Гидроаккумулирующая электростанция

 

Сущность изобретения: блоки гидроэлектростанций соединены водоводами с верхним и нижним водохранилищами. Каждый из трех блоков и цилиндров насосного блока содержит три насосных цилиндра, оголовник с камерой сгорания и гидравлическую камеру, установленную между цилиндрами. Насосный блок снабжен баллоном с сжатым воздухом, сжатым газом и водой под давлением, камерами высокого и назкого давления, подключенными водоводами к водохранилищам. В оголовниках выполнены камеры для природного газа и воздуха, соединенные с камерами сгорания трубками равной длины и подключенные к соответствующим баллонам. Между отверстиями трубок в камерах сгорания установлены электросвечи, в центре камер - термопорционные испарители, в верхней части - форсунки, подключенные к баллону с водой под давлением. Нижней частью камеры сгорания подключены выходным каналом распределительных вкладышей к расположенным под углом 120^o газоводам насосных цилиндров. Насосные цилиндры сообщены нижней частью посредством подпружиненной дверцы с камерой высокого давления воды, от камеры низкого давления воды отделены кольцевыми перегородками, имеющими возвратные пружины, установленные в камере низкого давления. Перегородки установлены с возможностью вхождения в кольцевые камеры, полости к - рых соединены трубками с газоводами. В цилиндрах установлены эластичные поршни, отделяющие газовые полости, от гидравлических, уплотненных дверцами. Верхние, нижние и средние датчики положения поршней и форсунки впрыска воды подключены к гидравлическим камерам. 6 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при проектировании гидроаккумулирующих электростанций.

Известен энергетический комплекс, имеющий верхнее и нижнее водохранилища, водоводы и гидротурбины с электрогенераторами, используемые при спуске воды, и паротепловой двигательный агрегат, используемый для подъема воды из нижнего водохранилища в верхнее. Известное устройство обладает низким КПД из-за неэффективного использования энергии воды и больших затрат на ее подъем существующим паротепловым двигателем, а также в силу его конструктивного несовершенства.

Задачей изобретения является повышение КПД.

Сущность изобретения заключается в том, что гидроаккумулирующая электростанция содержит установленный у нижнего водохранилища блок гидроэлектростанции, включающий электрогенератор и гидравлическую машину, насосный блок, при этом блоки сообщены водоводами с верхним и нижним водохранилищем, при этом она снабжена дополнительным блоком гидроэлектростанции, связанным водоводами с верхним и нижним водохранилищами, а насосный блок снабжен тремя блоками цилиндров, каждый из которых включает три насосных цилиндра, оголовник с камерой сгорания и гидравлическую камеру, установленную между насосными цилиндрами, кроме того, насосный блок снабжен баллоном со сжатым воздухом, сжатым газом и водой под давлением, а также камерами высокого и низкого давления, подключенными водоводами соответственно к верхнему и нижнему водохранилищам, в оголовниках выполнены камеры для природного газа и воздуха, соединенные с камерами сгорания трубками равной длины и подключенные соответственно к баллонам со сжатым природным газом и сжатым воздухом, между отверстиями трубок равной длины в камерах сгорания установлены электросвечи, в центре камер сгорания установлены термоинерционные испарители, в верхней части камер сгорания установлены форсунки, подключенные к баллону с водой под давлением, а в нижней части камеры сгорания подключены посредством выходного канала распределительных вкладышей к расположенным под углом 120^оС газоводам насосных цилиндров, насосные цилиндры сообщены нижней частью посредством подпружиненной дверцы с камерой высокого давления воды, а от камеры нижнего давления воды отделены кольцеобразными перегородками, имеющими возвратные пружины, установленные в камере низкого давления, при этом кольцевые перегородки установлены с возможностью вхождения в кольцевые камеры, полости которых соединены трубками с газоводами, причем кольцевая перегородка уплотнена относительно кольцевой камеры утолщениями на перегородках, в насосных цилиндрах установлены эластичные поршни, отделяющие газовые полости, подключенные к газоводам от гидравлических полостей уплотненных дверцами и кольцевыми перегородками, верхние, нижние и средние датчики положения поршней и форсунки впрыска воды, подключенные к гидравлическим камерам, при этом к газоводам насосных цилиндров подключены выходные трубы, перекрытые клапанами, а поверхности наклонных каналов вкладышей, газоводов и поршней, контактирующие с продуктами сгорания камер сгорания, имеют термоизоляционное покрытие.

