УНИВЕРСАЛЬНАЯ ДВУХКОЛЕННАЯ МОДУЛЬНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к гидроэнергетике и может быть использована при выработке электрической энергии. Задачей полезной модели является создание универсальной двухколенной модульной гидроэлектростанции. Разработанная полезная модель позволит увеличить генерирующую мощность существующих ГЭС и ГАЭС.
Гидравлические электростанции (ГЭС) используют для выработки электрической энергии силу падающей воды. Известны три вида (ГЭС) [(1) стр.16-17]; гидроэлектростанции (ГЭС), приливные гидроэлектростанции (ПЭС), гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).
Технологическая схема производства электрической энергии гидроэлектростанций, содержащая: искусственно созданную плотину, искусственно созданное водохранилище (верхний бьеф), турбинный водовод с гидрогенератором, вырабатывающим электрическую энергию, нижний бьеф, куда стекает сработанная вода. Чем больше перепад высот между верхним и нижним бьефами, тем большую мощность вырабатывает гидрогенератор [(1) стр.16 рис.1.1б]. Энергетические объекты, работающие по такой технологической схеме, имеют ряд недостатков:
1. Строительство искусственных плотин и водохранилищ требует больших удельных капиталовложений, при неполной отдачи мощности
2. Наносится ущерб рыбному хозяйству, в осенне-весенние нерестовые периоды из-за непостоянства уровня воды в водохранилище (верхний бьеф)
3. Невозможность остановки технологического процесса Разработанная, универсальная двухколенная модульная гидроэлектростанция (УДМГЭС) позволяет избавиться от некоторых перечисленных выше недостатков.
Технический результат заключается в модернизации существующих (ГЭС). Установка дополнительных универсальных двухколенных модульных гидроэлектростанций позволит:
1. Увеличить генерирующую мощность (ГЭС),
2. Стабилизировать работу (ГЭС) в периоды малого водосбора в водохранилище (малоснежная зима, затяжная весна, засуха) и выработка дополнительной энергии в периоды весеннего половодья, ливневых дождей повышающих уровень верхнего бьефа.
3. Возможность стабилизации уровня верхнего бьефа позволит создать благоприятные условия для воспроизводства рыбы в нерестовый период.
Подводимая к турбине мощность описывается известной формулой [(4) пример 2 стр.77]
T
3
Q - расход воды в гидротурбине (л/сек, м /час) величина постоянная для конкретной турбины.
h - высота перепада между верхним и нижним бьефами
В основу работы разработанной универсальной двухколенной модульной гидроэлектростанции (УДМГЭС) положено свойство воды (рабочего тела), помещенной в сообщающиеся сосуды, занимать положение устойчивого равновесия, описываемого формулой:
1
2
1
2
При условии h=h давление в нижней точке сообщающегося сосуда будет P=P
1
2
1
2
1
2
Уменьшение высоты h в любой ветви сообщающегося сосуда приведет к нарушению равенства давлений Р≠Р и движению воды (рабочего тела) к состоянию устойчивого равновесия, при котором Р=Р и h=h. Установленная в нижней точке сообщающегося сосуда гидротурбина с электрогенератором преобразовывает энергию движения однородной жидкости (рабочего тела) в электрическую энергию.
Известен гидроагрегат (Щапов Н.М. “Турбинное оборудование гидростанций”, М., - Л, Госэнергоиздат, 1961, с.281-283, рис.16-24)(5) в котором вода через направляющий аппарат на рабочее колесо подается снизу, используя сифонный принцип, попадает в нижний бьеф, отсасывающий аппарат, расположенный над рабочим колесом. В данном агрегате повышение эффективности достигается за счет наиболее полного использования напора. Установка является прототипом.
1
2
Разработанная универсальная двухколенная модульная гидроэлектростанция (УДМГЭС) работает по измененной технологической схеме, в которой гидравлическое давление на гидротурбину создается при движении воды (рабочего тела) к положению устойчивого равновесия, от нижней точки сообщающихся сосудов к верхней точке, при которой h=h. Одной ветвью сообщающихся сосудов является водохранилище верхний бьеф 1. Нижней точкой сообщающихся сосудов является дно водохранилища 15 верхнего бьефа 1. Второй ветвью сообщающихся сосудов является труба-водовод 2, опущенный к нижней точке 15 (дно водохранилища) сообщающихся сосудов. На Фиг. изображена конструкция универсальной двухколенной модульной гидроэлектростанции (УДМГЭС). В нижней части трубы-водовода 2 установлена площадка 3, которая крепится к дну 15 водохранилища, имеются впускные отверстия 4 для входа воды внутрь трубы-водовода 2,закрытые ограждающей сеткой 5. В нижней части трубы-водовода 2 установлена гидротурбина 6 с генератором 7 для выработки электрической энергии. Верхняя часть трубы-водовода 2 возвышается над поверхностью водохранилища на 1-3 метра и имеет трехходовой перегиб 10, с затворами 10.1 и 10.2, герметично соединяющийся с трубой-водоводом 2, позволяющий направить движение воды либо в сторону водохранилища верхнего бьефа 1, либо через плотину 8 в сторону нижнего бьефа 16. В верхней части на трехходовом перегибе установлен насос 9, лопасти которого опущены на глубину 1-2 метра и откачивают воду из трубы-водовода2 [например осевой с винтом регулируемого шага и КПД 0.8-0.86, высота подъема 6-8 метров (3)], приводимый в движение электромотором.
3
С помощью насоса 9 из заполненной водой трубы-водовода 2 откачивается вода в водохранилище и понижается уровень воды в трубе-водоводе 2. Насос откачивает воду из трубы-водовода 2, с производительностью равной или большей чем расход воды гидротурбины (л/сек, м /час). Движение воды в трубе водоводе 2 приведет к вращению гидротурбины 6 и генератора 7 электрической энергии.
