ДЕРИВАЦИОННАЯ СКВАЖИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2011 года по МПК E02B9/00 F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при строительстве деривационных гидроэлектростанций преимущественно в гористых местностях.

Известна бесплотинная гидроэлектростанция (патент на изобретение РФ RU2173745 по заявке №98123023/13 от 18.12.1009, М.кл. Е02В 9/00; F03B 13/00. Опубл.20.09.2001), включающая деривационный канал, выполненный с уклоном дна, меньшим уклона дна реки в месте установки гидроэлектростанции, активную турбину, по ободу рабочего колеса которой жестко закреплены лопатки в виде ковшей, генератор и механизм редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора. В механизме редуцирования установлен механизм торможения вала генератора в виде управляемой гидродинамической муфты. В изобретении обеспечиваются вращение рабочего колеса турбины с постоянным крутящим моментом на его оси вне зависимости от нагрузки на роторе генератора и, как следствие, постоянство вращения вала генератора независимо от электрических нагрузок в его сети. Недостаток известной бесплотинной деривационной гидроэлектростанции заключается в том, что условия его применения ограничены. Она может использоваться в условиях, когда уклон дна реки i_реки больше уклона деривационного канала i_дер.к (i_реки>1_дер.к). Деривационный канал гидроэлектростанции является поверхностным и выполняется, как правило, с использованием лотков, часто открытых. Таким образом, недостаток бесплотинной гидроэлектростанции заключается в том, что эксплуатация ее в условиях резко континентального климата в зимнее время может сопровождаться возникновением проблем, связанных с низкими (отрицательными) температурами окружающего воздуха и возможным перемерзанием водотоков в лотках.

Известна скважинная гидроэлектростанция (патент на изобретение РФ RU 2373431 по заявке №2007139652/06 от 25.10.2007, М.кл. F03G 7/04; F03B 13/00. Опубл. 20.11.2009 г., бюл. №32), включающая источник воды, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью, установленную в нижней части водовода гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, электрическую линию связи электрогенератора с дневной поверхностью у устья скважины, водовод образован буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, водоводы снабжены устройствами регулирования расхода воды, например регуляторами-задвижками. Устройства регулирования расхода установлены в скважине в канале ее сообщения с (водоносной) водоносными зонами и выполнены с возможностью дистанционного управления ими с дневной поверхности, гидротурбина и электрогенератор агрегатированы и составляют скважинный гидроагрегат, снабженный фиксатором. Скважинный гидроагрегат и электрическая линия связи электрогенератора с дневной поверхностью выполнены приспособленными для эксплуатации их в скважинных условиях, а их эксплуатация является совмещаемой с техникой и технологией бурения скважин. Скважина или отдельные ее интервалы пробурена либо вертикальной, либо наклонной или направленной, а зоной стока являются сообщенные с ней поглощающий интервал природного или искусственного происхождения, а в горных условиях - пересечение скважины с поверхностью горного рельефа.

Поскольку водоводом в ней является скважина, стенки которой имеют положительную температуру, она свободна от недостатка, характерного для рассмотренной выше бесплотинной деривационной гидроэлектростанции. Однако в ней источник и сток воды являются разнородными, например, источником воды является одна (выше расположенная) подземная водоносная зона, а стоком - другая (ниже расположенная) подземная зона поглощения. Такая ситуация может привести к нарушению естественного природного водного баланса, а также сформировавшегося экологического равновесия. Она не является деривационной, предусматривающей формирование напора между двумя сечениями одной реки, расположенными на разных высотных положениях, за счет искусственно созданного канала с другим уклоном, соединяющего реку в этих сечениях.

Наиболее близкой к заявляемой и принятой за прототип является деривационная гидроэлектростанция с напорной деривацией и туннельным водоводом (Н.Н.Аршеневский, Ф.Ф.Губин, В.Я.Карелин и др. Гидроэлектростанции: Учебник для ВУЗ^ов, под ред. Ф.Ф.Губина и В.Я.Карелина. - 2^е изд., перераб. - М., Энергия, 1980. - 368 с., илл., стр.36-37), которая относится к деривационной схеме ГЭС. (Такая схема позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла реки по искусственного водоводу. Благодаря этому уровень воды в реке в конце водовода оказывается выше уровня в реке. Этой разностью уровней и создается напор ГЭС. В зависимости от типа деривационного водовода различают ГЭС с безнапорной и с напорной деривацией. В деривационных ГЭС соблюдается водный баланс реки, они практически не вносят экологических проблем в естественное существование реки.) Она свободна от недостатков, характерных для указанной выше бесплотинной гидроэлектростанции при эксплуатации ее в условиях низких температур окружающего воздуха. Здание такой ГЭС, в котором установлены гидроагрегаты, может быть либо поверхностным, либо подземным. В последнем случае здание ГЭС сообщено с водозабором (водоприемником) туннельным подводящим водоводом, а с рекой в нижнем ее течении - отводящим туннельным водоводом. Она включает водоем, например реку, водозабор, посредством которого она сообщена в верхнем своем течении с верхним концом подводящего туннельного напорного водовода, нижняя часть которого соединена с гидроагрегатом, выход которого сообщен с отводящим водоводом либо с отводящим туннельным водоводом, нижний конец которого - с зоной стока, например с рекой в нижнем ее течении, а гидроагрегат содержит установленную в водоводе гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, выход которого соединен с электропреобразователем, к которому подключен электропотребитель. В деривационной гидроэлектростанция с напорной деривацией и туннельным водоводом, принятой в качестве прототипа, туннельный водовод представляет собой горную выработку, направленно выполненную в массиве горных пород, при этом наблюдается неравенство i_реки<i_дер.к. Напорный деривационный туннельный водовод, расположенный в массиве горных пород с положительной температурой, не подвержен воздействию отрицательных температур окружающих его пород, а при его эксплуатации не возникает проблем с возможным его перемерзанием.

Недостаток деривационной электростанции, принятой за прототип, заключается а) в сложности сооружения напорного деривационного туннельного водовода; б) в том, что ограничены предельные глубины таких водоводов. Недостаток по п.а) объясняется тем, что горная выработка, посредством которой сооружается подземный напорный деривационный туннельный водовод, является сложным (там же, стр.259) в реализации сооружением (например, наименьший размер напорного туннеля составляет 2,1·1,9 м; там же, стр.268). Кроме сравнительно большого сечения, в процессе сооружения подземного напорного туннеля должны быть выполнены: цементация пород, прилегающих к поверхности горной выработки, комплекс работ по защите туннеля от воздействия грунтовых вод, а также приданию его поверхности состояния минимальной шероховатости (для минимизации гидросопротивлений движущемуся по нему потоку воды). Проходка напорного туннеля является высокозатратной. Относительно недостатка по п.б) - предельная глубина ограничивается технической возможностью (при существующем уровне развития техники и технологии проходки вертикальных горных выработок, несомненно, что при этом принимается во внимание и экономическая целесообразность сооружения таких проходок) проходки горных выработок, и, как показывает известный опыт, наибольшие глубины напорных деривационных туннельных водоводов ГЭС составляют до 1700-2000 м, так, самыми высокими напорными являются: ГЭС Раиссек в Австрии, напор 1767 м и ГЭС на р. Богота в Колумбии, напор 2000 м (там же, стр.35). При малых глубинах действуют малые напоры потока в водоводе, и, как следствие, при прочих равных условиях (например, при равенстве расходов потока) гидравлические (и электрические) мощности потока (и станции) не велики, не высоки и технико-экономические характеристики гидроэлектростанции и показатели ее работы.

Технической задачей изобретения является создание деривационной скважинной гидроэлектростанции в сооружении, менее сложной и с большими реально достижимыми глубинами напорного деривационного туннельного водовода, чем деривационная гидроэлектростанция по прототипу.

Достигается поставленная техническая задача тем, что в известной гидроэлектростанции, включающей водоем, например реку, водозабор, посредством которого она сообщена в верхнем своем течении с верхним концом подводящего туннельного напорного водовода, нижняя часть которого соединена с гидроагрегатом, выход которого сообщен с отводящим водоводом либо с отводящим туннельным водоводом, нижний конец которого - с зоной стока, например с рекой в нижнем ее течении, а гидроагрегат содержит установленную в водоводе гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, выход которого соединен с электропреобразователем, к которому подключен электропотребитель, в ней подводящим туннельным напорным водоводом является направленно пробуренная скважина, а отводящим водоводом - либо направленно пробуренная скважина, либо канал.

