BG113168A

BG113168A - Водозапасяваща електростанция с управляем смукателен напор

Info

Publication number: BG113168A
Application number: BG113168A
Authority: BG
Inventors: Георги Стоилов; Димов Стоилов Георги; Димо Стоилов; Георгиев Стоилов Димо
Original assignee: Технически Университет - София
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2020-10-15
Also published as: BG67418B1; WO2019113654A1

Abstract

Изобретението се отнася до електростанция за производство на електроенергия и за запасяване на водна енергия чрез три машини, сглобени към хоризонтален или вертикален вал: водна турбина, която чрез съединител задвижва генератор, който може да работи и като мотор и да се съединява с едностъпална или многостъпална помпа. Съгласно изобретението има трети ръкав от напорния тръбопровод, съставен от трета спирателна клапа и поне един впръсквач-смукач ( ежектор), инсталиран в смукателя на помпата за управляване на налягането, скоростта и въртенето на водата пред работното колело на помпата чрез впръскване на вода с висок пад и едновременно изсмукване на вода от долния водоем. Тези подобрения отстраняват необходимостта от известните пускови устройства и инсталации, обезпечават включване и изключване на мотора-помпата без смущаващи въздействия върху частите на станцията и на електроенергийната система, позволяват ефективно регулиране на товара на мотора в реално време според измененията на икономическите и технически условия в пазара на електроенергия.

Description

ВОДОЗАПАСЯВАЩА ЕЛЕКТРОСТАНЦИЯ С УПРАВЛЯЕМ СМУКАТЕЛЕН НАПОР

ОПИСАНИЕ

Област на техниката

Описваното изобретение представлява подобрения към запасяващите водна енергия електростанции с агрегати от три машини: турбина, генератор/мотор и помпа, сглобени към общ вертикален или хоризонтален вал.

Предшестващо състояние на техниката

Водните електростанции с помпено енергийно запасяване (ВЕСПЕЗ)¹ са най-евтиния и универсален източник на балансираща/регулираща електроенергия и всички видове спомагателни услуги в съвременните електроенергийни системи (EEC) [II. 1], [П.2].

При електропроизводствен режим запасената в горния водоем водна енергия движи турбината, която върти електромагнитен генератор, за да произвежда и вкарва в мрежата толкова електроенергия, колкото е зададена от диспечера на EEC.

При електропотребителски режим генераторът работи като мотор, който използва електроенергия от мрежата, за да върти помпата, която издига водата от долния в горния водоем.

В една ВЕСПЕЗ може да има няколко агрегата от различно съчетани машини. Известните агрегати се типизират в два основни вида, въпреки наличието на изключения [1.1], [1.2], [П.З].

Първият вид съставлява агрегат от две машини: обратим генератор/мотор и обратима турбина/помпа.

Вторият вид съставлява агрегат от три машини: турбина, генератор/мотор и помпа. Предмет на подобрения в това изобретение е този втори вид.

¹ Популярно наричани в България „помпено акумулиращи водни електроцентрали“ - ПАВЕЦ.

2/9

При двата вида агрегати пускането на турбината и генератора е бързо и не предизвиква смущения в EEC, а след синхронизиране вкарваната в мрежата мощност се регулира с голяма скорост в широк работен диапазон.

За разлика от пускането на турбината и генератора, всяко развъртане на мотора и помпата предизвиква ударни натоварвания на агрегата и на EEC, водещи до чести повреди. За избягване на претоварвания се прилагат специални средства: развъртащ мотор или развъртаща турбина, пусков трансформатор или пусков превключвател, честотен преобразувател и пр. Освен това за намаляване на пусковото натоварване водата от работното колело на помпата трябва да е изпразнена, за което е необходима инсталация със сгъстен въздух.

Непосредствено след включване на мотора към мрежата нагнетеният въздух се освобождава от помпата и се отварят клапите на напорния тръбопровод и изпускателя. За няколко секунди моторът се натоварва рязко до пълната мощност, определена от дебита и напора на помпата. Този товар е практически нерегулируем през цялото време на работа на помпата. С други думи моторът не е отзивчив към измененията на честотата и другите условия в електрическата мрежа, например претоварвания или случайни смущения.

