Приплотинная низконапорная гидроэлектростанция сифонного типа

Полезная модель относится к области гидроэнергетики и может использоваться при создании малых и микроГЭС на малых равнинных водотоках и гидротехнических сооружениях (водоканалах, шлюзах) и, в особенности, на переливных регулирующих подпорных гидроузлах, где использование других схем ГЭС сопряжено с большими строительными работами и капитальными затратами.
Из уровня техники известно, что низконапорную ГЭС часто выполняют приплотинной сифонного типа. Это значительно снижает капитальные затраты на ее возведение. Турбину гидроагрегата такой ГЭС, как правило, размещают в проточной части водоприемника, выполненного в виде сифона, или на его выходе. При этом обычно используют осевую гидротурбину. Сам водоприемник с гидроагрегатом может быть закреплен на гребне плотины либо на понтоне (понтонах). Основной особенностью ГЭС сифонного типа является необходимость принудительного заполнения проточной части водоприемника рабочей жидкостью (водой) для его запуска. Без этого запуск всей ГЭС невозможен.
Известна приплотинная гидроэлектростанция сифонного типа (патент RU на полезную модель №100775, публ. 27.12.2010, МПК Е02В 9/00), содержащая водоприемник, выполненный в виде сифона с всасывающей и выпускной ветвями. В верхней части выпускной ветви выполнена заливная горловина с заглушкой, а в нижней ее части - герметичная задвижка. Водоприемник соединен с гидроагрегатом, расположенным в гидроэнергетическом блоке, который установлен ниже тела плотины.
Недостатками настоящего технического решения является большая трудоемкость запуска вследствие необходимости заполнения проточной части выпускной ветви с применением внешних сторонних устройств, не являющихся непосредственно конструктивными элементами данной ГЭС (например, насоса с источником питания) или дополнительных действий обслуживающего персонала ГЭС по заполнению проточной части выпускной ветви водоприемника; ненадежность запуска ГЭС, связанную с заполнением рабочей жидкостью (водой) только выпускной ветви водоприемника, что приводит к образованию воздушной пробки в проточной части, критическое превышение размеров которой делает невозможным запуск ГЭС в работу (например, при превышении объема проточной части выпускной ветви над объемом остальной проточной части, которая в момент запуска заполнена воздухом).
Также из уровня техники известна ГЭС сифонного типа (патент ЕР на изобретение №1441125 А1, публ. 28.07.2004, МПК F03B 13/08), содержащая переброшенный через плотину водоприемник с всасывающей и выпускной ветвями, выполненный в виде сифона, в проточной части которого установлен гидроагрегат, состоящий из осевой гидротурбины и электрической машины, связанных с помощью мультипликатора, внешний вакуумный насос, подключенный к верхней части водоприемника и соединенный с источником энергии, необходимым для обеспечения работы вакуумного насоса, и систему останова, выполненную в виде воздушного клапана, расположенного в верхней части водоприемника. При этом осевая гидротурбина расположена в верхнем бьефе во всасывающей ветви водоприемника.
Недостатками данного технического решения являются громоздкость вследствие необходимости наличия внешнего устройства вакууммирования - вакуумного насоса с первичным источником энергии для обеспечения заполнения проточной части водоприемника перед запуском ГЭС в работу; низкая надежность работы и высокие капиталовложения при создании гидроэлектростанции из-за наличия мультипликатора в приводе гидроагрегата; ненадежность запуска.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является приплотинная низконапорная гидроэлектростанция сифонного типа (патент US на изобретение №4117676, публ. 03.10.1978, МПК F16D 33/00), содержащая, по меньшей мере, один водоприемник, переброшенный через плотину, выполненный в форме сифона, с всасывающей и выпускной ветвями, соединяющими верхний и нижний бьефы поверх плотины, с гидроагрегатом, выполненным в виде осевой гидротурбины и электрической машины, связанных кинематически, при этом осевая гидротурбина расположена во всасывающей ветви водоприемника и полностью погружена в рабочую жидкость верхнего бьефа, электрическая машина выполнена герметичной, подключенный к верхней части водоприемника внешний вакуумный насос, соединенный с первичным источником энергии, необходимым для обеспечения работы вакуумного насоса, при этом в верхней части водоприемника расположен нормально-закрытый воздушный клапан, соединенный с приводом, выпускная ветвь водоприемника выполнена в форме диффузора.
