Модернізована високоекологічна мала гідроелектростанція (гес)

Реферат: Модернізована високоекологічна мала ГЕС містить генератор електричного струму і турбінний блок, що знаходиться на опорі у ковші. Додатково має горизонтальне розміщення ковшової турбіни з подвійною обкладинкою на одному валу з генератором. ГЕС має гнучку переливну напівзагату, що виконана з можливістю регулювання стоку донних рухомих наносів на прямолінійній або звивистій ділянці річки. ГЕС виконана з можливістю розміщення її на заплаві та з можливістю підводу до неї трубчатого водогону і скидного трубчатого водоводу. UA 103796 U (12) UA 103796 U UA 103796 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до гідроенергетики, зокрема до промислового виробництва обладнання для будівництва малої ГЕС. Аналогом до корисної моделі може вибрано малу 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 виробляє 1,05 МВт за годину електричного струму 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 на старих традиційних науково-методологічних підходах щодо використання гідроенергетичного потенціалу річок. Експлуатація таких ГЕС не може кардинально вирішити проблему розвитку гідроенергетики. За найближчий аналог вибрано відому високоекологічну малу ГЕС, яка містять турбінний блок і генератор електричного струму, та між ними на стиках горизонтального і вертикального валів розміщені перехідні редуктори, а сам турбінний блок знаходиться на опорі у ковші, який рекомендується влаштовувати в руслі у нижній частині увігнутого берега річки [4]. Недоліком високоекологічної малої ГЕС є наявність ковша безпосередньо в руслі водотоку, що ускладнює у деякій мірі умови її експлуатації під час проходження паводків, які можуть призвести до деформацій звивини, а також наявність редукторів, які знаходяться у зоні ризику при затопленні заплави. В основу даної корисної моделі поставлена задача покращення конструктивних елементів високоекологічної малої ГЕС, яка змогла б успішно конкурувати з існуючими як малими, так і середніми за потужністю ГЕС у безпечному екологічному режимі її експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що модернізована високоекологічна мала гідроелектростанція містить генератор електричного струму і турбінний блок, який знаходиться на опорі у ковші та додатково має горизонтальне розміщення ковшової турбіни з подвійною обкладинкою на одному валу з генератором, причому ГЕС має гнучку переливну напівзагату, що виконана з можливістю регулювання стоку донних рухомих наносів на прямолінійній або звивистій ділянці річки, а ГЕС виконана з можливістю розміщення її на заплаві та з можливістю підводом до неї трубчатого водогону і скидного трубчатого водоводу. Викладена суть корисної моделі додатково пояснюється кресленнями, на яких показано: - на фіг. 1 - загальний вигляд розміщення модернізованої високоекологічної малої гідроелектростанції на звивині річки в плані; - на фіг. 2 - поперечний розріз будівлі ГЕС по А-А; - на фіг. 3 - загальний вигляд ковшової турбіни в плані; - на фіг. 4 - поперечний розріз ковшової турбіни по Б-Б; - на фіг. 5 - плановий вигляд форсунки; - на фіг. 6 - поперечний розріз форсунки по В-В; - на фіг.7 - поперечний розріз форсунки по Г-Г. На фіг. 1 наведено загальний вигляд розміщення модернізованої високоекологічної малої гідроелектростанції на звивині річки в плані, де показано: 1 - турбінний блок/ковшова турбіна з подвійною обкладинкою, 2 - вал, 3 - генератор електричного струму, 4 – підвідний трубчатий водогін, 5 - скидний трубчатий водовод, 6 - гнучка переливна напівзагата; на фіг. 2-1-5 - теж саме, що й