Універсальна високоекологічна мала гідроелектростанція (увмгес)

Реферат: Універсальна високоекологічна мала гідроелектростанція містить у собі генератор електричного струму і турбінний блок з подвійною обкладинкою, що знаходиться на опорі. У кінці деривації форсунку з подвійною обкладинкою, яка розміщена між горизонтально розміщеною ківшовою турбіною на одному валу з генератором та підвідним напірним трубопроводом, а сама будівля ГЕС розміщена на заплаві біля русла або біля схилу долини, чи за дамбою обвалування, біля якої рядом розміщена акумулятивна ємність, в яку надходить річкова вода через перепускну трубу або напірний трубопровід, а з останньої за допомогою гідравлічного сифона воду подають в урівноважувальну ємність, розміщену на опорах, з якої воду потім спрямовують в деривацію. UA 113587 U (54) УНІВЕРСАЛЬНА ВИСОКОЕКОЛОГІЧНА МАЛА ГІДРОЕЛЕКТРОСТАНЦІЯ (УВМГЕС) UA 113587 U UA 113587 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі гідроенергетики, зокрема до промислового виробництва обладнання для будівництва ГЕС. Аналогом даної корисної моделі може слугувати мала ГЕС біля с. Тур'я Поляна Перечинського району Закарпатської області, яка була введена в експлуатацію у 2012 році. В склад цієї ГЕС входять наступні споруди: низьконапірна бетонна гребля, дериваційний напірний трубопровід діаметром 1,4 м з напором 51 м і довжиною 2950 м будівля ГЕС з однією турбіною, яка має потужність 1,05 МВт при витраті води 2.5 куб. м/с, відвідний канал та рибохід у межах русла річки при санітарному пропуску води 0,1 куб.м/с. Недоліками цієї ГЕС є суттєве порушення екологічної рівноваги водного об'єкта, що викликає великий спротив з боку місцевої громадськості та значні матеріальні і фінансові затрати на її будівництво [1]. Відомі конструкції і характеристики малих ГЕС за існуючими сучасними технологіями біоенергетики [2, с.7-11, 3]. Сучасні технології будівництва малих ГЕС є модернізованими варіантами конструкцій робочих органів, які обґрунтовані за старими технологічними підходами щодо використання гідроенергетичного потенціалу річок. Експлуатація таких ГЕС не може кардинально вирішити проблему розвитку гідроенергетики. Найближчим аналогом за технічною суттю та результатом, що досягається, може слугувати відома високо екологічна мала ГЕС, яка містить в собі генератор електричного струму і турбінний блок, та між ними на стиках горизонтального і вертикального валів розміщені перехідні редуктори, а сам турбінний блок знаходиться на опорі в ковші, який рекомендується влаштовувати в руслі у нижній частині увігнутого берега річки [4]. Недоліком указаної високоекологічної малої ГЕС є наявність ковша безпосередньо в руслі водотоку, що ускладнює умови її експлуатації під час проходження паводків, які можуть призвести до деформацій звивини, а також наявність редукторів, які знаходяться в зоні ризику у випадку затоплення. В основу корисної моделі поставлена задача покращення конструктивних елементів деривації високоекологічної малої ГЕС, яка змогла б успішно конкурувати з існуючими малими за потужністю ГЕС у безпечному екологічному режимі і наслідках її експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що універсальна високоекологічна мала гідроелектростанція (УВМГЕС) містить генератор електричного струму та турбіну з подвійною обкладинкою, яка знаходиться на опорі. При цьому УВМГЕС має форсунку з подвійною обкладинкою, яка розміщена між горизонтально розміщеною ківшовою турбіною на одному валу з генератором