Способ расширенного воспроизводства электроэнергии и установка для его осуществления

(51) 03 13/00 (2006.01) 02 9/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ пар водоводами -образной формы с подачей рабочего тела на более высокий уровень от пары к паре, дополнительные .мощности нисходящим потокам рабочего тела во входных сечениях сопловых патрубков турбин сообщают сжатым воздухом от компрессора, а энергию вращения вала турбины из предыдущей пары сообщают насосу последующей пары и далее к генератору, мощность от зажима генератора отводится к сети распределения, а от сети распределения к потребителям. Электрогидроагрегат, характеризуется тем, что содержит генератор и механически соединенные с ним снабженные резервуаром с рабочим телом агрегат-двигатели, каждый из которых включает электродвигатель, насосы и турбины, водоводы(трубопровод), сопла-ускорители и представляет подключенную к электродвигателю последовательность оптимального количества пар насостурбина с возрастающими в направлении от электродвигателя к генератору их номинальными мощностями соединенные внутри пар водоводами выполненными в виде -образного труб, а между ларами механически, водоводы -образной формы представляют имеющие на геодезических высотных отметках подачи воды насосами общие сечения нагнетательные и инверсионные трубопроводы,инверсионные трубопроводы в их нижних сечениях через патрубки соединены с соплами- ускорителями, расположенными перед турбинами, сопловые патрубки оборудованы струйными насосами,соединенными с компрессором воздуховодами, расположение и соединение пар насос-турбина внутри единичного агрегат- двигателя последовательные, а соединение нескольких одновременно работающих и входящих в структуру электрогидроагрегата агрегат двигателей с общей главной турбиной,механически соединенной с генератором, является параллельным.(76) Игизбаев Кадр Боранкулович , Игизбаев Рустем Кадрович , Игизбаев Майдан Кадрович(54) СПОСОБ РАСШИРЕННОГО ВОСПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для экологически чистого преобразования энергии движения жидкости в электрическую и создания на этой основе энергетических комплексов. Технический результат - снижение экологического ущерба энергопроизводства и себестоимости получаемой электроэнергии, повышение рентабельности производства. Способ расширенного воспроизводства электроэнергии путем использования энергии движения рабочего тела - чистой или слегка загрязненной воды, включает создание напора для циклического движения рабочего тела из резервуара по водоводам через насосы, индукцию состоящих из восходящих и нисходящих потоков замкнутых водотоков с вертикальными осевыми плоскостями и расширенного воспроизводства их входных мощностей,сообщение дополнительных мощностей нисходящим потокам рабочего тела, преобразование энергии движущегося под напором потока в механическую энергию вращения в турбине с последующим сбросом в резервуар рабочего тела,возвращения его в цикл, превращения энергии вращения вала турбины в электрическую энергию в генераторе. Способ отличается тем, что входную мощность для создания напора и циклического движения рабочего тела сообщают с помощью электродвигателя, циклическое движение рабочего тела по водоводам осуществляют насосами из последовательно расположенных внутри агрегатдвигателей пар насос-турбина, соединенных внутри 19936 Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для экологически чистого преобразования энергии движения жидкости в электрическую и создания на этой основе энергетических комплексов. Известны способы производства электроэнергии и устройства для их осуществления путм преобразования энергии падающей воды естественных водотоков в электрическую посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы, и сброс отработанной воды в водом за плотиной (Большая Советская энциклопедия 1971 г. т.6, с 510). Известные способы и устройства производства электроэнергии требуют наличия мких естественных водомов для обеспечения стабильного напора и перепада высот подводимого потока, строительства сложных гидротехнических сооружений и не обеспечивают экологическую чистоту процесса преобразования энергии, так как рабочее тело (вода) участвует в не замкнутой термодинамической системе. Известен способ производства электроэнергии путм использования энергии движения рабочего тела, включающий