В деривационной скважинной гидроэлектростанции:

а) направленно пробуренная скважина может быть многоствольной;

б) отдельными интервалами выположенного профиля направленно пробуренной скважины, мнимо расположенными на дневной поверхности, могут быть трубы;

в) гидротурбина и кинематически соединенный с ней электрогенератор могут быть установлены и на участке выположенного профиля скважины;

г) гидравлической машиной может быть поршневая машина;

д) со стороны устья скважины и через него дополнительно (либо только в ней) может быть установлен скважинный гидроагрегат, соединенный с нижней частью спущенной в скважину колонны труб с встроенным в нее электрокабелем; корпуса гидротурбины и электрогенератора выполнены с возможностью фиксирования и обеспечения восприятия реактивного момента опорным элементом, которым является, например, жестко закрепленная на устье скважины колонна труб, причем гидротурбиной является турбобур и электрогенератором - электробур в режиме электрогенератора; интервал скважины, в котором установлен скважинный гидроагрегат, вертикальный; нижним и верхним концами электрокабеля, встроенного в бурильную колонну, соединены соответственно электрогенератор и электропреобразователь; при этом окрестности размещения территориально разобщенных электропотребителей у устья скважины (выход скважинного гидроагрегата) и у зоны стока (выход поверхностного гидроагрегата) со своими электросетями являются центрами электропитания;

е) в условиях единого горного рельефа может быть создана сеть деривационных скважинных гидроэлектростанций, в каждой из которых может быть пробурено несколько попарно связывающих водозабор и водосток одной реки направленных скважин, так что они не имеют сообщений;

ж) водоемом может являться и (или) расположенная в верхней части горного рельефа емкость подземного гидроаккумулирования, сообщенная с земной поверхностью водосборными скважинами; для гидроаккумулирования используются подземные или поверхностные воды, в том числе образующаяся в паводковые периоды, либо в периоды таяния горных ледников; а зоной стока воды - расположенный в нижней части горного рельефа природный водоем, например река, или озеро, или подземная водоносная зона;

з) в отводящем водоводе может быть установлен гидродинамический теплогенератор, например вихревой теплогенератор дискового типа, ротор которого соединен с ротором гидротурбины, установленной в отводящем водоводе, выход вихревого теплогенератора дискового типа может быть соединен с сетью системы отопления и горячего водоснабжения с возможностью переключения его выхода к потребителю горячей воды или (и) к теплогидроаккумулятору;

и) ее отводящий водовод может быть соединен с сетью водоснабжения, хозяйственно-питьевого или технического, либо с гидроприводом потребителя воды под давлением как энергоресурса;

к) к выходу электропреобразователя может быть подключен компрессор, ресивер которого соединен с аккумулятором сжатого воздуха как энергоресурса, а аккумулятором сжатого воздуха является подземная водонасыщенная зона;

л) в условиях горного рельефа она дополнительно может включать инженерно-коммуникационную скважину (скважины), направленно или наклонно пробуренную (пробуренные) от устья электропреоразователя до центра (центров) питания, расположенного(ных), например, около электропотребителя, в которой установлены силовой, а при необходимости и контрольный кабели.

Именно, сформулированные в изобретении признаки позволяют достичь поставленную техническую задачу - создать деривационную скважинную гидроэлектростанцию (далее ДС ГЭС), в сооружении менее сложную и с большими реально достижимыми глубинами напорного деривационного туннельного водовода и обладающую большей мощностью и более высокой энергоэффективностью, чем деривационная гидроэлектростанция по прототипу. В частности, меньшие сложность и затратность сооружения подводящего туннельного напорного и отводящего водовода в виде направленно пробуренной скважины объясняются меньшей трудоемкостью и, как следствие, меньшей затратностью бурения, в том числе направленного, в сравнении с проходкой горной выработки (по прототипу). Это объясняется следующим. Благодаря существующим техническим средствам и отработанной технологии, в том числе направленного бурения (Нескоромных В.В., Калинин А.Г. Направленное бурение: Учебное пособие Под общей редакцией д.т.н., профессора А.Г.Калинина. - М: Изд. ЦентрЛитНефтегаз. - 2008. - 384 с. ISBN №978-5-902665-14-4), сооружение напорного деривационного туннельного водовода в виде буровой скважины более технологично и характеризуется кратно большими скоростями бурения (сооружения), в том числе выполнение работ по цементированию (тампонированию) околоскважинного пространства и для ее гидроизоляции от подземных вод и формированию поверхности стенок скважины породоразрушающим наконечником при бурении (например, алмазным) с меньшей шероховатостью. Достигнутые в настоящее время скорости бурения вертикальных и направленных скважин составляют 100 м в сутки и более. Несмотря на то что диаметр бурения, как правило, не превышает 490 мм, во многих случаях этого достаточно для создания ГЭС с мощностью, требуемой для покрытия нагрузок потребителя (горных селений). При необходимости создания больших мощностей в заявляемой ДС ГЭС возможно сооружение параллельной буровой скважины. Не трудно полагать, что с меньшей трудоемкостью сооружения буровой скважины связана и меньшая затратность на ее сооружение, уровень которой является кратно меньшим. При этом достижение а) больших реально достижимых глубин напорного деривационного туннельного водовода, б) большей мощности и более высокой энергоэффективности заявляемой ДС ГЭС объясняются а) достигнутыми глубинами бурения разведочных и эксплуатационных скважин, которые составляют 7000 м и более. Поскольку гидравлическая мощность потока в скважине определяется произведением расхода потока воды на напор (давление), а напор - уровнем воды в скважине, нетрудно видеть, что при прочих равных условиях чем выше уровень воды в скважине (больше глубина заполненной скважины), тем б) большая мощность ДС ГЭС и ее энергоэффективность. Показателем энергоэффективности ГЭС может быть такой удельный показатель, как расход воды на выработку единицы электрической энергии. Несомненно, что с увеличением напора удельный показатель ГЭС уменьшается (ее энергоэффективность увеличивается - улучшается). Если соотносить показатель энергоэффективности ДС ГЭС, используя в качестве энергетического эквивалента известную теплотворную способность топлива, то можно видеть, что такое соотношение (из технической литературы) имеет следующий вид: в ДС ГЭС с напором 3000 м энергия, вырабатываемая прохождением через турбину 1 м³ воды, эквивалентна теплу, выделяющемуся при сжигании органического топлива (дизельное топливо) в объеме 0,1 м³, то есть 1 м³ воды эквивалентен 0,1 м³ дизельного топлива (1 м³ воды - 0,1 м³ дизельного топлива); в ДС ГЭС с напором 6000 м энергия, вырабатываемая прохождением через турбину 1 м³ воды, эквивалентна теплу, выделяющемуся при сжигании органического топлива (дизельное топливо) в объеме 0,2 м³, то есть 1 м³ воды эквивалентен 0,2 м³ дизельного топлива (1 м³ воды - 0,2 м³ дизельного топлива).

Примером заявляемой ДС ГЭС в гористой местности может быть решение, в котором река, огибая горное образование, спускаясь по его противоположным склонам, делает на местности петлю - излучину (протяженность ее может составлять несколько километров и даже несколько десятков километров), так что при нарастающей разности высотного положения расстояние между речными водотоками по разным склонам горного образования (излучине, а также при речном меандрировании) не велико. При этом положение траектории направленно пробуренной скважины ДС ГЭС, соединяющей речные водотоки на противоположных склонах горного образования, позволяющее получить желаемую наибольшую мощность станции при минимальных финансовых затратах на сооружение водовода, является наиболее приемлемым.

Ниже приведены признаки обозначенных выше п.а) - п.л) дополнительных пунктов изобретения, которые направлены на детализацию реализации следующих показателей назначения ДС ГЭС и условий ее эксплуатации (более широких).

а) Направленно пробуренная скважина может быть многоствольной.

В горных условиях электропотребители, например населенные пункты (села), как правило, располагаются рассредоточенно (по высоте и в плане) на склонах горы. Сооружение многоствольной скважины ДС ГЭС, имеющей основной ствол (вертикальный) и отходящие от него направленные, пробуренные от него до пересечения с дневной поверхностью в зоне расположения конкретных потребителей электрической энергии, позволяет при минимальных затратах (так как сооружается один основной ствол скважины, его диаметр может быть больше диаметров отходящих от него направленных стволов) сформировать высокий напор, создать гидравлическую мощность водного потока и преобразовать ее в электрическую энергию непосредственно у каждого электропотребителя - горного населенного пункта (села) без возведения для этого плотин и не изменяя естественного природного горного поверхностного ландшафта. При этом отпадает необходимость сооружения магистральных электрических линий для передачи электроэнергии при ее производстве на удаленной от потребителя одной крупной ГЭС (традиционно распространенная схема в настоящее время). Кроме того, при определенных условиях от направленно пробуренной скважины за счет напора воды в ней он (напор) может быть использован для осуществления напорного водоснабжения горного поселка.

б) Отдельными интервалами выположенного профиля направленно пробуренной скважины, мнимо расположенными на дневной поверхности, могут быть трубы.

Направленно пробуренная скважина, как правило, имеет профиль, повторяющий профиль горного рельефа (рациональный), выполаживающийся у подножия. При этом на выположенном интервале профиль (рациональный) скважины может пересекать образования, имеющие перепады высотного положения (распадки, овраги, холмы и др.), а расположенные в таких образованиях на дневной поверхности интервалы профиля (рационального) скважины являются мнимыми участками профиля. Исходя из экономических соображений, для обеспечения максимального напора в указанном (рациональном) профиле скважины интервалы мнимого профиля (расположенные на дневной поверхности) целесообразно соорудить из труб.

в) Гидротурбина и кинематически соединенный с ней электрогенератор могут быть установлены и на участке выположенного профиля скважины.

