Агрегаты пэс

Наиболее характерными для установки на ПЭС следует считать следующие три типа осевых обратимых гидромашин (насосотурбин) с поворотно-лопастными или пропеллерными рабочими колесами:

1) к а п с у л ь н ы е, иначе называемые также моноблочными, синхронная электрическая машина которых размещена в капсуле, омываемой водой проточного тракта насосотурбины.

2) т р у б ч а т ы е, или прямоточные, с вынесенной вне потока электромашиной и валом агрегата, обычно наклоненным на угол 10 – 12°.

3) б е з в а л ь н ы е, или прямоточные, с кольцевой электромашиной, ротор которой размещен на ободе рабочего колеса насосо-турбины и изолирован от проточного тракта специальными уплотнениями.

Несмотря на то что два последние типа еще только находятся в стадии разработки, американские и английские специалисты считают их более перспективными для установки на ПЭС, чем капсульные, основными недо-статками которых являются сложность монтажа и эксплуатации, в частности, вследствие трудности охлаждения, а также малый маховой момент, который ухудшает условия работы ПЭС в энергосистеме.

Для уменьшения габаритов электромашины иногда применяют уста-новку мультипликатора числа оборотов, что позволяет увеличить скорость ее вращения, но снижает КПД агрегата на 1 – 2 %. Поэтому применение мультипликатора допустимо только при небольшой мощности, например, в условиях Кислогубской ПЭС он повышает число оборотов с 72 до 600 в минуту.

Пока наиболее крупные капсульные агрегаты установлены на ПЭС Ране, они имеют мощность 10 МВт пропускная способность в турбинном режиме Q_T = 260 м³/с и в насосном – Q_n = 225 м³/с. Опытный агрегат Кислогубской ПЭС при Н_р = 1,3 м, D = 3,3 м и Q_T = 50 м³/с, развивает N_a = 400 кВт. Пропускная способность его в насосном режиме Q_H = 28 м³/с.

Увеличение единичной мощности горизонтальных агрегатов свыше 50 – 60 МВт в обозримой перспективе вряд ли будет иметь место, так как требует применения громоздких в транспортном и монтажном отношении рабочих колес диаметром 9 – 10 м и более. Поэтому число агрегатов на мощных ПЭС неизбежно измеряется десятками и сотнями.

К обратимым агрегатам ПЭС предъявляются требования в соответствии с режимом их работы в зависимости от примененной схемы данной установки (одно-, двух- или многобассейная). Обычно на ПЭС устанавливаются насосотурбины двустороннего действия, которые могут работать в турбинном режиме как при движении воды из бассейна в море, так и в обратном направлении. Для ускорения процесса наполнения и опорожнения бассейна может, соответственно, потребоваться работа агрегатов и в насосных режимах

Таким образом, в определенных условиях необходимо, чтобы обратимые агрегаты обеспечивали работу в четырех различных режимах: в прямом и обратном турбинном и в прямом и обратном насосном. Поскольку перекачка воды агрегатами в насосном режиме происходит при малых перепадах уровней, а работа в турбинном режиме при значительно больших напорах то КПД насосного аккумулирования энергии на ПЭС оказывается больше единицы.

Основные схемы и режимы работы ПЭС

ПЭС проектируются с одним, двумя, тремя и более бассейнами и работой агрегатов только в одном или в обоих направлениях, т. е. как при движении воды из бассейна в море, так и из моря в бассейн.

В определенных условиях наиболее эффективной оказывается однобассейная схема ПЭС двустороннего действия, примененная на действующей ПЭС Ране. При этой схеме в выбранном створе строится здание ПЭС, оборудованное обратимыми агрегатами двустороннего действия, и водосбросная плотина, ускоряющая процесс наполнения и опорожнения бассейна. Если эти сооружения не перекрывают створ, то строится также глухая земляная плотина. В состав гидроузла ПЭС может входить судопропускное устройство (большей частью шлюз), ОРУ и другие сооружения, обеспечивающие нормальную эксплуатацию ПЭС. Выделяется шесть характерных циклов работы однобассейной ПЭС двустороннего действия. Условно начнем с периода, когда после прилива бассейн наполнился:

– агрегаты работают в прямом турбинном режиме с пропуском рас-ходов воды из бассейна в море и выдают энергию в систему до тех пор, пока рабочий напор бывает больше или равен минимальному напору, при котором агрегат может вырабатывать энергию;

– в начале этого цикла основной задачей является скорейшее опорожнение бассейна, для чего открываются водопропускные отверстия плотины и агрегаты используются как холостые водосбросы, а при дальнейшем снижении перепада – как насосы для откачки воды из бассейна в море до момента, пока это экономически будет оправдано;

– бассейн опорожнен, отверстия плотины закрыты затворами, но прилив еще не создал достаточных напоров для обратного турбинного ре-жима с движением воды от моря к бассейну, поэтому агрегаты не работают;

– после достижения достаточного перепада уровней и воды из моря в бассейн агрегаты начинают работать в обратном турбинном режиме;

– основная задача пятого цикла, подобного второму, – скорее наполнить бассейн из моря, для чего отверстия плотины открываются и агрегаты используются как холостые водосбросы, а затем как насосы.

