Гидроаккумулирующая электростанция Советский патент 1982 года по МПК E02B9/00 

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к гидроаккумулирующим электростанциям.

Известна гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), предназначен- , ная для выравнивания графиков нагрузки энергетических систем и состоящая из верхнего бассейна, нижнего бассейна и связанного с бассейнами водоводами гидроагрегатного блока.

Гидроагрегатный блок расположен в здании ГАЭС и состоит из обратимой электрической машины (моторагенератора) и обратимой гидромашины (насоса-турбины).

Цикл работы ГАЭС включает два режима: режим зарядки и режим разрядки .

При зарядке ГАЭС в часы провала графика нагрузки в энергосистеме она потребляет энергию из электро-сети, электрическая машина работает в реядаме мотора, гидромашина - в насосном режиме, вода из нижнего бассейна нагнетается в верхний. ГАЭС аккумулирует энергию.

При разрядке ГАЭС в часы пика нагрузки в энергосистеме вода из верхнего бассейна сливается в нижний, гидромашина работает в турбинном режиме, электрическая машина в режиме генератора, электроэнергия поступает .в сеть. Мощность ГАЭС определяется произведением статического напора, равного разности отметок высот верхнего и нижнего бассейнов, и расхода воды через гидроагрегатный блок. Чем выше статический напор, тем выше мощ10ность ГАЭС, или при заданной мощности меньше расход воды и объем бассейнов. В качестве верхнего и нижнего бассейнов используются естественные или искусственные открытые водоемы, 15 расположенные на различной высоте С1.

Недостатком такой электростанции . является большая зависимость напора от рельефа местности. В равнинных условиях ее эффективность значитель20но уменьшается.

Иэбестна также гидроаккумулирующая электростанция, включающая герметичный верхний резервуар, соединенный посредством трубопровода с