на фіг. 1, 7- форсунка, 8 - кільцевий басейн навколо опори, який необхідний для відводу води з турбіни; на фіг. 3-1 - ковшова турбіна, 4 - підвідний трубчатий водогін, 7форсунка; на фіг. 4-1 - ковшова турбіна, 9 - внутрішня стінка обкладинки, 10 - зовнішня стінка обкладинки турбіни, 11 - жорстка дірчата перегородка; на фіг. 5-7 - форсунка, 12 - щілинний затвор, 13 - стержень; на фіг. 6-7 - форсунка; на фіг. 7-7 - форсунка, 13 - стержень, 14 пластина. Модернізована високоекологічна мала гідроелектростанція характеризуються тим, що ГЕС складається з горизонтально розміщеної ковшової турбіни 1 на одному валу 2 з генератором електричного струму 3, підвідного трубчатого водогону 4 і скидного трубчатого водоводу 5, а сама турбіна має подвійну обкладинку, що складається з внутрішньої стінки 9 і зовнішньої стінки 10 з'єднаних між собою за допомогою системи жорстких дірчатих перегородок 11, до якої через форсунку 7 підключається трубчатий водогін, остання обладнана щілинним затвором 12 і 1 UA 103796 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стержнем 13 з привареними до нього й до обкладинки 24 пластин 14. Сама будівля ГЕС розміщена на заплаві на достатній віддалі від водозабору з метою забезпечення необхідного гідравлічного напору, оптимального розміщення робочих органів ГЕС та скидного трубчатого водоводу. Крім того, у верхній частині звивини влаштовуються вхідний оголовок із захисною решіткою і гідравлічним затвором для забору води в трубопровід та нижче за течією гнучка переливна напівзагата 6, яка необхідна для регулювання стоку донних рухомих наносів. Монтаж обладнання модернізованої високоекологічної малої гідроелектростанції характеризується наступними особливостями. Підвідний трубчатий водогін 4 діаметром 200 мм закінчується конусною форсункою 7, яка має довжину 1200 мм з діаметром на початку 200 мм, а в кінці 30 мм, виготовленою із хромонікелевого сплаву, яка приварена до внутрішньої і зовнішньої стінок 9 і 10 подвійної обкладинки турбіни. Всередині форсунки на довжині 60 мм від сопла влаштовуються щілинний затвор 12, конусний стержень 13 діаметром від 30 до 10 мм, виготовлений із хромонікелевого сплаву або хромосріблонікелевого сплаву у рівних пропорціях складових, та приварених до нього і до обкладинки форсунки 24-ьох хромонікелевих пластин товщиною З мм. Ковшова турбіна 1 діаметром 1200 мм має подвійну обкладинку, стінки якої виготовляються із хромонікелевого сплаву завтовшки 3 мм. Простір між стінками подвійної обкладинки шириною 6 мм заповнюється газом гелієм при тиску 0,02 атм (0,2 Па), який надходить через патрубок діаметром 13,5 мм і обладнаний щілинним затвором та датчиком тиску. У горизонтально розміщеній на опорі ковшовій турбіні в її робочому стані вода виходить через систему отворів знизу в подвійній обкладинці діаметром 30 мм (при витраті води в напірному трубчатому водогоні 200 л/с їх необхідно мати з коефіцієнтом запасу 2 у кількості 12 штук, розміщених близько біля ободу)…Простір біля ободу і знизу між корпусом турбіни і подвійною обкладинкою необхідно забезпечити товщиною 12 мм. Конструкція дірчатих перегородок 11 у подвійній обкладинці характеризується наступним: перегородки виготовляються із хромонікелевого сплаву товщиною 3 мм і мають один отвір діаметром 3 мм, розміщених через 24 мм по довжині. Кількість перегородок на всю обкладинку складає 15 штук по ободу і 6 штук кільцевих на бокових поверхнях. Скидний трубчатий водовод 5, розмішений у нижній частині кільцевого басейну 9 діаметром 3 м. Діаметр скидного трубчатого водоводу приймається у два рази більшим від трубчатого