Источник электроснабжения на основе гидравлической электрической станции

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для производства электрической и тепловой энергии за счет механической и тепловой энергии воды, имеющейся как в естественных источниках, так и в искусственно созданных сооружениях.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что для выработки электроэнергии генераторами гидравлических турбин используется вся располагаемая механическая энергия водяного потока, а для выработки тепловой энергии применяется двухступенчатая теплонасосная установка, использующая в качестве низкопотенциального источника теплоту водяного потока. Причем гидравлическая электрическая станция и теплонасосная установка смонтированы в едином блоке, а приводы компрессоров и привод сетевого насоса теплонасосной установки подключены к трансформатору электрогенератора гидравлической турбины. В этом случае имеется возможность регулированием производительности тепловых насосов обеспечивать потребителей заданным количеством тепловой энергии в соответствии с температурой наружного воздуха, а избыток электрической энергии отдавать в сеть, при этом обеспечивается полная автономность источника. Этим достигается повышение эксплуатационной технологичности источника и расширение его функциональных возможностей.

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для производства электрической и тепловой энергии за счет механической и тепловой энергии воды, имеющейся как в естественных источниках, так и в искусственно созданных сооружениях.

Известны гидравлические электрические станции (ГЭС) различных типов [1. Советский энциклопедический словарь / Гл. ред. Прохоров A.M. -3 изд. - М.: Сов. энциклопедия, 1984. - с. 303], преобразующие механическую энергию воды в электрическую энергию посредством гидротурбин, приводящих в движение электрические генераторы. Основным их недостатком является способность вырабатывать только электрическую энергию. Создание основе ГЭС источников энергоснабжения, вырабатывающих тепловую энергию путем преобразования в нее выработанной электрической энергии экономически нецелесообразно, поскольку это приводит к неоправданно большим затратам топлива на замещающих ГЭС тепловых электростанциях.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является гидравлическая энергетическая станция, включающая в свой состав плотину, водоводную систему, гидротурбины, электрогенераторы, а также, как минимум, один вихревой теплогенератор, инжекционный патрубок которого оснащен датчиком давления воды и соединен с водоводной системой через переходник, снабженный регулятором давления воды (выполненный, например, в виде заслонки), привод которого соединен с датчиком давления воды. Конструкция станции позволяет помимо электрической энергии вырабатывать и тепловую энергию для потребителей [2. Патент 2275526 РФ. МКИ3 F03B 13/00, F25B 29/00. Гидравлическая энергетическая станция / Носенков А.А., Медведев В.И., Соколов М.И. (Россия) 2003113279/06 заявл. 05.05.2003 Опубликовано: 27.04.2006. БИ: 21/2008].

Недостатками указанной гидравлической энергетической станции является применение для выработки теплоты вихревых теплогенераторов, использующих энергию потока воды, которая одновременно исключается из процесса выработки электрической энергии. Данное обстоятельство, в условиях дефицита электрической энергии, приводит к необходимости вырабатывать ее с более низким КПД на тепловых электрических станциях с дополнительными затратами топлива. Кроме того, выработка тепловой энергии с помощью вихревых устройств в условиях низконапорных, особенно на малых, ГЭС практически невозможна.

Известно, также устройство для выработки тепловой энергии, выполненное в виде двухступенчатой теплонасосной установки (ТНУ), в которых парообразное рабочее тело сжимается последовательно в двух компрессорах [3. Литовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. М.: Энергоиздат, 1982. - 142 с. - с. 24]. Теплота подводится к рабочему телу в испарителе первой (нижней) ступени, а отводится к нагреваемому теплоносителю сначала на участке конденсации первой ступени, затем на участке охлаждения перегретого пара рабочего тела, после чего - в конденсаторе второй ступени, который также может быть разделен на два участка. Конденсат рабочего тела из второй ступени отводится через дроссель в зону конденсации первой ступени, что приводит к уменьшению потерь эксергии от смешения потоков. Разделение конденсаторов на участки позволяет повысить температуру нагреваемого теплоносителя и снизить потери эксергии от необратимости теплообмена [4. Султангузин И.А., Потапова А.А. Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения // Новости теплоснабжения - 2010. - 10. - с. 23-27].

Недостатком указанных устройств является необходимость подвода дорогостоящей энергии для привода компрессоров ТНУ от посторонних источников. Если, например, в ТНУ оснащена электроприводом - необходим подвод значительного количества энергии по линиям электропередачи, а если в качестве привода использовать, например, двигатель внутреннего сгорания, то необходима постоянная подача топлива. Полностью автономно такие устройства работать не могут.

При использовании в качестве источника низкопотенциальной теплоты воды рек, озер и прудов, имеющей малую или нулевую скорость течения, требуется большая поверхность теплообмена испарителя ТНУ, что приводит к большим капитальным и эксплуатационным затратам. Кроме того, известные устройства не могут быть в полной мере использованы в системах теплоснабжения, так как в них не предусмотрена возможность глубокого регулирования тепловой нагрузки.

