Способ жидкостного аккумулирования электроэнергии
Изобретение относится к области производства и перераспределения электроэнергии в промышленном масштабе, а именно к аккумулированию потенциальной энергии рабочего тела (жидкости). Способ жидкостного аккумулирования электроэнергии заключается в перекачке жидкого рабочего тела из нижнего в верхний бьеф по трубопроводам со встроенными обратимыми гидроагрегатами в ночное время суток. Запасенную потенциальную энергию жидкости используют для сглаживания пиковых нагрузок в дневное время. В качестве жидкого рабочего тела используют взвесь металлической пульпы в масле. В качестве нижнего бьефа используют замкнутый подземный объем искусственного или естественного происхождения. Изобретение позволяет повысить эффективность регулирования суточных электронагрузок в районах с отсутствием водных ресурсов и больших перепадов высот местности.
Изобретение относится к области производства и перераспределения электроэнергии в промышленном масштабе, именно, к аккумулированию потенциальной энергии рабочего тела (жидкости) путем перекачки ее на более высокий уровень в ночное время, когда имеется минимум потребителей электроэнергии, и дальнейшего использования запасенной таким образом жидкости, для производства дополнительной электроэнергии для потребителей в дневное время, когда наблюдается максимум потребителей.
В качестве прототипа изобретения взят способ аккумулирования и перераспределения электроэнергии, применяемый в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Известен ряд промышленных объектов и проектов, в которых реализован этот способ.
1. Загорская ГАЭС используется для выравнивания суточной неоднородности графика нагрузок. Во время ночного провала энергопотребления ГАЭС закупает дешевую электроэнергию, закачивая воду в верхний бьеф. Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС продает дорогую пиковую электроэнергию, сбрасывая воду из верхнего бьефа в нижний. Также Загорская ГАЭС решает важную роль создания аварийного резерва энергосистемы. Состав сооружений ГАЭС: земляная плотина на реке Кунья (нижний бьеф); дамбы, образующие верхний бассейн; напорные водоводы; здание ГАЭС. Мощность ГАЭС - 1200/1320 мегаватт (в турбинном/насосном режимах), выработка - 1950 миллионов киловатт-часов. В здании ГАЭС установлено 6 обратимых гидроагрегатов радиально-осевого типа мощностью по 200/220 мегаватт, работающих при расчетном напоре 100 метров.
2. Проект Загорской ГАЭС-2. Проектная мощность этой ГАЭС - 840 мегаватт (4 обратимых гидроагрегата по 210 мегаватт).
3. Киевская ГАЭС. Она используется в остропиковом графике нагрузки. Нижним бьефом ГАЭС служит водохранилище Киевской ГЭС. Верхний водоем создан искусственно на высоком берегу Днепра. Полная вместимость верхнего водоема 4,6 миллиона кубических метров, полезная - 3,6 миллиона кубических метров. Разность отметок на участке «верхний водоем - водохранилище» составляет 73 метра, расчетный напор - 65 метров. Здание ГАЭС соединено с верхним водоемом металлическими напорными водоводами.
На Киевской ГАЭС установлены шесть гидроагрегатов общей мощностью в генераторном режиме 225 мегаватт. Мощность трех обратимых агрегатов в насосном режиме 120 мегаватт. Обратимые гидроагрегаты в ночное время и в часы «провала» нагрузки работают в качестве мотор-насосов для закачки воды в верхний водоем. Время наполнения верхнего бассейна 7 часов, что обеспечивает работу ГАЭС в пиковом режиме в течение 3 часов. Для реализации прототипа необходимы водный ресурс (река), наличие или строительство верхнего и нижнего бьефов (пристанционных водохранилищ) и достаточно большой перепад высот между последними (от 60 метров). Указанные условия ограничивают применимость прототипа.
Предлагаемый способ снимает ряд ограничений и позволяет осуществлять регулирование суточных электронагрузок в районах с отсутствием водных ресурсов и больших перепадов высот местности. Указанные преимущества, в частности, позволяют применение предлагаемого способа на атомных электростанциях, расположение которых не привязано к наличию гидроресурса и рельефу местности.
Предлагаемый способ жидкостного аккумулирования электроэнергии отличается тем, что для увеличения потенциальной энергии жидкости в верхнем бьефе используется масляно-металлическая взвесь (пульпа), имеющая плотность, значительно превышающую плотность воды (до 3,5 тонн на кубический метр). Поскольку потенциальная энергия пропорциональна и высоте перепада уровней, и плотности жидкости, увеличение плотности эквивалентно увеличению перепада высот в случае использования воды. Таким образом, использование пульпы с плотностью, например, в два раза превышающую плотность воды, на заданном перепаде высот вдвое увеличит потенциальную энергию закачиваемой в верхний бьеф пульпы. Соответственно, вдвое увеличится и производство электроэнергии во время пиковых нагрузок потребления. Это преимущество предлагаемого способа дает следующие возможности:
а) уменьшить стоимость производимой электроэнергии при тех же затратах;
б) уменьшить объемы верхнего и нижнего бьефов при производстве того же количества электроэнергии;
в) уменьшить перепад высот бьефов. Например, если плотность пульпы превышает вдвое плотность воды, то для получения того же запаса потенциальной энергии в случае использования пульпы достаточен перепад высот уровней бьефов в два раза меньший, чем в прототипе (т.е. в случае использования воды).
