Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

Гидросиловое оборудование – это гидротурбины и гидрогенераторы (на ГАЭС – обратимые гидромашины и двигатель-генераторы).

Вспомогательное оборудование необходимо для обеспечения работы гидросилового оборудования. К нему относятся системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, осушения и т. п.

Механическое оборудование включает в себя затворы, сороудерживающие решетки, грузоподъемные механизмы, краны для обслуживания гидротурбин и гидрогенераторов.

Электротехническое оборудование – электрическая часть генераторов, повышающие трансформаторы, коммутационная аппаратура: шинные, воздушные и кабельные токопроводы, система релейной защиты, автоматики, телеуправления, связи.

Санитарно-техническое оборудование, обеспечивающее отопление, вентиляцию, пожаротушение, водоснабжение и канализацию.

Гидравлическая турбина (гидротурбина) – это двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения (рис. 2.156). Турбина служит приводом для электрического генератора (гидрогенератора). Роторы гидротурбины и гидрогенератора, как правило, посажены на единый вал, имеющий общую систему опор вращающихся частей. Такое объединение образует сложную машину, называемую гидроагрегатом.

Рис. 2.156. Схема расположения (а) и общий вид (б) гидротурбины: 1 – водохранилище; 2 – затвор шлюза; 3 – трансформатор;

4 – генератор; 5 – гидротурбина

181

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90° (рис. 2.157). Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины.

По конструктивным признакам реактивные турбины подразделяются на радиально-осевые (см. рис. 2.157, а), пропеллерные (б), поворотно-лопастные (в) и диагональные (г, д).

Рис. 2.157. Общий вид рабочих колес реактивных турбин

По конструктивным признакам активные турбины подразделяются на ковшовые и двукратные (рис. 2.158).

Для малых ГЭС с напорами от 1 до 40 м чаще всего применяются поворотно-лопастные и пропеллерные турбины. Поворотно-лопаст- ная турбина (рис. 2.159) отличается от пропеллерной тем, что лопасти ее рабочего колеса не закреплены неподвижно, с помощью специального механизма, находящегося внутри втулки рабочего колеса, лопасти могут поворачиваться. Это позволяет регулировать скорость вращения турбины при изменении напора воды (в зависимости от времени года, погодных условий (засуха, наводнение)).

182

Рис. 2.158. Общий вид ковшовых и двукратных активных турбин

Рис. 2.159. Конструктивные решения поворотно-лопастных турбин

В состав гидротурбины входит гидрогенератор – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую. На малых ГЭС применяются в качестве генераторов синхронные машины трехфазного переменного тока (рис. 2.160).

Затворы малых ГЭС (рис. 2.161). В зданиях ГЭС и водоприемниках затворы применяются для перекрытия водопропускных отверстий и регулирования пропускания расхода воды.

183

Рис. 2.160. Общий вид генераторов малых ГЭС

Рис. 2.161. Общий вид затворов малых ГЭС

По функциональному назначению можно выделить:

–основные (рабочие) затворы предназначены для регулирования расходов;

–аварийные затворы применяются в случае аварии с основным затвором, при потере регулирования или повреждении турбины, разрыве водовода;

–ремонтные затворы устанавливают при выравненных уровнях воды перед затвором и за ним для перекрытия отверстий с последующим осушением водоводов при плановых ремонтах.

МикроГЭС – один из наиболее ранних видов ГЭС в истории развития гидроэнергетики. Созданная в 1940-е годы номенклатура гидротурбин включала все основные типы, применявшиеся в гидроэнергетике, радиально-осевые, пропеллерные, ковшовые. Как и для малых ГЭС, применительно к различным природным условиям можно выделить два типа микроГЭС: реализующие потенциальную энергию и реализующие кинетическую энергию водотока. Примерами первого типа являются микроГЭС с традиционным оборудованием, русловые либо деривационные, а также рукавные малые переносные гидроэлектростанции (разновидность деривационных).

184

МикроГЭС кинетического (активного) типа устанавливаются непосредственно в водотоке. Примерами их являются разработанные

иприменявшиеся гирляндные ГЭС конструкции Б. С. Блинова, штанговая плоскопараллельная и плоскоподъемная М. И. Логинова

идр. (рис. 2.162).

Рис. 2.162. МикроГЭС кинетического (активного) типа

Примером микроГЭС напорного типа (реактивные) является гидротурбина МГА-1-0,25 (НПО «РАНД» (РФ)) (рис. 2.163).

Экономические характеристики малых ГЭС. К экономическим преимуществам малой гидроэнергетики, по сравнению с электростанциями на органическом топливе, можно отнести низкую себестоимость электроэнергии и эксплуатационные затраты, относительно недорогую замену оборудования, более длительный срок службы ГЭС (40–50 лет), комплексное использование водных ресурсов (электроэнергетика, водоснабжение, мелиорация, охрана вод, рыбное хозяйство) (табл. 2.8).