та підвідним напірним трубопроводом (деривацією). Сама будівля станції знаходиться на заплаві біля самого русла або біля схилу долини, чи за дамбою обвалування. Поруч з нею розміщений акумулятивний басейн, в який надходить річкова вода через перепускну трубу. За допомогою гідравлічного сифона вода подається в урівноважувальну ємність, розміщену на палях, з якої заповнюється деривація. Гідравлічний сифон рекомендується використати за конструкцією, викладеною в патенті України [5]. Відвід води із кільцевого басейну здійснюється за допомогою скидного трубопроводу в буферну ємність, де вона має частково звільнитись від молекул озону. З цього басейну вода перекачується гідравлічним сифоном у достатньо високу ємність (висотою не більше 6 м, що відповідає робочим характеристикам існуючих сифонів), що дає змогу скидною трубою спрямовуватись їй. Універсальність даної корисної моделі пояснюється тим, що таку конструкцію деривації можна використати для нових ГЕС на будь-якому водному об'єкті (гірській чи рівнинній річці, озері, водосховищі, або біля наливного басейну). Суть корисної моделі пояснюють креслення. На фіг. 1 - загальний вигляд розміщення універсальної високоекологічної малої гідроелектростанції (УВМГЕС) біля русла річки в плані. На фіг. 2 - загальний вигляд розміщення універсальної високоекологічної малої гідроелектростанції (УВМГЕС) за дамбою обвалування в плані. На фіг. 3 - поперечний розріз будівлі ГЕС по А-А. На фіг. 4 - загальний вигляд ківшової турбіни зверху. На фіг. 5 - загальний вигляд ківшової турбіни знизу. На фіг. 6 - поперечний розріз ківшової турбіни по Б-Б. На фіг. 7 - поздовжній розріз форсунки. На фіг. 8 - поперечний розріз форсунки по В-В. На фіг.9 - поперечний розріз форсунки по Г-Г. На фіг. 10 - загальний вигляд жорсткої дірчатої перегородки. На фіг. 11 - поздовжній розріз урівноважувальної ємності по Д-Д. 1 UA 113587 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 12 - поперечний розріз урівноважувальної ємності по Е-Е. На фіг. 1 наведено загальний вигляд розміщення універсальної високоекологічної малої гідроелектростанції (УВМГЕС) біля русла річки в плані, де показано: 1 - перепускна труба; 2 акумулятивна ємність; 3 - гідравлічний сифон; 4 - урівноважувальна ємність; 5 перегородка для автоматичного скиду надлишку води; 6 - скидна труба; 7 - захисна сітка; 8 - підвідний напірний трубопровід; 9-11- ківшова турбіна на одному валу з генератором; 12 - скидний трубопровід; 13 буферна ємність; на фіг. 2-2-13 - теж саме, що й на фіг. 1; 14 - буферна урівноважувальна ємність; на фіг. 3-8 - підвідний напірний трубопровід; 9 - ківшова турбіна з подвійною обкладинкою; 10 - вал; 11 - генератор; 15 - форсунка з подвійною обкладинкою; 12 - скидний трубопровід; 16 - опора; 17 - кільцевий басейн; на фіг. 4-8 - підвідний напірний трубопровід; 15 форсунка з подвійною обкладинкою; 9 - ківшова турбіна з подвійною обкладинкою; 10 - вал; 18 підшипник; на фіг. 5-19 - отвір для скиду води з корпусу турбіни; на фіг. 6-9 - ківшова турбіна; 10 - вал; 18 - підшипник; 20 - внутрішня стінка обкладинки; 21 - зовнішня стінка обкладинки; 22 жорстка дірчата перегородка; на фіг. 7-20 - внутрішня стінка обкладинки; 21 - зовнішня стінка обкладинки; 23 - щілинний затвор; 24 - конусний стержень; на фіг.8-20 - внутрішня стінка обкладинки; 21 - зовнішня стінка обкладинки; 25 - жорстка дірчата перегородка; на фіг. 9 -; 24 конусний стержень; 26 - пластина; на фіг. 10-27 - отвір в жорсткій дірчатій перегородці; на