Реконструкция Шершневской малой ГЭС с выбором гидромеханического оборудования

 

1 – плотина; 2 – подводящий деривационный канал; 3 – напорный бассейн; 4 – холостой водосброс; 5 – здание ГЭС; 6 – отводящий деривационный канал;       7 – турбинный водовод; 8 – водохранилище.

Рисунок 17 – Гидроузел с безнапорной деривацией

 

На ГЭС малой мощности с безнапорной деривацией вода транспортируется по безнапорному водопроводящему тракту, обычно по открытым каналам или лоткам (рисунок 12). Безнапорная деривация применяется в тех случаях, когда отметки рельефа местности на прилегающей территории близки к отметкам уровня верхнего бьефа (УВБ), а колебания УВБ незначительные. Каналы в подводящей деривации используются при слабо пересеченной местности и достаточной устойчивости склонов речной долины.

 

1 – русло реки; 2 – плотина; 3 – водоприемник; 4 – деривационный тоннель; 5 – уравнительный резервуар; 6 – помещение развилки водоводов; 7 – турбинные водоводы; 8 – опора водоводов; 9 – здание ГЭС; 10 – линия электропередачи;           11 – отводящий канал.

Рисунок 18 – Гидроузел с напорной деривацией

 

Протяженность безнапорной деривации в основном определяется топографическими и экономическими условиями и может достигать нескольких километров.

При строительстве деривационных ГЭС малой мощности на горных реках сильно пересеченной местности и сложным рельефом используют напорные трубопроводы и гораздо реже напорные туннели. Напорные трубопроводы укладываются по поверхности земли или выполняются засыпными, а туннели - в толще горного массива.

Напорные деривационные водоводы располагаются на пониженных, по отношению к верхнему бьефу, отметках, при этом гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения деривации выше атмосферного. Из-за заглубления водоприемника напорной деривации под минимальный уровень верхнего бьефа становится необходимо увеличение высоты плотины в реке. Это позволяет увеличить полезную емкость водохранилища и глубину сработки, то есть стабилизировать режим работы ГЭС.

В конце длинной напорной деривации устанавливается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС. После уравнительного резервуара напорная деривация переходит в турбинные водоводы.

Комбинированная схема (плотинно-деривационная) по принципам создания напора использует выгодные свойства обеих предыдущих схем, т.е. может быть создано значительное по объему водохранилище и использовано падение реки ниже плотины.

В схемах с высокими плотинами водоприемник устраивается глубинный, а сама деривация напорной. В зависимости от типа плотины применяется соответствующий тип водосбросного сооружения гидроузла и выбирается место расположения водоприемника. Компоновка сооружения с высокой плотиной аналогична компоновке гидроузлов с приплетенной ГЭС.

На низконапорных гидроузлах неэнергетического назначения с железобетонной водосливной плотиной возможно размещение различных типов плавучих микро и мини  ГЭС. Один из вариантов представлен на рисунке 19. ГЭС состоит из двух понтонов, установленных в верхнем и нижнем бьефах. На понтоне в верхнем бьефе размещается водозаборное сооружение, гидроагрегат установлен на понтоне в нижнем бьефе. Водоприемник соединен с агрегатом напорным трубопроводом с сифоном.

В настоящее время, различными отечественными и зарубежными фирмами разработан новый тип мини и микро ГЭС, не требующий возведения стационарного здания ГЭС. Эти ГЭС устанавливаются на существующих водохранилищах, каналах, и системах водоснабжения. Как правило, они работают на изолированную нагрузку, хотя могут быть подключены к энергосистеме. Наиболее надежными в работе и экономичными являются микро ГЭС с сифонным и подводом или отводом воды (рисунок 16). Они могут быть установлены на низконапорных гидроузлах в пролете водосливной плотины или же глухой плотины. Данная схема позволяет свести к минимуму необходимые строительные и монтажные работы. Конструкция гидроагрегата упрощена до предела. Такой гидроагрегат не требует применения затвора или направляющего аппарата для обеспечения его пуска-остановки. Пуск осуществляется заполнением сифона с помощью вакуум-насоса или при включении асинхронного генератора в двигательном режиме. Остановка турбины обеспечивается простым срывом вакуума в верхней части сифона. Автоматический впуск воздуха для срыва вакуума производится соленоидным клапаном установленным в верхней части помпы и срабатывающим при отключении напряжения.

