ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Заявляемая полезная модель относится к области энергетики, а именно к электрическим станциям, вырабатывающим электрическую энергию на основе использования потенциальной или кинетической энергии воды.
Известно большое количество гидроэлектростанций (ГЭС), использующих, главным образом, энергию речных водоемов. Из таких устройств можно выделить ГЭС плотинного и бесплотинного типов.
В бесплотинных ГЭС с помощью транспортного напорного водовода с водозабором в одном из плесов реки с уклоном ее дна, укладываемого вниз по течению на ее берегу, вода подается на турбину, вращающую генератор электрической энергии. Система управления регулирует расход воды через турбину [1,2].
В бесплотинных ГЭС расчетную мощность станций определяет уклон рек, длина и площадь сечения водовода.
В известных плотинных электростанциях, использующих потенциальный напор между верхним и нижним бьефом, вода путем напорного водовода доставляется к колесу турбины, вращение которой передается генератору электрической энергии. Заданная частота вращения генератора (его мощность) обеспечивается с помощью системы управления расходом воды через турбину. К таким станциям относятся большинство Волжских ГЭС.
Известны также водопадные электростанции для рек с большим переходом уровней водной поверхности [3]. В этом предложении для увеличения потенциальной энергии падающей воды используют кинетическую энергию течения реки верхнего уровня. Водный поток из водовода в нижнем бьефе действует на лопасти турбины, вращение которой передается на генераторы электрической энергии. Для регулирования расхода воды через турбину в приемном сопле водовода предусмотрен затвор, перемещаемый с помощью гидроцилиндра.
Основным недостатком рассмотренных выше гидроэлектростанций является их дороговизна и сложность устройств подвода воды к гидротурбине.
Известна также полезная модель по патенту №69089 «Утилизационная гидроэлектростанция», в которой для выработки электроэнергии используется сбрасываемая вода из очистных сооружений. В данной электростанции подводящий воду к гидротурбине напорный трубопровод и отводящий воду трубопровод врезаны в трубопровод выпуска очистных сточных вод из очистных сооружений, на котором между врезками установлен затвор [4]. Данная полезная модель принята за ближайший аналог заявляемого технического решения.
Общим свойством известных электростанций для выработки электроэнергии является использование потенциальной или кинетической энергии воды, которая по транспортному водоводу доставляется из верхнего бьефа в нижний бьеф к гидротурбине, вал которой связан с валом генератора электрической энергии. Электростанции могут содержать систему управления расходом воды через гидротурбину.
Главный недостаток гидроэлектростанции по полезной модели (патент №69089) заключается в том, что функционирование электростанции может нарушать нормальное функционирование очистных сооружений, главной задачей которых является своевременной сброс утилизированной воды. При работающей турбине расход воды через гидротурбину зависит от потребной мощности гидроэлектростанции и может изменяться в широких пределах, а диаметр трубопровода выпуска очистных сооружений рассчитан на максимально возможный расход утилизированной воды из водоема очистных сооружений. Поэтому, подключение гидроэлектростанции к трубопроводу сброса очистных сооружений может не обеспечить требуемого сброса утилизированной воды, а это может привести к неприятным экологическим последствиям.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является расширение области применения малых электростанций, строительство их вблизи крупных городов и мегаполисов, выработка электрической энергии которыми основана на использовании энергии воды, сбрасываемой с очистных сооружений, строительство которых не требует вложения значительных средств, а также обеспечение нормального функционирования электростанции при всех ее режимах, не нарушая проектного функционирования очистных сооружений сброса утилизированной воды в речной водоем.
Технический результат выражается в частичном возврате средств, затрачиваемых на обязательное обеспечение нужд города водой.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что гидроэлектростанция содержит гидротурбину, соединенную валом с генератором электрической энергии, систему управления расходом воды через гидротурбину, предтурбинный затвор, напорный трубопровод, подводящий воду к гидротурбине и трубопровод, отводящий от нее воду, промежуточную камеру, связанную, по крайней мере, одним безнапорным трубопроводом с водоемом очистных сооружений, в которую врезаны трубопроводы сброса утилизированной воды из очистных сооружений и дополнительный транспортный трубопровод, второй конец которого через затвор связан с нижним бьефом реки. Напорный трубопровод, подводящий воду к гидротурбине, через предтурбинный затвор подключен выше, а отводящий трубопровод - ниже затвора транспортного трубопровода.