Предлагаемая ГАЭС не имеет недостатков известных аналогов (в том числе и прототипа, хотя и более совершенного из известных) за счет насосного блока (с большим КПД, чем насосный блок прототипа), работающего в базисном режиме по перекачке воды из нижнего водохранилища в верхнее, и двух (первый и второй) блоков ГЭС с водоводами, гидротурбинами и электрогенераторами, вырабатывающими электроэнергию в часы "пик" за счет спуска воды из верхнего водохранилища в нижнее. Кроме того, блок ГЭС, согласованный по мощности с насосным блоком, включается в работу еще до наступления часов "пик" в тот момент, когда верхнее водохранилище наполнилось до проектной отметки.

ГАЭС работает в трех режимах: в насосном, в котором работа производится только насосным блоком, в режиме ТЭС, при котором производится работа насосным блоком и первым блоком ГЭС, и в "пиковом" режиме, при котором производится работа всеми блоками ГАЭС одновременно.

Благодаря такому устройству предлагаемый комплекс имеет при равном рабочем объеме водохранилищ с ГАЭС в 2-3 раза большую мощность в режиме часов "пик", в три раза больший КПД при работе в насосном режиме и дополнительную мощность при работе в режиме ТЭС.

На фиг. 1 дана схема ГАЭС; на фиг. 2 насос, вид сверху; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение А-А на фиг. 2, вид верхней части насоса в более крупном масштабе; на фиг. 5 сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 6 сечение В-В на фиг. 1.

ГАЭС имеет верхнее 1 и нижнее 2 водохранилища, насосный блок 3 с блоками цилиндров, водовод 4, блок 5 и дополнительный блок 6 ГЭС с водоводами 7 и 8, вытяжную трубу 9 и плотину 10 нижнего водохранилища 2.

Насосный блок 3 имеет камеру сгорания 11 шаровидной формы, помещенную в центре оголовника 12, на периферийной части которого находятся кольцевые камеры 13 и 14 соответственно для природного газа и сжатого воздуха и центральная камера 15 для сжатого воздуха. Камера сгорания 11 соединена с камерами 13, 14 и 15 трубками 16, через которые в камеру сгорания 11 поступают природный газ и сжатый воздух. Природный газ в камеру 13 поступает по патрубку 17 из баллона с редуктором (не показан), понижающим давление. Сжатый воздух под давлением поступает от компрессора 18 по патрубку 19 через баллон 20 со сжатым воздухом. Патрубки 17 и 19 перекрыты клапанами 21. Патрубок 19 с клапаном 21 подводит также сжатый воздух в камеру 15.

В камере 11 сгорания между отверстиями трубок 16, идущих от камер со сжатым воздухом и природным газом, установлены электросвечи 22. В центре камеры 11 установлен шаровой термоинерционный испаритель 23. Над ним установлена форсунка 24 с трубкой 25 и клапаном 26, идущей от баллона 27, в котором вода с помощью насоса поддерживается под давлением.

