НАПОРНЫЙ ВОДОВОД ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Полезная модель относится к гидроэнергетике, в частности, к напорным водоводам гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), а также может быть использована в напорных водоводах гидроэлектростанций (ГЭС) и насосных станций (НС), работающих в режиме гидроаккумулирования.
Известен напорный водовод (Здания гидроэнергетических установок / Под редакцией Д.С.Щавелева. Л: «Энергия», 1967, рис.6-4б., стр.107.) [1]. Он включает входной оголовок и водовод. По напорному водоводу обеспечивается подвод воды из водоема к энергетическим агрегатам электростанции.
Недостатком известного устройства является значительные потери энергии потока по длине водовода и энергии из-за наличия местных сопротивлений. Потери энергии по длине обусловлены трением потока о внутреннюю стенку оболочки водовода. Местные сопротивления вызывают колена водовода, а также изменения диаметра водовода. Из-за потерь энергии потока в водоводе уменьшается выработка электроэнергии на электростанции и снижается эффективность ее работы.
Известен также напорный водовод гидроаккумулирующей электростанции (Авторское свидетельство 1289954 СССР, МКИ Е02В 9/04. Водоприемник-водовыпуск гидроаккумулирующей электростанции / Ленинградский политехнический институт. - Опубл. 15.02.87, бюл. №6) [2]. Он включает входной оголовок, переходный участок и водовод. В этом известном устройстве для уменьшения потерь энергии потока за счет снижения местных сопротивлений во входном оголовке и переходном участке размещены потоконаправляющие элементы. Эти потоконаправляющие элементы устраняют угловые зоны во входном оголовке и переходном участке и тем самым создают более благоприятные гидравлические условия и уменьшают потери энергии.
Недостатком этого известного устройства является значительные потери энергии потока из-за наличия местных сопротивлений в виде колен водовода, а также изменения диаметра водовода по его длине. В коленах водовода резко изменяется направление потока воды. При этом сразу за поворотом из-за проявления инерции водного потока образуется вихревая (водоворотная) зона (с.258, рис.6-1, [3]). Наличие такой вихревой зоны обуславливает увеличение местного сопротивления и потерь энергии потока. Кроме этого, потери энергии потока происходят в местах изменения диаметра водовода. Диаметр изменяется в связи с технико-экономическими расчетами. Оптимальный диаметр водовода уменьшается с возрастанием напора в водоводе [4, с.43]. Изменение диаметра предусматривают в анкерной опоре. При этом если электростанция работает в турбинном режиме, когда диаметр водовода по направлению потока уменьшается, то изменение диаметра вызывает местное сопротивление и увеличение потерь энергии. Если же электростанция работает в насосном режиме, когда диаметр водовода по направлению движения воды увеличивается, то изменение диаметра вызывает не только местное сопротивление, но и отрыв потока от оболочки, из-за чего потери энергии значительно возрастают.
Известен также напорный водовод гидроаккумулирующей электростанции (Патент 2169229 РФ, МКИ Е02В 9/04. Водоприемник-водовыпуск / Самарская государственная архитектурно-строительная академия. - Опубл. 20.06.2001, бюл. №17) [5]. Принятое за прототип устройство предназначено для гидроаккумулирующей электростанции. Оно включает входной оголовок, переходный участок, водовод и потоконаправляющие элементы, установленные в водоводе и выполненные в виде пластин. В этом устройстве потоконаправляющие элементы обеспечивают закрутку водного потока в водоводе и, тем самым, предотвращают отрыв потока от стенок водовода при движении воды в направлении увеличения диаметра и площади его поперечного сечения. Это приводит к уменьшению потерь энергии потока при движении воды от участка водовода с меньшим диаметром к участку водовода с большим диаметром или к входному оголовку (в насосном режиме).
Недостаток прототипа заключается в значительных потерях энергии потока в связи с наличием местных сопротивлений в виде колен (резких поворотов) водовода, в области которых образуются вихревые зоны.
