ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ОДНОБАССЕЙНОВОЙ ПРИЛИВНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (ПЭС) С ВОДОДВИГАТЕЛЯМИ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ЛОПАСТИ
HYDRAULIC SYSTEM OF ONE BASIN TIDAL POWER PLANT WITH WATER ENGINE WITH BLADE VARIABLE GEOMETRY

Изобретение относится к гидротехническому строительству и к гидроэнергетике и может быть использовано для строительства гидросооружений приливных электростанций (ПЭС) и реконструкции существующих ПЭС.
В гидротехнике принято подразделять все гидротехнические сооружения на постоянные и временные. К временным относятся сооружения, используемые только в период строительства и ремонта постоянных сооружений. Постоянные гидротехнические сооружения подразделяют на основные и второстепенные. К основным относят гидротехнические сооружения, повреждение которых приводит к нарушению работы ПЭС. К второстепенным относят сооружения, разрушение которых не влияет на работу ПЭС.
Таким образом, основными гидротехническими сооружениями ПЭС независимо от того, входят они в состав напорного фронта или нет, являются:
- отсекающая плотина;
- здание ПЭС;
- рыбоходы;
- судопропускные сооружения (шлюзы);
- другие сооружения обеспечивающие работу ПЭС.
Отсекающие плотины ПЭС создают напорный фронт между морем и бассейном и в зависимости от схемы могут иметь различную конструкцию.
Однобассейновая ПЭС имеет одну плотину, отсекающую бассейн от океана, и включает в себя глухую и водопропускную части плотины, сопрягающие дамбы (береговые примыкания) и здание ПЭС. Здание ПЭС предназначено для размещения турбины, генератора и другого оборудования, необходимого для выработки электроэнергии.
Известен комплекс основных гидротехнических сооружений однобассейновой ПЭС, предложенный для опытно-промышленной Северной ПЭС в губе Долгой Баренцева моря, включающий отсекающую плотину ПЭС, в составе которой имеются сопрягающие дамбы (грунтовые береговые примыкания), глухие наплавные блоки и наплавной блок здания ПЭС с рыбоходами (журнал «Малая энергетика» №1-2, 2011 г., статья «Северная приливная электростанция», авторы Шполянский Ю.Б. и др.). Недостатком такого решения является близость взаимного расположения рыбоходов и гидросилового оборудования, работа которого (шум воды в лопастях, гул электрооборудования и др.) оказывают негативное влияние на рыбопропускную способность рыбоходов, и низкая эффективность турбин из-за периодичности работы.
Аналогичные комплексы дорогостоящих основных гидротехнических сооружений однобассейновых ПЭС имеют Мезенская, Тугурская и Пенжинсккая ПЭС (Длина Мезенской ПЭС - около 90 км, длина Северной ПЭС около 1 км и т.д.).
Известен, выбранный в качестве прототипа, комплекс экспериментальной Кислогубской ПЭС (журнал «Гидротехническое строительство» №9, 2007 г., статья «Сооружение типового наплавного энергоблока для приливных электростанций», авторы Усачев И.Н., Шполянский Ю.Б. и др.).
Общим недостатком строительства ПЭС является: высокая материалоемкость; трудность перекрытия створа; низкий коэффициент использования дорогих наплавных блоков во время продолжительного строительства, так как паспортная производительность наступает только после завершения строительства и установки оборудования; происходит моральное устаревание турбин. Например, наплавной блок здания Кислогубской ПЭС, установленный в 1968 г. с турбиной диаметром 3,3 м (0,4 МВт) заменен в 2007 г. на новый с турбиной диаметром 5 м (1,5 МВт) и пристыкован к старому блоку, так как поменять турбины старую на новую без разборки наплавного блока, входящего в напорный фронт, практически невозможно по экономическим и техническим причинам.
Известно описание изобретения к патенту РУ 2494193 С1, заявка от 02.04.2012 г., принятого за аналог, так как по Кислогубской ПЭС дает 10 пунктов усовершенствования с увеличением мощности почти в 3 раза.
Недостатком принятых решений по увеличению мощности является то, что оно достигается арифметическим увеличением количества дорогостоящих зданий ПЭС. Также не очень корректное решение: к старому зданию ПЭС, имеющему водовод для турбины 3,3 м, пристыковать здание с новой турбиной, требующей водовод для нее шириной 5 м.
Задачей настоящего изобретения является дать возможность заменять пришедшие в негодность блоки отсекающей плотины напорного фронта и зданий работающих ПЭС без ущерба работе остальным участкам плотины недорогими средствами, заменить устаревшие дорогие типы турбин на недорогие, быстро сменяемые «вододвигатели с изменяемой геометрией лопасти», увеличить мощность существующих ПЭС во много раз, применить новые материалы и новые методы строительства для устройства приливных плотин с учетом новых технических разработок.
