Проект морской волновой электростанции
Дата публикации: 3 декабря 2015
Небольшое предисловие
Основная идея поиска альтернативных источников энергии заключается в использовании тех ресурсов планеты, которые дает природа. Их эксплуатация, в свою очередь, не оказывает негативного влияния на окружающую среду. Поэтому на данный момент уже существуют волновые электростанции, солнечные, ветряные, геотермальные и так далее.
Волновая электростанция – объект, расположенный в водной среде и использующий энергию волн. Отсюда следует, что строятся такие ВИЭ далеко не на любой территории. На данный момент в мире их не так много: в Португалии, в Шотландии, во Франции, в Южной Корее и так далее.
Преимущества волновых ГЭС
- Волнение мирового океана — возобновляемый источник энергии.
- Преобразование энергии волн в электроэнергию не сопровождается выбросом угарного газа (СО), углекислоты (С02) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов, не загрязняет почву.
- Установка и эксплуатация волновой ГЭС относительно недороги, если разработка такой станции, предназначенной для того, чтобы противостоять штормам, не становится технически переусложненной.
- Большие волновые ГЭС могут производить огромное количество электричества.
- Правильно разработанные волновые ГЭС не оказывают вредного воздействия на морскую флору и фауну.
Недостатки волновых ГЭС
- Когда поверхность океана спокойна (штиль) или почти спокойна, волновая ГЭС не может производить полезную энергию.
- Места строительства волновых ГЭС нужно тщательно подбирать, для того чтобы минимизировать воздействие шума от них. При этом они должны располагаться именно в тех районах, где ветровые волны обладают достаточным потенциалом для выработки электроэнергии.
- «Шторм века» (hundred year storm) — совокупность штормовых показателей (постоянная скорость ветра, высота волны и т. д.), которая случается в данном районе раз в сто лет, может разрушить волновую ГЭС, а чрезмерное техническое ее усложнение с тем, чтобы она могла противостоять такому шторму, приведет к тому, что затраты на ее сооружение не окупятся.
- В некоторых случаях волновые ГЭС могут представлять опасность для навигации, если они не обозначены на картах. При сооружении волновой ГЭС может потребоваться установка бакенов или других сигнальных индикаторов.
Несмотря на отмеченные недостатки, на самом деле направление это весьма перспективное. Специалисты пытаются усовершенствовать конструкции волновых ГЭС, делая их еще более безопасными и функциональными. В данной статье будет описана одна из возможных конструкций волновой ГЭС, предложенная Борисом Владимировичем Сильвестровым (boris_silvestrov@mail.ru). Описание заимствовано с сайта http://dom-en.ru/.
Проект морской волновой гидроэлектростанции Сильвестрова Б.В.
В связи c волнующими всех нас событиями на японских АЭС стало очевидно, что мирный атом тоже может принести немало проблем. Все предусмотреть просто невозможно. Результат известен. И вместе с тем отказаться от наращивания энергетических мощностей невозможно. Именно поэтому хотел бы ознакомить Вас с одним из способов получения экологически чистой энергии. Используя этот метод, не требуется осваивать какие либо новые технологии. Все, что собрано в этом методе, уже используется в различных отраслях промышленности, впрочем, как и технологии ремонта монтажа и сервисного обслуживания. Мощности же, которые при этом можно получить, столь огромны, что вполне могут превзойти традиционные источники энергии. А вот себестоимость выработанной электроэнергии вполне может оказаться ниже традиционной.
Характеристики Морской Волновой Гидроэлектростанции (МВГэ):
- Мощность гидроэлектростанции при волне в 1м — 3600 Мвт
- Производительность одной насосной секции — 9,085 м³/сек
- Общая производительность всех насосных секций — 654,12 м³/сек
- Максимальный напор — 326,4 м.
- Рабочее давление воды на лопасти гидротурбины — 28,64 атм.
- Общее количество гидроагрегатов — 12 по 300 мвт каждый
- Окупаемость станции — 3-4 года.
- Предельная высота волн, обеспечивающая работу секции — 12м.
С Уважением инженер-механик из Баку Сильвестров Борис Владимирович.
О необходимости альтернативных источников энергии
Трудно представить современный мир без машин и механизмов, без отапливаемого жилья, без многого того, что дарит человечеству прогресс. Но технический прогресс в современном обществе породил острейшую проблему-проблему изменения климата на земле, и как следствие в будущем, гибель многих живых организмов, изменения всей среды обитания, всего живого.
За последние два столетия использование углеводородного топлива возросло многократно. Если раньше дрова, уголь, торф, нефть сжигались в основном для обогрева, то сегодня львиная доля углеводородов используется в промышленных процессах, а развитие автомобильного транспорта и использование двигателей внутреннего сгорания в кораблестроении, авиастроении и в железнодорожном транспорте породило огромный спрос на жидкое углеводородное топливо. Помимо этого, котельные и тепловые электростанции тоже работают на разных видах углеводородного топлива.
Сжигая это топливо, мы выбрасываем в атмосферу миллиарды кубометров углекислого газа и иные вредные сопутствующие газы, изменяя постепенно процентное состояние газа в атмосфере, изменяем климат, внося изменения в экосистему земли. Пройдет тысячелетие, столетие, а может быть и несколько десятилетий и этот процесс станет катастрофическим.
