Preview

Advanced Engineering Research

Расширенный поиск

Преобразование энергии гидравлического сопротивления системы в электричество

https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-142-149

Полный текст:

Аннотация

Введение. Рассматривается гравитационный водовод с регулирующей задвижкой и регулятором давления в трубе самотечного водоснабжения в условиях, когда не нарушен гидравлический режим водопровода. Применительно к такой системе исследуются проблемы преобразования энергии местного искусственного гидравлического сопротивления в электричество.

Материалы и методы. Изучена литература, в которой освещается возможность использования микротурбин для выработки электроэнергии в системах водоснабжения. Даны фактические значения, зафиксированные устройством непрерывной регистрации давления (логгер) в течение 12 часов, а также расход воды турбиной на данном участке узла (средний показатель в течение года) и перепад давления. Отмечено, что применение малых гидроэлектростанций в системах подачи воды значительно снижает стоимость их эксплуатации. Приведены показатели расхода воды в гидротурбинном агрегате в течение года с разбивкой по месяцам. Рассчитана максимальная мощность у входа турбины. Описаны принципы выбора типа гидротурбины. Указаны средние значения КПД для разных элементов гидротурбинной установки, усредненные параметры мощности МГЭС и соответствующие им показатели среднемесячной выработки электроэнергии.

Результаты исследования. Оснащение исследуемых узлов специально разработанными турбинами позволит получить электрическую энергию, преобразуя искусственно созданную местным сопротивлением и погашенную механическую энергию. Подходы, описанные в данной статье, можно использовать при замене агрегатов регулирования давления системы водопроводной сети Еревана. Спрогнозированы производительность МГЭС, сроки ее строительства и эксплуатации — 2 года и 30 лет соответственно. Предварительно рассчитаны затраты на сооружение и обслуживание. Приведены предполагаемые данные о доходах, расходах и чистой прибыли. Указано, что потенциально она будет близка к 6 млн драмов в год. Анализ данных позволил сделать вывод, что внутренняя норма доходности окажется на уровне 10,4 %, а срок окупаемости — 9 лет.

Обсуждение и заключения. Рекомендуется заменить регулятор гидротурбиной с таким же гидравлическим сопротивлением и функцией автоматической регулировки расхода воды в системе. Выводы подтверждаются энергетическими и экономическими показателями гидротурбинной установки, расположенной на участке магистрального водовода «Арзакан — Ереван».

Для цитирования:


Саакян А.А., Бутко Д.А. Преобразование энергии гидравлического сопротивления системы в электричество. Advanced Engineering Research. 2022;22(2):142-149. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-142-149

For citation:


Sahakyan A.A., Butko D.A. Converting Hydraulic Resistance Energy of the System into Electricity. Advanced Engineering Research. 2022;22(2):142-149. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-142-149

Введение. Традиционные невозобновляемые первичные источники энергии, ресурсы которых весьма ограничены, продолжают играть доминирующую роль в экономике Армении. Активное использование ископаемых источников энергии обусловило такие экологические проблемы, как загрязнение воздуха и почвы, дефицит воды и деградация экосистем. Следует учитывать рост численности населения, непрерывное бытовое и промышленное потребление энергии. Все это позволяет утверждать, что дальнейшее количественное (экстенсивное) развитие энергетической отрасли нецелесообразно. Использование возобновляемых источников энергии для пополнения общего энергетического баланса страны является императивом времени. Такой подход позволяет достичь устойчивого развития, сохраняя при этом окружающую среду. Водные и энергетические ресурсы необходимы для жизнедеятельности человека и подвержены регулярному экономическому, технологическому, демографическому и социальному воздействию [1]. По некоторым оценкам, 2–3 % мирового потребления электроэнергии приходится на системы водоснабжения (СВ) [2], и в 80–90 % случаев используются насосные агрегаты. Расходы на их обслуживание — в числе основных операционных затрат СВ [2]. Концепция рационального и эффективного использования водных ресурсов и электроэнергии имеет стратегическое значение для устойчивого развития и смягчения последствий климатических изменений. Рациональному использованию воды и электроэнергии препятствуют слабая инфраструктура и устаревшие эксплуатационные процедуры. Это особенно актуально для развивающихся стран. Более того, в соответствии с Целями развития тысячелетия1 возникает потребность в альтернативных решениях: ставится задача сократить вдвое число людей, не имеющих постоянного доступа к чистой воде и основным услугам в области санитарии. В качестве возобновляемых источников энергии предлагается ввести в эксплуатацию малые гидроэлектростанции (МГЭС) на участках сети водоснабжения с местным гидравлическим сопротивлением при условии полуоткрытых задвижек или регуляторов давления. Это экономически выгодно для производства электроэнергии и водоснабжения и прекрасно иллюстрирует рациональное использование водных ресурсов. В прошлые десятилетия гидроэлектроэнергетика была одним из главных источников получения энергии из воды. Сегодня водное хозяйство рассматривается как прямой потребитель электроэнергии, и это влияет на распределение водных ресурсов2. Активное потребление энергии напрямую влияет на состояние водных ресурсов в мире, что в свою очередь является причиной климатических изменений. Рациональное использование энергии должно способствовать обеспечению устойчивого развития за счет грамотного распределения энергетических ресурсов на всех этапах преобразования. Для комплексной оценки проблемы приводится пример сооружения МГЭС на водопроводе «Арзакан — Ереван».

