CC BY
10
HayKOBMM BiCHMK ^tBiBCtKoro Ha^OHa^tHoro yHiBepcMTeTy
BeTepMHapHoi Megw^HM Ta öioTexHO^oriw iMeHi C.3. I^M^Koro
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
ISSN 2519-268X print ISSN 2518-1327 online
doi: 10.15421/nvlvet8516 http://nvlvet.com.ua/
UDC 621.31.3.321.
Managing the efficiency of the work of the small hydro powerplant
Yu.Yu. Varyvoda1, A.M. Tymoshyk1, B.R. Tsizh1,2
1 Stepan Gzhytskyi National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies Lviv, Ukraine 2Kazimierz Wielki University in Bydgoszcz, Bydgoszcz, Poland
Article info
Received 08.02.2018 Received in revised form
07.03.2018 Accepted 13.03.2018
Stepan Gzhytskyi National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies Lviv, Pekarska, 50, Lviv, 79010, Ukraine.
Tel.: +38-050-371-46-31 E-mail: [email protected]
Kazimierz Wielki University in Bydgoszcz, Chodkiewicza 30, Bydgoszcz, 85-064, Poland.
Varyvoda, Yu.Yu., Tymoshyk, A.M., & Tsizh, B.R. (2018). Managing the efficiency of the work of the small hydro powerplant. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. 20(85), 86-89. doi: 10.15421/nvlvet8516
We consider a hydro-wind power plant, in which, depending on the daily electricity needs and natural fluctuations of the water pressure and wind power, operational regulation of the efficiency of the electric power generated is applied due to the situational use of the energy of the wind turbine. We have determined, that spontaneous changes in the parameters of energy carriers negatively affect the technical and economic indicators of energy equipment. As a result, losses and cost of electricity are significantly increasing. It is confirmed that the dependence of the cost of electricity production on the number of hours of using the installed power of the power plant is estimated by the coefficient of extensive use Kext, coefficient of intensive use Kim and coefficient of integral use Kin = Kext x Kinl. We propo.se a scheme of a hydro-wind power plant in which the processes of electricity generation are mechanically combined through the use of wind force and water pressure. Mechanically combining (for joint regulation) the processes of producing electricity in single hydro-wind power plant, one is able to increase the degree of use of the installed capacity of the mini hydro powerplant by increasing the duration of continuous operation with the highest possible energy conversion efficiency. The degree of usage of the installed capacity of the mini hydro powerplant increases due to an increase of the duration of continuous performance with the highest possible energy conversion efficiency. In the nighttime, a hydrogenerator with a turbine can be used as a pump for the accumulation of water in the reservoir and its subsequent use in the daytime maximum load. Increasing the efficiency of such installations will be noticeable when one of the generators will be able to increase the power of another by mechanical or (and) electric power, providing a greater degree of their usage. We also consider and analyze various variants of mechanical control of the work of the hydro-wind power plant with possible changes in the pressure of water or (and) wind. The conclusions and perspectives of further research of the highlighted problem are presented.
Key words: hydro-wind power plant, electric power, efficiency of performance, energy equipment, energy conversion coefficient.
Управлшня ефектившстю роботи mîhî-ГЕС
Ю.Ю. Варивода1, А.М. Тимошик1, Б.Р. Ц1ж1,2
1 Львiвський нащональнийушверситет ветеринарног медицини та бютехнологш ÎMeni С.З. Гжицького, м. Львiв, Укра'та
2Умверситет Казимира Великого в Бидтощi, Бидгощ, Польща
Розглядаеться ггдро-вгтроенергетична установка, у якш залежно вгд добових потреб електроенергИ та природнгх коливань напору води I сили втру оперативно здшснюеться регулювання ефективностг виробленог електроенергИ за рахунок ситуативного використання енергп вгтрогенератора. Встановлено, що стихшт змти параметргв енергоноспв негативно впливають на техтко-економгчнг показники енергообладнання. Внаслгдок цього втрати г собгвартгсть електроенергИ суттево зростають. Шдтвер-джено, що залежтсть собгвартостг виробництва електроенергИ вгд числа годин використання встановленог потужностг енерго-установки оцтюеться коефщентом екстенсивного використання Кекс, коефщгентом ттенсивного використання Кнт та коеф1-щентом ттегрального використання Кн = Кекс х Кнт. Запропонована схема ггдро-вгтроенергетичног установки, в якш мехашчно об 'еднаш процеси виробництва електроенергИ через використання сили вгтру г напору води. Мехашчно об 'еднуючи (для сптьного регулювання) процеси виробництва електроенергИ в одшй ггдро-вгтроенергетичшй установщ, можна тдвищити ступть викори-
Scientific Messenger LNUVMB, 2018, vol. 20, no 85 86
стання встановленог потужностi Mini-ГЕС за рахунок збшьшення mpueanocmi безперервногроботи з максимально високим ККД. Ступть використання встановленог потужностi мШ-ГЕС зростае за рахунок збшьшення тривaлостi безперервног роботи з максимально високим ККД. У тчний перюд гiдрогенерaтор з турбтою може використовуватися як насос для накопичення води у водоймищi i гг подальшого використання в денний максимум навантаження. Шдвищення ефективностi роботи таких установок буде вiдчутним, коли один з генерaторiв буде здатний тдсилювати мехатчною або (i) електричною енергieю потужтсть тшого, забезпечуючи бтьший ступть гх використання. Розглянуто i проaнaлiзовaно рiзнi вaрiaнти мехатчного управлтня роботою г1дро-втроенергетичног установки при можливих змнах напору води чи (i) вШру. Подано висновки та перспективи подальших дослi-джень висвiтленоi проблеми.
