение в сборе для подачи сжатого воздуха для FA;complete pneumatic connection for compressed air supply for FA;

- 4 036765 автоматический модуль управления для процесса аэрации.- 4 036765 automatic control module for the aeration process.

Устройство аэрации воды согласно настоящему изобретению состоит из воздушной камеры (АС) с внутренней стенкой, образованной перфорированными пластинами 1, через которые осуществляется впрыск воздуха, которые установлены на опорной решетке 2 и полностью или частично закрывают внутреннюю стенку, которая находится в контакте с водой, выпускаемой из турбины. Перфорированные пластины 1 выполнены из нержавеющей стали и перфорированы отверстиями диаметром 0,2-5 мм, которые расположены на расстоянии 3-5 диаметров друг от друга, с учетом того, что доля пустот φ<35%. Воздушная камера АС также ограничена верхней стенкой 3, нижней стенкой 4 и наружной стенкой 5, на которой на равном расстоянии друг от друга расположены трубы 6 для впуска воздуха для NA. Трубы для впуска оснащены клапанами 7 для управления расходом воздуха, проходящим под атмосферным давлением. Другие трубы 8 для впрыска воздуха расположены на равном расстоянии от труб 6 для впуска воздуха и с чередованием с ними, через которые осуществляется FA, для управления расходом воздуха с помощью пневматического соединения в сборе для подачи сжатого воздуха. Воздушная камера АС также содержит сливную пробку 9 для слива воды, входящей из гидравлического контура турбины в воздушную камеру из-за колебаний давления при неустойчивом расходе. На трубах 6 для впуска воздуха снаружи расположены плоские фланцы 10, которые входят в зацепление с фланцами 11 клапана. Соединения плоского фланца 10, фланца 11 клапана и прокладки 12 фиксируются с помощью болтов 13 с шестигранной головкой, шестигранной гайки 14, шайбы А 15 и шайбы R 16 Гровера. Труба 8 впрыска воздуха оснащена переходником 17, который соединяется с системой подачи сжатого воздуха. Воздушная камера АС продолжается верхней секцией 18 и нижней секцией 19, которые соединяются с конусом отсасывающей трубы турбины, на которой устройство аэрации воды установлено с помощью верхнего фланца 20 и нижнего фланца 21, а также не показанных гаек и болтов.The water aeration device according to the present invention consists of an air chamber (AC) with an inner wall formed by perforated plates 1 through which air is injected, which are mounted on a support grid 2 and completely or partially cover the inner wall, which is in contact with the water discharged from the turbine. Perforated plates 1 are made of stainless steel and perforated with holes with a diameter of 0.2-5 mm, which are located at a distance of 3-5 diameters from each other, taking into account the fact that the proportion of voids φ <35%. The air chamber AC is also delimited by an upper wall 3, a lower wall 4 and an outer wall 5, on which air inlet pipes 6 for NA are arranged at an equal distance from each other. The inlet pipes are equipped with valves 7 to control the air flow passing at atmospheric pressure. The other air injection pipes 8 are equidistant from and alternating with the air inlet pipes 6 through which the FA flows to control the air flow using a pneumatic connection assembly for supplying compressed air. The AC air chamber also contains a drain plug 9 for draining the water entering from the turbine hydraulic circuit into the air chamber due to pressure fluctuations at an unstable flow rate. On the air inlet pipes 6, flat flanges 10 are located externally, which engage with the valve flanges 11. The connections of the flat flange 10, flange 11 of the valve and gasket 12 are fixed using bolts 13 with a hex head, a hex nut 14, washer A 15 and washer R 16 Grover. The air injection pipe 8 is equipped with an adapter 17, which is connected to the compressed air supply system. The air chamber AC continues with an upper section 18 and a lower section 19, which are connected to the cone of the turbine suction pipe, on which the water aeration device is installed by means of an upper flange 20 and a lower flange 21, as well as nuts and bolts not shown.