Природное образование в гористой местности может быть ступенчатым с уступом, представленным равниной. Равнинный участок в горных условиях является наиболее привлекательным для проживания и осуществления хозяйственной деятельности, в том числе для туризма и создания рекреационных объектов. На них создаются населенные пункты, промышленные и сельскохозяйственные производства - потребители электрической энергии. Для электроснабжения потребителей в ДС ГЭС (по п.в), кроме гидротурбин с электрогенераторами, устанавливаемыми после последнего напорообразующего горного образования, в таких условиях гидротурбина и кинематически соединенный с ней электрогенератор устанавливается и на участке выположенного профиля скважины. При этом отбираемые доли гидравлической мощности потока отдельными ДС ГЭС (их мощности) должны быть пропорциональными желаемым мощностям соответствующих потребителей.

г) Гидравлической машиной может быть поршневая машина.

Выше отмечено, что глубины напорных туннелей деривационных ГЭС не превышают 1700-2000 м, для напоров, не превышающих создаваемые ими давления (17-20 МПа), разработаны (имеются) и гидротурбины. Для давлений, превышающих давления 17-20 МПа, гидроэнергетические турбины отсутствуют. Имеются поршневые насосы, например буровые, которые создают давления, существенно превышающие 20 МПа. Поэтому их использование (совместно с золотниковым устройством) возможно в качестве горизонтальной поршневой машины двойного действия, в которой отбор мощности производится приводным ремнем (патент РФ №2018707 «Поршневой двигатель», по заявке №4924684 от 04.04.1991 г., М.кл. F03C 1/00; F03B 15/00. Опубл. 30.08.1994 г.). Использование имеющегося, выпускаемого отечественной промышленностью гидравлического поршневого насоса в качестве двигателя, доработанного золотниковым устройством в ДС ГЭС, например двухпоршневого насоса типа НЦ-320, давление нагнетания которого 40,0 МПа, либо насоса типа СИН-31 -НН с давлением нагнетания 70,0 МПа и который используется для гидроразрыва нефтяных пластов (Абабакиров В.Ф., Архангельский В.Л., Буримов Ю.Г. и др. Буровое оборудование: Справочник: в 2^х т.- М.: Недра, 2000. - Б 91 T.1), не требующего создания гидротурбины высокого давления, имеющей возможность сопряжения с электрогенератором при таких давлениях для образования гидроагрегата, позволяет сократить время и затраты на создание турбины для ее использования в заявляемой деривационной скважинной гидроэлектростанции (ввиду очевидности решения графическая интерпретация его не приводится).

д) Со стороны устья скважины и через него дополнительно (либо только в ней) может быть установлен скважинный гидроагрегат, соединенный с нижней частью спущенной в скважину колонны труб с встроенным в нее электрокабелем; корпуса гидротурбины и электрогенератора выполнены с возможностью фиксирования и обеспечения восприятия реактивного момента опорным элементом, которым является, например, жестко закрепленная на устье скважины колонна труб, причем гидротурбиной является турбобур и электрогенератором - электробур в режиме электрогенератора; интервал скважины, в котором установлен скважинный гидроагрегат, вертикальный; нижним и верхним концами электрокабеля, встроенного в бурильную колонну, соединены соответственно электрогенератор и электропреобразователь; при этом окрестности размещения территориально разобщенных электропотребителей у устья скважины (выход скважинного гидроагрегата) и у зоны стока (выход поверхностного гидроагрегата) со своими электросетями являются центрами электропитания.

Решение по п.д) позволяет повысить энергетическую и экономическую эффективность за счет приспособленности применяемых в ней гидротурбины, электрогенератора - скважинного гидроагрегата и электрокабеля от электрогенератора до дневной поверхности для работы в скважинных условиях. Их приспособленность объясняется тем, что гидротурбина и электрогенератор (выполнен маслонаполненным) являются оборудованием техники бурения, соответственно, турбобур и электробур, способный работать как в качестве электродвигателя, так и в качестве электрогенератора, ротор и якорь которых соединены. В качестве электрокабеля использован электрокабель, применяемый в скважинах при электробурении. Приспособленность гидроагрегата и электрокабеля в заявляемой ДС ГЭС позволяет эксплуатировать ее в глубоких скважинах, имеющих свою специфику: малые диаметры скважины (172-490 мм) и большие глубины - до 7000 м (выше отмечалось, что известные гидротурбины деривационных ГЭС разработаны для реально достижимых глубин до 1700-2000 м); высокие гидростатические давления - до 70,0 МПа; загрязненная скважинная вода, которая, в том числе может содержать абразивные включения; повышенные температуры в скважине на значительной глубине. Приспособленность гидроагрегата и электрокабеля для работы в скважинных условиях позволяет увеличить глубины их установки в скважине и при одинаковых расходах увеличить гидравлическую мощность гидротурбины и развиваемую электрическую мощность электрогенератора, соединенного с гидротурбиной. При этом достигается повышение энергетической [см. выше - уменьшение (улучшение) удельного показателя расхода воды на вырабатываемую электроэнергию] и экономической эффективности заявляемой ДС ГЭС. Экономическая эффективность заявляемой ДС ГЭС связана с тем, что установка и фиксация скважинного гидроагрегата в ней позволяет это осуществлять без сооружения для этого (в необходимых условиях) подземного здания деривационной ГЭС [уменьшаются затраты, связанные с сооружением (в необходимых условиях) подземного здания ГЭС].

Кроме того, эффективность заявляемой ДС ГЭС повышается и за счет совмещаемости операций по спуску, установке и фиксации в скважине с техническими средствами и технологиями, применяемыми при бурении (в том числе и операций по спуско-подъемам скважинного гидроэнергооборудования при его ремонтах и обслуживании). В частности, спуск скважинного гидроагрегата в скважину осуществляется с использованием буровой лебедки, применяемой при бурении снарядами со съемными керноприемниками (лебедка ССК) либо на бурильных трубах, а электрокабель - с использованием каротажной лебедки. При этом соединение с гидроагрегатом и отсоединение от него, в том числе в скважине, осуществляются с использованием специального наконечника, устанавливаемого на лебедке ССК. Фиксируется корпус скважинного гидроагрегата в скважине за счет, например, механического фиксатора, принцип работы, которого такой же, как принцип работы других скважинных устройств аналогичного назначения. При этом не требуется применения специальных скважинных грузонесущих электроканалов для электросообщения электрогенератора с дневной поверхностью.

В решении по п. д) гидроагрегат может быть установлен либо только в скважине (как указано выше), либо и в скважине, и на дневной поверхности в водоводе после пересечения направленно пробуренной скважины с поверхностью горного рельефа. При этом отбираемые гидроагрегатами мощности должны быть пропорциональны желаемым мощностям соответствующих потребителей, а суммарно они не должны превышать мощности потока в водоводе.

е) В условиях единого горного массива могут быть созданы несколько деривационных скважинных гидроэлектростанций, в каждой из которых может быть пробурено несколько попарно связывающих водозабор и водосток одной реки направленных скважин, так что они не имеют сообщений (ввиду очевидности решения графическая интерпретация его не приводится).

При осуществлении решения по п. е) выбираются попарные водозабор и водосток каждой из ДС ГЭС, исходя из обеспечения требуемой мощности электростанции и исходя из экономических соображений (исходя из очевидности решения графика не приводится).

ж) Водоемом может являться и (или) расположенная в верхней части горного рельефа емкость подземного гидроаккумулирования, сообщенная с земной поверхностью водосборными скважинами; для гидроаккумулирования используются подземные или поверхностные воды, в том числе образующаяся в паводковые периоды, либо в периоды таяния горных ледников; а зоной стока воды - расположенный в нижней части горного рельефа природный водоем, например река, или озеро, или подземная водоносная зона.

Высокая гора с расположенным в верхней ее части водоемом является важным признаком, необходимым для создания ДС ГЭС. Распространенными водоемами при этом являются поверхностные - горные реки, озера. Такие условия имеются не всегда. Решение по п.ж) позволяет расширить номенклатуру используемых в ДС ГЭС водоемов, в частности дополнить ее природными подземными водами (подземные водоносные интервалы), а также образующимися в паводковые периоды либо в периоды таяния горных ледников водами, например, с использованием решения по патенту РФ №2341618 «Способ гидроаккумулирования», заявка №2006137401 от 23.10.2006 г., М.кл. Е02В 9/00, опубл. 20.12.2008 г. Кроме того, для расширения номенклатуры методов формирования водотоков, не противоречащих требованиям «Водного кодекса РФ», п. ж) предложено, чтобы зоной стока воды был расположенный в нижней части горного рельефа природный водоем, например река, или озеро, или подземная водоносная зона.

Использование аккумулированной в подземном интервале воды как водоема у вершины горы в заявляемой ГЭС как деривационной справедливо, исходя из следующих соображений. Деривационная ГЭС (по понятию) предполагает создание параллельного основному потоку воды в реке другого - деривационного с уклоном, отличающимся от уклона основного русла реки. Для достижения большего напора деривационного потока отвод воды из реки в верхнем ее течении желательно делать как можно выше. Однако в горных условиях речной исток маловодный и образование деривационного отвода из него практически не возможно. Но, принимая во внимание природу формирования истока горной реки (питание от таяния горных снежников и ледников) и зоны подземного гидроаккумулирования по п. ж), можно сделать вывод об ее (природы) единстве. Исходя из этого, считаю правомерным решение по п. ж) в заявляемой деривационной скважинной ДС ГЭС как речного водоема.

