ПОПЛАВКОВАЯ РЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ПРЭС)

Изобретение относится к гидроэнергетике. Устройство состоит из 2 частей: силовой, представляющей собой собранные вместе два пустотелых герметичных поплавка, соединенных между собой тремя дугообразными мостиками из сталь-ной трубы, зеркально усеченных в передней части под углом 45°. В третьем хвостовом секторе поплавка смонтированы мультипликатор, шестеренчатый гидронасос, гидробак, фильтр. Выходные и входные гидрорукава высокого давления выведены с передней части поплавка для подключения к исполнительной части. С двух сторон на верхних углах передней части установлены анкерные круги для закрепления к берегам силовых тросов. В качестве гидротурбины использовано штанговое шестилопастное водяное колесо, к валу которого присоединен мультипликатор. Исполнительная часть состоит из ручного гидрораспределителя, регулируемого гидроредуктора, манометра, аксиально-поршневого гидродвигателя и генератора переменного тока.

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к энергетическому машиностроению.
Густота речной сети Таджикистана в среднем составляет около 0,6 км/км2 [1], и ПРЭС могут найти самое широкое применение в обеспечении электроэнергией стационарных сельских потребителей, объектов отгонного животноводства, горнодобывающих и геологоразведочных объектов, станций и постов гидрометеорологических служб, туристических и других рекреационных комплексов, лесозаготовительных и охотничьих хозяйств, предприятий по производству и переработке рыбы, и многих других.
Ранее существовавшая конструкция Рукавная Переносная Гидроэлектростанция (РПГЭС-3), разработанная в КиргНИОЭ, как аналог с заявляемой конструкцией, не только близка по электро-техническим параметрам, но и по используемым узлам и деталям. В ней установлена, гидротурби-на соответствующего размера и мультипликатор для повышения частоты вращения приводного вала электрогенератора. Вращение гидротурбин через мультипликатор, как в заявляемом изобретении, передается на генератор. РПГЭС-3 работает на естественном турбулентном потоке реки и каналов, укладываемых на уклоне около 3,5( речной долины. Все эти конструкции не нашли своего широкого распространения лишь по той простой причине, что с увеличением количества воды в реках водозаборная часть разрушается и сама система уносится селевым потоком. В конструкции отсутствует гибкая связь с изменением уровня воды. Вероятности обнаружения уклона местности в размере 3,5° в дол реки и каналов очень низ-ка.
Другая ГЭС, гирляндная (конструкции Б.С. Блинова) [2] является наиболее близкой по совокупности существующих признаков к ПРЭС, работающей на свободном потоке и представляющей собой жёстко закрепленную металлическую раму с одной стороны реки, которая является опорой для множества поперечных гирляндных гидротурбин, связанных тросом. На другой стороне реки трос с регулятором натяжений крепится к опорному коническому подшипнику, который закреплен к якорному фундаменту. Вращение троса передается с помощью мультипликатора на генератор, далее генератор вырабатывает электроэнергию [3]. Частотная стабилизация, а также стабилизация выходного напряжения данной конструкции осуществляется методом подключения к микроГЭС балластного сопротивления [3]. Мощность таких установок непосредственно зависит от количества и скорости течения потока воды, а также от эффективной площадью устанавливаемых гидротурбин как в заявляемой конструкции. Для та-ких гидроустановок в зависимости от гидроэнергетического условия местности по известной методике индивидуально проводят расчеты для от-дельных узлов и деталей [2].
Недостаток данной установки заключается в том, что при увеличении расхода воды в реке скорость течения увеличивается, синхронный генера-тор независимо от балластного сопротивления выходит из рабочего режима. Тотальная 100%-ная нагрузка сильно снижает ресурс установки. Другой недостаток этой конструкции в том, что при наводнении массивные плавающие предметы вы-водят из строя отдельные жестко закрепленные гидротурбины или целиком уносят систему, так как количество воды в таких реках за короткое время сутки увеличивается на порядок и более.
