Способ регулирования температуры воды в нижнем бьефе ГЭС и теплообменное устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E02B9/04 

Изобретение относится к экологии водных систем, в частности к экологии нижних бьефов ГЭС, расположенных в районах Сибири и Дальнего Востока. Предлагаемое изобретение относится также к гидроэнергетике и машиностроению,

При работе гидроузлов забор воды производится из горизонтов, имеющих температуру 2,2-4°С. Избыток тепла приводит к

образованию большой незамерзающей полыньи. Над полыньей и побережьем происходит усиленное туманообразование. повышается влажность воздуха, что резко ухудшает экологическую обстановку, вызывает простудные заболевания На большом пространстве перекрываются зимние миграционные пути животных. Осложняются условия хозяйственной деятельности. Все

это приносит значительный экономический ущерб.

Снижение экологических отрицательных последствий достигается посредством селективного водозабора из разных по глу- бине слоев водохранилища. В зимнее время забор производят из верхних холодных горизонтов. Для этой цели предложен ряд водоприемных устройств, располагающихся в водохранилище. Они выполняются в виде башен, ограждающих жестких стенок. Существуют и эластичные забральные стенки. Регулирование температурного режима воды в нижнем бьефе ГЭС указанными устройствами сводится лишь к ограничению поступления воды с большей тепловой энергией, что обеспечивает сокращение размеров полыньи на 50-70%.

При работе ГЭС с отработанным водным потоком в нижний бьеф поступают большое количество тепловой энергии, которая и является причиной образования полыньи. Между полыньей и окружающим воздухом имеется температурный напор, достигающий в зимнее время 30+50 С.

Существуют устройства для выработки энергии, использующие тепловые напоры между водой и воздухом, между разными горизонтами воды. Во всех без исключения устройствах для преобразования тепловой энергии в механическую используют легкокипящие жидкости - фреоны. Устройства включают в себя большой набор блоков различного назначения. КПД таких установок равен 3-4%. Имеются моноблочные устрой- ства, где парогенератор, турбина и конденсатор сосредоточены в одном рабочем теле.

Существует и роторная конструкция двигателя в виде рабочего колеса.

Известен водоприемник для забора по- верхностных вод, содержащий забральную стенку, выполненную из эластичного материала, одна сторона которой прикреплена к дну водоема ГЭС растяжками и якорями, а другая снабжена колоколообразными по плавками, прикрепленными к стороне за- бральной стенки. К середине забральной стенки, обращенной к приемному водоводу, прикреплены грузы и перфорированная труба, соединенная с источником сжатого воздуха.

Из устройств, использующих температурные напоры между водой и окружающим воздухом наиболее близок по технической сути предлагаемому изобретению двига- тель, представляющий собой рабочее колесо - герметичный тор, разделенный клапанами-перегородками одностороннего действия. Тор заполняется легкокипящей жидкостью и плавает на поверхности воды.

Нагреваясь от стенок тора, пары давят-нэ жидкость, перекачивая ее в одну сторону и вращая колесо.

Недостатком известного способа регулирования температуры воды в нижнем бьефе является неполная эффективность регулирования, так как в прототипе не предусмотрено охлаждение воды, а также сложность и непроизводительные затраты снижающие экономическую эффективность ГЭС.

Двигатель, описанный в прототипе, способен использовать теплообмен лишь на поверхности воды. Для утилизации водного потока такими двигателями ьеоЬхо димо покрыть всю площадь полыньи и прь менить громоздкие устройства для сбора получаемой энергии, что экологически не приемлемо.

Цель изобретения - охлаждение во.ы а нижнем бьефе ГЭС до бытовых паргметроь существовавших до строительства ГЭС i/ получение рабочих расходов и давлений во ды для выработки энергии гидромогором.