Выше перечисленные отрицательные технические эффекты приводят к сравнительно низкой эффективности использования предлагаемой гидравлической энергетической станции и большим капиталовложениям в строительство ТНУ.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности, эксплуатационной технологичности и функциональных возможностей источника энергоснабжения, выполненного на основе гидравлической электрической станции.

Для обеспечения работы предлагаемого источника могут быть использованы водяные потоки, сбрасываемые из систем технического водоснабжения ТЭС, АЭС, промышленных предприятий, очистных сооружений и т.п., а также энергия воды малых и больших рек, приливных течений и т.п.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что для выработки электроэнергии генераторами гидравлических турбин используется вся располагаемая механическая энергия водяного потока, а для выработки тепловой энергии применяется двухступенчатая теплонасосная установка, использующая в качестве низкопотенциального источника теплоту водяного потока. Причем гидравлическая электрическая станция и теплонасосная установка смонтированы в едином блоке и все потребители электрической энергии теплонасосной установки подключены к трансформатору электрогенератора гидравлической турбины. В этом случае имеется возможность регулированием производительности тепловых насосов обеспечивать потребителей заданным количеством тепловой энергии в соответствии с температурой наружного воздуха, а избыток электрической энергии отдавать в сеть, при этом обеспечивается полная автономность источника. Этим достигается

повышение эксплуатационной технологичности источника и расширение его функциональных возможностей.

В предлагаемом источнике энергоснабжения на трубопроводах, соединяющих первую и вторую ступени ТНУ дополнительно установлена запорная и регулирующая арматура, позволяющая отключать вторую ступень ТНУ. Отключение второй ступени в указанный период, когда поток воды зачастую имеет более высокую температуру, чем в отопительный период, позволяет обеспечить более эффективную работу теплового насоса и источника энергоснабжения в целом.

В предлагаемом источнике испаритель теплонасосной установки помещен в специальный канал, установленный в сбросной части водоводной системы. Такое решение позволяет обеспечить достаточно большую скорость водяного потока, омывающего поверхности теплообмена испарителя, и, тем самым, уменьшить величину этих поверхностей и, следовательно, существенно сократить капитальные затраты. Из-за диссипации энергии падающего потока воды в нижнем бьефе ГЭС, его температура, как правило, на 1÷2°С выше, чем в верхнем, поэтому предлагаемое расположение испарителя позволяет повысить эффективность работы теплового насоса за счет увеличения коэффициента преобразования теплоты [5. Калнинь И.М., Савицкий И.К. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра //http://ekip-tnu.ra/doc3.shtml].

Таким образом, заявляемый объект обеспечивает повышение функциональных возможностей, эффективности и эксплуатационной технологичности источника энергоснабжения, выполненного на основе гидравлической электрической станции.

Описание технического решения

На Фиг. 1 показан источник энергоснабжения на основе гидравлической электрической станции, установленной в речном русле, на Фиг. 2 - источник энергоснабжения на основе гидравлической электрической станции, установленный на водосбросе из систем технического водоснабжения ТЭС, АЭС, промышленных предприятий, очистных сооружений и т.п.

Возможность осуществления полезной модели подтверждается описанием конкретного примера, представленного на Фиг. 1.

Источник энергоснабжения содержит гидравлическую электрическую станцию (ГЭС), включающую в себя плотину 1, снабженную водоводной системой 2, в которой установлена гидравлическая турбина 3 с генератором 4, трансформатор 5 и линии электропередачи 6.

В едином блоке с ГЭС смонтирована двухступенчатая теплонасосная установка 7 с установленной на трубопроводах, соединяющих первую и вторую ступени запорной арматурой 8, 9, и 10.

Первая ступень теплового насоса состоит из соединенных трубопроводами: хладонового компрессора 11 первой ступени с приводом 12 соединенным силовыми кабелями 13 с трансформатором 5, испарителя 14, помещенного в сбросной канал 15, установленный в сбросной части водоводной системы 2, конденсатора 16, переохладителя 17, промежуточной емкости 18 и дросселя 19. Циркуляция сетевой воды через конденсатор 16 и переохладитель 17 обеспечивается насосом 20, привод которого соединен силовыми кабелями 21 с трансформатором 5.

Вторая ступень ТНУ 7 включает в себя разделительную запорную арматуру 22, 23, 24, 25, 26, хладоновый компрессор второй ступени 27 с приводом 28, соединенным силовыми кабелями с трансформатором 5 через частотный привод 30, конденсатор второй ступени 31 и установленный после него дроссель 32.

Источник энергоснабжения на основе гидравлической электрической станции работает следующим образом.

Плотина 1 через водоводную систему 2 направляет поток воды в гидравлическую турбину 3, где энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, соединенного с генератором 4, вырабатывающим электрическую энергию, которая через трансформатор 5 при отсутствии тепловой нагрузки по силовым линиям 6 может быть полностью передана потребителям.

При необходимости выработки тепловой энергии (например, обеспечение горячего водоснабжения в неотопительный период) включают первую ступень ТНУ 7 открытием запорной арматуры 8, 9 и 10 и подачей на привод

12 компрессора 11 первой ступени электрической энергии по силовым кабелям 13 от трансформатора 5.

