Гидроаккумулирующая электростанция

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ р>953078

ФЕ ъ а %. (61) Дополнительное к авт. свид-ey— (22) Заявлено 2204Я1 (21) 3281882/29-15 с присоединением заявки № (23) ПриоритетОпубликовано 230882. Бюллетень ¹ 31

Дата опубликования описания 230882

)51) М К1т з

Е 02 В 9/00

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений. и открытий (53) УДК621. 311. .21(088.8) (72) Автор изобретения

ВЖОВЕНЮ

i Ч,„им„, И

2 ЯфЯффф Яфф

В.П. Водяницкий (71) заявитель (54 ) ГИДРОАККУМУЛИРУКМЦАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

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

Известна гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), предназначенная для выравнивания графиков нагрузки энергетических систем и ñîñтоящая 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 режиме 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 мощность ГАЭС, или при заданной мощности меньше расход воды и объем бассейнов; В качестве верхнего и нижнего бассейнов используются естественные или искусственные открытые водоемы, расположенные на различной высоте С13, Недостатком такой электростанции . является большая зависимость напора от рельефа местности. В равнинных условиях ее эффективность значительно уменьшается.

Известна также гидроаккумулирующая электростанция, включающая герметичный верхний резервуар, соединенный посредством трубопровода с вентилем с источником сжатого газа, гидроагрегатный блок, соединенный трубопроводом с верхним резервуаром и нижний резервуар, сообщенный с

1атмосферой, и соединенный трубопро,водом с гидроагрегатным блоком.

953078

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 случае определяется формулой

1О

Н=Н, + Ро р Ф где Н вЂ” статический напор, равный разности отметок верхнего и нижнего резервуаров; 15

P — давление в газовом объеме (газовой подушке) верхнего резервуара;

Р— давление йоздуха над поо нерхностью воды в нижнем резервуаре; р — плотность воды; д — ускорение снободного падения.

ДЛя увеличения суммарного напора необходимо повышать давление газа в верхнем резервуаре и понижать в нижнем.

P - Ц)

Дополнительный напор меняРд .30 ется при разрядке ГАЭС по мере опорож. нения верхнего резервуара и увеличения в нем газоной подушки. При политропическом законе расширения газа в верхнем резервуаре его давление уменьшается в соответствии с известной 35 зависимостью р = р„(- -)

VH где p - давление в газовой подушке 40 н верхнего резервуара в начале разрядки ГАЭС;

V — объем газовой подушки верхн него ре з ервуара в н ачале разрядки ГАЭС; 45

V — текущий объем газовой подушки верхнего резервуара в г процессе его опорожнения.;

n — показатель политропы расширения.

SO

В конце разрядки ГАЭС объем газовой подушки становится равным объему всего верхнего резервуара (или близким к нему). Для уменьшения падения давления газа в верхнем резервуаре при работе ГАЭС необходимо при ее проектировании увеличивать расчетное отношение начального объема газовой подушки к объему всего верхнего резервуара, т.е. строить верхний резервуар на объем, значительно превы- 60 шающий объем воды j=).

Недостатками устройства являются снижение мощности ГАЭС при работе ее н режиме разрядки, обусловленное снижением давления газа н верхнем резервуаре, а также высокая стоимость, строительства верхнего резервуара, связанная с необходимостью превышения его суммарного объема над объемом воды, нужной,цля 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 резернуара. При относительно большой начальной газовой подушке верхнего реэернуара снижение давления уменьшается, но возрастает стоимость строительства иэ-эа 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 гидроаккумулирующей электростанции; на фиг. 2 — график зависимости относительного давления в газовой подушке верхнего резервуара от относительного объема воды, прошедшей через гидроагрегатный блок в процессе 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. где Ч - объем жидкости (ноды), необходимой для работы ГАЭС;

V — объем верхнего резервуара 1;

Ч3 — объем резервуара 3;

V4 — объем резервуара 4, предполагается, что

V3+ VW= я

Є— давление газа в ре з ерв уаре 1 в начале разрядки ГАЭС;

P - давление газа в резервуаК ре 1 в конце цикла разрядки ГАЭС;

Р— текущее значение давления в резервуаре 1 при разрядке ГАЭС;

v„-v

- относительный объем началь ж ной газовой подушки в резервуаре 1, 953078 относительный объем резерЧф вуара 4;

p-- — — относительное текущее давP ление газа в резервуаре 1;

P„= — — относительное конечное давРх

P и ление газа в резервуаре 1;

V — объем воды, прошедшей через турбину в процессе разрядки

ГАЭС;

Чт

° V = ч.- — относительный объем воды, прошедшей через турбину в процессе разрядки ГАЭС, 0< V„» t. 15

Основными частями гидроаккумулирующей электростанции являются верхний резервуар 1, выполненный в виде герметичной емкости, гидроагрегатный блок 2, нижний резервуар 3 и герме-. тичный резервуар 4.

