Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прототипа плавучей низконапорной микроГЭС с быстроходным гидроагрегатом

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
потенциал малой гидроэнергетики, микрогидроэлектростанция, микрогэс, плавучая микрогэс, низконапорная микрогэс, быстроходная гидроэнергетическая установка, гидроагрегат, быстроходный гидроагрегат, автономная электросеть, объединенная электросеть

Цель проекта:
1) Вывод на рынок новой научно-технической продукции – плавучей низконапорной микроГЭС модульной конструкции, обеспечивающей повышение технического и экономического потенциалов гидроэнергетики малых равнинных рек и гидротехнических сооружений, снижение капитальных затрат на восстановление ранее существовавших малых ГЭС, ускорение решения проблемы электроснабжения отдаленных локальных потребителей, снижение нагрузки на объединенные электросети. 2) Разработка и обоснование технических решений плавучей модульной микроГЭС для работы в условиях геометрического напора воды не более 2 метров при скоростях потока в русле менее 1 м/с, обеспечивающих электроснабжение автономных и объединенных электросетей. Создание, исследование и параметрическая оптимизация прототипа гидроагрегата.

Основные планируемые результаты проекта:
 анализ состояния проблем построения низконапорных МкГЭС для работы в автономных и объединенных электросетях;
 отчет о патентных исследованиях основных тенденций построения низконапорных МкГЭС и их гидроагрегатов;
 сравнительная оценка перспективных схем построения низконапорных МкГЭС и обоснование предпочтительной схемы;
 математическая модель низконапорной МкГЭС с быстроходным гидроагрегатом;
 результаты вычислительных исследований динамики низконапорной МкГЭС, дающие представление о параметрических связях статических и динамических характеристик МкГЭС, включая режимы пуска и останова (планового и аварийных);
 обоснование расчетных параметров низконапорной МкГЭС и ее гидроагрегата;
 результаты синтеза схемы и параметров САУ низконапорной МкГЭС;
 техническая документация на макеты низконапорной МкГЭС, ее гидроагрегата и САУ;
 план и методики экспериментальных исследований макетов низконапорной МкГЭС, ее гидроагрегата и САУ;
 результаты (протоколы) экспериментальных исследований макетов МкГЭС, ее гидроагрегата и САУ;
 анализ и оценка результатов экспериментальных исследований макетов МкГЭС, ее гидроагрегата и САУ;
 обобщенный анализ результатов научно-технических исследований, сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований;
 методические рекомендации по расчету и построению модульных низконапорных МкГЭС для работы в автономных и объединенных электросетях;
 проект технического задания на ОКР по созданию опытного образца модульной плавучей низконапорной МкГЭС для работы в автономных и объединенных электросетях.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1-й задачей ПНИ является сравнительная оценка перспективных схем построения низконапорных МкГЭС и обоснование предпочтительной схемы.
Предварительный анализ реализованных схем МкГЭС и патентной информации показывает, что существует большое количество идей построения низконапорных МкГЭС, но только некоторые из них будут работоспособны в плавучем варианте при условиях напора менее 2 метров и скоростях потока в русле менее 1 м/с. Для сравнительной оценки предлагается отобрать на основе анализа публикаций наиболее перспективные схемы ГЭУ, включая предлагаемую участником конкурса. Саму сравнительную оценку предлагается выполнить количественно и качественно по результатам приближенного математического моделирования сравниваемых схем ГЭУ. Для подтверждения достоверности результатов математического моделирования предлагается выполнить сравнение двух наиболее предпочтительных схем на физических моделях. Это позволит отобрать для дальнейших исследований действительно предпочтительную схему ГЭУ. Ожидается, что таковой окажется предлагаемая схема ГЭУ с водоводом в виде сифона. Согласно этой схеме в качестве турбины используется погружная осевая обратимая лопастная машина, устанавливаемая в верхнем бьефе на плавсредстве (в частности на понтоне), к выходу которой подсоединяется сифон. Сифон "перебрасывается" с верхнего в нижний бьеф. Запуск сифона в работу обеспечивается лопастной машиной, включаемой в режиме насоса. При достижении достаточного разрежения в колене сифона разгон потока в нем до расчетной скорости будет происходить уже самопроизвольно, за счет избыточного разряжения на выходе насос перейдет в турбинный режим. Соответственно электродвигатель, раскручивавший насос, перейдет в генераторный режим. Такой решение позволяет прежде всего обойтись без традиционной системы запуска сифона с помощью отдельного вакуумного насоса. Разгон потока в сифоне позволяет иметь значительную скорость течения в турбине, т.е. использовать быстроходную лопастную машину. Это исключает из схемы мультипликатор, необходимый для привода генератора в других вариантах ГЭУ.
2-й задачей ПНИ является исследование динамики низконапорной МкГЭС, дающее представление о параметрических связях статических и динамических характеристик МкГЭС, включая режимы пуска и останова (планового и аварийных). Исследование предлагается выполнить на основе подробной математической модели ГЭУ, реализованной в среде FlowVision и/или Fluent. Результаты исследований позволят сделать научно обоснованный выбор расчетных параметров ГЭУ и всей МкГЭС. Обобщенные результаты дадут передаточную функцию ГЭУ для последующего синтеза оптимальной схемы и параметров САУ.
3-й задачей ПНИ является разработка системы автоматического управления (САУ) низконапорной МкГЭС. Синтез схемы и параметров САУ предлагается выполнить с использованием известных методов. Результаты будут проверены и уточнены методом математического моделирования динамики МкГЭС в среде MatLab-Simulink.
4-й задачей ПНИ является создание макетов низконапорной МкГЭС, ее гидроагрегата и САУ и их экспериментальные исследования. Макеты гидроагрегата, включая ГЭУ сифонного типа, и САУ предлагается выполнить полнофункциональными, рассчитанными на установленную мощность до 3 кВт. Плавсредство в макете МкГЭС может быть представлено имитационно.
5-й задачей ПНИ является разработка методических рекомендаций по расчету и построению модульных низконапорных МкГЭС для работы в автономных и объединенных электросетях. Разработку предлагается выполнить на основе всех полученных результатов ПНИ с пересчетом на несколько типоразмеров. Модульный подход к построению МкГЭС позволит решить задачу выбора установленной мощности МкГЭС для любого индивидуального объекта без индивидуального проектирования конструкций.
Ожидаемые преимущества предлагаемой разработки перед существующими аналогами – плотинными, приплотинными и деривационными ГЭС:
- отсутствие потребности в сложных и дорогостоящих строительных работах, связанных с размещением гидроагрегатов и организацией водоводов;
- возможность установки на естественных порогах в русле;
- паводковая безопасность;
- повышенный коэффициент использования располагаемой мощности.
Ожидаемые преимущества предлагаемой разработки перед существующими аналогами – плавучими бесплотинными или плавучими свободнопоточными ГЭС:
- значительно больший коэффициент использования располагаемой мощности;
- паводковая безопасность;
- более низкие удельные капитальные затраты за счет использования быстроходного гидроагрегата, исключающего необходимость применения мультипликатора;
- повышенная надежность;
- меньшие затраты на техническое обслуживание.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Способ использования – разработка, изготовление и испытания опытного образца модульной плавучей низконапорной МкГЭС – постановка на серийное производство, далее – по прямому назначению (генерация электроэнергии).
Области применения по прямому назначению:
- локальные электроэнергетические системы, в том числе изолированные, преимущественно в равнинных регионах;
- системы оборотного водоснабжения с бассейнами на промышленных предприятиях (например, ТЭС, ТЭЦ, АЭС и объекты химической промышленности);
- очистные сооружения;
- водоканалы;
- ирригационные системы;
- как альтернативный способ восстановления ранее существовавших малых ГЭС (около 3000 объектов) – использование только сохранившихся подпорных объектов (плотин, дамб) без восстановления гидроагрегатов.

