Гидросиловое оборудование малых ГЭС

Термин «гидросиловое оборудование» объединяет то оборудование, которое служит для преобразования гидравлической энергии в электрическую (с заданными параметрами). Исходя из этого к гидросиловому оборудованию малой ГЭС относят гидротурбины с регулятором частоты вращения, гидрогенератор с системой возбуждения, предтурбинный затвор.

Гидротурбина, преобразующая гидравлическую энергию в механическую энергию вращающего вала, характеризуется следующими основными энергетическими расчетными параметрами: напором (давлением) воды перед входом в турбину, частотой вращения, соответствующей оптимальному к.п.д., и расходом воды, соответствующим первым двум параметрам. Мощность гидротурбины выражают через напор и расход:

.

(4.21)

где P_T - мощность на валу гидротурбины, кВт; Q - расход воды, м³/с; Н - напор нетто, м; h_T - КПД турбины при соответствующих Н, Q и частоте вращения.

Частота вращения n, соответствующая оптимальным условиям работы гидротурбины, зависит от геометрии ее проточной части (быстроходности гидротурбины) и определяется по коэффициенту быстроходности n_s.

По характеру передачи энергии потока воды рабочим органам гидравлические турбины подразделяются на реактивные (с избыточным давлением, т.е. напорноструйные) и активные (свободноструйные).

В реактивных турбинах происходит преобразование всех видов энергии потока (энергии положения z, энергии давления p/rg и кинетической энергии v²/2g ) в механическую.

Активные турбины работают под действием свободной струи, обладающей только кинетической энергией v²/2g.

По конструктивным признакам реактивные турбины подразделяются на радиально-осевые (РО), пропеллерные (Пр), поворотно-лопастные (ПЛ) и диагональные (Д), активные турбины - на ковшовые свободноструйные и двукратные (рис.4.5, 4.6).

Рис.4.5. Активная гидротурбина:

а - схема установки; б - рабочее колесо

Рис. 4.6. Общий вид рабочих колес реактивных турбин:
а - радиально-осевая; б - пропеллерная; в - поворотно-лопастная;
г - двухперовая; д - диагональная

Радиально-осевые турбины применяются обычно при напорах от 20 до 350 м; поворотно-лопастные и пропеллерные - при напорах от 2 до 40 м; ковшовые - при напорах от 20 до 1500 м.

В зависимости от расположения вала турбины делятся на вертикальные (при расположении вала вертикально) и горизонтальные (при расположении вала горизонтально).

Гидротурбины подразделяются на малые, средние и крупные.

К малым относятся гидротурбины, у которых диаметр рабочего колеса D £1,2 м при низких напорах и D £0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт. К средним относятся гидротурбины, у которых 1,2 £D £2,5 м при низких напорах и 0,5 £D £1,6 м при высоких, мощность 1000 кВт £N_Т £15000 кВт.

Коэффициент быстроходности отражает основные свойства каждого типа рабочего колеса и зависит от типа гидротурбины. Ограничением к применению гидротурбин высокой быстроходности является кавитация в проточной части гидротурбины и, как следствие, разрушение гидротурбины.

Для ориентировочных расчетов при отсутствии заводских характеристик гидротурбины можно пользоваться среднестатистическими зависимостями коэффициента быстроходности от напора:

,

(4.22)

.

(4.23)

Таблица 4.1

Коэффициент быстроходности n_s

В нашей стране проектировщики чаще выбирают гидротурбину не по коэффициенту быстроходности, а по конкретным характеристикам гидротурбин отечественных заводов.

После продолжительного перерыва в производстве оборудования для малых ГЭС с 1983 года в СССР вновь начались планомерные работы по изучению и практическому использованию малой гидроэнергетики, энергомашиностроительные заводы приступили к разработке гидросилового оборудования для малых ГЭС на современном технологическом уровне.

Большой интерес вызывает гидрооборудование акционерного межотраслевого научно-технического объединения "ИНСЭТ" из Санкт-Петербурга. С 1988 года оно специализируется на разработке, серийном изготовлении и монтаже микроГЭС мощностью от 3 до 100 кВт и гидроагрегатов для малых ГЭС единичной мощностью до 5000 кВт (рис.4.7).

Рис.4.7. Область применения гидроагрегатов фирмы "ИНСЭТ"

МикроГЭС

МикроГЭС - один из наиболее ранних видов ГЭС в истории развития гидроэнергетики. Созданная в 1940-е годы номенклатура микрогидротурбин включала все основные типы, применявшиеся в гидроэнергетике: радиально-осевые, пропеллерные, ковшовые.

