ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована при организации энергетического комплекса в составе атомной или тепловой электростанции (АЭС или ТЭС) и, по меньшей мере, одной гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС).
Ограниченные возможности маневрирования мощностью АЭС и ТЭС компенсируются параллельной с ними работой ГАЭС, что положительно влияет на работу всех составляющих комплекса.
Известен энергетический комплекс, содержащий ТЭС с прудом-охладителем и ГАЭС с верхним и нижним бассейнами; воду на ТЭС подают из пруда-охладителя в часы пика нагрузки, сбрасывая воду из верхнего бассейна в нижний, и подают в часы провала нагрузки из нижнего бассейна в верхний, СН 450067. Однако насосный режим подачи воды в часы провала нагрузки связан с возможными сбоями в работе насосного оборудования и требует дублирования системы, а работа насосного оборудования в период между утренними и вечерними часами пика нагрузи и часами ночного провала нагрузки требует больших затрат энергии. Нагретая вода, поступившая в нижний бассейн, охлаждается недостаточно, перемешиваясь со сбросной водой ГАЭС, так как сразу после завершения сброса воды она забирается обратно. Это может привести к перегреву конденсаторов, а, следовательно, к снижению мощности ТЭС. Кроме того, зависимость технического водоснабжения ТЭС от работы ГАЭС вызывает необходимость в наличии большого количества затворов, водоводов, реверсивных переключающих устройств для предотвращения обратного тока воды в конденсаторах ТЭС, что усложняет конструкцию и эксплуатацию системы.
Более эффективны комбинированные энергетические комплексы, включающие сооружения разного назначения, связанные друг с другом, SU 676740. Комбинированная энергосистема содержит ТЭС с прудом-охладителем и ГАЭС с верхним и нижним бассейнами, при этом пруд-охладитель соединен сбросным трубопроводом с нижним бассейном и через дополнительно установленную насосную станцию с верхним бассейном, на сбросном трубопроводе установлена гидротурбина, причем вода на тепловую электростанцию подается из пруда-охладителя. Сброс воды осуществляется в часы пика нагрузок из пруда-охладителя в нижний бассейн, а в часы провала нагрузки вода подается в таком же количестве в нижние слои пруда-охладителя.
Основной недостаток этого энергетического комплекса заключается в том, что выпущенная из конденсаторов ТЭС в пруд-охладитель нагретая вода снова подается в ТЭС с еще достаточно высокой температурой, что снижает эффективность работы ТЭС и может привести к перегреву конденсаторов. Пруд-охладитель должен быть не только достаточно большим, но и иметь соответствующее очертание для обеспечения требуемого режима охлаждения воды; иначе высокая температура воды вызовет повышенное зарастание пруда-охладителя и цветение воды, что вызовет необходимость дополнительных затрат. Этот недостаток сохранится даже с учетом сброса части нагретой воды в часы пика нагрузки из пруда-охладителя через сбросной трубопровод и турбину в нижний бассейн ГАЭС, а в часы провала нагрузки - подачей холодной воды из верхнего бассейна ГАЭС в нижние слои пруда-охладителя в таком же количестве; нагретая вода охлаждается, главным образом, за счет пруда-охладителя, как это делается в обычных ТЭС.
Охлаждение части воды происходит за счет сброса ее в нижний бассейн ГАЭС с перемешиванием ее с объемом воды, циркулирующим в системе верхнего и нижнего бассейна ГАЭС, что требует устройства специальной насосной станции для закачивания воды из верхнего бассейна ГАЭС в пруд-охладитель. Мощность этой насосной станции должна обеспечить закачивание сброшенного в часы пика нагрузки объема воды за время провала нагрузки, что требует дополнительных затрат энергии. Двухступенчатый подъем воды из нижнего бассейна в пруд-охладитель с помощью ГАЭС и насосной станции, а также подача воды из пруда-охладителя требует значительных затрат энергии. Данный комплекс не обеспечивает никаких других потребностей, кроме работы самих ТЭС и ГАЭС, а нагретая вода охлаждается за счет испарения и теплообмена в ограниченном районе энергокомплекса, что вызывает ухудшение природных условий в этом районе.
