ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
HYDROELECTRIC PUMPED-STORAGE POWER PLANT

Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть использовано для производства электрической и тепловой энергии за счет напора воды, создаваемого как устройством на базе естественных водных источников, так и специально сооруженных.
6
Известна гидроаккумулирующая электростанция, включающая машинный зал с гидроагрегатами, соединенными с нижним бассейном, верхний бассейн, соединенный водоводом с гидроагрегатами, летательный аппарат легче воздуха, компрессор с газопроводом и запорной арматурой, растяжками и анкерами, причем верхний бассейн выполнен в виде резервуара, прикреплен к летательному аппарату и поднят над поверхностью Земли, водовод выполнен из гибкого материала, а летательный аппарат соединен газопроводом с компрессором, при этом газопровод и водовод прикреплены друг к другу, а летательный аппарат, резервуар верхнего бассейна и водовод при помощи заанкеренных растяжек прикреплены к поверхности Земли (см. патент РФ №2106453, МПК Е02В 9/00, F03B 17/00, опубл. 27.05.1998).
Общими признаками известного и предлагаемого технических решений являются:
- верхний бассейн,
- нижний бассейн,
- гидроагрегат,
- трубопроводы с регулирующей арматурой,
- выполнение трубопровода из гибкого материала.
Недостатками известной гидроаккумулирующей электростанции являются:
ограничение мощности установки вследствие использования в основном гидростатического давления столба воды, его разницу в высотных отметках уровней воды и ограниченность аккумулированного ресурса воды, обусловленного грузоподъемностью аэростата.
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является гидроаккумулирующая электростанция (далее по тексту ГАЭС), включающая герметичный верхний резервуар, соединенный посредством трубопровода с вентилем с источником сжатого газа, нижний резервуар, сообщенный с атмосферой, дополнительный герметичный нижний резервуар, сообщенный трубопроводами с вентилями с верхним резервуаром и атмосферой, гидроагрегатный блок, соединенный трубопроводом с верхним резервуаром и нижними резервуарами трубопроводами, снабженными затворами. Отношение объема одного резервуара нижнего бьефа к объему другого составляет 0,9-1,1 (см. авт. свид. №953078, М. кл. F02B 9/00, опубл.23.08.1982).
Общими признаками известного и предлагаемого решений являются:
- верхний резервуар,
- герметичный нижний резервуар, сообщенный трубопроводами с вентилями с верхним резервуаром,
- гидроагрегатный блок,
- трубопроводы с регулирующей арматурой.
Недостатки известной гидроаккумулирующей электростанции заключаются в следующем.
В процессе разрядки ГАЭС процедура разности перепада давления находится в диапазоне от принудительного плюсового давления до получения разряженной его части путем стравливания содержимого объема нижнего герметичного резервуара в атмосферу. Функция этого резервуара для получения разряженной части давления малоэффективна, так как имеет узкий диапазон разности перепада давления, и, как следствие, кратковременность периода водяного напора, связанного с процедурой опорожнения верхнего резервуара. Поэтому известная ГАЭС не обеспечивает достаточный запас аккумуляции в рабочей среде и имеет, как следствие, кратковременный период эффективной работ.