фіг. 11-2 акумулятивна ємність; 3 - гідравлічний сифон; 4 - урівноважувальна ємність; 5 перегородка для автоматичного скиду надлишку води; 6 - скидна труба; 7 - захисна сітка; 8-підвідний напірний трубопровід. Суть корисної моделі пояснюється тим, що універсальна високоекологічна мала гідроелектростанція (УВМГЕС) містить у собі турбіну 9 на одному валу 10 з генератором електричного струму 11. Сама турбіна знаходиться на опорі 16 і має зверху подвійну обкладинку. При цьому УВМГЕС має форсунку з подвійною обкладинкою 15, яка розміщена між турбіною та підвідним напірним трубопроводом 8. Сама будівля станції знаходиться на заплаві біля русла або біля схилу долини чи за дамбою обвалування. Поруч розміщений акумулятивний басейн 2, в який надходить річкова вода через перепускну трубу 1. З останнього за допомогою гідравлічного сифона 3 вода подається в урівноважувальну ємність 4, розміщену на пальових опорах, з якої відбувається заповнення деривації (яка складається з напірного трубопроводу і форсунки). Відвід води із кільцевого басейну 17 здійснюється за допомогою скидного трубопроводу 12 в буферну ємність 13, де вона має частково звільнитись від молекул озону. З цього басейну вода перекачується гідравлічним сифоном 3 у достатньо високу ємність (висотою не більше 6 м, що відповідає робочим характеристикам існуючих сифонів), що дає змогу скидною трубою спрямовуватись їй. Монтаж обладнання універсальної високо екологічної малої гідроелектростанції (УВМГЕС) характеризується наступними особливостями. Акумулятивну ємність 2 рекомендується влаштовувати при площі водної поверхні не менше 24 м, прямокутної форми і глибиною не менше 2 м. Урівноважувальну ємність 4 пропонується виготовляти з хромонікелевого сплаву розміром в плані 20006000 мм і висотою 2500 мм. Ця ємність розміщується на пальових опорах на певній висоті від землі біля басейну з урахуванням висоти можливої подачі води гідравлічним сифоном 3. Підвідний напірний трубопровід 8 закінчується конусною форсункою з подвійною обкладинкою 15, яка має довжину не менше 1200 мм. Діаметр форсунки на початку рівний діаметру труби, а в кінці не більше 60 мм при куті сходження 12° (з внутрішнім тілесним кутом 24°), виготовленою із хромонікелевого сплаву, яка приварюється докорпусу турбіни. Простір між стінками подвійної обкладинки форсунки 15 шириною 6 мм заповнюється газом гелієм при тиску не більше 0,18 Па. Всередині форсунки на довжині 600 мм від сопла влаштовуються щілинний затвор 23 і конусний стержень 24 діаметром від 30 до 10 мм, виготовлений із хромонікелевого сплаву у рівних пропорціях складових. До стержня і до стінки форсунки приварені 24 хромонікелеві пластини 26 завтовшки 3 мм. Ковшова турбіна 9 діаметром 600 мм має подвійну обкладинку, стінки 20 і 21 якої виготовляються із хромонікелевого сплаву завтовшки 3 мм. Простір між стінками подвійної обкладинки шириною 6 мм заповнюється газом-гелієм при тиску не менше 0,18 Па, який надходить через патрубок діаметром 13,5 мм і обладнаний щілинним затвором та датчиком тиску. Жорсткі дірчаті перегородки 25 між стінками подвійних обкладинок виготовляються з хромонікелевого сплаву завтовшки 3 мм з системою отворів діаметром 3 мм, розміщених через 240 мм У горизонтально розміщеній на опорі ківшовій турбіні в її робочому стані вода виходить через систему отворів 19 знизу в її корпусі діаметром 30 мм (при витраті води в напірному трубопроводі 200 л/с їх необхідно мати з коефіцієнтом запасу 2 у кількості 12 