RU2574686C1

RU2574686C1 - Underwater hydrostatic power plant

Info

Publication number: RU2574686C1
Application number: RU2014136214/13A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: underwater hydrostatic power plant comprises a cylindrical vessel divided into compartments and fixed to the bottom of the water reservoir, closed at the ends by covers with inlet and outlet nozzles, equipped by barrier lattices and valves. Inside the cylindrical vessel along with water flow the following components are serially installed: a filtration compartment, where a perforated container is placed, filled with filtering medium; a buffer compartment, filled with filtered water; a power generator compartment, in which a power generator is installed, electric slots, electric cables, automatic control and monitoring equipment, a control transformer, a start accumulator and discharge pipes; a turbine compartment, where a hydraulic turbine is installed with a horizontal shaft and a suction pipe, connected via the shaft with a power generator rotor and via discharge pipes with the buffer compartment; a spent water removal compartment, where the perforated container is placed, filled with porous, mechanically strong, corrosion-resistant material, and a latticed electric water heater arranged near the edge of the outlet end of the perforated container.

EFFECT: increased efficiency of an underwater hydrostatic power plant during utilisation of potential water energy of deep-water reservoirs.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации потенциальной энергии воды глубоководных водоемов, а именно для трансформации энергии гидростатического давления воды в электрическую.The present invention relates to a power system and can be used to utilize the potential energy of water from deep water bodies, namely, to transform the energy of hydrostatic water pressure into electrical energy.

Известна гидроэлектростанция, включающая плотину, обращенную торцовой частью навстречу потоку и расположенную в средней части русла реки или у ее берега, в которой расположены прямолинейные водоводы в виде труб, на выходе из которых размещены турбины, соединенные с генераторами. Вода по прямолинейным трубам поступает на турбины, которые вращают генераторы, вырабатывающие электроэнергию [Патент РФ №2021424, МПК Е02 В9/00, 1994].A hydroelectric power plant is known, including a dam facing the end face towards the stream and located in the middle part of the river bed or near its shore, in which there are rectilinear water conduits in the form of pipes, at the outlet of which there are turbines connected to generators. Water flows through straight pipes to turbines that rotate generators that generate electricity [RF Patent No. 2021424, IPC E02 V9 / 00, 1994].

Основными недостатками известной гидроэлектростанции являются необходимость устройства массивных гидротехнических сооружений в виде плотины и невозможность ее использования в глубоководных водоемах.The main disadvantages of the known hydroelectric power station are the need for massive hydraulic structures in the form of a dam and the inability to use it in deep water bodies.

Более близким к предлагаемому изобретению является подводная гидроэлектростанция, содержащая установленный в потоке воды и разделенный на отсеки корпус с входным конфузором. Внутри корпуса последовательно расположены гидропривод, выполненный в виде лопастной турбины (гидротурбины) с горизонтальным валом на подшипниках, и электрогенератор, ротор которого через две полумуфты соединен с валом гидропривода. Электрогенератор помещен в герметичный отсек корпуса. На входном конфузоре установлена оградительная сетка. Отсек корпуса с гидроприводом имеет продольные выходные окна и отражатель внутреннего потока воды, выполненный в виде усеченного конуса и герметично соединенный с цилиндрической обечайкой, внутри которой установлен горизонтальный вал турбины на подшипниках. Вал имеет торцевое уплотнение, герметично соединенное с цилиндрической обечайкой. Хвостовой отсек корпуса выполнен герметичным в виде усеченного конуса и имеет установленный на меньшем основании герметичный водостойкий электроразъем с электрокабелем [Патент РФ №2139972, МПК Е02 В9/00, F03B13/10, 1999].Closer to the proposed invention is an underwater hydroelectric power station containing installed in a stream of water and divided into compartments of the housing with an inlet confuser. Inside the housing, a hydraulic actuator is arranged in series, made in the form of a vane turbine (hydraulic turbine) with a horizontal shaft with bearings, and an electric generator, the rotor of which is connected to the hydraulic drive shaft through two half couplings. The generator is placed in a sealed compartment of the housing. At the input confuser, a protective grid is installed. The hydraulically driven housing compartment has longitudinal output windows and a reflector of the internal water flow, made in the form of a truncated cone and hermetically connected to a cylindrical shell, inside of which a horizontal turbine shaft is mounted on bearings. The shaft has a mechanical seal, hermetically connected to the cylindrical shell. The tail compartment of the housing is sealed in the form of a truncated cone and has a sealed waterproof electrical connector with an electric cable mounted on a smaller base [RF Patent No. 2139972, IPC E02 B9 / 00, F03B13 / 10, 1999].