Помпите се усъвършенстват от откриването им през средните векове насам. Правени са предложения за усъвършенстване на конструкциите и функционирането им. Едни разкриват методи и апарати за подобряване на ефективността и сигурността, например [1.3] - [1.7], други представят устройства за облекчаване на пусковия процес [1.8], трети - за регулиране мощността на помпата [1.9], [1.10] и пр.

Голямото разпространение на пресекваеми генератори от възобновяеми първоизточници в съвременните и бъдещи EEC увеличава изискванията за отзивчивост и надеждност към ВЕСПЕЗ. Като отговор тримашинните агрегати се усъвършенстват чрез два подхода: i) тъй нареченото

3/9 „хидравлично късо съединение“ (едновременна работа на турбината и помпата) и п) агрегати с изменяема скорост на въртене [П.З], [II.4], [1.11].

Нашето изобретение предлага трети подход, чрез който се облекчава пускането и се повишава ефективността, сигурността и отзивчивостта на тримашинните хидроагрегати в помпен режим, без да се влошават показателите в турбинен режим.

Техническа същност на изобретението

Изобретението се отнася за станция с поне един агрегат от три машини: водна турбина, която чрез съединител задвижва генератор, можещ да работи като мотор и да върти едностъпална или многостъпална помпа чрез друг съединител. Трите машини може да са сглобени чрез хоризонтален или вертикален вал.

При известните тримашинни агрегати напорният тръбопровод от горния водоем се разклонява на два ръкава непосредствено преди агрегата. Единият ръкав спуска водата до турбината, а по другия ръкав помпата изкачва обратно водата от долния към горния водоем. По време на работа в режим на хидравлично късо съединение част от изпомпената вода протича през турбината.

Нашето изобретение допълва известната хидравлична схема с още един ръкав на напорния тръбопровод.

Разкриваният трети ръкав представлява тръбопровод, клапан и един или набор от впръсквачи-смукачи (ежектори), който се монтира в смукателя на помпата между работното колело и спирателната клапа на смукателния тръбопровод.

Едната функция на впръсквач-смукача е да впръсква вода от напорния тръбопровод и едновременно да изсмуква вода от долния водоем. Другата му функция е да изменя налягането и скоростта на водата пред работното колело на помпата, а третата - да придаде въртеливост на потока пред работното колело.

4/9

Разкриваното изобретение създава възможност за пускане на помпата без прекомерно натоварване на частите на агрегата и без смущаващо въздействие върху EEC, както и за регулиране товара на мотора според икономическите и технически условия в пазара на електроенергия.

Разкриваните подобрения заменят спомагателните инсталации и апарати при известните станции, използвани за пускане на мотора и помпата, както и за регулиране на тяхната мощност. Освен това предполагаме, че енергийните загуби при работа на тримашинен агрегат с трети ръкав са по-малки от загубите при известното „хидравлично късо съединение“.

Пояснения на приложените фигури

За улеснение фигурите показват само основните части на станцията, които са достатъчни за изясняване на предлаганите подобрения, без да се илюстрират сградните части, лагерните опори и останалите съставляващи.

Фиг.1 показва основните части на едно осъществяване на разкриваната станция, чрез символи и контури, проектирани върху въображаема вертикална равнина, преминаваща по оста на трите машини: турбина, генератор/мотор и помпа.

Фиг.2 показва друго осъществяване на помпената част от същата станция чрез друг тип впръсквач-смукач.

Фиг.З представя трето осъществяване на помпената част от същата станция чрез трети тип впръсквач-смукач.

Примери за изпълнение на изобретението

Подобно на известните, разкриваната чрез Фиг. 1 станция се състои от горен 1 и долен 2 водоеми, водовземна и водовливна кула 3 в горния водоем 1, напорен тръбопровод 4, турбина 5, генератор/мотор 6, помпа 7, изпускателен тръбопровод 8 на турбината 5, смукателен тръбопровод 9 на помпата 7, водовливна кула 10 и водовземна кула 11 от долния водоем 2. Съединителят 12а съединява вала на турбината 5 към вала на генератора/мотора 6, а съединителят 12b съединява вала на помпата към вала

5/9 на генератора/мотора 6. Клапани 13а и 13b отделят турбината съответно от напорния и изпускателен тръбопровод, а клапани 13с и 1 Зе отделят помпата съответно от напорния и смукателен тръбопровод.