Человечество уже сегодня обязано искать иные источники энергии в альтернативу углеводородному топливу. Конечно, существует ядерная энергетика, существует гидроэнергетика, но даже эти виды энергии имеют свои негативные стороны и не могут решить данную проблему. Строительство гидроэлектростанций подразумевает сооружение плотин и затопление огромных территорий и в свою очередь нарушает экосистему земли, а отходы от ядерной энергетики, — острейшая проблема сегодняшнего дня. Кроме того, аварии в атомном энергетическом сегменте, заставили задуматься о повышенной опасности ядерной энергетики.
Задачи проекта МВГэ
Существуют такие виды энергии как солнечная, геотермальная, ветровая, но доля этих видов энергии в общем энергетическом балансе весьма скромна из-за своей дороговизны. Нужен новый, экологически чистый источник энергии. Одним из таких источников энергии мог бы стать водород. При горении водород выделяет достаточное количество энергии и является прекрасным топливом. Автомобильный транспорт, да и все двигатели внутреннего сгорания могли бы работать на водороде, на выхлопе выбрасывая в атмосферу только пары воды. Для обогрева жилья в котельных тоже можно было бы использовать водород.
Водород — идеальное экологически чистое топливо. Электролиз воды является процессом получения из нее водорода и кислорода, причем в таком количестве, сколько потребуется в дальнейшем, для сжигания полученного количества этих газов. Но на сегодняшний день производство водорода путем разложения воды дорого и требует немало электроэнергии, которая в свою очередь опять-таки, в большинстве случаев, получается путем сжигания углеводородов. Для решения данной задачи необходимо много дешевой экологически чистой электроэнергии. На решение выше описанной проблемы и направлен предлагаемый проект строительства морских гидроэлектростанций, которые не сжигают углеводороды, а преобразуют энергию морских волн в электрическую энергию.
Энергия морских волн, можно сказать, безгранична, и на сегодняшний день задача видится в том, чтобы наиболее эффективно отобрать и преобразовать эту энергию. Сделать ее приемлемой к использованию и поставить ее на службу человечеству. Как раз об этом и будет идти речь в данной пояснительной записке, где будет рассмотрен способ отбора мощности у морских волн, произведены расчеты мощности на единицу оборудования, просчитана общая мощность выбранной установки, проведен сравнительный анализ окупаемости строительства подобных по мощности электростанций.
Выбор места для расположения морской гидроэлектростанции
Мощные электрические морские станции могут быть построены на морских платформах, аналогично уже действующим нефтедобывающим платформам. Строятся они на берегу, а затем монтируются в открытом море. Подобные технологии в нефтедобыче уже хорошо отработаны и не представляют никакой трудности.
Выбирая место строительства морской гидроэлектростанции, неплохо было бы иметь статистические данные по среднегодовой амплитуде морских волн. Известно, что морские волны, значительно теряют свою энергию вблизи береговой линии. И потому, целесообразно устанавливать такие платформы на глубине 60-80 м, или на более мелких глубинах, но близко расположенных к резко понижающемуся рельефу дна. Желательно устанавливать их ближе к береговой линии, для облегчения транспортировки выработанной электроэнергии, хотя использовать эту энергию в отдельных случаях можно и непосредственно в море, максимально удаляя вредные производства от мест компактного проживания людей. Можно строить энергоемкие производства непосредственно в море, так же на морских основаниях.
Отличие МВГэ от традиционной гидроэнергетики
В основе выработки электроэнергии лежит стандартное оборудование, обычные гидрогенераторы и гидротурбины, используемые в гидроэнергетике. Новизной является то, что мощные поршневые гидронасосы преобразуют энергию волн в потенциальную энергию воды, а затем по водоводам доставляют ее к лопастям гидротурбин. Данные гидронасосы используют принцип работы двух диаметрально направленных сил, силы тяжести и силы выталкивания воды, которая определяется водоизмещением понтонной части данного гидронасоса. И чем больше эти силы, тем более мощной будет энергоустановка. Эти силы, накладываясь на гребни и впадины морских волн, производят работу в мощных поршневых насосах.
Поскольку конструкция данного гидронасоса за счет прочности и жесткости самой платформы и жестко связанных с ней водоводов, являющихся в свою очередь основой неподвижных поршней, позволяет использовать понтоны водоизмещением в сотни тонн, то можно добиться значительной производительности секции гидронасоса. А за счет паритета этих двух сил можно добиться равномерной работы данной секции насоса в обоих направлениях, при подъеме на гребень волны и при спуске с него.
Отличие от традиционной гидроэнергетики состоит в том, что нет необходимости строить плотины, накапливать воду, затапливать территории, и тем самым изменять и нарушать экосистему земли. Платформа, на которой размещается морская гидроэлектростанция, занимает совсем незначительную площадь. Вода в неограниченном количестве забирается из водной среды, закачивается насосами в гидротурбины и снова сбрасывается в море.
Экологическое воздействие на окружающую среду минимально. Площади, задействованные под данный технологический процесс, минимальны. Последствия возможных аварийных ситуаций незначительны и совершенно не сопоставимы с возможными авариями на гидроэлектростанциях, а получаемые мощности огромны. Эта энергия, как некая производная солнечной энергии, вечна. Пока будет светить солнце, будут происходить атмосферные процессы, будут дуть ветра и разгонять морскую волну. Поэтому использование этой энергии столь заманчиво.
Мощность обычной гидроэлектростанции напрямую зависит от водосбора и напора, поэтому ограничена, морская же электростанция может быть построена практически любой мощности, поскольку морские просторы не ограничены, мощность морской гидроэлектростанции зависит только от ее масштабности.