  

 

1 – существующая  плотина; 2 – понтон с водозаборным сооружением в верхнем бьефе; 3 – сифонный трубопровод: 4 – понтон в нижнем бьефе с установленным гидроагрегатом.

Рисунок 19 – Схема плавучей гидроэлектростанции на понтонах

 

                     а)                                                                       б)

 

а – сифонный подвод воды; б – сифонный отвод воды; 1 – глухая плотина;    2 – водозабор; 3 – трубопровод; 4 – микро-турбина; 5 – генератор; 6 – водовыпуск;      7 – клапан срыва вакуума.

Рисунок 20 – Варианты размещения сифонных микро ГЭС

 

Блочные мини и микро  ГЭС, чаще всего используемые в схеме, наиболее рациональны при строительстве и эксплуатации. Создание унифицированного оборудования и типового здания ГЭС позволяет использовать такие системы, как на естественных водотоках, так и на перепадах каналов с малыми напорами.

Наиболее простые и технологичные мини и микро ГЭС - это мобильные или переносные гидроэнергетические установки. Они, как правило, используются для энергоснабжения автономных потребителей. К таким установкам относятся микро ГЭС рукавного типа, микро ГЭС "ИНСЭТ" при существующем напорном фронте, малые ГЭС на водотоке  и установки со свободнопоточными турбинами.

МикроГЭС рукавного типа эффективны для использования энергии воды предгорных и горных рек со значительными уклонами дна реки и большими скоростями потока. Напор на таких ГЭС создается за счёт прокладки напорного рукава вдоль русла реки (рисунок 20,а). Когда река имеет излучину, то может быть использована деривационная схема создания напора на спрямлении русла реки (рисунок 20,б). Рукавные ГЭС - просты в установке и не требуют сооружения плотины и здания ГЭС. Их можно транспортировать с одного места на другое, монтировать за несколько часов и с малыми трудозатратами

 

а)

          

 

б)

 

а – схема деривации на вдоль русла реки; б – схема деривации на спрямлении русла реки.

Рисунок 21 – Рукавная ГЭС

 

Фирмой «МНТО ИНСЭТ» выпускаются микро ГЭС широкого диапазона расходов и напоров. В комплект поставки входят энергоблок, водозаборное устройство и устройство автоматического регулирования. На рисунке 22 дана схема установки микро ГЭС «ИНСЭТ» при существующем напорном фронте.

 

 

Рисунок 22 – Схема установки микро ГЭС

 

Малые ГЭС на водотоке можно рассмотреть на примере  МГЭС в Мурманской области, поселок Дровяное (рисунок 19). Располагаемая мощность МГЭС, при статическом напоре (Н) водотока 45 метров и расходе воды (Q) 0,4 – 1,4 м/с будет составлять от 112 до 950 кВт (в период малой воды и половодья, соответственно) При максимальном расходе воды (в половодье) МГЭС может развить мощность, около 800 – 900 кВт.[22]

 

1 – русло ручья-водотока; 2 – водонакопитель; 3 – решетка, задерживающая мусор; 4 – стенка водонакопителя, снабженная рыбопроходным устройством;         5 – запорная задвижка; 6 – водовод; 7 – гидротурбина; 8 – нижний бьеф водотока; 9 – сливной коллектор; 10 – электрогенератор; 11 – щит автоматики управления; 12 – опора водовода.

Рисунок 23– Схема размещения малой ГЭС на водотоке

(Мурманская область, поселок Дровяное):

 

Микро-ГЭС со свободнопоточными гидротурбинами использует только скоростной напор течения воды, что исключает необходимость возведения специальных гидротехнических сооружений.

 

5.1 Новые технологии в строительстве малых ГЭС

 

На существующих водохранилищах, прудах и других водоемах, созданных в различное время в целях мелиорации земель, водозаборов, рыболоводства и других целях, имеются санитарные водопропускные устройства - трубопроводы с задвижками, к которым целесообразно подключить малые ГЭС различной мощности в зависимости от напора и расхода воды. Эти малые ГЭС можно подключить к существующим энергосистемам для параллельной работы в целях энергосбережения. В Башкортостане ООО «Энерготехсервис» по заказу ОАО «Башкирэнерго» смонтированы и введены в эксплуатацию малые ГЭС на реках у населенных пунктов Слак, Большеустьикинское, Хворостянское, Авзян и др. Планируется изготовить, смонтировать и ввести в эксплуатацию малые ГЭС на реках Сакмара, Бирь и др. [45].

