Тема 9 Хидроенергия - малки ВЕЦ

Сн. 9.1 МВЕЦ

Резюме

В настоящият раздел се разглежда добиването на електроенергия от малки водни електически централи /МВЕЦ/. В увода са представени екологичните и икономически предимства при използване на водната енергия. След това са разгледани теоретично енергията и мощността на водния поток, както и системната ефектиност на съвкупността от съоръжения за превръщане на потенциалната енергия на водата в електрическа. Показани са и възможностите за създаване на геодезичен напор - с язовирна стена, с деривации и комбинирано. В т.4 са разгледани устройството, принципа на действие на класически и иновационни водни турбини, използвани при МВЕЦ. Като такива са представени Пелтон и двукратните турбини - представители на активните турбини и Францис, Каплан турбините, пропелерната DIVE турбина, системата за производство на електроенергия LucidPipe™, Двустепенната импулсна турбина , турбините на гравитационен вихър - представители на реактивните турбини.

Накрая на раздела е разгледано явлението кавитация, причините , които го създават и начините за неговото избягване.

1. Увод

Водната енергия се използва от древността като се преобразува в механична енергия с помощта на водни колела. С навлизането на хидравличните машини и по-конкретно на водните турбини започва нова ера в усвояването на хидроенергията.
Малките ВЕЦ са най-големият доставчик на енергия от възобновяемите източници в европейски и световен мащаб. На световно ниво инсталираната мощност достига до 47000 MW с потенциал, икономически и технически, достигащ до приблизително 180 000MW [1,3]. В световен мащаб няма консенсус за определение на „малък ВЕЦ” /МВЕЦ/. В различните държави мощността варира между 2,5MW и 25MW, но 10MW започва да се възприема по-масово и също така е приета от Европейската асоциация за малки водноелектрически централи ESHA-European Small Hydro Association. Трябва да се подчертае, че МВЕЦ са една от най-щадящи природата форми на използване на възобновяемите енергийни източници и нанасят най-малко вреда на реките /сн.9.1/. В този раздел ще се разгледа усвояването на водната енергия от малките водно- електрически централи (МВЕЦ), които са достъпни за по-широк кръг предприемачи и притежават редица предимства.

Предимствата на МВЕЦ се изразяват в следните аспекти:

  • На първо място те имат висока ефективност като възобновяем източник достигащ 70-90% [3] в сравнение със соларните 10-15% и 30% за вятърните централи.
  • Влиянието върху околната среда е незначително (за разлика от големите ВЕЦ и ветровите паркове)
  • Много високо ниво на предвидимост на генерация на енергия, съвпадащо с годишния валежен профил за региона
  • Пика на потребление съвпада с високата производителност през зимата и пролетта
  • Технологиите за МВЕЦ са на изключително добро и надеждно ниво. Проектният им живот е над 50 години.
  • Създават се условия за развитие на селските и планински райони - работни места, доход, туристически интерес.
  • Изискванията за поддръжка и текущите разходи са ниски

2. Енергия и мощност на водния поток

В естествените реки енергията на водата се изразходва за издълбаване на речните корита и за преодоляване на хидравличните съпротивления по дължината на реката /участъка/. При МВЕЦ с помощта на комплекс от хидротехнически съоръжения се създава съсредоточен пад в долен пункт на реката равен на разликата във височините между горното и долното водно ниво /геодезичен напор/[2,5].

При водно количество V,m3; дебит на водата Q, m3/s; плътност на водата ρ, kg/m3; височинен пад (разлика във височините, геодезична височина) ΔH,m; и земно ускорение g, m2/s - то енергията на водата Е ще бъде:

Е = g ρV ΔH, J (1)

Енергията на водата Е е равна и на работата, която водата с тегло G = g ρV ще извърши на разстояние ΔH. Тъй като плътността на водата ρ≈1000 kg/m3, тогава израза (1) добива вида:

E = gV ΔH, kJ (2)

Определяне на мощността

Като се вземе предвид, че мощността е отдадената енергия или извършената работа от водата за единица време (1s), то за мощността Р на водния поток може да се напише:

P = g ρ Q ΔH, W (3)

Земното ускорение g, в резултат на гравитацията може да се приеме за постоянно и равно на 9,81 m2/s.

