CZ16132U1 - Přečerpávací vodní elektrárna - Google Patents

Description

Přečerpávací vodní elektrárna

Oblast techniky

Technické řešení se týká přečerpávací vodní elektrárny sestávající z dolní nádrže a horní nádrže, které jsou navzájem propojeny přivaděčem osazeným soustrojím s reverzibilní turbínou a generátorem.

Dosavadní stav techniky

Stavby přečerpávacích vodních elektráren se projektují tam, kde je možné s minimálními investičními náklady postavit dolní vodní nádrž jako přehradu, a současně nad ní vybudovat v dostatečné výšce horní vodní nádrž. Obě nádrže jsou propojeny přivaděčem, osazeným soustrojím s reverzibilní turbínou a generátorem, které je vždy umístěno v profilu hráze. Soustrojí je uspořádané s vertikální osou otáčení, kdy generátor je nad turbínou, což je výhodné z hlediska oprav, servisu a demontáže při výměně velkých a těžkých turbín a generátorů, s ohledem na umístění jeřábových drah.

Přečerpávací elektrárna pak pracuje na principu, kdy ve výsečích s nízkou cenou el. energie reverzibilní turbína pracuje jako čerpadlo, a přečerpává vodu z dolní nádrže do horní nádrže. V době výsečí s vyšší cenou el. energie pak voda z horní nádrže proudí přivaděčem zpět do dolní nádrže, a přitom pohání turbínu pracující v normálním režimu, a generátor vyrábí el. energii která je dodávána do rozvodné sítě.

Nevýhoda tohoto uspořádání přečerpávacích elektráren spočívá v tom, že nejdou dodatečně vybudovat u existujících údolních nádrží (přehrad), kde již těžko lze zasahovat do existujícího profilu hráze pro vybudování strojovny (u větších přehrad jsou již vybudované malé vodní elektrárny), a také okolní terén vždy neposkytuje podmínky pro stavbu přivaděče a hlavně horní nádrže s dostatečně velkou kapacitou. Přitom stávající údolní nádrže (přehrady) představují nevyužívaný energetický potenciál, a zároveň trpí problémem zarůstání v důsledku eutroíyzace, tzn. nedostatečného okysličení vody, které vede mj. i k tvorbě nadměrného množství jedovatých sinic a řas.

Jsou také známy různé jímky pro průmyslové vody, např. u chladicích okruhů elektráren, které jsou přiváděčem svedeny na turbínu s generátorem nacházející se u dolní nádrže. Tato zařízení mají nevýhodu v tom, že průtok průmyslové vody je většinou nedostatečný k tomu, aby turbína byla optimálně využita.

Úkolem technického řešení je tedy vytvoření takové přečerpávací elektrárny, kterou by bylo možno bez větších investičních nároků vybudovat na stávajících údolních nádržích, a která by odstranila výše uvedené nedostatky.

Podstata technického řešení

Tento úkol je vyřešen vytvořením přečerpávací vodní elektrárny podle tohoto technického řešení. Podstata technického řešení spočívá v tom, že stávající údolní nádrž (přehradu) je možno využít jako dolní nádrž přečerpávací vodní elektrárny, přičemž horní nádrž je umístěná nad břehem dolní nádrže, a přivaděč je zaústěn do strojovny ležící na břehu nebo v zátopě dolní nádrže. K výstavbě horní nádrže lze využít přirozená spádová údolí v kopcovitém terénu nad břehy, ve kterých se vybuduje menší hráz a přivaděč. Strojovna leží v zátopové oblasti, to znamená buď na břehu nebo ve vodě u břehu dolní nádrže, podle vhodnosti a přístupnosti terénu.

Ve výhodném provedení technického řešení je strojovna vytvořena pro uspořádání soustrojí reverzibilní turbíny a generátoru na společné horizontální ose otáčení. Toto provedení je výhodné pro menší výkony turbín, a snižuje celkové investiční náklady na výstavbu strojovny. Reverzibilní turbína pak nahrazuje čerpadlo.

Ve výhodném provedení sestává přečerpávací vodní elektrárna podle technického řešení z většího množství horních nádrží, přivaděčů a strojoven o menším výkonu, které jsou nepravidelně rozmístěny podél dolní nádrže. Přečerpávání vody do horních nádrží a výroba elektrické energie ve strojovnách pak může probíhat buď nezávisle na sobě, nebo v režimu řízeného procesu s cílem optimálního využití kapacity zařízení a cenových rozdílů při dodávce a odběru elektrické energie.

-1 CZ 16132 Ul

V místech, kde je obtížné vybudovat více strojoven, je výhodné, když alespoň dvě horní nádrže jsou svými přivaděči propojeny se společnou strojovnou.

Stejně tak v místech, kde je obtížné vybudovat více horních nádrží, ale lze vybudovat jednu větší horní nádrž, je výhodné, když jedna horní nádrž je dvěma přivaděči propojena se dvěma strojovnami.