Кроме того, недостатком этого устройства является значительная его материалоемкость, трудоемкость и стоимость, обусловленная необходимостью применения дорогостоящего материала для пластин, а также изготовлением их в виде сложного профиля. На изготовление сложной формы пластин потребуются существенные трудозатраты. Все это обусловит повышение стоимости устройства.
Также недостатком прототипа является низкая надежность его работы, обусловленная наличием подвижных элементов. Подвижные элементы в зависимости от режима работы электростанции должны занимать различное положение. Поэтому они закреплены на осях, размещенных непосредственно в водоводе. Однако выход из строя оси (например, ее смещение), может заблокировать перемещение потоконаправляющего элемента и привести к его поломке и аварии на водоводе.
Сущность полезной модели состоит в уменьшении потерь энергии потока в напорном водоводе, уменьшении материалоемкости, трудоемкости изготовления элементов водовода и его стоимости, а так же в повышении надежности работы напорного водовода.
Технический результат - повышение эффективности работы гидроаккумулирующей электростанции, снижение стоимости напорного водовода, а также повышение надежности его работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном напорном водоводе гидроаккумулирующей электростанции, включающем входной оголовок, переходный участок, водовод, анкерную опору, колено напорного водовода и потоконаправляющий элемент, особенностью является то, что напорный водовод снабжен опорной прокладкой, потерной, соединительным трубопроводом, патрубком с запорной арматурой, фиксирующими продольными и поперечными уплотнительными лентами, а потоконаправляющий элемент выполнен в виде эластичной оболочки, причем, опорная прокладка размещена между водоводом и анкерной опорой, потерна размещена в теле анкерной опоры, соединительный трубопровод вмонтирован в тело анкерной опоры и размещен таким образом, что его часть проходит непосредственно через потерну, патрубок с запорной арматурой размещен на соединительном трубопроводе в потерне, потоконаправляющий элемент размещен на внутренней стороне водовода в районе его колена, фиксирующие продольные и поперечные уплотнительные ленты также размещены внутри водовода непосредственно на краях потоконаправляющего элемента и в средней его части, при этом потоконаправляющий элемент закреплен в водоводе таким образом, что его продольные края расположены в средней части противоположных боковых внутренних поверхностях водовода параллельно оси водовода и закреплены к его стенке при помощи фиксирующих продольных уплотнительных лент и шпилек, а поперечные края потоконаправляющего элемента расположены с противоположных сторон колена: один - с верховой стороны колена, другой - с низовой стороны колена, оба - на нижней внутренней поверхности водовода в плоскости, перпендикулярной оси водовода, и закреплены к его стенке при помощи фиксирующих верховой и низовой поперечных уплотнительных лент посредством шпилек, причем непосредственно на колене потоконаправляющий элемент также закреплен к стенке водовода при помощи фиксирующей средней поперечной уплотнительной ленты посредством шпилек, что обеспечивает образование верховой и низовой полостей между потоконаправляющим элементом и внутренней поверхностью водовода, кроме того, верхний конец соединительного трубопровода соединен с верховой полостью, образуемой потоконаправляющим элементом и внутренней поверхностью водовода, а нижний конец соединительного трубопровода соединен с низовой полостью.
Предлагаемое устройство может эффективно применяться в напорных водоводах гидроаккумулирующих электростанций, особенностью которых является реверсивное движение водного потока в связи с работой ГАЭС в турбинном и насосном режимах, и может быть использовано в водоприемных сооружениях ГЭС и водовыпускных устройствах насосных станций, работающих в режиме гидроаккумулирования. При этом автоматически обеспечиваются наиболее выгодные гидравлические сечения напорного водовода на участках изменяющих направление движения водного потока как для турбинного, так и для насосного режимов, и, следовательно, наименьшие потери энергии потока по длине водовода.