Известен энергетический комплекс, содержащий атомную или тепловую электростанцию (АЭС или ТЭС) с водоемом-охладителем и, по меньшей мере, одну, примыкающую к ней гидроаккумулирующую электростанцию (ГАЭС), подающую электроэнергию потребителям АЭС или ТЭС и содержащую верхний бассейн, размещенный на возвышенности, и нижний бассейн, в качестве которого использован водоем-охладитель, и здание ГАЭС, гидравлически соединенное с верхним и нижним бассейнами; здания ГАЭС расположены у подножия возвышенностей и соединены с водоемом-охладителем подводящими (отводящими) каналами, а с верхними бассейнами напорными водоводами, дополнительная энергетическая система ГАЭС служит аварийным энергоисточником для ответственных потребителей АЭС и соединена специальными линиями электропередачи с ответственными потребителями атомной электростанции, RU 39145 U1.
Недостатком этого технического решения является высокая температура в водоеме-охладителе и в связанном с ним верхнем бассейне ГАЭС, что снижает эффективность работы АЭС (или ТЭС), а также ведет к экологически неблагоприятным последствиям, так называемому «тепловому загрязнению» окружающей среды.
Кроме того, данный энергетический комплекс не позволяет решать водохозяйственные задачи. Он не обеспечивает возможность перевода части стока более полноводной реки через водораздел в область с дефицитом местного стока, а также не позволяет решать воднотранспортные задачи по пропуску судов из бассейна одной реки в бассейн соседней реки или в море через водораздел.
Известен энергетический комплекс, решающий задачу повышения эффективности работы АЭС (или ТЭС), входящей в энергетический комплекс, за счет снижения температуры водоема-охладителя, обеспечивающий предотвращение теплового загрязнения окружающей среды, улучшение водоснабжения областей с дефицитом местного стока, пропуск судов из бассейна одной реки в бассейн соседней реки (или в море), а также продление навигации за счет отвода тепла из водоема-охладителя, RU 84402.
Этот энергетический комплекс содержит атомную или тепловую электростанцию (АЭС или ТЭС) с водоемом-охладителем и, по меньшей мере, одну примыкающую к ней гидроаккумулирующую электростанцию (ГАЭС), подающую электроэнергию потребителям АЭС или ТЭС и содержащую верхний бассейн, размещенный на возвышенности, и нижний бассейн, в качестве которого использован водоем-охладитель, и здание ГАЭС, гидравлически соединенное с верхним бассейном и водоемом-охладителем, верхний бассейн размещен на возвышенности, служащей водоразделом между соседними реками, на реке со стороны которого использован водоем-охладитель, и здание ГАЭС, гидравлически соединенное с верхним бассейном и водоемом-охладителем, верхний бассейн размещен на возвышенности, служащей водоразделом между соседними реками, на реке со стороны водоема-охладителя размещена гидравлическая-гидроаккумулирующая электростанция (ГЭС-ГАЭС), ниже которой по течению реки размещена контррегулирующая гидроэлектростация, а верхний бьеф ГЭС-ГАЭС соединен судоходным каналом с водоемом-охладителем, который также соединен судоходным каналом с рекой или морем по другую сторону возвышенности.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Однако прототип не обеспечивает в достаточной степени снижения температуры воды в водоеме-охладителе и в связанном с ним верхнем бассейне ГАЭС вследствие их недостаточной проточности, которая обеспечивается только разбавлением теплой воды в них относительно более холодной водой, поступающей по каналу из верхнего бьефа ГЭС-ГАЭС, в ограниченном только потребностями канала объеме. Контррегулирующая гидроэлектростанция, размещенная ниже ГЭС-ГАЭС по течению реки и предназначенная для сглаживания неравномерных попусков ГЭС-ГАЭС по требованиям охраны природы должна иметь достаточное по размерам водохранилище, накапливающее объем этих пропусков для равномерного сброса в течение суток в свой нижний бьеф. В период межени на реке работает только часть агрегатов контррегулирующей ГЭС, а остальные агрегаты простаивают.Водохранилище контррегулирующей ГЭС, имеющее значительную площадь и емкость, не участвует в работе системы охлаждения АЭС (ТЭС), которая включает пруд-охладитель и верхний бассейн ГАЭС. Это не позволяет значительно повысить эффективность работы АЭС (или ТЭС) и комплекса в целом, а также в достаточной степени уменьшить неблагоприятные последствия так называемого «теплового загрязнения» окружающей среды региона; кроме того, не обеспечивается непосредственный пропуск судов на другой берег реки, на которой расположены ГЭС и ГЭС-ГАЭС, без захода судов в верхний бьеф ГЭС-ГАЭС или спуска судов до уровня нижнего бьефа и последующего пздъема вверх по притоку на другом берегу, если таковой имеется.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности работы АЭС (или ТЭС) и энергетического комплекса в целом, уменьшение «теплового загрязнения» окружающей среды, а также обеспечение непосредственного пропуска судов на другой берег реки, на которой расположены ГЭС и ГЭС-ГАЭС.