Новата съществена част, която характеризира разкриваната станция, е третия ръкав 14 на напорния тръбопровод, който води водата с високото налягане от водоем 1 или от изхода на помпата, през спирателния клапан 13d и през впръсквача-смукач (ежектора) 15 към входа на работното колело на помпата 7.

Оперирането на впръсквача-смукач се управлява от устройство 17, което въздейства на регулиращата игла 18, както и върху спирателните клапани 13c, 13d и 13е. На илюстрираната реализация регулиращата игла 18 служи едновременно и като затварящ клапан на впръсквача-смукач.

По външната повърхност на изхода на впръсквача-смукач са разположени пластинчати ребра 19, които имат еволвентна форма, подобна на формата на лопатките на работното колело. Оптималният брой на ребрата е равен на броя на лопатките на работното колело. Тези пластинчати ребра изменят надлъжната посоката на водния поток и го завъртат така, че към момента на достигане до челните ръбове на лопатките, водните частици да се движат успоредно на лопатъчните повърхности. Така се намаляват завихрянията и кавитациите върху смукателната част на работното колело.

Управляващото устройство 17 е част от непоказана автоматизирана подсистема за управляване на станцията, която съчетава изискванията на автоматичната система за регулирането на честотата и обменните мощности в EEC с ограничителните условия на водоемите или техническите възможности на машините.

Разкриваните подобрения по хидравличната схема създават следните подобрения при опериране/работа:

- Развъртането на мотора 6 и съединената към него помпа 7 от покой до синхронни обороти става леко и бързо чрез развъртане на съединената към

6/9 мотора 6 турбина 5 при затворен клапан 13е към смукателния тръбопровод от долния водоем и отворени напорни клапани 13d към смукателя и 13с към нагнетателя на помпата, както и отворен впръсквач-смукач 15 защото тогава водният напор на изхода и смукателния напор на входа на работното колело на помпата са еднакви и не се изкачва вода през помпата, което води до почти нулев товар на мотора.

- След достигане на синхронни обороти и включване на мотора 6 към мрежата, турбината 5 се отсъединява чрез съединителя 12а и се спира. В работа на празен ход остават съединените мотор и помпа. От там насетне дебитът на изпомпваната вода и съответстващия товар на мотора могат да се регулират чрез управляващото устройство 17. Например координирано притваряне на впръсквач-смукача 15 и отваряне на клапана 13е води до увеличаване на натоварването на помпата и мотора защото се намалява впръскваната вода с високо налягане а се увеличава засмукваната вода от долния водоем, чрез което се намалява налягането на водата пред работното колело на помпата и се увеличава дебита на издигнатата в горния водоем вода. Обратният процес (на разтоварване на помпата и мотора) става чрез координирано отваряне на впръсквача-смукача 15 и притваряне на клапана 13е.

- При пълно отваряне на впръсквача-смукача 15 и затваряне на клапана 1 Зе се възвръща работата на празен ход. Тогава може да се изключи мотора и да се затвори помпата или да се развърти турбината и да се съедини с въртящия се мотор, за да се премине към производствен режим, при който се отсъединява помпата чрез съединителя 12b.

- При пълно затваряне на впръсквача-смукача 15 (и/или спирателния клапан 13d) и при пълно отваряне на клапана 13е към смукателния тръбопровод, помпата изкачва вода с максимален дебит от долен към горен водоем, а моторът консумира максимална мощност от мрежата както обикновена помпа с неуправлявано засмукване.

7/9

В други осъществявания могат да се използват разновидни впръсквачсмукачи. Тяхната конструкция се избира в зависимост от големината на смукателя на помпата, диапазона на напора и дебита, както и други хидравлични показатели.