Техническая задача заключается в создании автономной гидроаккумулирующей электростанции с увеличенным запасом аккумуляции в рабочей среде за счет расширения диапазона разности перепада давлений газа с установлением постоянного водяного напора в сообщающейся созданной гидравлической системе ГАЭС, обеспечивая длительность работы ГАЭС при повышении ее эффективности.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в известной гидроаккумулирующей электростанции содержащей верхний резервуар, наполненный водой, гидроагрегатный блок, нижний резервуар, сообщенный с верхним резервуаром, трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой, новым является дополнительно установленные вакуумный гидроаккумулятор с гидроподъемником и водонапорная труба, при этом вакуумный гидроаккумулятор выполнен в виде камеры, в верхней части которой размещен гидроагрегатный блок, а снизу эта камера открыта и расположена в верхнем резервуаре, сообщенном с атмосферой и соединенном обратным трубопроводом и вентилем посредством гибкого привода с верхней частью вакуумного гидроаккумулятора, нижний герметичный резервуар разделен перегородкой, установленной с зазором к его дну, на камеру переменного давления и камеру статичного давления, причем нижняя часть камеры переменного давления соединена с верхним резервуаром трубопроводом с вентилем, а верхняя ее часть соединена посредством воздушного трубопровода через вентили с обратным трубопроводом и с верхней герметичной частью водонапорной трубы - последняя также соединена посредством вентиля с обратным трубопроводом, при этом верхняя герметичная часть водонапорной трубы расположена выше горизонта воды верхнего резервуара и снабжена спускным клапаном, а нижняя часть снабжена обратным клапаном и расположена в камере статичного давления с зазором ко дну камеры.
Кроме того, камера вакуумного гидроаккумулятора выполнена цилиндрической и в верхней части имеет конусообразный участок.
Кроме того, гидроагрегатный блок установлен соосно с вакуумным гидроаккумулятором и содержит турбину с соосно установленным генератором.
Кроме того, обратный трубопровод имеет П-образный участок, верхняя часть которого расположена выше точки соединения его с вакуумным гидроаккумулятором при любом его положении в пространстве и сообщена с его полостью.
Совокупность признаков предлагаемого изобретения расширяет диапазон разности перепада давления в сторону разряженной ее части. Предложенное устройство - вакуумный гидроаккумулятор с гидроподъемником, обеспечивающий подъем водной массы на фиксированную высоту, образует совпадающее действие процедуры разрядки и зарядки ГАЭС. Процедура зарядки является одномоментным действием подъема массы воды. Процедура разрядки является долговременным действием ресурса силы веса воды. Сохранение диапазона перепада давлений - полюсов давления газа, определяет длительность работы турбины с поступлением водяного напора. Регулировка напора (мощность) обеспечивается посредством изменения высоты подъема массы воды ее надводной частью. Таким образом обеспечивается длительность работы ГАЭС при повышении ее эффективности.
Заявляемое решение позволяет получить ток жидкости рабочей среды средствами аккумуляции воздушного градиента сжатия и разряжения, изменяющего нижний и верхний уровень горизонта воды при сохранении принципа сообщающихся сосудов со средним атмосферным уровнем в одной общей замкнутой системе, вследствие чего устанавливается постоянный гидравлический напор с возможностью отбора энергии в местах потребления, т.е. обеспечивается автономность ГАЭС с увеличенным запасом аккумуляции в рабочей среде
На чертеже представлена гидроаккумулирующая электростанция, содержащая верхний резервуар 1, сообщенный с атмосферой, при этом он может быть выполнен искусственно и наполнен водой или может представлять собой естественный источник с водой (пруд, озеро). В верхнем резервуаре 1 размещен вакуумный гидроаккумулятор 2 с телескопическим гидроподъемником 3. Вакуумный гидроаккумулятор 2 выполнен в виде камеры, в верхней части которой размещен гидроагрегатный блок, содержащий турбину 4 с соосно установленным генератором 5, причем гидроагрегатный блок расположен выше уровня воды и размещен в камере вакуумного гидроаккумулятора. Камера вакуумного гидроаккумулятора 2 может быть выполнена цилиндрической и в верхней части может иметь конусообразный участок 6, причем при расположении ее в искусственно созданном верхнем резервуаре камера расположена в нем соосно. Снизу эта камера открыта и расположена в верхнем резервуаре 1. Верхний резервуар 1 соединен обратным трубопроводом 7 и вентилем 8 посредством гибкого армированного привода 9 с верхней частью вакуумного гидроаккумулятора 2, которая имеет спускной клапан 10. Обратный трубопровод 7 имеет П-образный участок, верхняя часть которого расположена выше точки соединения его с вакуумным гидроаккумулятором 2 и соединена с его полостью вакуумным гидроавтоматом 11, выполняя функцию гидроавтомата. Обратный трубопровод 7 может быть присоединен к нижней центральной точке слива созданного верхнего резервуара 1.
Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) содержит герметичный нижний резервуар 12, выполняющий функцию воздушного гидроаккумулятора, который разделен перегородкой 13, установленной с зазором к его дну, на камеру переменного давления 14 и камеру статичного давления 15. Перегородка 13 может быть выполнена наклоненной, образуя острый угол в камере переменного давления 14. Нижняя часть камеры переменного давления 14 соединена с верхним резервуаром 1 трубопроводом 16 с вентилем 17. В случае созданного искусственно верхнего резервуара 1 трубопровод 16 может быть соединен с нижней периферийной частью резервуара 1. Верхняя часть камеры переменного давления 14 соединена посредством воздушного трубопровода 18 с воздушным вентилем 19 с верхней герметичной частью водонапорной трубы 20 и через вентиль 21 - с обратным трубопроводом 7. Труба 20 соединена посредством вентиля 22 с обратным трубопроводом 7. Верхняя герметичная часть водонапорной трубы 20 расположена выше горизонта воды верхнего резервуара 1 и снабжена спускным клапаном 23. Нижняя часть водонапорной трубы 20 снабжена обратным водяным клапаном 24 и расположена в камере статичного давления 15 с зазором ко дну камеры, равным зазору, с которым установлена перегородка 13 ко дну резервуара 12.
Принцип эксплуатации заключается в следующем.
В исходном положении резервуары 1 и 2, трубопровод 16 и часть обратного трубопровода 7, нижняя часть воздушного гидроаккумулятора 12 и водонапорная труба 20 заполнены водой, вентили 8, 21, 19 и 22 закрыты, спускные клапаны 10 и 23 открыты. Осуществляется процесс зарядки ГАЭС, для чего закрывают спускной клапан 10 и производят подъем вакуумного гидроаккумулятора 2 посредством гидроподъемника 3. Подъем массы воды в надводной части верхнего резервуара 1 определяет мощность зарядки ГАЭС. Далее происходит процесс разрядки ГАЭС: для этого закрывают спускной клапан 23, стравливают порцию сжатого воздуха вентилем 19 в верхнюю часть полости водонапорной трубы 20. Открывают вентиль 8, через вакуумное пространство обратного трубопровода 7, через гибкий привод 9 струя воды попадает на лопасти турбины 4. Разность перепада давления усиливается вследствие организации внешнего контура движения воды: по трубопроводу 16, нижнему резервуару 12 в водонапорной трубе 20, через вентиль 22, имеющий плюсовое давление, подачи напорной воды в обратный трубопровод 7, при этом ламинарное движение воды по внешнему контуру прямого трубопровода 16 переходит в турбулентное движение воды в обратном трубопроводе 7. Нижний уровень трубопровода 16 находится ниже воздушного гидроаккумулятора 12. При прохождении струи воды через камеру переменного давления 14 имеет место выделение сжатых микропузырьков воздуха, сопровождающих струю воды в камеру 14. Накопление пузырьков в виде избыточного давления стравливают через вентиль 21, далее через вентиль 8 в обратный трубопровод 7, что изменяет удельный вес воды в сторону его уменьшения на участке подъема эрлифта в трубопроводе 7. Турбина 4 вращается постоянно, так как находится под действием напора струи воды, обусловленной разностью перепада давления газа. Турбина 4, размешенная в вершине конусообразного участка 6, при вращении распределяет компоненты сил - центробежной по внешнему контуру и центростремительной по оси, усиливает всасывание в верхней части вакуумного гидроаккумулятора 2, причем вершина всасывающего конуса воронки движения воды совпадает с местом центра слива обратного трубопровода 7, а циркуляция по внешнему контуру движения воды совпадает с забором воды в месте соединения трубопровода 16.
Турбина 4 передает движение генератору 5, таким образом обеспечивая постоянную эффективную работу ГАЭС.