практические. практическиепрпп. Руководство к выполнению лабораторных работ по дисциплине Режимы использования установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики Бишкек 2015
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Микрогидроэлектростанции сокращенно микроГЭС) – устройство для преобразования кинетической и потенциальной энергии воды в электрическую. Гидроэлектростанции можно разделить на две категории промышленные и домашние (для частного использования. Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается системная электростанция. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных полное отсутствие, как сырья, таки отходов. Единственное важное требование для микроГЭС – высокий среднегодовой потенциал стока рек. Мощность современных микроГЭС достигает 100 кВт. 1. Теоретическая часть Вовлечение природных возобновляемых источников энергии в энергетический баланс является одним из приоритетных направлений развития энергетики. В настоящее время обстановку в энергетическом комплексе Кыргызстана иначе как парадоксальной назвать нельзя обладая значительным потенциалом всех видов возобновляемых энергоресурсов, их составляющая в общем объеме производимой электроэнергии практически равна нулю. Существенное место по мировым запасами масштабам использования занимает энергия потоков воды. Объясняется это сравнительно высокой энергетической плотностью потока воды и относительной временной стабильностью режима стока большинства рек. Как известно, к категории микроГЭС относятся гидроэлектростанции, мошность которых не превышает 100 кВт. Из истории использования энергии воды прототипом современных гидродвигателей было водяное колесо с неподвижными относительно вращающегося цилиндра лопатками. 35 Вначале это были колеса водяных мельниц, которые подразделялись на наливные, когда струя воды поступает из подводящего желоба на колесо сверху, как бы наливаясь на него, и подливные, когда вода подливается под колесо снизу, те. используется кинетическая энергия потока (рис. 2.1). Гидродвигатели типа водяное колесо а) – наливное колесо, использующее потенциальную энергию b) – наливное колесо, использующее массу и кинетическую энергию c) – подливное колесо d) – подливное колесо, использующее массу и кинетическую энергию Рис. 2.1. Типы водяных колес Подливное колесо типа d) было использовано А. М. Панасюком при создании расходомера стока воды. Дальнейшим развитием водяных колес явились колеса с подвижными лопатками свободнопоточные с вертикальной и горизонтальной осью. В них лопатки, идущие против течения, складываются таким образом, чтобы оказывать как можно меньше сопротивления потоку, а идущие по течению – расправляются, подставляя потоку максимальную площадь. Ряд таких колес был опробован в 1978–79 гг. в ПКТИ «Водавто- матика и метрология, однако КПД их не превышал 0,35. Гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупных рек. Соответственно 36 изменяется и мощность их гидроагрегатов. В настоящее время принята следующая классификация согласно ГОСТ Р Нетрадиционная энергетика. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА МАЛАЯ. Термины и определения. Гидроэлектростанции мощностью – до 100 кВт – микроГЭС; – от 100 до 1000 кВт – миниГЭС; – от 1000 до 10000 кВт – малые ГЭС – свыше 10000 кВт – крупные гидроэлектростанции. Конструкция и принципы построения этих классов энергоустановок могут существенно отличаться. Станции класса мини и более мощные обычно используют в своей конструкции плотину, обеспечивающую запас воды в водохранилище и необходимый напор воды на гидротурбине. МикроГЭС отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Они могут строиться, как и более мощные станции, с использованием плотины, могут быть деривационного типа с использованием напорного трубопровода или канала. Наконец, микроГЭС могут устанавливаться в речной поток без всяких гидротехнических сооружений свободопоточные микроГЭС. Наиболее перспективными конструктивными решениями гидроэлектрических установок класса «микро» являются бесплотинные конструкции, способные