Инвестиционные затраты ГЭС в Республике Беларусь (>10 МВт) оцениваются в диапазоне от 5000 до 6000 $ за 1 кВт установленной мощности и в среднем составляли около 4000 $ за 1 кВт (в Беларуси –

около 6000 $). Средняя стоимость 1 кВт ч электроэнергии, выработанной на МГЭС в Европе, составляла около 0,03 $. Себестоимость выработки электроэнергии ГЭС в Республике Беларусь в среднем составляет 0,07 $ (50 % – аренда земли).

185

Рис. 2.163. Конструкция и общий вид микроГЭС на базе гидротурбины МГА-1-0,25

Удельные затраты на строительство малых гидроэлектростанций при их индивидуальном проектировании и возведении часто могут превышать удельные затраты на строительство крупных ГЭС. Вместе с тем опыт проектирования и строительства различных малых гидроузлов все же позволяет говорить о возможности значительного снижения удельной стоимости вводимых мощностей при условии типового проектирования, унификации оборудования, применения местных материалов.

В странах Евросоюза, в том числе и нашей стране, принимая во внимание эти факторы, расширяют использование гидроэнергетических ресурсов малых рек.

2.6. Биоэнергетика. Способы использования энергии биомассы

2.6.1.Общая характеристика технологий

ибиоэнергетического потенциала

Биоэнергетика – направление в возобновляемой энергетике, которое основано на использовании энергии органического сырья, включает следующие технологии: прямое сжигание и пиролиз древесного

186

топлива и твердых бытовых отходов; биогазовые технологии; получение жидкого биотоплива для транспортных средств. Исходным сырьем для указанных технологий являются древесина, отходы древесины; бытовой и промышленный мусор; растениеводческая продукция иотходы сельскогохозяйства и пищевой промышленности.

Республика Беларусь на сегодняшний день имеет бόльший биоэнергетический потенциал.

Древесная биомасса. Беларусь обладает значительными лесными ресурсами. Возможный среднегодовой объем заготовки древесных топливных ресурсов в лесах Республики Беларусь в 2015 году составил 13,6 млн м3, что эквивалентно 3,7 млн т у.т. (9 % потребления ТЭР в стране). Страна имеет большой неиспользуемый энергопотенциал древесного топлива более 3 млн т у.т. За счет использования всех видов биомассы (древесная биомасса, отходы с/х, коммунальные отходы) возможнопокрыть до 15 % потребностей страны в ТЭР.

Перспективным источником древесного биосырья являются быстрорастущие насаждения, прежде всего, ива, тополь (одна тонна ивовой щепы (сырой массы) дает 8,9 ГДж, то есть примерно столько, сколько и одна тонна торфяных брикетов (для сравнения, 1 тонна мазута – 38,5 ГДж) (табл. 2.8). Ива дает первый урожай спустя 4–5 лет. Затем он снимается каждые три года. Урожайность примерно 45–50 тонн (сырой массы) древесины с 1 га (рис. 2.164).

Таблица 2.8

Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы

Окончание табл. 2.8

Примечание: * Расчет по массе влажного сырья.

**Расчет по массе сухого сырья.

***В виде сильно спрессованных брикетов.

****Сушка проводилась на воздухе в течение 9 мес.

Рис. 2.164. Выращивание и уборка ивы в качестве древесного топлива

Источником биомассы для биогазовых технологий являются:

–105 крупнейших свиноводческих комплексов (более 30 тыс. голов);

–82 комплекса по выращиванию крупного рогатого скота (более

5 тыс. голов);

–55 птицефабрик (более 200 тыс. голов)

–отходы сельского хозяйства.

ВРеспублике Беларусь находятся в эксплуатации около 2450 ка-

нализационно-насосных станций. Годовой пропуск сточных вод через канализационно-насосные станции составляет примерно 593,2 млн м3

(рис. 2.165).

188

Рис. 2.165. Общий вид объектов хранения и захоронения жидких

итвердых бытовых отходов

Встране действуют 167 объектов захоронения твердых коммунальных отходов с проектным объемом захоронения 239,8 млн м3 (фактический объем захоронения 206,6 млн м3). Потенциальная энергия, заключенная в этих отходах, равноценна 470 тыс. т у.т. При их биопереработке в целях получения газа эффективность составит 20–25 %, что эквивалентно 100–120 тыс. т у.т.

2.6.2. Использование древесного топлива. Котельные агрегаты на древесном топливе. Пиролиз и газификация биомассы

В настоящее время применяются следующие способы использования энергии биомассы:

–прямое сжигание древесной биомассы;

–пиролиз и газификация биомассы;

–анаэробное сбраживание органических отходов с получением биогаза;

–получение свалочного газа;

–прямое сжигание органических отходов.

Как видно из рис. 2.166 древесина используется в виде твердого и жидкого топлива. Твердое древесное топливо поступает на сжигание в виде обычных дров, щепы, топливных брикетов и пеллет

(рис. 2.167).

Следует отметить, что в последнее время все более широкое применение находят в целях сжигания щепа и топливные пеллеты, которые позволяют применять автоматизированное котельное оборудование. Кроме этого, как следует из табл. 2.8, пеллеты и брикеты имеют более высокую энергетическую плотность в сравнении с традиционной древесиной.

189

Рис. 2.166. Варианты использования древесного топлива

Рис. 2.167. Общий вид дров (а), топливных брикетов (б), щепы (в) и пеллет (г)

190