25 вентилем с источником сжатого газа, гидроагрегатный блок, соединенный трубопроводом с верхним резервуаром и нижний резервуар, сообщенный с (атмосферой, и соединенный трубопро ,водом с гидроагрегатным блоком. В этой ГАЭС напор обусловлен гидростатическим напором столба воды между резервуарами и давлением сжатого газа верхнем резервуаре, что при заданной мощности станции позволяет снизить заглубление нижнего резервуара или повысить мощность при неизменном заглублении. Напор электростанции Н в данном сл чае определяется формулой Р - РО- / статический напор, равный разности отметок верхнего и нижнего резервуаров; давление в газовом объеме (газовой подушке) верхнего резервуара; -давление воздуха над поверхностьго воды в нижнем резервуаре; -плотность воды; -ускорение свободного паде ния. Для увеличения суммарного напора необходимо повышать давление газа в верхнем резервуаре и понижать в нижнем. Р - rVi Дополнительный напор -- ется при разрядке ГАЭС по мере опор нения верхнего резервуара и увеличе ния в нем газовой подушки. При поли пическом законе расширения газа в верхнем резервуаре его давление уме шается в соответствии с известной зависимостью Р Ри ( где PU - давление в газовой подушке верхнего резервуара в нач разрядки ГАЭС; , . объем газовой подушки верх него резервуара в начале разрядки ГАЭС; текущий объем газовой под ки верхнего резервуара в процессе его опорожнения; п - показатель .политропы расш рения. в конце разрядки ГАЭС объем газово подушки становится равныг объему всего верхнего резервуара (или бли ким к нему). Для уменьшения падени давления газа в верхнем резервуаре при работе ГАЭС необходимо при ее проектировании увеличивать расчетн отношение начального объема газово подушки к объему всего верхнего ре зервуара, т.е. строить верхний рез вуар на объем, значительно превышающий объем воды 2. Недостатками устройства являютс снижение мощности ГАЭС при работе ее в режиме разрядки, обусловленно снижением давления газа в верхнем резервуаре, а также высокая стоимость строительства верхнего резервуара, связанная с необходимостью превышения его суммарного объема над объемом воды, нужной для работы ГАЭС. Оба недостатка.взаимосвязаны. При относительно малой начальной газовой подушке верхнего резервуара происходит слишком резкое падение в верхнем резервуаре, но уменьшается стоимость строительства ГАЭС из-за снижения объема верхнего резервуара. При относительно большой начальной газовой подушке верхнего резервуара снижение давления уменьшается, но возрастает стоимость строительства из-за увеличения объема верхнего резервуара. Цель изобретения - повышение эффективности работы гидроаккумулирующей электростанции. Цель достигается тем, что гидроаккумулирующая электростанция снабжена дополнительным герметичным нижним резервуаром, соединенным трубопроводом с гидроагрегатным, блоком, и сообщенным трубопроводами с вентилями с верхним резервуаром и атмосферой, причем трубопроводы, соединяющие нижние резервуары с гидроагрегатным блоком, снабжены затворами. Кроме того, в ней отношение объе-. ма одного резервуара с нижнего бьефа к объему другого составляет 0,9-1,1. На фиг. 1 изображена схема гидроак кумулирующей электростанции; на фиг. 2 - график зависимости относительного давления в газовой подушке верхнего резервуара от относительного объема воды, прошедшей через гидроагрегатный блок в процесс се разрядки ГАЭС; на фиг. 3 - график зависимости относительного давления в газовой подушке верхнего резервуара в конце его опорожнения от относительного объема начальной газовой подушки верхнего резервуара, гле V, - объем жидкости (воды), необходимой для работы ГАЭС; V - объем верхнего резервуара 1; Vj - объем резервуара 3; Уф - объем резервуара 4, предполагается, что давление газа в резервуаре 1 в начале разрядки ГАЭС; давление газа в резервуаре 1 в конце цикла разрядки ГАЭС; текущее значение давления в резервуаре 1 при разрядке ГАЭС; относительный объем начальной газовой подушки в резервуаре 1, r. - относительный объем резер вуара 4; относительное текущее давление газа в резервуаре 1; относительное конечное давление газа в резервуаре 1; объем воды, прошедшей через турбину в процессе разрядки ГАЭС; относительный объем воды, прошеди1ей через турбину в процессе разрядки ГАЭС, , . Основныгли частями гидроаккумулирующей электростанции являются верхний резервуар 1, выполненный в виде герметичной емкости, гидроагрегатный блок 2, нижний резервуар 3 и герметичный резервуар 4.. Верхний резервуар 1 в своей нижней части соединен трубопроводом 5 с гидроагрегатным блоком 2, а в своей верхней части - трубопроводом 6 чере венткяь 7 с источником 8 сжатого газа. Гидроагрегатный блок 2 соединен трубопроводом 9 через затвор 10 с нижней частью резервуара 3, а трубопроводами 9 и 11 через затвор 12 с Нижней частью резервуара 4. Резервуа 3соединен в своей верхней части тру проводом 13 с атомосферой. Резервуар 4в своей верхней части соединен тру бопроводами 14 и 15 через вентиль 16 с верхней частью резервуара 1, а тру бопроводом 17 через вентиль 18 с атмосферой. Работа предложенной ГАЭС происходит следующим образом, В исходном положении резервуары 3 и 4, трубопроводы 5, 9 и 11 заполнены водой, затворы 10 и 12, а также вентили 7 и 18 закрыты. Вентиль 16 открыт. Верхний резервуар 1 заполнен воздухом. Начинается процесс:зарядки ГАЭС, для чего открывают -затвор 12 и подают электроэнергию на гидроагрегатный блок 2. Электрическая машина, работающая в режиме мотора, начинает вращать обратимую гидромашину, „работающую 1-в насосном режиме. Воду из резервуара 4 по трубопроводам 11, 9 .