работать в свободном потоке воды, или использующие напорный трубопровод. К основным показателям качества источников электропитания в соответствии с ГОСТ 4.171-85 относятся параметры выходного напряжения, характеризуемые номинальной величиной и частотой. Поэтому важнейшим элементом энергоустановки является система стабилизации, обеспечивающая статически устойчивый режим работы гидроагрегата и стабилизацию его выходного напряжения. Проведенный анализ показал, что одним из самых перспективных вариантов построения стабилизирующих систем бесплотинных микроГЭС, получившим наибольшее распространение во всем мире, являются системы регулирования величины электрической нагрузки станции. Такая возможность определяется зависимостью частоты вращения турбины от развиваемой ею мощности, которая в автономных системах электроснабжения потребляется электрической нагрузкой. Следовательно, выбирая соответствующую нагрузку источника электропитания, можно стабилизировать частоту вращения системы генератор – приводная турбина. Изменять величину нагрузки автономного источника электропитания возможно включением на выход генератора регулируемой балластной нагрузки. 37 Если под балластной понимать некоторую полезную нагрузку, то данный способ стабилизации подразумевает автоматическое перераспределение электрической мощности между некоторыми потребителями. Часть их допускает снижение величины питающего напряжения или его отключение. Схема энергоустановки с автобалластным регулированием выходных параметров показана на рис. 2.2. Рис. 2.2. Структурная схема стабилизации параметров микроГЭС автобалластного типа ГТ – гидротурбина Г – генератор Н – полезная нагрузка БН – балластная нагрузка РБН – регулятор балластной нагрузки Достоинствами данного способа является полное исключение электромеханических устройств из системы стабилизации частоты вращения гидродвигателя. Такая система регулирования может иметь высокое быстродействие, что положительно скажется на качестве выходного напряжения источника электропитания. Благодаря стабилизации частоты вращения приводного двигателя в рассматриваемых типах электроустановок могут применяться общепромышленные генераторы без большого запаса механической прочности ротора. Следует отметить, что обеспечить стабилизацию выходного напряжения рассматриваемой автономной системы электроснабжения по величине и частоте возможно только за счет поддержания неизменного баланса мощностей как по активной, таки по реактивной мощности. В противном случае необходим, как минимум, еще один канал регулирования Энергия потока воды Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии. Гидравлическая энергия – это механическая энергия речного арычного или рукавного) стока воды, которая преобразуется в электрическую энергию посредством гидротурбин и электрических генераторов. Полная энергия потока воды в начальном Э и конечном Э створах исследуемого участка гидравлической энергии отличается друг от друга на величину потерь на этом участке. Теряемая на данном участке энергия воды будет равна разности этих величин 1 2 2 1 1 2 , Э Э Э g W H ρ − − = − = ⋅ где ρ – плотность жидкости, кг/м 3 ; g – ускорение свободного падениям с W – объем стока воды, м 1 2 H − – удельная потенциальная энергия потока воды, называемая напором, (м, численно равная падению уровня свободной поверхности водотока на данном участке. Разделив 1 Э на время t получим среднюю мощность водяного потока на данном участке 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 , Вт. Э W N g H g Q H t t ρ ρ − − − − − = = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ В расчетах следует принять 3 2 кг/м , 1000, 9,81, мс . g ρ = = Подставив расчетные значениям сим получим мощность водотока, кВт 1 2 1 2 1 2 9,81 , кВт. N Q H − − − = ⋅ Потенциальные гидроэнергетические ресурсы – это теоретические запасы, определяемые по формуле 1 8760 9,81 , кВт ч. n i i Э Q H = = ⋅ ⋅ ⋅ ∑ 39 Использование потенциальных гидроэнергетических ресурсов производится с помощью гидроэнергетических установок (ГЭУ). ГЭУ предназначена