Основные типы компоновок микро гэс

Всё об энергетике

Многообразие вариантов и уникальность технических решений применяемых при строительстве гидроэлектростанций поражает воображение. На самом деле, не так легко найти две одинаковые станции. Но всё же существует их классификация, основанная на определённых признаках — критериях.

Способ создания напора

Пожалуй, самый очевидный критерий — способ создания напора:

русловая гидроэлектростанция (ГЭС);
деривационная гидроэлектростанция;
гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС);
приливная электростанция (ПЭС).

Между этими четырьмя основными видами гидроэлектростанций есть характерные отличия. Речная гидроэлектростанция располагается на реке, перекрывая плотиной её течение для создания напора и водохранилища. Деривационная ГЭС обычно располагается на извилистых горных реках, где можно соединить рукава реки водоводом чтобы пустить часть потока по более короткому пути. Напор при этом создаётся естественным перепадом рельефа местности, а водохранилище может и вовсе отсутствовать. Гидроаккумулирующая электростанция представляет собой два бассейна, располагающихся на разных уровнях. Бассейны соединены водоводами, по которым вода может перетекать в нижний бассейна из верхнего и перекачиваться обратно. Приливная электростанция располагается в заливе, перекрытом плотиной для создания водохранилища. В отличии от гидроаккумулирующей электростанции рабочий цикл ПЭС зависит от явления приливов/отливов.

Величина напора

По величине напора, создаваемого гидротехническим сооружением (ГТС) гидроэлектростанции делятся на 4 группы:

низконапорные — до 20 м;
средненапорные — от 20 до 70 м;
высоконапорные — от 70 до 200 м;
сверхвысоконапорные — от 200 м.

Стоить отметить что классификация по величине напора носит относительный характер и разнится от одного источника к другому.

Установленная мощность

По установленной мощности станции — сумме номинальных мощностей генерирующего оборудования установленного на ней. Эта классификация имеет 3 группы:

микро-ГЭС — от 5 кВт до 1 МВт;
малые ГЭС — от 1 кВт до 10 МВт;
крупные ГЭС — свыше 10 МВт.

Классификация по установленной мощности также как и по величине напора, не является строгой. Одну и ту же станцию в разных источниках могут относить к разным группам.

Конструкция плотины

Существует 4 основных группы плотин гидроэлектростанций:

гравитационная;
контрфорсная;
арочная;
арочно-гравитационная.

Гравитационная плотина представляет собой массивную конструкцию удерживающую воду в водохранилище за счёт своего веса. Контрфорсная плотина использует несколько другой механизм – свой относительно небольшой вес она компенсирует весом воды, давящей на наклонную грань плотины со стороны верхнего бьефа. Арочная плотина, пожалуй самая изящная, имеет форму арки, упирающейся основанием в берега и округлой частью выпуклой в сторону водохранилища. Удержание воды у арочной плотины происходит за счёт перераспределения давления с фронта плотины на берега реки.

Расположение машинного зала

Точнее, по расположению машинного зала относительно плотины, не путать с компоновкой! Эта классификация имеет значение только для русловых, деривационных и приливных электростанций.

руслового типа;
приплотинного типа.

При русловом типе машинный зал располагается непосредственно в теле плотины, приплотинной типе — возводится отдельно от тела плотины и обычно располагается сразу за ним.

Компоновка

Под словом «компоновка» в данном контексте подразумевается расположение машинного зала относительно русла реки. Будьте внимательны при чтении другой литературы на эту тему, потому как слово компоновка имеет более широкое значение. Классификация справедлива только для русловых и деривационных электростанций.

русловая;
пойменная;
береговая.

При русловой компоновке здание машинного зала располагается в русле реки, пойменной компоновке — в пойме реки, а при береговой компоновке — на берегу реки.

Зарегулированность

А именно степень зарегулированности стока реки. Классификация имеет значение только для русловых и деривационных гидроэлектростанций.

суточного регулирования (цикл работы — одни сутки);
недельного регулирования (цикл работы — одна неделя);
годичного регулирования (цикл работы — один год);
многолетнего регулирования (цикл работы — несколько лет).

Классификация отражает насколько велико водохранилище гидроэлектростанции по отношению к объему годового стока реки.

Все приведённые критерии не являются взаимно исключаемыми, то есть одна и та же ГЭС может быть речного типа, высоконапорной, средней мощности, русловой компоновки с машинным залом приплотинного типа, арочной плотиной и водохранилищем годичного регулирования.

Список использованных источников

Брызгалов, В.И. Гидроэлектростанции: учеб. пособие / В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. — 541 с.
Гидротехнические сооружения: в 2 т. / М.М. Гришин [и др.]. — Москва: Высшая школа, 1979. — Т.2 — 336 с.