Система аэрации работает в соответствии с двумя параметрами: уровнем относительного давления в конусе отсасывающей трубы выше по потоку от секции впрыска воздуха и значением DOL ниже по потоку. Таким образом, в устройстве аэрации используется штуцер для отбора давления (не показан) и измерительный преобразователь, измеряющий давление на стенке конуса отсасывающей трубы выше по потоку от устройства аэрации, а ниже по потоку, на выходе из турбины также расположен датчик DOL (не показан).The aeration system operates according to two parameters: the relative pressure level in the suction pipe cone upstream of the air injection section and the DOL value downstream. Thus, the aeration device uses a pressure tap (not shown) and a measuring transducer that measures the pressure on the wall of the suction pipe cone upstream of the aeration device, and downstream of the turbine outlet, a DOL sensor (not shown) is also located. ...

Автоматический модуль управления для системы аэрации работает следующим образом: он задействует NA, если давление в конусе отсасывающей трубы ниже атмосферного давления, и FA, если давление выше или равно атмосферному давлению. Он содержит программируемый контроллер (ПК), принимающий данные от измерительного преобразователя давления устройства аэрации, измерительный преобразователь атмосферного давления и расположенный ниже по потоку измерительный преобразователь DOL, а также инициирует закрывание или открывание (частичное или полное) воздушного клапана, а также управляет расходом воздуха, который подается компрессором.The automatic control module for the aeration system operates as follows: it activates NA if the pressure in the suction cone is below atmospheric pressure and FA if the pressure is greater than or equal to atmospheric pressure. It contains a programmable controller (PC) that receives data from a pressure transmitter of the aeration device, an atmospheric pressure transmitter and a downstream DOL transmitter, and initiates the closing or opening (partial or full) of the air valve, and controls the air flow. which is supplied by the compressor.

Чтобы свести к минимуму энергию, необходимую для насыщения кислородом, для программирования ПК требуются следующие параметры:To minimize the energy required for oxygenation, the following parameters are required for PC programming:

начальный предел/конечный предел DOL;DOL start limit / end limit;

расход воды турбины от системы управления турбиной;turbine water flow from the turbine control system;

общая площадь забора воздуха;total air intake area;

перепад давления на перфорированных пластинах;pressure drop across perforated plates;

пределы доли пустот максимум/минимум, гистерезис и максимальное отношение сторон.maximum / minimum void fraction limits, hysteresis and maximum aspect ratio.

Кроме того, контролируются следующие параметры (средние значения за период работы): расход воды турбины от системы управления ГЭС;In addition, the following parameters are monitored (average values for the period of operation): turbine water flow from the HPP control system;

расход впрыскиваемого воздуха.injection air flow.

Программа вычисляет расход воздуха, который должен быть взят из атмосферы при NA, используя соотношение (3)The program calculates the air flow rate to be taken from the atmosphere at NA using relation (3)

Irj __ с , J I Ра ~ Р curbing I , |РаСт~Р curbing I / -> .Irj __ s, J I Pa ~ P curbing I, | PaSt ~ P curbing I / ->.

Чмг ^тса I „ „ „ , у Patr Patm PturbineChmg - ^ tca I „„ „, at Patr Patm Pturbine

Если вычисленный расход воздуха недостаточен для получения доли пустот в пределах, указанных в уравнении (2), клапаны закрывают, и требуемый расход воздуха обеспечивается за счет подачи сжатого воздуха при FAIf the calculated air flow is insufficient to obtain a void fraction within the limits given in equation (2), the valves are closed and the required air flow is supplied by the compressed air supply at FA

Данные могут быть переданы по радиосвязи, по GPRS/3G или по кабелю.Data can be transferred by radio, GPRS / 3G or cable.