водогону, тобто рівному 400 мм, а при його великій довжині визначається за гідравлічним розрахунком без підтопленого і безнапірного режиму роботи, а при необхідності має закриватись гідравлічним затвором. Робота модернізованої високоекологічної малої гідроелектростанції вирізняється 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 через ГЕС, не порушує активність руслових процесів, тобто річка залишається у природному стані. При цьому також є більш сприятливі умови для роботи ГЕС при проходженні паводків. Малу ГЕС рекомендується розміщувати на будь-якій 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). Під час проходження катастрофічних паводків (при значному виході води на заплаву) трубчатий водогін 4 та трубчатий водовод 5 мають бути перекриті гідравлічними затворами. Форсунка 7 разом з турбіною 1 завдяки циркуляції газу гелію у просторі між стінками обкладинки 9 і 10 створюють на фоні додаткового місцевого електромагнітного поля дію ефекту ежекції в трубчатому водогоні 4 (прискореного руху водних мас). Електромагнітне поле перед форсункою 7 або перед конусною насадкою заміщує поле гравітації, що призводить до формування компактного центрального струменю, 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, а це убезпечить турбіну від вібрації при значних допустимих швидкостях її обертання. Циркуляція газу гелію у просторі між стінками обкладинки відбувається завдяки температурному градієнту між двома середовищами (між атмосферним повітрям і водою). При подачі води на турбіну в об'ємі 200 л/с при побутовій середній швидкості потоку у трубопроводі 2,0 м/с, що забезпечується при поздовжньому його похилі і 2,5/300=0,008 (будівля ГЕС розміщена на 300 м нижче по течії від водозабору) швидкість струменя на виході із сопла буде домірною 2-9,81=20 м/с, що відповідає швидкості турбіни 5000 об/хв. (при наявності хромосріблонікелевого стержня на форсунці). У випадку використання хромонікелевого стержня швидкість турбіни понизиться до 3500 об/хв…, а при використані звичайної конусної насадки швидкість турбіни буде домірною 2500 об/хв. При 2 UA 103796 U 5 10 15 20 переході на потужність ГЕС будемо відповідно мати: - Ε=ρgVm 3600=2,8 МВт за годину, 1,9 МВт за годину і 1,4 МВт за годину (прийнято з урахуванням втрат на робочих органах). При забезпечені побутової швидкості потоку в трубопроводі 4,0 м/с - 9000 об/хв., 7500 об/хв. і 6000 об/хв. або потужність ГЕС відповідно - 5,0 МВт за годину, 4,3 МВт за годину і 3,4 МВт за годину. Техніко-економічна ефективність даної корисної моделі оцінюється високим рівнем збереження екологічної безпеки водного об'єкта, економічністю будівництва та досягнутим рівнем безпечності роботи ГЕС під час проходження паводків, що досягається мінімальним втручанням у водний об'єкт. Крім того, робота ГЕС є ефективною при мінімальних об'ємах заборів води на будь-якій ділянці річки не порушуючи при цьому гідроекологічні показники. Порівняльний аналіз кошторисної вартості малої ГЕС біля с. Тур'я Поляна (Закарпатська область) і ГЕС на основі даної корисної моделі дає економію матеріальних і фінансових затрат за строком їх окупності орієнтовно на 50 %, що досягається за рахунок здешевлення деривації та суттєвим підвищенням виробництва електричного струму. Гідравлічний розрахунок трубчатого водогону у напірному режимі його роботи. Вихідні дані для розрахунків: діаметр трубопроводу d=200 мм; довжина трубопроводу до будівлі ГЕС l=300 м; перепад висот залягання трубопроводу ΔН=4 м. Хід розрахунку. Для розрахунку втрати напору по довжині трубопроводу використовуємо формулу Дарсі [5] hw   l V2 , (1) d 2g 0,5 25 30 35 40 Дальше розрахунки виконуємо на основі використання формули Шезі-Манінга Q=Cω(Ri) : 0,1667 2 2 С=l/n (R) ; l/n=80 (при n=0,0125 - середній стан шорсткості стінки труби); ω=πr =0,0314 м ; 2 3 χ=2πr; R=ω/χ=0,05 м; С=48,6; λ=8g/C =0,033; при постійній величині Q=0,04 м /с шляхом підбору за формулою (1) визначаємо середню швидкість води в трубопроводі V T=1,27 м/с і hw=4 м. 