Статьи схожей тематики

Плотины. Виды грунтовых плотин
Плотины. Виды, особенности
ГЭС. Основы. Принцип работы

Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Малые ГЭС представляют собой комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающих электроснабжение различных по своей структуре потребителей, в соответствии с их требованиями. Состав сооружений, их конструкция и компоновка, количество и тип основного и вспомогательного оборудования определяются исходя из принципов комплексного использования гидроэнергетических ресурсов и обеспечения экологической безопасности

По своему назначению, режиму работы и расположению в общей схеме электроснабжения потребителей, малые ГЭС подразделяются на системные и автономные.

Вопрос использования малых ГЭС в энергосистеме имеет основное значение при обосновании экономической целесообразности строительства малых ГЭС. Функционирование электроэнергосистемы обеспечивает покрытие графика электропотребления т.е. выдачу требуемого количества электроэнергии в нужное время. В этих условиях эффективно использование малых ГЭС в местных энергосистемах, где они выполняют функцию суточного или недельного регулирования, а иногда используется для регулирования частоты тока в сети.

Автономные малые ГЭС используют гидроэнергоресурсы малых водотоков и строятся для электроснабжения потребителей, удаленных от энергосистемы. Для таких ГЭС определяющим являются их сравнительно низкая стоимость, высокая надежность и малые эксплутационные затраты. Эффективность строительства автономных малых ГЭС определяется путем сравнения затрат на их создание с затратами на альтернативные варианты электроснабжения по длинным линиям электропередач или с использованием дизельных электростанций. Автономные малые ГЭС предназначены для работы на изолированного потребителя самостоятельно или параллельно с другими электрическими станциями малой мощности, такими как дизельные, ветровые, солнечные. В этом случае создается автономный миниэнергокомплекс и эффективность работы малой ГЭС повышается.

Одним из основных признаков классификации гидроэлектростанций является установленная мощность ГЭС. Согласно этой классификации ГЭС делят на пять категорий: крупные, средние, малые, мини, микро.

Верхняя граница мощности малой ГЭС в разных странах оценивается по разному. Она зависит от уровня развития энергетического хозяйства страны, особенностей обоснования проектов малых ГЭС и лицензионньк процедур, объемов оборотного капитала и принятия программ структурирования малой гидроэнергетики. В разных странах верхняя граница мощности малых ГЭС колеблется от 1,5 до 30 МВт. Малыми ГЭС в Норвегии, Швейцарии, Венесуэле считаются установки мощностью от 1 до 1,5 МВт., в Австрии, Испании, Индии, ФРГ, Канаде — мощностью до 5 МВт. Энергетическая организация латиноамериканских стран (ОЛАДЭ) к малым относит ГЭС мощностью до 10 МВт. В странах Юго-Восточной Азии в качестве малых ГЭС рассматриваются гидроэлектростанции мощностью до 12 МВт. США неоднократно стимулировали развитие малой гидроэнергетики, законодательно изменяя ограничение по предельной мощности малых ГЭС. Первоначальное предельное значение мощности малых ГЭС в 5 МВт было увеличено до 15 МВт., а затем максимальная мощность в 1980г установлена на уровне 30 МВт. В Германии, согласно закона о ВИЭ от 21.07.2004 г, при назначении цены на электроэнергию покупаемую от МГЭС введены градации: до 500 кВт, от 500 кВт до 10 МВт, от 10 до 20 МВт, от 20 до 50 МВт. Цена на электроэнергию установлена 7,67; 6,65; 6,1; 4,56 евроцентов за киловатт-час соответственно. Для ГЭС мощностью более 50 МВт установлена цена 3,7 цент/кВт-ч. В России установленная мощность малой ГЭС принята равной 30 МВт. А максимальная мощность одного агрегата определена в 10 МВт.

Условными являются границы между малыми ГЭС и мини- ГЭС, между мини- ГЭС и микро- ГЭС. Технические конструктивные и технологические различия между этими категориями ГЭС до конца нормативно не определены и устанавливаются в соответствии с конкретными условиями (таблица 2.2).

Кроме перечисленных ГЭС необходимо выделить еще одну категорию — мобильные ГЭС. Проектирование и строительство малых и мини-ГЭС осуществляется по тем же правилам, что и крупных ГЭС. Микро-ГЭС мощностью несколько десятков киловатт отличается схемами, составом и компоновкой гидротехнических сооружений. Эта категория ГЭС включает в себя бесплотинные, рукавные, свободно-поточные, переносные и другие типы ГЭС компактного и блочного исполнения.

Малые ГЭС по напору делятся на низко-, средне- и высоконапорные. Граничные значения напора для каждой категории ГЭС в разных источниках различно.

