РАССРЕДОТОЧЕННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ СОЗДАНИЯ
DISTRIBUTED THERMAL POWER PLANT AND DEVELOPMENT METHOD OF IT

Изобретение относится к землепользованию и электроэнергетике, к нетрадиционным способам и источникам получения электрической энергии.
Известно, что электротехнические предприятия (электростанции) сооружают на отдельных землеотводах, на которых концентрированно размещают генераторы тока (электрогенерирующие блоки). Так, например, при сооружении газотурбинной электростанции в 70 км от г.Ханты-Мансийска (ХМАО-ЮГРА) мощностью 315 МВт потребовалось 12 га, т.е 120000 кв. м вырубки лесных угодий, см. журнал Стройинформ №19, 2008 г., стр.214-215.
Недостатком такой электростанции является неэффективное землепользование -отчуждение, в данном случае вырубка, лесных угодий, что очень расточительно, а также сложность конструкции электростанции.
Наиболее близким аналогом является электростанция, см. описание изобретения к патенту РФ №2260233, МПК H02J 3/00, представляющая некоторую локальную электрическую сеть из одного или нескольких электрогенерирующих блоков, размещенных вместе, линий электрокоммуникаций, блоков управления с компьютером, пультом управления и потребителем.
Недостаток электростанции в том, что она создается непосредственно в месте потребления электроэнергии, на освоенной территории, где отчуждение землеотвода для нее является затруднительным или невозможным, а эксплуатация ее требует значительных расходов на организационные и охранно-технические мероприятия.
В рассредоточенной электростанции электрогенерирующие блоки и локальные электрические сети размещают на неосвоенной, удаленной, безлюдной, непригодной в настоящее время, поверхности Земли с различным рельефом и климатом, на площади от нескольких тысяч квадратных метров до десятков квадратных километров, объединяют генеральной трассой электрокоммуникаций, состоящей из линии электроснабжения тяговых двигателей, линии высокого напряжения и линии управления, центральным пультом управления, и соединяют с внешним энергоемким потребителем.
В описании применены следующие термины и понятия.
- Рассредоточенная электростанция (Р.Э.). Энергетическая система, состоящая из отдельных электрогенерирующих блоков и локальных электрических систем, объединенных генеральной трассой электрокоммуникаций. Рассредоточенную электростанцию размещают на обширной неосвоенной, удаленной, безлюдной, непригодной в настоящее время территории поверхности Земли, районах с суровым климатом, коротким и холодным летом. Основное назначение рассредоточенной электростанции - создание энергетического потенциала для внешнего мощного потребителя. Географический регион и территория поверхности Земли для рассредоточенной электростанции выбирается из условия перспективы ее длительного неиспользования. Площадь рассредоточенной электростанции выбирается из условия ее проектируемой мощности. Конфигурация рассредоточенной электростанции назначается из условия природопользования и пригодности участков для строительства. В состав рассредоточенной электростанции входят также вспомогательные электрогенерирующие блоки.
- Электрогенерирующий блок. Эквивалентные понятия для данного описания: электрическая машина, источник электродвижущей силы (ЭДС) Кочергина И.Н., АэроЭС.
- АэроЭС - электрическая машина - синхронный явнополюсный генератор, снабженный аэроприводом.
- Аэропривод - источник механической энергии вращения, создающий кинетический момент вращения. Аэропривод содержит физические рычаги (водила), скрепленные одним концом в центре вращения с валом потребителя кинетической энергии, перпендикулярно оси вращения ротора электрической машины, а другие концы водил снабжены воздушными движителями, вектора тяги которых перпендикулярны водилу и перпендикулярны оси ротора, действуют в одну сторону в горизонтальной плоскости.
- Вспомогательный электрогенерирующий блок - электрическая машина с аэроприводом и соответствующим оборудованием, предназначена для электроснабжения тяговых двигателей воздушных движителей аэропривода электрогенерирующих блоков.
- Локальная электрическая сеть - небольшая ограниченная электрическая система, состоящая из двух или нескольких электрогенерирующих блоков, размещенных в одном месте.
- Внешний энергоемкий потребитель - промышленная энергопотребляющая сеть энергоемкого потребителя.
- Генеральная трасса электрокоммуникаций состоит из линии проводников электроснабжения тяговых двигателей электрогенерирующих блоков, линии проводников высокого напряжения и линии проводников дистанционного управления.
Особые преимущества Р.Э. могут проявиться при ее размещении в сейсмоопасных районах. Такое утверждение позволяют сделать конструктивные особенности электрогенерирующего блока: сравнительно небольшая по площади и объему, но прочная армированная призма фундамента электрической машины, ее концентрированная масса, избыточно прочными (особая серия) конструктивными элементами, низкорасположенным центром масс на уровне земли - позволяют прогнозировать бесперебойную работу в период землетряснений.