Заявляемая гидроэлектростанция может содержать также первый и второй дополнительные затворы, второй транспортный трубопровод, один конец которого врезан в промежуточную камеру, вторую гидротурбину, соединенную с генератором электрической энергии, систему управления расходом воды через вторую гидротурбину, напорный трубопровод, подводящий воду ко второй турбине и трубопровод, отводящий от нее воду,
соединенные со вторым транспортным трубопроводом, второй конец которого через затвор связан с нижним бьефом реки. Конец напорного трубопровода, подводящего воду ко второй гидротурбине, через предтурбинный затвор и второй дополнительный затвор подключен выше затвора второго транспортного трубопровода, а конец трубопровода, отводящего воду от второй гидротурбины, подключен ниже затвора второго транспортного трубопровода. Подводящий воду к первой гидротурбине напорный трубопровод через предтурбинный затвор и первый дополнительный затвор подключен к первому транспортному трубопроводу, а подводящие напорные трубопроводы на участке между предтурбинным затвором и дополнительным затвором соединены между собой трубопроводом через третий дополнительный затвор.
На фиг.1 показан один вариант гидроэлектростанции с одним транспортным трубопроводом и одной гидротурбиной в соответствии с заявляемой полезной моделью, где:
1 - гидротурбина,
2 - генератор электрической энергии,
3 - подводящий напорный трубопровод,
4 - предтурбинный затвор,
5 - отводящий трубопровод,
6 - система управления расходом воды через гидротурбину,
7 - транспортный трубопровод,
8 - затвор,
9 - промежуточная камера,
10 - безнапорный трубопровод,
11 - водоем очистных сооружений,
12 - трубопроводы сброса утилизированной воды,
13 - речной водоем.
На фиг.2. показан другой вариант гидроэлектростанции с двумя транспортными трубопроводами и двумя гидротурбинами в соответствии с заявляемой полезной моделью, где:
1 - гидротурбина,
2 - генератор электрической энергии,
3 - подводящий напорный трубопровод,
4 - предтурбинный затвор,
5 - отводящий трубопровод,
6 - система управления расходом воды через гидротурбину,
7 - транспортный трубопровод,
8 - затвор,
9 - промежуточная камера,
10 - безнапорный трубопровод,
11 - водоем очистных сооружений,
12 - трубопроводы сброса утилизированной воды,
13 - речной водоем,
14 - вторая гидротурбина,
15 - генератор электрической энергии второй гидротурбины,
16 - подводящий напорный трубопровод второй гидротурбины,
17 - предтурбинный затвор второй гидротурбины,
18 - отводящий трубопровод второй гидротурбины,
19 - система управления расходом воды через вторую гидротурбину,
20 - второй транспортный трубопровод,
21 - затвор второго транспортного трубопровода,
22 - первый дополнительный затвор,
23 - второй дополнительный затвор,
24 - третий дополнительный затвор,
25 - трубопровод.
Заявляемая гидроэлектростанция может иметь несколько вариантов исполнения.
В одном варианте исполнения гидроэлектростанция содержит:
гидротурбину 1, соединенную с генератором электрической энергии 2, подводящий воду напорный трубопровод 3, предтурбинный затвор 4, отводящий воду трубопровод 5, систему управления расходом воды через гидротурбину 6, транспортный трубопровод 7, затвор транспортного трубопровода 8, промежуточную камеру 9, безнапорный трубопровод 10, водоем очистных сооружений 11, трубопроводы сброса утилизированной воды из очистных сооружений 12, речной водоем нижнего бьефа 13.