Недостатками настоящего технического решения являются громоздкость и дороговизна гидроэлектростанции вследствие применения внешних сторонних устройств, не являющихся непосредственно конструктивными элементами данной ГЭС - вакуумного насоса с первичным источником энергии, постоянное содержание которого ради нескольких секунд работы во время запуска гидроэлектростанции требует значительных финансовых затрат; ненадежность процесса запуска, большие энергетические затраты на запуск водоприемника, связанные с подъемом больших масс рабочей жидкости (воды) вакуумным насосом.
Техническая задача предлагаемой полезной модели состоит в обеспечении надежного запуска водоприемника гидроэлектростанции в работу без использования внешних сторонних устройств, не являющихся непосредственно конструктивными элементами гидроэлектростанции.
Технический результат заключается в повышении надежности функционирования гидроэлектростанции при одновременном снижении энергетических затрат на ее запуск в работу, повышении ее компактности и мобильности.
Это достигается тем, что известная приплотинная низконапорная гидроэлектростанция сифонного типа, содержащая, по меньшей мере, один водоприемник, переброшенный через плотину и выполненный в форме сифона, с всасывающей и выпускной ветвями, соединяющими верхний и нижний бьефы поверх плотины, с гидроагрегатом, выполненным в виде осевой гидротурбины и электрической машины, связанных кинематически, при этом осевая гидротурбина расположена во всасывающей ветви водоприемника и полностью погружена в рабочую жидкость верхнего бьефа, электрическая машина выполнена герметичной, в верхней части водоприемника расположен нормально-закрытый воздушный клапан, соединенный с приводом, выпускная ветвь водоприемника выполнена в форме диффузора, снабжена коммутатором, первичным источником электрического тока, дифференциальным реле давлений, первым и вторым датчиками давления, при этом первый вход коммутатора электрически соединен с электрической машиной, первый выход соединен с первичным источником электрического тока, второй выход выполнен с возможностью передачи электроэнергии во внешнюю обслуживаемую силовую электросеть, первый датчик давления установлен в проточной части всасывающей ветви водоприемника перед осевой гидротурбиной, второй датчик давления установлен в проточной части всасывающей ветви водоприемника за осевой гидротурбиной, при этом первый датчик давления соединен с первым входом дифференциального реле давлений, второй датчик давления соединен со вторым входом дифференциального реле давлений, выход которого соединен со вторым входом коммутатора.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена приплотинная низконапорная гидроэлектростанция сифонного типа.
Приплотинная низконапорная гидроэлектростанция сифонного типа содержит, по меньшей мере, один водоприемник 1, переброшенный через плотину 2 и закрепленный на ее гребне, выполненный в форме сифона, с всасывающей 3 и выпускной 4 ветвями, соединяющими верхний 5 и нижний 6 бьефы поверх плотины 2, с гидроагрегатом, выполненным в виде осевой гидротурбины 7 и электрической машины 8, связанных кинематически. При этом осевая гидротурбина 7 расположена во всасывающей ветви 3 водоприемника 1 и полностью погружена в рабочую жидкость верхнего бьефа 5, электрическая машина 8 выполнена герметичной. В верхней части водоприемника 1 расположен нормально-закрытый воздушный клапан 9, соединенный с приводом 10. Выпускная ветвь 4 водоприемника 1 выполнена в форме диффузора. Электрическая машина 8 электрически соединена с первым входом коммутатора 11, первый выход которого соединен с первичным источником электрического тока 12, а второй выход подсоединен к внешней обслуживаемой силовой электросети 13. При этом второй вход коммутатора 11, являющийся управляющим, соединен с выходом дифференциального реле давлений 14. В проточной части всасывающей ветви 3 водоприемника 1 перед осевой гидротурбиной 7 установлен первый датчик давления 15, а за осевой гидротурбиной 7 установлен второй датчик давления 16. При этом первый датчик давления 15 соединен с первым входом дифференциального реле давлений 14, второй датчик давления 16 соединен со вторым входом дифференциального реле давлений 14.
Первичный источник электрического тока 12 выполнен в виде аккумулятора или накопителя электроэнергии, входящего в состав электрического блока управления работой ГЭС. Это является компактным и низкоэнергозатратным решением. Герметичность электрической машины 8 может быть обеспечена расположением вне проточной части водоприемника 1 (в соответствии с поясняющим чертежом), выполнением по капсульному типу с герметичным расположением в проточной части всасывающей ветви 3 водоприемника 1 под уровнем верхнего бьефа или над ним.
Приплотинная низконапорная гидроэлектростанция сифонного типа работает следующим образом.