Недостаток метода МВГэ и решение по его преодолению
Моря и океаны составляют две трети поверхности земли. Большинство стран мира, являются морскими державами, и потому этот экологически чистый метод получения электроэнергии может стать весьма актуальным для них, и значительно сократить использование углеводородов во всем мире. Кроме всего прочего, многие из этих стран не имеют своего углеводородного топлива, а, имея доступ к морским просторам, будут заинтересованы в строительстве предложенных морских электростанций. Экологическая чистота вырабатываемой этим методом электроэнергии также немаловажна и заманчива в свете острых запросов сегодняшнего дня.
Есть лишь один существенный недостаток в предлагаемом методе выработки электроэнергии — это период полного отсутствия волн, иными словами полный штиль на море. Но это не столь частое и не столь длительное явление и если сегодня строят ветряные электростанции, несмотря на изменчивый характер ветров, и это считается достаточно перспективным направлением, то строительство морских гидроэлектростанций будет оправданным из-за несравнимо большей мощности и более дешевой электроэнергии. А в будущем, общемировая энергосистема, закольцованная по всему миру, снимет этот недостаток, так как одновременного штиля во всех уголках планеты просто не бывает, а выработанный и накопленный водород позволит в этот период выработать электроэнергию на тепловой станции.
Аналоги морской, волновой гидроэлектростанции
Попытки использования энергии морских волн, как источника энергии предпринимаются достаточно давно. Существует множество разработок волновых преобразователей, часть из которых реализуется в той или иной мере. Наиболее известные проекты — поплавковая ГЭС, плот Коккереля, качающаяся «утка» Солтера, остеллирующий водяной столб, пульсирующий водяной столб Массуды.
Наиболее близким к данному предложению является изобретение британца Эльвина Смита, в основе идеи которого лежит использование насосов для закачки воды на какую либо береговую гору и, по мере ее накопления, использование ее, как в обычных гидроэлектростанциях. Казалось, идея та же, но насосы, в отличие от данного предложения, имеют иную конструкцию и представляют собой поплавковый вариант, иными словами являются морскими буями, закрепленными ко дну или цепями или тросами.
По отношению к данному предложению, это предложение имеет ряд существенных недостатков. Приливы и отливы, а также сама высота волн очень осложняют правильную работу насосов и требуют сложного механизма регулировки длины цепи или троса. Установка буев на якорях ведет к их неминуемому дрейфу, закрепление же их к специальным бетонным блокам резко удорожает данную конструкцию, требует неоправданно дорогостоящих подводных и морских крановых работ, а, самое главное, никакие троса и цепи не могут выдержать нагрузки в сотни тонн, как это возможно в предлагаемом варианте.
Еще одной из веских отрицательных свойств рассмотренных аналогов является то, что объединение насосов в общий водовод с использованием каких-либо гибких соединений весьма затруднительно. Нет таких надежных, недорогих, гибких материалов, которые могли бы выдержать длительные переменные нагрузки, как по давлению, так и по значительному изменению геометрических размеров. Эксплуатация таких насосов, сервисное обслуживание, а так же ремонт, если и возможны, то очень затруднены и экономически не обоснованы. В целом же, все выше перечисленные установки, а также их различные вариации в несравнимой степени маломощны, нежели предлагаемая в данном проекте конструкция.
Предложенная в работе платформа, решает сразу все трудноразрешимые вопросы рассматриваемого аналога. Но самое основное, и самое существенное это то, что предлагаемое решение в результате, выдаст огромную мощность. Жесткая конструкция платформы, ее громадный вес позволяют использовать поплавковые камеры водоизмещением в десятки и даже в сотни тонн, чего не могут выдержать никакие цепи и троса, а установка под водой опорных блоков в сотни тонн для рассмотренных аналогов, неоправданно дорогое решение.
В данном проекте будет рассмотрена морская гидроэлектростанция с конкретно заданными геометрическими и техническими параметрами, хотя в принципе задаться можно практически любыми исходными данными. В общих чертах рассмотрены вопросы ее строительства, эксплуатации, ремонта и сервисного обслуживания, произведены приближенные экономические расчеты, обосновывающие само ее существование, естественно и строительство.
Схема морской волновой гидроэлектростанции
Морская гидроэлектростанция, схема которой показана на рис №1, представляет многоярусное сооружение.
Рис.1. Схема морской волновой гидроэлектростанции
Данная конструкция, базируется на морском, опорном основании 1, хотя возможны и варианты, когда гидротурбины и гидрогенераторы могут располагаться на отдельном основании, что позволит уменьшить высоту подъема воды до гидроагрегатов, и тем самым увеличить давление воды на лопатки гидротурбины на 3 — 4 атм.
- 2- трубопровод сброса воды, после отработки в гидротурбине.
- 3- гидротурбина.
- 4-гидрогенератор.
- 5- высоковольтный кабель транспортировки выработанной электроэнергии.
- 6- трансформаторы.
- 7- вертолетная площадка.
- 8- бытовые помещения.
- 9- РУ « распредустройства».
- 10- кабель передачи выработанной электроэнергии от генераторов в распредустройства.
- 11-генераторное отделение.
- 12- турбинное отделение.
- 13- компенсационная колонна.
- 14-водовод.
- 15- насосное отделение.
- 16- неподвижные поршни насосной секции.
- 17- насосная секция.
- 18- направляющая клетка.