При другом варианте исполнения гидроэлектростанции она дополнительно содержит вторую гидротурбину 14, соединенную со вторым генератором электрической энергии 15, подводящий воду ко второй гидротурбине напорный трубопровод 16, предтурбинный затвор 17, отводящий воду от второй гидротурбины трубопровод 18, систему управления расходом воды через вторую гидротурбину 19, второй транспортный трубопровод 20, затвор второго транспортного трубопровода 21, дополнительные затворы: первый 22, второй 23, третий 24, трубопровод 25.
Общим для вариантов гидроэлектростанции является наличие промежуточной камеры, соединенной, по крайней мере, одним безнапорным трубопроводом с водоемом очистных сооружений. В промежуточную камеру врезаны трубопроводы сброса утилизированной воды с очистных сооружений в нижний бьеф реки.
Второй вариант исполнения гидроэлектростанции содержит два транспортных трубопровода, к каждому из которых трубопроводами подсоединены по одной гидротурбине с генератором электрической энергии и системой управления расходом воды через гидротурбину. Одним концом
транспортные трубопроводы врезаны в промежуточную камеру, а другим концом через затвор связаны с нижним бьефом реки.
Особенностью данного варианта исполнения гидроэлектростанции является то, что каждый подводящий воду к гидротурбине напорный трубопровод содержит предтурбинный затвор и один дополнительный затвор.
Другой особенностью является также то, что напорные трубопроводы на участке между предтурбинным затвором и дополнительным затвором соединены между собой трубопроводом через третий дополнительный затвор.
Следующей особенностью является и то, что каждый подводящий воду к гидротурбине напорный трубопровод подключен к соответствующему транспортному трубопроводу выше затвора, а каждый из отводящих трубопроводов подключен ниже затвора соответствующего транспортного трубопровода.
Заявляемая гидроэлектростанция функционирует следующим образом.
Для варианта с одним транспортным трубопроводом и одной гидротурбиной.
Очищенная вода в очистных сооружениях города из водоема 11 по безнапорному трубопроводу 10 непрерывно поступает в промежуточную камеру 9, находящуюся вблизи очистных сооружений на верхнем уровне. Из промежуточной камеры вода по транспортному трубопроводу 7 доставляется на площадку, расположенную несколько выше уровня речного водоема 13. На площадке размещены затвор 8 транспортного трубопровода 7, подводящий напорный трубопровод 3, предтурбинный затвор 4, отводящий трубопровод 5, гидротурбина 1 с генератором электрической энергии 2 и система управления расходом воды через гидротурбину 6.
При закрытом затворе 8 транспортного трубопровода 7 и открытом предтурбинном затворе 4 вода из промежуточной камеры 9 по
транспортному трубопроводу 7 и подводящему напорному трубопроводу 3 поступает на гидротурбину 1, обеспечивая ее вращение и вращение связанного с ней генератора электрической энергии 2. Прошедшая через гидротурбину вода по отводящему трубопроводу 5 сбрасывается ниже затвора 8 в транспортный трубопровод 7 и далее по нему сливается в речной водоем 13. Стабилизация заданной частоты вращения гидротурбины или заданной отдаваемой мощности генератора 2 обеспечивается системой управления расходом воды через гидротурбину 6.
При закрытом затворе 8 транспортного трубопровода и закрытом затворе 4, т.е. при остановленной гидротурбине, сброс утилизированной воды из промежуточной камеры 9 в речной водоем 13 осуществляется по трубопроводам сброса очистных сооружений 12.
При открытом затворе 8 транспортного трубопровода и закрытом затворе 4 транспортный трубопровод может выполнять функцию трубопровода сброса очистных сооружений, уменьшая нагрузку непосредственно на трубопроводы сброса 12, что позволяет выключать один из трубопроводов 12 для проведения необходимых профилактических работ.
При закрытом затворе 8 транспортного трубопровода и открытом предтурбинном затворе 4 и работающей гидротурбине 1 в случае превышения поступления воды из водоема очистных сооружений 11 в промежуточную камеру 9 над потребным расходом воды через гидротурбину 1 избыток воды из промежуточной камеры 9, уровень которой превысит уровень заборного сечения транспортного трубопровода, отводится в речной водоем 13 по имеющимся трубопроводам сброса 12 очистных сооружений.