В СССР строительство микроГЭС в 50-е годы осуществлялось в крупных масштабах. Они обеспечивали коммунально-бытовые потребности в электроэнергии сельских населенных пунктов, мелких промышленных объектов и др.

Сооружение микроГЭС возможно для энергоснабжения изолированных от энергосистемы (или требующих резервирования) потребителей. Например, микроГЭС мощностью 100 кВт может обеспечить электроэнергией сельский поселок с населением 200 человек или животноводческий комплекс на 300 голов крупного рогатого скота. МикроГЭС могут быть не только источником электроэнергии, но и прямым приводом различных машин.

Для применения микроГЭС особенно перспективны объекты со значительным преобладанием энергопотребления в летний период над зимним, поскольку множество малых рек в зимний период практически не имеет стока, а сезонное его регулирование существенно снижает экономическую эффективность микроГЭС.

Применительно к различным природным условиям можно выделить два типа микроГЭС: реализующие потенциальную энергию и реализующие кинетическую энергию водотока.

Примерами первого типа являются микроГЭС с традиционным оборудованием, русловые либо деривационные, а также рукавные переносные малые гидроэлектростанции (РПМГЭС) (разновидность деривационных).

В настоящее время налажено производство РПМГЭС мощностью 1,5 кВт на Чебоксарском заводе «Энергозапчасть». РПМГЭС состоит из гидроэнергоблока, напорного водовода длиной 100 м, блоков возбуждения и регулирования. Гидроэнергоблок включает в себя направляющее устройство, формирующее струю воды, и двукратную турбину, соединенную с электрогенератором. Водовод представляет собой гибкий рукав, который прокладывается по берегу, спрямляя извилистый водоток. В верхней части рукава имеется водозаборник с регулятором расхода, в качестве генератора используется асинхронный электродвигатель. Применение РПМГЭС ограничивается водотоками горного типа с уклоном 6 м на 100 м рукава. В отдельных случаях при наличии водонапорной плотины неэнергетического назначения РПМГЭС может использовать напор на плотине. Для увеличения мощности РПМГЭС необходимо увеличить либо напор за счет увеличения длины рукава, либо расход за счет увеличения диаметра рукава, но то и другое приведет к увеличению массы всей установки и потере её мобильности.

МикроГЭС кинетического типа устанавливаются непосредственно в водотоке. Примерами их являются разработанные и применявшиеся в СССР гирляндные ГЭС конструкции Б.С.Блинова, триллексная вертикальная Ю.М.Новикова, штанговая плоскопараллельная и плоскоподъемная М.И.Логинова и др.

Известны поперечные и торцовые гирляндные ГЭС. Поперечная гирляндная ГЭС состоит из нескольких гидротурбин, жестко закрепленных на стальном тросе (выполняющем роль гибкого вала), редуктора и гидрогенератора. Трос с гидротурбинами располагается в воде поперек реки и удерживается на обоих берегах якорями или анкерными опорами. Сила лобового сопротивления гирлянды гидротурбин при обтекании ее водным потоком натягивает трос. Благодаря этому гирлянда не опускается на дно реки и создаются условия для передачи крутящего момента от гидротурбины к тросу, а от него к редуктору, расположенному на берегу. На узких водотоках возможна установка торцовой гирляндной ГЭС вдоль берега. Рост мощности таких ГЭС достигается увеличением числа турбин на одном тросе, а также увеличением количества гирлянд, работающих на один электрогенератор. При внешней простоте гирляндные ГЭС не получили широкого применения из-за незащищенности от плавающих предметов и невозможности работы при значительных колебаниях уровня водотока.

Фирмой «МНТО ИСЭТ» выпускаются микроГЭС широкого диапазона расходов и напоров. В комплект поставки входят энергоблок, водозаборное устройство и устройство автоматического регулирования. На рис 4.8 дана схема установки микроГЭС «ИНСЭТ» при существующем напорном фронте.

Рис.4.8. Схема установки микроГЭС

В табл. 4.2 и 4.3 приведены технические характеристики микроГЭС, разработанных «МНТО ИНСЭТ».

Таблица 4.2

Микрогидроэлектростанции с пропеллерными турбинами

Таблица 4.3

Микрогидроэлектростанции с диагональными турбинами