Согласно полезной модели в энергетическом комплексе, содержащем атомную или тепловую электростанцию (АЭС или ТЭС) с водоемом-охладителем и, по меньшей мере, одну примыкающую к ней гидроаккумулирующую электростанцию (ГАЭС), подающую электроэнергию потребителям АЭС или ТЭС и содержащую верхний бассейн и нижний бассейн, в качестве которого использован водоем-охладитель, здание ГАЭС, гидравлически соединенное с верхним бассейном и водоемом-охладителем, верхний бассейн размещен на возвышенности, служащей водоразделом между соседними реками, при этом на реке со стороны водоема-охладителя размещена первая гидравлическая-гидроаккумулирующая электростанция (ГЭС-ГАЭС), ниже которой по течению реки размещена контррегулирующая гидравлическая электростанция, а верхний бьеф первой ГЭС-ГАЭС соединен судоходным каналом с водоемом-охладителем, который также соединен судоходным каналом с рекой или морем по другую сторону водораздела, контррегулирующая гидравлическая электростанция выполнена в виде второй ГЭС-ГАЭС, которая при этом снабжена мостом-каналом, размещенным над ней и соединенным с одной стороны с водоемом-охладителем, а с другой стороны посредством дополнительного канала с верхним бьефом первой ГЭС-ГАЭС, причем вторая ГЭС-ГАЭС снабжена дополнительным водоприемником со стороны ее нижнего бьефа, сообщающимся с мостом-каналом.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «Новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - схема энергетического комплекса;
на фиг.2 - продольный разрез по реке от створа первой ГЭС-ГАЭС до створа второй контррегулирующей ГЭС-ГАЭС с мостом-каналом, проходящим над второй ГЭС-ГАЭС;
на фиг.3 - разрез по гидроагрегату второй ГЭС-ГАЭС с мостом-каналом, при ее работе в режиме ГАЭС;
на фиг.4 - то же, что на фиг.3 при работе в режиме ГЭС. Энергетический комплекс содержит АЭС (или ТЭС), в конкретном примере - ТЭС 1 с водоемом-охладителем 2 и, по меньшей мере, одну примыкающую к ней ГАЭС 3, подающую энергию потребителям ТЭС 1. ГАЭС 3 имеет верхний бассейн 4, в качестве нижнего бассейна ГАЭС 3 использован водоем-охладитель 2. Здание ГАЭС 3 соединено водоводами с верхним бассейном 4 и водоемом-охладителем 2. Верхний бассейн 4 размещен на возвышенности 5, служащей водоразделом между соседними реками 6 и 7. Река 7 находится со стороны водоема-охладителя 2. На реке 7 (фиг.1 и 2) размещена первая гидравлическая-гидроаккумулирующая электростанция (ГЭС-ГАЭС) 8, ниже которой по течению реки 7 размещена контррегулирующая гидравлическая электростанция, выполненная в виде второй ГЭС-ГАЭС 9. Верхний бьеф 10 первой ГЭС-ГАЭС 8 соединен судоходным каналом 11 с водоемом-охладителем 2. Кроме того, водоем-охладитель 2 также соединен судоходным каналом 12 с рекой 6 (или непосредственно с морем 18) по другую сторону водораздела 5. Вторая ГЭС-ГАЭС 9 имеет водохранилище 13. Судоходный канал 12 проходит через прорезь 14 в наиболее низкой точке возвышенности 5 водораздела. Вторая ГЭС-ГАЭС 9 снабжена мостом-каналом 15 размещенным над ней и соединенным с одной стороны с водоемом-охладителем 2, а с другой стороны посредством дополнительного канала 16 с верхним бьефом 10 первой ГЭС-ГАЭС 8. Вторая ГЭС-ГАЭС 9 снабжена дополнительным водоприемником 17 со стороны ее нижнего бьефа (реки 7), сообщающимся с мостом-каналом 15. Между второй ГЭС-ГАЭС 9 и расположенной выше по течению первой ГЭС-ГАЭС 8 находится водохранилище 13, которое является нижним бассейном ГЭС-ГАЭС 8 и в котором накапливается сброшенная ею в период пика нагрузки вода. В течение суток контррегулирующая ГЭС-ГАЭС 9 равномерно или в предусмотренном природоохранными требованиями режиме пропускает всю эту воду или часть ее в нижний бьеф (в нижний участок реки 7).