з) В отводящем водоводе может быть установлен гидродинамический теплогенератор, например вихревой теплогенератор дискового типа, ротор которого соединен с ротором гидротурбины, установленной в отводящем водоводе, выход вихревого теплогенератора дискового типа может быть соединен с сетью системы отопления и горячего водоснабжения с возможностью переключения его выхода к потребителю горячей воды или (и) к теплогидроаккумулятору.

Известен тип гидродинамических теплогенераторов, проходя через которые поток воды нагревается, а для этого поток воды должен иметь параметры (давление и расход) не ниже регламентированных. К ним можно отнести вихревые (статические и динамические - или дисковые) (Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Энергия вращения. Российская академия естественных наук. Молдавский центр «Неосферные технологии», г.Кишинев, 2001 г.), струйные и др.

В заявляемой работающей ДС ГЭС потери напора на гидроагрегате (гидротурбине) или их сумма на гидроагрегатах, включенных в один водовод, может быть меньше, чем напор воды, действующий в водоводе (в направленно пробуренной скважине). При этом поток воды в отводящем водоводе движется с определенным расходом под давлением (под напором). И если параметры потока в отводящем водоводе не ниже достаточных для работы теплогенератора гидродинамического типа, то при его установке в отводящем водотоке на его выходе (теплогенератора) температура воды потока повысится, вплоть до уровня, необходимого для отопления и горячего водоснабжения. Если давление в отводящем водоводе достаточо не только для работы гидродинамического теплогенератора, но и для прокачивания горячей воды по сети системы теплоснабжения, это позволяет осуществлять прокачивание горячей воды по сети системы к потребителям тепла или теплогидроаккумулятору (в том числе подземному), без дополнительных для этого затрат энергии.

Известно, что в горных условиях 50 и более % годового стока образуется в течение 3-4 летних месяцев. Именно этот период целесообразно использовать не только для выработки энергии, но и для ее аккумулирования. Распространенное в гидроэнергетике гидроаккумулирование путем создания водохранилищ в горных условиях зачастую не приемлемо из-за отсутствия подходящих для этого условий, подземное гидроаккумулирование до преобразования - ограничено, целесообразны в таких условиях, по нашему мнению, другие виды аккумулирования, в частности подземное аккумулирование тепловой энергии. Показано (Kabus F.В artels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.70-76), что наиболее эффективно, менее затратно и технически проще реализуемо аккумулирование тепла в горячей воде в подземном водоносном интервале. Причем аккумулированное в летнее время таким образом тепло может быть достаточным для отопления потребителя тепла в течение всего последующего отопительного (зимнего) сезона, при этом тепло для теплоснабжения используется только из теплогидроаккумулятора. Схемы выработки тепла для теплоснабжения в горных условиях, в том числе подземного теплогидроаккумулирования, более подробно приведены в патентах РФ на изобретения: №2291255 «Тепловодоснабжающая скважина», №2329435 «Скважинный теплоисточник», №2371638 «Скважинная система теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием». Решение по п.з) позволяет на заявляемой ДС ГЭС вырабатывать не только электрическую энергию, но вырабатывать и тепловую энергию и направлять (прокачивать) ее по сетям теплоснабжения к теплопотребителям, а также аккумулировать ее в многоводные периоды для последующего использования для теплообеспечения в отопительные, зимние (маловодные) периоды. При этом в качестве водоводов магистральных и распределительных сетей горячего водоснабжения могут быть использованы буровые скважины, при необходимости специально сооруженные с учетом конкретных условий их положения: тампонирование зон поглощений; перекрытие обсадными трубами интервалов неустойчивых, разрушаемых под действием горячей воды и набухаемых пород и др. Кроме того, решение по п.з) позволяет повысить надежность предлагаемой системы теплогенерирования и подземного теплогидроаккумулирования в сравнении с традиционными котельной и трубными тепловыми сетями. Известно (Прохоров В.А., Иванов В.Н., Попова М.В. Проблема обеспечения безопасности системы теплоснабжения населенных пунктов Якутии. Журнал «Безопасность труда в промышленности», №12, 2009 г.), что в холодной время года (декабрь - март) случается наибольшее число аварий (74%), приемущественно за счет выхода из работы котельной и тепловых сетей (64%), а в собственно котельной - котла и насосов (92%). Согласно решению п.з) исключается работа котла при очень низких температурах, он в заявляемой ДС ГЭС отсутствует, а функционирует гидродинамический теплогенератор и используется в том числе горячая вода из подземного теплогидроаккумулятора. Тепловыми сетями являются буровые скважины, имеющие всегда положительную температуру. Давление в системах горячего и холодного водоснабжения создается за счет напора воды (высотного положения водного потока) и не зависит от технического состояния насосов. Эти приемущественные факторы (решение по п.з) заявляемой ДС ГЭС) позволяют повысить надежность заявляемой ДС ГЭС за счет более надежной работы в зимнее время ее систем теплогенерирования, подземного теплогидроаккумулирования, а также горячего и холодного водоснабжения.

и) Ее отводящий водовод может быть соединен с сетью водоснабжения хозяйственно-питьевого или технического либо с гидроприводом потребителя воды под давлением как энергоресурса.

Для реализации такого решения потребляемая гидроагрегатом (гидротурбина кинематически соединенная с электрогенератором) гидравлическая мощность водного потока (падающий на нем напор воды) должна быть меньше гидравлической мощности потока в месте установки гидроагрегата, формируемого напором Н_н и расходом воды. То есть в отводящем водоводе поток воды должен находиться под некоторым давлением, которое должно быть достаточным для осуществления водоснабжения либо для обеспечения работоспособности гидропривода потребителя потока воды под давлением как энергоресурса.

Такое мероприятие является энерго- и ресурсосберегающим и, наряду с выработкой электроэнергии на ДС ГЭС, позволяет: организовать хозяйственно-питьевое или техническое водоснабжение 1) без затрат на это какой-либо энергии; 2) без затрат, связанных с поиском и оборудованием источника воды (традиционно или, как правило, поиски водоисточников выполняются в расположении потребителя, что не всегда экономично). С учетом горно-геологических условий расположения системы водоснабжения (конкретного потребителя воды) ее магистральные водоводы могут быть выполнены в виде скважин, в которых проблемные интервалы (поглощающие, сложенные неустойчивыми или набухающими при контакте с водой породами и др.) могут быть затампонированы либо перекрыты трубами.

к) К выходу электропреобразователя может быть подключен компрессор, ресивер которого соединен с аккумулятором сжатого воздуха как энергоресурса, а аккумулятором сжатого воздуха является подземная водонасыщенная зона.

Решение по п.к) позволит аккумулировать вырабатываемую в многоводные периоды года электрическую энергию путем преобразования ее с использованием компрессора в сжатый воздух как энергоресурс, нагнетаемый в подземный аккумулятор сжатого воздуха, и использовать его (для совершения работы) как энергоресурс в маловодные периоды времени. Следует отметить, что приводом компрессора может быть гидравлический, который подключается непосредственно к напорному потоку воды в водоводе.

Известно, что в горных условиях более 50% годового стока образуется в течение 3-4-летних месяцев. Именно этот период целесообразно использовать не только для выработки энергии, но и для ее аккумулирования. Распространенное в гидроэнергетике гидроаккумулирование путем создания водохранилищ в горных условиях зачастую не приемлемо из-за отсутствия подходящих для этого условий, подземное гидроаккумулирование до преобразования ограничено, целесообразны в таких условиях, по нашему мнению, другие виды аккумулирования, в частности подземное аккумулирование сжатого воздуха путем компремирования его в подземном водонасыщенном интервале. Известно подземное хранение сжатого природного газа в подземных газохранилищах, которыми являются подземные, природные водоносные интервалы (Сидоренко М.В. Подземное хранение газа. М.: Недра, 1965 г.). Для этого газ компрессорами закачивается в подземную водонасыщенную зону. При его потреблении за счет давления его компремирования при закачке в подземное хранилище он подается в газотранспортную сеть. Известно, что при движении газа из подземного хранилища в газотранспортную сеть давление его понижается, а образующаяся при этом (движении газового потока) работа может быть преобразована в энергию, например в электрическую (Лурье М.В. Энергосберегающая технология эксплуатации подземных хранилищ газа. Журнал «Промышленная энергетика», №6, 2001 г., стр.34-36). Предлагаемый п. к) процесс подземного аккумулирования сжатого воздуха аналогичен распространенному и широко применяемому на практике процессу закачивания природного газа в подземное газохранилище, а возможность использования энергии сжатого воздуха для привода пневмомашин - факт общеизвестный, в том числе для выработки электроэнергии. Исходя из отмеченного, можно говорить о практической осуществимости, практической и экономической значимости п. к) заявляемой ДС ГЭС. Можно назвать технологию по п. к) в заявляемой ДС ГЭС гидропневмоаккумулированием. В многоводные периоды года она позволяет излишки электроэнергии аккумулировать путем компремирования воздуха и осуществления его подземного хранения, а в маловодные периоды расходовать его для выработки энергии или для осуществления работы. Объемы природных хранилищ сжатого воздуха могут быть значительными и вмещать сотни млн. м³ воздуха. Кроме природных известно использование искусственных резервуаров для хранения газа. Однако установлено, что подземные (природные) менее опасны и во много раз экономичнее и эффективнее, чем наземные. Удельный расходы на их сооружение многократно меньше, кроме того, подземное аккумулирование сжатого воздуха не требует для этого дополнительных площадей территории предприятия.