штук, розміщених близько біля ободу). Простір між корпусом турбіни і подвійною обкладинкою повинен мати товщину не менше 12 мм. Скидний трубопровід 12 розміщується в нижній частині кільцевого басейну 17 діаметром 3 м і 2 UA 113587 U 5 10 15 20 25 30 приймається за величиною пропуску води у два рази більшою, ніж підвідного напірного трубопроводу. При його великій довжині діаметр визначається за гідравлічним розрахунком. Робота універсальної високоекологічної малої гідроелектростанції (УВМГЕС) відбувається наступним чином. В екологічному аспекті частковий (мінімальний) відбір води з русла і її скид у межах звивини або досить близько від будівлі ГЕС на відносно прямолінійній ділянці річки. Після проходження відібраної води через УВМГЕС, у цілому не порушується активність руслових процесів. Тобто річка залишається майже у природному стані. УВМГЕС рекомендується розміщувати на будьякій ділянці річки. Зокрема на заплаві з боку опуклого берега звивини з показником її розвитку S/L у межах від 1,6 до 1,8, що відповідає її відносній динамічній рівновазі і найбільшій гідравлічній вигідності (де S - довжина звивини по тальвегу, L - крок звивини, який визначається між двома критичними точками/коритами перекатів). Форсунка 8 разом з турбіною 9 завдяки циркуляції газу гелію у просторі між стінками обкладинок 14 і 15 створюють, на фоні додаткового місцевого електромагнітного поля, дію ефекту ежекції в напірному трубопроводі 7 (прискорення руху водних мас). Електромагнітне поле частково заміщує поле гравітації, що призводить до формування компактного центрального струменя, в якому має спостерігатись ламінарний режим. Тобто навколо струменя на довжині відповідної ділянки буде мати місце вакуумний простір. У цей простір має надходити повітря із води (для випуску надлишку повітря між напірним трубопроводом і форсункою необхідно розмістити зворотний клапан), що убезпечить турбіну від вібрації при значних допустимих швидкостях її обертання. Циркуляція газу гелію в просторі між стінками обкладинки на форсунці і турбіні відбувається завдяки температурному градієнту між двома середовищами (між атмосферним повітрям і водою). В результаті цього формується електромагнітне поле в кінці напірного трубопроводу, що обумовлює виникнення ефекту ежекції в деривації. Завдяки ефекту ежекції суттєво підвищується швидкість водних мас у вигляді концентрованого струменя. Приклади гідравлічного розрахунку напірного трубопроводу деривації. Вихідні дані для розрахунків: діаметр напірного трубопроводу d=200 мм; довжина трубопроводу від урівноважувальної ємності до конусної насадки  =20 м; перепад висот залягання трубопроводу H=3,5 м; напір води на вході трубопроводу Н1=0,35 м; гідравлічний напір води H2=3,85 м. 1. Гідравлічного розрахунок пропускної здатності напірного трубопроводу за допомогою формул Дарсі і Шезі - Манінга. Хід розрахунку. Для розрахунку втрати напору за довжиною трубопроводу використовуємо формулу Дарсі [6] hW   35 V 2 ; d 2 g (1). В подальшому розрахунки виконуємо на основі використання формули Шезі - Манінга Q  C Ri  : C  1 / n  R  0,5 0 ,1667 ; 1 / n  90 (при n=0,0111 - добрий стан шорсткості стінки труби);   r 2  0,031 м 2 ;   2r  0,63 м ; R   /   0,05 м ; C  54 ,64 ;   8 g / C 2  0,026 . 3 40 При цих даних Q=0,158 м /с, а середня швидкість потоку V=5.11 м/с. При цьому втрата напору по довжині напірного трубопроводу за формулою (1) – hW =3,46 м. 2. Гідравлічний розрахунок напірного трубопроводу за рівнянням Бернуллі. 