Например на Фиг.2 е илюстриран впръсквач-смукач (ежектор), при който продължението на напорния тръбопровод 14 завършва във вътрешен на смукателя 16 тороид 20. Притокът на вода от напорния тръбопровод се регулира чрез клапан 13 d. От отворите 21 по горната повърхност на тороида водата с високо налягане се ускорява между вътрешната повърхност 22 на смукателя и външната повърхност 23 на обърнат конус. По горния ръб на тази повърхност 23 са закрепени пластинчати ребра 19а за завъртане на водния поток. Средният кръг на тороида служи като проток на засмукваната от долния водоем вода. Светлият отвор на протока се регулира или затваря чрез игления затвор 24 на управляващото устройство 25, което управлява притока на вода от долния водоем като част от управляващата станцията подсистема.

При осъществявания с голям диаметър на смукателя и големи дебити на помпата може да се използват няколко впръсквач-смукачи, паралелно разположени в смукателя. Например Фиг. 3 илюстрира смукател 16, около който е опасан външен тороид 26, водещ водата с високо налягане към прости коляно-тръбни впръсквач-смукачи 27, дебитът през които се регулира едновременно чрез клапана 13d. Впръсквач-смукачите са наклонени по посоката на завъртане на работното колело за да придават необходимата завъртяност на движението на водата, преди нейното засмукване от лопатките.

Приложение (използване) на изобретението

Разкритата водно електрическа станция с помпено енергийно запасяване конкурира известните тримашинни агрегати с хоризонтален или вертикален

8/9 вал, които се използват като източник на балансираща/регулираща енергия и спомагателни услуги.

Недостатъците на излаганото подобряване са необходимостта от оразмеряване на смукателя на помпата 16 и клапана 13е за издържане на целия напор от горния водоем, както и увеличените хидравлични загуби в смукателя на помпата.

Предимствата на излаганото подобряване са:

- пускане и спиране на помпата без ударни натоварвания на частите на машините и без смущения в EEC като резултат от практически еднакво налягане на водата на входа и на изхода на работното колело на помпата;

- развъртане и включване на мотора-помпата без спомагателни пускови устройства, прилагани в известните ВЕСПЕЗ (пусков мотор или пускова турбина, честотен преобразувател, пусков трансформатор или превключвател на напрежението, инсталация за изтласкване на водата от помпата чрез сгъстен въздух и пр.);

-регулиране товара на мотора в реално време според нуждите на електроенергийната система от балансираща/регулираща енергия и спомагателни услуги, в зависимост от икономическите и технически условия в пазара на електроенергия.

9/9

Цитирани източници

I. Патентни документи

[1.1]. Georg Hutarew, Pumped Storage Power Plant, US3891860, June 24, 1975;

[1.2]. Manfred Stummer, Water Power Plant Comprising a Branch Part, US20140369825A1, Dec. 18, 2014;

[1.3]. A.E. Guy, Pumping Apparatus, US820779, May 15, 1906;

[1.4]. J.O'F. Clark, Rotary Feed Centrifugal Pump, US 1608547, Nov.30, 1926;

[1.5]. M.Schwarz, Centrifugal Pump and Compressor, US2656096, Oct. 20, 1953;

[1.6]. Derek Hartland, Hydraulic Pumps and Reversible Pump Turbines, US3238534, March 1, 1966;

[1.7]. Kawano et al., Pump Device and Pump System, US9574571B2, Feb. 21, 2017;

[1.8]. Bernd Mayer, Martin Giese, Francis-Type Pump for a Hydroelectric Power Plant, US20130266445A1, Oct.lO, 2013;

[1.9]. L.F.Moody, Rotary Pump with Adjustable Gate, US1322810, Nov.25, 1919;

[I.10].B .J.Kime, Centrifugal Pump, US1353915, Sep.28, 1920;

[1.11]. Sakayori, Akihiro et al, HITACHI LTD., Variable-Speed Pumped-Storage Power Generating System, EP0243937A1, 1987;

II. Непатентни документи

[II. 1]. Modeling and Analysis of Value of Advanced Pumped Storage Hydropower in the United States, Argon National Laboratory/DIS-14/7, June 2014;

[П.2]. J.P. Deane, B.P. 0 Gallachoir, E.J. McKeogh, Techno-economic review of existing and new pumped hydro energy storage plant, Elsevier, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 1293-1302;

[П.З]. Giovanna Cavazzini, Juan Ignacio Perez-Diaz, Technological Developments for Pumped-Hydro Energy Storage, EERA Report, May 2014;

[П.4]. Juan I. Perez-Diaz et al, Trends and challenges in the operation of pumpedstorage hydropower plants, Elsevier, Renewable and Sustainable Energy Reviews 44 (2015) 767-784.