Ряд зарубежных и отечественных машиностроительных фирм и проектных организации предлагают предельные значения напоров, основываясь на своих разработках турбинного оборудования.

Обобщая эти данные можно следующим образом классифицировать МГЭС по напору:

— Низконапорные Н 100 м.

Строительство ГЭС малой мощности осуществляется по трем известным схемам (рис. 2.1), позволяющим создать сосредоточенный напор: плотинная, деривационная и комбинированная (плотиннодеривационная)

Плотинная схема создания напора — это наиболее распространенная схема использования гидроэнергетического потенциала малых водотоков. Особое влияние на тип и компоновку сооружений, образующих гидроузлы, играет величина напора и место расположения здания ГЭС. По этим признакам различают два основных варианта компоновки ГЭС : русловые и приплотинные.

Плотинная схема энергетического использования водотока зависит от рельефа местности в долине реки, создаваемого напора, регулирования естественного стока и потребности неэнергетических водопользователей в различной степени зарегулированности стока.

Основными сооружениями МГЭС в плотинной схеме являются плотина и здание ГЭС. В русловых ГЭС здание с основным оборудованием расположено либо в русле реки, при этом напоры составляют 4-6 м, либо на обводном канале (рис. 2.3). В этом случае напоры могут достигать 6-8 м. В обоих случаях здание ГЭС входит в состав напорного фронта и воспринимает разность давления воды между верхним и нижним бьефами. Высота здания определяется напором и отметкой нормального подпорного уровня (УНПУ).

На реках с широкой речной долиной и явно выраженным руслом реки предпочтительнее назначать отметку гребня глухой плотины так, чтобы нормальный подпорный уровень не выходил из основного русла реки (рис. 2.3,а). Для такой схемы характерна русловая компоновка с размещением здания ГЭС и водосливной плотины в русле реки. Однако, этот вариант требует, при строительстве малых ГЭС, возведения перемычек для создания осушаемого котлована, в котором будет возводиться то или иное сооружение или его часть, что естественно увеличивает капиталовложения в строительство ГЭС. Данная схема выполняется при небольших напорах от 1,5 до 4 м, реже до 6м, и небольшой мощности станции (от нескольких сотен киловатт до одного, реже двух мегаватт). Это также обусловлено малой регулирующей емкостью водохранилища.

Другой вариант строительства малой или мини- ГЭС без затопления поймы реки, это размещение здания ГЭС на обводном канале вне русла реки (рис. 2.3, б). Это позволяет возводить здание ГЭС и водосливную плотину на незатапливаемых бытовым стоком реки отметках, что значительно упрощает производство строительных работ, облегчает условия перекрытия русла реки и снижает общие капиталовложения в строительство гидроузла.

Приплотинная компоновка гидроузла предусматривает расположение здания ГЭС за напорным фронтом (рис. 2.4). Само здание не воспринимает напор со стороны верхнего бьефа и только испытывает давление воды, сосредоточенное по сечению турбинных водоводов. Основной вопрос, который необходимо решить при проектировании приплотинной ГЭС малой мощности — это взаимное расположение глухой, водосливной плотин и здания ГЭС. Определяющим в этом случае является создаваемый напор и тип глухой плотины, т.к. от высоты плотины и ширины ее по основанию зависит тип и длина турбинного водовода, а следовательно и местоположение здания ГЭС.

В широком створе русла реки и небольших напорах глухая плотина выполняется из местных материалов. Здание ГЭС размещается обособленно и может располагаться непосредственно за плотиной или вблизи нее. Водосбросы, водоприемник ГЭС и турбинные водоводы размещаются отдельно и не совмещаются с плотиной (рис. 2.4).

На ГЭС малой мощности с безнапорной деривацией вода транспортируется по безнапорному водопроводящему тракту, обычно по открытым каналам или лоткам (рис. 2.6). Безнапорная деривация применяется в тех случаях, когда отметки рельефа местности на прилегающей территории близки к отметкам уровня верхнего бьефа (УВБ), а колебания УВБ незначительные. Каналы в подводящей деривации используются при слабо пересеченной местности и достаточной устойчивости склонов речной долины.

При строительстве деривационных ГЭС малой мощности на горных реках в условиях сильно пересеченной местности и резком падении реки используют напорную деривацию в виде трубопровода или реже напорного туннеля. Напорные трубопроводы укладываются по поверхности земли (рис. 2.7) или выполняются засыпными, а туннели — в толще горного массива.

Напорные деривационные водоводы располагаются на пониженных, по отношению к верхнему бьефу, отметках, при этом гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения деривации выше атмосферного. Из-за заглубления водоприемника напорной деривации под минимальный уровень верхнего бьефа становится необходимым увеличение высоты плотины в реке. Это позволяет увеличить полезную емкость водохранилища и глубину сработки, т.е. стабилизировать режим работы ГЭС.