Например, ако се разполага с дебит 0,1 m3/s (100 литра в секунда), а полезният напор ΔH е 8 метра, тогава мощността на потока вода ще бъде:

Р = 1000 . 9,81.0,1.8 = 7848 W ≈ 7,85 кW

Тази мощност обаче е само теоретична, разполагаема. За да се изчисли енергията или мощността, която произвежда дадена водна турбина, куплирана с електрически генератор, трябва да се вземе предвид ефективността на преобразуващата система /системна ефективност/. Ефективността е понятието, което описва каква част от енергията се преобразува от една форма в друга. Например, ако една водна турбина има ефективност 70%, то тя ще преобразува 70% от енергията на водата в механична и 30% ще бъдат изгубени. Системната ефективност е комбинираната ефективност на всички процеси заедно, едновременно; на всички машини и съоръжения, които участват в процесите на преобразуване. Системната ефективност ηс за производство на електрическа енергия отчита всички енергийни загуби, произтичащи от механичното и електропреобразуване на водната кинетична енергия в електроенергия. При използване на МВЕЦ тя е е в рамките на 50-70% и е равна на:

ηс = ηт ηг (4)

където:

ηт - ефективност (коефициент на полезно действие - кпд) на водната турбина

ηг - ефективност (кпд) на електрическия генератор

По-високата ефективност се получава с увеличаване размера на системите. Поради това по-малките хидроенергийни системи ще притежават по-малка системна ефективност.

Ако вземем предходния пример и приемем системна ефективност ηс=0,6 (60%) на системата: водна турбина и ел. генератор, то за получената електрическа мощност Рел на изхода от генератора ще се получи:

Рел = Р. ηс = 7,85 . 0,6 = 4,71 кW

3. Схеми за създаване на геодезичен напор

Различават се две основни схеми за създаване на геодизичен напор за използване на водната енергия [5]:

  • Чрез повдигане на горното водно ниво с помощта на язовирна стена./фиг. 9.1 /. Възможни са случаи и на понижение на долното водно ниво/. При тази схема падът ΔH на ВЕЦ-а представлява разликата между подприщеното горно водно ниво /ГВН/ и долното водно ниво /ДВН/.

Фиг.9.1 Схема за повдигане на горното водно ниво с помощта на язовирна стена.

Язовирната стена създава водохранилище за регулиране на оттока. Това е основното предимство на тази схема. Недостатъците са, че се заливат площи, съоръжения и постройки. Разбира се при малките ВЕЦ тези недостатъци са ограничени.

  • Деривационна схема /фиг.9.2 а,б/

При тази схема на подходящо място по реката се изгражда стена (яз-/1/), която създава неголямо водохранилище. От това водохранилище, чрез водовземното съоръжение /2/ водата се отправя по деривационни (отклонителни) канали и тунели /3/ към напорния тръбопровод /5/ и от него към водната турбина /6/. Ако водата в тунелите се намира под налягане, деривацията се нарича напорна /фиг.9.2а/, в противен случай - безнапорна /фиг.9.2б/.

фиг. 9.2а,б Създаване на геодезичен напор чрез деривационна схема

В края на деривацията, преди напорния тръбопровод, може да се изгради напорен басейн[4]. Тези басейни имат задача да осигурят устойчива работа на турбините при промяна на водния дебит на деривацията или при промяна дебита при консумация (обед - малък, вечер - голям).

В случая не се заливат ценни терени, не се строят скъпи язовирни стени. Тази схема е изгодна предимно за планински реки с голям наклон и тесни долини, където със сравнително евтини деривации могат да се получат големи падове.

  • Комбинирана схема - при комбинация на двете основни схеми се получава смесена схема - с наличие на водохранилище и деривация/фиг.9.3/. При нея част от напора се създава от язовирната стена, а част от деривационните съоръжения.

Фиг.9.3 Комбинирана схема за създаване на геодезичен напор

Характерно за тази схема е наличието на изравнителна водна кула /4/, свързана към водния тунел/3/. Предназначението й е да предпази тунела от хидравличен удар и да намали големината на хидравличния удар в напорните тръбопроводи /6/ при внезапно включване и изключване на турбините /7/.

Комбинираната схема е икономически целесъобразна при речни долини, в които в горната част на използваемият участък са удобни за изграждане на водохранилище, а в долната си част са тесни и с големи наклони.

Особена схема за използване на водната енергия представляват помпено- акумулиращите ВЕЦ, наричани за краткост ПАВЕЦ [5]. Целта на изграждането на ПАВЕЦ е да се използва излишната електрическа енергия на атомните, водните и парните централи през онази част от денонощието, когато има малка консумация на електрическа енергия. Тогава тя се използва за изпомпване (връщане) на вода в по-високо разположени басейни. Създадените в тези басейни водни запаси се използват за получаване на електрическа енергия през часовете на върхова консумация. В тези случаи някои от агрегатите на централата работят и като помпи, и като турбини.

