Патент на изобретение №2347936

(54) СПОСОБ РАБОТЫ ГИДРОАГРЕГАТА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ГЭС И СВОБОДНОПОТОЧНЫЙ ГИДРОАГРЕГАТ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ГЭС

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергетике и предназначено для регулирования уровня воды в нижних бьефах действующих гидроузлов. Способ работы гидроагрегата для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС заключается в том, что на реке в нижнем бьефе ГЭС создают регулируемое гидравлическое сопротивление. Сопротивление создают путем установки на дно реки в нижнем бьефе ГЭС с помощью свай нескольких групп свободнопоточных гидроагрегатов с возможностью съема и замены гидроагрегатов в процессе эксплуатации. Имеется свободнопоточный гидроагрегат для использования в указанном способе. В результате достигается повышение экономичности путем снижения капитальных затрат на реализацию способа регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС, снижение эксплуатационных расходов на обслуживание гидроагрегатов в нижнем бьефе и увеличение выработки электрической энергии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике, конкретно к гидроэнергетике, и касается вопроса регулирования уровня воды в нижних бьефах действующих гидроузлов.

На многих действующих гидроузлах вследствие общего переформирования русел рек в нижнем бьефе произошло понижение кривой связи уровней и расходов воды. Это вызывает опасность кавитации на турбинах и снижает возможности гидростанций осуществлять нормальную эксплуатацию.

Способ регулирования уровня воды, заключающийся в том, что плотина ГЭС выполнена с устройством, посредством которого при достижении в верхнем бьефе опасного уровня воды часть воды перепускают в нижний бьеф ГЭС (см. патент DE №102004025769, Кл. Е02В 3/02, 22.12.2005).

Данный способ не позволяет постоянно регулировать уровень воды в нижнем бьефе, что сужает его возможности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы гидроагрегата для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС, заключающийся в том, что на реке в нижнем бьефе ГЭС создают регулируемое гидравлическое сопротивление (см. авторское свидетельство SU №1788138, Кл.Е02В 9/04, 15.01.1993).

Данный способ предусматривает строительство в нижнем бьефе контррегулирующей ГЭС с низконапорной плотиной, что позволяет регулировать гидравлическое сопротивление течению реки в нижнем бьефе ГЭС и таким образом поддерживать в нем требуемый уровень воды в реке. Однако такой способ регулировки гидравлического сопротивления течению реки в нижнем бьефе ГЭС и выработки при этом электрической энергии с помощью гидроагрегатов, через которые пропускают поток воды в нижнем бьефе реки, требует больших материальных затрат и на длительный срок строительства выводит действующую ГЭС из штатного режима.

Известен также свободнопоточный гидроагрегат, устанавливаемый возле плотины и содержащий установленную в корпусе турбину, соединенную с электрическим генератором, (см. патент JP №58183870, Кл. F03В 13/08, 27.10.1983).

Данный свободнопоточный гидроагрегат, установленный на дне реки возле плотины, позволяет вырабатывать электрическую энергию, однако он не позволяет эффективно регулировать ее гидравлическое сопротивление, что требует дополнительных устройств для регулирования уровня воды в нижнем бьефе за плотиной.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание сравнительно простого свободнопоточного агрегата, который можно установить в нижнем бьефе для регулировки в нем уровня воды.

Техническим результатом, достигаемым от реализации изобретения, является повышение экономичности путем снижения капитальных затрат на реализацию способа регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС, снижение эксплуатационных расходов на обслуживание гидроагрегатов в нижнем бьефе и увеличение выработки электрической энергии.

Указанная задача решается, а технический результат достигается в части способа, как объекта изобретения, за счет того, что способ работы гидроагрегата для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС заключается в том, что на реке в нижнем бьефе ГЭС создают регулируемое гидравлическое сопротивление, причем последнее создают путем установки на дно реки в нижнем бьефе ГЭС с помощью свай нескольких групп свободнопоточных гидроагрегатов с возможностью съема и замены гидроагрегатов в процессе эксплуатации.

Свободнопоточные гидроагрегаты могут быть установлены рядами поперек реки в нижнем бьефе плотины ГЭС.