Пневматическое соединение в сборе для подачи сжатого воздуха, которое управляет FA, показано на фиг 10 и содержит BV1, BV2 - краны отсечки воздуха, BV3 - дренажный клапан, PR1 - фильтррегулятор давления, F1 - ротаметр, R1, R2, R3, R4 - соединения секций аэрации, D1 - распределитель, ТР1 - измерительный преобразователь давления.The pneumatic connection assembly for the supply of compressed air, which is controlled by the FA, is shown in Fig.10 and contains BV1, BV2 - air cut-off valves, BV3 - drain valve, PR1 - pressure filter regulator, F1 - rotameter, R1, R2, R3, R4 - connections aeration sections, D1 - distributor, TP1 - pressure measuring transducer.

Система может управляться вручную или автоматически. В ручном режиме вводят параметры и система работает соответствующим образом. В автоматическом режиме система аэрации согласно настоящему изобретению работает, только если DOL в воде ниже по потоку ниже 6 мг/см2, значения согласно стандарту качества воды. Система автоматически включается или выключается согласно указанным криThe system can be controlled manually or automatically. In manual mode, parameters are entered and the system operates accordingly. In automatic mode, the aeration system according to the present invention works only if the DOL in the downstream water is below 6 mg / cm 2 , the value according to the water quality standard. The system will automatically turn on or off according to the specified cree

- 5 036765 териям.- 5 036 765 terium.

На основании результатов, полученных на экспериментальной установке, Setup for the study of biphasic, rotational, with adverse pressure gradient, заявка на патент OSIM № A/00704/29 09 2015 г, изобретение Система аэрации воды для гидравлических турбин была разработана для введения воздуха в гидравлическую турбину через отверстия с оптимизированными диаметрами и геометрией для достижения максимального переноса кислорода с минимальным потреблением энергии.Based on the results obtained in the pilot plant, Setup for the study of biphasic, rotational, with adverse pressure gradient, OSIM patent application no. A / 00704/29 09 2015, invention A water aeration system for hydraulic turbines was developed to introduce air into a hydraulic turbine through holes with optimized diameters and geometry to achieve maximum oxygen transfer with minimum energy consumption.

Система аэрации воды для гидравлических турбин согласно настоящему изобретению была установлена на турбине Френсиса на ГЭС, и были получены параметры, показанные на фиг. 13. Было отмечено небольшое снижение КПД турбины (потеря КПД до 2% при максимальной доле пустот 5%, принятой оператором ГЭС) по сравнению с КПД при использовании решений из известного уровня техники (характеризующихся снижением КПД до 4%). Более того, при некоторых условиях работы с частичной нагрузкой турбины КПД возрастал (до 1,4%). Впрыски воздуха также были испытаны при долях пустот более 5%, но никаких существенных изменений на кривых КПД не наблюдалось, как и в случае с известными решениями.A water aeration system for hydraulic turbines according to the present invention was installed on a Francis turbine at a hydroelectric power station, and the parameters shown in FIG. 13. A slight decrease in the efficiency of the turbine (loss of efficiency up to 2% with a maximum void fraction of 5% adopted by the operator of the HPP) was noted compared to the efficiency when using solutions from the prior art (characterized by a decrease in efficiency to 4%). Moreover, under certain conditions of operation with a partial load of the turbine, the efficiency increased (up to 1.4%). Air injections have also been tested with void ratios greater than 5%, but no significant changes were observed in the efficiency curves, as is the case with the known solutions.

Рабочие режимы турбины, в которых была испытанаOperating modes of the turbine in which it was tested

Список использованных источниковList of sources used

Bunea F., Ciocan G.D., Bucur D.M., Dunca G., 2014, Aeration solution of water used by hydraulic turbines to respect the environmental policies, Electrical and Power Engineering, 2014 International Conference and Exposition on, publisher IEEE, p. 1015-1020, DOI: 10.1109/ICEPE.2014.6970062, ISSN 978-14799-5849-8.Bunea F., Ciocan G.D., Bucur D.M., Dunca G., 2014, Aeration solution of water used by hydraulic turbines to respect the environmental policies, Electrical and Power Engineering, 2014 International Conference and Exposition on, publisher IEEE, p. 1015-1020, DOI: 10.1109 / ICEPE.2014.6970062, ISSN 978-14799-5849-8.