В конце цикла затворы плотины закрыты, агрегаты остановлены. Агрегаты не работают, ожидается получение достаточных напоров за счет отлива для перехода к работе в прямом турбинном режиме.

Таким образом, эта однобассейная схема ПЭС двустороннего действия может обеспечить выдачу энергии в систему в течение двух циклов из шести, два цикла энергия потребляется, а остальные два цикла являются холостыми (периодами ожидания достаточных напоров). На ПЭС Ране, например, работа в прямом турбинном режиме с учетом насосного аккумулирования энергии обеспечивает выработку энергии 537 ГВт*ч (537 млн кВт*ч) и в обратном турбинном – 71,5 ГВт-ч (71,5 млн кВт*ч). За вычетом затрат энергии на насосные режимы – 64,5 ГВт*ч (64,5 млн кВт*ч) выдача энергии в систему составляет 540 ГВт*ч (540 млн кВт*ч)

Однобассейные установки двустороннего действия, подобные Кислогубской ПЭС, при соответствующем регулировании напоров могут обеспечить ежедневную работу в пиковой части графика нагрузки энергосистемы, но количество вырабатываемой ими энергии уменьшается примерно в 1,5 раза.

В зависимости от местных условий и поставленных задач могут быть применены разнообразные схемы ПЭС одно - и двустороннего действия с двумя, тремя и более бассейнами, соединенными между собой, которые позволяют приспосабливать работу ПЭС к требованиям энергосистемы.

Преимущества и недостатки ПЭС

Приливные электростанции по сравнению с другими источниками энергии обладают как преимуществами, так и недостатками.

К числу преимуществ можно отнести следующие:

1. Энергетические:

– энергия возобновляемая;

– неизменная выработка энергии в месячном (сезонном и многолетнем) периодах за весь срок эксплуатации;

– устойчивая работа в энергосистемах как в базовом режиме, так и в пике графика нагрузок;

– нет зависимости от уровня выпадаемых в году осадков;

– стоимость энергии самая низкая по сравнению со всеми другими типами электростанций, что доказано 33-летней эксплуатацией промышленной ПЭС «Ранс» в центре Европы в энергосистеме Electricite de France. Так, по данным Electricite de France за 2005 год стоимость 1 кВт*ч электроэнергии (в сантимах) составляла: ПЭС – 18,5; ГЭС – 22,61; ТЭС – 34,2 и АЭС – 26,15. По российским данным, полученным в тот же период, стоимость одного кВт*ч Тугурской ПЭС (Охотское море) составила 2,4 коп., в то время как у проектируемой Амгуенской АЭС (Чукотка) она равнялась 8,7 коп.

2.Экологические:

– отсутствует выброс вредных газов, в том числе и создающих парниковый эффект в атмосфере, а также золы, радиоактивных и тепловых отходов;

– отсутствуют проблемы, связанные с добычей, транспортированием, переработкой, сжиганием и складированием топлива, отрицательно влияющие на окружающую среду;

– натуральные испытания на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или её повреждений;

– на ПЭС гибнет всего 5 – 10 % планктона (на ГЭС 83 – 99 %), являющегося основной кормовой базой рыбного стада;

– снижение солености воды в бассейне ПЭС, определяющее экологическое состояние морской фауны, составляет 0,05 – 0,07 %, т.е. практически неощутимо;

– ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается, исчезают торосы и предпосылки к их образованию, отсутствует силовое воздействие льда на сооружение;

– размыв дна и движение наносов полностью останавливаются в течение первых двух лет эксплуатации;

– прогрессивный наплавной способ строительства даёт возможность не возводить в створах ПЭС временные крупные строительные базы и сооружать перемычки, что способствует сохранению окружающей среды в районе ПЭС;

– климатические условия на примыкающих к ПЭС территориях, как правило, улучшаются;

– побережье защищается от отрицательных воздействий штормов.