Указанная задача решается, а технический результат достигается в части устройства, как объекта изобретения, за счет того, что свободнопоточный гидроагрегат для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС содержит установленную в корпусе турбину, соединенную с электрогенератором, при этом корпус выполнен в виде конфузорно-диффузорного трубопровода с цилиндрической горловиной и расположен на дне реки вдоль ее течения в нижнем бьефе ГЭС, при этом корпус закреплен на дне реки посредством вбитой в дно реки сваи, с которой корпус соединен посредством выполненного снаружи на горловине корпуса средства крепления, турбина выполнена пропеллерной, ротор электрогенератора образован ободом, охватывающим лопатки пропеллерной турбины и соединенным с концами лопаток, при этом обод выполнен в виде стального кольца с закрепленным на нем алюминиевым или медным сердечником, а статор электрогенератора выполнен в виде охватывающего ротор, установленного с зазором относительно последнего, кольцевого неподвижного индуктора с обмоткой, формирующей электромагнитное поле, бегущее по кольцу, охватывающему трассу концов лопаток турбины.

В ходе проведенного исследования была выявлена возможность регулировать уровень воды в нижнем бьефе без строительства плотины (см. указанное авторское свидетельство SU №1788138) и других схожих с плотиной сооружений (см. указанный патент JP №58183870), что позволяет резко снизить капитальные затраты на реализацию описанного способа работы гидроагрегатов для регулировки уровня воды в нижнем бьефе ГЭС.

Для этого в нижнем бьефе реки, поперек последней, на ее дне устанавливают свободнопоточные гидроагрегаты. В зависимости от того, работают они или нет, они создают различное гидравлическое сопротивление протекающему через них потоку воды. Таким образом, запуская в работу все свободнопоточные гидроагрегаты, мы, по существу, перегораживаем реку в нижнем бьефе в подводной его части и замедляем в этой части реки ее течение, что вызывает подъем уровня реки в нижнем бьефе. Останавливая работу турбины свободнопоточного гидроагрегата, мы, по существу, превращаем его в установленную на дне трубы профилированную трубу, которая имеет значительно меньшее гидравлическое сопротивление, чем при работе турбины гидроагрегата, что вызывает снижение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС. Установка свободнопоточных гидроагрегатов на сваях с возможностью их установки и съема позволяет регулировать количество установленных гидроагрегатов и, в случае необходимости, снимать их для ремонта, быстро заменив исправным. Ремонт гидроагрегата может быть произведен на поверхности в приспособленном для этого месте, что позволяет с небольшими затратами произвести качественный ремонт без остановки работы ГЭС.

На фиг.1 представлена схема установки свободнопоточного гидроагрегата в нижнем бьефе ГЭС.

На фиг.2 представлен схематически продольный разрез свободнопоточного гидроагрегата.

В нижнем бьефе ГЭС 1 на дно реки с помощью свай 2 устанавливают несколько групп свободнопоточных гидроагрегатов 3. Последние устанавливают с возможностью съема и замены гидроагрегатов 3 в процессе эксплуатации.

Свободнопоточные гидроагрегаты 3 установлены рядами поперек реки.

Свободнопоточный гидроагрегат 3 для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС 1 содержит установленную в корпусе 4 турбину 5, соединенную с электрогенератором 6. Корпус 4 выполнен в виде конфузорно-диффузорного трубопровода с цилиндрической горловиной 7. Корпус 4 закреплен на дне реки посредством вбитой в дно реки сваи 2, с которой корпус 4 соединен посредством выполненного снаружи на горловине 6 корпуса 4 средства крепления 8. Турбина 5 выполнена пропеллерной. Ротор 9 электрогенератора 6 образован ободом в форме, например, короткозамкнутого ротора асинхронного генератора, охватывающим лопатки 10 пропеллерной турбины 5 и соединенным с концами лопаток 10. Обод выполнен в виде стального кольца с закрепленным на нем алюминиевым или медным сердечником, а статор электрогенератора 6 выполнен в виде охватывающего ротор 9, установленного с зазором относительно последнего, кольцевого неподвижного индуктора 11 с обмоткой, формирующей электромагнитное поле, бегущее по кольцу, охватывающему трассу концов лопаток 9 турбины 5.

Способ работы гидроагрегата для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС заключается в том, что на реке в нижнем бьефе ГЭС 1 создают регулируемое гидравлическое сопротивление путем установки на дно реки в нижнем бьефе ГЭС 1 с помощью свай 2 нескольких групп свободнопоточных гидроагрегатов 3 с возможностью съема и замены гидроагрегатов 3 в процессе эксплуатации. Поток воды поступает в корпус 4 через конфузорный (сужающийся по ходу потока) участок, разгоняется в нем и истекает из него в горловину 7, где набегает на лопатки 10 турбины 5, что вызывает вращение лопаток 5, а вместе с ними и ротора 9 электрогенератора 6 и выработку последним электрической энергии.