создание напора для движения рабочего тела по водоводам путм разрежения,ускорения движения рабочего тела перед турбиной посредством сопла-ускорителя, преобразование энергии движущегося под напором рабочего тела в механическую энергию вращения в турбине с последующим преобразованием е в электрическую в электрогенераторе и возврат рабочего тела обратно в цикл (Патент РФ 2118698, кл.03 В 13/00, 1998). Известно устройство для осуществления данного способа,содержащее напорное устройство,выполненное в виде колонны, восходящую направляющую для подъема рабочего тела с выходным соплом-ускорителем, турбину с рабочим колесом, подключенным к исполнительному механизму, например электрогенератору, при этом турбина расположена в корпусе, подключенном к вакуумному агрегату, выполненном в виде двухходового поршневого насоса (Патент РФ 2118698, кл.03 В 13/00, 1998). К недостаткам известного способа и устройства для его осуществления относится низкая производительность используемого устройства,вследствие чего себестоимость получаемой по данному способу электроэнергии очень высокая. Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа производства прибыли мощности электрической энергии и установки для его осуществления, позволяющих исключить использование природных водотоков. Технический результат снижение экологического ущерба энергопроизводства и себестоимости получаемой электроэнергии,повышение рентабельности производства. Технический результат достигается тем, что в способе получения прибыли мощности электроэнергии (прибыли электроэнергии, прибыли электрического тока или прибыли электричества) 2 путм использования энергии движения рабочего тела - чистой или слегка загрязненной воды,включающем создание напора для циклического движения рабочего тела по трубопроводам(водоводам), сообщение дополнительной мощности потоку рабочего тела, индукцию неконсервативной системы сил и расширенное воспроизводство входного значения напора, то-есть входного значения мощности, обеспечивающей циклическое движение рабочего тела, преобразование энергии движущегося под напором потока в механическую энергию вращения рабочего колеса и вала турбины с последующим сбросом в резервуар рабочего тела и возвращение его в цикл, преобразование входной мощности механической энергии вращения вала турбины, то-есть, расширенно воспроизведенной входной мощности в мощность электроэнергии в генераторе, которая от зажима генератора отводится к сети распределения, а оттуда - к потребителям,при этом входную мощность для создания напора и циклического движения рабочего тела по трубопроводам и, тем самым, для индукции неконсервативной системы сил и расширенного воспроизводства энергии сообщают с помощью единичного электродвигателя или автономно работающих электродвигателей,циклическое движение рабочего тела по водоводам осуществляют насосами из блока или блоков пар насос -турбина, расположенных соответственно последовательно или параллельно, соединенных внутри пары водоводами опрокинутой -образной(-образной) формы, с подачей рабочего тела на более высокий уровень от пары к паре,дополнительную же мощность перед турбинами нисходящему потоку рабочего тела сообщают сжатым воздухом, энергию вращения вала турбины из предыдущей пары сообщают насосу последующей пары - от пары с меньшей мощностью к паре с большей мощностью, а мощность механической энергии вращения вала турбины последней пары - главной турбины-передается генератору. Технический результат достигается тем, что электрогидроагрегат, содержащий генератор и механически соединнный с ним, и снабженный резервуаром с рабочим телом и агрегат-двигатель,который включает насосы и турбины, водоводы(трубопроводы), сопла-ускорители и представляет подключенную к электродвигателю последовательность оптимального количества пар насос-турбина с возрастающими в направлении от электродвигателя к генератору их номинальными мощностями, соединенных внутри пар водоводами опрокинутой -образной ( -образной) формы, а между парами механически, водоводы-образной формы представляют имеющие на геодезических высотных отметках подачи воды насосами общие сечения нагнетательные и инверсионные трубопроводы, инверсионные трубы в их нижних сечениях через патрубки соединены с сопламиускорителями, расположенными перед турбинами,сопловые патрубки оборудованы струйными насосами,соединнными с компрессором 