Основным недостатком известного устройства является невозможность утилизации потенциальной энергии гидростатического давления воды глубоководных водоемов для трансформации ее в электрическую, что снижает его эффективность.The main disadvantage of the known device is the inability to utilize the potential energy of the hydrostatic pressure of the water of deep water reservoirs to transform it into electric, which reduces its effectiveness.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности подводной гидростатической электростанции при утилизации потенциальной энергии воды глубоководных водоемов.The technical result, the solution of which the present invention is directed, is to increase the efficiency of an underwater hydrostatic power plant when utilizing the potential energy of water from deep water bodies.

Технический результат достигается подводной гидростатической электростанцией, содержащей, прикрепленный к дну водоема цилиндрический корпус, закрытый с торцов крышками с входным и выходным патрубками, соответственно, снабженными оградительными сетками и клапанами, внутри которого по ходу движения воды последовательно расположены: фильтрационный отсек, в котором помещен перфорированный контейнер, заполненный фильтрующей загрузкой; буферный отсек, заполненный отфильтрованной водой; отсек электрогенератора, в котором расположен электрогенератор, электроразъемы, электрокабели, автоматическая аппаратура управления и контроля, регулирующий трансформатор, стартовый аккумулятор и напорные трубы; турбинный отсек, в котором расположена гидротурбина с горизонтальным валом и отсасывающей трубой, соединенная через вал с ротором электрогенератора и через напорные трубы с буферным отсеком; отсек удаления отработавшей воды, в котором помещен перфорированный контейнер, заполненный пористым, механически прочным, коррозионно-стойким материалом, и решетчатый электронагреватель воды, расположенный у кромки выходного торца перфорированного контейнера.The technical result is achieved by an underwater hydrostatic power station, comprising a cylindrical body attached to the bottom of the reservoir and closed at the ends by caps with inlet and outlet nozzles, respectively, equipped with safety nets and valves, inside of which, in the direction of movement of water, there are sequentially located: a filter compartment in which a perforated a container filled with filter media; a buffer compartment filled with filtered water; electric generator compartment, in which the electric generator is located, electrical connectors, electrical cables, automatic control and monitoring equipment, a control transformer, a starting battery and pressure pipes; a turbine compartment in which a hydraulic turbine with a horizontal shaft and a suction pipe is located, connected through the shaft to the rotor of the electric generator and through pressure pipes with a buffer compartment; a waste water removal compartment in which a perforated container filled with a porous, mechanically strong, corrosion-resistant material is placed, and a lattice electric water heater located at the edge of the outlet end of the perforated container.

На фиг.1-3 представлена предлагаемая подводная гидростатическая электростанция (ПГЭС). Фиг. 1 - общий вид, фиг. 2, 3 - узел решетчатого нагревателя и его разрез.Figure 1-3 presents the proposed underwater hydrostatic power station (PGES). FIG. 1 is a general view, FIG. 2, 3 - node grid heater and its section.

ПГЭС содержит уложенный на дно водоема, разделенный на отсеки, герметичный цилиндрический корпус 1 (узлы крепления корпуса 1 к дну на фиг. 1-3 не показаны), закрытый с торцов крышками 2 и 3 с входным и выходным патрубками 4 и 5, снабженными оградительными сетками 6 и клапанами 7 и 8, внутри которого по ходу движения воды последовательно расположены: фильтрационный отсек 9, в котором помещен перфорированный контейнер 10, заполненный фильтрующей загрузкой 11 (например, кварцевым песком); буферный отсек 12, заполненный отфильтрованной водой; отсек электрогенератора 13, в котором расположен электрогенератор 14 и напорные трубы 15 (электроразъемы, электрокабели, автоматическая аппаратура управления и контроля, регулирующий трансформатор, стартовый аккумулятор на фиг. 1-3 не показаны); турбинный отсек 16, в котором расположена гидротурбина 17 с горизонтальным валом 18 и отсасывающей трубой 19, соединенная через вал 18 с ротором электрогенератора 13 и через напорные трубы 15 с буферным отсеком 12; отсек удаления отработавшей воды 20, в котором помещен перфорированный контейнер 21, заполненный пористым, механически прочным, коррозионно-стойким материалом 22 (например, пористой металлокерамикой), и решетчатый электронагреватель воды 23, расположенный у кромки выходного торца перфорированного контейнера 21.The PSPP contains a sealed cylindrical housing 1 laid on the bottom of the reservoir, divided into compartments (the attachment points of the housing 1 to the bottom in Figs. 1-3 are not shown), closed at the ends by covers 2 and 3 with inlet and outlet pipes 4 and 5 provided with protective nets 6 and valves 7 and 8, inside of which, in the direction of water flow, are successively arranged: a filter compartment 9, in which a perforated container 10 is placed, filled with a filter charge 11 (for example, quartz sand); a buffer compartment 12 filled with filtered water; compartment of the generator 13, in which the generator 14 and pressure pipes 15 are located (electrical connectors, electrical cables, automatic control and monitoring equipment, a control transformer, a starting battery in Figs. 1-3 are not shown); a turbine compartment 16, in which a hydraulic turbine 17 with a horizontal shaft 18 and a suction pipe 19 is located, connected through a shaft 18 to the rotor of an electric generator 13 and through pressure pipes 15 with a buffer compartment 12; a waste water removal compartment 20, in which a perforated container 21 is placed filled with porous, mechanically strong, corrosion-resistant material 22 (for example, porous cermet), and a lattice electric water heater 23 located at the edge of the outlet end of the perforated container 21.