В конце длинной напорной деривации при необходимости уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды ГЭС устанавливается уравнительный резервуар. После уравнительного резервуара напорная деривация переходит в турбинные водоводы.

Комбинированная схема (плотинно-деривационная) по принципам создания напора использует выгодные свойства обеих предыдущих схем, т.е. может быть создано значительное по объему водохранилище и использовано падение реки ниже плотины.

В схемах с высокими плотинами водоприемник устраивается глубинный, а сама деривация — напорной. В зависимости от типа плотины применяется соответствующий тип водосбросного сооружения гидроузла и выбирается местоположение водоприемника. Компоновка сооружения с высокой плотиной аналогична компоновке гидроузлов с приплотинной ГЭС.

Схемы использования существующего напорного фронта малыми ГЭС. На гидротехнических сооружениях неэнергетического назначения могут быть размещены малые, мини- и микроГЭС для использования потенциала холостых сбросов воды. Такие сбросы возможны из: водохранилищ систем орошения, водоснабжения и рыбовоспроизводства; каналов отраслевого и комплексного назначения; трубопроводов систем водоснабжения и др.

Эксплуатируемые водохранилища неэнергетического назначения, как правило, имеют в своем составе плотину из местных материалов, водосбросное сооружение для пропуска паводка и специальное гидротехническое сооружение для обеспечения водой потребителя в заданном режиме. Если сооружение, предназначенное для снабжения водой потребителя, выполнено в виде напорного туннеля или трубопровода, то целесообразно подключить к ним турбинные водоводы МГЭС.

Существует целый класс наливных водохранилищ, наполнение которых осуществляется по быстротокам. Здесь строительство малых ГЭС целесообразно осуществлять по деривационной схеме. Рядом с входом в быстроток строится водоприемник безнапорной деривации, и осуществляется переключение расходов в деривацию с подводом воды к напорному бассейну и турбинным водоводам.

Накоплен определенный опыт строительства малых ГЭС на перепадах оросительных каналов Средней Азии и Казахстана. По данным института Гидропроект технический гидроэнергетический потенциал потока на перепадах каналов на территории России и стран СНГ составляет 5,4 млрд. кВт-ч, в том числе 25,9 % этого потенциала сосредоточено на перепадах каналов в европейской части, 74,1% — на каналах Средней Азии. В качестве примера в [20] приведено компоновочное решение МГЭС Даргом на оросительном канале в Узбекистане (мощность 6×500 кВт, напор 9,0м).

В США (штат Калифорния) была использована энергия воды на отводе напорного трубопровода обогатительной фабрики, где была установлена радиально-осевая турбина мощностью 1325 кВт при напоре 28 м. В Германии построена 4-х агрегатная малая ГЭС мощностью 14 тыс. кВт на перепаде отводящего канала системы охлаждения конденсаторов турбин ТЭС.

Энергоустановки на малых реках имеют ряд достоинств. В частности: требуют меньших объемов инвестиций; могут возводиться в короткие сроки, что позволяет ускорить получение эффекта и сократить период оборачиваемости капитала; для выполнения строительных работ используются только местные трудовые ресурсы; с помощью таких установок можно обеспечить энергией изолированных от существующей электросети потребителей и др.

Малые ГЭС, по сравнению с крупными и средними, оказывают существенно меньшее влияние на окружающую природную среду, позволяют использовать унифицированные строительные конструкции, а также обеспечить полную автоматизацию процесса эксплуатации.

В качестве недостатков малых ГЭС можно отметить также и такие, как резкое сокращение водного стока в зимний период (вплоть до полного прекращения из-за промерзания реки), существенные удельные показатели затопления земель, значительные удельные капитальные вложения и др.

Наиболее простые и технологичные мини и микроГЭС — это мобильные или переносные гидроэнергетические установки. Они, как правило, используются для энергоснабжения автономных потребителей. К таким установкам относятся микроГЭС рукавного типа и установки со свободнопоточными турбинами.

Микро ГЭС рукавного типа эффективны для использования энергии воды на предгорных и горных участках рек со значительными уклонами дна реки и большими скоростями потока. Напор на таких ГЭС создается за счет прокладки напорного рукава вдоль русла реки (рис. 2.8,а). Когда река имеет излучину, то может быть использована схема со спрямлением русла реки (рис. 2.8,6).

Рукавные ГЭС просты в установке и не требуют сооружения плотины и здания ГЭС. Их можно транспортировать с одного места на другое, монтировать за несколько часов и с малыми трудозатратами.