Материалы и методы. Водопроводная ветка «Арзакан — Ереван» снабжает водой административные районы Еревана (Арабкир, Малатия-Себастия, Ачапняк, Эребуни) и прилегающие населенные пункты (Зовуни, Канакераван, Нор-Ачин, Нор-Гехи, Егвард и др.). Водопровод берет начало от источника Арзакан, а на территории административной общины Гетамедж разделяется на два водопровода с разными режимами давления. Рассматривается вопрос строительства МГЭС на одной из веток этого водопровода, питающего северо-западные и западные районы Еревана. Компания, работающая на разделительной ветке водопровода, установила полуоткрытую задвижку для регулировки расхода воды в системе. Так обеспечивается напор в водопроводе для населенных пунктов, расположенных выше основной магистрали (прилегают к городу Нор-Ачин). При полуоткрытой задвижке создается местное гидравлическое сопротивление около 13 м вод. ст. (до этого давление в водопроводной трубе — около 33 м вод. ст.).

Предлагается вместо полуоткрытой задвижки установить МГЭС, не нарушая нормальный гидравлический режим работы водопровода. На рис. 1 представлен план местности в программе Google Earth, а в таблице 1 сведены фактические значения, зафиксированные устройством непрерывной регистрации давления (логгер) в течение 12 часов.

Рис. 1. План местности в Google Earth

Таблица 1

Данные регистраторов давления, установленных на исследуемом участке

Цель предложения — обеспечить преобразование искусственно созданного в локальном блоке сопротивления гидравлической энергии в электрическую. На месте строительства малой гидроэлектростанции (на ответвлении магистрального водопровода «Арзакан — Ереван») созданы благоприятные условия для комплексного использования водоэнергетического потенциала. Расход турбины на данном участке узла — 1,15 м3/с (средний показатель в течение года). Регулирующее устройство на трубе обеспечивает заданный расход. В результате образуется перепад давления от 20,3 м вод. ст. до 21,4 м вод. ст. (таблица 1). Следует отметить целесообразность практического использования так называемой «скрытой» энергии, образующейся на участках магистральных водопроводов в Республике Армения. Гидроэнергетический потенциал систем водоснабжения известен давно, однако не изучен должным образом. В литературе подробно описаны возможности использования микротурбин для выработки электроэнергии в системах водоснабжения [3–5]. Самотечные системы в районах с высокими уклонами рельефа формируют значительные давления в водопроводных и распределительных сетях, создавая предпосылки для выработки гидроэлектроэнергии. Турбины, установленные на водораспределительных сетях, можно использовать и как системы контроля давления. Для этого задействуют редукционные клапаны PRV (от англ. pressure relief valve — клапан сброса давления), которые управляют потерями и утечками воды [6]. Они рассеивают энергию, таким образом снижая давление в системе. Что касается водяных турбин, они могут преобразовывать избыточное давление в электроэнергию3. Основные преимущества рекуперации гидравлической энергии в водопроводах, согласно Ф. Виейре и Х. М. Рамосу [3][7], — повышение энергоэффективности системы за счет использования местных источников и снижение зависимости от внешней (сетевой) энергии. Кроме того, рекуперация гидравлической энергии способствует общему снижению эксплуатационных расходов. Ф. Виейра и Х. М. Рамос [3][7] в своих исследованиях подчеркивают, что применение малых гидроэлектростанций в системах подачи воды значительно снижает стоимость их эксплуатации. Это объясняется тем, что предлагаемое решение позволяет заменить регулирующий клапан на равную по гидравлическому сопротивлению гидротурбину. В таблице 2 приведены расходы воды в системе (указаны усредненные по месяцу показатели).

Таблица 2

Расход воды в гидротурбинном агрегате

Учтем, что максимальный напор — Hmax = 21,4 м, минимальный — Hmin = 20,3 м.

Среднегодовой расход, согласно табл. 2: Q = 1,15 м3/с.

