БЕСПЛОТИННЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

 

Энергия потока воды в настоящее время повсеместно используется в плотинных и бесплотинных гидроэлектростанциях (ГЭС).

Плотинные ГЭС имеют серьезные недостатки, к которым, прежде всего, относится их вредное влияние на окружающую среду. Кроме этого, электрическую энергию плотинных ГЭС сложно и дорого передавать в труднодоступные районы, где, в свою очередь, протекает множество рек, относимых к разряду малых, например, Горный Алтай.

В этих районах необходимо использовать альтернативные варианты, например, бесплотинные ГЭС.

К бесплотинным ГЭС (БПГЭС), использующих преобразование потока воды в механическую энергию и далее в электрическую энергию, относятся: I. Напорные ГЭС.

1. Рукавные ГЭС.

2. Наплавные ГЭС.

   2. Свободнопоточные ГЭС.

      1. Поперечная (гирляндная) ГЭС.

      2. Продольная (упругозамкнутая) ГЭС.

   3. Гидроударные ГЭС.

Такое многообразие конструкций бесплотинных ГЭС (БПГЭС) связано с рациональным использованием речного потока и гидрологическим режимом местности.

В этой статье рассматриваются свободнопоточные ГЭС (СПоГЭС), которые длительное время нами разрабатывались, где мы имеем определенный опыт работ, и гидроударные, которые наиболее перспективны для равнинных рек (при скоростях течения рек от 0,52 м/с). Поперечные СПоГЭС

В статье [1] подробно изложен принцип действия поперечных СПоГЭС и их возможности в обеспечении необходимым количеством электричества Горного Алтая вместо Катунско-Чемальской плотинной ГЭС (КЧГ). Расчеты показали, что только из малых рек Горного Алтая можно снять с помощью только поперечных СПоГЭС расчетную мощность 1500 Мвт, что близко к проектной мощности КЧГ (1900 Мвт). С учетом реки Катунь поперечные СПоГЭС могут дать мощность 3100 Мвт.

Сравнение поперечных СПоГЭС и плотинных ГЭС при одной и той же мощности в 250 квт показало, что затраты на строительные работы в 10 раз меньше, монтажные работы в 70 раз меньше, материальные затраты в 30 раз меньше, а полное время запуска в действие в 75 раз меньше для поперечных СПоГЭС, чем для плотинных ГЭС. Более того, СПоГЭС может быть легко демонтирована и перенесена в другое место реки без всякого ущерба окружающей среды. В настоящее время гирляндные ГЭС широко используются во Вьетнаме и Китае.

Преобразователем кинетической энергии водного потока в механическую энергию вала (троса) СПоГЭС является ротор. От конструкции ротора зависит мощность - N, коэффициент полезного действия - h и эффективность роторной линии. Для гирляндной ГЭС известны более десяти различных конструкций роторов. Наиболее удачна была конструкция Бирюкова Б.С. [2], которая имела h=41%. Новиков Ю.М. при создании гирляндной ГЭС на реке Бия в районе села Турочак мощностью 250 квт [2] использовал ротор собственной конструкции, который имел h на 30% выше, чем ротор Бирюкова Б.С.

Ротор Новикова Ю.М. - парокрылый моментосбалансированный ротор поперечной турбины был также более технологичен в изготовлении, чем ротор Бирюкова Б.С. Поперечный ротор Новикова Ю.М.

Достаточно взять трубу диаметром (d) равным d=1/3 D, чтобы получить ротор диаметром (D). Трубу разрезать на два полуцилиндра, а полуцилиндры еще разрезать вдоль на две равные части. Простота сборки очевидна. Ротор защищен А.С. №1786280 с приоритетом изобретения от 4.06.1990 года. Ротор прошел полные стендовые испытания в институте гидродинамики СО АН РФ [3] вместе с различными другими конструкциями, в том числе испытывались роторы Воронина Я.А., Кажинского Б.Е., Иванова В.А., Блинова Б.С., Угринского К.А., Бирюкова Б.С.

При работе на гибком валу ротор Новикова Ю.М. отличается от других не только высоким h, но также тем, что не вызывает пульсации частоты вращения троса под действием набегающего потока, исключая возникновение крутильных колебаний гибкого вала, а, следовательно, и вала генератора тока.

На роторной линии гирляндной ГЭС Новиковым Ю.М. предложено попарное закрепление роторов (А.С. №1778355 от 3.05.1988 г.). Узел крепления карданного типа. Такое выполнение роторной линии позволило повысить h за счет снижения потерь на прецессию.