для преобразования механической энергии водяного потока в электрическую энергию или, наоборот, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию воды. ГЭУ состоит из гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования. Технико-экономические характеристики малых и микроГЭС приведены в [6]. Установка, которая преобразует гидравлическую энергию в электрическую, называется гидроэлектростанцией (ГЭС. Машина, преобразующая энергию движущейся воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса, называется гидравлической турбиной. Гидравлическая турбина, соединенная валом с ротором генератора, называется гидроагрегатом. Мощность навалу гидротурбины Мощность навалу гидротурбины (кВт) определяется как 9,81 , кВт, Т T T T N Q H η = ⋅ ⋅ где Q T – расход воды через турбину, мс Н Т – напор турбины, м T η – коэффициент полезного действия (КПД) турбины. , м, T Г H H h = − где Н Г – геодезический напор, м ∆h – потери напора в водоподводящем тракте, м. Потери напора обычно составляют 2–5 % Н Г . Значение КПД гидротурбины зависит от конструкции, размеров и режимов работы. КПД современных гидротурбин может достигать 0,95. Электрическая мощность гидроагрегата на выводах генератора равна , кВт, А T ГЕН Р N η = ⋅ где ГЕН – КПД генератора. 40 Обычно КПД генераторов равен 0,9 – 0,98. Выработка электроэнергии ГЭС (кВт·ч) за период времени Т (ч) определяется как , кВт ч. ГЭС A Э Р Годовой фонд времени составляет – 8760 часов, год Т = отопительный сезон – 4380 часов. Технические характеристики микроГЭС МикроГЭС рукавная переносная предназначена для выработки электрического тока в условиях отсутствия централизованных источников электроэнергии. Возможными потребителями могут являться геологические партии, исследовательские экспедиции, чабаны, дачники, автотуристы и т. п. Для создания необходимого напора микроГЭС комплектуется водоводом напорным с водозаборником. Водовод состоит из нескольких быстроразборных секций (рис. 2.3). Рис. 2.3. МикроГЭС рукавная переносная. 1 – водопровод напорный 2 – аппарат направляющий 3 – ротор 4 – проточная часть 5 – уплотнение ротора 6 – маховик 7 – генератор переменного тока со встроенным выпрямителем и регулятором напряжения 8 – рама Кроме того, микроГЭС комплектуется распределительным элек- трощитком, соединительными проводами и светильниками. Для транспортировки на корпусе микроГЭС предусмотрены две ручки, что позволяет переносить ее вдвоем. 41 Принцип работы микроГЭС основан на использовании энергии водного потока. Поток поступает из водоема (реки, ручья) через водозаборники напорный водовод в направляющий аппарат, далее поток воды поступает на лопастную систему рабочего колеса и создает на роторе энергоблока крутящий момент, приводящий во вращение генератор. Основные детали микроГЭС выполнены штампованными и сварными из коррозионно-стойких материалов (нержавеющая сталь, алюминий, пластические массы. МикроГЭС отвечает современным эргономическим требованиям. Применение микроГЭС в народном хозяйстве ив личном пользовании населения позволит значительно повысить уровень комфорта работы и отдыха при отсутствии централизованного энергоснабжения. Конструктивно микроГЭС состоит из энергоблока, блока управления, блока возбуждения, блока нагрузки и рукавного водовода. Энергоблок выполнен в виде рамы, на которой расположены направляющий аппарат, двукратная турбина и электрический генератор. Для удобства эксплуатации блок управления, блок возбуждения и блок балластных нагрузок смонтированы вместе с энергоблоком на той же раме. Все узлы на раме закрыты кожухом. Водовод состоит из водозаборного устройства, затвора, переходника и напорных рукавов (или труб. Срок службы микроГЭС не менее 6 лет. МикроГЭС надежные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйства также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередача строить такие линии сейчас и дольше и дороже, чем приобрести и установить микроГЭС. Гидроэнергетика Кыргызстана Вековые ледники и снега питают 252 большие и малые реки, которые, в свою очередь, могут быть использованы