Гидроаккумулирующая электростанция

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ р 11953078(22) Заявлено 2204 Я 1 (21) 3281882/29-15с присоединением заявки Йо(23) ПриоритетОпубликовано 230882. Бюллетень Йо 31Дата опубликования описания 230882 15 т 1 М Кл з Е 02 В 9/00 Государственный комитет СССР ио делам изобретений. и открытий(54 ) ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к гидроаккумулирующим электростанциям.Известна гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), предназначенная для выравнивания графиков нагрузки энергетических систем и состоящая из верхнего бассейна, нижнего бассейна и связанного с бассейнами водоводами гидроагрегатного блока.Гидроагрегатный блок расположен в здании ГАЭС и состоит из обратимой электрической машины (мотора- генератора) и обратимой гидромашины (насоса-турбины)Цикл работы ГАЭС включает два режима: режим зарядки и режим разрядки.При зарядке ГАЭС в часы провала графика нагрузки в энергосистеме она потребляет энергию из электросети, электрическая машина работает в режиме мотора, гидромашина - в насосном режиме, вода из нижнего бассейна нагнетается в верхний. ГАЭС аккумулирует энергию.При разрядке ГАЭС в часы пика нагрузки в энергосистеме вода из верхнего бассейна сливается в нижний, гидромашина работает в турбинном режиме, электрическая машина -в режиме генератора, электроэнергияпоступает в сеть. Мощность ГАЭСопределяется произведением статического напора, равного разностиотметок высот верхнего и нижнегобассейнов, и расхода воды черезгидроагрегатный блок, Чем вышестатический напор, тем выше мощность ГАЭС, или при заданной мощности меньше расход воды и объем бассейнов; В качестве верхнего и нижнегобассейнов используются естественныеили искусственные открытые водоемы, 15 расположенные на различной высоте Г 13,Недостатком такой электростанции . является большая зависимость напора от рельефа местности. В равнинных условиях ее эффективность значительно уменьшается.Известна также гидроаккумулирующая электростанция, включающая герметичный верхний резервуар, соединенный посредством трубопровода с вентилем с источником сжатого газа, гидроагрегатный блок, соединенный трубопроводом с верхним резервуаром и нижний резервуар, сообщенный с 1 атмосферой, и соединенный трубопро,водом с гидроагрегатным блоком.л- в -е -отнооительнын объем начальЧжной газовой подушки в резер вуаре 1,В этой ГАЭС напор обусловлен гидростатическим напором столба воды между резервуарами и давлением сжатого газа верхнем резервуаре, что при заданной мощности станции позволяет снизить заглубление нижнего резервуара или повысить мощность при неизменном заглублении. Напор электростанции Н в данном случае определяется формулой1 ОН:Н +Р-РоФр Фгде Н - статический напор, равныйразности отметок верхнегои нижнего резервуаров; 15Р - давление в газовом объеме(газовой подушке) верхнегорезервуарагР - давление воздуха над пооверхностью воды в нижнемрезервуаре;р - плотность воды;ускорение свободного падения.ДЛя увеличения суммарного напора необходимо повышать давление газа в верхнем резервуаре и понижать в нижнем.Р- РоДополнительный напор меняР 9,30 ется при разрядке ГАЭС по мере опорож нения верхнего резервуара и увеличения в нем газовой подушки. При политропическом законе расширения газа в верхнем резервуаре его давление уменьшается в соответствии с известной 35 зависимостью где Р - давление в газовой подушке 4 Рнверхнего резервуара в началеразрядки ГАЭС;Ч - объем газовой подушки верхннего резервуара в началеразрядки ГАЭС; 45Ч - текущий объем газовой подушки верхнего резервуара в гпроцессе его опорожнения;и - показатель политропы расширения.50В конце разрядки ГАЭС объем газовой подушки становится равным объему всего верхнего резервуара (или близким к нему). Для уменьшения падения давления газа в верхнем резервуаре при работе ГАЭС необходимо при ее проектировании увеличивать расчетное отношение начального объема газовой подушки к объему всего верхнего резервуара, т.е. строить верхний резервуар на объем, значительно превышающий объем воды 2),Недостатками устройства являются снижение мощности ГАЭС при работе ее в режиме разрядки, обусловленное снижением давления газа в верхнем резервуаре, а также высокая стоимость,строительства верхнего резервуара,связанная с необходимостью превышения его суммарного объема над объемомводы, нужной для работы ГАЭС. Обанедостатка взаимосвязаны. При относительно малой начальной газовойподушке верхнего резервуара происходит слишком резкое падение в верхнемрезервуаре, но уменьшается стоимостьстроительства ГАЭС из-за сниженияобъема верхнего резервуара. При относительно большой начальной газовойподушке верхнего резервуара снижениедавления уменьшается, но возрастаетстоимость строительства иэ-эа увеличения объема верхнего резервуара.