1  45 50 1  V2   V2  1 1   2  2  2 2  hW , (2), g 2g g 2g де Н1 і H2 - напори води над трубою на вході і в кінці підвідного трубопроводу; P1/ρg i P2/ρg 2 2 тиск води в розрахункових створах; α і=αг=1 - коректив швидкості потоку; V1 /2g і V2 /2g-питомі кінетичні енергії в розрахункових створах; hW - загальні втрати напору. 0,5 Хід розрахунку.: Н1=0,35 м, Н2=3,85 м, V1=(2gH1/hw) =1,43 м/с (при hвm=3,46 м), 2 2 2 P1/ρg=(ρgH1 ω)/ρg=0,0038 кгс/м (без урахування тиску атмосферного повітря), Р2/ρg=(ρg Н2 2 ω)/ρg=0,46 кгс/м , V2-4,25 м/с. Витрата води при цьому буде дорівнювати Q=Vω=4,25 × 3 0,031=0,132 м /с. 3. Гідравлічний розрахунок напірного трубопроводу за формулою Ф.А. Шевелева [6] hw  Q 2 k 0 , (3), де А - питомий опір трубопроводу (за даними табл. ІХ.3); k0 - перехідний коефіцієнт, який для квадратичної області опору дорівнює 1. 3 UA 113587 U 5 10 15 Згідно з формулою (3) витрата води в напірному трубопроводі дорівнює 0,5 3 Q=[3,85/(6,9620)] =0,166 м /с, V=0,166/0,03=5,35 м/с. У випадку наявності електромагнітного поля в кінці трубопроводу, яке за своїм потенціалом вище потенціалу сили гравітації відбувається заміщення останнього. На фоні відсутності сили гравітації створюються умови для прискорення потоку води на турбіну на величину прискорення сили земного тяжіння. У даному випадку швидкість потоку води в соплі турбіни буде складати Vc=Vcepg=4,809,81=47 м/с. При зазначеній швидкості потоку води за характеристиками турбіни її обертання має складати не менше VT=(47/23,140,3)60=1500 об./хв. Діаметр турбіни прийнято рівним 600 мм. Отже потужність УВМГЕС, при наявності одного блока, буде домірною N=1,5 МВт (при коефіцієнті корисної дії турбіни на фоні прояву електромагнітного поля близького до 1). Принципові особливості заміни поля гравітації електромагнітним полем. Заміна сили гравітації відбувається за умови перевищення потенціалу електромагнітного поля над потенціалом гравітаційного поля у конкретному місці. Силу гравітації водного середовища F на ділянці трубопроводу довжиною можливої її заміни електромагнітним полем можна визначити за формулою F  gWm , (4), 3 20 де ρg - питома густина води, яка дорівнює 1000 кг/м ; g - прискорення сили тяжіння води, яке 2 2 домірне 9,81 м/с (або дещо більше над водною поверхнею - 9,84 м/с ); ω - площа поперечного 2 перерізу напірного трубопроводу, м ; W B - об'єм води в трубопроводі (в зоні впливу 3 електромагнітного поля на поле гравітації), м . Силу електромагнітного поля Е можна визначити за формулою   pWn V2 , (5), 4  r де р - тиск газу гелію у подвійній обкладинці турбіни і форсунки, який дорівнює 0,02 атм (0,18 25 30 35 40 45 50 55 Па) або 200 кг/м : W n - об'єм простору у подвійній обкладинці турбіни і форсунки, м ;  довжина форсунки, м; r - середній радіус форсунки, м; V - середня швидкість потоку на ділянці трубопроводу з додатковим електромагнітним полем, м/с. Сила поля гравітації в трубопроводі на довжині 10 м дії електромагнітного поля від осі 2 2 3 турбіни дорівнює F=314 кгм/сек (при ω=0,0314 м ; W n=0,0314 × 10=0,314 м ). Сила електромагнітного поля навколо форсунки (без урахування долі підвищення потенціалу електромагнітного поля в результаті впливу дії хромонікелевого стержня) і турбіни дорівнює 2 2 2 Е=200(3,14•0,3 •0,006+2,4•2•3,14•0,035•0,006)[(5,29) /(4•3,14•0,035•2,4)]=25,73кгм/сек . На 2 довжині деривації від турбіни не менше як 13 м - Е=334кгм/сек . Таким чином, сила електромагнітного поля дещо перевищує силу гравітації в кінцевій частині