Эксперимент, проводимый в 1995-2000гг. на реке Сурхоб сотрудниками кафедры «Электрической станции» ТТУ имени академика Осими с ис-пользованием свободно-поточных гирляндных гидротурбин для производства электроэнергии [3], подтверждает выше изложенные причины и не-приемлемость таких методов для консеквентных рек Таджикистана, где наблюдаются очень высокие сезонные динамические параметры.
Вышеуказанные конструкции имеют общие недостатки, усложняющие их эксплуатацию:
- незащищенность силовых агрегатов и трансмиссионных устройств для передачи энергии вращения на береговые части станции от повреждения плавающими предметами;
- невозможность работы при значительных суточных колебаниях глубины потока, которые, как правило, наблюдаются на малых и сред-них горных реках во время дождевых паводок;
- отсутствие гибкой трансмиссионной связи силовой части установок с береговыми исполнительными частями, то есть не является свободно плавающим.
Главными причинами таких недостатков для рек с турбулентными потоками являются отсутствие свободно плавающих силовых агрегатов и достаточной гибкости трансмиссионной связи силовых компонентов станции с береговыми устройствами, защитных узлов от плавающих предметов, а также низкий коэффициент мобильности этих установок.
Заявляемое изобретение поясняется прилагаемым чертежом, где изображена принципиальная гидравлическая схема.
Поплавковая Речная Электростанция (ПРЭС) состоит из силовой и исполнительной частей:
Силовая часть представляет собой собранные вместе два пустотелых герметичных поплавка 1. Поплавки соединены между собой тремя дугообразными мостиками 2 из стальной трубы. Они в передней части зеркально усечены под углом 45° для монтажа защитного устройства сеточного типа 3. В третьем хвостовом секторе поплавка смонтированы мультипликатор 4, шестеренчатый гидронасос 5, гидробак 6, фильтр 7. Выходные и входные гидрорукава высокого давления 8 выведены с передней части поплавка с помощью герметичных переходников 9 для дальнейшего подключения к исполнительной части станции. С двух сторон на верхних углах передней части установлены анкерные круги 10 для закрепления силовых тросов И, привязывающихся к берегам.
В качестве гидротурбин для ПРЭС использовано традиционное штанговое шестилопастное водяное колесо 12 с размерами лопастей, длиной 1500 мм и шириной 400 мм. Водяное колесо смонтировано с помощью фланцевого крепления с сальниками на конических подшипниках. В треть-ем отсеке одном из поплавке установлено торцевая шпоночная муфта 13 для соединения мультипликатора к валу водяного колеса.
Исполнительная береговая часть станции со-стоит из ручного гидрораспределителя 14, регулируемого гидроредуктора 15, манометра контроля давления 16, аксиально-поршневого гидродвигателя 17 и синхронного генератора перемен-ного тока 18, собранных на одной раме. Гибкая связь между силовым и исполнительным агрегата-ми осуществлена гибкими гидрошлангами высокого давления 19.
ПРЭС привязывается к берегам таким образом, чтобы она находилась по середине потока воды. Турбулентный естественный поток воды вращает штанговое водяное колесо 12 и далее частота вращения увеличиваясь с помощью мултипликатора 4 передается на гидронасос 5. Шестеренчатый гидронасос в свою очередь, нагнетает из гидробака 7 жидкость, которая через выход-ной гидрошланг высокого давления 19 попадает на распределитель 14. В выключенном состоянии ручного распределителя, поток жидкости проходит через обратный клапан очищаясь в фильтре 7 и попадает вновь в гидробак 7. При включенном состоянии распредилителья, поток жидкости поступает в регулируемый гидроредуктор 15. В гидроредукторе, давление жидкости стабилизируется и далее поступает на гидродвигатель 17 приводя его к вращению. Далее, этот гидродвигатель при-водит к вращению однофазный синхронный генератор 18. Гидродвигатель и электрогенератор соединены непосредственно фланцевым способом. Генератор является безщеточным, 2-полюсным, саморегулирующим, типа ЕК2МСТ (с параметра-ми: Р=6 кВт, UН=115-230 В, Соs =1, частота вращения 3000 об/мин, КПД 0,95). Вращая ручку регулировки давления гидроредуктора, можно добиться частоты переменного напряжения 50 Гц на контрольном блоке. Известно, что коэффициент сжатия рабочей жидкости ничтожно мал, поэтому частота вращения генератора в пределах номинальной мощности независимо от нагрузки гидродвигателя, остается неизменной. Пуск и остановка генератора осуществляются с помощ6ью ручки гидрораспределителя.