Указанные преимущества предполагают возможность строительства жидкостно-аккумулирующих электростанций (ЖАЭС) в местностях со слабыми перепадами рельефа и отсутствием гидроресурса. Более того, появляется возможность использования подземных полостей естественного или искусственного происхождения в качестве нижнего бьефа ЖАЭС.
Примером может служить неиспользуемый тоннель ускорительного кольца в г.Протвино Московской области. Объем тоннеля около 800 000 кубических метров. При плотности пульпы в 2 тонны на кубический метр этот объем эквивалентен нижнему бьефу ГАЭС в 1,6 миллионов кубических метров, что сравнимо с параметрами указанных выше прототипов. Центр сечения тороидального тоннеля расположен на глубине порядка 50 метров. Эта величина определяет средний перепад высот бьефов. Для реализации предлагаемого способа необходимо соорудить верхний бассейн, соединить его с тоннелем трубопроводами, в контур которых включены энергоблоки - обратимые гидроагрегаты, и включиться в региональную сеть энергоснабжения.
В конечном итоге, реализация предлагаемого способа осуществляется в ЖАЭС - автономном элементе сетей энергоснабжения, предназначенном оптимизировать работу этих сетей. Способ оптимизации сводится к аккумулированию электроэнергии и использованию этого энергоисточника для сглаживания пиковых нагрузок. ЖАЭС - это силовая машина, состоящая из верхнего и нижнего бьефов (бассейнов), рабочего тела - масляно-металлической пульпы, и силового блока обратимых гидроагрегатов, встроенного в трубопровод, соединяющий бьефы.
Основным элементом, отличающим предлагаемый способ от прототипов, является рабочее тело - масляно-металлическая пульпа. Она представляет собой смесь масла, вязкость которого порядка вязкости машинных масел, и металлической дроби, производимой в промышленных масштабах для дробеструйной очистки поверхностей. Расчеты движения частиц дроби в вязкой среде масла дают верхнюю оценку диаметра частиц - 1 миллиметр. Частицы рабочего тела должны иметь размеры 0,1-1 миллиметр. Нижнее ограничение возникает из-за усиления эффекта слипания частиц слишком мелкого размера. Таким образом, пульпа представляет собой неустойчивую взвесь металлических частиц в масле. Наличие в пульпе металлических частиц приводит к повышению средней плотности пульпы. При соотношении масло-металл 1:1 средняя плотность пульпы приблизительно в 3,5 раза превышает плотность воды. Поток пульпы при этом все еще остается потоком металлических частиц в масляной среде, т.е. ведет себя подобно потоку жидкости. Следовательно, потенциальная энергия единицы объема рабочего тела в верхнем бьефе в 3,5 раза больше, чем, если бы этот объем занимала вода. В частности, водяной эквивалент объема тоннеля в приведенном выше примере реализации способа равен 2,8 миллионов кубических метров, т.е. сравним с аналогичными объемами бьефов ГАЭС. Это дополнительно подтверждает технологическую возможность реализации способа.
Абразивное воздействие металлических частиц (дроби) на материал трубопроводов и лопастные системы гидроагрегатов снижено за счет овальной формы частиц и наличия масляной среды, являющейся смазкой для всех трибопар.
Применение пульпы в качестве рабочего тела вместо воды дает дополнительную возможность регулировки различных параметров процесса выработки электроэнергии. Это достигается за счет установки емкостей с дробью и/или маслом с инжекторами в трубопровод на участке между верхним бьефом и энергоблоком. С помощью дозированной подачи дополнительного масла/дроби производится локальное изменение плотности пульпы в небольшом участке потока непосредственно перед гидроагрегатами, что позволяет менять усилие напора, частоту вращения и другие параметры системы с целью регулировки.
В экономическом аспекте предлагаемого способа наибольшую сложность представляет большая стоимость масла. Однако в качестве масла можно использовать масляную отработку двигателей и промышленности, что представляется экологическим преимуществом, учитывая сложность утилизации масляной отработки.
Способ жидкостного аккумулирования электроэнергии, заключающийся в перекачке жидкого рабочего тела из нижнего в верхний бьеф по трубопроводам со встроенными обратимыми гидроагрегатами в ночное время суток и использовании запасенной потенциальной энергии жидкости для сглаживания пиковых нагрузок в дневное время, отличающийся тем, что в качестве жидкого рабочего тела используют взвесь металлической пульпы в масле, а в качестве нижнего бьефа - замкнутый подземный объем искусственного или естественного происхождения.