ТНУ 7 осуществляет преобразование низкопотенциальной теплоты водяного потока, отбираемой хладоном в испарителе 14 от потока воды, движущегося с большой скоростью по сбросному каналу 15, установленному в сбросной части водоводной системы 2, в высокопотенциальную теплоту, передаваемую сетевой воде через конденсатор 16 и переохладитель 17 теплового насоса 7. Конденсат из переохладителя 17 сливается в промежуточную емкость 18, и далее, в испаритель 14. Давление в промежуточной емкости 18 поддерживается регулируемым дросселем 19. Циркуляция сетевой воды в контуре теплоснабжения производится сетевым насосом 20, привод которого обеспечивается подачей электрической энергии по кабелям 21 от трансформатора 5.

Для дополнительного подогрева сетевой воды до заданной температуры в периоды повышенного теплового потребления включают вторую ступень ТНУ, открытием запорной арматуры 22, 23 (или 24), 25 и 26, закрывают арматуру 10, и включают хладоновый компрессор второй ступени 27 подачей энергии по силовым кабелям 29 на привод компрессора 28. Дополнительно сжатые в компрессоре 27 пары хладона поступают в конденсатор 31, где передают теплоту конденсации сетевой воде подогретой в конденсаторе 16. В зависимости от режима подогрева сетевой воды, хладон из конденсатора 31 через управляемый дроссель 32 отводится через задвижку 23 на вход в переохладителя 17 или через задвижку 24 в трубопровод подачи паров хладона в конденсатор 16 первой ступени. В этом случае регулирование температуры прямой сетевой воды может осуществляться с помощью управляемого дросселя 32 и (или) частотного регулирования привода 30.

Устройство, представленное на фиг. 2, полностью аналогично представленному на фиг. 1, за исключением того, что вместо плотины используется естественный перепад высот, а так же напор на выходе из соответствующих систем технического водоснабжения.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что заявляемый источник теплоснабжения при его осуществлении предназначен для производства электрической и тепловой энергии за счет механической и

тепловой энергии воды, имеющихся как в естественных источниках, так и в искусственно созданных сооружениях, и способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического эффекта. Преимущество полезной модели состоит в том, что гидравлическая электрическая станция и теплонасосная установка смонтированы в едином блоке и все потребители электрической энергии теплонасосной установки подключены к трансформатору электрогенератора гидравлической турбины, что дает возможность регулированием производительности тепловых насосов обеспечивать потребителей заданным количеством тепловой энергии в соответствии с температурой наружного воздуха, а избыток электрической энергии отдавать в сеть, при этом обеспечивается полная автономность источника. Кроме того, при малых потребностях в отпускаемой тепловой энергии, например, только для горячего водоснабжения в неотопительный период, заявляемое техническое решение позволяет отключать вторую ступень теплового насоса, что позволяет эксплуатировать источник теплоснабжения на более эффективных режимах. Дополнительное преимущество полезной модели состоит в том, что благодаря тому, что испаритель теплонасосной установки помещен в специальный канал, установленный в сбросной части водоводной системы, существенно сокращаются капитальные затраты на изготовление испарителя и источника энергоснабжения в целом.

Источники известности

1. Советский энциклопедический словарь / Гл. ред. Прохоров A.M. - 3 изд. - М.: Советская энциклопедия, 1984.

2. Патент 2275526 РФ. МКИ3 F03B1 3/00, F25B 29/00. Гидравлическая энергетическая станция/ Носенков А.А., Медведев В.И., Соколов М.И. 2003113279/06, заявл. 05.05.2003. Опубликовано: 27.04.2006. БИ: 21/2008.

3. Литовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. М.: Энергоиздат, 1982. - 142 с.

4. Султангузин И.А., Потапова А.А. Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения // Новости теплоснабжения. - 2010.-10.

5. Калнинь И.М., Савицкий И.К. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра //http://ekip-tnu.ru/doc3.shtml

1. Источник энергоснабжения на основе гидравлической электрической станции содержащий водоводную систему, гидротурбину, электрогенератор, трансформатор и двухступенчатую теплонасосную установку, содержащую испаритель, установленный в водоводной системе, два последовательно установленных хладоновых компрессора с электроприводами, конденсаторы, служащие для подогрева сетевой воды, промежуточную емкость, дроссели, соединяющие трубопроводы с установленной на них запорно-регулирующей арматурой, отличающийся тем, что гидравлическая электрическая станция и теплонасосная установка смонтированы в едином блоке, а приводы компрессоров и привод сетевого насоса теплонасосной установки подключены к трансформатору электрогенератора гидравлической турбины.

2. Источник энергоснабжения по п. 1, отличающийся тем, что на трубопроводах, соединяющих первую и вторую ступени теплонасосной установки, дополнительно установлена запорная и регулирующая арматура.

3. Источник энергоснабжения по п. 1, отличающийся тем, что испаритель теплонасосной установки помещен в сбросной канал, установленный в сбросной части водоводной системы.

РИСУНКИ