деривації. Основні правила експлуатації високоекологічних ГЕС. Станція має бути повністю автоматизованою і підлягати статусу режимного об'єкта Центр управління станцією повинен находитись за межами впливу електромагнітного поля. Радіус зони впливу залежить лінійно від загальної максимальної потужності ГЕС. При потужності станції в 1 МВт радіус зони має бути не менше десяти метрів і відповідно при 10 МВт - сто. При експлуатації даної конструкції високоекологічної ГЕС рекомендуються наступні обороти турбіни: оптимальним режимом роботи є при VT=6000 об.хв…; максимально (допустимий) - 14000 об.хв…, а мінімальний - 600 об.хв. Техніко-економічна ефективність даної корисної моделі оцінюється високим рівнем збереження екологічної безпеки водного об'єкта економічністю будівництва та досягнутим рівнем безпечності роботи УВМГЕС під час проходження паводків, що досягається мінімальним втручанням і водокористуванням водним об'єктом. Крім того, робота ГЕС є ефективною при мінімальних об'ємах заборів води на будь-якій ділянці річки майже не порушуючи при цьому гідроекологічні параметри. Порівняльний аналіз кошторисної вартості малої ГЕСбіля с. Тур'я Поляна (Закарпатська область) і УВМГЕС на основі даної конструкції показав, що можна отримати економію матеріальних і фінансових затрат за строком їх окупності орієнтовно не менше як 30 %. Це досягається за рахунок здешевлення деривації та суттєвим підвищенням виробництва електричного струму з можливістю його отримування протягом всього року. Використані джерела 1. Мешканці Тур'я Поляна від будівництва міні-ГЕС не отримали нічого крім проблем: [Електрон, ресурс]. Режим доступу: http://linfo.net/stati-novosti-soobschenija/statji/meshkanc-tur-japoljana-v-d-bud-vnictva-m-n-ges-ne-otrimali-n-chogo-kr-m-problem.html.-Назва з екрану. 2 3 4 UA 113587 U 5 10 2. Програма фінансування альтернативної енергетики в Україні (Програма USELF). [Електронний ресурс]. Режим доступу:http://www.uself.com.ua/ fileadmin/documents/ USmall_Hydro_Technical_Report. pdf. - Назва з екрану З.Гидроенергетика: Учеб. Для вузов по спец. "Гидроелектроенергетика" /Л.Ю. Александровский, М.И. Кисллер Д.Н., Коробова и др. Под общ. ред В.А. Обрезова. - 2-изд… -М: Энергоиздат, 1988. - 511 с. 4. Патент України на корисну модель № 93887 Високоекологічна мала ГЕС. Онищук В.В., Ободовський О.Г.Бюл. № 20, 2014. 5. Патент України на корисну модель № 88196 Високоефективний гідравлічний сифон.Онищук В.В.Бюл. № 5, 2014. 6. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. Учебник для вузов. - М.:Стройиздат, 1972. 648 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Універсальна високоекологічна мала гідроелектростанція, що містить у собі генератор електричного струму і турбінний блок з подвійною обкладинкою, що знаходиться на опорі, яка відрізняється тим, що містить у кінці деривації форсунку з подвійною обкладинкою, яка розміщена між горизонтально розміщеною ківшовою турбіною на одному валу з генератором та підвідним напірним трубопроводом, а сама будівля ГЕС розміщена на заплаві біля русла або біля схилу долини, чи за дамбою обвалування, біля якої рядом розміщена акумулятивна ємність, в яку надходить річкова вода через перепускну трубу або напірний трубопровід, а з останньої за допомогою гідравлічного сифона воду подають в урівноважувальну ємність, розміщену на опорах, з якої воду потім спрямовують в деривацію. 5 UA 113587 U 6 UA 113587 U 7 UA 113587 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8