л) В условиях горного рельефа она дополнительно может включать инженерно-коммуникационную скважину (скважины), направленно или наклонно пробуренную (пробуренные) от электропреобразователя до потребителя(ей) электроэнергии, расположенного(ных) на поверхности горного образования, в которой установлены силовой, а при необходимости и контрольный кабели.

Инженерно-коммуникационная скважина используется для установки в ней электрического кабеля для передачи выработанной на ДС ГЭС электроэнергии ее потребителям, расположенным (удаленным) на поверхности единого горного массива. Преимущества прокладки такой линии в сравнении с воздушной ЛЭП заключаются в большей ее надежности, скрытности и защищенности. Известно, что наибольшее количество технологических нарушений по типовым предприятиям энергетики (Кутьин Н.Г. Безопасность энергетических объектов. Журнал «Энергонадзор и энергобезопасность». №4, 2009 г., стр.8-14) в 2009 г. составили нарушения в сетях напряжением менее 35 кВ и распределительных сетях (67,8%, для сравнения - на ТЭЦ и ГЭС 9,7%). При этом в таких сетях наибольшая доля падает на электрооборудование воздушных линий (51,6%) - это опоры, провода, изоляторы и др. В наибольшей степени это характерно для горных районов. Преимущественными негативно воздействующими на воздушные сети факторами являются природные - снегопады, ливневые дожди, ветра, которые приводят к падениям опор, обрывам воздушных линий, выходу из работоспособного состояния изоляторов. Воздействие этих природных факторов на снижение надежности работы сетей в заявляемой ДС ГЭС ничтожно.

Кроме того, решение по п. л) в сравнении с использованием в настоящее время воздушных линий, не отражается на изменении ландшафта местности.

На фиг.1-6 в качестве примера приведены схемы работы заявляемой ДС ГЭС. На фиг.1 изображена схема ДС ГЭС с направленно пробуренной скважиной; на фиг.2 - схема ДС ГЭС с многоствольной направленно пробуренной скважиной; на фиг.3 - схема ДС ГЭС с направленно пробуренной скважиной, участок которой расположен на дневной поверхности; на фиг.4 - схема ДС ГЭС с гидроагрегатом, установленным в направленно пробуренной скважине; на фиг.5 - схема ДС ГЭС с гидроагрегатом, установленным в направленно пробуренной скважине, и гидроагрегатом, установленным на дневной поверхности; на фиг.6 - схема ДС ГЭС с водоемом в виде зоны подземного гидроаккумулирования.

На фиг.1-6 введены следующие обозначения: 1 - гора; 2 - водоем; 3 - подводящий туннельный напорный водовод - направленно пробуренная скважина ДС ГЭС; (3-1) - общий подводящий туннельный напорный водовод - первая направленно пробуренная скважина многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; (3-2) - вторая направленно пробуренная скважина многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; 4 - подводящий туннельный напорный водовод - наклонная скважина; 5 - отводящий водовод; (5-1) - отводящий водовод первой направленно пробуренной скважины многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; (5-2) - отводящий водовод второй направленно пробуренной скважины многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; 6 - гидромашина; (6-1) - гидромашина в первой направленно пробуренной скважине многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; (6-2) - гидромашина во второй направленно пробуренной скважине многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; 7 - электрогенератор; (7-1) -электрогенератор в первой направленно пробуренной скважине многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; (7-2) - электрогенератор во второй направленно пробуренной скважине многоствольной ДС ГЭС на фиг.2; 8 - направляющая труба с отверстиями в ней; 9 - вода в водоеме; 10 - отверстия в направляющей трубе; 11 - седло клапана в направленно пробуренной скважине; 12 - клапан; 13 - блок; 14 - канат; 15 - горный рельеф; 16 - распадок; 17 - трубы на дневной поверхности; 18 - скважинная гидротурбина; 19 - скважинный электрогенератор; 20 - электрокабель от скважинного электрогенератора; 21 - фиксатор гидроагрегата в скважине; 22 - колонна труб с встроенным в них электрокабелем; 23 - уступ в скважине; 24 - устьевое кольцо - регулятор расхода; 25 - электропреобразователь; 26 - инженерно-коммуникационная скважина; 27 - электрические кабели; 28 - ледник на вершине горного массива; 29 - нагнетательные (водосборные) скважины; 30 - щитовые водонакопители у водосборных (нагнетательных) скважин; 31 - вход скважинной гидротурбины; 32 - выход скважинной гидротурбины; Н_н - напор на гидроагрегат; Н_д - динамический уровень.

Устройство заявляемой ДС ГЭС.

В гористой местности в верхней части горы 1 находится водоем 2, например река в верхнем ее течении. Река стекает по склону горы к ее подножию, а стекая по противоположным склонам горы, образует излучину. Разница высотного положения водоема 2 и реки в нижнем ее течении (место предполагаемой установки гидроагрегата ДС ГЭС) представляет собой напор воды на гидроагрегат Н_н. Для создания напорного водовода заявляемой ДС ГЭС от водоема 2 пробурена направленная скважина 3 (фиг.1; 3; 4; 5; 6), для указанных ДС ГЭС, в которых не установлен скважинный гидроагрегат, напорная скважина может быть пробурена и направленной 4. Желаемая максимальная мощность потребителя электроэнергии N₁ составляет 130 кВт. Исходя из технических параметров гидротурбины и электрогенератора (в том числе скважинных, при этом в качестве электрогенератора принят электробур, работающий в режиме электрогенератора) выбраны гидротурбина и электрогенератор, а также диаметр скважины d_скв, ее глубина и траектория. Диаметр направленной скважины составляет 240 мм, напор Н_н - 500 м. Для обеспечения требуемой гидравлической мощности, равной 137 кВт, расход воды через гидротурбину при давлении P₁=47 МПа должен составлять Q₁=0,045 м³/с. В качестве гидротурбины выбрана гидротурбина турбобура Т12РТ-9". В схемах на дневной поверхности (фиг.1; 2; 3; 6) и в скважине (фиг.4; 5) она (гидротурбина 6) установлена вертикально. Ее ротор соединен с ротором электрогенератора с использованием герметизирующего уплотнения вала ротора гидротурбины. Выработанная электрогенератором электроэнергия преобразуется электропреобразователем (на графике не показан) до требуемого уровня, регламентированного нормативно-технической документацией, и направляется к потребителю электроэнергии. По отводящему водоводу 5 вода после гидротурбины 6 направляется либо непосредственно в русло реки в нижнем ее течении, либо к гидродинамическому теплогенератору и в систему теплоснабжения или в теплогидроаккумулятор, либо в систему водоснабжения или к потребителю воды под давлением как энергоресурса.

Гидравлическая мощность потока воды в месте установки гидроагрегата может быть определена из следующего выражения:

где Q - расход воды в месте установки гидроагрегата.

Вырабатываемая электрическая мощность несколько меньше гидравлической и определяется, исходя из ее значения, с учетом кпд гидротурбины и электрогенератора.

Вода 9 из водоема 2 в направленно пробуренную скважину 3 поступает через отверстия 10 в направляющей трубе 8. Для перекрытия канала в направленно пробуренной скважине 3 предусматривается использование седла клапана 11, устанавливаемого в скважине, и клапана 12, опускаемого при необходимости (технические причины: ремонт; реконструкция; регламентные работы и др.; или организационные причины, например при организации электроснабжения сезонных работ - остановка ДС ГЭС на межсезонные периоды) на канате 14 через блок 13.

В случае ДС ГЭС с многоствольной направленной скважиной (фиг.2) она бурится так, что, имея общий начальный от устья скважины ствол, от нее отбуриваются направленные к каждому из потребителей, рассредоточенных и расположенных на склонах горного образования как на различных высотах, так и в плане. Следует отметить, что техника и технология направленного бурения скважин отработана, широко и с успехом применяется в практике бурения. Использование ее позволяет с большой точностью выдерживать траекторию скважины и положение ее пересечения с поверхностью горного рельефа. На фиг.2 потребители электроэнергии расположены на различных высотах, к ним пробурены направленные скважины (3-1) и (3-2), в которых установлены гидроагрегаты (6-1)-(7-1) и (6-2)-(7-2) соответственно. При этом напор, воздействующий на гидроагрегат (6-1)-(7-1) Н_н1, составляет 240 м, а напор на гидротурбину (6-2)-(7-2) Н_н2 - 490 м. В них расходы воды через турбины составляют соответственно 0,045 м³/c и 0,022 м³/c.