3.Социальные:

– нет опасности затопления земель и волны прорыва в нижний бьеф (в отличие от ГЭС);

– влияние на ПЭС катастрофических природных и социальных явлений (землетрясения, наводнения, военные действия, терроризм) не угрожают населению в примыкающих к ПЭС районах;

– улучшение транспортной системы района, включая возможность строительства дороги на дамбе;

– возможности расширения туризма.

Наряду с перечисленными преимуществами ПЭС имеют и ряд недостатков, в том числе:

– несовпадение основных периодов возникновения приливов (12 ч 25 мин и 24 ч 50 мин) с привычным для человека периодом солнечных суток (24 ч); в связи с чем возникает сдвиг по фазе между оптимальными генерацией и потреблением энергии;

– изменение высоты прилива с периодом две недели, что приводит к колебаниям мощности ПЭС;

– большие расходы воды при относительно низких напорах приводят к необходимости использования большого количества турбин, работающих при относительно низком КПД.

Оптимальные режимы работы ПЭС зависят от условий её использования.

Если станция предназначена для удовлетворения местных потребностей, то необходимы вспомогательные источники энергии, используемые при уменьшении мощности ПЭС.

Если станция является относительно небольшим элементом, питающим энергией внешнюю электросеть, то заранее известные вариации мощности ПЭС могут быть согласованы с этой сетью.

Наконец, могут быть варианты, когда выработка энергии на ПЭС не связана с временем суток (зарядка аккумуляторов, получение водорода и т. п.).

Экономически наиболее выгодными являются крупномасштабные ПЭС (мощность порядка 1000 МВт), однако для снабжения энергией удаленных районов может оказаться оправданным и создание более мелких станций.

Перспективы использования ПЭС

Общая мощность океанских приливов на нашей планете составляет около 3000 ГВт, из которых на долю районов, где принципиально возможно строительство ПЭС, приходится 1000 ГВт. Создание ПЭС в 20 самых перспективных районах, разбросанных по всей Земле, могут обеспечить выработку электроэнергии суммарной мощностью порядка 120 ГВт.

Одной из ПЭС, наиболее успешно и длительно работающих, является французская электростанция «Ранс» со следующими характеристиками: средняя высота прилива – 8,4 м; площадь бассейна – 22 км², средняя мощность – 0,35 ГВт; годовая выработка электроэнергии – 3,1 ГВт*час.

Первой ПЭС на территории Российской Федерации является опытно- промышленная Кислогубская станция, построенная на Кольском полуострове в Кислой губе Баренцева моря в 1968 г. Параметры: напор – 4,7 м; мощность – 0,40 ГВт; годовая выработка электроэнергии – 1,2 ГВт*ч.

Использование приливной энергии ограничено главным образом высокой стоимостью сооружения ПЭС. Так, стоимость электростанции в «Рансе» почти в 2,5 раза выше обычной речной ГЭС той же мощности. В целях снижения стоимости в СССР впервые в мировой практике при строительстве Кислогубской ПЭС был предложен и успешно осуществлен так называемый наплавной способ, применяющийся в морском гидротехническом строительстве (тоннели, доки, дамбы и другие сооружения).

Сущность метода состоит в том, что строительство и монтаж объекта производятся в благоприятных условиях приморского промышленного центра, а затем в собранном виде объект буксируется по воде к месту его установки.

Опыт работы Кислогубской ПЭС и станции в Рансе позволил приступить к проектированию Мезенской ПЭС в Белом море, Пенжинской и Тугурской ПЭС в Охотском море (табл. 9.2). Обычно на ПЭС устанавливают капсульные гидроагрегаты, которые могут использоваться с относительно высоким КПД в генераторном (прямом и обратном) и насосном (прямом и обратном) режимах, а также в качестве водопропускного отверстия.

В периоды, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с «малой» или «полной» водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключены, либо работают в насосном режиме – подкачивают воду в бассейн выше уровня прилива (или откачивают ниже уровня отлива), тем самым аккумулируя энергию до того момента, когда в энергосистеме возникает пик нагрузки.

