Повышение эффективности свободнопоточных гидравлических турбин

Наука и новые технологии Герман ТРЕЩАЛОВ 4881

В связи с истощением запасов ископаемого топлива все актуальнее вопрос об эффективном использовании энергетических ресурсов и увеличении доли возобновляемых источников энергии.

Одно из направлений – разработка микроГЭС на основе свободнопоточных гидротурбин, использующих энергию водотока без возведения плотин и создания водохранилищ.

Энергия без плотин

Для традиционных плотинных ГЭС, использующих потенциальную энергию водных потоков, минусом является необходимость строительства плотины со всеми сопутствующими этому огромными проблемами. Создание плотины непременно замедляет течение выше нее – вплоть до практически полной остановки. Это существенно ухудшает экологические условия водоема, способствует его заболачиванию и омертвлению, накоплению наносов и постепенному заиливанию водохранилища.

Плотина обязательно перегораживает все русло, а в случае паводка принимает на себя весь его напор и потому должна обладать огромным запасом прочности. Плюсом ГЭС, построенных при плотинах, является то, что они способны почти полностью использовать всю энергию, обеспечиваемую располагаемым перепадом уровней, при этом соотношение скоростей потока в верхнем и нижнем бьефе может быть любым.

Как альтернатива напорным (плотинным) ГЭС свободнопоточные гидротурбины используют кинетическую энергию потока воды и не требуют постройки плотин, что позволяет избежать всех связанных с этим затрат и проблем, в том числе экологических. Соответственно, их стоимость и время монтажа значительно меньше. Как правило, размеры таких модулей относительно невелики, поэтому большую часть сборочных и испытательных работ можно выполнять в заводских условиях – непосредственно при их изготовлении.

В силу невысокой стоимости и быстроты монтажа свободнопоточные ГЭС могут работать персонально – на конкретного потребителя, находящегося недалеко от установки. Такие агрегаты вполне могут использовать лишь часть русла водотока, оставляя свободную часть для судоходства, беспрепятственной миграции рыб и прочих надобностей. Другие потребители, находящиеся ниже или выше по течению, могут получить необходимую им энергию с помощью таких же установок рядом с собой. Таким образом, электроснабжение децентрализуется, и не требуется постройки дорогих многокилометровых ЛЭП с большими потерями, отчуждением земли под опоры и т. д.

Минусом же свободнопоточных ГЭС является принципиальная невозможность извлечь всю кинетическую энергию потока, поскольку в таком случае его придется полностью остановить, и это будет уже не поток. Мощность таких турбин в кубической степени зависит от скорости, и в низкоскоростных потоках они крайне неэффективны.

Водяной насос

Отбор энергии от свободнопоточной турбины возможен при помощи электрогенератора. Однако вследствие нестабильности и низкой частоты вращения такой турбины при работе на выделенную нагрузку возникает сложность в поддержании стабильных выходных параметров генератора (частоты и амплитуды выходного напряжения). Для стабилизации этих параметров требуется использование специальных дорогостоящих устройств (преобразователей, инверторов, мощных стабилизаторов, автоматических регуляторов частоты и т. п.), а это существенно повышает стоимость проекта.

В связи с этим в некоторых случаях для отбора мощности от турбины оправдано использование водяного насоса для закачки воды, что зачастую даже более востребовано в народном хозяйстве, нежели выработка электроэнергии. Предполагается применение насоса объемного действия (плунжерный или поршневой). Поскольку такие насосы являются низкооборотными и эффективность их работы некритична к частоте и стабильности вращения приводного вала, то в этом случае можно обойтись и без мультипликатора, что также упростит и удешевит конструкцию.

Насос размещается на турбине или рядом с ней и для отбора мощности соединяется с выходным валом турбины при помощи цепной, ременной или карданной передачи. Входной патрубок насоса опускается в водоем (канал), в котором расположена турбина, выходной патрубок соединяется с напорным трубопроводом, подающим воду. Таким образом, возможно создание комплексного агрегата «гидротурбина – насос».

Для сравнения можно рассмотреть два возможных варианта размещения агрегата в водотоке.
В первом варианте весь агрегат может быть расположен на понтоне, находящемся в русле водотока. Недостатком этого метода является необходимость использования понтона, что увеличивает стоимость всего агрегата. Также понтоном перекрывается значительная часть русла водотока и ухудшается мобильность техобслуживания агрегата.