для выработки электроэнергии. Энергетический потенциал рек Кыргызстана составляет от 140 до 160 млрд кВт ч в год и является основой гидроэнергетики. На самой многоводной и мощной реке в республике – реке Нарын построен уникальный каскад гидроэлектростанций во главе с флагманом кыргызской энергетики Токтогульской ГЭС. К сожалению, в настоящее время гидроэнергетический потенциал страны освоен только на 10 %. Имея разведанных 1,3 млрд тонн угольных запасов, Кыргызстан все же испытывает нехватку добычи углеводородов и зависимость от их 42 массового завоза извне. Использование современных технологий бездымного сжигания и переработки угля в газообразное топливо позволили бы диверсификацию энергоносителей и улучшили бы топливно-энерге- тический баланс страны. Гидроэнергетика – это одновременно и сильная, и слабая сторона энергетики Кыргызстана. Сильная потому, что гидроэнергетика не загрязняет окружающую среду и стоимость электроэнергии существенно ниже других возобновляемых источников. Слабая, так как в годы маловодья нуждается в поддержке от других более затратных источников энергии. И все же, несмотря на слабые стороны, гидроэнергетика является магистральным развитием энергетических мощностей и увеличения выработки электроэнергии. Уже есть конкретные планы строительства Камбаратинских ГЭС, дальнейшего освоения потенциала реки Нарын строительством Кокомеренского и Верхне-Нарынского каскадов ГЭС, освоения потенциала реки Сары-Джаз и многочисленных малых рек. Согласно Национальной энергетической программе к 2025 году выработка электроэнергии должна быть удвоена и составит до 30 млрд кВт ч в год. Это даст нам возможность не только полностью обеспечить электроэнергией внутреннее потребление и привлечь в страну стратегические энергоемкие производства, такие как ферросплавные или алюминиевые заводы, но и поставлять электроэнергию на экспорт, например, в страны Южной Азии – Пакистан, Афганистан, Индию. Рынки энергии этих стран представляют для нас большой интерес, так как пик годового потребления электроэнергии в них приходится на летний период, то есть как раз тогда, когда в Кыргызстане имеется ее избыток. Кыргызстан и дальше намерен осуществлять гидроэнергетические проекты, развивать законодательную базу в сфере энергетики в направлении дальнейшей либерализации с целью привлечения крупных инвесторов. Также не останутся без поддержки малый и средний бизнес. Для этого сегмента будут созданы все условия для строительства малых ГЭС и освоения возобновляемых источников энергии. 43 2. Практическая часть. Исследование режимов работы гидроэнергетической установки (микроГЭС) на лабораторном стенде Цель работы − Ознакомление с принципом построения и работы микроГЭС, изучение возможных режимов работы и области применения, а также эксплуатационных характеристик агрегата. − Выбор составных частей микроГЭС с учетом их эффективности, технической пригодности и целесообразности. − Изучение свойств асинхронного генератора в качестве источника электроэнергии в системе микроГЭС. − Изучение методики определения потенциала гидроэнергетической мощности установки и характеристик потока. − Исследование режимов работы микроГЭС при различных расходах воды. − Исследование режимов работы микроГЭС при различных нагрузках генератора. − Получение навыков работы с измерительными приборами параметров микроГЭС. Содержание работы 1. Ознакомиться с принципиальной электрической схемой стенда и изучить ее работу. 2. Ознакомиться с энергетической установкой, обеспечивающей получение кинетической энергии водного потока, направляемого натур- бину микроГЭС и изучить принцип ее работы. 3. Изучить свойства электрической машины, работающей в качестве генератора, электрической энергии. 4. Возбудить электрогенератор на холостом ходу и снять характеристику зависимости напряжения, тока и мощности генератора от скорости вращения турбины (без воды, т. е. ( ) хх гт Р f при постоянной величине тока возбуждения. 5. Ознакомиться со способом регулирования энергии водного потока энергетической установки и опробовать его. 6. Снять вольтамперные характеристики электрогенератора на каждой ступени регулирования водяного потока. 