Система управления 6 в режимах стабилизации заданной скорости вращения гидротурбины или отдаваемой мощности с помощью регулирующего органа (на чертеже не показан) стабилизирует необходимый для этих режимов расход воды через гидротурбину 1. В режимах пуска, останова гидротурбины, в том числе при сбросах нагрузки система
управления 6 обеспечивает программную работу затворов 4, 8 и регулирующего органа расхода воды через гидротурбину 1. При сбросе полной мощности синхронно с уменьшением расхода воды через гидротурбину с помощью регулирующего органа система управления обеспечивает открытие затвора 8 на определенную величину, что позволяет разгрузить гидротурбину и выполнить заданные гарантии регулирования в части повышения давления в трубопроводах 3 и 7 и угонной скорости вращения гидротурбины.
Данный вариант исполнения гидроэлектростанции выгодно отличается от прототипа тем, что при проведении каких-либо профилактических работ на транспортном трубопроводе или ремонтных и профилактических работ затворов, турбины, электрогенератора не нарушается работа очистных сооружений по своевременному сбросу утилизированной воды по трубопроводам сброса. Для обеспечения профилактики трубопроводов сброса транспортный трубопровод может быть использован при открытом его затворе и остановленной турбине как трубопровод сброса. Однако, за время проведения ремонтных и профилактических работ трубопроводов сброса из-за остановки гидротурбины электрическая энергия не вырабатывается, что не желательно.
Работа гидроэлектростанции с двумя транспортными трубопроводами и двумя гидротурбинами (рис.2).
Очищенная вода в очистных сооружениях города из водоема 11 по безнапорному трубопроводу 10 непрерывно поступает в промежуточную камеру 9, находящуюся вблизи очистных сооружений на верхнем уровне. Из промежуточной камеры вода по транспортным трубопроводам 7 и 20 доставляется на площадку, расположенную несколько выше уровня речного водоема 13.
На площадке размещены затворы 8 и 21 транспортных трубопроводов, предтурбинные затворы 4 и 17, дополнительные затворы 22, 23 и 24, подводящие воду напорные трубопроводы 3 и 16 и отводящие трубопроводы
5 и 18, первая и вторая гидротурбины 1, 14 с генераторами электрической энергии 2, 15, системы управления расходом воды через гидротурбины 6, 19.
При закрытых затворах 8, 21, открытых затворах 22, 23 и открытых предтурбинных затворах 4, 17 вода из промежуточной камеры 9 по транспортным трубопроводам 7, 20 и подводящим напорным трубопроводам 3, 16 поступает на гидротурбины 1, 14, обеспечивая их вращение и вращение связанных с ними генераторов электрической энергии 2, 15. Прошедшая через гидротурбины вода по отводящим трубопроводам 5 и 18 сбрасывается ниже затворов 8 и 21 в соответствующие транспортные трубопроводы и далее сливается в речной водоем 13. Стабилизация заданной частоты вращения гидротурбин или заданной отдаваемой мощности генераторов 2 и 15 обеспечивается системами управления расходом воды через гидротурбины 6 и 19.
При закрытых затворах 8, 22 транспортных трубопроводов и закрытых затворах 21, 23, т.е. при остановленных гидротурбинах, сброс утилизированной воды из промежуточной камеры 9 в речной водоем 13 осуществляется по трубопроводам сброса утилизированной воды с очистных сооружений 12.
При открытом затворе 8 (или 21) транспортного трубопровода и закрытых затворах 4, 22 (или 17, 23) транспортный водовод 7 (или 20) может выполнять функцию трубопровода сброса, уменьшая нагрузку непосредственно на трубопроводы сброса 12, что позволяет выключать один из трубопроводов сброса 12 для проведения необходимых профилактических работ, при этом одна из гидротурбин может работать и вырабатывать электрическую энергию. При необходимости, например, переполнении водоема очистных сооружений можно временно выключить обе турбины путем закрытия затворов 4, 17, 22, 23 и открытия затворов 8, 21, что позволит значительно ускорить сброс воды с очистных сооружений.