Объектом изобретения является гидротехнический комплекс однобассейновой приливной электростанции (ПЭС), включающий наплавные блоки зданий ПЭС, установленные последовательно для многоразового использования расхода воды, глухие наплавные блоки отсекающей плотины, водопропускные наплавные блоки, рыбоходы, судопропускное устройство (шлюз) или водопропускное сооружение, сопрягающие дамбы, дорогу вдоль плотины и козловые краны для подъема привозимого оборудования, отличающийся тем, что вместо дорогостоящих наплавных блоков зданий ПЭС, имеющих каждый по одной турбине, водоводы и помещения с электрооборудованием, содержит одно здание энергоблок 1, входящий в напорный фронт плотины, который собирается на месте из сборных железобетонных элементов 1-0 в здание, имеющее по центру машинный зал 1-6 и примыкающие с двух сторон по два водовода 1-7, имеющие каждый по два-четыре вододвигателя 1-1 с изменяемой геометрией лопасти, оси вододвигателей 1-5 расположены на уровне поверхности океана при максимальном отливе (отметка 0,00), а дно бассейна имеет водонаправляющий канал 5 к вододвигателям, заглубленным на высоту лопасти, при этом водонаправляющий канал служит рыбоходом для пропуска рыбы во время максимума отлива.
Гидротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что глухие наплавные блоки 2 выполнены цилиндрическими емкостями-блоками из наноткани, имеющей прочность ткани, из которой изготовляют стропы для подъема болванок весом 500 т, причем емкости внутри содержат небольшие емкости-распорки 2-2 и все они заполнены водой под давлением, которое создается волновыми насосами 9.
Гидротехнический комплекс по п. 1 или 2, отличающийся тем, что глухие наплавные блоки 3 установлены ниже верхнего ординара с учетом установки по верху волноловителей 4, которые во время максимального прилива пропускают набегающую волну и закрывают выход обратно.
Гидротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно в процессе эксплуатации используются кран-укосины для мелких грузов, например сменных лопастей вододвигателей весом до 0,15 т или вала до 0,3 т, для замены их во время отлива, тяжелые трансформаторы и генераторы заменяются краном с баржи во время прилива, так как вместо дороги возле плотины устроены водонаправляющие каналы 5.
Сущность предлагаемого устройства и принцип его действия поясняется чертежами:
Фиг. 1, Вид сверху - фрагмент плана ПЭС.
Фиг. 2, Разрез 1-1 - размещение вододвигателей 1-1 в водоводах 1-7. Положение лопасти 1-2 при приливе.
Фиг. 3, Разрез 1-1 - положение лопасти 1-2 при отливе. Сборочные детали вододвигателя 1-1. Лопасть 1-2, ось лопасти 1-3, траверса лопасти 1-4, ось вододвигателя 1-5.
Фиг. 4, Разрез 2-2 - блокировка вододвигателей 1-1 с машинным отделением 1-6.
Фиг. 5, Разрез 3-3 - разрез по рядовому блоку 2 напорной плотины.
Фиг. 6, Разрез 4-4 - разрез по укороченному блоку 3 с волноловителем 4.
Фиг. 7, Узел 3 - конструкция волноловителя 4 и крепление его к укороченному блоку.
Фиг. 8, Разрез 5-5 - крепление стенки-поплавка 4-1 волноловителя 4 к его основанию 4-4 и соединение стенок-поплавков 4-1 между собой в плотину.
Фиг. 9, Узел 2 - крепление блока 2 к плите фундамента.
Фиг. 10, Узел 4 - волновой насос 9. План.
Фиг. 11, Разрез 6-6 - волновой насос 9 в разрезе.
Фиг. 12, Разрез 7-7 - привод храповика 9-2 волнового насоса 9.
Гидротехнический комплекс однобассейновой ПЭС (Фиг. 1, Вид сверху) - показан фрагмент плана комплекса, который содержит энергоблок 1, состоящий из сборных железобетонных элементов 1-0, имеет водоводы 1-7 с установленными в них «Вододвигателями 1-1 с изменяемой геометрией лопасти» и машинного отделения 1-6 с кинематическими устройствами; глухие наплавные блоки 2; укороченные наплавные блоки 3 с закрепленными на них волноловителями 4; водонаправляющий канал 5 к вододвигателям 1-1, канал также служит рыбоходом; судопропускное и водопропускное устройство 6; сопрягающие дамбы 7; переходник 8, состоящий из сборных железобетонных элементов по типу энергоблока; волновой насос 9 для поддержания постоянного давления в емкостях блоков 2 и 3.
На Фиг. 2, Разрез 1-1 показаны содержащиеся в энергоблоке 1 водоводы 1-7 с размещенными в них вододвигателями 1-1 с положением работающих лопастей при приливе, водонаправляющий канал 5, отметка 0,00 максимальный отлив.
На Фиг. 3, Разрез 1-1 показаны водоводы 1-7, содержащие вододвигатели 1-1, состоящие из элементов: лопасть 1-2, ось лопасти 1-3, траверса 1-4, ось вододвигателя 1-5, положение работающей лопасти 1-2 при отливе, сетка страховочная 10.
На Фиг. 4, Разрез 2-2 показана блокировка вододвигателей 1-1, машинное отделение 1-6, сборные железобетонные элементы 1-0.