Bunea F., Ciocan G.D., Oprina G., Baran G., 2010, Hydropower impact on water quality, Environmental Engineering and Management Journal, v.9, No. 11, p. 1459-1464, ISSN 1582-9596.Bunea F., Ciocan G.D., Oprina G., Baran G., 2010, Hydropower impact on water quality, Environmental Engineering and Management Journal, v. 9, No. 11, p. 1459-1464, ISSN 1582-9596.

Harshbarger E.D., Mobley M.H., Brock W.G., 1995, Aeration of hydroturbine discharges at Tims Ford Dam, San Francisco; ASCE, 9 p., Waterpower '95 - Proc. of the Conf. on Hydropower, San Francisco, 1, 11-19.Harshbarger E.D., Mobley M.H., Brock W.G., 1995, Aeration of hydroturbine discharges at Tims Ford Dam, San Francisco; ASCE, 9 p., Waterpower '95 - Proc. of the Conf. on Hydropower, San Francisco, 1, 11-19.

Harshbarger E.D., Herrold В., Robbins G., Carter J., 1999, Turbine venting for dissolved oxygen improvements at Bull Shoals, Norfork and Table Rock Dams, Waterpower '99 - Hydro's Future: Technology, Markets, and Policy.Harshbarger E.D., Herrold B., Robbins G., Carter J., 1999, Turbine venting for dissolved oxygen improvements at Bull Shoals, Norfork and Table Rock Dams, Waterpower '99 - Hydro's Future: Technology, Markets, and Policy.

March P.A., Brice, T.A., Mobley, M.H, Cybularz, J.M., 1992, Turbines for solving the DO dilemma, Hydro Review; 11(1), U.S., 30-36, ISSN 0884-0385.March P. A., Brice, T. A., Mobley, M. H, Cybularz, J. M., 1992, Turbines for solving the DO dilemma, Hydro Review; 11 (1), U.S., 30-36, ISSN 0884-0385.

Rohland K.M., Foust J.M., Lewis G.D., Sigmon J.C., 2010, Aerating Turbines for Duke Energy's New Bridgewater Powerhouse, Hydro Review, 29, No.3, p. 58-64.Rohland K.M., Foust J.M., Lewis G.D., Sigmon J.C., 2010, Aerating Turbines for Duke Energy's New Bridgewater Powerhouse, Hydro Review, 29, No.3, p. 58-64.

Perkinsin A., Dixon D., Dham R., Fous J., 2013, Development Status of the Alden Fish-Friendly Turbine, March, Hydro Review - the Magazine of the North American Hydroelectric Industry, p. 46-55.Perkinsin A., Dixon D., Dham R., Fous J., 2013, Development Status of the Alden Fish-Friendly Turbine, March, Hydro Review - the Magazine of the North American Hydroelectric Industry, p. 46-55.

Sale M.J., Cada G.F., Dauble D.D., 2006, Historical Perspective on the US Department of Energy's Hydropower Program, Proceeding of Hydro Vision International, HCI Publication, Kansas City.Sale M.J., Cada G.F., Dauble D.D., 2006, Historical Perspective on the US Department of Energy's Hydropower Program, Proceeding of Hydro Vision International, HCI Publication, Kansas City.

Sullivan A., Bennet K., 2006, Retrofit Aeration System (RAS) for Francis Turbine, Final Report, Ameren UE and MEC Water Resources Inc., contract FC36-02ID14408, US.Sullivan A., Bennet K., 2006, Retrofit Aeration System (RAS) for Francis Turbine, Final Report, Ameren UE and MEC Water Resources Inc., contract FC36-02ID14408, US.