Таблица 9.2

Параметры российских ПЭС

Энергетический потенциал приливных электростанций

Энергетический потенциал заливов приливных морей обычно оценивают максимальной потенциальной энергией массы воды, поднимающейся в заливе во время прилива над минимальным уровнем воды, соответствующем периоду отлива. Такая оценка име­ет мало общего с реальными оценками максимальной возможной мощности и выработ­ки приливной электростанции, так как для использования энергии прилива необходимо создать препятствие на пути приливного потока. Такое препятствие может быть в форме здания электростанции (ПЭС) и плотины, перегораживающий пролив между бассейном и морем, как на действующих ПЭС во Франции, Канаде, России и Китае. Препятствие может иметь форму гидроэнергетических агрегатов того или иного вида, свободно размещаемых в проливе без плотины или при наличии береговых дамб, сужающих пролив до оптимальных размеров. Такая схема, предложенная Лятхервом. М. в 1985 г. [1], осу­ществляется на Myongyang Channel (Корея) с использованием геликоидных ортогональных турбин. Во всех случаях возникает вопрос о максимальной мощности и максимальной выработке энергии, которую можно получить в заданных условиях. Очевидно, при очень большом внесенном сопротивлении (глухая плотина) расход воды будет ми­нимальным и, несмотря на максимальный напор, мощность будет близка к нулю. На­против, при отсутствии сопротивления перепад будет равен нулю и, несмотря на макси­мальный расход, мощность будет равна нулю. Пусть Zq(O и z(t) обозначают уровень воды в море и в бассейне ПЭС соответствен­но; Q – площадь зеркала воды в бассейне; Qp – площадь живого сечения пролива (водного тракта ПЭС); А – высота прилива с периодом Г; i – коэффициент гидравлическо­го сопротивления водного тракта ПЭС.

Рассмотрим случай, когда бассейн не является проточным, т.е. сообщается с морем только через один пролив.

Относительное время использования установленной (максимальной) мощности tmax = 0,388 или – 3400 ч в году.

Все проекты с традиционной компоновкой предусматривают строительство на­порного фронта ПЭС, отсекающего бассейн ПЭС от моря. Наличие такого фронта изменяет экологическую ситуацию в бассейне.

Напоры на ПЭС невелики, традиционное гидроэнергетическое оборудование получается затратным, а выработка – относительно малой. Это определяет высокие удельные капитальные вложения на единицу установленной мощности и относительно вы­сокую себестоимость энергии.

Предлагается иной подход к проектированию ПЭС, свободный от указанных недостатков. В предложении [1] ПЭС состоит из гидроагрегатов, преобразующих энергию приливно-отливного течения. Такие гидроагрегаты устанавливаются в про­ливе, соединяющем бассейн с морем, там, где скорости течения достаточно велики. Агрегаты могут быть оснащены ортогональными турбинами. Еще большие возможности открывает новый тип ортогональных гидроагрегатов, запатентованный В. М. Лятхером. Эти безредукторные агрегаты, снабженные линейными (дуговыми) генераторами, могут иметь высокую мощность в одном агрегате и низкие удельные затраты на единицу мощности и выработки.

Оптимальные скорости течений для предлагаемых агрегатов – от 2 до 4 м/с. Если в природных условиях такие скорости не достигаются, возможно предварительное или последующее сужение пролива береговыми дамбами или донной отсыпкой. Выбор установленной мощности ПЭС – технико-экономическая задача. Особенность предложения автора состоит в том, что мощность ПЭС может быть любой, соответствующей финансовым возможностям инвестора, но меньшей определенного выше предельного значения, соответствующего заданным гидрологическими и топографическими условиями. Предлагаемые агрегаты могут изготавливаться в сухих доках промышленно развитых центров и транспортироваться в полностью или частично собранном виде на плаву к месту установки. Целесообразная мощность одного агрегата – от 2 до 75 МВт.

В тех случаях, когда предлагаемые наплавные гидроагрегаты, устанавливаемые в один ряд поперек пролива, не обеспечивают оптимальное значение необходимых параметров и не дают возможности получить наибольшую энергоотдачу от осваиваемого бассейна, турбины следует устанавливать в проливе в несколько рядов, расположенных друг от друга на расстоянии, достаточном для восстановления нормального поля скоростей. Такое решение полезно и для сохранения экологической чистоты объекта. Сравнительно медленно движущиеся лопасти турбин, поставленные в машинах достаточно редко, не опасны для рыбы, но наличие между рядами турбин зон спокойного течения может быть полезно для отдыха рыбы и не требует дополнительных материальных затрат.

Предлагаемое решение может быть применено для любых бассейнов. Например, для залива Кобекунд (Канада), площадь зеркала которого составляет 264 км², средняя высота приливов после создания ПЭС – 11,8 м, ширина пролива между мысами Экономии и Тенни – 8 км, глубина (максимальная) 42 м. Максимальная скорость потока в естественных условиях ~0,75 м/с.