Рассредоточенная электростанция должна удовлетворять следующим требованиям: Территория рассредоточенной электростанции не должна включать территории природных заповедников, заказников, природных резерватов, памятников природы, археологических объектов и т.п.
Территория рассредоточенной электростанции должна соединять близкорасположенные участки поверхности Земли, пригодные для создания одного или нескольких электрогенерирующих блоков.
Абсолютная высота размещения электрогенерирующих блоков не должна превышать 4000 метров над уровнем моря.
Рельеф местности размещения электрогенерирующих блоков рассредоточенной электростанции должен исключать природные помехи, влияющие на круглогодичную бесперебойную их эксплуатацию: снежные заносы, снежные лавины, талые и ливневые воды, камнепады, оползни, селевые потоки и т.п.
Участки с размещенными на них электрогенерирующими блоками и локальными электрическими сетями соединяют временной односезонной дорогой для доставки строительных материалов и оборудования, а при невозможности ее прокладки применяют авиационный транспорт.
Желательно, чтобы на территории будущей Р.Э. оказались небольшие месторождения минеральных строительных материалов: песка, гравия, щебня, а также воды для строительства фундаментов и площадок электрогенерирующих блоков.
Рассредоточенная электростанция представлена на следующих иллюстрациях.
На фиг.1 показана схема вертикального профиля рельефа некоторой местности со скалистыми образованиями, на которой создана Р.Э. На фиг.2 показана схема Р.Э. по горизонтальной плоскости некоторого участка поверхности Земли, на котором создана Р.Э.
На фиг.3 показана функциональная схема Р.Э.
Позиции на чертежах и тексте описания имеют следующие обозначения:
1 - схема вертикального профиля рельефа местности,
2 - генеральная трасса электрокоммуникаций,
3 - электрогенерирующий блок,
4 - локальная электрическая сеть,
5 - внутренняя контактная сеть,
6 - электрическая машина,
7 - тяговые электрические двигатели,
8 - модуль автоматики,
9 - агрегаты генерируемого напряжения,
10 - общий выход,
11 - внешний энергоемкий потребитель,
12 - центральный пункт управления.
Допустим назначена некоторая территория рассредоточенной электростанции от отметки на местности «А» до отметки на местности «В», см. фиг.1, 2, 3, включающая сильнопересеченную и горную местность, вертикальный профиль рельефа местности которого 1, с максимальным превышением 2475 над над уровнем моря. Здесь на подходящих площадках сооружают либо одиночные электрогенерирующие блоки 3, либо несколько электрогенерирующих блоков в непосредственной близости один от другого, охваченные локальной электрической сетью 4.
Локальная электрическая сеть 4 может быть реализована по нескольким критериям:
- по количеству охвата электрогенерирующих блоков 3,
- по месту сооружения:
а) где нет запрета на территорию (территория не является экологическим заповедником, заказником, природоохранной зоной, историческим, археологическим, мемориальным памятником, военным полигоном и т.п.),
б) где есть соответствующие условия для надежного функционирования энергетических агрегатов (отсутствие оползней, плывунов, снежных лавин, камнепадов, ливневых и паводковых вод и др. помех),
в) где есть возможность доставки строительного и электротехнического оборудования, например, летом по реке, по лежневой дороге, зимой по зимнику, на скальные массивы),
- по суммарной генерируемой мощности,
-по серийности электрогенерирующих блоков,
- по назначению: а) электрогенерирующие блоки, б) вспомогательные электрогенерирующие блоки,
- по вертикальной зональности (на некоторой подходящей возвышенности по горизонтали и ярусами от подошвы к вершине сооружают электрогенерирующие блоки),
- по техническим, технологическим и другим соображениям.
Электрогенерирующий блок 3 - это автономная электростанция, которая состоит из электрической машины 6, привода и соответствующего электротехнического оборудования (трансформатор, защита, силовые выключатели, шкафы автоматики и др.). В качестве электрической машины применены явнополюсные синхронные тихоходные генераторы тока с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) ротором радиуса « r « с вертикальной осью вращения. Электрическую машину 6 устанавливают на фундаменте в выбранной «точке» местности. Верхняя часть вала ротора соединена с приводом. В качестве привода применен аэропривод. Аэроривод состоит из нескольких одинаковых рычагов-водил, выполненных в виде ферм, скрепленных симметрично звездообразно в горизонтальной плоскости внутренними концами с валом ротора электрической машины, а наружные концы водил снабжены одинаковыми источниками кинетической энергии, каждый из которых состоит из тягового электрического двигателя 7 планетарного редуктора и воздушного движителя, электроснабжение которых обеспечивает автономный вспомогательный электрогенерирующий блок посредством внутренней контактной сети 5. Оси движителей находятся в плоскости рычагов-водил и перпендикулярны к ним. Расстояние от оси вала ротора электрической машины до осей вращения движителей равно « R ». В качестве движителей применены воздушные винты (пропеллеры).