4. Видове, устройство и принцип на действие на водни турбини за малки ВЕЦ

Водната турбина представлява ротационен двигател (хидравлична машина) преобразуваща кинетичната енергия на водния поток в механична енергия - въртеливо движение. Механичната енергия се превръща в електрическа чрез генератор, който се върти от водната турбина.

В зависимост от начина, по който водата действа на турбината за задвижване и въртене на работното й колело, се различават следните две големи групи водни турнини [2]:

  • Активни водни турбини

При тези турбини задвижването и въртенето на работното колело на турбината се извършва под действие на кинетичната енергия на силна водна струя. Същата идва от напорния тръбопровод, минава през направляващото устройство и дюзата 1 /фиг.9.4/, струята въздейства върху работните лопатки 3 закрепени на работното колело 2, което се завърта.

Фиг. 9.4 Принцип на действие на активна водна турбина/Пелтон/

Тези турбини се наричат още свободноструйни. Типичен представител на активна водна турбина е турбината „Пелтон” /сн.9.2/.

Сн. 9.2 Пелтон турбини

Роторът на турбината се състои от лопатки, наредени около него. „Пелтон” турбините се използват главно при големи напори - от порядъка на 30 ÷ 40 m. Тези турбини могат да се монтират с вертикален или с хоризонтален вал. Предимството им е, че могат да работят и при силни промени в дебита - между 5 и 100% [3].

Другите широко използвани активни турбини в МВЕЦ са двукратните турбини [3,4,10]. Проточната част на двукратната турбина се състои от няколко елемента: (фиг.9.5) Направляващо устройство - дюза 1; направляваща и регулираща лопатка 2; работно колело 3 и работна камера (кожух) 4.

Фиг.9.5 Схема на двукратна турбина . 1- дюза, 2- регулираща лопатка, 3- работно колело, 4- работна камера, 5- обезвъздушаване

За предотвратяване понижаване на налягането на водата в работната камера под допустима стойност в нея е монтиран въздушен клапан 5. Направляващото устройство има за задача да преобразува енергията на водата изцяло в кинетична и да осигури равномерно разпределение на дебита на водата върху лопатките на работното колело при първото преминаване на водата. Освен това регулира количествено дебита, респективно мощността на турбината. Водата атакува лопатките на работното колело за втори път при излизането си от него, откъдето произлиза и наименованието на турбината - двукратна. Двукратните турбини се използват за напори от 2 ÷ 200 м, като мощността им е най-често до 1000 кW [3,4], поради сравнително ниските стойности на ηт. Те имат най-висока бързоходност от активните турбини и се отличават с най-висока степен на унификация на възлите и детайлите.

  • Реактивни водни турбини

При тези турбини задвижването и въртенето на работното колело се извършва под действие на реактивната сила на изтичащата от вътрешността на колелото вода. Тук водата влиза под напор между лопатките откъм периферията по цялата обиколка на работното колело /фиг.9.6/.

Фиг.9.6. Схема на реактивна водна турбина

Основните елементи на тези турбини са следните:

Работно колело (2) - преобразува енергията на водата в механична енергия

Вал (1) - реализира връзката между турбината и електрическия генератор

Направляващ апарат (3) - насочва водата, идваща по напорния тръбопровод по подходящ начин към лопатките на работното колело и служи като регулиращ орган на мощността на турбината.

Спирално тяло (5) - осигурява връзката на напорния тръбопровод с турбината. От него водата се разпределя равномерно към лопатките на направляващия апарат. Спиралното тяло е елемент само на реактивните турбини.

Дифузор (4) - за отвеждане на водата

Към реактивните турбини спадат турбините „Францис”, „Каплан”, пропелерните турбини и др.

В МВЕЦ приложение намират францисовите , каплановите турбини и редица иновационни турбини от пропелерен тип [3,7,8,9]. Въпреки по-сложната и скъпа конструкция и по-високите експлоатационни разходи, реактивните турбини прадлагат някои съществени предимства - оползотворяват целия геодезичен напор, работят с висока ефективност и имат по-висока бързоходност. При относително по-ниски напори и големи дебити каплановите турбини са с безпорни предимства, а францисовите оползотворяват обикновено по-големите напори /фиг. 9.7 и сн. 9.3/.