При закрытых затворах 8, 21 транспортных трубопроводов и открытых затворах 4, 22 и 17, 23 (работающих гидротурбинах 1 и 14) в случае
превышения поступления воды из водоема очистных сооружений 11 в промежуточную камеру 9 над потребным расходом воды через гидротурбины, избыток воды из промежуточной камеры 9 отводится в речной водоем 13 по имеющимся трубопроводам сброса 12 очистных сооружений.
Системы управления 2 и 19 в режимах стабилизации заданной скорости вращения гидротурбин или отдаваемой мощности с помощью регулирующего органа (на чертеже не показан) стабилизируют необходимый для этих режимов расход воды через гидротурбину 1 или 14. В режимах пуска, останова гидротурбины, в том числе при сбросах нагрузки система управления обеспечивает программную работу затворов 8 или 21 и регулирующего органа расхода воды через гидротурбину. При сбросе полной мощности синхронно с уменьшением расхода воды через гидротурбину с помощью регулирующего органа система управления 6 (или 19) обеспечивает открытие затвора 8 (или 21) на определенную величину, что позволяет разгрузить гидротурбину и выполнить заданные гарантии регулирования в части повышения давления в трубопроводах 3, 7 (или 16, 20) и угонной скорости вращения гидротурбины.
Если принять, что энергетическая емкость очистных сооружений составляет в пересчете на располагаемую мощность N, то с экономической и эксплуатационной точки зрения более целесообразным решением будет являться решение установки двух гидроагрегатов половинной мощности, т.е. N/2. В этом случае при профилактике или простое одного из них гидростанция может вырабатывать энергию, равную половинной мощности станции.
Гидроэлектростанция с двумя транспортными трубопроводами и двумя гидротурбинами (рис.2) позволяет упростить обслуживание как элементов очистных сооружений, так и элементов гидроэлектростанции. Путем установки соответствующих положений дополнительных затворов можно
подключить оба гидроагрегата на работу от одного транспортного трубопровода, обеспечив непрерывную выработку электроэнергии, а на другом трубопроводе в это время могут проводиться профилактические или ремонтные работы. Учитывая, что средства на сооружение очистных сооружений и других элементов сброса утилизированной очищенной воды в речной водоем уже вложены, то затраты на прокладку транспортных трубопроводов 7, 20 и размещение элементов гидроэлектростанции на площадке вблизи нижнего бьефа могут оцениваться как приемлемые. При построении и введении в работу подобного рода электрических станций можно использовать способ сооружений гидроэлектростанций на горных реках, а также модульную конструкцию гидроагрегатных блок-секций стационарного узла гидроэлектростанции по патенту №2185478 [5].
По данным Дагестанской генерирующей компании сметная стоимость сооружения горной гидроэлектростанции мощностью 1,2 МВт (2 гидроагрегата по 0,6 МВт), которая близка по затратам к предлагаемой электростанции, ориентировочно составляет 25-30 млн. рублей. Для города с населением 500 тыс. человек стоимость выработанной электроэнергии гидроэлектростанцией (указанной мощности) на основе использования утилизированной воды очистных сооружений возврат средств городу составляет 14-15 млн. руб. в год. Срок окупаемости таких гидроэлектростанций составляет около 2 лет, а срок строительства оценивается в 3-4 месяца.
Источники информации
1. Патент РФ №2162914 «Бесплотинная гидроэлектростанция с промежуточным резервуаром», МПК Е02В 9/00, 1998 г.
2. Патент РФ №2173745 «Бесплотинная гидроэлектростанция», МПК Е02В 9/00, 1998 г.
3. Патент РФ №2012713 «Гидроэлектростанция», МПК Е02В 9/00, 1991 г.
4. Патент РФ №69089 «Утилизационная гидроэлектростанция», МПК Е02В 9/00, 2007 г.
5. Патент РФ №2185478 «Здание гидростанции и способ сооружения гидроэлектростанций», МПК Е02В 9/00, 2002 г.