В нижней части камеры 11 установлен цилиндрический вкладыш 28, выходной канал 29 которого соединяет камеру 11 с газоводом 30 насосных цилиндров. Вкладыш 28 может быть повернут вокруг своей вертикальной оси на угол 120^о с помощью шагового электродвигателя 31, вал 32 которого жестко связан с конической шестерней 33, находящейся в зацеплении с конической шестерней вкладыша 28 и с конической шестерней опорного подшипника 34. С противоположной стороны конической шестерни 33 в зацеплении с коническими шестернями вкладыша 28 и подшипника 34 находится сателлитная шестерня 35. При повороте на 120^о вкладыша 28 он соединяет камеру 11 с газоводом 30 другого насосного цилиндра 36. От газовода 30 отходит вверх труба 37 выхлопных газов, перекрытая клапаном 38. Выхлопные трубы 37, отходящие от трех смежных насосных цилиндров 36, связанных с одной камерой сгорания 11, соединяются в одну трубу 39, а три трубы 39 соединяются в центральную выхлопную трубу 40.

Цилиндр 36 имеет упругий плавающий поршень 41, который изолирует горячие выхлопные газы, поступающие через газовод 30, от воды, находящейся под поршнем 41.

Под вкладышем 28 между цилиндрами 36 установлена гидравлическая камера 42, до половины заполненная водой из баллона 27 по трубке 43.

Ниже уровня воды в камере 42 установлены три форсунки 44 с клапанами, входящие в цилиндры 36, смежные с камерой 42.

В цилиндре 36 на его верхней и нижней торцовой стороне установлены электродатчики 45 и 46, фиксирующие верхнее и нижнее положения эластичного поршня 41. На цилиндрической поверхности цилиндра 36, на уровне ниже уровня установки форсунки 44, установлен электродатчик 47, фиксирующий прохождение мимо него поршня 41. Нижняя торцовая сторона цилиндра 36 выполнена в виде кольца 48, останавливающего движение поршня 41 вниз. Под кольцом 48 находится кольцевая камера 49, в которую возвратными пружинами 50 поднимается кольцевая перегородка 51. Верхняя часть камеры 49 соединена трубкой 52 с газоводом 30, верхняя часть камеры 49 соединена трубкой 52 с газоводом 30, а верхняя часть перегородки 51 имеет поршнеобразное утолщение 53, на которое воздействует давление выхлопных газов, отжимающих перегородку 51 в нижнее положение, при котором она препятствует проходу воды из цилиндра 36 в камеру 54 низкого давления. В таком положении перегородки 51 вода из цилиндра 36 поступает в камеру 55 высокого давления, открывая своим давлением, создаваемым выхлопными газами, дверцу 56, имеющую пружину на оси 57, закрывающую подпружиненную дверцу 56.

Вода в камеру 55 поступает во время рабочего хода поршня 41 из каждого цилиндра 36 в определенном порядке, установленном в программе работы, которая заложена в компьютер 58, управляющий работой клапанов 21, 24, 38, форсунок 24, 44, электросвечей 22 и шаговых электромоторов 31. Из камеры 55 вода поступает в водовод 4, а из него в верхнее водохранилище 1. В камеру 54 вода поступает из нижнего водохранилища 2 по водоводу 59. Из камеры 54 вода поступает в цилиндры 36 после завершения рабочего хода поршня 41 при закрытой дверце 56 с помощью пружины на оси 57 и при поднятой кольцевой перегородке 51 с помощью пружины 50.

Камера сгорания 11, выходной наклонный канал 29 вкладыша 28, газовод 30, поршень 41 и внутренние стенки цилиндров 36, соприкасающиеся с горячими выхлопными газами, имеют термоизолирующее покрытие 60, изображенное на фиг. 4 крестообразной штриховкой.

Цилиндры 36 насоса находятся в защитном корпусе 61 (фиг. 5), образующем замкнутое пространство, уменьшающее тепловые потери насоса. На фиг. 2 дан вид сверху насоса со снятой верхней торцовой крышкой корпуса 61, на фиг. 3 корпус 61 не показан.