ТЭС 1 имеет ограниченные возможности маневрирования мощностью энергоблоков в течение суток и в течение недели, однако в ночные часы и в выходные дни имеет место резкое снижение потребления энергии. Неравномерность потребления электроэнергии в течение суток может доходить в энергосистеме до 40%, что вынуждает снижать мощность ТЭС с 23 часов до 7 часов утра.
Энергетический комплекс принимает невостребованную энергосистемой мощность и позволяет сгладить неравномерности суточного графика нагрузки за счет включения обратимых агрегатов ГАЭС 3, ГЭС-ГАЭС 8, а также ГЭС-ГАЭС 9, которые, работая в насосном режиме, потребляют энергию ТЭС 1. ГАЭС 3 перекачивает воду из водоема-охладителя 2 в верхний бассейн 4, расположенный выше водоема-охладителя 2. Снижение уровня воды в водоеме-охладителе 2 при этом компенсируется притоком воды самотеком по каналам 11 и 16 из верхнего бьефа 10 ГЭС-ГАЭС 8.
ГЭС-ГАЭС 8 также принимает участие в сглаживании неравномерности суточного графика нагрузки. Это происходит за счет работы ее обратимых агрегатов. В утренние и вечерние часы пика нагрузки они вырабатывают энергию, пропуская через себя воду в нижний бассейн-водохранилище 13. Ночью в насосном режиме с потреблением энергии ТЭС 1 и излишков энергии из энергосистемы агрегаты ГЭС-ГАЭС 8 перекачивают часть сброшенного объема воды из своего нижнего бьефа-водохранилища 13, являющегося одновременно и водохранилищем контррегулирующей ГЭС 9, в верхний бьеф 10 ГЭС-ГАЭС 8. Уровень воды в верхнем бьефе 10 поддерживается выше уровня воды в водоеме-охладителе 2 для обеспечения его самотечного пополнения холодной пресной водой и снижения температуры воды в нем, что значительно уменьшает «тепловое загрязнение» и предотвращает снижение вырабатываемой мощности ТЭС 1 из-за перегрева ее конденсаторов, особенно в период жаркой погоды. Происходит также аккумулирование пресной воды в водоеме-охладителе 2 и в верхнем бассейне 4, если они находятся в местности с дефицитом местного стока. Приток дополнительной воды в водоем-охладитель 2 не только повышает эффективность работы ТЭС 1, но и компенсирует потери воды на испарение, фильтрацию из ограниченного суммарного объема водоема-охладителя 2 и верхнего бассейна 4 при передаче пресной воды в аридные районы и через водораздел 5. Кроме того, создается возможность пропуска судов из реки 7 по каналу 11 в водоем-охладитель 2. Из него вода по судоходному каналу 12 пойдет в области с дефицитом местного стока в бассейн соседней реки 6, обеспечивая также продление навигации за счет отвода теплой воды из водоема-охладителя 2. Кроме того, поднятая в верхний бассейн 4 пресная вода может быть частично использована для обводнения малых рек вокруг бассейна 4.