Фиг. 9.7 Схема на Францис турбина

Сн. 9.3 Францис турбина

Каплан турбината е конструирана от австрийския професор В.Каплан през 1913г. , като продължение на францис турбините. Това е аксиална, най често вертикална водна турбина с направляващ апарат и регулируеми /въртящи се около собствената си ос/ лопатки на работното колело за постигане на по-висока ефективност /сн.9.4/. Турбината се използва за геодезичен пад от 1 до 70m и дебити над 0,15 m2/s.

Сн.9.4 Каплан турбина

You Tube 3 Virtual Turbines - Pelton, Francis, Kaplan

(Francis Turbine /3D-Animation/)-клип за три вида турбини /англ/

Пропелерната DIVE турбина е иновативна концепция за турбина и задвижване с приложения за малки ВЕЦ /сн.9.5./[9], работеща на пропелерния принцип /подобна на Каплан турбината/. Турбината може да работи със скорост от 10% до 120% от номиналната. Осигурена е възможност за директно куплиране на работното колело на турбината с генератора /без предавателна кутия/.

Сн. 9.5 Пропелерна DIVE турбина

DIVE турбината е двойно регулируема турбина. Непрекъснатото регулиране при промяна на дебита и напора /пада/ се осъществява от регулируем направляващ апарат. Направляващият апарат осигурява постоянно горно водно ниво или максимален пад чрез дроселиране на водния поток. Специфичното при нея е специалното работно колело, подобно на аксиална помпа, компактната конструкция и специалния синтетичен материал на плъзгащите повърхности /фиг.9.9./.

Прилага се за геодезични напори /водни падове/ от 2 m до 25 m, дебит на водата от 1,5 m3/s до 18 m3/s и мощности от 50 kW до 1000 kW.

Подходяща за улавяне енегията на морските вълни /фиг.9.8/.

Фиг.9.8 Схема за приложение на DIVE турбина за използване енергията на морските вълни

Фиг.9.9 .Схема на МВЕЦ с DIVE турбина

Електроенергия от гравитачни водопроводи

/ Система за производство на електроенергия LucidPipe™ /

Системата за производство на електроенергия LucidPipe™ е ново решение, което дава възможност за производство на надеждна, чиста и евтина електроенергия от захранващи тръбопроводи и тръбопроводи за отпадъчна вода [8]. Технологията LucidPipe™ използва уникална сферична турбина с вертикална ос, която се поставя във водопроводна тръба с голям диаметър /0,61 -2,44m/ (сн.9.6).

Сн.9.6 . Система за производство на електроенергия LucidPipe™

Турбините се задвижват от енергията на движещата се вода, без да указват значително съпротивление на водата. За получаване на повече електроенергия във водопроводите могат да се монтират множество такива турбини. Важни параметри за мощността и количеството на добитата електроенергия е диаметъра на водопровода, скоростта на водата в него, както и продължителността на работа на водния поток.

Характерните скорости на водния поток са 1,22 - 2,13 m/s. Предвидените за експлоатация номинални дебити са в границите 0,93 - 5,44 m3/s.

За много водни дружества, използваната електроенергия е значително перо в техните разходи. Системата за производство на електроенергия LucidPipe™ дава възможност за намаляване на тези разходи, чрез използване на собствената си водна структура за генериране на икономически изгодна и възобновяема енергия.

Двустепенна импулсна турбина

HydroEngineTM на Natel

Турбината HydroEngineTM работи чрез прехвърляне на енергия от падащата вода върху серия от хоризонтални лопатки към задвижващата система, която се върти около горния и долния вал [10]. Към един от валовете се куплира генератор /сн.9.7/.

Alternative: Logo

Сн. 9.7 Двустепенна импулсна турбина

http://www.natelenergy.com/ - клип за работата на двустепенната водна турбина HydroEngineTM (англ.)

HydroEngineTM на Natel е единствената по рода си технология за двустепенна импулсна турбина, предназначена специално за падове между 0.5 и 6m. Турбините HydroEngineTM са налични в пет типоразмера и могат да бъдат инсталирани в построените водни пътища и канали, както на естествени потоци и реки. Малките и средните турбини могат лесно да бъдат адаптирани към съществуващите язовири и бентове, генерирайки между 50 и 500kW мощност.

МВЕЦ , използващи гравитационен воден вихър

При тези МВЕЦ преобразуването на потенциалната енергия на водата в кинетична енергия се реализира чрез гравитационен воден вихър [7] /завъртане, фиг.9.10, сн.9.8/.