При расчетном напоре, равном H = 20 м, мощность потока у входа турбины [8]:

Принципы выбора гидротурбины. При малом напоре и большем расходе (для МГЭС) следует выбрать турбину с большим коэффициентом быстроходности. Из реактивных турбин подойдет осевая. Из активных турбин малой мощности для пропуска относительно большого расхода следовало бы выбрать турбину Банки. Однако в данном случае недопустимо задействовать активную турбину, так как при ее наполнении у выхода формируется избыточное давление, и турбина Банки работает как очень плохая реактивная турбина с очень низкими энергетическими показателями.

Рекомендуется установить гидротурбинный агрегат у задвижки на обходной линии. Входные и выходные задвижки обеспечат бесперебойную работу магистрали даже в случае отключения станции. Функционирование МГЭС будут контролировать датчики давления, установленные у входа и выхода турбины. Так обеспечивается требуемое давление на магистрали4. При установке оборудования на магистрали питьевого водоснабжения следует учитывать особые требования [8−10]. В частности, нужно исключить загрязнение воды смазочными маслами и иными материалами5, 6. В целом же распределяемая вода должна соответствовать количественным и качественным нормам питьевого, бытового и промышленного потребления [11].

Энергетические показатели МГЭС. Для разных элементов гидротурбинной установки применены следующие средние значения КПД:

Мощность на валу турбины:

а на выходе генератора:

В таблице 3 представлены усредненные параметры мощности МГЭС и соответствующие им показатели среднемесячной выработки электроэнергии.

Таблица 3

Среднемесячная мощность и выработка МГЭС

Следует отметить, что использование реактивной турбины МГЭС при большой отрицательной высоте отсасывания (hS = –13 м), на взгляд авторов, в мировой практике предлагается впервые. В данном случае, с одной стороны, исключено возникновение кавитации [9][12], что, безусловно, расценивается положительно. С другой стороны, неизвестно как влияет на КПД большое давление на выходе из турбины, поэтому в расчетах авторов данной статьи применен несколько заниженный показатель.

Результаты исследования. Произведенную МГЭС электроэнергию (таблица 3) планируется поставлять в общую энергосистему Республики Армения на условиях гарантированной покупки по ценам, утвержденным Комиссией по регулированию общественных услуг Армении (в настоящее время действует тариф 10,579 драмов за кВт•час).

Согласно данным таблицы 3, в течение года МГЭС произведет не менее 1,5 млн кВт•час. По предварительным расчетам, срок строительства МГЭС — 24 месяца, а срок эксплуатации — 30 лет. Стоимость строительства и проектирования МГЭС составит 60,4 млн драмов (таблица 4).

Таблица 4

Затраты на строительство МГЭС

Прогнозируемые доходы, эксплуатационные расходы и прибыль представлены в таблице 5.

Таблица 5

Прогноз годовых финансовых показателей

Данные о годовых расходах, представленные в таблице 5, основаны на действующих нормативно-правовых актах Республики Армения. Согласно этим документам, налог на добавленную стоимость и налог на прибыль составляет 20 %7, а налог на имущество — 0,6 % (от остаточной стоимости). На основе данных о строительстве и текущих операционных расходах МГЭС в таблице 6 приведены основные показатели финансовой эффективности.

Таблица 6

Показатели финансовой эффективности

Обсуждение и заключения. Из-за гористого рельефа на большей территории Республики Армения для регулировки давления в водопроводной сети часто создают местное сопротивление. Как правило, речь идет о полуоткрытых клапанах и установке оборудования для регулировки давления. Оснащение узлов сети специально разработанными турбинами позволит преобразовать искусственно созданную местным сопротивлением и погашенную механическую энергию в электрическую. Следует отметить, что только в системе водопроводной сети Еревана установлено более 300 полуоткрытых задвижек и оборудования для регулировки давления. Многим из них требуется замена. На ремонтируемых участках можно применить решения, предложенные в данной статье.

1. Цели развития тысячелетия / Организация объединенных наций : [сайт]. — URL: https://www.un.org/development/desa/ru/millennium-development-goals.html (дата обращения: 05.06.2022).

2. Mao Yushi, Sheng Hong., Yang Fuqiang. The true cost of coal. Understanding China's Energy Landscape. 2008. URL: https://www.understandchinaenergy.org/greenpeace-chinathe-china-sustainable-energy-programwwf-china-main-authors-mao-yushi-sheng-hong-yang-fuqiang-2010-the-true-cost-of-coal-full-report/ (accessed: 05.06.2022).

3. The Millennium Development Goals Report 2011. United Nations. New York, 2011. URL: https://www.un.org/millenniumgoals/pdf/(2011_E)%20MDG%20Report%202011_Book%20LR.pdf (accessed: 05.06.2022).