В условиях сложного горного рельефа местности (фиг.3) ДС ГЭС содержит участок 17, на котором мнимая скважина выполнена трубами, расположенными на дневной поверхности (он расположен между двумя направленно пробуренными скважинами). Такая схема и конструкция позволяет уменьшить протяженность горизонтального интервала скважины (хотя напор Н_н2 действует тот же), сооружение которого более затратно. Кроме того, при наличии потребителя электроэнергии в окрестности такого участка возможно и в обоснованных случаях эффективно сооружение на нем дополнительного гидроагрегата(тов) (на фиг.3 не показан). При этом мощности указанного гидроагрегата и расположенного ниже (6-7) должны выбираться исходя из общего напора Н_н2 и падения напоров на гидротурбинах соответствующих гидроагрегатов.

В случае использования скважинного гидроагрегата (фиг.4). Направленно пробуренная скважина 3 имеет уступ 23. В нее (скважину) спускается гидроагрегат, состоящий из ниже установленной турбины 18 (используется гидротурбина турбобура) и скважинного электрогенератора 19 (используется электродвигатель электробура, работающий в режиме электрогенератора), и они агрегатированы посредством общего корпуса. Гидроагрегат спускается в скважину на специальной колонне труб 22 с встроенным в нее электрокабелем (выпускается серийно и используется при электробурении), для чего скважинный электрогенератор 19 гидроагрегата соединяется с нижним концом колонны труб 22. При спуске колонны труб 22 с гидроагрегатом последний устанавливается на уступ 23 в скважине и при его постановке (за счет веса гидроагрегата и колонны труб) срабатывает фиксатор гидроагрегата 21 о стенки скважины 3. Таким образом, жестко о стенки скважины фиксируется скважинный гидроагрегат. После этого на устье скважины жестко фиксируется колонна труб 22.

На устье направленно пробуренной скважины 3 установлена направляющая труба с отверстиями (труба находится в водоеме). Снаружи ее и с возможностью поворота на ней установлено устьевое кольцо-регулятор расхода 24 с отверстиями. При повороте устьевого кольца 24 отверстия в нем и направляющей трубе могут при одном относительном положении совпадать, обеспечивая при этом максимальный расход воды из водоема в скважину. При других угловых положениях устьевого кольца-регулятора расхода 24 площади отверстий в направляющей трубе и в кольце 24 (живое сечение) не совпадают в полной мере или вообще. Этим положениям кольца 24 соответствуют либо меньшие расходы, либо они отсутствуют (вода из водоема в скважину не поступает).

Электропреобразователь 25 ДС ГЭС на устье скважины соединен с электрокабелем, встроенным в колонну труб 22 электрокабелем 20 от скважинного электрогенератора. Электропреобразователем 25 выработанная электроэнергия доводится до нормированного уровня (ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Издательство стандартов. 1996 г.). С выхода электропреобразователя 25 электроэнергия направляется к одному потребителю электроэнергии, расположенному непосредственно у устья скважины, а по электрокабелю 27, установленному в специальной инженерно-коммуникационной скважине 26, - ко второму, удаленному потребителю электроэнергии.

Отводящий водовод 5 может быть соединен либо с руслом реки в нижнем ее течении, либо с гидродинамическим теплогенератором и системой теплоснабжения или с теплогидроаккумулятором, либо с системой водоснабжения, или с гидроприводом потребителя потока воды под давлением как энергоресурса.

В заявляемой ДС ГЭС со скважинным гидроагрегатом на фиг.5 в сравнении изображенным на фиг.4 дополнительно в отводящем напорном (после скважинного гидроагрегата) водоводе 5 на дневной поверхности установлен поверхностный гидроагрегат, включающий гидромашину (гидротурбину) 6, кинематически соединенную с электрогенератором 7. Схема электрогенерирования и электроснабжения на фиг.5 целесообразна в случаях, когда имеются потребители электрической энергии в местностях, как у устья скважины (потребитель 1), так и расположенных ниже устья скважины (потребитель 2). При такой схеме мощности скважинного гидроагрегата (18-19) и поверхностного (6-7) выбирают таким образом, чтобы падение всего напора Н_н2 (которым определяется гидравлическая мощность потока в скважине) разделилось пропорционально желаемым (падениям напоров на соответствующих гидротурбинах) мощностям первого и второго потребителей электрической энергии.

В случае ДС ГЭС с подземным гидроаккумулированием (фиг.6) направленно пробуренной скважиной 3 перебурен водоем 2, которым в данном случае является подземный водоносный интервал (далее - ПДИ). Он может быть природным или искусственным. В природных - питающие воды по естественным трещинам и порам в породах под действием силы тяжести движутся вниз и при наличии водоупорных пород в форме котла (емкости) наполняют ее. Искусственный ПДИ в горных условиях с предполагаемым использованием воды таяния ледников на вершинах гор (фиг.6) формируют с использованием нагнетательных (водосборных) скважин 29, которые бурят до водоупорного (подстилающего) пласта пород в виде котла, выше которого расположен коллектор из проницаемых пористых пород. В интервале коллектора водосборные скважины 29 обсажены трубами, которые перфорированы. Устья водосборных скважин 29 оборудованы направляющими обсадными трубами, которые выше земной поверхности также перфорированы. Кроме того, для сбора воды у устья каждой скважины установлены щитовые водонакопители 30 в виде угловых щитов (крыльев), в углах которых находится перфорированная обсадная труба скважины. Причем положения крыльев таково, что для стекающего сверху потока воды они перекрываются. Это позволяет собрать у водонакопителей 30 всю талую воду. Для снижения потерь воды таяния поверхность склона ниже кромки ледника может быть покрыта непроницаемой пленкой. В горных условиях с вечными ледниками 28 на вершинах, в летнее время ледники тают, а образующаяся при этом вода стекает по склонам вниз, аккумулируется у водонакопителей 30, из которых она по отверстиям в осадной направляющей трубе поступает в скважины 29, из которой по отверстия перфорации - в подземный коллектор ПДИ (водоем 2).

ПДИ перебурен направленно пробуренной скважиной 3, которая от ее устья обсажена трубой 8, перфорированной отверстиями 10 в интервале пересечения с ПДИ. То есть по ним вода из ПДИ может поступать в направленно пробуренную скважину 3 (при открытом клапане 11-12), формируя в скважине гидроэнергетический поток. В заявляемой ДС ГЭСА вода в летнее время может быть аккумулирована в ПДИ и в последующем использоваться для выработки электроэнергии в маловодные и безводные периоды года, в том числе холодные, так как аккумулированная в ПДИ и в водоводе (направленно пробуренная скважина) вода имеет положительную температуру. Преимуществом такой ДС ГЭС с высокогорным водоемом является то, что в ней достигается высокий показатель энергоэффективности ее работы, такой как удельный расход воды на выработку единицы электроэнергии, за счет действующего в ней большого напора воды. Причем в заявляемой ДС ГЭС, предусматривающей использование в качестве водовода направленно пробуренной скважины, достигается это в настоящее время технически не сложно и экономически мало затратно.

Работа заявляемой ДС ГЭС.

Работа приведена ниже с учетом последовательности дополнительных пунктов изобретения.

В работе ДС ГЭС можно выделить 3 технологически значимых процедуры: осуществление перетока воды из водоема в направленно пробуренную скважину (далее НПС); создание гидродинамического потока и выработка электроэнергии (далее создание ГДПС; отведение скважинного водотока).

Для сокращения объема описания приведенные примеры реализации заявляемой ДС ГЭС с учетом технологически значимых процедур ее работы можно разделить на две характерные группы I и II: I - схемы ДС ГЭС, приведенные на фиг.1; 2; 3; 6 (имеют идентичные решения - по осуществлению сообщения водоема с НПС и по поверхностным гидроагрегатам); II - схемы ДС ГЭС, приведенные на фиг.4 и 5 (имеют идентичные решения - по осуществлению сообщения водоема с НПС и по скважинным гидроагрегатам).

Осуществление перетока воды из водоема в направленно пробуренную скважину (НПС).

Для группы I -схемы ДС ГЭС приведены на фиг.1; 2; 3; 6. Клапан 12 посредством каната 14 отделяется от седла 11, установленного в направленно пробуренной скважине 3, и извлекается из скважины. При этом вода из водоема 2 через отверстия 10 в направляющей трубе 8 поступает в направленно пробуренную скважину 3, заполняя ее и формируя в ней гидроэнергетический поток, характеризуемый динамическим уровнем воды в скважине напором Н_н.

Для группы II - схемы ДС ГЭС приведены на фиг.4; 5. Перфорированное устьевое кольцо 24 устанавливается в положении "открыто". При этом вода из водоема 2 поступает в НПС 3, по скважине до и ниже гидроагрегата она движется по отводящему водоводу 5 к зоне стока по направленно пробуренной скважине (искривление скважины может быть осуществлено на участке скважины ниже места установки скважинного гидроэнергоагрегата). Ввиду того что гидроагрегат создает определенное гидросопротивление, уровень воды в скважине несколько повышается и при расходе поступающей в скважину воды Q₁ спустя переходный период устанавливается на определенном значении равном Н_д. На интервале от Н_д до зоны стока устанавливается поток с расходом Q₁, в котором в любом сечении наблюдается его сплошность, Н_н (на фиг.4) формирует напор воды в скважине, воздействующий на гидротурбину 18 гидроагрегата.

