WATER-STORAGE POWER STATION PLANTS OF LOW POWER

Full Text

Для всех стран мира использование возобновляемых источников энергии в настоящее время актуально как никогда, в связи с тем что их эффективность способна повысить энергетическую и экологическую безопасность, а также экономический уровень развития страны [1-5]. В составе различных видов энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии особое место занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) [6-9]. Их существенное преимущество заключается в том, что они могут реализовать специфическую и очень важную возможность двойного регулирования мощности, работая в генераторном или нагрузочном режимах [10-14]. Такая возможность полезна при использовании ГАЭС для решения широкого спектра режимных задач электроэнергетической системы (ЭЭС): а) в периоды снижения нагрузки в ЭЭС ГАЭС в насосном режиме аккумули руют водную энергию в верхнем бассейне, потребляя электрическую энергию; б) в период пиковой нагрузки ЭЭС агрегаты ГАЭС переводятся в турбинный режим для выработки электрической энергии; в) ГАЭС можно использовать для стабилизации частоты тока и покрытия ава рийной нагрузки в системе. Использование ГАЭС в вышеназванных режимах улучшает условия функционирования ЭЭС, повышает надежность и эффективность базисных элек трических станций, что характеризуется сле- DOI: 10.17673/Vestnik.2016.01.4 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) 22 ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО дующими показателями: увеличивается срок службы теплоэнергетического оборудования на 15-20 %, сокращаются затраты на текущий и капи тальный ремонты примерно на 20 %, сокращаются простои оборудования при ава рийном, текущем и капитальном ремонтах на 20-30 % [6]. Помимо вышеприведенных преимуществ, ГАЭС могут иметь так называемый топливный эффект, который достигается за счет разности расходов топлива в ЭЭС в периоды аккумулирования энергии и генерирования пиковой мощности. В периоды пониженной нагрузки ГАЭС заряжается при удельном расходе условного топлива базисными электростанциями Gн = 0,25-0,27 кг/ (кВт·ч). В генерирующем режиме ГАЭС заменяет нагрузки теплоэнергетических установок в пиковых режимах с удельным расходом условного топлива - Gг = 0,5 кг/ (кВт·ч). Если КПД ГАЭС принимать η = 0,70-0,75, то удельная экономия топлива ΔG = (Gг - Gн) / η составляет 0,1-0,14 кг/ (кВт·ч) [1]. ГАЭС можно использовать для обеспечения сглаживания непродолжительных колебаний нагрузки, которые по амплитуде составляют 0,5-1,0 % от максимальной нагрузки системы, по продолжительности - несколько десятков минут. При этом число пусков-остановок агрегатов ГАЭС может достичь до 2000-2500 в течение года. Если на один пуск агрегата газотурбинной установки мощностью 100 МВт расходуется 3,5 т у.т., то при этом получаемая экономия топлива увеличивается до 0,18-0,20 кг/ (кВт·ч) [1]. Эксплуатационные показатели ГАЭС прежде всего зависят от размеров затрат на подачу использованной воды из нижнего водоёма в верхний. Обычно для этой цели используются насосные агрегаты, у которых линия всасывания соединена с нижним водоемом (баком), а линия нагнетания - с верхним водоемом (баком). При этом насосные агрегаты потребляют на 18-38 % больше вырабатываемой турбинами ГАЭС энергии [1]. Из сказанного ясно, что уменьшение затрат на подачу воды в верхний бассейн бесспорно повышает эффективность функционирования ГАЭС. В условиях ограничения подачи электроэнергии владельцам небольших предприятий и другим индивидуальным потребителям можно использовать малые энергетические установки с гидроаккумуляторами (с небольшими емкостями в верхнем и нижнем бассейнах) для удовлетворения своих потребностей в энергии. Вода имеет неисчерпаемую жизненную силу для всего живого на свете, в том числе необходимую энергию. Если использовать эту энергию подобающим образом, направляя ее в нужное русло, то можно решить множество проблем удовлетворения различных потребностей человечества. Так, например, преимущественно для использования в гидроэнергетических установках малой мощности авторами предложено применение гидравлических таранов, подающих воду в верхний водоём, используя силу гидравлического удара потока воды, движущегося в трубе [2]. Таран может работать автоматически без осмотра в течение длительного времени, используя лишь мощность водной энергии. При использовании нескольких работающих в каскадном порядке таранов до 70-80 % воды из нижнего