Мультипликатор с коэффициентом передачи 1:16,5 и с коэффициентом полезного действия 0,94 имеет жесткое соединение с гидронасосом. В качестве гидронасоса был выбран НШ-10-3 с рабочим объемом 10см3 и объемным КПД 0,93. Пре-имущество шестеренчатых гидронасосов для решения таких задач заключается в том, что они имеют достаточно широкий рабочий диапазон частоты вращения приводного вала (для данной марки он составляет от 16 до 50 оборотов в секунду) и малый вес (2,5 кг) относительно вырабатываемой мощности (5,5 кВт) [4]. Для управления рабочей жидкостью использован односекционный гидрораспределитель марки ВММ10-574 с ручным управлением и регулируемый гидроредуктор марки МКРВ10/ЗМ2РЗ, с диапазоном регулировки 1,5-31 МПа. Пропускная способность гидрораспределителя составляет 0,5 л/с, так как гидронасос НШ-10-3 с объемным КПД 0,93 при максимальной частоте вращения приводного вала перекачивает количество жидкости, составляющей около 0,46 л/с. Гидравлическое оборудование, используемое в данной станции, является типовым и стандартным, и выпускается во многих странах мира. В данной конструкции подобраны такие исполнения гидроузлов, которые не требуют дополнительных соединительных элементов и непосредственно монтируются друг к другу.
Для испытания был выбран участок реки, где средняя скорость при минимальном количестве расхода воды составляет 2,6м/с. Доля погружения штангового водяного колеса составляла 0,4 метра.
ПРЭС с вышеуказанной гидропреоброзавательной компоновкой и водяным колесом с эффективной площадью 0,75м2 выдерживает активную нагрузку в 4,2 кВт (220 В ±5%, 20 А). Мощность выдерживаемой реактивной нагрузки приблизительно равна активной, так как Соs =1. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к снижению выходного напряжения.
ПРЭС с более мощными силовыми агрегатами (водяное колесо, гидронасос, гидродвигатель и др.) соответственно вырабатывает больше электрической мощности, так как получаемая мощность в третей степени зависит от скорости течения потока и линейно от эффективной площади водяного колеса.
Согласно экспериментально полученным данным, КПД гидроколеса с 6 плоскими лопастями составляет около 0.60-0.65, что бесспорно намного выше КПД двигателей внутреннего сгорания дизельного цикла (0.28-0.32), не говоря уже о карбюраторном.
Существенное преимущество ПРЭС относительно прототипа гирляндной и других существующих аналогов заключается в следующем:
- она постоянно находится на свободном плаву;
- независимо от резкого возрастания количества воды в реках, что является причиной увеличения скорости течения потока воды, часто-та вращения приводного вала электрогенератора остается постоянным, что обеспечит стабилизацию частоты и выходного напряжения в пределе допустимой нормы;

- имеет защиту от плавающих предметов, у которых плотность равна или ниже плотности воды;
- данная установка является мобильной и при необходимости можно изменить место ее эксплуатации.

1. Водные ресурсы Таджикистана. Академия наук Республики Таджикистан, Душан-бе: ООО «Ому», 2003,110с.
2. Малая гидроэнергетика. Л. П. Ми-хайлов, Б. Н. Фельдман, Т. К. Марканова и др. М.: Энергоатомиздат, 1989, 184 с.
3. К вопросу электрификации населения горных районов Таджикистана. Яхъяев Р.М., Иноятов М.Б., Файзуллоев М.М., Материалы между-народной научно-практической конференции. Таджикский технический университет им. академика Осими, Душанбе, 2002г, 224 с.
4. Справочник механика энергетического строительства. Е. Г. Гологорский, А. Н. Кравцов, В. Д. Маслов и др. М.: Энергоатомиздат 1987, 384с.