Для запуска ГЭС в целом достаточно заполнения рабочей жидкостью (водой) проточной части водоприемника 1. Для этого ее электрическая машина 8 коммутатором 11 в начальный момент времени подключена к первичному источнику электрического тока 12. Электрическая машина 8 запускается в режиме двигателя (стартера) и, тем самым, приводит в движение кинематически связанную с ней осевую гидротурбину 7. Осевая гидротурбина 7, находясь под уровнем верхнего бьефа 5, то есть под действием давления столба рабочей жидкости над ним, начинает работать в насосном режиме, заполняя проточную часть водоприемника 1 рабочей жидкостью по всасывающей ветви 3. Рабочая жидкость при достижении выпускной ветви 4 под действием силы тяжести устремляется вниз по ней к нижнему бьефу 6. В этот момент в верхней части водоприемника 1 значительно увеличивается скорость потока рабочей жидкости и возникает резкое понижение давления в проточной части водоприемника 1. Первый 15 и второй 16 датчики давления регистрируют величины давления на входе и выходе из осевой гидротурбины 7. По соответствующим электрическим связям показания передаются на первый вход и второй вход дифференциального реле давлений 14, которое отслеживает реверс перепада давлений на осевой гидротурбине 7, возникающий при увеличении скорости потока рабочей жидкости (воды) в проточной части водоприемника 1. В результате реверса перепада давлений на осевой гидротурбине 7 направление ее крутящего момента меняется на противоположное, что переводит связанную с ней кинематически электрическую машину 8 в режим генерации электрического тока. Таким образом, гидроагрегат переходит в турбинный режим работы с сохранением направлений своего вращения и движения потока рабочей жидкости (воды) в водоприемнике 1. Одновременно дифференциальное реле давлений 14 подает электрический сигнал на второй вход коммутатора 11 для переключения силовых цепей в последнем. Электрическая машина 8 принудительно переключается коммутатором 11 от первичного источника электрического тока 12 к обслуживаемой внешней силовой электросети 13, обеспечивая передачу электроэнергии.
Останов ГЭС обеспечивается принудительным открытием нормально-закрытого воздушного клапана 9 посредством привода 10. При этом воздух под действием атмосферного давления поступает в зону пониженного давления в проточной части водоприемника 1 и разделяет поток рабочей жидкости на две части. Первая часть под действием силы тяжести сбрасывается в верхний бьеф 5 через всасывающую ветвь 3, останавливая гидроагрегат ГЭС, а вторая часть - в нижний бьеф 6.
Использованные в заявляемой полезной модели свойства обратимости осевой гидротурбины 7 и электрической машины 8 ГЭС обеспечивают запуск водоприемника 1 методом самовсасывания без необходимости применения ненадежного и энергозатратного метода вакуумирования для заполнения его проточной части. По сути запуск обеспечивается непосредственно конструктивными элементами гидроэлектростанции, исключая тем самым из конструкции внешние сторонние устройства, предназначенные для запуска. Такой принцип запуска требует меньших энергетических затрат, так как при этом внешняя энергия первичного источника затрачивается лишь для заполнения рабочей жидкостью (водой) только всасывающей ветви водоприемника из верхнего бьефа, в то время как при работе вакуумного насоса энергия затрачивается еще и на подъем воды из нижнего бьефа по выпускной ветви. Таким образом, достигается снижение энергетических затрат на запуск водоприемника, обеспечение компактности и мобильности ГЭС.
Использование предложенной полезной модели позволяет обеспечить надежный запуск гидроэлектростанции в работу при любых колебаниях уровня нижнего бьефа, в том числе, когда срез выпускной ветви водоприемника не погружен в нижний бьеф из-за понижения его уровня, и проточная часть выпускной ветви водоприемника оказывается сообщенной с внешней атмосферой, так как его заполнение рабочей жидкостью осуществляется по всасывающей ветви из верхнего бьефа под давлением со стороны осевой гидротурбины, работающей в насосном режиме. Кроме того, полезная модель соответствует принципу модульности, при котором возможно использование нескольких модулей идентичной конструкции, что обеспечивает значительное снижение капиталовложений при создании ГЭС и установке ее на объекте эксплуатации, высокую ремонтопригодность энергетических узлов ГЭС, а также обеспечивает возможность маневренного дискретного регулирования мощности ГЭС в моменты пиковых нагрузок и в периоды пониженного энергопотребления в пределах сезонного или суточного циклов путем ступенчатого отключения (или задействования) нескольких гидроагрегатов из числа всей серии, установленной на объекте. Периодичный характер эксплуатации гидроагрегатов ГЭС одновременно увеличивает ресурс гидроагрегатов, повышая их эксплуатационную надежность.