Установка РПГЭС-3 мощностью 3 кВт снабжена гибким водоводом длиной 100 м, по которому подается 120 л/с воды. Этого достаточно для выработки трехфазнош тока частотой 50 Гц напряжением 380/220 В. Масса такого энергоблока составляет около 100 кг.

МикроГЭС со свободнопоточными гидротурбинами использует скоростной напор течения воды и не требуют возведения специальных гидротехнических сооружении.

В настоящее время разработаны различные по конструкции и принципу работы свободнопоточные гидротурбины, которые могут использовать энергию скоростного напора океанских и морских течений, речных потоков, существующих каналов различного назначения и т.д. В микро ГЭС данного класса могут быть использованы гидротурбины различного типа: осевые, карусельные, «лифт Шнайдера», гирляндные. Условием для их работы является возможность свободного обтекания турбины массой набегающей воды.

Компоновки энергоблоков микро ГЭС со свободнопотоными турбинами выполняются как с вертикальным, так и с горизонтальным расположением оси вращения вала турбины. В первом случае энергоустановка размещается в реках малой ширины и представляет собой несколько гидротурбин, жестко закрепленных на стальном тросе, выполняющем роль гибкого вала. Этот трос располагается вдоль реки и удерживается на берегу якорями. Сила лобового сопротивления гирлянды натягивает трос, благодаря чему гирлянда не опускается на дно реки и создаются условия для передачи крутящего момента от троса редуктору и генератору, расположенным на берегу.

Поперечная гирляндная микроГЭС отличается конструктивным исполнением гидротурбин, а также тем, что ее трос располагается поперек реки. Диаметр таких турбин обычно составляет 0.2 — 0.5 м.

Могут применяться многогирляндные микроГЭС с параллельным и лучевым расположением гирлянд.

Известны также и другие схемы энергетических установок мощностью до 100 кВт, работающих от кинетической энергии потока. Например: штанговые плоскопараллельные или плоскоподъемные, торцовые мембранные, роторные, капсульные и другие.

Свободнопоточные турбины обладают двумя главными недостатками: 1 — из-за малого используемого напора они имеют значительные размеры при малой мощности; 2 — существует опасность их разрушения во время паводка и ледохода на реках, а так же шторма в океане или море. Поэтому, при разработке свободнопоточных турбин и микро ГЭС на их базе стремятся к повышению КПД гидроагрегата, снижению его габаритных размеров, обеспечению круглогодичной эксплуатации без строительства капитальных зданий ГЭС.

Технология создания ГЭС

Логотип ИНСЭТ

Гидроэлектростанции производства ИНСЭТ устанавливаются на реках и ручьях, перепадах каналов, оросительных систем и питьевых водоводов, очистных сооружениях, системах водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий, плотинах ранее существовавших ГЭС.

ИНСЭТ изготавливает оборудование для малой гидроэнергетики, которое условно делится на три типа:

Микро-ГЭС — мощность от 3 кВт до 100 кВт
Мини ГЭС* — мощность от 100 кВт до 1 МВт
Малые ГЭС* — мощность от 1 МВт до 30 МВт

*Малые ГЭС и Мини ГЭС обычно обозначаются как МГЭС.

Этапы создания малой ГЭС

Для создания малой гидроэлектростанции мы проводим комплекс работ, в состав которого входят следующие этапы:

Обследование водного объекта с целью оценки его энергетического потенциала;
Обоснование выбора технологического оборудования, размещения и компоновки гидротехнических сооружений;
Подготовка технического предложения на строительство;
Проведение инженерных изысканий (геодезия, геология, экология, метеорология);
Разработка проектной и рабочей документации;
Получение необходимых разрешений, прохождение проектом экспертизы;
Строительство;
Изготовление, доставка, монтаж и запуск гидроэнергетического оборудования.

Выбор технологии и методов создания МГЭС зависят от природных условий в месте строительства и характеристик водного потока.

Как правило, МГЭС создаются по деривационной схеме. Вода из реки забирается с помощью водозабора и поступает в водовод, который прокладывается по рельефу местности таким образом, чтобы получить перепад по высоте между местом водозабора и другой оконечностью водовода, к которой присоединяется гидроагрегат.

Деривационная схема

Основные компоненты ГЭС

В процессе создания МГЭС мы проектируем гидротехнические сооружения:

Водоподпорные сооружения (если есть необходимость) — плотины, дамбы. Перегораживают водоток полностью либо частично для повышения уровня и создания напора воды;
Водозаборные сооружения. Служат для забора воды из реки, а также для сепарации плавающего мусора;
Водоподводящие сооружения — деривационные каналы, трубопроводы. Служат для подвода воды к агрегатам;
Водосбросные сооружения. Служат для сброса избытков воды, в т.ч. паводковой, в участок водотока ниже водоподпорного сооружения (нижний бьеф);
Здание МГЭС;
Гидроагрегаты, в состав которых входят гидротурбины, генераторы электрической энергии и системы автоматического управления.

