​Водяные насосы KSB для обеспечения электроэнергией отдаленных районов и сельской местности

Электроэнергетика Статья
выбрано
energybase

Рис.1. Малая гидроэнергетическая установка KSBРис. 1. Малая гидроэнергетическая установка KSB

Во многих отдаленных районах и сельской местности вопрос организации электроснабжения с целью обеспечения светом, теплом и охлаждением по-прежнему остается злободневным. И именно для этих районов очень актуален поиск альтернативных источников качественной электроэнергии. Малая энергетика — это на сегодняшний день наиболее экономичное решение энергетических проблем для территорий, относящихся к зонам децентрализованного электроснабжения.

Специалисты, занимающиеся разработкой инфраструктуры, все больше внимания уделяют методу получения электроэнергии путем использования стандартного центробежного насоса, работающего в турбинном режиме (PAT), что является альтернативой гидротурбинам со значительной экономической выгодой и более высокой экологичностью. В этом случае применяемый центробежный насос работает в обратном направлении, чтобы генерировать механическую энергию, которая затем может быть использована для производства электроэнергии.

В процессе использования центробежного насоса в турбинном режиме перекачиваемая среда направляется от выходного патрубка к входному, вращая лопасти рабочего колеса в противоположном направлении. Если энергия давления (напор турбины) достаточна для преодоления пускового момента как рабочего колеса, так и вала, то крутящий момент может использоваться для привода генератора, позволяя насосу работать как турбина.

В процессе организации водоснабжения южных территорий Германии возникла необходимость рассмотреть потенциал насосов, работающих в режиме турбины, с целью решения вопроса электроснабжения этих районов. Разработчиков интересовало, может ли геодезический напор в их трубопроводной сети использоваться для производства дешевой электроэнергии. Еще 40 лет назад специалисты KSB начали заниматься исследованиями и разработками в этой области. Сначала конструкторы рассчитали рабочие кривые для насосов, работающих в обратном направлении. Стало ясно, что при определенных условиях, энергия, генерируемая при работе насоса в турбинном режиме, может быть больше, чем энергия затрачиваемая в процессе традиционной эксплуатации агрегата.

Данное открытие дало возможность концерну KSB в течение многих лет поставлять на предприятия водоснабжения центробежные насосы в качестве гидротурбин как экономически эффективную альтернативу серийно выпускаемому турбинному оборудованию. На текущий момент по всей Европе эксплуатируется более 3000 таких агрегатов. Сейчас разработчики изучают возможности применения данной технологии для выработки и снабжения электроэнергией небольших населенных пунктов, изолированных от централизованной электросети.

Благодаря проведению дополнительных исследований и усовершенствованию существующей технологии концерн KSB может предложить так называемые малые гидроэнергетические установки под ключ, которые позволят обеспечить электрической энергией населенные пункты, находящиеся вдали от энергосетей. Это будет наиболее экономически эффективный и экологичный способ эликтрификации отдаленных районов и сельской местности. (рис. 1).

«Когда речь идет о регионах с относительно непрерывной подачей воды, но непостоянной или отсутствующей системой энергоснабжения, использование центробежного насоса в турбинном режиме станет простым и экономичным способом производства электроэнергии, — объясняет г-н Ленар Форпаль, руководитель проекта.- Проведение многочисленных исследований непосредственно в тех частях мира, где электроснабжение представляет собой насущную проблему, помогло нам разработать комплектную гидроэнергетическую установку. Это в свою очередь позволит удовлетворить растущий спрос на подобные установки с целью электрификации районов децентрализованного электроснабжения».

Комплектация малой гидроэнергетической установки KSB

Рис.2. Энергоблок в контейнерном исполнении с насосом в турбинном режимеРис. 2. Энергоблок в контейнерном исполнении с насосом в турбинном режиме

Установка включает в себя 2 основных элемента: энергоблок контейнерного исполнения (рис 2.) и водоприемное сооружение / резервуар для хранения воды, которое приводит в действие насос в турбинном режиме. В комплект поставки также входит система управления, преобразователи и трансформаторы, которые отвечают за выработку электроэнергии. Водоприемное сооружение из бетона может легко строиться непосредственно на месте монтажа с помощью комплекта опалубки, поставляемого вместе со всей установкой. В конце должен быть сооружен подводящий и отводящий водоводы контейнера, которые соединят энергоблок и водоприемное сооружение.

Очевидно, что для работы насоса в турбинном режиме требуется перепад высот и геодезический напор как минимум 10 м над уровнем установки. В зависимости от типа и размера установки, геодезический напор может достигать 640 м. Максимальная рекомендуемая удаленность источника воды до установки — не более 1 800 м. В зависимости от подачи диаметр поставляемого напорного трубопровода может быть 250 мм или 400 мм.

Крайне важно, чтобы используемая вода была очищена от примесей твердых частиц. Поэтому в состав бетонного резервуара входит самоочищающийся сетчатый фильтр (рис. 3).

Рис.3 Водоприемное сооружение (комплект опалубки для возведения бетонного резервуара)Рис. 3 Водоприемное сооружение (комплект опалубки для возведения бетонного резервуара)

Соответственно, прежде чем попасть в резервуар, откуда через напорный трубопровод будет осуществляться подача на «гидротурбину», вода пропускается через фильтр, диаметр отверстий которого не более 1 мм. Через такие отверстия твердые частицы пройти не смогут, они скатываются по наклонной поверхности фильтра и смываются потоком воды.