Роторы гирляндной ГЭС, как правило, располагаются в ядре потока (на 0,2 глубины от поверхности летом и 0,5 глубины от поверхности льда зимой). Глубина реки в месте установки гирляндной ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м. Возможно использовать роторы расположенные в два ряда.

Вертикальные СПоГЭС

При больших глубинах, более 2,5 м, например, для реки Чулышман, на участке Балыкча-6 (в 300 м выше стоянки «Тен») была предложена вертикальная мультиплицирующая СПоГЭС (А.С. №1789742 от 8.08.1988 г.).

В вертикальной мультиплицирующей СПоГЭС используются роторы Новикова Ю.М. телескопического типа. Такое расположение роторов существенно сокращает габариты установки, и водный поток используется на всю глубину.

Другим преимуществом вертикальной компоновки может быть запатентованный «триплексный мультиплицирующий бесплотинный гидроэлектрический модуль» (патент №1763704 от 30.12.1988 г.).

Был разработан технический проект вертикальной мультиплицирующей СПоГЭС мощностью 30 квт, которая составляла j полезной мощности живого сечения створа Балыкча-6 при низкой воде (в межень) в октябре месяце. Были изготовлены все детали роторов. Дальнейшие работы застопорились из-за отсутствия финансирования.

Имеется модель триплексного гидродвигателя, которая также не была испытана.

К вертикальной СПоГЭС можно отнести «строительный элемент» ГЭС - кубик 40Х40Х13 м³, на каждый генератор которого будет работать 16 турбин Горлова А[4].

Продольный гидромодуль

В отличии от вертикальных гидромодулей, где ось вращения ротора перпендикулярна направлению потока, в продольном гидромодуле ось вращения ротора - турбины направлена параллельно оси потока, что имеет ряд преимуществ:

1. 2. 1. Роторы располагаются вдоль одного берега реки, на этом же берегу располагается электрогенератор и другое оборудование, что позволяет легко произвести монтаж, демонтаж роторной линии с использованием грузоподъемных средств, оперативно удаляя или приближая к берегу реки продольный гидромодуль.

      2. Из-за небольшой ширины упругозамкнутой роторной линии (около 1 м), легко оградить продольный гидромодуль от плывущего мусора и производить очистку ограждений.

      3. Можно оперативно производить осмотр и замену роторов и других деталей продольного гидромодуля.

      4. Резко уменьшаются затраты на монтаж гидромодулей малой мощности (до 1 квт);

      5. Продольный гидромодуль легко поддается агрегатированию.

На рисунке 1 представлена схема упругозамкнутой свободнопоточной роторной ГЭС (УЗССПРоГЭС).

В таблице 1 представлены некоторые результаты расчетов мощности модулей УЗССПРоГЭС в зависимости от скорости потока, глубины реки и длины роторной линии. Оптимальный диаметр ротора должен быть не более 20% глубины реки.

 

В местах, где в настоящее время используются карбюраторные и дизельные электростанции, то срок окупаемости УЗССПРоГЭС в сравнении с эксплутационными затратами для карбюраторных и дизельных электростанций аналогичной мощности составляет два года, а эксплутационная надежность в 8 раз выше [5].

К настоящему моменту разработана методика расчета элементов конструкции продольного и поперечного роторов и роторной линии.

Для привязки к конкретным условиям работы УЗССПРоГЭС необходимо произвести гидрологические исследования участка реки, где предполагается установка УЗССПРоГЭС. Результаты исследования являются входными данными для расчета УЗССПРоГЭС. Такие исследования были проведены на реке Катунь в районе дома отдыха «Катунские пороги» и разработаны технические предложения по проектированию УЗССПРоГЭС на мощность 50 кВт.

Теоретические расчеты базируются на изготовленной и поставленной на испытания в поселок Верхние Важины Пряженского района в Карелии УЗССПРоГЭС, мощностью - 15 кВт. Испытания проводил Новиков Ю.М., и они прошли успешно.