Поставленная цель достигается тем, чгс в способе регулирования температуры водь в полынье нижнего бьефа ГЭС, согласие изобретению, на приплетенном участке нижнего бьефа в сбрасываемые поток пери одически погружают охлажденный окружа ющим воздухом гепг.собмэги к а виде криогенного нагнетателя. Наб9гаюи.,,й , 0i- воды охлаждаемся до Ьь тэасг темпера гуры омывая цилиндры тс-плообмекчи, а

Поставленная цель получали механи ческой энергии достигается тем, что в стве нагревателя используют водный пого: из водохранилища ГЭС, а в качестве холо дильниха - окружающий воздух, и резлизу ется тем, что изменения в объеме води npi замерзании используют для создания рас ходов и давлений воды для работы плдромо тора или гидротурбины, причем цплиндрь теплообменника перемещают из нагревате ля в холодильник принудительно.

Поставленная цель получения энерги основана на изменении объема воды npi переходе из жидкого состояния в твердо) (лед) и на свойстве воды понижать точк замерзания (плавления) при увеличена давления, что отличает изобретение от про тотипа, где для этих целей используется лег кокипящая жидкость. В предлагаемо устройстве - теплообменнике в виде крио генного нагнетателя воды для гидромотор. рабочий ход (нагнетание) проискодит npi охлаждении на воздухе цилиндров, нзпол ненных водой, до образования льда на с ген ках цилиндра, а уменьшение объем (сжатие) - при нагревании цилиндров в на

бегающем потоке реки до (-0,1) - (-0,2) С, которое сопровождается вытаиванием льда в цилиндрах. Обратный ход поршня тепловых двигателей в криогенном нагнетателе заменен подпиткой водой под давлением Р 5-6 атм, что позволяет поддерживать воду в цилиндрах в переохлажденном состоянии и не изменять скрытую теплоту фазового перехода при смене режимов охлаждение- нагрев.

Другое отличие криогенного нагнетателя от прототипа состоит в том, что в нем энергия криогенного расширения воды при замерзании используется для создания напоров и расходов воды в трубопроводе для питания гидромотора или гидротурбины. Криогенный нагнетатель, согласно изобретению, состоит из цилиндров высокого давления ( атм), которые для лучшего теплообмена снабжены оребрениями. Ре- зервуары цилиндров в положении нагнета- ние гидравлически сообщены через распределительный клапан с высоконапорным (рабочим) трубопроводом и через него с гидромотором. В положении сжатие ре- зервуары через клапан гидравлически сообщены с малонапорным трубопроводом подпитки от гидромотора. Резервуары нагнетателя выполнены в виде ротора, состоящего из двух полых цилиндров, диаметрально прикрепленных к общей ступице и установленных с возможностью при- нудительного вращения приводом на горизонтальной неподвижной оси. Ось ротора нагнетателя располагают на опорах с полным или частичным притоплением под поверхность воды для обогрева набегающим потоком.

На фиг.1 показана схема размещения криогенного нагнетателя воды в приплотин- ном участке нижнего бьефа ГЭС; на фиг.2 показана схема работы нагнетателя; на фиг.З и 4 показаны осевое сечение цилиндров по нормали и по оси вращения и работа распределительных клапанов.

На опорах 1 в приплотинном участке нижнего бьефа (фиг.1,2) устанавливается рассчетное число роторов 2 криогенных нагнетателей, скомпанованных с напорным трубопроводом 3, гидромотором 4, электро- генератором 5, магистралью подпитки (обратным трубопроводом) б, приводом 7 для вращения ротора 2. Ось 8 ротора 2 (фиг.З) устанавливается на поверхности воды или притапливается под поверхность.

Регулирование температуры воды в нижнем бьефе осуществляется следующим образом. Из проектных условий или натурных наблюдений берутся данные о температурном режиме стока, проектных или

плановых расходах ГЭС, скоростях течения, температурном режиме воздуха и скоростях ветра. Устанавливают параметры снижения температуры воды. Рассчитывают мощность и режим теплового стока ГЭС в нижний бьеф и режим тепловых напоров в суточном и сезонном интервале. С учетом полученных данных и теплообменных характеристик металлических конструкций, которыми служат цилиндры криогенного нагнетателя рассчитывают режим их охлаждения на воздухе и нагрева в воде, который определяется скоростью вращения роторов 2 от привода 7.