4. Маркарян А. Я., Токмаджян В. О. Регулирование производительности насосов с целью предотвращения кавитационных явлений // Вода: экология и технология : сб. докладов 7-го междунар. конгресса. М., 2006. Ч. 1. С. 566.

5. Sanitarakan Kanonner yev Normer N2-III-A2-1, Khmelu jur: Jramatakararman kentronats’vats hamakargeri jri vorakin nerkayats’vogh higiyenik pahanjner, Voraki hskoghut’yun, Yerevan, 2002t, ej 11 [Санитарные правила и нормы N2-III-A2-1, Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения, Контроль качества. Ереван, 2002. Стр. 11. На арм. яз.].

6. Barry, J. A. Watergy: Energy and Water Efficiency in Municipal Water Supply and Wastewater Treatment Cost-Effective Savings of Water and Energy. The Alliance to Save Energy. Washington, 2007. 44 p.

7. Hayastani Hanrapetut’yan Harkayin orensgirk’, HO-165-N, yndunvats 2016 t’vakani hoktemberi 4-in [Налоговый Кодекс Республики Армения, ЗА-165-Н. Принят 4 октября 2016 года. На арм. яз.].

Список литературы

1. Карл-Ульрих, Р. Водный сектор в Германии, Методы и опыт / Р. Карл-Ульрих. — Берлин-Бонн-Виттен : Федеральное Министерство окружающей среды, охраны природы и безопасности реакторов, Федеральное ведомство охраны окружающей среды на благо человека и окружающей среды, 2001. — С. 151.

2. Energy audit of water networks / E. Cabrera, M. A. Pardo, R. Cobacho, E. Cabrera Jr. // Journal of Water Resources Planning and Management. — 2010. — Vol. 136. — P. 669–677. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000077

3. Ramos, J. S. Sustainable application of renewable sources in water pumping systems: Optimized energy system configuration / J. S. Ramos, H. M. Ramos // Energy Policy. — 2009. — Vol. 37. — P. 633–643. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2008.10.006

4. Гальперин, Е. М. Надежность систем водоснабжения и водоотведения / Е. М. Гальперин, В. И. Полуян, В. Н. Чувилин // Водоснабжение и санитарная техника. — 2006. —№ 9–2. — С. 38–42.

5. Давыдов, А. Б. Обеспечение надежности водопроводной сети / А. Б. Давыдов, В. И. Булыгин, М. Ю. Радецкий // Водоснабжение и санитарная техника. — 2004. — № 3. — С. 6–8.

6. Fontana, N. Losses reduction and energy production in water-distribution networks / N. Fontana, M. Giugni, D. Portolano // Journal of Water Resources Planning and Management. — 2012. — Vol. 138. — P. 237–244.

7. Vieira, F. Hybrid solution and pump-storage optimization in water supply system efficiency: A case study / F. Vieira, H. M. Ramos // Energy Policy. — 2008. — Vol. 36. — P. 4142–4148. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2008.07.040.

8. Богомолов, А. И. Гидравлика / А. И. Богомолов, К. А. Михайлов. — Москва : Стройиздат, 1972. — 648 с.

9. Ловкис, З. В. Гидравлика / З. В. Ловкис. — Минск : Беларусская навука, 2012. — 439 с.

10. Ландау, Ю. Гидроэнергетика и окружающая среда / Ю. Ландау, Л. Сиренко. — Киев : Либра, 2004. — 484 с.

11. Energy efficiency in the European water industry: learning from best practices / J. Frijns, R. Middleton, C. Uijterlinde, G. Wheale // Journal of Water and Climate Change. — 2012. — Vol. 3. — P. 11–17. https://doi.org/10.2166/wcc.2012.068.

12. Викулин, П. Д. Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения / П. Д. Викулин, В. Б. Викулина. — Москва : МГСУ, 2014. — 248 с.


Об авторах

А. А. Саакян
Национальный университет архитектуры и строительства Армении
Армения

Саакян Арам Ашотович, декан строительного факультета 

г. Ереван, ул. Теряна, 105, корп. 2



Д. А. Бутко
Донской государственный технический университет
Россия

Бутко Денис Александрович, заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение», кандидат технических наук, доцент

 г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1



Рецензия

Для цитирования:


Саакян А.А., Бутко Д.А. Преобразование энергии гидравлического сопротивления системы в электричество. Advanced Engineering Research. 2022;22(2):142-149. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-142-149

For citation:


Sahakyan A.A., Butko D.A. Converting Hydraulic Resistance Energy of the System into Electricity. Advanced Engineering Research. 2022;22(2):142-149. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-142-149

Просмотров: 81


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2687-1653 (Online)