Цель изобретения - повышение эффективности работы гидроаккумулирующей электростанции.Цель достигается тем, что гидроаккумулирующая электростанция снабженадополнительным герметичным нижнимрезервуаром, соединенным трубопроводом с гидроагрегатным блоком, исообщенным трубопроводами с вентилями с верхним резервуаром и атмосферой, причем трубопроводы, соединяющие нижние резервуары с гидроагрегатным блоком, снабжены затворами.Кроме того, в ней отношение объе-,ма одного резервуара с нижнего бьефа к объему другого составляет0,9-1,1,На фиг. 1 изображена схема гидроаккумулирующей электростанции;на фиг. 2 - график зависимости относительного давления в газовой подушке верхнего резервуара от относительного объема воды, прошедшейчерез гидроагрегатный блок в процессе разрядки ГАЭС; на фиг. 3 - графикзависимости относительного давления в газовой подушке верхнегорезервуара в конце его опорожненияот относительного объема начальнойгазовой подушки верхнего резервуара,где Ч - объем жидкости (воды), необходимой для работы ГАЭС;Ч - объем верхнего резервуа"ра 1;Ч 3 - объем резервуара 3;Ч - объем резервуара 4, предполагается, что Рн - давление газа в резервуаре 1 в начале разрядки ГАЭС; Р - давление газа в резервуа- Кре 1 в конце цикла разрядки ГАЭС;Р - текущее значение давленияв резервуаре 1 при разрядке ГАЭС;Р=-- относительный объем резерЧрф вуара 4;РР= -- относительное текущее давРление газа в резервуаре 1;Г= -- относительное конечное давРкРн ление газа в резервуаре 1;Ч - объем воды, прошедшей черезтурбину в процессе разрядкиГАЭС;ЧтЧ = - - относительный объем воды,прошедшей через турбину впроцессе разрядки ГАЭС,0 Ч 1, 15Основными частями гидроаккумулирующей электростанции являются верхний резервуар 1, выполненный в видегерметичной емкости, гидроагрегатныйблок 2, нижний резервуар 3 и герме-.тичный резервуар 4.Верхний резервуар 1 в своей нижней части соединен трубопроводом 5 сгидроагрегатным блоком 2, а в своейверхней части - трубопроводом 6 через 25венткюь 7 с источником 8 сжатого газа. Гидроагрегатный блок 2 соединентрубопроводом 9 через затвор 10 снижней частью резервуара 3, а трубопроводами 9 и 11 через затвор 12 снижней частью резервуара 4, Резервуар3 соединен в своей верхней части трубопроводом 13 с атомосферой. Резервуар4 в своей верхней части соединен трубопроводами 14 и 15 через вентиль 16с верхней частью резервуара 1, а трубопроводом 17 через вентиль 18с атмосферой,Работа предложенной ГАЭС происходит следующим образом,В исходном положении резервуары 403 и 4, трубопроводы 5, 9 и 11 заполнены водой, затворы 10 и 12, а такжевентили 7 и 18 закрыты. Вентиль 16открыт, Верхний резервуар 1 заполненвоздухом. Начинается процесс зарядки 45ГАЭС, для чего открывают затвор 12и подают электроэнергию на гидроагрегатный блок 2. Электрическаямашина, работающая в режиме мотора,начинает вращать обратимую гидромашину, работающую 1 в насосном режиме.Воду из резервуара 4 по трубопроводам 11, 9 .и 5 перекачивают в верхний.резервуар 1, а воздух иэ него вытесняют по трубопроводам 15 и 14 в55резервуар 4, В момент опорожнениярезервуара 4 затвор 12 закрывают,а затвор 10 открывают. Начинаютперекачку воды из резервуара 3. Вмомент его полного опорожнения затвор 10 закрывают и прекращают подачуэлектроэнергии на гидроагрегатныйблок 2.Далее открывают вентиль 7 и сжатый воздух от источника 8 сжатогогаза (например, компрессора) по трубопроводу 6 подают в верхний резервуар 1 и далее по трубопроводу 15 и14 в резервуар 4. После достижениязаданного давления вентиль 7 закрывают. ГАЭС находится в состояниизарядки.Процесс разрядки ГАЭС происходитследующим образом.Подают команду на открытие затвора 10. После открытия затвора 10вода под действием разности высот верхнего резервуара 1 и нижнего резервуа- ра 3, а также давления в газовой подушке верхнего резервуара 1, устремляется из резервуара 1 по трубопроводу 5 в гидроагрегатный блок 2 и далее по трубопроводу 9 через затвор 10 в резервуар 3. Обратимая машина начинает работать в режиме турбины, а электрическая машина - в режиме генератора. Начинается подача энергии в электросеть. Благодаря тому, что объем начальной газовой подушки равен не только объему газа в резервуаре 1 (как в известном устройстве), но и включает в себя обьем резервуара 4, падение давления газа в резервуаре 1 происходит значительно медленнее, чем в известном устройстве. В результате этого и мощность ГАЭС в процессе разрядки падает значительно медленнее.