Электрогенерирующий блок 3 с аэроприводом имеет две специфические особенности:
2
- применение водил до 30 и более метров (т.е. R=30 м), тогда площадь земельного участка под аэропривод составит: π·R=3.14×900=2826 кв.м, плюс необходимая площадь для электротехнических агрегатов, выходной трансформатор, силовой выключатель, защита, помещение для шкафов автоматики и пульта управления, плюс необходимое оборудование охлаждения, отопления, вентиляции и др., в итоге потребуется значительный землеотвод;
- быстровращающиеся массы аэропривода будут вызывать обоснованное беспокойство, опасение и дискомфорт у близко находящихся людей.
Отсюда вывод:
а) Р.Э. с электрогенерирующими блоками 3 надо размещать там, где поверхность Земли относительно непригодна в обозримый период времени для хозяйственного использования;
б) Р.Э. с электрогенерирующими блоками надо размещать там, где нет населенных пунктов, городов, не проходят ж/д магистрали, шоссейные дороги, отсутствуют речные порты и т.п.
Учитывая относительную простоту электрогенерирующего блока, возможность функционирования в автоматическом режиме в локальной электрической сети, целесообразно и возможно создавать Р.Э. в отдаленных труднодоступных регионах с суровыми климатическими условиями.
В качестве источника кинетической энергии на всех водилах применены одинаковые тяговые электрические двигатели 7. Желательно использовать серийные простые дешевые надежные асинхронные электрические двигатели, однако специфические условия работы тяговых электродвигателей 7 в аэроприводе (длительное действие центробежных сил и перегрузок) предъявляют к ним особые требования: минимально возможная масса, повышенная прочность корпуса, особенно по вектору действия центробежной силы, усиленные подшипниковые узлы, повышенная мощность, повышенное число оборотов ротора, возможность регулирования угловой скорости в широком диапазоне, дают основания предполагать, что потребуются специальные электродвигатели с повышенной частотой питающей сети 100, 200, 400 Гц и повышенным напряжением сети.
Вспомогательный электрогенерирующий блок предназначен для электроснабжения тяговых электрических двигателей 7. Это автономная электростанция со своей внутренней контактной сетью 5. Он может быть выполнен в виде дизель-генератора, отдельного электрогенерирующего блока с аэроприводом, при этом нагрузкой его привода является специальный генератор. Вспомогательный электрогенерирующий блок предназначен для работы в своей локальной сети 4, в Р.Э. они могут быть объединены в свою автономную локальную сеть.
Внутренняя контактная сеть 5 выполнена автономной, предназначена для соединения вспомогательного электрогенерирующего блока с тяговыми электрическими двигателями 7. В нее входят, кроме названных агрегатов, коммуникации (проводники), жестко закрепленная по окружностям над аэроприводом контактная сеть, соединенные с ней подвижные (вращающиеся) контактные токосъемы, укрепленные на штангах водил, соединенные с обмоткой тяговых электрических двигателей 7, а также необходимые элементы управления.
Все одиночные электрогенерирующие блоки (как правило, это мощные источники тока) и локальные электрические сети Р.Э. объединяет генеральная трасса электрокоммуникаций 2. Она состоит из проводников высокого напряжения, проводников линии электроснабжения тяговых двигателей (если создано централизованное энергоснабжение), линии проводников дистанционного управления и системы внутренней многоканальной специальной электросвязи. Само собой разумеется, что все энергоблоки Р.Э. выдают во внешнюю сеть на генеральную трассу электрокоммуникаций напряжение одного уровня, например 10 кВ, и синхронизированы по промышленной частоте 50 Гц.
Р.Э. как любой энергосистемой управляют с единого диспетчерского центра - центрального пульта управления 12. Работа Р.Э. происходит следующим образом (см. фиг.1, 2, 3). На центральном пульте управления 12 выборочно или последовательно включают электрогенерирующие блоки 3 и локальные электрические сети 4, затем подключают Р.Э. к внешнему энергоемкому потребителю 11: поселок, город, промышленные предприятия, животноводческие комплексы, горные добывающие и перерабатывающие комбинаты и т.д. Р.Э. работает в длительном непрерывном режиме, в зависимости от потребления электроэнергии внешним энергоемким потребителем 11 в Р.Э. с центрального пульта управления 12 вводят или выводят электрогенерирующие мощности. В заявленном техническом решении рассредоточенная электростанция (электроэнергетический полигон) (см. фиг.1, 2) размещена на площади несколько десятков квадратных километров в горной местности с максимальным превышением 2475 м от уровня моря. Ограничение сооружения электрогенерирующих блоков по абсолютной высоте 3500-4000 вызвано снижением эффективности работы движителей аэропривода ввиду уменьшения массовой плотности воздуха.