V dalším výhodném provedení technického řešení lze s výhodou využít jiných již existujících vodních zásobníků, např. měrných a vyrovnávacích šachet průmyslových vod, které se nacházejí u chladicích okruhů elektráren. V tomto výhodném provedení je přivaděč veden z horní nádrže do dolní nádrže právě přes tuto měrnou a vyrovnávací šachtu, která leží níže než horní nádrž, a toto uspořádání umožňuje alternativní využití objemové kapacity šachty, která by jinak byla pro provoz turbíny nedostatečná.

Poněvadž v některých případech by z technologických a bezpečnostních důvodů bylo nežádoucí míšení vod v šachtě, je výhodné, když šachta je rozdělena přepážkou na dvě části, přičemž přes prvou část je propojen přivaděč, a do druhé části je zaústěn přívod průmyslových vod, který je odtud dále veden do horní nádrže.

V jiném výhodném provedení je přívod průmyslových vod před šachtou rozbočen na dvě uzavíratelné větve, z nichž prvá větev je zaústěna do šachty, a druhá větev je zaústěna přímo do horní nádrže. Jde o provedení vyhřívající přímé vypouštění průmyslových vod do horní nádrže v případě že šachta je plná a že tomuto propojení nebrání jiné technologické nebo bezpečnostní důvody.

V dalším výhodném provedení lze využít čerpadlo, které může být uspořádáno na břehu nebo v zátopě dolní nádrže, a je potrubím propojeno se šachtou. Pak může být při nedostatku průmyslových vod šachta plněna čerpadlem. Je-li šachta rozdělená na dvě části, pak je potrubí s výhodou zaústěno do prvé části spolu s přivaděčem.

Nakonec je výhodné, když čerpadlo je součástí strojovny a potrubí je tvořeno přivaděčem, což snižuje investiční náklady na výstavbu dvou jinak samostatných částí.

Výhody přečerpávací vodní elektrárny podle technického řešení spočívají zejména v tom, že pro výrobu elektrické energie lze využít stávající údolní nádrže (přehrady), které slouží jiným účelům, jako např. rekreaci, vodárenství, ochraně před povodněmi, případně i k výrobě elektrické energie v běžných hydroelektrámách, a maximálně využít jejich energetický potenciál. Jednotlivá technologická zařízení přečerpávací vodní elektrárny podle technického řešení nezabírají velké územní celky, mohou se jednoduše vyhnout chráněným oblastem, a z hlediska celkové koncepce i vlastního provedení je možno považovat je za ekologické řešení. V důsledku využití již existujících údolních nádrží, a nutnosti výstavby pouze menších horních nádrží a strojoven vykazuje toto řešení ve srovnání s běžnými přečerpávacími elektrárnami mnohem nižší investiční náklady. Technické řešení umožňuje také alternativní využití technologických či průmyslových vod, např. chladicí vody z okruhu jaderné elektrárny apod. Nakonec, technické řešení odstraňuje tzv. zarůstání údolních nádrží vlivem jejich eutrofyzace, a zabraňuje rozšíření jedovatých sinic a řas v důsledku většího okysličení vody v těchto nádržích.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresů, na nichž znázorňují obr. 1 schematický pohled na dolní nádrž s několika horními nádržemi a strojovnami, obr. 2 schematický vertikální řez strojovnou, obr. 3 schematický pohled na jeden břeh dolní nádrže se strojovnou, čerpadlem, měrnou a vyrovnávací šachtou a přívodem průmyslových vod.

Příklady provedení technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technického řešení na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

-2CZ 16132 Ul

Na obr. 1 je znázorněna dolní nádrž 1, tvořena existující údolní nádrží (přehradou). Dolní nádrž X je charakteristická poměrně značnou délkou od začátku nádrže až k hrázi 2. V důsledku minimálního proudění je voda v dolní nádrži 1 málo okysličovaná, a tvorba sinic a řas často překračuje hygienické limity pro koupání a rekreaci. Terén v okolí dolní nádrže i je kopcovitý, a vytváří menší údolí spádovaná směrem k dolní nádrži 1, která jsou vhodná pro vybudování jedné či více menších horních nádrží 3. Horní nádrž 3 je vždy propojena s dolní nádrží i pomocí přivaděče 4 vedoucího do strojovny 5, která je vybudována v zátopě, v blízkosti břehů dolní nádrže 1. Může být vybudována jak ve vodě, tak na břehu dolní nádrže 1. Strojovna 5 je osazena soustrojím reverzibilní turbína 6 - generátor 7, které je uspořádáno s horizontální osou otáčení, jak je znázorněno na obr. 2, což snižuje investiční nároky na výstavbu a celkovou výšku strojovny 5, a zároveň nezpůsobuje problémy s demontáží, údržbou a výměnou strojních zařízení, která mají s ohledem na menší výkon také nižší hmotnost.