Определение мощности гидроэлектростанции

Расчет мощности ГЭС производится на основе двух параметров:

Напор – это перепад высот местности между началом и оконечностью водовода за вычетом потерь, которые возникают в водоводе при движении воды.

Расход — это объем воды в единицу времени, поступающей по водоводу на гидроагрегат.

Для определения величин напора и расхода необходимо провести процедуру обследования водотока и произвести расчеты.

Для определения среднегодового расхода воды в расчете учитываются сезонные факторы — паводки, сухой сезон, сезон дождей и прочие.

Выбор турбины в зависимости от характеристик потока

Величины напора и расхода являются ключевыми параметрами при выборе типа гидротурбины:

Турбина Пелтона (ковшовая турбина). Принцип действия турбины заключается в том, что струя воды под высоким давлением ударяет в ковши, закрепленные на рабочем колесе, вращая его. После того, как импульсная энергия воды передается на рабочее колесо, вода стекает в отводящую трубу при атмосферном давлении.

Применять турбину Пелтона возможно только при очень больших напорах, для получения которых нужен большой перепад высот. При этом данная турбина работает с самым низким расходом воды среди всех типов турбин.

Турбина Каплана (пропеллерная турбина). Принцип действия данной турбины заключается в том, что поток воды воздействует на лопасти рабочего колеса (пропеллера). Рабочее колесо приходит во вращение, которое передается валу гидротурбины, который с помощью муфты присоединен к электрическому генератору.

Применяется турбина Каплана при больших объемах потока (высокий расход) и низких напорах. Как правило, это равнинные реки или каналы с небольшими перепадами высот.

Турбина Френсиса (радиально-осевая турбина). Занимает промежуточное положение по используемым напорам между пропеллерными и ковшовыми турбинами, и применяется, как правило при напорах 30-180 м при средних значениях расхода воды.

Турбина Френсиса имеет самый широкий диапазон рабочих условий применения, а также самый высокий КПД среди всех типов турбин.

Для каждого определенного сочетания расхода воды и напора оптимален свой тип турбин. Однако, рабочие диапазоны разных типов турбин пересекаются, поэтому на одной ГЭС могут быть установлены различающиеся по типу турбины.

ИНСЭТ — оптимальное проектирование турбины

Гидротурбины ИНСЭТ проектируются таким образом, чтобы режим оптимального КПД был рассредоточен в максимально широком диапазоне напоров (синяя линия). Такой подход обеспечивает лучший результат в малой гидроэнергетике, поскольку сезонные изменения расхода и напора воды в небольших реках очень велики.

Для сравнения, красной линией показаны параметры проектирования турбины для крупных и средних ГЭС. Как можно понять из графика, данные турбины проектируются и разрабатываются под конкретные и стабильные характеристики потока на крупном водном объекте, и максимальный КПД можно получить только при определенном напоре Нi.

Мы имеем огромный 30 летний опыт проектирования, производства и эксплуатации турбин.

Проточные части всех турбин разработаны с использованием методов математического моделирования.

Система автоматического управления

Мы разработали оригинальные технические решения систем автоматического управления малых ГЭС и микро-ГЭС.

Системы автоматического управления гидроагрегатами, производимые ИНСЭТ, не требуют постоянного присутствия на объекте обслуживающего персонала, при этом гидроагрегаты надежно работают в автоматическом режиме.

Система управления выполняется на базе программируемого контроллера, который позволяет контролировать параметры работы гидроагрегата на экране компьютера.

Готовые решения ИНСЭТ

На основе нашего опыта, а также более 400 проведенных обследований малых рек, в ИНСЭТ разработаны линейки гидроагрегатов различных типов и мощностей, которые покрывают 96% запросов наших клиентов. Турбины, мультипликаторы, генераторы и прочие элементы гидроагрегатов изготавливаются серийно на профильных заводах в Санкт-Петербурге. Вся продукция сертифицирована.

Таким образом, у заказчика нет необходимости заказывать индивидуальное проектирование гидроагрегата, что позволяет значительно снизить итоговую стоимость малой гидроэлектростанции.

НАПРАВЛЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Краснов В.Г., Краснова Т.В.