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 із сопла насадки (форсунки) буде складати V=1,27×9,81=12,46 м/с. При зазначеній швидкості потоку води за характеристиками турбіни її обертання має складати не менше 2000 об/хв… Отже потужність ГЕС буде домірною Ε=ρgVt t=1×9,81×2000×60=1,18 МВт за годину. Слід зауважити, що при наявності електромагнітного поля навколо турбіни її швидкість обертання можна збільшити до 14 000 об/хв… При цьому, тиск (удар струменю потоку води на ківшик турбіни) буде дорівнювати [1] P  2 g V2   V 2 , (2) 2g Отже тиск струменю води із сопла конусної насадки (форсунки) на ківшик турбіни буде 2 2 домірний 0,0144 Т/м або 0,144 кГ/см . Принципіальні особливості заміни поля гравітації електромагнітним полем. Указане заміщення відбувається при умові перевищення потенціалу електромагнітного поля над потенціалом поля гравітації. Сила гравітації водного середовища дорівнює F  gW , (3) 3 де  - питома густина води, яка дорівнює 1000 кг/м ; g - прискорення сили тяжіння води, 2 2 яке домірне 9,81 м/с (або дещо більше - 9,84 м/с ); W - об'єм води в трубопроводі (в зоні 3 впливу електромагнітного поля на поле гравітації), м . Сила електромагнітного поля дорівнює 45 E  pW де V2 , (4) 2g 2  - тиск газу гелію у подвійній обкладинці турбіни, який дорівнює 0,02 атм або 200 кГ/м : 3 W - об'єм простору у подвійній обкладинці турбіни, м . Сила поля гравітації в трубопроводі на довжині 3 м дії електромагнітного поля від турбіни у нашому випадку дорівнює F=8,83 кГ∙м/с ( W  r 2  l  3,14  0,012  3  0,00094 м3 ). Сила електромагнітного поля навколо турбіни на віддалі 3 м дорівнює 2 50 E  3,56  7,34  26 кГ  м2 с . Таким чином, сила електромагнітного поля майже у три рази вища від сили гравітації. 3 UA 103796 U 5 10 15 Джерела інформації: 1. Мешканці Тур'я Поляна від будівництва міні-ГЕС не отримали нічого крім проблем: [Електрон, ресурс]. Режим доступу: http://1info.net/stati-novosti-soobscheniia/statii/meshkanc-tur-ja-poliana-v-d-budvnictva-m-n-ges-ne-otrimali-n-chogo-kr-m-problem.html.- Назва з екрану. 2. Програма фінансування альтернативної енергетики в Україні (Програма USELF). [Електрон. ресурс]. Режим доступу http://www.uself.com.ua/fileadmin/documents/USmall_Hydro_Technical_Report.pdf. - Назва з екрану 3. Гидроенергетика: Учеб. Для вузов по спец. "Гидроелектроенергетика" /А.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. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. Учебник для вузов. - М.:Стройиздат, 1972. 648 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Модернізована високоекологічна мала ГЕС, що містить генератор електричного струму і турбінний блок, що знаходиться на опорі у ковші, яка відрізняється тим, що додатково має горизонтальне розміщення ковшової турбіни з подвійною обкладинкою на одному валу з генератором, причому ГЕС має гнучку переливну напівзагату, що виконана з можливістю регулювання стоку донних рухомих наносів на прямолінійній або звивистій ділянці річки, а ГЕС виконана з можливістю розміщення її на заплаві та з можливістю підводу до неї трубчатого водогону і скидного трубчатого водоводу. 4 UA 103796 U 5 UA 103796 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6