Из таблицы видно, что переносная туристическая установка мощностью 1 кВт будет иметь диаметр D=100 мм, длину роторной линии 10 м, при скорости потока 2,5 м/с и глубине реки 500 мм; роторы располагаются на глубине 300-400 мм от дна. Мощность 50 квт можно получить при диаметре D=300 мм, длине роторной линии 90 м, глубине реки 1,2 м, при скорости потока 3,25 м/с, что реально для перекатов реки Бии в районе с. Лебяжье Красногорского района. Конструкция УЗССПРоГЭС защищена патентом РФ №№2049929, а система электрического преобразования напряжения, предложенная Пивником А.В. (патент №2173928 от 23.08.1999 г.), позволяет вырабатывать трехфазное напряжение 380 В, 50 Гц. Учитывая то обстоятельство, что УЗССПРоГЭС предназначена для энергоснабжения потребителей в труднодоступных

Кроме УЗССПРоГЭС к продольным гидромодулям можно отнести бесплотинную ГЭС, в которой поток воды приводит во вращение шнековую турбину, разработанную Боцвиным В.С. [6] (патент №2022155).

Гидроударный модуль

Мощность свободнопоточных ГЭС зависит от скорости течения реки в третьей степени

N=K V³ квт, (1) где V - скорость набегающего потока на ротор, м/с;

К - коэффициент, зависящий от формы и размеров ротора, количества роторов в роторной линии.

Давление, действующее на ротор, пропорционально скоростному напору rV²/2, т.е. Р_С=К^²/2 < pV², (2)

 

где РС - давление, действующее на ротор; К₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от коэффициента сопротивления - СХ (К₁ < 2). Формулы (1) и (2) показывают, что с увеличением скорости течения потока, растет секундный расход - Q, растет мощность БПГЭС. Как показали натурные испытания, БПГЭС с поперечнороторными гидродвигателями, для получения электроэнергии 1 квт необходимо пропустить расход воды Q =2 м³/с.

Для многих промышленных участков реки это выполняется, а для горных районов БПГЭС может быть использована на 60% летом и на 35% зимой. Что касается равнинных рек , то здесь БПГЭС поперечно - роторного типа может использоваться на 40%, а на притоках на 10%, т.к. при скоростях меньше 1 м/с мощность БПГЭС резко падает, теоретический предел 0,52 м/с, при которой БПГЭС перестает работать (см. формулу 1).

 

(3)

Дальнейший поиск средств повышения мощности бесплотинных гидродвигателей оказался возможным лишь при снятии ограничений, налагаемых моментом импульса, и переходе на объемные машины, позволяющие использовать импульс силы, например, гидроудар, где давление определяется по следующей формуле

 

Р_Д=Р С V,

где С - скорость звука в воде, определяемая с учетом модуля упругости материала, из которого изготовлена труба, и она равна

VK/p (4)

С=

V1+K D/dE

где К - объемный модуль упругости жидкости (воды); Е - модуль упругости материала трубы; D - диаметр трубы; d - толщина стенки трубы; p - плотность жидкости;

а = VR/p - скорость звука в воде, равная 1400 м/с; Таким образом, при одинаковых сечениях ротора и канала трубы отношение давлений будет равно Р_д/ Рс = С/ V. (5)

Так, если скорость течения воды будет 1м/с и менее (до теоретического предела), то эффективность применения гидроудара будет более чем в 1000 раз.

Эффективность установки с применением гидроудара будет значительно превосходить и плотинную ГЭС. Покажем это подробно на двухцилиндровом гидроимпульсно - силовом реверсивнопоршнедвига- тельном линейноспидоинвертирующем модуле электрогенерирования (ГИС-РПД) (патент №2014485 от 4.12.1990 г.).

Рассмотрим работу установки ГИС-РПД. За начало работы примем момент перекрытия питательной трубы затвором. Вытекающая вода останавливается, передавая свой импульс затворной заслонке. В результате этого у заслонки образуется область повышенного давления, в которой вода находится в состоянии покоя. Граница этой области перемещается по трубе со скоростью звука С. За время Dt останавливаются те частицы, которые находятся в объеме

W=SCAt, (6)

где S - площадь сечения питательной трубы. Масса этого объема воды равна m = pSCAt, (7)

 

(8)

где r - плотность воды.

 

Изменение импульса

AK= pmAV = pSCAtV,

где AV =V - V₁ = V;

V₁= 0 - соответствует остановке воды.

