AUTOMATED HYDROPOWER STATIONS FOR POWER SUPPLY AND ENERGY SAVING OF INDEPENDENT CONSUMERS

Full Text

Возрастающие с каждым годом выработка и потребление энергии в мире создают необходимые условия для ускорения научно-технического про- гресса, который позволяет улучшать благосостоя- ние людей планеты. Но вместе с тем возрастающие объемы потребления энергии требуют все больших и больших объемов углеводородного сырья, запасы которого не безграничны. При населении России, составляющем 2,4 % от мировой численности насе- ления, наша страна обладает 12 % мировых запасов нефти, 35 % мировых запасов газа, 16 % мировых запасов угля и 14 % урана. Однако, несмотря на бо- гатство органических ресурсов, половина регионов России (в том числе Алтайский край и республика Алтай) испытывают дефицит энергии, а в некоторых районах ситуация критическая. Вместе с тем зоны децентрализованного энергос- набжения и не электрифицированные зоны составля- ют около 2/3 территорий России, на которых про- живает примерно 20 млн человек. Данная проблема актуальна и для энергетики Алтайского края и респу- блики Алтай. Многие потребители находятся в отда- лении от центральных электрических сетей, а именно: фермерские хозяйства, полевые станы, туристические комплексы, предприятия лесопромышленного ком- плекса и т.п. В горных районах активно развиваются рекреационные зоны, строятся новые туристические комплексы. При этом существующий дефицит гене- рирующих мощностей не позволяет удовлетворить их потребности в энергии. Большая часть потребителей на данных территориях получает электроэнергию от автономных энергетических систем [1]. Надежное электроснабжение децентрализован- ных регионов является актуальной задачей энергети- ки России, от успешного решения которой зависит не только ее социально-экономическое развитие, но и безопасность значительной части населения [2-4]. В настоящее время энергоснабжение автоном- ных потребителей обеспечивается, в основном, с по- мощью бензиновых и дизель-генераторов, эксплуа- тация которых сопряжена с большими затратами на периодический завоз топлива и техническое обслу- живание. Дополнительными негативными факто- рами использования таких установок являются вы- бросы продуктов сгорания в окружающую среду и шум. Серьезной экологической проблемой является загрязнение окружающей среды топливными кон- тейнерами [5]. Решить данные проблемы можно за счет вне- дрения автономных энергоустановок на основе во- зобновляемых источников энергии [6, 7]. Использование возобновляемых источников энергии является частью энергетической государ- ственной политики. В долгосрочных программах энергетической политики России (распоряжение Правительства РФ № 1234-р) предусмотрено, что к 2020 г. в России производство электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии должно составлять 4,5 % от общего производства в России, что соответствует вводу около 25 ГВт мощности. Для Алтайского края наиболее перспективным направлением использования возобновляемых ис- точников является освоение гидроэнергетического, солнечного, ветроэнергетического потенциалов и местных видов топлива. При этом освоение гидро- энергетического потенциала края за счет использо- вания автономных гидроэнергоустановок способно в значительной степени уменьшить дефицит электро- снабжения удаленных существующих энергосистем сельских районов, а также районов с одноцепными и радиальными физически изношенными линиями электропередачи. Коллектив авторов на протяжении многих лет успешно занимается созданием и внедрением авто- номных гидроэнергетических установок на терри- тории Алтайского края и республики Алтай с ис- пользованием опыта проектирования микро-ГЭС в других регионах [8, 9]. Для обеспечения надежно- сти, удобства и простоты эксплуатации автономные микро-ГЭС должны быть снабжены системами авто- матического