Claims

Претенции

1. Водна станция за производство на електроенергия и за запасяване на водна енергия, която се състои от горен и долен водоем със съответни водовливни и водовземни съоръжения, напорен тръбопровод и три машини, сглобени към хоризонтален или вертикален вал (водна турбина, електромагнитен генератор/мотор и едностъпална или многостъпална помпа) с изпускателен тръбопровод на турбината и смукателен тръбопровод на помпата, която станция се характеризира с:

- един ръкав от напорния тръбопровод към входа на турбината, който провежда водата от горния водоем през спирателна клапа до направляващия апарат и работното колело на турбината или служи за „хидравлично късо съединение“ ;

- втори ръкав от напорния тръбопровод към изхода на помпата, който отвежда изпомпената вода през спирателна клапа към горния изравнител или служи за „хидравлично късо съединение“;

- трети ръкав от напорния тръбопровод, който провежда вода от напорния тръбопровод през трета клапа към поне един впръсквач-смукач (ежектор), инсталиран в смукателя на помпата, който чрез струя от напорния тръбопровод изсмуква вода от долния водоем и регулира налягането, скоростта и въртеливостта на водата пред работното колело на помпата или служи за „хидравлично късо съединение“;

- един съединител на вала на турбината с вала на генератора/мотора и друг съединител на вала на генератора/мотора с вала на помпата, които могат да са в съединено или свободно състояние независимо един от друг;

- координирано функциониране на всички части на станцията.
2. Метод за пускане (развъртане и включване) на мотора и съединената към него помпа, който се характеризира с развъртане на съединената към мотора турбина от покой до синхронни обороти при:

- затворена клапа между помпата и нейния смукателен тръбопровод,

2/3

- отворена клапа между напорния тръбопровод и нагнетателя на помпата, - отворена клапа между напорния тръбопровод и впръсквач-смукача (ежектора) на помпата,

- отворен впръсквач-смукач (ежектор), след което моторът се възбужда и включва към мрежата, турбината се отсъединява чрез съединителя и се спира, а в работа остават съединените мотор и помпа, чийто товар се регулира съгласно следващите методи.
3. Метод за натоварване на помпата-мотора, който се характеризира чрез координирано притваряне на впръсквач-смукача (ежектора) и отваряне на клапата към смукателния тръбопровод при непрестанен контрол на дебита и скоростта на впръскваната вода с високо налягане и засмукваната вода от долния водоем, налягането, скоростта и въртеливостта на водата пред работното колело на помпата, във функция от диспечираната мощност на мотора и дебита на запасяваната вода.
4. Метод за работа на мотора при максимален товар и изкачване на вода от долен към горен водоем с максимален дебит, който се характеризира чрез пълно затваряне на впръсквач-смукача (ежектора) и/или на клапата към напорния тръбопровод и пълно отваряне на клапата към смукателния тръбопровод на помпата.
5. Метод за разтоварване на помпата-мотора, който се характеризира чрез координирано отваряне на впръсквач-смукача (ежектора) и притваряне на клапата към смукателния тръбопровод при непрестанен контрол на дебита и скоростта на впръскваната и засмукваната вода, налягането, скоростта и въртеливостта на водата пред работното колело на помпата, във функция от диспечираната мощност на мотора и дебита на запасяваната вода.
6. Метод за спиране и за изключване на мотора и съединената към него помпа или за преминаване към електропроизводствен режим, който се характеризира чрез отваряне на впръсквач-смукача (ежектора) и спирателната клапа към напорния тръбопровод при едновременно затваряне

3/3 на клапата към смукателния тръбопровод на помпата до установяване 60 работата на празен ход, след което в зависимост от заданието моторътпомпата се изключва или се преминава към електропроизводствен режим чрез развъртане на турбината, нейното съединяване към въртящия се мотор и отсъединяване на помпата, извършвано чрез съответните съединители.