и 5 перекачивают в верхний резервуар 1, а воздух из него вытесняют по трубопроводам 15 и 14 в резервуар 4, В момент опорожнения резервуара 4 затвор 12 закрывают, а затвор 10 открывают. Начинают перекачку воды из резервуара 3. В момент его полного опорожнения затвор 10 закрывают и прекращают подачу электроэнергии на гидроагрегатный блок 2. Далее открывают вентиль 7 и сжатый воздух от источника 8 сжатого газа (например, компрессора) по трубопроводу 6 подают в верхний резервуар 1 и далее по трубопроводу 15 и 14 в резервуар 4. После достижения заданного давления вентиль 7 закрывают. ГАЭС находится в состоянии зарядки. процесс разрядки ГАЭС происходит следующим образом. Подают команду на открытие затвору 10. После открытия затвора 10 вода под действием разности высот верхнего резервуара 1 и нижнего резервуара 3, а также давления в газовой подушке верхнего резервуара 1, устремляется из резервуара 1 по трубопроводу 5 в гидроагрегатный блок 2 и далее по трубопроводу 9 через затвор 10 в резервуар 3. Обратимая машина начинает работать в режиме турбины, а электрическая машина в режиме генератора. Начинается подача энергии в электросеть. Благодаря тому, что объем начальной газовой подушки равен не только объему газа в резервуаре 1 (как в известном устройстве), но и включает в себя обьем резервуара 4, падение давления газа в резервуаре 1 происходит значительно медленнее, чем в известном устройстве. В результате этого и мощность ГАЭС в процессе разрядки падает значительно медленнее. После полного заполнения резервуара 3 затвор 10 и вентиль 16 закрывают, а затвор 12 и вентиль 18 открывают . Вода из гидрбагрегатного блока 2 по трубопроводам 9 и 11 поступает в резервуар 4. Воздух из резервуара 4 стравливают по трубопроводам 14 и 17 в атмосферу. Газ в резервуаре 1 продолжает расширяться, создавая необходимое повышение напора и мощности ГАЭС. После заполнения резервуара 4 затвор 12 и вентиль 18 закрывают, а вентиль 16 открывают. ГАЭС находится в исходном положении и готова к зарядке. При последующих циклах работы источник 8 сжатого газа не обновляет весь запас газа, а восполняет лишь утечки из системы. На фиг. 2 в качестве примера представлены расчетные зависимости изменения величины относительного давления газа Р в резервуаре 1 от величины относительного объема воды VT , прсяиедшей через турбину в процессе разрядки ГАЭС. Величина Q соответствует началу разрядки, а - полной разрядке (опорожнению резервуара 1). Расчеты приведены для /X 0,1 и нескольких значений ft. Величины (i 0 и (Ь 1 т.е. случай наличия одного нижнего резервуара, соответствуют известному устройству. Предполагалось, что процесс расширения газа - изотермический с показателем политропы п 1. Все кривые выходят из начальной точки Р 1 при VT 0 и понижаются в соответствии с опорожнением верхнего резервуара 1 и ростом V. Наиболее сильное падение давления наблюдается у известного устройства л наиболее слабое - у ГАЭС с отношением /1 0,5. Все кривые, относящи ся к величине 0(, лежат вьше КРИ.ВОЙ, соответствующей (р 1 ), что доказывает наличие положительно го эффекта применения предложенной ГЛЭС, Переломы на кривых с величино 0. соответствуют моменту заполн ния резервуара 3 при разрядке ГАЭС. Оптимальной является величинар 0,5 . означа}01)1ая равенство объемов резервуаров 3 и 4. Поскольку в предложенной ГАЭС суммарный рабочий объем газовой под ки в верхнем резервуаре 1 равен сум ме объемов газа ,в этом резервуаре и в резервуаре 4, то эффективность ГАЭС должна меняться при изменении начального объема газовой подушки в самом резервуаре 1. На фиг. 3 представлены результаты расчета зависимости относительного конечного Давления газа Рк в резервуаре 1, отражающего падение мощности ГАЭС в процессе разрядки, от относительного объема начальной газовой подушки в этом резервуаре. Чем больше Р, тем эффективней ГАЭС. Кривая 19 имеющая уравнение Р| -i ;- , соот ветствует известному устройству, а кривая 20, подсчитанная для оптимал ного /5 0,5 и имеющая уравнение Л. P i+t, предложенной ГАЭС Кривая 20 (фиг. 3) лежит всегда выше кривой 19, т.е. предложенная ГАЭС всегда эффективней известного устройства. С увеличением объема верхнего резервуара 1 при неизменном запасе воды (увеличении/it) эффективность предложенной ГАЭС уменьшается и приближается к эффективности известного устройства, однако необходимость создания верхнего бассейна увеличенного объема сильно удорожает строительство ГАЭС. Проведем от точки пересечения кривой 20 с осью ординат прямую (фиг. 3), параллельную оси абсцисс и пересекающую кривую 19 при значе;: НИИ ,34. Это значит, что предложенная ГАЭС с/.0, т.е. с нулевым .газовым объемом в верхнем резервуаре l, равна по эффективности известному устройству, имеющему объем подушки, соответствующий/л,0 , 34. Она кроме того превышает по эффективности известное устройство ,34. Формула Изобретения 1.Гидроаккумулирующая электростанция, включающая герметичный верхний резервуар, соединенный .средством трубопровода с вентилем ;с ИСТОЧНИКОМ сжатого газа,гидроагрегатный блок,соединенный трубопроводом с верхним резервуаром, и нижний реэерВуар, сообщенный с атмосферой, и соединенный трубопроводом с гидроагрегатным блоком, отличающаяся тем-, что, с целью повышения эффективности работы, она снабжена дополнительным герметичным нижним резервуаром, соединенным трубопроводом с гидроагрегатным блоком, и сообщенным трубопроводами с вентилями с верхним резервуаром и атмосферой, причем, трубопроводы, соединяющие нижние резервуары с гидроагрегатным блоком, снабжены затворами. 2.Электростанция по п.1, о т лич ающаяся тем, что отношение объема С1ДНОГО резервуара нижнего бьефа к объему другого составляет 0,9-1,1. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Аргунов П.П. Гидроэлектрические станции, Киев, I960, с. 415-419. . 2.Авторское свидетельство СССР № 746028, кл. Е 02 В 9/00, 1979 (ПРОТОТИП).

А 1 6 ,/5 ,/ffл /7

1-nxJ-rHx -

Л

а

O.S

OS

Zff

аз

,8IZf.f JH

Фие.3