Wahl T.L. and Young, D., 1995, Dissolved oxygen enhancement on the Provo River, Waterpower '95, Proc, Int. Conf. on Hydropower, ASCE, San Francisco.Wahl T.L. and Young, D., 1995, Dissolved oxygen enhancement on the Provo River, Waterpower '95, Proc, Int. Conf. on Hydropower, ASCE, San Francisco.

Wahl T.L., 1994, Aerating Powerplant Flows to Improve Water Quality, Currents - Transferring Information on Water Technology and Environmental Research, Research and Laboratory Services Division, Bureau of Reclamation.Wahl T.L., 1994, Aerating Powerplant Flows to Improve Water Quality, Currents - Transferring Information on Water Technology and Environmental Research, Research and Laboratory Services Division, Bureau of Reclamation.

Wahl T.L., Miller, J. and Young, D., 1994, Testing turbine aeration for dissolved oxygen enhancement, Fundamentals and Advancements in Hydraulic Measurements and Experimentation, ASCE Symp., New York.Wahl T.L., Miller, J. and Young, D., 1994, Testing turbine aeration for dissolved oxygen enhancement, Fundamentals and Advancements in Hydraulic Measurements and Experimentation, ASCE Symp., New York.

Патенты:Patents:

Bunea F., Ciocan G.D., Test bench for study of rotational biphasic flow study with adverse pressure gradient, (in romanian: Stand pentru studiul curgerilor bifazice, rotationale, cu gradient advers de presiune),Bunea F., Ciocan G.D., Test bench for study of rotational biphasic flow study with adverse pressure gradient, (in romanian: Stand pentru studiul curgerilor bifazice, rotationale, cu gradient advers de presiune),

- 6 036765- 6 036765

Patent application registration, OSIM no. A/00704/29.09.2015.Patent application registration, OSIM no. A / 00704 / 09.29.2015.

Cybularz J.M., Fisher R.K., Franke G.F., Grubb R.G., Dissolved gas augmentation with mixing chambers,Cybularz J.M., Fisher R.K., Franke G.F., Grubb R.G., Dissolved gas augmentation with mixing chambers,

Patent No. 5823740, US 005823740 A.Patent No. 5823740, US 005823740 A.

Cybularz J.M., Steele R.D., Scott I.E., Fisher R.K., Draft tube peripheral plenum, Patent No. 5941682,Cybularz J.M., Steele R.D., Scott I.E., Fisher R.K., Draft tube peripheral plenum, Patent No. 5941682,

US 005941682 A.US 005941682 A.

Kao D.T., Iowa A., Hydropowered turbine system, Patent No. 5780935, US 005780935 A.Kao D.T., Iowa A., Hydropowered turbine system, Patent No. 5780935, US 005780935 A.

Beywem J.R., Fisher R.K., Grubb R.G., Hydraulic turbine for enhancing the level of dissolved gas in water, Patent No. US 6247893, US 006247893 B1,Beywem J.R., Fisher R.K., Grubb R.G., Hydraulic turbine for enhancing the level of dissolved gas in water, Patent No. US 6247893, US 006247893 B1,

Desy N., Hydraulic turbine with enhanced dissolved oxygen, Patent No. US 6854958 B2, US 006854958 B2.Desy N., Hydraulic turbine with enhanced dissolved oxygen, Patent No. US 6854958 B2, US 006854958 B2.