На Фиг. 5, Разрез 3-3 показано устройство глухого наплавного блока 2 из прочной водонепроницаемой наноткани, внутренняя емкость 2-1, распорки емкости 2-2, затяжка-лестница 2-3, напорный водопровод 9-6.
На Фиг. 6, Разрез 4-4 показан укороченный блок 3 в разрезе (аналогично блоку 2), волноловитель 4 для повышения уровня воды в бассейне в часы максимального прилива.
На Фиг. 7, Узел 1 - устройство волноловителя 4 в разрезе: 4-1 стенка-поплавок, 4-2 рессора, 4-3 крепление рессоры к основанию 4-4, ось стенок-поплавков 4-5,проушина 4-6, элемент крепления 4-9 к блоку 3.
На Фиг. 8, Разрез 5-5 - сборка из стенок-поплавков 4-1 плотины: - ось 4-5, проушина 4-6, пружина 4-7, тросик выдвижения оси 4-8 при сборке.
На Фиг. 9, Узел 2 показано крепление блока 2 и емкости 2-2 к фундаментной плите с помощью фланца 2-3, допускающее покачивание их при шторме.
На Фиг. 10, Узел 3 показан волновой насос 9 в плане со свободноплавающей кареткой 9-3 в направляющих 9-4, площадка-поплавок 9-1 служит для привода в действие поршней с помощью поднимающей ее волны. Перед штормом насос необходимо поднять лебедкой к оголовку направляющих 9-4.
На Фиг. 11, Разрез 6-6 показан волновой насос 9 в разрезе, содержащий площадку 9-1 для привода насоса в работу, площадки 9-2 для фиксации каретки 9-3 в направляющих 9-4.
На Фиг. 12, Разрез 1-1 показаны площадки-поплавки 9-2 с храповиками, каретка 9-3, направляющая 9-4, в которой движется каретка.
Осуществление изобретения
Капремонт работающей ПЭС. На выровненное основание (возле ремонтируемого участка) в виде буквы П привозятся и раскладываются основания глухих блоков 2 с прикрепленными к ним емкостями из наноткани, во время отлива к их верху крепятся поплавки, которые будут подниматься во время прилива вместе с заполняющей водой емкостью, до проектной отметки доливаются насосом, производится герметизация, если образовалась щель при стыковке плотин, то небольшие емкости 2-2 с двух сторон скрепляются стропами крест-накрест через щель между собой и заполняются водой, разваливающийся блок разбирается и в проран заводится новый глухой блок или новое здание с турбиной, блоки 2 разгерметизируются, сверху кладется груз и во время отлива к сдувшемуся блоку 2 крепятся стропы с поплавком, чтобы перевезти его во время прилива на другой ремонтируемый участок плотины.
Капремонт работающей ПЭС (Вариант 2). Строится временная плотина, после разборки заменяемого блока плотины в проран ставятся блоки 2, имеющие уширенное основание с просветом между блоками 2 на толщину проектируемого контрфорса (петлевые выпуски основания блока 2 дополнительно армируются под контрфорс), со стороны океана крепится треугольная емкость-приставка так, чтобы образовалась наклонная плоскость в 70 градусов, на которой бетонируется железобетонная тонкостенная оболочка с устройством по верху балки, чтобы у оболочки была опора по четырем сторонам - две на контрфорсы, на основание и по верху на балку, перед бетонированием емкости блока 2 и треугольную приставку заполнить песчано-галечниковой смесью, вытесняя воду, чтобы блоки 2 все время могли противостоять шторму, и после 28 дней созревания бетона наноткань можно разрезать и отвинтить фланцы от основания блока 2, если оболочка рассчитана на удар набегающей волны, а не как облицовка.
Для «Мини-ПЭС». Волноловители 4 устраиваются по железобетонным балкам, установленным на блоки 3, чтобы верх находился на уровне максимального прилива, отгораживается небольшой участок берега, соответствующий мини-энергоблоку 1, блоки 3 могут быть упрощенной конструкции, где используется не водонепроницаемая наноткань, а водонепроницаемость обеспечивается за счет гидроизоляционной пленки, подвешенной на опоре по центру блока 2 и засыпаемой песчано-галечниковой смесью с двух сторон одновременно, аналогично устраивается глиняный замок, засыпая глину между двух щитов и поднимая щиты по мере засыпания блоков 2 смесью.
Волновые насосы 9 можно использовать как самостоятельные устройства, сблокировав их попарно с помощью сварки направляющих 9-4, а на оголовках (к которым в шторм поднимается насос 9) устроить площадку с установкой турбины с генератором, воду от нескольких блоков насосов подавать по напорным трубам на турбину для выработки электроэнергии.
Также от блоков волновых насосов 9 можно воду подавать в аккумулирующий бассейн и в часы пиковой нагрузки использовать для выработки электроэнергии.
В жарких районах можно подавать воду волновыми насосами 9 на испарители опреснительных установок.
Источники информации
1. Патент RU 2494193 С1, Бюл. №27 от 27.09.2013 г.