В основе работы предлагаемой ПГЭС лежит принцип действия гидравлических турбин, согласно которому мощность гидротурбины прямо пропорциональна высоте напора воды Н [А. А. Угинчус. Гидравлика и гидравлические машины. - Х.: Изд. ХГУ 1966, с. 282], и, таким образом, возможность использования огромной потенциальной энергии воды при расположении на дне глубоководных водоемов гидротурбины, а также способность транспортировки жидкости (воды) фитилем (пористым телом) за счет капиллярных сил из зоны пониженного давления в зону повышенного давления [В. В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с. 146; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с.106]. The operation of the proposed combined heat and power plant is based on the principle of operation of hydraulic turbines, according to which the capacity of a hydraulic turbine is directly proportional to the height of the water head H [A. A. Uginchus. Hydraulics and hydraulic machines. - X .: Izd. KSU 1966, p. 282], and thus, the possibility of using the huge potential energy of water when a hydroturbine is located at the bottom of deep water bodies, as well as the ability to transport liquid (water) with a wick (porous body) due to capillary forces from the low pressure zone to the high pressure zone [B. V. Kharitonov et al. Secondary heat and energy resources and environmental protection. - Minsk: Ab. School, 1988, p. 146; Heat pipes and heat exchangers: from science to practice. Collection of scientific tr - M .: 1990, p.106].