Верхний резервуар 1 в своей нижней части соединен трубопроводом 5 с гидроагрегатным блоком 2, а в своей верхней части — трубопроводом 6 через 25 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. Резервуар

3 соединен в своей верхней части трубопроводом 13 с атомосферой. Резервуар

4 в своей верхней части соединен трубопроводами 14 и 15 через вентиль 16 с верхней частью резервуара 1, а тру- 35 бопроводом 17 через вентиль 18 с атмосферой.

Работа предложенной ГАЭС происходит следующим образом.

В исходном положении резервуары 4р

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 45

ГАЭС, для чего открывают затвор 12 и подают электроэнергию на гидроагрегатный блок 2. Электрическая машина, работающая в режиме мотора, начинает вращать обратимую гидромашину, работающую1 в насосном режиме.

Воду из резервуара 4 по трубопроводам 11, 9 .и 5 перекачивают в верхний резервуар 1, а воздух иэ него вытесняют по трубопроводам 15 и 14 в

55 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 затвора 10. После открытия затвора 10 вода под действием разности высот верхнего резервуара 1 и нижнего резервуа= ра 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 иэ гидроагрегатного 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

Ч, прошедшей через турбину в процессе разрядки ГАЭС. Величина Ч =0 соответствует началу разрядки, а

Ч =1 — полной разрядке (опорожнению резервуара 1). Расчеты приведены для =0,1 и нескольких значений .

Величины ф =0 и ф =1, т.е. случай наличия одного нижнего резервуара, соответствуют известному устройству.

Предполагалось, что процесс расширения газа — изотермический с показателем политропы и = 1.

953078 формула изобретения

Все кривые выходят из начальной точки Р = 1 при V =О и понижаются в соответствии с опорожнением верхнего резервуара 1 и ростом V .

Наиболее сильное падение давления наблюдается у известного устройства, а наиболее слабое — у,ГАЭС с отноI шением р =0,5. Все кривые, относящиеся к величине О < Pr(1, лежат выше кривой, соответствующей р=О(р=1), что доказывает наличие положительного эффекта применения предложенной

ГАЭС. Переломы на кривых с величиной

О <.P <1 соответствуют моменту заполнения резервуара 3 при разрядке ГАЭС.

Оптимальной является величина 8 =0,5, 15 .означающая равенство объемов резервуаров 3 и 4.

Поскольку в предложенной ГАЭС суммарный рабочий объем газовой подушки в верхнем резервуаре 1 равен сум- 2(1 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 25 представлены результаты расчета зависимости относительного конечного

Давления газа Рк в резервуаре 1, отражающего падение мощности ГАЭС в процессе разрядки, от относительного объема,и. начальной газовой подушки в этом резервуаре. Чем больше . Р, тем эффективней I ABC. Кривая 19, имеющая уравнение P =/ соот+ /А. ветствует известному устройству, а кривая 20, подсчитанная для оптимального р =0,5 и имеющая уравнение ,о.+0, 5

Р = () — предложенной ГАЭС.

++ 40

Кривая 20 (фиг. 3) лежит всегда выше кривой 19, т. е. предложенная

ГАЭС всегда эффективней и зв ест ного устройства. С увеличением объема верхнего резервуара 1 при неизменном запасе воды (увеличении p,) 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 значении =0,34. Это значит, что предложенная ГАЭС ср =О, т.е. с нулевым ,газовым объемом в верхнем резервуаре

1, равна по эффективности известному устройству, имеющему объем подушки, соответствующийр =0,34. Она кроме того превышает по эффективности известное устройство с,к<0,34.

1. Гидроаккумулирующая электростанция, включающая герметичный верхний резервуар, соединенный посредством трубопровода с вентилем с источником сжатого газ а, гидроагрегатный блок, соединенный трубопроводом с верхним резервуаром, и нижний резервуар, сообщенный с атмосферой,,и соединенный трубопроводом с гидроагрегатным блоком, о т л и ч а ю щ а— я с я 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— л и ч а ю щ а я с я тем, что отношение объема одного 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, 1960, с. 415-419.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 746028, кл. E 02 В 9/ОО, 1979 (прототип).

953078 ач

0 аз

0,2

М 12

ФиаЯ

ОХИ

Составитель А. Сергеев

Редактор Н. Пушненкова ТехредЖ.Кастелевич

Корректор A. Ференц

Поцписное

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6226/49 Тираж 709

l ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, E-35, Раушская наб., д. 4/5