Охлаждение воды осуществляется следующим образом. Цилиндры 9 охлаждаются потоком окружающего воздуха 10 и при вращении ротора 2 приводом 7 погружаются в воду. Поступающая вода 11 из турбин ГЭС омывает холодные цилиндры и охлаждается.

Теплообменное устройство в виде криогенного нагнетателя воды для гидромото- роа (фиг.2,3,4) состоит из диаметрально спаренных полых цилиндров 9, прикрепленных к общей ступице 12. Цилиндры 9 имеют сквозные отверстия 13 в ступице 12 оси 8 ротора 2, ведущие к напорному трубопроводу 3 и к магистрали подпитки 6. Диаметр сверления 14 оси 8 равен размеру сквозного отверстия 13 в нормальной плоскости (фиг.4). Продольные сверления 15 в неподвижной оси 8 располагаются одно под другим в вертикальной плоскости, при этом верхнее сверление сообщает цилиндры 9 в режиме нагнетание с рабочим напорным трубопроводом; а нижнее - с магистралью подпитки. Сверления 14 на поверхности оси 8, ступица 12 и сквозные отверстия 13, как показано на фиг.2, 3 и 4, образуют распределительный клапан 16, обеспечивающий периодическое наполнение и опорожнение цилиндров 9 при принудительной смене режимов охлаждение-нагрев.

Криогенный нагнетатель воды работает следующим образом.

Замеряют скорость и температуру воды в реке, температуру и силу ветра, рассчитывают время нагрева и остывания цилиндров и скорость вращения ротора. Для пуска нагнетателя его поднимают над водой, заполняют цилиндры и систему водопроводов водой. Охлаждают на воздухе до получения давления в системе до 3-6 атм, т.е. до образования переохлажденной воды. Производят спуск 2,5-4% объема воды цилиндров из магистрали подпитки и напорного трубопровода, затем устанавливают на опоры и охлаждают до получения рабочего давления, т.е. 60 - 120 атм, включают гидромотор

и привод ротора, вращают ротор с рассчитанной скоростью.

Использование изобретения позволяет поддерживать экологическую систему бьефа, бпизкую к бытовой (до зарегулирования) и этим ликвидировать экологическую напряженность, сократить число простудных заболеваний, сохранить зимние миграционные пути животных. Ликвидация туманов улучшит дорожно-транспортные условия на побережье. Применение изобретения позволит более полно использовать суммарную энергию потока воды ГЭС, стабилизировать суточные перепады расходов воды и в этой связи исключить зимние подтопления поймы.

Используемые в изобретении материалы металл и вода являются экологически безопасными и исключают загрязнение окружающей среды при авариях. Сребренные цилиндры при вращении ротора вспенивают воду, чем ее аэрируют, при этом улучшаются условия жизни водных организмов.

Сравнение гидродинамического и теплового потенциала Зейской ГЭС на Дальнем Востоке за зимний сезон приведено в таблице.

Из данных таблицы следует, что водный поток из водохранилища ГЭС обладает значительной тепловой энергией и в зимнее время может использоваться для получения энергии предлагаемым устройством - криогенным нагнетателем. Выработка энергии при этом сравнима с мощностью гидроагрегатов ГЭС и в этом заключается экономическая эффективность изобретения

Применять изобретение можно как на строящихся, так и на работающих ГЭС. Наибольшая эффективность выработки энергии с помощью нагнетателя приходится на самые холодные месяцы года, а в суточном режиме - на поздние ночные и утренние часы, т.е время максимальных нагрузок

Кроме того, применение криогенного нагнетателя даст возможность сбора энергии низких тепловых напоров с больших площадей теплообмена и выработки энергии в агрегатах большой единичной мощности.