Для того чтобы приблизиться к оптимальному значению а, можно, например, уменьшить ширину ка­нала до 2 км и установить турбины в 12 рядов. В этом случае а = 0,031 и возможная мощность ПЭС приближается к ее максимальному значению, равному Р_мах = 163 х 264 х 11,82 = 6000 МВт, годовая выработка составит ~20 000 ГВт * ч.

В канадском проекте 1982 г. мощность ПЭС в традиционной компоновке была определена как 4028 МВт, выработка – как 12 260 ГВт * ч.

Предлагаемые гидроагрегаты при скорости потока 3 м/с и габаритах 48 х 24 м² могут иметь мощность ~8 МВт каждый. В одном ряду можно установить 60 – 70 таких машин. Их общая мощность составит 5760 – 6720 МВт.

Рассмотрим случай проточного бассейна (канала), уровни, на концах которого зада­ны так, что течение в канале определяется перепадом уровней на его концах, не зави­сящим от режима течения в канале. Такая ситуация имеет место, например, на Муоngyang Channel (Корея). Этот канал имеет длину 30 км и среднюю ширину 10 км при глубине 10 м в момент самого низкого уровня воды. На расстоянии 15 км от южного конца канала есть сужение до 2,5 км с углублением до 17 м. Западный конец канала имеет ширину 2,5 км при максимальной глубине в эстуарии ~30 м. В 5 км от западного конца канала имеется прямой узкий участок длиной 1 км, шириной 0,5 км и площадью сечения 8500 м². В западной части канала, в районе существующего моста Chindo, ширина канала уменьшается до 310 м на длине 100 м. Здесь площадь его сечения составляет 5600 м², что соответствует средней глубине 18 м при низкой воде.

Высота приливно-отливных колебаний уровня воды в канале достигает Zmax – Zmin = 3 м.

В южном конце канала максимальный уровень наблюдается на 2 ч раньше, чем на западном. Это вызывает перепад уровней до 2 м и максимальную скорость на прямом участке узкого канала до 5,5 м/с. На остальной части канала скорости течения не пре­вышают 1,5 м/с, в южной части канала – < 1 м/с.

Максимальная мощность, которая может быть взята у потока в канале, не зависит от типа применяемых гидроагрегатов.

Фактическая максимальная мощность электростанции будет заметно меньше за счет неизбежных гидравлических, механических и электрических потерь в агрегатах. Без учета механических и электрических потерь при оптимальном использовании геликоидных турбин наиболее эффективно применение конструкций A.M. Горлова, имеющих коэффициент мощности в свободном потоке С_р = 0,35.

Оценка доступной для преобразования и использования энергии при­ливов не может быть основана на статических расчетах веса и высоты подъема воды в бассейне ПЭС в естественных условиях. Преобразование (использование) энергии прилива обязательно должно вызвать изменение режима прилива в бассейне ПЭС, ко­торое должно учитываться при оценках энергетического потенциала. Конкретные ре­зультаты оценок могут зависеть от схемы использования энергии приливов. Наиболее перспективной схемой представляется преобразование энергии приливных течений, когда максимальные скорости этих течений достаточно велики (от 2 до 4 м/с).

Для двух предельных схем, когда бассейны ПЭС имеют замкнутую форму с узким проли­вом, или напротив, форму канала, соединяющего два моря с независимыми ре­жимами прилива, получены точные соотношения, определяющие возможную макси­мальную мощность и максимальную выработку приливных электростанций.

Максимальная мощность приливной электростанции, располагаемой в устье за­мкнутого бассейна площадью Q (км2), при полусуточном приливе высотой А (т) оце­нивается величиной порядка 163 Q (км² ). Число часов использования этой мощности, определяющее среднегодовую выработку энергии станции, может достигать 3400 ч/г. В расчетах максимальной мощности следует учитывать максималь­ную высоту приливов, а в расчетах выработки – среднюю или среднеквадратичную высоту приливов. Именно этой средней мощности соответствует указанное число ча­сов использования. Во многих случаях при правильном полусуточном приливе и ис­пользовании бассейна ПЭС с максимальной энергоотдачей средняя мощность составляет 0,5–0,6 от максимальной.

При расположении приливной электростанции на проточном канале, перепад уров­ней на котором является заданным параметром, максимальная мощность электро­станции не может превышать 2/3 от максимальной мощности потока в исходных (природных) условиях.

Приливные электростанции целесообразно проектировать, ориентируясь на ис­пользование энергии приливных течений с применением современных оптимизиро­ванных ортогональных гидроагрегатов, без полного отсечения приливных бассейнов, с экономически оптимальным объемом первоначальных инвестиций.