ООО «Энерготехсервис» изготавливает и поставляет автоматизированные блочно-модульные малые ГЭС (БММГ) без обслуживающего персонала (рисунок 20), с гидротурбинами ПР-15-Г-60 (ПР20/1-Г-51) и ПР-20-Г-60, изготавливаемые ООО «Энергоремонт» ОАО «Башкирэнерго». С учетом пожеланий заказчика возможно изготовление БММГ с различным конструктивным исполнением (например полностью или частично герметичного исполнения, с боковым отводом отработанной воды и т. д.). Возможно также изготовление нескольких блоков или

одного блока с несколькими гидротурбинами [45].

 

Рисунок 24 – Блочно-модульная малая ГЭС

 

БММГ изготавливается в заводских условиях, транспортируется обычным автотранспортом, железнодорожным или речным транспортом, монтируется обычным автокраном соответствующей грузоподъемности на заранее подготовленную площадку или свайное поле с проложенными трубопроводами, кабелями и наружным контуром заземления в соответствии с проектом. Предусмотрена возможность работы БММГ параллельно с энергосистемой. Основные технические характеристики БММГ приведены в таблице 14 [45].

 

Таблица 14 – Технические характеристики БММГ

Наименование	Величина
1. Мощность, кВт	45 – 400
2. Напряжение, В	380/220 или 660/680
3. Диаметр входящего трубопровода, мм	600 или 1000
4. Масса, т	8 – 16
5. Минимальные габаритные размеры:     длина, м     ширина, м     высота, м	6,5 или 9 3,5 или 3,9 4

 

Таким образом, имеется значительное многообразие возможных схем сооружения малых ГЭС. Выбор оптимальной схемы требует соответствующего технического и экономического обоснования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Оборудование для малой гидроэнергетики

 

К основному технологическому оборудованию МГЭС отнесены: гидротурбина с органами управления, генератор с системой возбуждения, повышающий трансформатор, ячейку высоковольтного выключателя; оборудование, которое обеспечивает технологический процесс преобразования гидравлической энергии в электрическую и выдачу её потребителю.

Разработкой и поставкой оборудования для малой гидроэнергетики занимаются многие предприятия в нашей стране, а так же и зарубежные. Ниже приводятся некоторые из таких предприятий:

ЗАО «МНТО ИНСЭТ» производит для агрегатов малых ГЭС осевые, радиально-осевые, пропеллерные, диагональные и ковшовые гидротурбины [22].

При энергоснабжении потребителей N = 1…10 МВт от МГЭС (при Н = 3,5-150 м) рассматриваются гидроагрегаты с радиально-осевыми и пропеллерными турбинами для МГЭС, область их применения представлена на рисунке 25.

Радиально-осевые гидротурбины выполнены с металлической спиральной камерой. Компоновка гидроагрегатов на ГЭС предусматривает горизонтальное расположение ротора гидротурбины. Стоимость 1 кВт установленной мощности ориентировочно составляет 16000 руб. для агрегатов мощностью от 100 до 3000 кВт [22].

Пропеллерные гидротурбины комплектуются синхронными генераторами, асинхронными двигателями в качестве генераторов, а также системами автоматического управления. При необходимости для согласования частоты вращения ротора гидротурбины и ротора генератора гидроагрегаты комплектуются мультипликатором, а для защиты гидроагрегата от разгона - гидротормозом. Основные технические и массовые характеристики, комплектность поставки гидроагрегатов ЗАО «МНТО ИНСЭТ» с радиально-осевыми и пропеллерными турбинами для МГЭС представлены в таблицах 26 - 18 и на рисунках 26-27 [22].

 

   

 

 

Рисунок 25 – Область применения гидроагрегатов ЗАО “МНТО ИНСЭТ”

 

Таблица 15 – Основные технические характеристики гидроагрегатов ЗАО “МНТО ИНСЭТ” с радиально-осевыми турбинами для МГЭС

Параметры	Тип радиально-осевого гидроагрегата
	ГА-2	ГА-4	ГА-9	ГА-11
Мощность, кВт	1000	750	500-3000	550-5300
Напор, м	30-100	25-60	80-120	100-160
Расход, м3/с	0,4-1,2	0,4-1,4	1,0-3,0	0,8-4
Частота вращения ротора, мин-1	1000	750	1000	1000
Номинальное напряжение, В	6000	6000	6000	6000
Номинальная частота, Гц	50±2,5	50±2,6	50±2,7	50±2,8