Принцип действия морской волновой гидроэлектростанции
Принцип работы данной установки заключается в следующем: Насосная секция 17 вместе с волной перемещается вверх и вниз внутри направляющей клетки 18 рис. №1, охватывая, неподвижный поршень 9 показанный уже на другом рисунке,- на рис. №4 {отдельно работа насосной секции будет описана ниже}. Вода под давлением, по водоводам 14 подается в компенсационную колонну 13, откуда попадает на лопатки гидротурбины 3. Гидротурбина связана единым валом с гидрогенератором 4, ротор которого, вращаясь, вырабатывает электроэнергию. Отработавшая вода по водоводу 2 сбрасывается обратно в море. Выработанная электроэнергия по кабелю передачи 10 передается в распредустройства 9 и далее на трансформатор 6, откуда по высоковольтному кабелю 5, она готова к передаче на ближайшую к потребителям подстанцию.
План морской волновой гидроэлектростанции
В нашем случае будет рассмотрен многоярусный вариант. Габариты надводной части, обусловленные размерами L * S, выберем приблизительно равными 130х130м см. рис. №2. Нижний ярус является насосным отделением. Именно эта часть проекта будет рассмотрена наиболее подробно, так как именно она, является предлагаемым новшеством в гидроэнергостроении.
Рис. 2. План насосного отделения
Рис. 3. Фронтальный разрез насосного отделения
Этот ярус расположен на высоте 12 м. от поверхности моря и представляет собой три самостоятельных зала габаритами L1 * S длиной около 130 м. и шириной 40 м. Высота насосных залов равна 30 м, между каждыми двумя залами, имеется четырехметровое пространство, показанное на чертеже размером L2, предназначенное для размещения водоводов подающих воду на верхний ярус. Каждый из залов снабжен мостовым краном грузоподъемностью 250-300 т.
Кроме того, в нижнем настиле каждого зала с торцевой стороны имеются открытые проемы А * В, в рассматриваемом проекте данные размеры равны 25 м. на 16 м. огороженные поручнями и служащие для швартовки судов и возможности обслуживания мостовым краном. В каждом насосном зале по обеим сторонам располагаются по 12 насосных секций. Общее количество насосных секций в трех залах равно 72 шт. см. рис. № 2, который является планом насосного отделения. Мостовые краны позволяют производить монтаж и демонтаж насосных секций и присоединенных к ним водоводов, как при монтаже, так и при сервисном обслуживании и ремонте, кроме того, с их помощью обслуживаются пришвартованные суда. Водоводы секций прилегающих к наружным стенам конструкции размещены по наружным стенам данной конструкции.
На втором ярусе станции расположены гидротурбинные залы, которые тоже снабжены мостовыми кранами и ремонтными площадками. До поступления в гидротурбину на водоводах размещены компенсаторы, представляющие собой резервуары диаметром 5-6 м. и высотой 10-12 м. вход и выход воды в которые, размещен в нижней части резервуара. Сам аппарат представляет собой резервуар большого давления, частично заполненный воздухом, частично водой снабженный обратными клапанами на входе и выходе и предназначенный для сглаживания пульсирующего характера подачи воды.
На третьем ярусе расположен гидрогенераторный зал, или несколько залов, также оборудованных мостовыми кранами.
На четвертом ярусе расположена трансформаторная площадка и залы с распредустройствами.
И, наконец, на пятом ярусе расположены бытовые помещения и ремонтные цеха.
На самой верхней точке расположена вертолетная площадка.
Конструкция понтонной насосной секции
Теперь рассмотрим конструкцию насосов. Понтонная, насосная секция представляет собой геометрическую фигуру, в основании которой, лежит квадрат со сторонами F1, в нашем случае равными 7,5м * 7,5м и высотой N1 в данном варианте эта высота равна 13м. В верхней части этого понтона имеется расширенная часть сечением F, размеры которой равны 8,5м * 8,5м, и высотой 2м. смотри рисунок № 4, и рис №4а:
Рис. 4. Принцип действия морской волновой гидроэлектростанции
На рисунке №4:
- 1- водовод, являющийся стойкой неподвижного поршня.
- 2- разъемная втулка.
- 3- резиновое уплотнительное кольцо.
- 4- резиновое уплотнительное кольцо.
- 5- клапан приема забортной воды камеры «А».
- 6- клапан затопления при больших волнах.
- 7- опорные ролики.
- 8- нагнетательный клапан камеры «А».
- 9- резиновые уплотнения.
- 10- нагнетательный клапан камеры «В».
- 11- внутринные полости насосной секции.
- 12- клапан поступления забортной воды камеры «В».
Рис. 4а. Схема понтона в разрезе
Общая высота понтона, обозначенная на рис. №4а N, в данном проекте выбрана равной 15 м. Изготовлена понтонная секция из корабельного железа толщиной 15 мм. Внутри понтона имеются четыре цилиндрические камеры диаметром D { по 3 м } и высотой N1 { 13 м}, связанные с наружным корпусом ребрами жесткости см. рис №4а.
Конструкция опорного ролика и направляющей клетки
По наружным сторонам понтона расположены опорные ролики в несколько рядов по каждой стороне и, в несколько рядов по высоте. Приблизительная конструкция опорного ролика показана на рис. №5.
Рис.5 Конструкция опорного ролика
В рассматриваемом проекте размеры опорного ролика L=650, S=250, R=500, V=300, H=550. Данные ролики служат для ограничения перемещения насосной секции в пространстве и позволяют ей перемещаться только в вертикальном направлении. Опорная, резиновая поверхность ролика перемещается по внутренней поверхности швеллера №40, из которых изготовлена направляющая клетка см. рис№6 и рис№7. В рассматриваемом проекте размеры клетки H=20000 мм W=10000 мм L=7500 мм S=8386 мм см. рис№6.
Рис. 6. Направляющая клетка.