Полезная мощность насоса, необходимая для откачки воды из трубы-водовода описывается формулой [(2) пример 11 стр.82]
H
Т
Q - производительность насоса, должна быть больше или равна Q
H
T
Q≥Q
h - высота подъема воды, лежит в пределах от 1 до 3 метров. Мощность затраченная насосом 9 для подъема воды на 1-3 метра значительно меньше той которую вырабатывает генератор.
Универсальная двухколенная модульная гидроэлектростанция (УДМГЭС) поддерживает генерирующую мощность существующей ГЭС в периоды малоснежных зим, затяжной весны и летних засух. При остановке осевого насоса 9 движение рабочего тела в трубе-водоводе 2 прекращается. В дождливые годы и при активном таянии снега закрыт затвор 10.1, открыт проход в сторону нижнего бьефа 16, предотвращая холостые сбросы воды и регулируя уровень воды в верхнем бьефе 1. Движение воды в сторону нижнего бьефа 16 осуществляется с помощью насоса 9, который поднимает воду до перегиба в сторону нижнего бьефа 16, далее вода продолжает двигаться по сифонному водоводу к нижнему бьефу 16. Лопасти осевого насоса поворачиваются, чтобы не создавать помех движению воды. Остановка движения воды к нижнему бьефу 16 произойдет в случае разгерметизации водовода и осуществляется через вантуз 14, который при необходимости сообщается с воздухом. В нижней части трубы-водовода 2 продолженной за плотину 8 в сторону нижнего бьефа 16 установлена турбина 11 с генератором 12. Таким образом, вода, проходя по трубе-водоводу 2, от нижней точки 15 верхнего бьефа 1 до нижнего бьефа 16 дважды вырабатывает электроэнергию, увеличивая мощность (ГЭС) и стабилизируя уровень воды в верхнем бьефе 1.
Разработанная универсальная двухколенная модульная гидроэлектростанция (УДМГЭС) может быть установлена на существующей гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС). Технологическая схема работы (ГАЭС) предполагает накопление воды в верхнем бьефе и использование накопленной воды в часы пиковых нагрузок. Установив на (ГАЭС) универсальную двухколенную модульную гидроэлектростанцию (УДМГЭС) можно энергию одного генератора использовать для закачки воды из нижнего бьефа 16 в верхний 1 с помощью насоса-генератора 13, тогда процесс производства электроэнергии будет непрерывным, (6. стр.58-61).
Универсальная двухколенная модульная гидроэлектростанция (УДМГЭС) действует следующим образом.
Труба-водовод 2, закреплена на дне водохранилища 15 (верхний бьеф) 1 и заполнена водой. Насос 9, установлен на трехходовом перегибе, в верхней части трубы-водовода 2, включается и начинает откачивать воду из трубы-водовода 2 с производительностью такой же или выше чем расход в гидротурбине. Насос 9 приводится в действие электромотором. Движение воды в трубе-водоводе 2 приведет к работе гидротурбины 6 с генератором 7 и выработке электрической энергии. В зависимости от положения затворов 10.1, 10.2 трехходового перегиба 10 вода будет двигаться по трубе-водоводу 2 либо к нижнему бьефу 16 и вырабатывать дополнительную энергию, либо к верхнему бьефу 1 и также вырабатывать энергию и стабилизировать уровень водохранилища 1. Трехходовой перегиб 10, направленный в сторону верхнего бьефа 1, позволит стабилизировать генерирующую мощность ГЭС в периоды малой воды. Трехходовой перегиб 10 направленный в сторону нижнего бьефа 16, герметично соединенный с трубой-водоводом 2, увеличивает генерирующую мощность ГЭС и исключает холостые сбросы. С помощью трехходового перегиба можно направить движение воды (рабочего тела) как в сторону верхнего бьефа 1 так и нижнего бьефа 16.
Разработанная универсальная двухколенная модульная гидроэлектростанция (УДМГЭС) обладает следующими положительными признаками:
1. Универсальность двухколенной модульной гидроэлектростанции (УДМГЭС) позволяет использовать ее как для модернизации существующих (ГЭС), так и (ГАЭС) с целью увеличения их мощности и стабилизации работы.
2. Предотвращаются холостые сбросы воды (рабочего тела) и колебания уровня верхнего бьефа.
3. Снижается вредное влияние ГЭС на природу.
4. Простая схема запуска и остановки генераторов в трубе-водоводе.
5. Модульных гидроэлектростанций может быть несколько на одной ГЭС или ГАЭС
Перечень используемых источников:
1. Сибикин Ю, Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Учебное издание. 2-е изд. испр. и доп. - М.: ИП РадиоСофт, 2009. с.149-150
2. Н.И.Кошкин и М.Г.Ширкевич «Справочник по элементарной физике». Издание шестое, стереотипное. Издательство «Наука», Москва 1974 г.(статика стр.53-54)
3. Черепанов Б.Е. «Судовые вспомогательные и промысловые механизмы, системы и их эксплуатация». - М.: Агропромиздат, 1986. с.71-81
4. Мелузин Г. Примеры и задачи по электротехнике: Пер. со словацкого под ред. Б.Я.Жуховицкого. - М.: Энергия, 1979 (пример 2 стр.77).
5. Щапов Н.М. «Турбинное оборудование гидростанций», М., - Л., Госэнергоиздат, 1961, с.281 - 283, рис.16-24.
6. Журнал «Популярная механика» №7 июль 2011 г.(стр.58-61)