Podle členitosti a uspořádání terénu je v okolí dolní nádrže i vybudována jedna či několik horních nádrží 3, z nichž buď každá je propojena jedním přivaděčem 4 s jednou strojovnou 5, nebo dvě či více horních nádrží 3 jsou svými přivaděči 4 propojeny s jedinou strojovnou 5, nebo jedna horní nádrž 3 je propojena s více strojovnami 5. Každá z těchto alternativ může existovat sama o sobě, nebo ve své vzájemné kombinaci. Lze také vybudovat pouze jednu horní nádrž 3 s jednou strojovnou 5.

Na obr. 3 je do přečerpávací elektrárny zařazena také měrná a vyrovnávací šachta 8 s průmyslovými vodami. Nezobrazená jaderná elektrárna používá chladicí vodu z dolní nádrže i. Po využití chladicí vody je tato průmyslová voda z přívodu 9 napouštěna podle nastavení ventilu 11 buď prvou větví 9j do šachty 8 a následně do horní nádrže 3 nebo druhou větví 9 přímo do horní nádrže 3.

V době energetické špičky je naakumulovaná průmyslová voda odváděna z horní nádrže 3 přivaděčem 4 přes šachtu 8 do strojovny 5 na turbínu 6 s generátorem 7, kde vyrábí el. energii a poté je vypouštěna do dolní nádrže i. Šachta 8 je rozdělena přepážkou 10 na dvě části, takže průmyslová voda nemůže protékat přímo do přivaděče 4, ale musí se nejprve dostat do horní nádrže 3, kde se může naředit s vodou z dolní nádrže L Šachta 8 i horní nádrž 3 mohou ležet ve stejné úrovni a fungovat jako spojené nádoby. V době nízkého cenového tarifu tak může čerpadlo 13 potrubím 12 doplňovat do šachty 8 a do horní nádrže 3 vodu z dolní nádrže 1, a v době energetické špičky je tato načerpaná voda spolu s průmyslovou vodou z přívodu 9 využívána k výrobě elektrické energie.

Průmyslová využitelnost

Přečerpávací vodní elektrárnu podle technického řešení lze využít především pro výrobu el. energie na stávajících, ale i nově budovaných údolních nádržích (přehradách), a také ke zlepšení kvality vody v těchto nádržích v důsledku lepšího okysličení. Technické řešení je využitelné také tam, kde je k dispozici průmyslová voda, zejména chladicí voda z tepelných a jaderných elektráren.

Claims (11)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Přečerpávací vodní elektrárna, sestávající z dolní nádrže, alespoň jedné horní nádrže, z přivaděče propojujícího horní nádrž s dolní nádrží, a ze strojovny obsahující soustrojí s turbínou a generátorem, vyznačující se tím, že dolní nádrž (1) je tvořena stávající údolní nádrží (přehradou), horní nádrž (3) je umístěna v terénu nad břehem dolní nádrže (1), a přivaděč (4) je zaústěn do strojovny (5) uspořádané na břehu nebo v zátopě dolní nádrže (1).

2. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve strojovně (5) je uspořádáno soustrojí reverzibilní turbíny (6) s generátorem (7) na společné horizontální ose otáčení.

-3CZ 16132 Ul

3. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že podél dolní nádrže (1) je uspořádáno více nepravidelně rozmístěných horních nádrží (3), přivaděčů (4) a strojoven (5).

4. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 3, vyznačující se tím, že alespoň 5 dvě horní nádrže (3) jsou svými přivaděči (4) propojeny se společnou strojovnou (5).

5. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že jedna horní nádrž (3) je dvěma přivaděči (4) propojena se dvěma strojovnami (5).

6. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 1, vyznačující se tím, že přivaděč (4) je veden z horní nádrže (3) do dolní nádrže (1) přes měrnou a vyrovnávací šachtu (8) do které ío je zaústěn přívod (9, 9') průmyslových vod.

7. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 6, vyznačující se tím, že šachta (8) je rozdělena přepážkou (10) na dvě části, přičemž přes prvou část je propojen přivaděč (4) a do druhé části je zaústěn přívod (9, 9'), který je odtud dále veden do horní nádrže (3).

8. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že 15 přívod (9) je před šachtou (8) rozbočen na dvě uzavíratelné větve (9', 9), z nichžprvá větev (9') je zaústěna do šachty (8), a druhá větev (9”) je zaústěna přímo do horní nádrže (3).

9. Přečerpávací vodní elektrárna podle alespoň jednoho z nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že šachta (8) je potrubím (12) propojena s čerpadlem (13) uspořádaným na břehu nebo v zátopě dolní nádrže (1).

20

10. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároků 7a 8, vyznačující se tím, že potrubí (12) je zaústěno do prvé části šachty (8) spolu s přivaděčem (4).

11. Přečerpávací vodní elektrárna podle nároku 9 nebo 10, vyznačující se tím, že čerpadlo (12) je součástí strojovny (5) a potrubí (12) je tvořeno přivaděčem (4).