Рис. 7. Направляющая клетка
В верхней части понтона на уровне отметки в 13 м во внутренней части и на уровне в 15 м по наружной части, имеются разъемные крышки позволяющие герметизировать внутреннюю полость понтона, данные крышки охватывают неподвижные трубы водоводов и в процессе работы вместе с секцией перемещаются вдоль неподвижных водоводов. См. рис. №4.
В нижней части понтона возле самого дна, а также в верхней части на уровне отметки в 13 м по всему периметру расположены приемные клапана забортной воды. Снизу верхней, расширенной части понтона располагаются аварийные клапана, предназначенные для экстренного затопления понтона, см. рис № 4 в случае чрезмерно большой амплитуды волн. В этом случае понтон заполняется водой до потери плавучести и повисает в подводном положении на направляющей решетке. Когда амплитуда волн вновь войдет в расчетные параметры из понтона будет выдавлена вода посредством сжатого воздуха, и он вновь придет в рабочее состояние. Гибкий шланг высокого давления подсоединяется к понтону и остается таковым при рабочем положении понтона.
Как уже было сказано, понтон перемещается внутри направляющей решетки, показанной на рис№6 и рис№7. Решетка представляет собой, обычную клетку, сваренную из мощных швеллеров и приваренную к днищу морского основания. Изготовлена решетка, еще на берегу, вместе с самой платформой, и для большей жесткости ряд, расположенный по каждой стороне, представляет единое целое. Все секционные клетки, каждого ряда, связаны между собой и прикреплены к днищу нижнего яруса надводной части морского основания. Часть направляющей решетки находится на воздухе, под нижним ярусом, часть под водой. По краям боковых поверхностей надводной части направляющих решеток располагаются смотровые площадки, огороженные поручнями и имеющие лестничный выход на верхний ярус.
Конструкция насосной секции и блока водоводов
По месту расположения каждой, насосной секции, жестко, при помощи болтовых соединений, закреплены четыре водовода, объединенных в единый блок, см. рис №8.
Рис. 8. Водоводы в едином блоке
Согласно данному рисунку, N=18500 мм M=9500 мм F=4000 мм. Данный блок водоводов в свою очередь являются неподвижными поршнями и монтируются внутрь насосной секции, а в верхней части насосной секции они охватываются и герметизируются разъемными крышками. См. рис. № 4.
Каждый, данный водовод представляет высоконапорную трубу диаметром 0,8 м. Толстостенные трубы водоводов позволяют выдерживать значительные переменные нагрузки и долговременно работать в режиме попеременного сжатия и растяжения. В нижней части каждого водовода, имеется утолщение диаметром около 3 м. Оно то и является неподвижным поршнем, на котором имеются впускные и выпускные клапана, а по боковым поверхностям имеются уплотнительные канавки, заполненные плотной резиной круглого сечения. Во время работы эта уплотнительная резина дополнительно поджимается напором воды.
Рис. № 9. Конструкция насосной секции
- 1- водовод
- 2- цилиндр насосной секции.
- 3- нагнетательный клапан камеры «А»
- 4- резиновые уплотнения.
- 5- нагнетательный клапан камеры «В».
Разумеется, достичь полной герметизации по рабочим камерам не удастся, да она и не требуется, незначительными протечками можно пренебречь, из камеры «В» протечки возможны только через уплотнения в камеру «А», а вода, незначительно протекающая из верхней камеры сжатия «А», будет стекать обратно в водоем. Большая часть выше описанной конструкции погружена в воду. Сразу же оговорюсь, что конструкция данной насосной секции взята произвольно, лишь для того, чтобы доказать саму жизнеспособность данной идеи, не отрицаю, что наверняка существуют более оптимальные решения данной конструкции.
Расчеты производительности и мощности
Расчет работы насосной секции
Qнс = 731,25 м³ + 136,5 м³ = 867,75м³
Qрц = πr²h * 4 = 3,14 * 1,5² * 13 * 4 = 367,38 м³
Таким образом, объем обеспечивающий плавучесть рабочей секции равен:Qпл = 867,75 м³ — 367,38 м³ = 499,88 м³
Произведем расчет веса всей конструкции насосной секции, для чего высчитаем объем металла, из которого изготовлена данная секция, учитывая, что насосная секция изготовлена в основном из листового металла толщиной 15 мм
Q = 7,5 *7,5 * 0,015 + 7,5 * 4 * 13 * 0,015 + [ 8,5 + 2] * 4 * 2 * 0,015 +[ 8,5 * 8,5 -0,5 * 1 * 8] * 0,015 * 2 + 2*3,14 * 1,5 * 13 * 4 * 0,015 = 0,844 + 5,85 + 1,26 + 0,097 + 7,347 = 15,398 м³
Таким образом, с учетом ребер жесткости, боковых роликов, клапанов приема забортной воды, примем общий объем металла приблизительно равным 20 м³ Если учесть, что удельный вес стали равен 7,8 т/м³, то общий вес одной насосной секции будет приблизительно равен 156 т. Чтобы найти паритет между плавучестью и весом частично заполним насосную секцию водой до состояния равенства этих сил.