Уровень воды регулируют путем изменения гидравлического сопротивления, которое создают протекающему через них потоку воды свободнопоточные гидроагрегаты 3. Запуская в работу свободнопоточные гидроагрегаты 3, увеличивают их гидравлическое сопротивление протекающему потоку воды, что вызывает увеличение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС 1. Останавливая работу свободнопоточных гидроагрегатов или части свободнопоточных гидроагрегатов 3, уменьшают их гидравлическое сопротивление протекающему потоку воды в нижнем бьефе ГЭС 1, что вызывает снижение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС 1.

Свободнопоточные гидроагрегаты 3 включаются в общую электрическую сеть или отключаются из сети по команде автоматики, контролирующей уровень воды нижнего бьефа за ГЭС 1. По ширине и длине потока свободнопоточные агрегаты 3 размещаются за пределами судового хода на расстояниях друг от друга, достаточных для обеспечения уклона поверхности и скорости течения. При работающих свободнопоточных гидроагрегатах 3 перепад уровней Z (м) на каждом из них оценивается величиной

Z=0.025 U²,

где U – скорость течения в реке (м/с).

Остановленный свободнопоточный гидроагрегат 3 практически не вызывает подпора.

Количество свободнопоточных гидроагрегатов 3 зависит от ширины реки и скорости течения. Их желательно ставить за пределами судового хода поперек реки на расстояниях порядка 1-2 диаметров или максимального поперечного размера, если поперечное входное сечение конфузора не окружность, конфузора корпуса 4. При недостаточной глубине потока конфузор может иметь форму, вытянутую поперек реки, например с прямоугольным и овальным поперечным сечением, переходящим в цилиндрическую горловину 6. Общее количество и расстановка гидроагрегатов 3 определяется гидравлическим расчетом или испытанием модели участка реки.

Для обеспечения подпора за ГЭС 1, равного, например, 2 м, при скорости потока в реке 2 м/с необходимо выставить 20 рядов таких гидроагрегатов 3. При диаметре турбины 5 2.8 м и диаметре входного сечения конфузора и выходного сечения диффузора 4 м, мощность, снимаемая с одного гидроагрегата 3 при скорости потока 2 м/с, составит около 19 кВт. Если в каждом ряду будет 10 гидроагрегатов 3, то их суммарная мощность достигнет 3.8 МВт.

Настоящее изобретение может быть использовано с любыми гидротехническими сооружениями, перекрывающими реки: плотинами ГЭС, дамбами и т.д. для поддержания необходимого уровня воды в нижнем бьефе.

Формула изобретения

1. Способ работы гидроагрегата для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС, заключающийся в том, что на реке в нижнем бьефе ГЭС создают регулируемое гидравлическое сопротивление, отличающийся тем, что регулируемое гидравлическое сопротивление создают путем установки на дно реки в нижнем бьефе ГЭС с помощью свай нескольких групп свободнопоточных гидроагрегатов с возможностью съема и замены гидроагрегатов в процессе эксплуатации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что свободнопоточные гидроагрегаты устанавливают рядами поперек реки в нижнем бьефе плотины ГЭС.

3. Свободнопоточный гидроагрегат для регулирования уровня воды в нижнем бьефе ГЭС, содержащий установленную в корпусе турбину, соединенную с электрогенератором, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде конфузорно-диффузорного трубопровода с цилиндрической горловиной и расположен на дне реки вдоль ее течения в нижнем бьефе ГЭС, при этом корпус закреплен на дне реки посредством вбитой в дно реки сваи, с которой корпус соединен посредством выполненного снаружи на горловине корпуса средства крепления, турбина выполнена пропеллерной, ротор электрогенератора образован ободом, охватывающим лопатки пропеллерной турбины и соединенным с концами лопаток, при этом обод выполнен в виде стального кольца с закрепленным на нем алюминиевым или медным сердечником, а статор электрогенератора выполнен в виде охватывающего ротор, установленного с зазором относительно последнего, кольцевого неподвижного индуктора с обмоткой, формирующей электромагнитное поле, бегущее по кольцу, охватывающему трассу концов лопаток турбины.

РИСУНКИ