Следовательно, сила, действующая на заслонку со стороны воды, равна силе, действующей на воду со стороны заслонки (которая считается абсолютно жесткой). Она равна

F = AK/At = pSCV. (9)

Давление в воде при этом будет Р_д = F/S = pCV. (10)

Подставляя численные значения p = 1000кг/м³ , С=1000м/с и V= 10 м/с (минимальная скорость струи на лопатке плотинной ГЭС), получим Р_Д = 107 н\м²

Сравним это давление с давлением на лопатку гидротурбины плотинной ГЭС. Для этого рассмотрим силу, действующую на струю со стороны плоскостей лопатки турбины, которая равна скорости изменения проекции импульса K_y струи на ось g перпендикулярную плоскостям лопатки турбины K_y = K sina, (11)

где a - угол между направлением струи и осью g. За время At на плоскость лопаток попадет объем жидкости

W=SVAt, (12)

где S - площадь сечения струи;

V - скорость струи.

При этом масса струи определяется

M = W p= pSVAt. (13)

Импульс определится из формулы

K = M V = pSV²At. (14)

Тогда сила определится

F_n = K_y/At = K sina/At = pSV² sina. (15)

Давление на лопатке будет

Р_П = F/S = p V² sina. (16)

Если принять скорость струи V= 10 м/с и a= 900, то получим Р_П = 105 н/м² , т.е. при одном и том же расходе воды давление на турбину плотинной ГЭС в 100 раз меньше, чем то, которое получает поршень в установке ГИС-РПД. Модуль электрогенерирования -

гидромашина таранного типа с питательной гидромагистралью, управляемым гидроустройством, гидроаккумулятором и выходным звеном. Питательная гидромагистраль выполнена в виде двух параллельных жестко зафиксированных питательных труб. Каждая труба снабжена установленным на ней гидродвигателем, полости которого сообщены с трубой и поршнем силового цилиндра, который расположен соосно с аналогичным поршнем другого гидродвигателя. Выходное звено выполнено в виде муфт свободного хода, модуль снабжен вальным генератором тока и реверсивным механизмом для изменения направления движения муфт свободного хода, выполненым в виде штока для сопряжения поршней, штанг, присоедененных к штоку, рейки для передачи поступательного движения на выходное звено, задвижек для переменного перекрытия питательных труб, заиворной штанги для привода задвижек и затворных штанг - водил, соединенных под прямым углом с рейкой и затворной штангой. При этом каждый гидродвигатель снабжен гидроаппаратом для регулирования давления силы импульса, выполненным в виде золотника с присоединенным к нему цилиндрической задвижкой и пружиной сжатия, а муфты свободного хода кинематически связаны с валом генератора. Гидромодуль может работать на любых гидроисточниках, на малых глубинах от 0,15 м при свободной поверхности и подо льдом. Использование таких гидроустройств полностью исключают плотинные ГЭС из применения в энергетике. В настоящее время разрабатывается методика расчета таких гидромодулей.

Выводы:

1. Предложенные Новиковым Ю.М. конструкции свободнопоточных ГЭС и гидроударной установки для (равнинных рек) полностью исключают строительство любых плотинных ГЭС, как в горной местности, так и на равнине. Все предложенные конструкции являются экологически чистыми. Более того, при желании можно увеличить мощность СПОГЭС путем очистки участка русла реки, т.е. облагородить реку.

2. Все СПОГЭС являются оперативными, т.е. легко демонтируются и переносятся в любое другое место реки.

3. Финансирование создания и эксплуатации СПОГЭС доступно фермерским хозяйствам, деревням и селам.

Литература.

2. 1. Новиков Ю.М. Возможности бесплотинных ГЭС. Сб. научных трудов «■Энергетика и экология», СОАН СССР, институт теплофизики. Новосибирск, 1988.

   2. Новиков Ю.М. Отчет №126338 ОАБ «Горно- Алтайск». - Москва, 1958-1963.

   3. Отчет лаборатории «Гидродинамики свободных потоков», Исследование поперечных роторов. Новосибирск, 1989.

   4. Статья. ГЭС на Гольфстриме. Журнал «Техника молодежи», № 11/12, 1998 г

   5. Никулин О. А., Новиков Ю.М., Пивник А. В. Свободнопоточная гидроэлектростанция. Доклад на 2 семинаре «Проблемы и перспективы развития нетрадиционной энергетики в Алтайском регионе», с. Чемал, РА 2001.

   6. Боцвин В. С. Альтернативные источники энергии и их использование. Сб. статей. «На путях к духовно- экологической цивилизации», Евразийский проект. - Казань, 1996.

 
О.А.Никулин, Ю.М.Новиков , А.В. Пивник Институт Алтайского Технического Университета им. И.И. Ползунова