[499,88т + 156 т] : 2 = 327,94 т
И так в дальнейших расчетах примем усилие, с которым будет работать насосная секция, как при подъеме на гребень волны, так и при спуске с нее, равным 327,94 т. Округленно, — 328т
Расчет производительности и мощности насосной электростанции
Теперь рассмотрим работу отдельно взятого рабочего цилиндра насосной секции показанного на рис № 4. На данном рисунке насосная секция вместе с волной движется вверх, что показано стрелкой. Принцип действия данного насоса заключается в следующем: переместившись вверх, на волне данная насосная секция накапливает потенциальную энергию. Камера « А увеличивается в объеме и заполняется водой через клапана забортной воды 5 рис. №4. В момент, когда вся секция, вместе с волной начнет опускаться в камере «А» создастся давление. Приемные клапана №5 забортной воды закроются, а клапана нагнетания № 8 откроются, и объем воды, находящийся в камере «А» выдавится в водовод. При этом в камере «В» происходит обратный процесс. Через открытые клапана забортной воды №12 происходит заполнение водой камеры «В». Нагнетательный клапан №10 камеры «В» при этом закрыт. По мере поднятия на гребень волны, такт сжатия и выталкивания воды в водовод через клапан №10 происходит в камере «В» и.т.д.
На рис №9 крупным планом показан поршневой узел, где 1- это водовод, по которому, вода подается на верхний ярус, на котором расположено гидротурбинное отделение. Одновременно этот же водовод является жесткой стойкой поршневой системы. Поскольку в насосной секции в едином блоке четыре водовода, то каждый из них несет попеременную нагрузку, как на сжатие, так и на растяжение приблизительно 82 т. [ 328 т : 4 = 82 т ].
- 2 — цилиндр насосной секции.
- 3 — клапана нагнетания камеры «А».
- 4 — поршневые уплотнения, выполненные из жесткой резины, такой, как та, что используется в подшипниках на гидрогенераторах, кроме того, эти резиновые кольца поджимаются постоянно давлением воды внутри поршня.
- 5 — клапан нагнетания камеры «В».
На рисунке №9 насосная секция вместе с волной движется вверх, что показано стрелкой, при этом клапана №3 закроются, а клапана №5 откроются, и в водовод выдавится объем воды из камеры «В».
Произведем некоторые расчеты позволяющие судить о производительности данной насосной секции. Итак, при волне в 1м тело находящееся на плаву поднимается в верх на 0,5 м, а затем опускается на 0,5 м. ниже спокойного уровня воды. Поскольку в водоводах будет создаваться противодавление, то ход поршня будет несколько меньшим. Условно выберем такую высоту волны при которой общий ход поршня будет равен 1м. Тогда объем воды, вытесненный в водовод за один цикл из камеры «А» равен (см рис.9):
Va = ∏r1²h – Пr²2h
где: r1 –радиус цилиндра насосной секции 1,5 м
r2 –радиус водовода равный 0,4м.
h – высота волны равная 1 м.
Va = 3,14*1,5²*1 -3,14*0,4²*1 =7,065-0,5024=6,5626 м³
Тогда объем воды вытесненный в водовод из камеры «В» будет равен:
Vв= ∏r1²h = 7,065 м³
Суммарный объем воды камеры «А» и камеры «В» за один цикл равен:
Vs = Va + Vв = 6,5626+7,065=13,6276 м³
Так как в одной насосной секции четыре цилиндра то суммарный объем будет равен:
Vнс = Vs * 4 = 13,6276 * 4 =54,5104 м³
Периодичность морских волн равна 5-6 сек . Примем период между волнами равный 6сек. Тогда производительность одной секции за одну секунду будет равна:
Qнс= 54,5104:6 =9,085м³/сек.
Тогда общая производительность 72 насосных секций будет равна:
ΣQнс=9,085м³/сек * 72 =654,12 м³/сек
Выше в расчетах было показано, что давление в каждом цилиндре, как при подъеме на волну, так и при спуске вместе с ней равно 82 т. Поскольку, каждые два цилиндра имеют выход в единый водовод, имеющий диаметр 0,8 м , то давление в водоводе будет равно 164 т. Площадь сечения водовода равна:
S = ∏r² = 3,14 * 0,4² = 0,5024 м² = 5024 см²
Таким образом, давление на каждый квадратный сантиметр будет равно:
164000 кг : 5024 см² = 32,64атм
Если учесть, что гидротурбины находятся на втором ярусе на высоте приблизительно 40 м от уровня водоема, то потеря давления на подъем воды составит 4 атм, таким образом на лопатки гидротурбины вода попадет под давлением 28,64 атм. Но в отличие от гидросооружений где напор воды на лопатки гидротурбины обусловлен высотой плотины в рассматриваемом случае поршневой насос работает и как гидропресс. Иными словами при уменьшении диаметра сечения водовода давление внутри него возрастает. И это можно использовать при выборе необходимого напора. Существует формула расчета возможной мощности, которая равна:
Мощность [ квт ] = Напор [ м ] * Расход воды [ т/сек ] * Ускорение свободного падения [ 9,81 м/сек² ] * КПД [ 0,6 ]
Таким образом, предполагаемая мощность при волне в 1 м будет равна:
N = 286,4м * 654,12 * 9,81 м/сек² * 0,6 =1102683 квт =1102,6 мвт
Высота внутренней камеры насосной секции была принята равной 13 м, тогда данные насосные секции могут быть использованы при высоте волны не более 12 м. Для нормальной работы достаточно волны в 1 м, вся лишняя вода будет сброшена в водоем.
В случае, когда волны будут более 12 м, то поршень [коснувшись] откроет специальный предохранительный клапан и затопит насосные секции, они повиснут в подводном положении, каждая на своем каркасе. Кроме этого, как было сказано ранее, секция может быть затоплена при помощи гибкого штатного трубопровода, постоянно подсоединенного к ней, и выведена из работы при необходимости. Когда шторм прекратится и высота волн приблизится к расчетным параметрам, в насосные секции будет закачено определенное количество воздуха и они вновь придут в рабочее состояние.