19936 воздуховодами, расположение и соединение пар насос-турбина внутри единичного агрегатадвигателя последовательное,а соединение нескольких одновременно работающих и входящих в структуру электрогидроагрегата агрегат двигателей с общей главной турбиной - турбиной,механически соединенной с генератором, является параллельным. Эксплуатация рабочего тела - чистой или слегка загрязненной воды не сопряжена негативными экологическими последствиями энергопроизводства по предлагаемому способу. Объем рабочего тела в резервуаре не изменяется в течение длительного времени и их периодическое возобновление не связано с существенными экономическими затратами. Применением соединенных-образными трубопроводами пар насос-турбина с возрастающими в направлении от электродвигателя к генератору их номинальными мощностями обеспечивается достижение последовательного расширенного воспроизводства от пары к паре мощности искусственно индуцируемой с их использованием гидроэнергии. Работами бустерных воздушноструйных насосов,которыми оборудованы сопловые патрубки, будет обеспечиваться точность определения геодезических высот подачи воды насосами и дополнительное последовательное от пары к паре в направлении от электродвигателя к генератору расширенное воспроизводство мощности искусственно индуцируемой гидроэнергии. На основе комбинации агрегат -двигателей различных порядков и мощностей, имеющих общую соединенную с генератором турбину достигается создание имеющего сложную структуру и вырабатывающего прибыль мощности электроэнергии в 5,0 МВт и более электрогидроагрегата, представляющего альтернативную ГЭС. Механизмы выпусков и поставок требуемых для этих целей гидравлических и электрических машин,а также оборудований в широком диапазоне их номенклатур хорошо отлажены. И поэтому создание электрогидроагрегатов и работающих на основе различных комбинаций их энергосиловых блоков агрегат -двигателей альтернативных ГЭС не требует разработки специального опытного производства объектов новой техники и е собственного производства, за исключением минимальных объемов опытно-конструкторских работ, связанных с определениями и стандартизацией технических и энергетических параметров агрегат -двигателей конкретной модели альтернативной ГЭС, перед е серийным выпуском и надобность в которых отпадает после их серийного выпуска. Само же строительство альтернативных ГЭС будет сводиться к сборке их из генератора и энергосиловых блоков - агрегат - двигателей из имеющихся наборов гидравлических и электрических машин и оборудований заданных диапазонов их номенклатур и полей рабочих характеристик. Вс изложенное выше определяет следующие преимущества предлагаемого способа производства прибыли мощности электроэнергии и электрогидроагрегата для его осуществления. 1. Возможность создания на основе их использования альтернативных ГЭС, позволяющих производство прибыли мощности электроэнергии от нескольких Квт до нескольких десятков и более МВт. 2. Высокий К.П.Д электрогидроагрегата альтернативной ГЭС, содержащий один, а также два и более параллельно подключенных к главной турбине их пар, составляющие, соответственно 150, а также 300 и более. 3. Отсутствие потребления энергии естественных водотоков и резкое сокращение удельного веса теплового способа, применяемого при эксплуатации альтернативных ГЭС, по сравнению с имеющим место в настоящее время его удельным весом в общей структуре удельных весов способов энергопроизводства и обеспечиваемые этим резкие снижения экономических затрат и негативных экологических последствий использования традиционных гидроэнергетических и тепловых способов. 4. Экологическая чистота и высокая степень безопасности энергопроизводства 5. Обеспечение близкого к единице значения коэффициента использования мощности,6. Возможность блиц-реализации строительства альтернативной ГЭС - ГЭС по производству прибыли мощности электроэнергии. 7. Быстрая окупаемость вложенных в создание альтернативных ГЭС средств, срок которой не превышает трх лет при продолжительности межремонтного пробега используемых машин и оборудований равной (15-18) годам. 