бака можно подавать в верхний бак без потребления электрической энергии. Одним из недостатков такого комплекса гидротаранов является неизбежность подачи некоторой части воды насосами в верхний бак и использование нескольких гидротаранов в каскадном режиме. Это в какой-то степени усложняет конструкцию и удорожает стоимость устройства. Ещё одним предложением авторов, заявленным на выдачу патента на изобретение в агентство по интеллектуальной собственности Республики Узбекистан, является устройство ГАЭС малой мощности [3]. Данная установка имеет верхний и нижний баки, гидротурбину, систему на базе струйного аппарата и эрлифта для подачи воды в верхний бак (рис. 1). Установка работает следующим образом. Отработанная вода из нижнего бака 3 через подводящую трубу 5 поступает в водовоздушный струйный аппарат 6, который служит для засоса воздуха из атмосферы при подаче воды в гидропневмоаккумулятор 7. Благодаря этому поток насыщается пузырьками воздуха, т.е. становится аэрированным. Попадая в гидропневмоаккумулятор 7, аэрированный поток воды разделяется на воду, которая оседает внизу аккумулятора, и на воздух, располагающийся над поверхностью воды. При дальнейшем поступлении аэрированного потока воды давление воздуха в гидропневмоаккумуляторе 7 постепенно повышается. В результате этого, согласно закону сообщающихся сосудов, уровень воды в водоподъемной трубе 8 поднимается, и он может дойти до отметки поверхности воды в нижнем баке. Если в этот момент открыть запорный клапан 10, установленный в трубке для подачи сжатого воздуха 9, за счет разности давлений в аккумуляторе и в точке подачи воздуха (которое эквивалентно высоте Н4) воздух будет по- 23 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) М.М. Мухаммадиев, Б.У. Уришев, К.С. Джураев, Ж.М. Махмудов ступать в трубу 8. Под действием сжатого воздуха в трубе 8 начинается движение столба водовоздушной эмульсии вверх по принципу действия эрлифта, работающего как водоподъемная установка, благодаря разности плотности воды и эмульсии. Принцип действия и некоторые конструкции эрлифтов приведены в работах [4, 5]. Поступление воздуха в водоподъемную трубу 8 приводит к снижению давления в аккумуляторе 7, вследствие чего увеличивается расход воды в подводящей трубе 6 и, следовательно, снова повышается давление воздуха в аккумуляторе 7. Вышеприведенный процесс вновь повторяется, и в верхний бак подается очередной объем воды. Основное требование для эффективной работы эрлифта заключается в том, чтобы водовоздушная эмульсия перемещалась вверх по водоподъемной трубе 8, давление воды в точке подачи воздуха должно быть больше, чем давление столба водовоздушной эмульсии, т.е. необходимо сохранить неравенство Рис. 1. Схема энергетической установки с новым водоподъемным устройством: Н1, Н2, Н3, Н4 - высота участков установки; Н н.б. - глубина воды в нижнем баке; 1 - верхний бак; 2 - гидротурбина; 3 - нижний бак; 4 - задвижка (вентиль); 5 - подводящая труба; 6 - струйный аппарат; 7 - гидропневмоаккумулятор; 8 - водоподъемная труба; 9 - трубка для подачи сжатого воздуха; 10 - запорный клапан 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Н1 Н2 Н3 Н4 h Нн.б. 10 ρН4 > ρэм (Н3+Н4), кг/м³ , (1) где ρ - плотность воды; ρэм - плотность водовоздушной эмульсии, определяемая выражением ρэм = ρ·(1- q) + ρвоз·q, (2) где q=Qвоз/(Q+ Qвоз) - коэффициент расхода воздуха; Qвоз - расход воздуха, подаваемого в водоподъемную трубу, м³/с; Q - расход воды, подаваемой в верхний бак, м³/с; ρвоз - плотность воздуха, кг/м3 . Расход воздуха Qвоз в работе [4] предлагается определить с помощью следующей зависимости: Qвоз = α1·α2 q0 ·Q , (3) где α1 - коэффициент, учитывающий температуру воздуха; α2 - коэффициент, учитывающий абсолютную отметку местности, где будет установлено устройство; q0 - удельный расход воздуха на 1 м3 поднимаемой воды; определяют по формуле, полученной для изотермического сжатия воздуха, 23 'эр lg

About the authors

Muradulla Mukhammadievich MUKHAMMADIEV

Tashkent State Technical University

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Boborakhim Urishevich URISHEV

Karshi Institute of Engineering Economics

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Kurbon Salikhdzhanovich DZHURAEV

Tashkent State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Jamol Makhmud ugli MAHMUDOV

Institute for the study of regional problems Samarkandskie branch of Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files