7. Произвести оценку скорости вращения гидротурбины при невозбужденном электрогенераторе. 44 Рис. 2.4. Лабораторный стенд исследования режимов работы микроГЭС. A – амперметр V – вольтметр АБ – аккумуляторный бак для воды В – регулировочный вентиль ВМ – водомер Д – трехфазный асинхронный двигатель МПТ – машина постоянного тока Н – водяной центробежный насос ПЧ – преобразователь частоты С – сменное сопло Т – рабочее колесо турбины ТМ – переносной тахометр Тр – система трубопроводов ЩУ – щит управления Описание используемых приборов на стенде Испытательный стенд (рис. 2.4) состоит из энергетической установки и станины. Энергетическая установка включает в себя водяной центробежный насос Н, приводимый во вращение трехфазным асинхронным двигателем Д, аккумуляторный бак для воды АБ, систему трубопроводов Тр, регулировочный вентиль В (либо преобразователь частоты ПЧ), водомер ВМ и сменное сопло С. Насос обеспечивает циркуляцию воды по замкнутому контуру. Энергетическая установка обеспечивает подачу воды через сопло Сна рабочее колесо турбины Т Вентиль В позволяет регулировать производительность насоса Н, величину которой можно контролировать при помощи водомера ВМ и секундомера. Турбина Т установлена навалу машины постоянного тока (МПТ) и является для него первичным (приводным) двигателем, преобразуя энергию водяного потока в механическую энергию вращения вала машины МПТ. МПТ, жесткозакрепленная на станине, преобразует механическую энергию в электрическую (или наоборот при питании МПТ от внешней электросети. МПТ подключается к щиту управления ЩУ, который позволяет плавно регулировать напряжение, подводимое к МПТ от внешней 45 электросети. Контроль нагрузки на постоянном токе производится с помощью переносных настольных приборов вольтметра V и амперметра А. Контроль частоты вращения гидротурбины, а значит и вала МПТ производится с помощью переносного тахометра ТМ. Прибор комбинированный цифровой Щ Измерение постоянного тока Переключатель в положении А, щупы подключаются в цепь последовательно. Снятие показаний значений тока производится с учетом переводного коэффициента, значения которого указаны на панели прибора (мА. Цифровой мультиметр A830L Измерение постоянного напряжения Красный щуп гнездо «VΩmA», черный щуп – гнездо «COME». Переключатель устанавливается в положение V_. Центральным переключателем выбираем диапазон измерений (Вили мВ. Щупы подключаются параллельно измеряемой цепи. Цифровой фототахометр-стробоскоп Т+ Совмещает в себе функции цифрового фототахометра и цифрового стробоскопа и предназначен для измерения частоты вращения частей двигателя, турбин и других объектов бесконтактным способом, а также линейной скорости перемещения деталей в процессах наладки, ремонта механизмов и лабораторных исследований. Работа с прибором Отделите небольшой кусок светоотражающей ленты и полученную метку наклейте на лопасти ветрогенератора уже наклеена на лопасть, частоту вращения которых необходимо измерить. Установите переключатель в положение «Photo RPM» крайнее левое положение Нажмите кнопку находится на торце прибора справа включения измерений и направьте световой красный луч тахометра наметку. Нагрузочный блок энергии микроГЭС Нагрузочный блок (НБ) предназначен для создания нагрузки генератора постоянного тока МПТ типа МУН-2 на стенде (рис. 2.4). Напряжение, подаваемое на НБ, не должно превышать ± 32 В, мощность НБ – 34 Вт. 46 Конструктивно НБ выполнен в металлической коробке в которой смонтированы 22 лампы накаливания напряжением 6,3 В, 4 тумблера выбора количества ламп и две клеммы +30 В и В. Лампы соединены в четыре группы – 2 группы пои группы по 6 штук в каждой. В каждой группе лампы соединены последовательно и подключаются при помощи тумблеров через клеммы ± 30 В к генератору микроГЭС. Подключение ламп осуществляется ступенями пои лампы. Нагрузочный блок позволяет регулировать ток нагрузки испытуемого генератора в пределах от 0 до 1 А. Автономный генератор |