8. Низкая себестоимость производимой с использованием альтернативной ГЭС электроэнергии, которая колеблется в пределах(0,601,00) цента/Квт-час. и др. Предлагаемое изобретение поясняется показанной на фиг. 1 схемой электрогидроагрегата,представляющим альтернативную ГЭС, агрегатдвигатель или энергосиловой блок которой состоит из трх пар насос-турбина, где 1-электродвигатель,2-насос, 3-ковшовая турбина, 4-турбинная камера, 5 генератор, 6-оси валов гидравлических машин, 7 всваывающие трубопроводы, 8 и 8-нагнетательные и инверсионные трубопроводы, имеющие на геодезических высотных отметках подачи воды насосами общие сечения и совместно образующие сборную -образные трубопроводы, 9-резервуар с рабочим телом - чистой или слегка загрязненной водой. Индексы 1, 2, или 3 при перечисленных выше элементах электрогидроагрегата соответствуют рангу соединенной -образной трубой пары насос турбина или рангу индуцируемой ею водотока. В данном случае наивысший ранг водотоков,создаваемых представленным на фиг.1 электрогидроагрегатом равен трм. 3 19936 На фиг.2 показана ковшовая турбина, где 10 бустерная трубка, по которой подводится сжатый воздух к соплу 11 турбины, имеющему механическое соединение с инверсионным трубопроводом 8, 12 и 13 - соответственно ковши и рабочее колесо турбины, 14 - кожух турбинной камеры, 15 и 16 - соответственно механизм управления и игла сопла турбины, 17 - выходящая из сопла турбины струя жидкости. На фиг.2 элементы ковшовой турбины представлены без индексов, в виду общности е конструкции для любой пары насос-турбины электрогидроагрегата. Показанная на фиг.1 комплексная установка или комплексный электрогидроагрегат представляет ГЭС по производству прибыли мощности электроэнергии и работает следующим образом. Разъяснение схемы работы электрогидроагрегата применительно к паре насос-турбина дается путм применения к элементам показанных на фиг.1 и 2 электрогидроагрегата и турбины индексов,соответствующих рангам пар или рангам индуцируемых ими водотоков. От источника энергии (не показан) сообщается входная мощность электродвигателю 1, который приводит в действие механически соединнный с ним насос 21 из первой пары блоков насос-турбина (31). Из резервуара 9 рабочее тело (чистая или слегка загрязненная вода) по всасывающему трубопроводу 71 поступает в насос 21 после выхода из которого начинается е восходящее вертикальное движение по 1, нагнетательному трубопроводу 8 которое после достижения восходящим потоком геодезической высотыг 1 подачи воды насосом 21 переходит в нисходящее движение по инверсионному трубопроводу 81 , после достижения которым входного сечения соплового патрубка нисходящему потоку сообщается дополнительная мощность от компрессора (не показан) сжатым воздухом через бустерную трубку 101. На отметке(0),отсчитываемой от уровня свободной поверхности воды 10, соответствующей установившемуся режиму работы электрогидроагрегата, выходящая из сопла 111 струя 17 попадает в ковш 12 31 рабочего колеса преобразование энергии нисходящей струи жидкости, то-есть гидроэнергии, в механическую энергию вращения рабочего колеса 13 31 и вала турбины 31, возврат струи в резервуар 9. Поскольку работа насосной установки непрерывная, то происходит циркуляция воды по схеме 971 8181 111 12 31 9 Как видно, водоток, индуцируемый работой снабженной резервуаром с водой насосной установки, оборудованной имеющим соединение с соплом смежной с ней турбины через имеющийобразную форму трубопровод является замкнутым соединению между первой и второй парами турбина-насос энергия вращения вала турбины 31 передается насосу 22 и приводит его в действие, под которым индуцируется движение жидкости по аналогичной предыдущей схеме, то-есть движение е из резервуара 9 по всасывающему трубопроводу 72, через насос 22 и восходяще-вертикальное движение по нагнетательному трубопроводу 8 2 ,после достижения восходящее-вертикальным потоком обработке подаваемым из компрессора по бустерной трубке 102 сжатым воздухом, выход нисходящей струи из сопла 112 на отметке(0), попадание е в ковши 12 32 турбины 32, преобразование энергии движения жидкости в механическую энергию вращения е рабочего колеса и вала, возврат струи в резервуар 9 и индукция замкнутого водотока(циркуляции) второго ранга. Индукция замкнутого водотока третьего ранга путм приведения турбиной 32 в действие механически соединенного с ней насоса 23 аналогична таковым, что имели место для первой и второй пар насос-турбина, с той лишь разницей, что подачи воды насосом 23 будет превосходитьи, в данном случае мощность механической энергии вращения вала турбины 33 будет передаваться имеющему с ней