управления. В Алтайском крае уставлены две автоматизи- рованные микро-ГЭС с водоналивными колесами по проектам, разработанным авторами: на Колыван- ском камнерезном заводе в селе Колывань Курьин- ского района и в поселке Новозыково Красногорско- го района. Современная гидроэнергетическая установка, представляющая собой микро-ГЭС с водоналивным колесом, была установлена в связи с юбилеем Колы- ванского камнерезного завода по заданию Админи- страции Алтайского края. Работы по реконструкции выполнены по проекту, разработанному учеными Алтайского государственного технического универси- тета. В лаборатории гидротехнических сооружений малых гидроузлов и микро-ГЭС была создана модель водоналивного колеса в масштабе 1:2. Оптимизирова- на форма лопаток, позволяющая получить наполне- ние около 50 % от максимально возможного объема (объема полукольца). С применением водоудержа- теля, расположенного в нижней четверти колеса и выполненного в виде радиально изогнутой стенки с зазором 10 мм от колеса, удалось увеличить наполне- ние до 60 %. Авторами был также создан полномас- штабный блок автоматического управления электри- ческой нагрузкой (БАУЭН-1), выполнены поверочные расчеты на статические и динамические нагрузки крепления за водосбросными сооружениями и про- ведены все необходимые испытания. В результате для электроснабжения и энерго- сбережения на заводе была установлена микро-ГЭС с водоналивным колесом диаметром 5,5 м, шириной 0,9 м и количеством лопаток 48. Основные техни- ческие характеристики установленной микро-ГЭС: мощность 15 кВт, расход 0,55 м3/с, напор 5,5 м, на- пряжение фазное 230 В, частота 50 Гц, общий КПД 60 %. В настоящее время микро-ГЭС эффективно ра- ботает в штатном режиме на заводе и вырабатывает электроэнергию для его нужд круглый год [10]. Другим объектом является автоматизирован- ная микро-ГЭС, установленная в поселке Новозыково Красногорского района. Микро-ГЭС состоит из водо- наливного колеса диаметром 3 м, шириной 0,88 м и количеством лопаток 12, системы автоматического управленияиблока автоматического управления элек- трической нагрузкой (БАУЭН-2). Основные техниче- ские характеристики установленной микро-ГЭС: мощ- ность 10 кВт, расход 0,55 м3/с, напор 3,5 м, напряжение фазное 230 В, частота 50 Гц, общий КПД 60 % [11]. В республике Алтай на притоке реки Саратан- ка в Международном детском туристическом лагере «Кох-Таман», находящемся в 15 км от села Саратан Улаганского района, была установлена микро-ГЭС с осевой гидротурбиной. Основные технические ха- рактеристики установленной микро-ГЭС: мощность 4,5 кВт, расход 0,1 м3/с, напор 10 м, напряжение фаз- ное 230 В, частота 50 Гц, общий КПД 50 % [12-14]. Средний срок окупаемости установленных автоматизированных микро-ГЭС составил два-три года, а стоимость строительства 1 кВт установленной мощности - около 60 тыс. руб. Высокие технико- экономические показатели микро-ГЭС достигнуты за счёт применения оригинальных конструкторских решений авторов, защищенных патентами РФ на изобретения и полезные модели [13-17]. В настоящее время авторами разработан про- ект микро-ГЭС с водоналивным колесом диаметром 2 м, шириной 1,35 м для электроснабжения посел- ка Аргут Кош-Агачского района республики Алтай. Водоналивное колесо было изготовлено ранее вла- дельцем микро-ГЭС (рис. 1). В связи с отсутствием водоудерживающего элемента и боковых стенок вода сразу же сливалась с лопаток, не задерживаясь на них, поэтому работала только верхняя четверть колеса, общий КПД очень низкий, всего 20 %. Для электроснабжения поселка Аргут Кош- Агачского района авторами была разработана на основе существующего водоналивного колеса и во- доподводящей системы микро-ГЭС. Разработанная схема микро-ГЭС представлена на рис. 2. Работа микро-ГЭС осуществляется следующим образом. Вода из реки подаётся по деревянному, об- лицованному профнастилом