Работа насоса производится по программам "пуск" и "остановка", заложенным в компьютер 58. При включении программы "пуск" открываются клапаны 21 и в камеры 13, 14 и 15 начинают поступать сжатый воздух и природный газ из баллона 20 со сжатым воздухом и из баллона со сжатым природным газом. Одновременно включаются устройства, обеспечивающие ритмичную работу электросвечей 22. При заполнении камеры сгорания 11 сжатым воздухом и природным газом через трубки 16 из камер 13, 14 и 15 происходит воспламенение топливной смеси от очередной искры электросвечи 22. В момент воспламенения повышаются температура продуктов сгорания до 2000^оС и давление до 200-300 кг/см². Раскаленные выхлопные газы небольшую часть своей тепловой энергии отдадут нагреву терминерционного испарителя 23, но основная часть их тепловой энергии затратится на расширение в газоводе 30 и цилиндре 36 на движение поршня 41 вниз. Поршень 41 передает давление выхлопных газов, оказанное на него, воде, находящейся под ним. Под взаимодействием давления выхлопных газов, поступивших через трубку 52 в камеру 49, опускается кольцевая перегородка 51. При этом давление воды в цилиндре 36 открывает дверцу 56 и вода из цилиндра 36 поступает в камеру 55 и далее в водовод 4.

После нескольких воспламенений топливной смеси в камере 11 сгорания компьютер 58 включает в работу форсунку 24 открытием клапана 26. Вода из форсунки 24 впрыскивается на термоинерционный испаритель 23 заданной порцией после того, как давление в камере 11 становится ниже давления в баллоне 27. При этом испарившаяся вода понижает температуру испарителя 23 и выхлопных газов в камере 11, но увеличивает их объем за счет образовавшегося пара и время воздействия высокого давления на поршень 41 за один цикл работы камеры сгорания 11. В результате этого увеличивается КПД двигателя.

В установившемся режиме работа камеры сгорания 11 происходит в виде вынужденного колебательного процесса с периодом колебаний, близким к периоду свободных колебаний. Темп колебаний задается компьютером 58 частотой включения электросвечей 22 зажигания, поджигающих топливную смесь, а также изменением давления природного газа путем изменения режима работы редуктора, через который проходит природный газ из баллона в камеру 3.

В установившемся режиме работы давление топливной смеси из природного газа и сжатого воздуха в момент ее воспламенения в камере 11 поднимается с 40-50 до 300-400 кг/см². Выхлопные газы устремляются в газовод 30 и давление за тысячные доли секунды падает до 150-170 кг/см². В этот момент происходит впрыск воды на термоинерционный испаритель 23 из форсунки 24. Образовавшийся пар уменьшает скорость падения давления за счет увеличения объема смеси выхлопных газов и пара. Парогазовая струя из газовода 30 поступает в цилиндр 36, а в камере 11 давление падает до 30-40 кг/см².

При воспламенении топливной смеси в камере 11 небольшая часть газов проникает в трубки 16, вытесняя из них сжатый воздух и природный газ в камеры 13, 14 и 15. Однако в камеры 13, 14 и 15 продолжают поступать (в силу инерции) сжатый воздух и природный газ, в результате чего давление в камерах 13, 14 и 15 поднимается до 60 кг/см² и более. Длина и диаметр трубок 16 выбираются такими, что до того как выхлопные газы доходят по ним до камер 13, 14 и 15, давление в камере 11 понижается до 40 кг/см², повышается давление в камерах 13, 14 и 15 до 60 кг/см², вытесняет из трубок 16 выхлопные газы в камеру сгорания 11 и заполняет ее топливной смесью, давление которой повышается до 50 кг/см², так как выхлопные газы с паром останавливаются давлением газов в цилиндре 36. В этот момент по команде компьютера 58 включаются электросвечи 22, поджигающие топливную смесь в камере 11, и начинается следующий цикл ее работы.