Текущие результаты проекта:
Сравнительный эксперимент с моделями перспективных гидроэнергетических установок (ГЭУ) показал, что ГЭУ с сифонным разгонным устройством в наибольшей степени отвечает требованиям ТЗ на проект.
Впервые аналитически обосновано наличие передела энергоэффективности для ГЭУ в напорных водоводах, аналогичного пределу Беца-Жуковского для ветроэнергетческих установок, и полечено численное значение этого предела 227-0,50.3849, которое подтверждено экспериментально.
Предложен оригинальный подход к многопараметрической оптимизации ГЭУ сифонного типа на ранних этапах проектирования, на основе которого впервые получены аналитические зависимости оптимальных расчетных параметров осевой турбины от гидродинамических параметров напорного водовода (располагаемого напора и гидравлического сопротивления).
Разработан и подтвержден экспериментами оригинальный метод расчета осевой турбины, обеспечивающий оптимальность ее параметров в составе микроГЭС.
Разработана математическая модель прототипа сифонной микроГЭС и выполнена ее экспериментальная верификация на физической модели ГЭУ. Впервые удалось математически смоделировать процесс запуска сифона посредством турбины, работающей в насосном режиме.
Выполненные посредством разработанной математической модели вычислительные исследования динамики микроГЭС позволили синтезировать оптимальную структуру системы автоматического управления (САУ).
По результатам вычислительных экспериментов на математической модели микроГЭС выбраны расчетные параметры ее гидроагрегата и САУ, обеспечивающие оптимальность режимов работы микроГЭС при условии выполнения требований ТЗ на проект.
Разработан эскизный проект прототипа плавучей низконапорной модульной микроГЭС выходной мощностью не менее 3 кВт для работы в условиях геометрического напора воды не более 2 метров при скоростях потока в русле менее 1 м/с, что полностью соответствует требованиям ТЗ.
Разработаны эскизные проекты гидроагрегата и САУ для плавучей низконапорной модульной микроГЭС.
Разработаны Программа и методики исследований макетов микроГЭС и ее гидроагрегата.
Изготовлен полноразмерный макет гидроагрегата микроГЭС и проведены экспериментальные исследования его характеристик.
Выполнена систематизация и предварительная оценка полученных результатов экспериментов, подтверждающая заявленные в эскизном проекте параметры гидроагрегата, соответствующие лучшим мировым аналогам турбин.