лотку 1 (шириной 1 м, высотой 0,5 м и длиной 50 м) сверху на водоналивное колесо 2. Максимальный расход воды 1 м3/с. Коле- со имеет 12 лопаток. Лопатки 3 закреплены между внешним и внутренним ободом колеса. Внешний обод изготовлен из изогнутой трубы, а внутренний представляет собой сплошной метал- лический барабан. Между лопатками и барабаном образуются карманы, в которые заливается вода. Под действием силы тяжести, воздействующей на лопатки, колесо поворачивается. На нём создается вращательный момент, который через спицы 4 (их 12 шт.) передается на вал водоналивного колеса 5. Вал закреплен на подшипниках в опорах 6 (их 2 шт.) Он соединен с редуктором 7 с помощью карданно- го вала 8. Редуктор 7 соединён с редуктором 9, по- следний соединен с асинхронным электродвигате- лем 10 (5,5 кВт, 1500 об/мин), который используется в качестве генератора. Генератор возбуждается и ре- гулируется разработанным авторами блоком авто- матического управления электрической нагрузкой (БАУЭН-2) (11). Использование асинхронных двига- телей экономичнее, чем синхронных. Избыточная мощность сбрасывается на трехфазный электроко- тел 12 (U = 220 В; N = 4,5 кВт, по 1,5 кВт на каждой фазе.). БАУЭН-2 имеет на наружной панели три вольтметра, три амперметра, частотомер и кнопку «пуск - стоп» полезной нагрузки, а на боковой па- нели - три трехфазные розетки для подключения генератора, полезной и балластной нагрузки в виде электрокотла. Кроме этого, на боковой панели для пусконаладочных работ установлено шесть однофаз- ных розеток (три - для контроля полезной нагрузки и три - для контроля балластной нагрузки). Отрабо- танная вода сливается в отводящий канал, далее об- ратно в реку, вниз по течению. Мощность микро-ГЭС по измеренным в натуре данным определяется по формуле, кВт: N = ηρgHQ, где η - КПД; ρ - плотность воды, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; H - высота от излива воды до уровня воды в отводящем канале, приблизитель- но равного диаметру колеса, м; Q - расход воды, м3/с N = 0,2*1000*9,81*2,5*1 = 4906 Вт = 4,9 кВт. Использование микро-ГЭС в поселке Аргут Кош-Агачского района республики Алтай полно- стью удовлетворило потребность поселка в электро- снабжении. Выводы. Как показывает практика, микро-ГЭС на диапазоны водотоков с напорами от 1 до 6 м и расходами от 0,1 до 3,0 м3/с на основе водоналивных колес и асинхронных электродвигателей, используе- мых в качестве генератора, с блоком автоматическо- го управления электрической нагрузкой, являются более эффективными техническими решениями, позволяющими успешно конкурировать с другими энергоустановками для электроснабжения и энер- госбережения автономных потребителей малой мощности. Применение микро-ГЭС с осевыми ги- дротурбинами в случае вышеуказанных диапазонов водотоков значительно дороже.

About the authors

Vladimir Mikhaylovich IVANOV

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: tgvv@mail.ru
doctor of Engineering, Professor, Head of the Thermotechnics, Hydraulics and Water Supply, Wastewater Chair 656099, Russia, Barnaul, Lenin Avenue, 46

Tatyana Yur'evna IVANOVA

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: trodivilina@mail.ru
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Thermotechics, Hydraulics and Water Supply, Wastewater Chair 656099, Russia, Barnaul, Lenin Avenue, 46

Irina Alekseevna BAKHTINA

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: bia-altai@mail.ru
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Thermotechics, Hydraulics and Water Supply, Wastewater Chair 656099, Russia, Barnaul, Lenin Avenue, 46

Pavel Sergeevich TRUTNEV

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: tgvv@mail.ru
Post Graduate Student of chair Thermotechics, Hydraulics and Water Supply, Wastewater Chair 656099, Russia, Barnaul, Lenin Avenue, 46

References

Supplementary files