Поршень 41 при движении вниз под давлением выхлопных газов задевает электродатчик 47, который подает электроимпульс на компьютер 58. По команде компьютера 58 включается шаговый электродвигатель 31, вкладыш 28 поворачивается на 120^о и выхлопные газы из камеры 11 по наклонному каналу 29 вкладыша 28 направляются в смежный ("второй") цилиндр 36, который в этот момент уже заполняется водой до соприкосновения его поршня 41 с датчиком 45. Далее по команде компьютера 58 открывается клапан-форсунка 44 и в цилиндр 36 впрыскивается порция воды из гидравлической камеры 42, в которой вода находится под давлением 200 кг/см², поддерживаемым в баллоне 27, с которым камера 42 соединена трубкой 43.

Вода, впрыснутая форсункой 44, испаряется под действием высокой температуры выхлопных газов, увеличивая их давление на поршень 41, за счет уменьшения температуры до 200-250^оС. При дальнейшем движении поршня 41 вниз происходит расширение газов в цилиндре 36 с уменьшением их давления на поршень 41 и уменьшения их температуры до 150^оС в момент касания поршнем 41 электродатчика 46.

По сигналу электродатчика 46 компьютер 58 выдает команду на открытие клапана 38 выхлопной трубы 32, в результате чего давление в цилиндре 36 падает до атмосферного, поршень 41 останавливается кольцевым упором 48, дверца 56 закрывается под воздействием своей пружины, давление в камере 49 снижается до атмосферного (так как камера 49 соединена трубкой 52 с газоводом 30 у основания выхлопной трубы 37), кольцевая перегородка 51 под действием пружины 50 поднимается, соединяя цилиндр 36 с камерой низкого давления воды 54, и вода из камеры 54 под давлением 1,5-2 кг/см² начинает поступать в цилиндр 36, поднимая поршень 41 и вытесняя выхлопные газы в выхлопную трубу 37, 39 и 40. В момент касания поршнем 41 электродатчика 45 компьютер 58 выдает команду на закрытие клапана 38 и после получения сигнала от датчика 47 смежного цилиндра 36 выдает команду на включение шагового двигателя 31, поворачивающего цилиндрический вкладыш на 120^оС для переключения камеры сгорания 11 с третьего цилиндра 36 на первый. (До этого в начале движения поршня 41 вверх в первом цилиндре 36 состоялось переключение камеры сгорания 11 со второго цилиндра 36 на третий поворотом вкладыша 28 на 120^о).

С переключением камеры 11 на первый цилиндр 36 начинается следующий цикл работы трех смежных цилиндров 36 от одной камеры сгорания 11. Работа двух других камер сгорания 11 насоса со своими цилиндрами 36 производится аналогично, но по времени сдвинута на 1/3 и 2/3 хода поршня 41 от датчика 45 до датчика 47 с целью более равномерного поступления воды в камеру 55 из цилиндров 36.

Остановка насоса производится компьютером 58 в следующем порядке. По команде компьютера 58 закрываются все клапаны 21, 26 и 38 и выключается питание электросвечей 22. Кроме того, в компрессоре 18 закрывается клапан (не показан), пропускающий сжатый воздух из компрессора 18 в баллон 20 по трубке 19, а также закрывается клапан на трубе, идущей из насоса (не показан) в баллон 7. Эти клапаны самозакрывающиеся, одностороннего направления пропускания воздуха и воды.

Блоки 5, 6 ГЭС предназначены только для спуска воды из верхнего водохранилища 1 в нижнее. Поэтому они имеют на 10% больший КПД, чем гидротурбины известных ГАЭС, предназначенных как для работы в режиме ГЭС, так и для работы в режиме насоса для перекачки воды в ночное время из нижнего водохранилища в верхнее. Например, в предлагаемых блоках ГЭС турбины могут состоять из двух колес, вращающихся под напором воды во взаимно противоположных направлениях, при этом вал одного колеса гидротурбины соединен с ротором, а вал другого со статором электрогенератора. Такое устройство увеличивает КПД гидротурбины на 10-12% по сравнению с одноколесной гидротурбиной, применяемой в известных ГАЭС с электрогенератором, приспособленным одновременно для работы в режиме электродвигателя. С учетом сопротивления движению воды, оказываемым водоводами, КПД турбин известных ГАЭС можно принять равным 0,8, а КПД турбины данной ГАЭС 0,9.