Предлагаемая ПГЭС работает следующим образом. Перед началом работы все водные элементы отсеков корпуса 1 (фильтрационный отсек 9, буферный отсек 12, напорные трубы 15, полость турбины 17, отсасывающая труба 19, отсек удаления отработавшей воды 20) должны быть заполнены отфильтрованной водой с давлением, равным атмосферному - Р₀ (предварительно из полости корпуса удаляют воздух), после чего ПГЭС устанавливают на дно водоема (узлы крепления корпуса 1 к дну на фиг. 1-3 не показаны) и подключают ко всем коммуникациям. После установки ПГЭС включают решетчатый электронагреватель воды 23 от стартового аккумулятора (на фиг. 1-3 не показан), открывают клапан 8 в выходном патрубке 5 и клапан 7 во входном патрубке 4, после чего через оградительную сетку 6 и входной патрубок 4 вода из водоема за счет гидростатического давления с начальным давлением Р, создаваемым гидростатическим напором Н, поступает в фильтрационный отсек 9, где происходит очистка воды от взвешенных примесей [Н.Н.Абрамов и др. Водоснабжение. - М.: Госстройиздат, 1958, с. 333-340]. Из фильтрационного отсека 9 очищенная вода с давлением Р₁ (Р₁<Р на величину сопротивления слоя фильтрующей загрузки - ∆Р_ф) поступает в буферный отсек 12, откуда через напорные трубы 15 с давлением Р₂ (Р₂<Р₁ на величину сопротивления напорной трубы - ∆Р_нт) поступает на лопатки гидротурбины 17. Гидротурбина 17 через горизонтальный вал 18 приводит во вращение ротор электрогенератора 14, который вырабатывает электрическую энергию, передаваемую через электроразъем и электрокабель на автоматическую аппаратуру управления и контроля, регулирующий трансформатор, стартовый аккумулятор и далее на внутренние нужды и потребителю (на фиг. 1-3 не показаны). Отработанная вода с давлением, близким к Р₀, через отсасывающую трубу 19 поступает в капилляры пористого материала 22. Движение воды в капиллярах пористого материала 22 из зоны низкого давления в зону высокого давления осуществляется аналогично транспорту жидкости в тепловых трубах, а именно капиллярными силами в результате нагрева слоя воды, примыкающего к выходной кромке пористого материала 22 в зоне высокого давления решетчатым электронагревателем воды 23 от Т₀ до температуры кипения Т_к, что создает поток пароводяной смеси от стенки перфорированного контейнера 21 в сторону выходного патрубка 5, из которого отработанная вода сбрасывается в водоем.The proposed cogeneration plant works as follows. Before starting work, all the water elements of the compartments of the housing 1 (filter compartment 9, buffer compartment 12, pressure pipes 15, turbine cavity 17, suction pipe 19, waste water removal compartment 20) should be filled with filtered water with atmospheric pressure - P ₀ ( preliminary, air is removed from the body cavity), after which the combined heat and power plant is installed on the bottom of the reservoir (the attachment points of the body 1 to the bottom in Figs. 1-3 are not shown) and connected to all communications. After installing the cogeneration plant, a lattice electric water heater 23 is turned on from the starting battery (not shown in Figs. 1–3), open valve 8 in the outlet pipe 5 and valve 7 in the inlet pipe 4, after which water from the reservoir through the fence grid 6 and inlet pipe 4 due to hydrostatic pressure with an initial pressure P created by hydrostatic pressure N, it enters the filtration compartment 9, where the water is purified from suspended impurities [NN Abramov and others. Water supply. - M.: Gosstroyizdat, 1958, p. 333-340]. From the filtration compartment 9, purified water with a pressure of P ₁ (P ₁ <P by the value of the resistance of the filter loading layer - ∆P _f ) enters the buffer compartment 12, from where through pressure pipes 15 with a pressure of P ₂ (P ₂ <P ₁ by the resistance value pressure pipe - ∆Р _нт ) enters the blades of the hydraulic turbine 17. The hydraulic turbine 17 through the horizontal shaft 18 drives the rotor of the electric generator 14, which generates electrical energy transmitted through an electrical connector and an electric cable to the automatic control and control equipment that controls a transformer, a starting battery and further for domestic needs and to the consumer (not shown in Figs. 1-3). Wastewater with a pressure close to P ₀ through the suction pipe 19 enters the capillaries of the porous material 22. The movement of water in the capillaries of the porous material 22 from the low pressure zone to the high pressure zone is carried out similarly to the transport of liquid in heat pipes, namely capillary forces as a result water heating layer adjacent to the trailing edge of the porous material 22 in the high pressure zone trellis electric heater 23, the water from T ₀ to the reflux temperature _Tc, which creates steam-water mixture flow from the wall ne forirovannogo container 21 towards the outlet 5, from which the waste water is discharged into the reservoir.

Размеры решетки, мощность решетчатого электронагревателя 23, зазор между ним и выходной кромкой пористого материала 22, характеристики материала 22 (диаметр капилляров, пористость, диаметр и длина материала 22) определяют опытным путем.The dimensions of the grating, the power of the grating electric heater 23, the gap between it and the outlet edge of the porous material 22, the characteristics of the material 22 (capillary diameter, porosity, diameter and length of the material 22) are determined empirically.

Таким образом, предлагаемая подводная гидростатическая электростанция обеспечивает получение электрической энергии, без массивных дорогостоящих гидротехнических сооружений для создания потока воды, путем использования потенциальной энергии гиростатического давления столба воды на дне глубоководных водоемов и движения воды в капиллярах, что повышает ее эффективность по сравнению с известными аналогами.Thus, the proposed underwater hydrostatic power station provides electric energy without massive expensive hydraulic structures to create a water stream by using the potential energy of the gyrostatic pressure of the water column at the bottom of deep water reservoirs and the movement of water in the capillaries, which increases its efficiency compared to known analogues.

Claims

An underwater hydrostatic power plant containing a bottom mounted reservoir, a compartmented enclosure with a guard grid at the inlet, inside which there is a hydraulic turbine with a horizontal shaft and an electric generator, the rotor of which is connected to the turbine shaft, electrical connectors, power cables, automatic control and monitoring equipment, a control transformer, characterized in that the casing is made cylindrical, closed at the ends of the caps with inlet and outlet pipes, equipped with protective nets and a valve ami, inside of which, in the direction of water movement, are successively arranged: a filtration compartment, in which a perforated container is filled, filled with a filter load; a buffer compartment filled with filtered water; electric generator compartment, in which the electric generator is located, electrical connectors, electrical cables, automatic control and monitoring equipment, a control transformer, a starting battery and pressure pipes; a turbine compartment in which a hydraulic turbine is located with a suction pipe connected through pressure pipes to a buffer compartment; a waste water removal compartment in which a perforated container filled with a porous, mechanically strong, corrosion-resistant material is placed, and a water grid heater located at the edge of the outlet end of the perforated container with a porous, mechanically strong material.