Создание гидродинамического потока и выработка электроэнергии.

Для группы I - схемы ДС ГЭС приведены на фиг.1; 2; 3; 6. В направленно пробуренной скважине 3 после окончания переходных процессов стабилизируется работа гидроагрегата и устанавливается динамический уровень (в рассматриваемом примере он совпадает с уровнем воды в водоеме). На интервале скважины ниже динамического уровня устанавливается сплошной поток, которым формируется напор столба воды в скважине Н_н. Этот напор воздействует на гидротурбину 6 (гидроагрегат 6-7) и участвует в создании (вместе с расходом воды через гидротурбину) гидравлической мощности потока, который преобразуется с учетом кпд гидротурбины и электрогенератора в электрическую мощность гидроагрегата.

Известно, что гидравлическая мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется из следующего выражения (Малинин Н.К. Теоретические основы гидроэнергетики. М.: Энергоатомиздат, 1985 г.):

где N_г - гидравлическая мощность, развиваемая гидротурбиной, кВт;

P_н - давление воды, воспринимаемое гидротурбиной, Па;

Q - расход воды через гидротурбину, м³/с.

Ниже приведен упрощенный расчет мощности потока в ДС ГЭС для приведенных в разделе «Устройство заявляемой ДС ГЭС» ее параметров для схем, приведенных на фиг.1; 3; 4; 6: 1) глубина установки гидротурбины h=500 м; Q=0,045 м³/с. В выше приведенной формуле (2) Р_н может быть определена из следующего выражения:

ρ - плотность воды, кг/м³ (р=10³ кг/м³);

q - ускорение свободного падения, м/с² (q=9,8 м/с²);

h - высота столба воды (по вертикали) над гидротурбиной, м (h=500 м). С учетом конкретных параметров:

P_н=10³ кг/м³·10 м/с² · 5·10² м = 5·10⁶ Па = 5,0 МПа.

Гидравлическая мощность из выражения (2) составляет:

N_г=P_н·Q=5·10⁶ Па · 4,5·10^-2 м³/c = 225·10³ Вт = 225 кВт.

Расчетная гидравлическая мощность гидроагрегата ДС ГЭС превышает желаемую, превышает и напор, воздействующий на гидроагрегат, величину падения напора на гидротурбине на величину, достаточную для того, чтобы поток в отводящем водоводе мог быть использован для осуществления холодного водоснабжения или для выработки тепловой энергии.

Упрощенный расчет для схем на фиг.2 и 5. Для исходных параметров для фиг.2 из раздела «Устройство заявляемой ДС ГЭС», давление, воздействующее на турбину (6-1), имеет значение Р_н1=10³ кг/м³ · 10 м/с² · 2,4·10² м = 2,4·10⁶ Па = 2,4 МПа, а гидравлическая мощность, действующая на гидроагрегате N_г1=Р_н1·Q₁=2,4·10⁶ Па · 4,5·10^-2 м³/с=108·10³ Вт = 108 кВт. Давление, воздействующее на турбину (6 - 2), имеет значение Р_н2=10³ кг/м³ · 10 м/с² · 4,9·10² м = 4,9·10⁶ Па = 4,9 МПа, а гидравлическая мощность, действующая на гидроагрегате N_г2=Р_н2·Q₂=4,9·10⁶ Па · 2,2·10^-2 м³/c = 9,8·10⁴ Вт = 98 кВт.

Для исходных параметров для фиг.5 из раздела «Устройство заявляемой ДС ГЭС» давление, воздействующее на гидротурбину 18, а также расчетные гидравлические мощности (по аналогии с приведенной выше последовательностью расчета) имеют следующие значения: Р_н1=10³ кг/м³ · 10 м/с² · 2,4·10² м = 2,4·10⁶ Па = 2,4 МПа, а гидравлическая мощность, действующая на гидроагрегате N_г1=Р_н1·Q₁=2,4·10⁶ Па · 4,5·10^-2 м³/c = 108·10³ Вт = 108 кВт. Давление, воздействующее на турбину 6, имеет значение Р_н2=10³ кг/м³ · 10 м/с² · 4,9·10² м = 4,9·10⁶ Па = 4,9 МПа, а гидравлическая мощность, действующая на гидроагрегате N_г2=Р_н2·Q₂=4,9·10⁶ Па·4,5 · 10^-2 м³/c = 22,05·10⁴ Вт = 220,5 кВт.

Вращение от ротора гидротурбины 6 передается соединенному с ним якорю электрогенератора 7. Электрогенератором 7 вырабатывается напряжение электрического тока, которое по электрокабелю подается на электропреобразователь, а с него - к потребителю электроэнергии. При этом на турбине 6 (поверхностном гидроагрегате) падает определенный напор ΔН_пг, определяемый из ее технических характеристик, исходя из расхода воды через турбину, а Н_н должен быть не меньше чем ΔН_пг.

В случае ДС ГЭС с многоствольной скважиной (фиг.2) напор Н_н1 участвует в создании гидравлической мощности в НПС_3-1, а при прохождении потока воды через гидротурбину (6-1) гидроагрегата [(6-1)-(7-1)] - в выработке электрической энергии. При этом участвует расход воды в НПС_3-1 и учитываются кпд гидротурбины (6-1) и электрогенератора (7-1). Электрическая энергия с электрогенератора поступает на электроформирователь, а с последнего (требуемого качества) - к потребителю электрической энергии. В этой ДС ГЭС напор Н_н2 участвует в создании гидравлической мощности в НПС_3-2, а при прохождении потока воды через гидротурбину (6-2) гидроагрегата [(6-2)-(7-2)] - в выработке электрической энергии. При этом участвует расход воды в НПС_3-2 и учитываются кпд гидротурбины (6-2) и электрогенератора (7-2). Электрическая энергия с электрогенератора поступает на электроформирователь, а с последнего (требуемого качества) - к потребителю электрической энергии. При этом: на турбине 6-1 (поверхностном гидроагрегате) падает определенный напор ΔН_пг1, определяемый из ее технических характеристик, исходя из расхода воды через турбину, а Н_н1 должен быть не меньше чем ΔН_пг1; на турбине 6-2 (поверхностном гидроагрегате) падает определенный напор ΔН_пг2, определяемый из ее технических характеристик, исходя из расхода воды через турбину, а Н_н2 должен быть не меньше чем ΔН_пг2.

Для группы II - схемы ДС ГЭС приведены на фиг.4; 5. В направленно пробуренной скважине 3 после окончания переходных процессов стабилизируется работа гидроагрегата и устанавливается динамический уровень Н_д. На интервале скважины ниже динамического уровня устанавливается сплошной поток, которым формируется напор столба воды в скважине Н_н. Вращение от ротора гидротурбины передается соединенному с ним якорю электрогенератора. Рычаги фиксатора 21 препятствуют перемещению соединенных гидротурбины-электрогенератора (гидроагрегата) вниз под действием его веса и потока воды (благодаря силам трения о стенки скважины, которые возникают при постановке скважинного гидроагрегата на уступ в скважине 23). Фиксатор 23 воспринимает реактивный крутящий момент, возникающий при вращении ротора гидротурбины 18 и якоря электрогенератора 19 под действием потока воды. Электрогенератор является маслонаполненным и герметичным. Поток воды вращает ротор гидротурбины 18. Вращение от ротора гидротурбины передается соединенному с ним якорю электрогенератора 19. Электрогенератором вырабатывается напряжение электрического тока, которое по электрокабелю, встроенному в специальную колонну труб, из скважины передается на дневную поверхность, и далее посредством электрокабеля 20 к электропреобразователю 25. Электропреобразователь ДС ГЭС 25 снабжен регулятором частоты и амплитуды вырабатываемого напряжения - формирователем электрического напряжения требуемого качества. От него напряжение нормированного качества подается на отпуск потребителям электрической энергии.

Напор Н_н воздействует на гидротурбину 18 (гидроагрегат 18-19) и участвует в создании (вместе с расходом воды через гидротурбину) гидравлической мощности потока, который преобразуется с учетом кпд гидротурбины и электрогенератора в электрическую мощность гидроагрегата. При этом на турбине 18 (скважинном гидроагрегате) падает определенный напор ΔН_сг, определяемый из ее технических характеристик, исходя из расхода воды через турбину, а Н_н должен быть не меньше чем ΔН_сг.

В случае установки и скважинного гидроагрегата (18-19), и поверхностного (6-7) (фиг.5) после скважинного гидроагрегата поток воды движется в отводящем после него водоводе под давлением, а на каждом из гидроагрегатов падает давление столба воды (напоров) - ΔН_сг и ΔН_пг. Суть выработки электроэнергии гидроагрегатами аналогична изложенным выше, а напор Н_н2, действующий в ДС ГЭС, не должен быть меньше, чем сумма падений напоров на гидроагрегатах (ΔН_сг + ΔН_пг).

Отведение скважинного водотока.