Водоводы блоков ГЭС 7 и 8 имеют заслонки 62 и 63 (фиг. 1), которые поднимаются перед отверстиями водоводов 7 и 8 для пуска гидротурбин этих блоков и опускаются, перекрывая водоводы 7 и 8, для прекращения работы блоков ГЭС. Водовод 4 не нуждается в такой заслонке, так как в случае прекращения работы насоса 3 в его цилиндрах 36 создается давление выхлопных газов и сжатого воздуха, равное давлению воды в водоводе 4, и к тому же дверца 56 перекрывает доступ воды из камеры 55 в цилиндры 36.

КПД насосного блока по перекачке воды из нижнего водохранилища в верхнее можно принять равным 0,7. Следовательно, КПД предлагаемой ГАЭС равно 0,7х0,9= 0,63. Таким образом, КПД ГАЭС больше КПД современных ГАЭС в 0,63: 0,17=3,6 раза.

По сравнению с ТЭС предлагаемая ГАЭС имеет КПД в 1,5 раза больше, чем объясняется целесообразность одновременной pаботы перед часами "пик" насосного блока, перекачивающего воду из нижнего водохранилища в верхнее, и спуска этой воды из верхнего водохранилища в нижнее через первый блок 5 ГЭС. Такой режим работы известных ГАЭС невозможен

Формула изобретения

ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая установленный у нижнего водохранилища блок гидроэлектростанции, включающий электрогенератор и гидравлическую машину, насосный блок, при этом блоки сообщены водоводами с верхним и нижним водохранилищами, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным блоком гидроэлектростанции, связанным водоводами с верхним и нижним водохранилищами, а насосный блок снабжен тремя блоками цилиндров, каждый из которых включает три насосных цилиндра, оголовник с камерой сгорания и гидравлическую камеру, установленную между насосными цилиндрами, кроме того, насосный блок снабжен баллоном со сжатым воздухом, сжатым газом и водой под давлением, а также камерами высокого и низкого давления, подключенными водоводами соответственно к верхнему и нижнему водохранилищам, в оголовниках выполнены камеры для природного газа и воздуха, соединенные с камерами сгорания трубками равной длины и подключенные соответственно к баллонам со сжатым природным газом и сжатым воздухом, между отверстиями трубок равной длины в камерах сгорания установлены электросвечи, в центре камер сгорания установлены термоинерционные испарители, в верхней части камер сгорания - форсунки, подключенные к баллону с водой под давлением, а в нижней части камеры сгорания подключены посредством выходного канала распределительных вкладышей к расположенным под углом 120^o к газоводам насосных цилиндров, насосные цилиндры сообщены нижней частью посредством подпружиненной дверцы с камерой высокого давления воды, а от камеры низкого давления воды отделены кольцевыми перегородками, имеющими возвратные пружины, установленные в камере нижнего давления, при этом кольцевые перегородки установлены с возможностью вхождения в кольцевые камеры, полости которых соединены трубками с газоводами, причем кольцевая перегородка уплотнена относительно кольцевой камеры утолщениями на перегородках, в насосных цилиндрах установлены эластичные поршни, отделяющие газовые полости, подключенные к газоводам, от гидравлических полостей, уплотненных дверцами, и кольцевыми перегородками, верхние, нижние и средние датчики положения поршней и форсунки впрыска воды, подключенные к гидравлическим камерам, при этом к газоводам насосных цилиндров подключены выходные трубы, перекрытые клапанами, а поверхности наклонных каналов вкладышей, газоводов и поршней, контактирующие с продуктами сгорания камер сгорания, имеют термоизоляционное покрытие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6