Эффект от использования предлагаемого устройства заключается в том, что обеспечивается упрощение эксплуатации из-за применения автоматического регулирования гидравлических сечений напорного водовода на участках изменяющих направление движения водного потока, снижение потерь энергии потока в водоводе, и, следовательно, повышение производительности участка изменяющего направление движения водного потока независимо от направления движения потока в турбинном или насосном режимах, а также исключения жестких потоконаправляющих элементов и увеличения надежности работы всей конструкции.
На фиг.1 изображен поперечный разрез напорного водовода ГАЭС, где приняты следующие обозначения: водоприемно-водовыпускной оголовок 1, переходной участок 2, колено напорного водовода 3, сухая смотровая потерна 4, соединительный водовод 5, опорная прокладка 6, потоконаправляющий элемент в виде эластичной оболочки 7, уплотнительная лента 8, шпилька 9, регулирующий патрубок с запорной арматурой 10, анкерная опора 11.
На фиг.2 изображен разрез 1-1 напорного водовода ГАЭС, где приняты следующие обозначения: колено напорного водовода 3, потоконаправляющий элемент в виде эластичной оболочки 7 (положение при работе напорного водовода в турбинном режиме), возможное положение потоконаправляющего элемента в виде эластичной оболочки 7 (при работе напорного водовода в насосном режиме).
На фиг.3 изображен продольный разрез фрагмента напорного водовода ГАЭС при работе напорного водовода в турбинном режиме (поток воды движется слева направо), где приняты следующие обозначения: колено напорного водовода 3, сухая смотровая потерна 4, соединительный водовод 5, опорная прокладка 6, потоконаправляющий элемент в виде эластичной оболочки 7 (возможное положение при работе в турбинном режиме), уплотнительная лента 8, шпилька 9, регулирующий патрубок с запорной арматурой 10, анкерная опора 11.
На фиг.4 изображен продольный разрез фрагмента напорного водовода ГАЭС при работе напорного водовода в насосном режиме (поток воды движется справа налево), где приняты следующие обозначения: колено напорного водовода 3, сухая смотровая потерна 4, соединительный водовод 5, опорная прокладка 6, потоконаправляющий элемент в виде эластичной оболочки 7 (при работе в насосном режиме), потоконаправляющий элемент в виде эластичной оболочки 7 (возможное положение при работе в насосном режиме), уплотнительная лента 8, шпилька 9, регулирующий патрубок с запорной арматурой 10, анкерная опора 11.
Поперечный разрез напорного водовода ГАЭС включает в себя входной оголовок, переходный участок, водовод, анкерную опору, колено, потоконаправляющий элемент. Напорный водовод снабжен опорной прокладкой, потерной, соединительным трубопроводом, патрубком с запорной арматурой, фиксирующими продольными и поперечными уплотнительными лентами, а потоконаправляющий элемент выполнен в виде эластичной оболочки.
Опорная прокладка размещена между водоводом и анкерной опорой, потерна размещена в теле анкерной опоры, соединительный трубопровод вмонтирован в тело анкерной опоры и размещен таким образом, что его часть проходит непосредственно через потерну. Патрубок с запорной арматурой размещен на соединительном трубопроводе в потерне, потоконаправляющий элемент в виде эластичной оболочки размещен на внутренней выпуклой стороне водовода в районе его колена, фиксирующие продольные и поперечные уплотнительные ленты также размещены внутри водовода непосредственно на краях потоконаправляющего элемента и в средней его части.
Потоконаправляющий элемент в виде эластичной оболочки закреплен в водоводе таким образом, что его продольные края расположены в средней части противоположных боковых внутренних поверхностей водовода параллельно оси водовода и закреплены к его стенке при помощи фиксирующих продольных уплотнительных лент и шпилек. Поперечные края потоконаправляющего элемента расположены с противоположных сторон колена: один - с верховой стороны колена, другой - с низовой стороны колена, оба - на нижней внутренней поверхности водовода в плоскости, перпендикулярной оси водовода, и закреплены к его стенке при помощи фиксирующих верховой и низовой поперечных уплотнительных лент посредством шпилек. Непосредственно на колене потоконаправляющий элемент также закреплен к стенке водовода при помощи фиксирующей средней поперечной уплотнительной ленты посредством шпилек. Такое крепление обеспечивает образование верховой и низовой полостей между потоконаправляющим элементом и внутренней поверхностью водовода.