Формула изобретения 1. Способ регулирования температуры воды в нижнем бьефе ГЭС, включающий забор воды из водохранилища и теплообмен

воды с окружающим воздухом перед ее сбросом в расположенный в нижнем бьефе естественный водоток, отличающийся тем, что, с целью охлаждения сбрасываемой воды до бытовых параметров, существовавших до образования водохранилища, на приплотинном участке нижнего бьефа Б сбрасываемый поток периодически ПОПУ жают охлажденный окружающим возду/сг теплообменник.

2. Теплообменное устройство для p«ri ; лирования температуры воды в нижнем бье фе ГЭС в виде криогенного нагнетателя включающего наполненные водой резеову- ары, гидравлически сообщенные еж,су сп

бОЙ ТрубОПрОВОДОМ ( ССТОЯ иИК

напорного и подпиточного участков рг .,t ленных клапаном отличающ е / гег. что, с целью повышения эффективности ре гулирования и выработки электсоэнергич

устройство снабжено гидромотором непод вижной осью вращения с двумя внутреп нч ми продольными сверлениями и выточками ступицей с отверстиями установленной HS оси приводом и электрогенератором, пои

чем резервуары криогенного нагнетаге/г выполнены в виде ротора, состоящего л двух полых цилиндров, диаметрально npi крепленных к общей ступице и установке нь;х с возможностью принудителыюг j

вращения приводом на неподвижной оси два продольных сверления которой распо ложены одно под другим в вертикально1 плоскости, каждое сверление выходит в выточку наружной поверхности оси, кроме того, при вертикальном расположении полы цилиндров ротора нижний из ьих затоплег под уровень нижнего бьефа а его внутрен няя полость через отверстие в ступице, них ние выточку и сверление оси и подпиточны л

участок трубопровода гидравлически со общена с гидромотором, кинематичекм связанным с электрогенератором, npi этом верхний полый цилиндр незатоплен и через напорный участок трубопровода

верхние сверление и выточку оси также сообщен с гидромотором

Изобретение относится к экологии водных систем, в частности к экологии нижних бьефов ГЭС, расположенных в районах Сибири и Дальнего Востока, также к гидроэнергетике и машиностроению. Цель изобретения - охлаждение сбрасываемой воды до бытовых параметров, существовавших до образования водохранилища, и выработка электроэнергии. Способ регулирования воды в нижнем бьефе ГЭС заключается в охлаждении вытекающего потока из турбин ГЭС охлажденными на воздухе металлическими конструкциями - резервуарами криогенного нагнетателя. В устройстве для охлаждения воды и выработки энергии - криогенном нагнетателе - новым является преобразование расширения воды при замерзании в энергию расхода воды для чего служат резервуары криогенного нагнетателя, выполненные в виде ротора, состоящих из парных полых цилиндров, диаметрально прикрепленных к общей ступице и установленных с возможностью при- нудительного вращения приводом на горизонтальной неподвижной оси, имеющем продольные сверления и выточки на поверхности, совпадающие с отверстиями в ступице. При вращении ротора верхний незатопленный резервуар охлаждается, вода в нем замерзает с увеличением объема. В результате перетекания жидкости из верхнего резервуара в нижний, затопленный под уровень нижнего бьефа через трубопровод гидромотор с электрогенератором, отверстия в ступице, выточки и сверления в неподвижной оси, вырабатывается электроэнергия При повороте ротора на полный оборот охлажденный незатопленный резервуар занимает место затопленного нижнего. В результате теплообмена вода, сбрасываемая в нижний бьеф, охлаждается. 2 с.п. ф-лы, 4 ил сл с ixi о 00 о о

X

ft/2,2

ШЗ.З

Кдидромотору

15 a

От гидроноторц

te