Для группы I - схемы ДС ГЭС приведены на фиг.1; 2: 3; 6. Отводящий водовод ДС ГЭС может быть соединен либо с руслом реки в нижнем ее течении, либо с гидродинамическим теплогенератором, работающим на систему теплоснабжения или на теплогидроаккумулятор, либо с сетью системы водоснабжения хозяйственно-питьевого или технического, либо с гидроприводом потребителя потока воды под давлением как энергоресурса. Для случая сброса воды в русло реки в нижнем ее течении самотеком должно выполняться условие Н_н=ΔН_пг. Для случаев осуществления путем соединения отводящего водовода с гидродинамическим теплогенератором, работающим на систему теплоснабжения или на теплогидроаккумулятор, или (и) с сетью водоснабжения хозяйственно-питьевого или технического, либо с гидроприводом потребителя потока воды под давлением как энергоресурса, соответствующих процессов теплогенерирования, горячего и холодного водоснабжения и гидропривода должно выполняться условие Н_н>ΔН_пг. Причем превышение давления должно быть достаточным для осуществления соответствующих процессов теплогенерирования, горячего и холодного водоснабжения и гидропривода.

Для группы II - схемы ДС ГЭС приведены на фиг.4; 5. При работе ДС ГЭС на турбине 18 (скважинном гидроагрегате) падает определенный напор ΔН_сг, определяемый из ее технических характеристик, исходя из расхода воды через турбину, а Н_д должен быть не меньше чем ΔН_сг. В случае установки в НПС и скважинного гидроагрегата (18-19), и ниже расположенного поверхностного (6-7) (фиг.5) и с учетом потерь напора на последнем ΔН_пг Н_н2 должен быть не меньше, чем сумма падений давлений (ΔН_сг+ΔН_пг), то есть Н_н2>(ΔН_сг+ΔН_пг). При условии Н_н2=(ΔН_сг+ΔН_пг) давление в отводящем водоводе равно нулю и вода самотеком сбрасывается в реку в нижнем ее течении. При условии Н_н2>(ΔН_сг+ΔН_пг) превышение давления должно быть достаточным для осуществления путем соединения ее отводящего водовода с гидродинамическим теплогенератором, работающим на систему теплоснабжения или на теплогидроаккумулятор, или с сетью водоснабжения хозяйственно-питьевого или технического, либо с гидроприводом потребителя потока воды под давлением как энергоресурса соответствующих процессов теплогенерирования, теплоснабжения и теплогидроаккумулирования или водоснабжения и гидропривода.

Известные распространенные возобновляемые источники энергии (далее ВИЭ) - солнечные, ветровые, мини-ГЭС, биогазовые, теплонасосные и др. - не универсальны по условиям их применения. Использование заявляемой ДС ГЭС позволяет расширить номенклатуру известных ВИЭ и расширить условия их применения, а также получения преимуществ, характерных для ВИЭ, в частности следующих:

- экономических, связанных с использованием более скоростной и экономичной технологии сооружения деривационного водовода (или водоводов при многоствольном бурении направленных скважин) путем направленного бурения напорной скважины; с выработкой кроме электрической энергии и подземного аккумулирования тепловой энергии и сжатого воздуха (как энергоресурса); с возможностью осуществления систем холодного водоснабжения, отопления и горячего водоснабжения; с прокладкой магистральных и распределительных электросетей и водоводов систем горячего и холодного водоснабжения в специальных коммуникационных скважинах. Таким образом, сооружение напорного водовода в заявляемой ДС ГЭС в виде направленно пробуренной скважины или многоствольной скважины (а не в виде горной выработки крупного сечения), исходя из технико-экономических соображений, делает ее реализуемой;

- экологических, не требующих для своей работы сжигания топлива и не загрязняющих окружающую среду - атмосферу, водоемы, территорию. Известна «Российская программа развития возобновляемых источников энергии» (Российская программа развития возобновляемых источников энергии. Концепция проекта. М., 2005 г.// www.energoinform.org.), согласно которой предусмотрено создание ВИЭ для особоохраняемых природных территорий, в том числе для Байкальской природной территории, главным загрязнителем которой названы 250 теплоисточников, расположенных вокруг озера Байкал, предусматривающих сжигание органического топлива (копия из Интернет ресурсов прилагается Приложение 1). Использование заявляемой ДС ГЭС позволит заменить большинство действующих в настоящее время в окрестности Байкала экологически не безопасных теплоисточников.

Ее использование позволяет повысить ее скрытность и защищенность, так как важнейшие ее составляющие, в частности напорные водоводы гидроагрегаты (в скважинных ДС ГЭС) расположены в подземных водоводах. Подземное расположение основных сооружений станции, сетей электрических и тепловых исключает характерное для традиционных горных ГЭС внесение индустриальных изменений в природные ландшафтные образования. Это важно (делает более привлекательными) в местах ландшафтного, экологического туризма, в рекреационных регионах.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при строительстве деривационных гидроэлектростанций преимущественно в гористых местностях. Гидроэлектростанция включает водоем, например реку, водозабор, посредством которого она сообщена в верхнем своем течении с верхним концом подводящего туннельного напорного водовода, нижняя часть которого соединена с гидроагрегатом, выход которого сообщен с отводящим водоводом, либо с отводящим туннельным водоводом, нижний конец которого - с зоной стока, например с рекой в нижнем ее течении. Гидроагрегат содержит установленную в водоводе гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором. Выход электрогенератора соединен с электропреобразователем, к которому подключен электропотребитель. Подводящим туннельным напорным водоводом является направленно пробуренная скважина, а отводящим водоводом - либо направленно пробуренная скважина, либо канал. Изобретение позволяет расширить условия применения гидроэлектростанции до практически повсеместных в горных условиях и получать при ее эксплуатации все преимущества возобновляемых источников энергии (энергетический, экономический, социальный и экологический эффекты). 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Деривационная скважинная гидроэлектростанция, включающая водоем, например реку, водозабор, посредством которого она сообщена в верхнем своем течении с верхним концом подводящего туннельного напорного водовода, нижняя часть которого соединена с гидроагрегатом, выход которого сообщен с отводящим водоводом, либо с отводящим туннельным водоводом, нижний конец которого - с зоной стока, например с рекой в нижнем ее течении, а гидроагрегат содержит установленную в водоводе гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, выход которого соединен с электропреобразователем, к которому подключен электропотребитель, отличающаяся тем, что в ней подводящим туннельным напорным водоводом является направленно пробуренная скважина, а отводящим водоводом - либо направленно пробуренная скважина, либо канал.

2. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что направленно пробуренная скважина является многоствольной.

3. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что отдельными интервалами выположенного профиля скважины, мнимо расположенными на дневной поверхности, являются трубы.

4. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1 или 3, отличающаяся тем, что гидротурбина и кинематически соединенный с ней электрогенератор установлены и/или на участке выположенного профиля скважины.

5. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в ней гидравлической машиной является поршневая машина.

6. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в ней со стороны устья скважины и через него, либо только в ней дополнительно установлен скважинный гидроагрегат, включающий скважинную гидротурбину, и скважинный электрогенератор, соединенный с нижним концом спущенной в скважину колонны труб с встроенным в нее электрокабелем; корпуса скважинных гидротурбины и электрогенератора выполнены с возможностью фиксирования и обеспечения восприятия реактивного момента опорным элементом, которым является, например, жестко закрепленная на устье скважины колонна труб, причем скважинной гидротурбиной является турбобур, а скважинным электрогенератором - электробур в режиме электрогенератора; интервал скважины, в котором установлен скважинный гидроагрегат, является вертикальным; нижним и верхним концами электрокабеля, встроенного в бурильную колонну, соединены соответственно электрогенератор и электропреобразователь; при этом окрестности размещения территориально разобщенных электропотребителей со своими электросетями являются центрами электропитания.

7. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в ней пробурено несколько попарно связывающих водозабор и водосток одной реки направленных скважин так, что они не имеют сообщений.

8. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что водоемом является и/или расположенная в верхней части горного рельефа емкость подземного гидроаккумулирования, сообщенная с земной поверхностью водосборными скважинами; для гидроаккумулирования используются подземные или поверхностные воды, в том числе образующиеся в паводковые периоды, либо в периоды таяния горных ледников; а зоной стока воды является расположенный в нижней части горного рельефа природный водоем, например река, или озеро, или подземная водоносная зона.

9. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в отводящем водоводе установлен гидродинамический теплогенератор, например вихревой теплогенератор дискового типа, ротор которого соединен с ротором гидротурбины, установленной в отводящем водоводе, выход вихревого теплогенератора дискового типа соединен с сетью системы отопления и горячего водоснабжения с возможностью переключения его выхода к потребителю горячей воды и/или к теплогидроаккумулятору.

10. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что ее отводящий водовод соединен с сетью водоснабжения хозяйственно-питьевого или технического, либо с гидроприводом потребителя потока воды под давлением как энергоресурса.

11. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что к выходу электропреобразователя подключен компрессор, ресивер которого соединен с аккумулятором сжатого воздуха как энергоресурса, а аккумулятором сжатого воздуха является подземная водонасыщенная зона.

12. Деривационная скважинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в условиях горного рельефа она дополнительно включает инженерно-коммуникационную скважину (скважины) направленно или наклонно пробуренную (пробуренные) от электропреобразователя до центра (центров) питания, расположенного(ных), например, около электропотребителя, в которой установлены силовой, а при необходимости, и контрольный кабели.