механическое соединение генератору и преобразована в мощность электроэнергии. Пример. Производство прибыли мощности электроэнергии электрогидроагрегатом с единичной парой насос-турбина. Рассмотрим случай, когда энергосиловой блок или агрегат-двигатель электрогидроагрегата - ГЭС по производству прибыли мощности электроэнергии состоит из одной пары насос-турбина, насос который приводится в действие электродвигателем. Данная модель ГЭС по производству прибыли мощности электроэнергии получается путем исключения из показанной на фиг.1 е модели 2 ой и 3 ей пар насос-турбина и подключения первой пары насос-турбина к подобранному по мощности к е номинальной мощности генератору. Введм условные обозначения Н(2), а также Н,1(2) и Н,2(2) - соответственно напор насоса 2, а также потери динамических напоров на преодоление сопротивлений всасывающего 7 и нагнетательного 8 трубопроводов, сопротивлений вставок (арматуры) на линии всасывания и на линии нагнетания насосной установки, м Р 1, и Р 2 - соответственно давление на свободной поверхности воды в резервуаре и давление жидкости в-образном трубопроводе, Па 1-скорость установившегося движения воды на свободной поверхности в 19936 также на геодезической высоте подачи воды насосом 2 и не обработанного сжатым воздухом инверсионного потока на выходе из сопла, м- -среднерасходное значение 2 сек скорости движения жидкости в нагнетательном свободной поверхности воды в резервуаре,соответствующая режиму е установившегося движения в гидравлической системе электрогидроагрегата, м (2) и вс(2) - высота насоса и высота его всасывания, м (0)-кратчайшее расстояние между наинизшей точкой номинальной окружности рабочего колеса 13 турбины 3 с горизонтальным валом и имеющей высотную отметку 1, свободной поверхностью воды в резервуаре, м (вс) и (вс(2)0,5(2) , а также (.(2 И ИНВ(.(2) -(0) )соответственно, полные удельные энергии потока жидкости на входе в насос и на выходе из него, а Представления перечисленных выше полных удельных напоров потока в принятых их контрольных сечениях, описываемых уравнением Бернулли имеют вид Условие (6) свидетельствует о том, что силы обусловленные давлениями жидкости на входе в насос 2 и на выходе из него, равными,соответственно, 1 ,(Н также собой, то-есть имеет место закон сохранения энергии. В данном случае 12 атм ,Уровень свободной поверхности воды при установившемся движении жидкости в гидравлической системе электрогидроагрегата постоянен. Поэтому 1 0 1 0 Составим разность консервативны, так как индуцируемые ими полные удельные энергии (напоры) потока в контрольных сечениях свс(2) ивс(2)0,5(2) равны между Выразив в (7) значения(вс) и инв 0) ) по (1) и (4), а также принимая во внимание, что 12 атм , 1 0, 10, будем иметьинв 0) )2 гдеинв 0) )- прибыль напора нисходящего потока циркуляции воды на высотной отметке На фиг.3 приведена гарантированная заводомизготовителем рабочая характеристика насоса 2 Д 2000-21, для которого напор Н(2)21,0 мподача 5 высота всасывания насоса, м. При приведенных выше значениях входных величин прибыль напора инв 0) ) 19,50 м. Полученный результат свидетельствует о том,что система сил, обусловленных 2 давлениями р 2,потока ((0, является неконсервативной, так как имеет место нарушения закона сохранения полной удельной энергии на входе в насос,сопровождаемое е расширенным воспроизводством с образованием прибыли напора, равной 19,50 м. В результате этого имеет место г .азэген . (1)к.п.д. электрогидроагрегата, энергосиловой блок которого состоит только из одной пары насос-турбиныз . ген - мощность электроэнергии на зажиме генератора, Квт 1, 2 потрпотребляемая от сети электродвигателем 1 и насосом 2 мощность электроэнергии, Квт. Расширенное воспроизводство входной мощности энергосилового блока (агрегат-двигателя) электрогидроагрегата происходит в результате образования дополнительного гидродинамического при опрокидывании вертикально-восходящего потока после достижения им высотной отметки(2), обусловленного ускорением силы тяжести 9,81 м и нисходящего движения жидкости в сек 2(2)2) -(0 сопровождаемого индуцированием дополнительного гидродинамического напора, равного 19,50 м. В (1) и (2) входят потери динамических напоров,1 сопротивлений трению жидкости о стенки труб 7 и 8, а также во вставках (арматуре), имеющему место благодаря полному контакту внешней поверхности потоков в трубопроводах 