Второй вариант предусматривает береговое размещение агрегата. При этом способе необходимо произвести строительные работы возле берега водотока, с вбиванием свай в дно для крепления агрегата. В этом варианте грузоподъемные механизмы для монтажа / демонтажа могут располагаться на берегу, что увеличивает оперативность техобслуживания агрегата. Однако при таком варианте размещения несколько ухудшается обтекание турбины водой, что негативно сказывается на ее мощности.

Гидро­динамический эффект

Несмотря на то что в некоторых случаях применение традиционных свободнопоточных гидротурбин оправдано, в настоящее время они все же не являются достаточно эффективными и рентабельными, и по этой причине их использование весьма ограничено.

Однако современные научные исследования и технологии способны повысить энергоотдачу и энергоэффективность таких турбин. Некоторые не до конца еще изученные гидравлические эффекты и явления, такие, как гидравлический прыжок, гидравлический удар, эффект кавитации и др., которые в обычных условиях могут негативно влиять на гидравлические машины, иногда могут найти и полезное применение.

Одним из вариантов увеличения энергоэффективности свободнопоточных турбин является использование особого гидродинамического эффекта, возникающего при ускорении свободного безнапорного потока жидкости. Научная суть этого эффекта ранее была обоснована рядом публикаций в научных и научно-технических изданиях. В некоторых источниках он получил название «эффект Трещалова», по имени исследователя, первым проанализировавшего этот эффект как самостоятельное физическое явление.

Было показано, что выходная мощность турбин, в которых может применяться этот гидродинамический эффект, в значительной степени и нелинейно зависит от высоты турбины, а также имеет ярко выраженный экстремум при определенных параметрах потока.

Повышение мощности

По предварительным подсчетам, применение этой технологии в свободнопоточных гидравлических турбинах особой конструкции позволит повысить мощность таких аппаратов в пять-десять раз по сравнению с обычными свободнопоточными агрегатами, что позволит им конкурировать с традиционными источниками энергии и существенно расширит сферу их применения.

В настоящее время параллельно с фундаментальными исследованиями этого эффекта разрабатываются конструкции свободнопоточных гидротурбин, работающих на таком принципе, проводятся исследования с целью выдачи рекомендаций по оптимизации конструирования и внедрения таких турбин.

Турбина представляет собой два нижнебойных водяных колеса, соединенных обратной связью, функции которой может выполнять цепная или ременная передача. Обратная связь обеспечивает вращение второго (правого) колеса несколько быстрее первого, за счет чего происходит ускорение выходящего потока воды и возникает гидродинамический эффект усиления мощности. Поток в нижнем бьефе турбины имеет критические параметры – глубину и скорость, и на выходе ее образуется так называемый гидравлический прыжок. В критическом состоянии поток имеет минимальную удельную энергию. При этом энергия, забираемая турбиной, равна разнице суммарной энергии (потенциального и скоростного напоров) входящего потока и суммарной энергии выходящего (критического) потока.

Преимущества

Рассмотрим сравнительные преимущества использования подобных технологий относительно плотинных и традиционных бесплотинных ГЭС:

• низкая стоимость капитало-
вложений: по приблизительным подсчетам – 150‑450 долларов США на кВт, в отличие от плотинных ГЭС, где она составляет более 1000 долларов на кВт, и традиционных свободнопоточных – от 3000 долларов на кВт и выше;
• кратчайшие сроки ввода в эксплуатацию (60‑180 дней после начала строительства). Для плотинных станций этот срок определяется годами и десятилетиями;
• отсутствие затрат в зоне затопления водохранилищем за отсутствием такового;
• отсутствие водохранилища (экологический эффект). Свободнопоточные турбины работают как искусственные аэраторы воды, насыщающие воду кислородом, что благоприятно воздействует на фауну и в целом на экосистему водотока;
• отсутствие вспомогательных механизмов и устройств, что повышает надежность;
• минимальные затраты на обслуживание;
• отсутствие необходимости создания инфраструктуры вокруг ГЭС (авто- и ж / д дороги, поселки строителей и эксплуатационников и т. п.);
• отсутствие необходимости выбора створа плотины, т. е. возможность монтажа в любом удобном месте, мобильность;
• приближенность к энергопотребителям (отсутствие ЛЭП и высоковольтных трансформаторов);
• децентрализация выработки электроэнергии;
• отсутствие угрозы разрушения дамбы за отсутствием таковой.

Предлагаемая технология может быть востребована во всем мире – в тех районах, где существуют реки, каналы, поверхностные морские или океанские течения. Кроме того, эта технология может быть востребована на трансграничных реках, где существует ограничение на строительство дамб и плотин для нужд традиционной напорной гидроэнергетики.