При строительстве отдаленных поселений, промышленных объектов, речных переправ зачастую возникают проблемы, связанные с затруднениями энергообеспечения объектов. В решении этой задачи следует отметить важность развития гидроэнергетики, в том числе и малых ГЭС, использующихся в качестве источника энергии. На сегодняшний день существует достаточно большое количество различных разработок и полезных моделей малых и микрогидроэлектростанций. Принцип преобразования водного потока во всех случаях имеет один характер: водный поток воздействует на подвижные элементы приводов — рабочих органов, которые перемещаются под воздействием потока, преобразуя его кинетическую энергию в механическое движение приводной системы. Особый интерес представляет рассмотренная возможность использования такой составляющей потока, как количество движения. Созданные на этом условии микроГЭС с рабочим органом переменной массы показали свою работоспособность и эффективность на спрямленных участках потока. Эта идея получила свое развитие в водяных колесах , которые имеют многовековую историю использования, что может послужить новому этапу их применения, как электрогенераторов, на основе конструкции рассмотренной в данной статье.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DIRECTIONS AND THEORETICAL FOUNDATIONS FOR THE USE OF SMALL-SCALE HYDROPOWER ENERGY

During the construction of remote settlements, industrial facilities, river crossings, the issue of supplying energy to facilities often arises. To solve this difficulty, the importance of the development of hydropower, especially small hydropower plants used as an energy source should be noted. Nowadays, there exist quite many different developments and useful models of small and micro hydroelectric power plants. The logic of transformation of the water flow in all cases has the same character: the water flow acts on the moving elements of the drives — the working bodies that move under the influence of the flow, converting its kinetic energy into the mechanical movement of the drive system. The possibility of using such a component of the flow as the amount of motion presents particular interest. Based on this method, microhydroelectric power stations with a working body of variable mass have shown their performance and efficiency in straightened sections of the flow. This idea has been elaborated in water wheels, having a centuries-old history of use, can serve as a new stage in their use as electric generators, built with the use of the model presented in this article.

Текст научной работы на тему «НАПРАВЛЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ»

Направления и теоретические основы использования малой гидроэнергетики

Краснов Виктор Гаврилович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры нефтегазового дела, филиал ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» (в Нижневартовске), kiril5krasnov@mail.ru

Краснова Татьяна Викторовна,

заместитель начальника отдела организации приема в магистратуру, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», kraslix@rambler.ru

При строительстве отдаленных поселений, промышленных объектов, речных переправ зачастую возникают проблемы, связанные с затруднениями энергообеспечения объектов. В решении этой задачи следует отметить важность развития гидроэнергетики, в том числе и малых ГЭС, использующихся в качестве источника энергии. На сегодняшний день существует достаточно большое количество различных разработок и полезных моделей малых и микрогидроэлектростанций. Принцип преобразования водного потока во всех случаях имеет один характер: водный поток воздействует на подвижные элементы приводов — рабочих органов, которые перемещаются под воздействием потока, преобразуя его кинетическую энергию в механическое движение приводной системы. Особый интерес представляет рассмотренная возможность использования такой составляющей потока, как количество движения. Созданные на этом условии микроГЭС с рабочим органом переменной массы показали свою работоспособность и эффективность на спрямленных участках потока. Эта идея получила свое развитие в водяных колесах, которые имеют многовековую историю использования, что может послужить новому этапу их применения, как электрогенераторов, на основе конструкции рассмотренной в данной статье.

Ключевые слова: энергообеспечение, возобновляемые источники, количества движения, переменная масса, водяные колеса

Машинная индустрия, быстро прогрессирующая на современном этапе, своим негативным воздействием на окружающую среду наносит ей, как это показано в большом числе работ [6] колоссальный, а порой невосполнимый ущерб, ставя под угрозу само существование человечества. Испытывая все возрастающие потребности в энергии, а при исчерпании природных ресурсов нефти, природного газа и угля порождает вторую глобальную проблему — обеспечение человечества ресурсами, и в частности энергоресурсами. [15, 12].

Возникающая угроза определяет задачу энергообеспечения при сохранении окружающей среды, как одну из глобальных проблем современности. Важность этой проблемы отмечается Указом Президента Российской Федерации от 19.04.2017 № 176 «О стратегии экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года» [12]. На фоне этой глобальной ситуации следует особенно выделить задачу улучшения условий энергообеспечения отдаленных поселений и производств, с сохранением экосистемы на основе развития и использования комплексного потенциала возобновляемых мировых энергетических ресурсов. [2]. Решение поставленной задачи видится в использовании гибридных систем возобновляемых источников энергии [1] на основе таких возобновляемых источников, как энергия солнца, ветра и воды [4].

Принимая во внимание разветвленную сеть речных стоков, протяженность которых, в частности для России, составляет более 205 тысячи километров с расходом более 420 тысяч м 3 /сек. и преимущественное размещение поселений вдоль русел рек следует отметить важность развития гидроэнергетики, в том числе и малых ГЭС.