После полного заполнения резервуара 3 затвор 10 и вентиль 16 закрывают, а затвор 12 и вентиль 18 открывают. Вода иэ гидроагрегатного блока 2 по трубопроводам 9 и 11 поступает в резервуар 4. Воздух из резервуара 4 стравливают по трубопроводам 14 и 17 в атмосферу. Газ в резервуаре 1 продолжает расширяться, создавая необходимое повышение напора и мощности ГАЭС.После заполнения резервуара 4 затвор 12 и вентиль 18 закрывают, а вентиль 16 открывают. ГАЭС находится в исходном положении и готова к зарядке. При последующих циклах работы источник 8 сжатого газа не обновляет весь запас газа, а восполняет лишь утечки из системы.На фиг. 2 в качестве примера представлены расчетные зависимости изменения величины относительного давления газа Р в резервуаре 1 от величины относительного объема воды Ч , прошедшей через турбину в процессе разрядки ГАЭС. Величина Ч =0 соответствует началу разрядки, а Ч=1 - полной разрядке (опорожнению резервуара 1). Расчеты приведены для=0,1 и нескольких значений . Величины ф =0 и ф =1, т.е. случай наличия одного нижнего резервуара, соответствуют известному устройству. Предполагалось, что процесс расширения газа - изотермический с показателем политропы и = 1.Формула изобретения Все кривые выходят из начальнойВточки Р = 1 при Ч =0 и понижаются в соответствии с опорожнением верхнего резервуара 1 и ростом У . Наиболее сильное падение давления наблюдается у известного устройства, а наиболее слабое - у,ГАЭС с отношением р =0,5, Все кривые, относящиеся к величине 0Р (1, лежат выше кривой, соответствующей =0(р=1), что доказывает наличие положительного эффекта применения предложенной ГАЭС, Переломы на кривых с величиной 0 ,Р 1 соответствуют моменту заполнения резервуара 3 при разрядке ГАЭС. Оптимальной является величина 8 =0,5, 15 означающая равенство объемов резер вуаров 3 и 4.Поскольку в предложенной ГАЭС суммарный рабочий объем газовой подушки в верхнем резервуаре 1 равен сум ме объемов газа в этом резервуаре и в резервуаре 4, то эффективность ГАЭС должна меняться при измененииначального объема газовой подушки в самом резервуаре 1. На Фиг. 3 25 представлены результаты расчета зависимости относительного конечного Давления газа Рк в резервуаре 1, отражающего падение мощности ГАЭС в процессе разрядки, от относительного объема,и начальной газовой подушки в этом резервуаре. Чем больше . Р, тем эффективней ГАЭС. Кривая 19, имеющая уравнение Рк=ц.соот+ .ветствует известному устройству, акривая 20, подсчитанная для оптимального р =0,5 и имеющая уравнение+ О. 40Кривая 20 (фиг. 3) лежит всегдавыше кривой 19, т.е. предложеннаяГАЭС всегда эффективней известногоустройства. С увеличением объемаверхнего резервуара 1 при неизменномзапасе воды (увеличении рс) эффективность предложенной ГАЭС уменьшаетсяи приближается к эффективности известного устройства, однако необходимость создания верхнего бассейна увеличенного объема сильно удорожает строительство ГАЭС.Проведем от точки пересечения кривой 20 с осью ординат прямую (фиг. 3), параллельную оси абсцисс и пересекающую кривую 19 при значении ,и.=0,34. Это значит, что предложенная ГАЭС ср.=О, т.е. с нулевым ,газовым объемом в верхнем резервуаре 1, равна по эффективности известному устройству, имеющему объем подушки, соответствующийр =0,34. Она кроме того превышает по эффективности известное устройство с,к 0,34. 1. Гидроаккумулирующая электростанция, включающая герметичныйверхний резервуар, соединенныйпосредством трубопровода с вентилемс источником сжатого газа, гидроагрегатный блок, соединенный трубопроводом сверхним резервуаром, и нижний резервуар, сообщенный с атмосферой, и соединенный трубопроводом с гидроагрегатным блоком, о т л и ч а ю щ а -я с я тем; что, с целью повышенияэффективности работы, она снабженадополнительным герметичным нижнимрезервуаром, соединенным трубопроводом с гидроагрегатным блоком, и сообщенным трубопроводами с вентилямис верхним резервуаром и атмосферой,причем, трубопроводы, соединяющиенижние резервуары с гидроагрегатнымблоком, снабжены затворами.2, Электростанция по п.1, о т -л и ч а ю щ а я с я тем, что отношение объемаодного резервуара нижнегобьефа к объему другого составляет0,9-1,1,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Аргунов П.П. "Гидроэлектрические станции", Киев, 1960, с. 415-419.2. Авторское свидетельство СССРР 746028, кл. Е 02 В 9/ОО, 1979953078 ач 06 О,оставитель А. СергееехрЕдЖ.Кастелевич орректор А. Ференц Пушненков еда Эак оцписн 4/ Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,26/49ВНИИПИ ГосУдпо делам113035, Москва 68Фиа Тираж 709ственного комитета Собретений и открытий