7 и 8, представляющих конгруэнтные им гидроцилиндры. Кинематическая 6 где,инв - потери динамического напора нисходящего потока жидкости в инверсионном трубопроводе, м. В силу (9) уравнение (4) не содержит потери на преодоление сопротивления инверсионного трубопровода движению нисходящего потока. Рассмотренная выше модель электрогидроагрегата соответствует традиционной схеме работы насосной установки. Авторами выполнена модернизация процесса индуцирования замкнутых водотоков с использованием показанной на фиг.1 конструкции электрогидроагрегата и на основе которой будет достигнуто повышение энергоэффективности его эксплуатации по сравнению с таковой,соответствующей традиционной схеме работы насосных установок. Описание соответствующих ей операций по индуцированию энергоэффективных циркуляции рабочего тела здесь не будут приводится в виду того, что они составляют ноу-хау изобретения. Ниже приводятся лишь, значения к.п.д. электрогидроагрегата с числом агрегатовдвигателей п 1, без применения бустерного устройства, а также 2 и 3, получаемые при эксплуатации совместно с бустерным устройством путм реализации технических решений по модернизации процесса эксплуатации показанной на фиг.1 его конструкции, которые составляют г .азэген . (1) 1,77 инверсионного потока на высотной отметке , м ,же модель нисходящего (инверсионного) потока представляет усечнный конус с криволинейным образующим, внешняя поверхность которого в интервале высотных отметок е оси (2)(0) не контактирует со стенкой трубы 8, в результате чего не будет иметь место трение между ними. Поэтому ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ расширенного воспроизводства электроэнергии путем использования энергии движения рабочего тела чистой или слегка загрязненной воды, включающий создание напора для циклического движения рабочего тела из резервуара по водоводам через насосы, индукцию состоящих из восходящих и нисходящих потоков замкнутых водотоков с вертикальными осевыми плоскостями и расширенного воспроизводства их входных мощностей, сообщение дополнительных мощностей нисходящим потокам рабочего тела,преобразование энергии движущегося под напором потока в механическую энергию вращения в турбине с последующим сбросом в резервуар рабочего тела, возвращения его в цикл, превращения энергии вращения вала турбины в электрическую энергию в генераторе, отличающийся тем, что входную мощность для создания напора и циклического 19936 движения рабочего тела сообщают с помощью электродвигателя, циклическое движение рабочего тела по водоводам осуществляют насосами из последовательно расположенных внутри агрегатдвигателей пар насос-турбина, соединенных внутри пар водоводами -образной формы с подачей рабочего тела на более высокий уровень от пары к паре, дополнительные мощности нисходящим потокам рабочего тела во входных сечениях сопловых патрубков турбин сообщают сжатым воздухом от компрессора, а энергию вращения вала турбины из предыдущей пары сообщают насосу последующей пары и далее к генератору, мощность от зажима генератора отводится к сети распределения, а от сети распределения к потребителям. 2. Электрогидроагрегат, характеризующийся тем,что содержит генератор и механически соединенные с ним снабженные резервуаром с рабочим телом агрегат-двигатели, каждый из которых включает электродвигатель, насосы и турбины,водоводы (трубопровод), сопла-ускорители и представляет подключенную к электродвигателю последовательность оптимального количества пар насос-турбина с возрастающими в направлении от электродвигателя к генератору их номинальными мощностями соединенные внутри пар водоводами выполненными в виде -образного труб, а между парами механически, водоводы П-образной формы представляют имеющие па геодезических высотных отметках подачи воды насосами общие сечения нагнетательные и инверсионные трубопроводы,инверсионные трубопроводы в их нижних сечениях через патрубки соединены с соплами- ускорителями, расположенными перед турбинами, сопловые патрубки оборудованы струйными насосами,соединенными с компрессором воздуховодами,расположение и соединение пар насос-турбина внутри единичного агрегат-двигателя последовательные, а соединение нескольких одновременно работающих и входящих и структуру электрогидроагрегата агрегат двигателей с общей главной турбиной, механически соединенной с генератором,является параллельным.