Малая гидроэнергетическая установка KSB может генерировать от 30 до 750 кВт электроэнергии. Все основные компоненты автоматического управления устанавливаются внутри контейнера и, таким образом, защищены от погодных явлений и несанкционированного использования. Панели управления и мониторинга смонтированы так, что в процессе эксплуатации оператору не придется открывать контейнер до тех пор, пока не потребуется техническое обслуживание. А учитывая тот факт, что единственными изнашиваемыми компонентами являются подшипники насосов и торцевое уплотнение, которые обычно имеют огромный эксплуатационный ресурс и межремонтный пробег, затраты на техническое обслуживание ничтожно малы.

Дорогостоящие синхронные электрогенераторы не нужны

В отличие от других мини-ГЭС установка KSB оснащена собственной инновационной системой управления. Это решает две основные проблемы, из-за которых многие годы тормозилось развитие и массовое внедрение этой технологии получения электроэнергии. Первая сложность связана с разработкой электрогенератора для малых гидроэнергетических установок. Для этих целей обычно используют синхронный генератор с постоянными магнитами, который не требует технического обслуживания, но является достаточно дорогим. Альтернативой ему будет асинхронный генератор, которым фактически является асинхронный двигатель насоса. Однако, как и любой другой генератор, этот агрегат запускается с помощью электричества.

В состав установки KSB входит асинхронный генератор, который в свою очередь запускается с помощью аккумуляторного прибора управления. Ленар Форпаль поясняет:

«Например, если у вас производительность генератора 30 кВт, то для его запуска в работу нужно порядка 27 кВт. Электронный блок управления KSB запрограммирован так, что он точно знает, когда необходимо поставить определенное количество энергии для быстрой активации генератора, а сам потребляет при этом очень небольшое количество электроэнергии. Это означает, что дополнительный синхронный дизельный генератор не требуется. Поэтому установка KSB может функционировать без внешнего электроснабжения «.

Насосы

Для применения в турбинном режиме допущены серийные консольные насосы Etanorm, насосы Omega с рабочим колесом двухстороннего входа и многоступенчатые насосы высокого давления Multitec (рис. 4). Они хорошо зарекомендовали себя в мире как высокотехнологичные и надежные агрегаты. При работе насоса в турбинном режиме объемный расход будет на 1/3 выше объемного расхода в насосном режиме. Поэтому необходимо учесть и более высокий крутящий момент.

Рис.4. Характеристики насосов Omega и Etanorm в турбинном режимеРис. 4. Характеристики насосов Omega и Etanorm в турбинном режиме

Электронный блок управления, который активирует установку с насосами в турбинном режиме, питается от компактного источника бесперебойного питания (UPS/ ИБП). Он включает в себя литий-ионный аккумулятор, за поддержание полной зарядки которого отвечает система электронного мониторинга, и (обратный) преобразователь для обеспечения генератора током возбуждения. Если блок управления определяет, что установка с насосом в турбинном режиме не работает, он посылает сигнал на ИБП запустить ее снова по мере необходимости. Вторая функция заключается в том, что с помощью трансформатора блок управления предотвращает скачки напряжения.

Если подача воды прекращается, установка с насосами в турбинном режиме (PAT) автоматически отключается для защиты от сухого хода. После возобновления подачи воды блок управления запускает установку снова с помощью ИБП.

Качество производимой электроэнергии должно соответствовать самым высоким международным стандартам, с тем чтобы избежать повреждения современных электронных приборов, таких как компьютеры, мобильные телефоны и прочее телекоммуникационное оборудование. Поэтому трансформатор в составе установки используется для разъединения системы выработки от системы приемников электроэнергии пока не будет 100% гарантии обеспечения соответствующего напряжения и тока для работы потребляющего оборудования.

«Главное преимущество установок KSB с насосами в трубинном режиме является электронное управление генератором, — продолжает Ленар Форпаль. — В других гидроэнергетических установках, как правило, применяются системы механического управления, что в итоге дороже и в некоторых случаях недостаточно надежно. Вторые также менее приспособлены оперативно реагировать на изменения условий эксплуатации, например изменение геодезического напора, и быстро осуществлять корректировку работы турбины. При использовании двух преобразователей частоты можно контролировать производительность генератора, чтобы обеспечить производство электроэнергии в соответствии с потребностью и нагрузкой. Поскольку генератор всегда работает с максимальным КПД, гидроэнергетическая установка KSB практически не зависит от изменения объемного расхода «.

На сегодняшний момент компания KSB поставила более 200 малых гидроэнергетических установок, а это около 3000 насосных агрегатов в турбинном режиме. Ленар Форпаль так говорит о дальнейших перспективах:

«Залог успеха наших установок заключается в их надежности. По оценке специалистов основными потребителями данного продукта могут стать страны Африки, Южная Америка, а также регионы стран Европы с децентрализованной системой электроснабжения. Мы намерены построить экспериментальную систему в Бразилии и, возможно, в Руанде, где нет надежных источников электроснабжения. Сконструированный прототип установки обеспечивает 40 кВт электроэнергии, чего вполне достаточно для электрификации сельского поселения (рис 4)».

В России программам развития малой гидроэнергетики в настоящее время уделяют все больше внимания. Это обусловлено не только резким повышением стоимости энергоносителей, но и ужесточением требований к охране окружающей среды, сельскохозяйственным и промышленным освоением отдаленных районов и необходимостью их электрификации, трудностями с финансированием освоения крупных водотоков, совершенствованием технологии проектирования, строительства и эксплуатации малых ГЭС. В этом случае комплектная гидроэнергетическая установка KSB может представлять большой интерес для российского рынка.