Работой каждого электрогенерирующего блока 3 управляют посредством компьютера и модуля автоматики 8 на всех режимах: подготовка, включение, трогание, холостой ход, синхронизация, включение нагрузки, остановка, а также аварийный режим. Необходимые параметры транслируются по проводникам дистанционного управления в генеральной трассе электрокоммуникаций 2 на центральный пульт управления 12. Ввод в работу электрогенерирующего блока 3 как одиночного, так и в локальной электрической сети выполняют в следующей последовательности: включают вспомогательный электрогенерирующий блок (например, дизель-генератор) со своей автономной внутренней контактной сетью 5, или автономный вспомогательный электрогенерирующий блок для локальной электрической сети 4, или централизованное электроснабжение тяговых двигателей по проводникам генеральной трассы электрокоммуникаций 2. Начинают работать тяговые электрические двигатели 7 и соответственно воздушные движители источников кинетической энергии аэропривода. Аэропривод выходит на номинальные обороты и, соответственно, жестко соединенный с ним ротор электрической машины, который наводит электродвижущую силу в обмотке неподвижного статора. Высокое напряжение с электрогенерирующего блока 3 через агрегаты генерируемого напряжения 9 поступает по генеральной трассе электрокоммуникаций 2 на общий выход 10 и затем на внешний энергоемкий потребитель 11.
При подключении нагрузки возможна некоторая «просадка» числа оборотов аэропривода, а при отключении возможно появление некоторой величины угонной скорости, однако модуль автоматики 8 немедленно реагирует на эти изменения и стабилизирует обороты через изменение величины тяги движителей.
Относительная простота как отдельной электростанции (электрогенерирующий блок 3 со всем оборудованием), так и локальной электрической сети 4 с внутрисетевым и централизованным (на центральном пульте управления 12) контролем, блочное (кустовое) автономное построение Р.Э. позволяют рассматривать принципиальную возможность эксплуатации Р.Э. в автоматическом режиме.
Постоянную техническую эксплуатацию Р.Э. осуществляет малочисленный штат специалистов, которые ежедневно обходят (объезжают) все электрогенерирующие блоки и выполняют смотровые, регламентные, профилактические работы. Размещение Р.Э. в труднодоступных территориях не требует надежного ограждения, уличного освещения, охранной сигнализации, военизированной охраны, что повышает рентабельность предприятия.
Технический результат заявленного технического решения наиболее полно выявляется при кратком анализе промышленных источников тока:
- гидроэлектростанции строят на реках (ГЭС), на море в зонах действия морских высокоуровневых приливов (ПЭС), на пересеченной местности с достаточным перепадом высот гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), но везде необходимы возобновляемые водные ресурсы;
- тепловые углеводородные электростанции (ТЭС) строят там, где есть необходимость в потреблении большого количества сопутствующей тепловой энергии для отопления жилищного сектора и промышленных предприятий - в городах «хотя большой участок городской земли под ТЭС очень дорог, а доставка за тысячи километров угля, торфа или подача природного газа очень накладна;
- атомные электростанции (АЭС) строят, как вынужденная мера при дефиците электроэнергии, в промышленных регионах, где есть стабильное круглосуточное непрерывное потребление электроэнергии на регион. На строительстве АЭС и ее эксплуатации сосредотачивается многочисленный высококвалифицированный технический обслуживающий и управленческий персонал, как правило, возникает город. Для работы АЭС необходимы также водные ресурсы.
Р.Э. по заявленному техническому решению можно строить там, где нет дефицита ни земельных площадей, ни гидроресурсов, ни месторождений полезных ископаемых, ни городов, ни трудовых ресурсов для строительства и обслуживания станции, осваивая отдаленные территории, в том числе с суровыми климатическими условиями.
Технический результат, достигаемый рассредоточенной электростанцией, -
а) получение промышленного количества электричества;
б) получение электрической энергии без перспективы различного пагубного влияния на внешнюю среду, в том числе на человека;
в) наиболее важный технический результат - создан источник электрической энергии, альтернативный применяемым в настоящее время, ГЭС, ТЭС, АЭС, обладающий значительно лучшими характеристиками: техническими, технологическими, экономическими, временными, эксплуатационными, ресурсными и др.