Неработающая как ГЭС в межпаводковый период большая часть мощности ГЭС-ГАЭС 8, суммарная мощность которой определяется пропуском воды в период расчетного паводка на реке 7, может использоваться для производства дополнительной электроэнергии в период пиковой суточной потребности в мощности в энергосистеме, а в ночной период «провала нагрузки» возвращать использованную для этого воду в насосном режиме работы в верхний бьеф 10. ГЭС-ГАЭС 9 обеспечивает выравнивание поступления воды в нижний бьеф (в нижний участок реки 7) в соответствии с требованиями экологии, а также для поддержания в нем необходимого уровня воды при неравномерности поступления воды в водохранилище 13, как в нижний бьеф ГЭС-ГАЭС 8 в течение суток. У ГЭС-ГАЭС 8 и ГЭС-ГАЭС 9 в течение года и в многолетнем разрезе прослеживается неравномерная загрузка гидроагрегатов при работе в режиме ГЭС. При этом у ГЭС-ГАЭС 9 водоприемник 17 на входе в лоток моста-канала 15 закрыт затвором 21 и при открытом затворе 19 (фиг.4) осуществляется пропуск транзитного расхода для обеспечения природоохранных функций или требуемого по условиям жизни рыбы уровня воды в нижнем бьефе. В межень расчетной обеспеченности, когда требуемые по условиям охраны природы расходы больше, чем фактические в реке может быть осуществлена подпитка нижнего бьефа до требуемого объема из аккумулирующих емкостей. В период межени снижается в несколько раз загрузка расходом реки 7 гидроагрегатов ГЭС-ГАЭС 8 и ГЭС-ГАЭС 9. В этом случае свободные от пропуска транзитного расхода гидроагрегаты работают в режиме ГАЭС, а не простаивают, что повышает эффективность энергетического комплекса в целом. Гидроагрегаты ГЭС-ГАЭС 9 в турбинном режиме при сбросе воды из водохранилища 13 в нижний бьеф в реку 7 более низконапорные, чем при работе в насосном режиме, который аналогичен напору на ГЭС-ГАЭС 8, но при несколько отличающемся режиме работы (отсутствует изменение направления потока через гидроагрегат). В насосном режиме работы ГЭС-ГАЭС 9 вода из водохранилища 13 закачивается ночью через перекрытую затвором 19 отсасывающую трубу 20, далее через открытый водоприемник 17 (затвор 21 поднят) в лоток моста-канала 15. Оттуда она поступает в водоем-охладитель 2 и даже при определенных условиях в верхний бьеф 10, которые становятся в этом случае верхним бассейном ГЭС-ГАЭС 9. Обычно холодная вода из верхнего бьефа 10 ГЭС-ГАЭС 8 дополнительно поступает по каналу 16 в лоток моста-канала 15 и затем в водоем-охладитель 2, а из водохранилища 13 в лоток моста-канала 15 и затем в водоем-охладитель 2.
Судоходные каналы 11, 12 и 16 (фиг.1) имеют транспортное, энергетическое и водохозяйственное значение. По ним суда из верхнего бьефа 10 ГЭС-ГАЭС 8 через водоем-охладитель 2 и прорезь 14 в возвышенности 5 могут выйти к реке 6 (или непосредственно в море 18) по другую сторону возвышенности 5.
Вторая (контррегулирующая) ГЭС-ГАЭС 9 с мостом-каналом 15 над ней, который соединен с одной стороны с водоемом-охладителем 2, а с другой стороны посредством дополнительного канала 16 с верхним бьефом 10 ГЭС-ГАЭС 8, позволяет обеспечить переход воде и судам на другой берег в бассейн пересыхающих рек в аридный регион с дефицитом местного стока. В водохозяйственном и воднотранспортном плане это расширяет зону работы энергокомплекса.
Работа ГЭС-ГАЭС 9 совместно с мостом-каналом 15 и каналом 16 повышает фактическую мощность энергокомплекса при минимальных дополнительных затратах. Совмещение конструкции ГЭС-ГАЭС 9 и моста канала 15, наличие водоприемников 17 ГЭС-ГАЭС 9, сообщающихся с мостом-каналом 15, позволяет значительно снизить капитальные затраты и использовать простаивающие в обычных условиях большую часть года гидроагрегаты ГЭС-ГАЭС 9.
Полезная модель может быть реализована применительно к территории Южного Федерального округа (ЮФО) России. Строительство канала от Волгоградского водохранилища на Волге до существующего Манычского водного пути и выход в р. Дон через Кумо-Манычскую впадину позволит осуществлять круглогодичную навигацию вместо строительства большого количества шлюзов второй нитки по трассе существующего водного пути Волга - Дон (13 шлюзов на ВДСК-1, 2 шлюза на Цимлянской ГЭС и 3 на существующих транспортных гидроузлах на Нижнем Дону). Переход водного пути (ВП) по мосту-каналу через Волгу позволит продлить ВП в Казахстан и выйти в Волгоградское водохранилище из Дона или из Азовско-Черноморского бассейна всего через один шлюз вместо прохождения 20 шлюзов, включая существующие двухниточные двухступенчатые шлюзы Волгоградского гидроузла, организовать более мощный энергокомплекс с минимумом дополнительных затрат. В перспективе этот водный путь можно углубить для пропуска морских судов, что благоприятно скажется и на увеличении пропускной способности каналов для обеспечения нужд сельского хозяйства, снабжения пресной водой аридных регионов ЮФО, а также позволит организовать ее экспорт в Среднюю Азию и Казахстан.