Claims (3)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Система аэрации воды для гидравлических турбин, увеличивающая содержание растворенного кислорода (DOL) в воде, подаваемой на гидравлическую турбину, содержащая встроенное устройство аэрации воды, соответствующее внутренней геометрии конуса отсасывающей трубы турбины, причем система включает воздушную камеру (АС) с внутренними стенками, образованными из перфорированных пластин (1), прикрепленных на опорной решетке (2) таким образом, что они полностью или частично закрывают внутреннюю стенку при контакте с водой, при этом (АС) содержит верхнюю стенку (3), нижнюю стенку (4) и наружную стенку (5), на которой равном расстоянии друг от друга расположены трубы (6) для впуска воздуха для естественной аэрации (NA), причем трубы оснащены клапанами (7) для регулирования расхода воздуха;1. A water aeration system for hydraulic turbines, increasing the content of dissolved oxygen (DOL) in the water supplied to the hydraulic turbine, containing a built-in water aeration device corresponding to the internal geometry of the turbine exhaust pipe cone, and the system includes an air chamber (AC) with inner walls, formed from perforated plates (1) attached to the support grid (2) in such a way that they completely or partially cover the inner wall when in contact with water, while (AC) contains an upper wall (3), a lower wall (4) and an outer a wall (5), at which the pipes (6) for air inlet for natural aeration (NA) are located at an equal distance from each other, and the pipes are equipped with valves (7) for regulating the air flow rate; трубы (8) для впрыска воздуха для принудительной аэрации (FA) в воду, текущую через гидравлический контур турбины;pipes (8) for injection of forced aeration air (FA) into the water flowing through the turbine hydraulic circuit; сливной кран (9), предусмотренный для выпуска воды, входящей из гидравлического контура турбины в воздушную камеру (АС); и верхнюю секцию (18), оснащенную измерительным преобразователем, и нижнюю секцию (19), причем (АС) прикреплена к конусу отсасывающей трубы посредством верхнего (20) и нижнего фланцев (21).drain valve (9), provided for the discharge of water entering from the hydraulic circuit of the turbine into the air chamber (AC); and an upper section (18) equipped with a transmitter and a lower section (19), wherein (AC) is attached to the cone of the suction pipe by means of upper (20) and lower flanges (21). 2. Система аэрации воды для гидравлических турбин по п.1, отличающаяся тем, что перфорированные пластины (1), которые вместе с опорной решеткой (2) дублируют внутреннюю геометрию первоначального конуса отсасывающей трубы, содержат калиброванные отверстия диаметром 0,2-5 мм, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 3-7 диаметрам, чтобы избежать слияния пузырьков в потоке турбины, в зависимости от доли пустот, допустимой при расходе от турбины.2. A water aeration system for hydraulic turbines according to claim 1, characterized in that the perforated plates (1), which together with the support grid (2) duplicate the internal geometry of the original cone of the suction pipe, contain calibrated holes with a diameter of 0.2-5 mm, located at the same distance from each other, equal to 3-7 diameters, in order to avoid the coalescence of bubbles in the turbine flow, depending on the fraction of voids allowed at the flow rate from the turbine. 3. Система аэрации воды для гидравлических турбин по п.1, отличающаяся тем, что она активируется модулем управления с автоматическим управлением процессом аэрации для сведения к минимуму энергии, потребляемой при управлении (NA) за счет задействования клапана (7) и (FA) за счет задействования сжатого воздуха в зависимости от разниц давления между отсасывающей трубой турбины и атмосферным давлением, а также от (DOL) ниже по потоку от турбины.3. Water aeration system for hydraulic turbines according to claim 1, characterized in that it is activated by a control module with automatic control of the aeration process to minimize the energy consumed during control (NA) by actuating the valve (7) and (FA) for by using compressed air depending on the pressure differences between the turbine suction pipe and atmospheric pressure, as well as on (DOL) downstream of the turbine.
EA201991878A 2017-09-20 2018-09-19 Water aeration system for hydraulic turbines EA036765B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201700688A RO132390B1 (en) 2017-09-20 2017-09-20 Water aeration system for hydraulic turbines
PCT/RO2018/000016 WO2019059793A1 (en) 2017-09-20 2018-09-19 Water aeration system for the hydraulic turbines

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201991878A1 EA201991878A1 (en) 2020-01-09
EA036765B1 true EA036765B1 (en) 2020-12-17

Family

ID=61246746

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201991878A EA036765B1 (en) 2017-09-20 2018-09-19 Water aeration system for hydraulic turbines