Фиг.9.10 Принципна схема на воден вихър

За целта се използва специално построен бетонен резервоар, в който водата се завихря. Кинетичната енергия на въртящата се вода върти турбина на Zotlоеterer , която е куплирана с генератор, който преобразува механичната енергия на водата в електрическа/сн.9.8/. Водата излиза под турбината през отвор на резервоара и се връща в реката. Така водата може да се използва и на други подходящи места на реката. Ако цялата вода на реката минава през турбината, се прави плитък обходен канал за преминаване на рибата.

Сн. 9.8 Турбина , задвижвана от гравитационен воден вихър

Накрая разбира се трябва да се спомене и старото и изпитано водно колело, което от древността преобразува водната енергия в механична. На фиг.9.11 са показани водни колела с две възможни подавания на водата - горно и долно.

Фиг.9.11 Схема на водни колела с горно и долно обтичане

5. Кавитация при водните турбини и избягване на явлението

При протичане на вода в реактивните турбини на определени места в работното колело скоростите й се увеличават. Това означава понижаване на налягането на водата на споменатите места и възможност за парообразуване - започва студено кипене на водата. При налягане 1atm водата кипи при 100°С, но при налягане от 0,00146 atm водата кипи при стайна температура от 20°С. Явлението, при което се получава кипене на течности при понижено налягане, вследствие ускорение на потока и образуване на обеми (мехури) с пари на течността (водата) се нарича кавитация. Когато тези мехури, носени от водния поток попаднат в зона с по-високо налягане те се запълват и енергично с вода. Получава се повишено налягане стотици, дори хиляди пъти по-голямо от атмосферното, т.е. получава се хидравличен удар на водните частици върху метала. Вследствие на това повърхността на метала силно се разяжда, получава се гъбеста структура и започва да се разрушава /фиг.9.12,сн.9.9/ [4].

Фиг. 9.12 Процес на образуване на кавитация

Сн.9.9 .Снимка на кавитация

Кавитацията се придружава обикновено с голям шум от удари, вибрации и повишаване на температурата, при което мощността на турбината рязко намалява поради намаляване на ефективността и пропускателната й способност.

Освен механично разрушаване кавитацията има и химично въздействие. Това въздействие се обяснява с отделяне на кислород от въздуха във водата, който в условията на бързо и рязко изменение на налягането и температурата има висока химична активност.

Отстраняването или намаляването на кавитацията може да стане чрез повишаване на налягането в зоната на кавитация. Това обикновено се реализира по два начина: с вкарване на въздух или, чрез намаляване на смукателната височина, като се повишава нивото на водата в долния канал.

При всички случаи турбината трябва да тритежава противокавиционни качества.

Основни понятия

Малки водни електрически централи, водни турбини, геодезичен пад, деривация, Пелтон турбина, Францис турбина, Каплан турбина, двукратна турбина, двустепенна импулсна турбина, пропелерна DIVE турбина, турбини на гравитационен напор, енергия и мощност на водния поток, кавитация

Литература

  1. Иновативни концепции за малки ВЕЦ, сп.Енергия, бр.6, 2012
  2. Любенов С., Хидроенергийни системи, Техника, 1990
  3. Малки водно-електрически централи, Енергия - списание за оборудване, технологии и инженеринг, бр.3, септ. 2010.
  4. Обретенов В.С., Ц.Цалов, Двукратни турбини за малки ВЕ, Енерджи ребю, бр.4, 2011
  5. Патоков И., Водно строителство, Техника, 1977.
  6. Пенчев К, Д.Динев, Р. Георгиев, Н. Делчев и др., 2006, Възобновяеми енергийни източници в земеделието (Международен проект PROAERE по програма „Леонардо да Винчи”
  7. http://www.youtube.com/watch?v=3J87lzqMEnI - клип.гравитац. вихър/немски/
  8. http://www.lucidenergy.com/wp-content/uploads/2011/11/FAQ_Riverside_Oct2012.pdf адрес на гравит.водопроводи а
  9. www.dive-turbine.de
  10. http://www.lucidenergy.com/wp-content/uploads/2012/10/ProductInfo_Oct2012.pdf
  11. http://www.natelenergy.com/
  12. You Tube 3 Virtual Turbines - Pelton, Francis, Kaplan
  13. (Francis Turbine /3D-Animation/) клип за трите турбини/англ/
  14. http://www.natelenergy.com/ -клип за работа на двустеп. турбина/англ/