Верхний конец соединительного трубопровода соединен с верховой полостью, образуемой потоконаправляющим элементом и внутренней поверхностью водовода, а нижний конец соединительного трубопровода соединен с низовой полостью.
Устройство работает следующим образом. Водный поток, при работе напорного водовода ГАЭС в турбинном режиме, поступая в колено напорного водовода 3 и проходя в центральную часть колена, выдавливает объем вещества из замкнутой полости, образованной опорной прокладкой 6 водовода и потоконаправляющим элементом в виде эластичной оболочки 7, входного участка колена напорного водовода 3. Выдавленный объем вещества посредством соединительного водовода 5, перетекает в замкнутую полость, образованную опорной прокладкой 6 водовода и потоконаправляющим элементом в виде эластичной оболочки 7, в выходной участок колена напорного водовода 3, тем самым образовывая более эффективную гидравлическую форму продольного сечения колена напорного водовода 3 и наименьшие местные потери напора, а, следовательно, большую выработку электроэнергии. При этом регулирующий патрубок с запорной арматурой 10, расположенный на соединительном водоводе 5 позволяет корректировать объем перетекающей жидкости.
При прохождении потока, при работе напорного водовода ГАЭС в насосном режиме, поступая в колено напорного водовода 3, повторяет вышеописанное в обратном направлении, образовывая эффективную гидравлическую форму продольного сечения колена напорного водовода 3 и наименьшие местные сопротивления, а, следовательно, меньшие затраты электроэнергии при работе в насосном режиме.
Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается уменьшение потерь энергии потока в напорном водоводе из-за снижения местного сопротивления потоку в колене водовода за счет исключения вихревых зон как в турбинном, так и в насосном режимах работы ГАЭС. Кроме того из-за применения потоконаправляющих элементов, выполняемых из эластичного материала, обеспечивается уменьшение материалоемкости и трудоемкости при изготовлении водовода. При этом применение эластичных гибких оболочек, способных автоматически принимать оптимальное очертание в зависимости от режима работы гидроаккумулирующей электростанции (направления потока воды в водоводе), повысит надежность работы напорного водовода. Автоматически принимаемое оптимальное положение потоконаправляющего элемента и снижение потерь энергии обеспечит большую выработку электроэнергии при работке ГАЭС в турбинном режиме и меньшие затраты электроэнергии при работе ГАЭС в насосном режиме.
3
В результате применения предлагаемого устройства достигается комплексный экономический эффект. Только при уменьшении потерь напора в напорном водоводе на 0,05 м для ГАЭС, работающей в турбинном режиме, с расходом через один агрегат 100 м/с и работающей 2000 часов в году, дополнительная выработка электроэнергии на один агрегат составит около 100 тыс. кВт-ч, а дополнительный доход, при тарифе 2,4 руб./кВт-ч, превысит 220 тыс. руб.
Источники информации:
1. Здания гидроэнергетических установок / Под редакцией Д.С.Щавелева. Л.: Издательство «Энергия», 1967.
2. Авторское свидетельство 1289954 СССР, МКИ Е02В 9/04. Водоприемник-водовыпуск гидроаккумулирующей электростанции / Ленинградский политехнический институт. - Опубл. 15.02.87, бюл. №6.
3. И.Е.Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О.Штейнберга - М.: Машиностроение, 1992.
4. Клингерт Н.В., Хохарин А.Х., Фрейшист А.Р. Стальные водоводы гидроэлектростанций. - М.: Энергия, 1973.
5. Патент 2169229 РФ, МКИ Е02В 9/04. Водоприемник-водовыпуск / Самарская государственная архитектурно-строительная академия. - Опубл. 20.06.2001, бюл. №17.