Произведем расчет возможной максимальной мощности выбранной станции при волне в 5м.
Vа =3,14*1,5²*5 – 3,14*0,4²*5 = 32,813м³
Vв=3,14*1,5²*5=35,325м³
Vs=Vа + Vв= 32,813м³ + 35,325м³ =68,138м³ *4 =272,552м³
За одну секунду производительность насосной секции при волне в 5м будет равна:
Qнс = 272,552м³ : 6 =45,425м³/сек
ΣQнс=72*45,425м³=3270,6 м³/сек
Таким образом, предполагаемая мощность при волне в 5м будет равна:
N= 286,4м * 3270,6м³/сек * 9,81 м/сек² * 0,6 =9189042 квт =9189 Мвт
Расчет окупаемости проекта МВГэ
На Нурекской Г.Э.С., на реке Вахш, находящейся в горах Таджикистана, установлены гидроагрегаты мощностью 300 мвт каждый. Высота плотины на данной Г.Э.С. равна 300 м. Расчетный напор равен 275 м. Суммарный расход воды на 9 гидроагрегатов равен 450 м³/ сек. Расход воды на каждый агрегат равен 50 м³/cек. Если принять эти данные за аналог, то в нашем случае при напоре 286,4 м и суммарном расходе воды 654,12 м³/сек можно задействовать на рассматриваемой морской электростанции при волне в 1м 13 гидроагрегатов общей мощностью:
Nволна1м=ΣQнс:50м³/сек х 300Мвт =654,12 м³/сек:50м³/сек х300Мвт =3900Мвт/час
Соответственно при волне в 5м выработанная суммарная мощность будет равна:
Nволна5м=3270,6 м³/сек : 50 м³/сек * 300Мвт = 65*300 =19500Мвт
То количество воды, которое обусловлено производительностью 72 насосных секций на волне в 5 м, могло бы задействовать 65 агрегатов, каждый мощностью по 300 Мвт. Понятно, что такое количество гидроагрегатов установить на заданной площади просто невозможно.
Примем условно, что на рассматриваемой платформе будет установлено 12 таких агрегатов, по четыре агрегата в каждом из трех машинных залов. Размеры каждого из залов, как было сказано в начале пояснительной записки, равны 130м * 40 м. Примем, что среднегодовая волна приблизительно равна 2,5 м, {для нормальной загруженности двенадцати агрегатов достаточно волны около 1м} и что выработанная энергия будет равна приблизительно тому, что могли бы выработать 12 агрегатов, работая непрерывно в течении 10 месяцев. Примем условно, что два месяца в году будет стоять полная штилевая погода. Тогда суммарная электроэнергия, выработанная за 10 месяцев двенадцатью агрегатами, будет равна:
ΣN10 = 300Мвт * 12агрегатов * 24часа * 300дней=25920000 Мвт
Стоимость 1Мвт равна 60 манат { 60 : 0,8= 75$ }. Тогда за год данная электростанция может выработать электроэнергии на сумму равную:
25920000 * 60 =1555200000 манат =1944000000 $
Если учесть, что стоимость последней установленной на Каспийском море нефтедобывающей платформы в 2008 году, равна 3,5 – 4 млрд. манат и если принять, что стоимость данной электростанции обойдется в 1,5 раза дороже, то срок окупаемости данной электростанции приблизительно будет равен от 3 до 4 лет.
Таким образом, срок окупаемости предложенной морской электростанции гораздо меньше, чем срок окупаемости аналогичных по мощности гидроэлектростанций, построенных на земле, не считая связанных с построенными гидросооружениями нежелательных экологических последствий.
МВГэ — неисчерпаемый источник энергии с неограниченной мощностью
Если мощность гидроэлектростанции на какой-либо реке обусловлена возможностью водосбора, то в случае строительства морской гидроэлектростанции количество необходимой воды всегда будет в достатке, так как площадь размещения гидроагрегатов всегда позволит разместить необходимое количество высокопроизводительных насосных секций. Иными словами, можно строить электростанции абсолютно любой требуемой мощности. А избыток воды и возможность добиваться довольно большого давления позволит в будущем проектировать турбины с гораздо меньшими габаритами.
Кроме того, неограниченная мощность данных станций позволит строить опреснительные установки в прибрежных засушливых районах земли. А в перспективе размещать в море энергоемкие заводы. В частности заводы по производству водорода, который в свою очередь является наиболее экологически чистым автомобильным топливом. Кроме того, в пересчете на маломощные энергетические установки [ 5 -10 МВт ], подобные установки могут быть использованы при строительстве морских нефтедобывающих платформ, для обеспечения собственных нужд, что тоже позволит экономить углеводородное топливо и не загрязнять атмосферу.
Монтаж и демонтаж
Осталось рассмотреть еще один очень существенный фактор – это монтаж и демонтаж насосных секций, как при общем монтаже станции, так и при сервисном обслуживании. Сложность заключается в том, что работу придется производить не только в штилевую погоду, а это подразумевает определенные трудности. Разобьем исполнение данной работы на отдельные этапы.
Первым этапом устанавливаются две опорные балки над открытым проемом в полу на месте расположения монтируемой насосной секции. Затем при помощи мостового крана насосная секция опускается в проем, каждый из роликов направляется по своей опорной поверхности и секция устанавливается своей верхней, расширенной частью на балки.
Вторым этапом при помощи мостового крана монтируются поршневая группа из четырех жестких водоводов, и опускается вовнутрь до установки на дно насосной секции.
Третьем этапом монтируются внутренние крышки, втулки и верхние крышки.