Country Status (3)

Country Link
EA (1) EA036765B1 (en)
RO (1) RO132390B1 (en)
WO (1) WO2019059793A1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB202007238D0 (en) 2020-05-15 2020-07-01 Nchain Holdings Ltd Computer-implemented system and method
CA3211356A1 (en) * 2021-03-11 2022-09-15 Stuart Coulson Hydroelectric turbine installation and operation method for enhancing the level of dissolved oxygen
WO2024052322A1 (en) 2022-09-09 2024-03-14 Nchain Licensing Ag Methods and systems for improved communications across a blockchain network

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4142826A (en) * 1976-11-26 1979-03-06 Dominion Engineering Works Limited Draft tube aeration with check valves
EP1491765A2 (en) * 2003-06-25 2004-12-29 General Electric Canada Inc. Hydraulic turbine draft tube comprising a gas distribution manifold
RO125779A0 (en) * 2010-06-02 2010-10-29 Florian Petre Daia Device for reducing vortex and increasing vortexed water oxidation
CN103547792A (en) * 2011-02-28 2014-01-29 阿尔斯通再生能源技术公司 Fin and installation for converting hydraulic energy comprising such a fin

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4142826A (en) * 1976-11-26 1979-03-06 Dominion Engineering Works Limited Draft tube aeration with check valves
EP1491765A2 (en) * 2003-06-25 2004-12-29 General Electric Canada Inc. Hydraulic turbine draft tube comprising a gas distribution manifold
RO125779A0 (en) * 2010-06-02 2010-10-29 Florian Petre Daia Device for reducing vortex and increasing vortexed water oxidation
CN103547792A (en) * 2011-02-28 2014-01-29 阿尔斯通再生能源技术公司 Fin and installation for converting hydraulic energy comprising such a fin

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019059793A1 (en) 2019-03-28
RO132390A3 (en) 2019-03-29
EA201991878A1 (en) 2020-01-09
RO132390A0 (en) 2018-02-28
RO132390B1 (en) 2023-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA036765B1 (en) Water aeration system for hydraulic turbines
KR101048970B1 (en) Device for circulating water installed in the park and lake
CN101705935B (en) Water pump parallel machine set operation mechanism and control strategy simulation test device
CA2470569C (en) Hydraulic turbine draft tube with enhanced dissolved oxygen
US20040253097A1 (en) Hydropowered turbine system
US5941682A (en) Draft tube peripheral plenum
KR101400394B1 (en) Energy system for sewage treatment station
March et al. Turbines for solving the DO dilemma
CN104405457B (en) A kind of energy gradient utilization system of back pressure turbine heat supply
JP2016173075A (en) Hydraulic machinery and operation method of the same
CN101000036A (en) Air type tide generating method and special apparatus thereof
RU2663436C2 (en) Submersible hydroelectric power plant
CN107313889B (en) Vertical self-contained conduit type hydroelectric generating group
CN201242363Y (en) Multifunctional water wheel type cooling device
CA2472540C (en) Hydraulic turbine with enhanced dissolved oxygen
CN2578540Y (en) Hydraulic turbine with pressure impulse elimination
CN206754781U (en) A kind of vertical oil pump band check-valves outlet line
CN215486640U (en) Service frequency electric water feed pump mechanical seal life-prolonging structure
CN204097198U (en) The full-automatic unpowered sewage disposal device of buried type integrated
CN204064661U (en) A kind of engine valve actuating mechanism bench test device
CN212559658U (en) Water inlet aeration adjusting system of integrated sewage treatment equipment
CN214580475U (en) Siphon breaking device
CN209178077U (en) It can be used for the submersible aerator of MBBR floating stuffing
CN204099105U (en) The cooling tower systems of tubular turbine and establishment thereof
Harshbarger et al. Turbine venting for dissolved oxygen improvements at bull shoals, norfork, and table rock dams

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM BY KG TJ TM