В первой половине XX в. рядом исследователей независимо друг от друга было предложено несколько различных нестационарных универсальных технических решений, пригодных для использования энергии течения рек в приводе механизмов, в том числе электрогенераторов, с возможностью адаптации первичного преобразователя к изменениям условий течения потока [5].

В мировой практике на объекты малой энергетики приходится до 4,89% общей выработки электроэнергии.

С конструктивной точки зрения все разработки нестационарных мини- и микроГЭС можно классифицировать, выделив три типа: с частично погружаемыми вращающимися в направлении потока элементами, с полностью погружаемыми водными турбинами, вращающимися в направлении или перпендикулярно направлению потока, а также с приводными системами периодического действия.

Принцип преобразования водного потока во всех случаях имеет один характер: водный поток воздействует на подвижные элементы приводов — рабочих ор-

ганов, которые перемещаются под воздействием потока, преобразуя его энергию в механическое движение приводной системы.

Приводная система представляет собой во всех случаях трансмиссию, назначением которой является приведение в соответствие скоростей вращения входного вала от механического преобразователя к требуемой частоте вращения выходного вала, соответствующей номинальной частоте вращения используемого генератора.

Вопросу практического применения энергии водных потоков в мировой практике более 1000 лет. С XII в. в исторических источниках встречаются упоминания водяных колес, использовавшихся для ирригационных работ, привода мельниц, приспособлений для ковки металла, распиловки бревен и прочих механизмов. При этом использовавшиеся механизмы были стационарными и не могли обеспечить их регулирование при изменениях параметров течения потока, что нередко приводило к нарушениям в технологических процессах и частым поломкам оборудования.

На сегодняшний день существует достаточно большое количество различных разработок и полезных моделей малых и микро гидроэлектростанций. Подавляющее их число являются стационарными, что в значительной степени ограничивает возможности их использования и регулирования, и в то же время увеличивает капитальные затраты, не позволяя в большинстве случаев достичь требуемых показателей экономической целесообразности их применения на конкретных объектах. При этом стационарные конструкции, обладают большими значениями КПД, но как правило негативно отражаются на ландшафт и речной сток.

Наиболее существенным недостатком рассматриваемых электрогенераторов является дополнительная сложность, вызванная их эксплуатацией в зимнее время, когда возникает необходимость борьбы с оледенением рабочих органов или обслуживания их при наличии ледовой обстановки. Также следует отметить существенные особенности, которые могут проявляться при эксплуатации в периоды ледостава и ледохода.

Ключевые политико-организационные аспекты оценки инвестиционной привлекательности внедрения возобновляемой энергетики в удалённых и изолированных поселениях базируются на изучении местных источников возобновляемых энергоресурсов, статистики и перспектив потребления и хранения энергоресурсов, методах оптимизации реальной стоимости единиц топливного эквивалента для конечных потребителей. Гидроэнергетика может стать фундаментальным источником в создании гибридной структуры энергообеспеченности удаленных районов, стать частью структуры энергосистемы.

Достижение этой цели возможно на основе создания надежных, высокопроизводительных гидрогенераторов. Одно из направлений в решении этой задачи основывается на создании свободнопоточных микроГЭС.

Свободнопоточные микроГЭС [9] размещаются в зоне свободной поверхности потока и используют кинетическую энергию потока Ое. Рабочие органы размещаются в устройстве, ориентируясь по живому сечению потока в различных положениях и воспринимая его энергию. Степенью восприятия и использования этой энергии и определяется эффективность работы гидросиловой установки.

Отмеченные характеристики взаимодействия рабочих органов с потоком нашли свое решение в различных конструкциях микроГЭС.

К устройствам вращательного движения рабочей поверхности поперек потока следует отнести пропеллерные микроГЭС, представленные на рис.1.

Рис. 1. Пропеллерные микроГЭС

Пропеллерные микроГЭС с поступательным движением потока на рабочие лопасти винтов создают силу, нормальную к ним и приводящую к вращательному моменту. В процессе вращения винта создается так называемая ометаемая площадь, которая является движущей силой винта вертолета и отрицательной силой сопротивления пропеллерной микроГЭС.

Устройство с поступательным движением рабочих органов направленным поперек потока, реализовано в микроГЭС Лунёва (рис. 2.).

Рис.2. МикроГЭС Лунёва

В микроГЭС Лунёва рабочие органы направлены под углом к линиям тока потока. Нормальные составляющие силы Р1, которые показаны на рис.2, реализуются в движущуюся силу Рз, которая перемещает лопасти 3 поперек потока, приводя выходные элементы 1 и 2 во вращение.

Вращательное движение рабочего органа с осью, направленной вдоль потока, реализовано в микроГЭС с так называемым винтом Архимеда (рис.3). Поток взаимодействует с поверхностью спирали и создает вращательный момент.

Рис.3. Шнековая микроГЭС