Четвертым этапом монтируют специальное приспособление представляющее собой опорную стойку, охватывающую секционный проем, высотой примерно 4-5 м, с укрепленными на ней блочками на верхней плоскости, установленными по обеим сторонам, и мощные две лебедки, закрепленные на полу по штатным местам, грузоподъемностью приблизительно по 600 т каждая. На этом же этапе подсоединяются к секции штатные, гибкие, высоконапорные шланги воздуха и воды. Шланг воды необходим для затопления секции по необходимости, а воздушный шланг, для того чтобы вытеснить часть воды и придать секции плавучесть.
На пятом этапе при помощи лебедок секция вместе с поршневыми стойками приподнимается, и выводятся опорные балки.
Шестым этапом производится спуск насосной секции на свое рабочее место при помощи двух вспомогательных лебедок, при этом поршневая группа застроплена на кране. По мере касания секцией воды, она поэтапно заполняется водой для того, чтобы лишить ее плавучести, но при этом не перегрузить опускающие лебедки. Спуск производится до тех пор, пока секция не повиснет на направляющей решетке. Все это производилось для того, чтобы исключить отрицательный фактор воздействия волн.
Седьмым этапом при помощи крана, окончательно монтируется поршневая группа. Происходит присоединение к полу и соединение водоводов между собой. После этого демонтируются вспомогательные приспособления и закрепляются верхние концы строповочных тросов, при помощи которых производился спуск насосной секции. Они присоединяются к натяжному механизму, по конструкции напоминающему механизм втягивания обычной рулетки. Нижние концы останутся присоединенными к насосной секции и в последующей ее работе. Они будут использованы в дальнейшем при демонтаже секции. Это делается для того, чтобы исключить риск в дальнейшем, при строповке секции на волне. Для окончательной готовности секции к работе из нее, при помощи воздуха, надо выдавить определенное количество воды.
Методика расчета параметров МВГэ по заданной мощности
1. Задается требуемая мощность морской волновой электростанции.
2. Под заданную мощность подбирается серийно выпускаемые гидротурбина и гидрогенератор, или несколько единиц энергооборудования в сумме дающих заданную мощность.
3. По справочным данным определяется требуемое количество воды ( в м³/сек и напор, измеряемый в метрах водяного столба) на единицу оборудования.
4. Далее рассчитывается суммарное количество необходимой воды и по полученным параметрам проектируются насосные секции.
5. Выбираются диаметр неподвижного водовода и самого поршня.
6. Выбирается конструкция насосной секции, которая может состоять из одного поршня или спаренного блока поршней.
7. В зависимости от глубины установки морской платформы и соответственно этому максимально возможной высоте волны в данном месте, принимается максимальный ход поршня.
8. В зависимости от максимального хода поршня принимаются габаритные размеры самой понтонной части насосной секции.
9. По габаритным размерам подвижной камеры насосной секции (за исключением объемов поршневых камер «А» и «В» вычисляется плавучесть (водоизмещение) насосной секции.
10. Вычисляется вес понтонной камеры исходя из геометрических размеров самой камеры и толщин материала, из которого она изготовлена.
11. Посредством частичного затопления понтонной камеры выбирается паритет сил ( веса понтона в сумме с водой внутри него и плавучестью).
12. Вычисляются объемы воды рабочих камер «А» и «В» при заданном перемещении понтонной камеры относительно неподвижного поршня.
13. Исходя из периодичности волн, в районе установки морской платформы, вычисляется производительность одной насосной секции за одну секунду.
14. Подбирается необходимое, минимальное количество насосных секций, обеспечивающих работу гидроустановки при заданной высоте волны.
15. С учетом симметричного, равномерного расположения насосных секций по всей площади морской платформы ( в данном случае количество насосных секций может оказаться больше расчетного числа ) выбираются геометрические размеры самой платформы. В случае большего количества насосных секций, заданная мощность будет достигнута при более низких волнах, чем расчетная их высота.
16. Исходя из того, что данная конструкция насосных секций одновременно может рассматриваться и как поршневой насос и как гидропресс, и, зная диаметр поршня и диаметр трубопровода подвода воды к лопаткам гидротурбины, можно рассчитать давление воды в момент попадания ее на эти лопатки.
17. Методом подбора сечения водовода в месте попадания воды на лопатки гидротурбины доводим напор до требуемых параметров.
18. Вся лишняя вода при отсутствии резервного гидрооборудования сбрасывается обратно в водоем. При наличии такого оборудования оно может быть задействовано, так же и при волне выше расчетной. Но во всех случаях отработавшая и лишняя вода сбрасывается в водоем.
Ряд вопросов, требующих экспериментальной проверки
Остается еще ряд вопросов, ответы на которые, можно получить только экспериментальным путем.
Это, — как будет вести себя вся конструкция при длительных переменных, многотонных нагрузках на основание нижнего яруса.
Это, — как будут работать уплотнения на истирание, испытывая многотонные нагрузки, какой материал наиболее оптимален для этих уплотнений.
Это, — какие стропа надо будет выбрать, и из какого материала они будут изготовлены, учитывая, что они постоянно будут находиться в контакте с морской водой.
Это, — как сделать так, чтобы эти стропа были натянутыми при работе насосной секции.
Это, — как будут вести себя лопатки гидротурбины, работая в морской агрессивной среде, испытывая пульсирующие нагрузки, и, наверное, еще немало иных вопросов, но со всем этим можно будет работать тогда, когда будет решен главный вопрос — есть ли в предлагаемом проекте перспектива его использования и развития.