Ключовi слова: гiдро-вiтроенергетичнa установка, електроенергiя, ефективтсть роботи, енергообладнання, коефщент ко-рисног дИ.
Вступ
Старшня основного енергообладнання ТЕС i АЕС, а також перевантаження високовольтних лшш елект-ропередач в часи тк, та залежшсть надшносп !хнього функцюнування ввд мматичних умов сввдчать про зростаючу неспроможшсть потужних централiзова-них енергосистем забезпечувати споживачiв дешевою i яшсною електроенерпю. Автоматизащя та комп'ютеризащя виробничих процеав тдвищуе ви-моги до безперебшного енергопостачання дрiбних i середнiх промислових пвдприемств та фермерських господарств. 1снують цш регiони, де зайнятiсть населенна i його життeвi потреби безпосередньо залежать вiд своечасного постачання палива. Однак темпи ско-рочення запаав органiчного палива i зростаючi проблеми екологп потребують удосконалення юнуючих методiв i засобiв використання вщновлювальних дже-рел енерги, що особливо актуально в умовах регюна-льного об'еднання громад.
Матерiал i методи дослщжень
В Украíнi на даному етапi розвитку промисловостi та наявносп власних природних ресурсiв в репонах, застосовуються установки з використання енерги води i вiтру. Проте ефектившсть !х недостатньо висо-ка у зв'язку iз сезонною i добовою нерiвномiрнiстю параметрiв енергоноспв - потужносп напору води i швидкостi виру.
Потужнiсть водяного потоку Р визначаеться з фо-рмули:
P = Q • Р • g • H, (1)
де Q - обсяг води, що надходить у турбiну пдрое-нергетично! установки за одиницю часу (м3/с), H -висота падшня (м), р - густина води (кг/м3), g - прис-корення сили ваги (9,8 м/с2).
При зменшенш напору води нижче мiнiмально допустимого значення i вiдсутностi акумуляторiв, мшь ГЕС ввдключаються вiд споживачiв i зупиняються.
В процесi виробництва електроенергп в пдроене-ргетичних установках (ГЕУ) ввдбуваються Г^М^Е перетворення (рис. 1) (Butso and Tymoshyk, 2017).
Потужшсть гiдротурбiни визначаеться з формули:
Починаючи iз значень швидкостi вiтру 4 м/с робота вирогенератора вважаеться доцшьною, а при значен-нях 9-12 м/с вш працюе з максимальним ККД.
Q • н рТ = р-| ,
(2)
де р - густина води; n - частота обертання турбь ни; Гт - ККД турбши.
Аналогiчнi за фiзичною суттю процеси перетворення енерги виру ввдбуваються у вiтрогенераторах.
м
1
Рис. 1. Схематичний показ процеав перетворення енерги в ГЕУ: гiдравлiчнi (Г),
механiчнi (М) та електричш (Е) складовi процесу
Добовi коливання навантаження споживачiв, а також стихшш змiни параметрiв енергоносив негативно впливають на технiко-економiчнi показники енергообладнання, внаслвдок чого втрати i собiвартiсть елек-троенерги суттево зростають. Залежнiсть собiвартостi виробництва електроенерги ввд числа годин використання встановлено! потужностi енергоустановки оцi-нюеться наступними параметрами:
- коефщентом екстенсивного використання - ро-зраховуеться як ввдношення рiчного числа годин пе-ребування обладнання в робот пвд навантаженням Тн до всього числа годин за рш
Кекс = Тн/8760; (3)
- коефщентом штенсивного використання -визначаеться як вщношення рiчного (мюячного) фактичного числа годин роботи з встановленою (номiнальною) потужнiстю до рiчного (мiсячного) теоретичного числа годин перебування енергетичного обладнання пвд навантаженням:
Кшт Пф/Пт Рф Тф /Рвст Тк , (4)
де Пф - фактично вироблена електроенергiя (КВт), яка залежить ввд циклiчностi добових графЫв навантаження споживачiв, дiапазону добових коливань потужностi енергоносiя, частоти i якостi ремонтiв; Пт - теоретично можлива кiлькiсть виробництва електроенерги (КВт); Рвст - встановлена (номшальна) потужнiсть (КВт);
- коефiцiентом штегрального використання енергоустановки з урахуванням змiн добових навантажень i простоювань без виробництва електроенерги:
Scientific Messenger LNUVMB, 2018, vol. 20, no 85
87
К = К • К
(5)
величина якого суттево знижуеться не пльки за рахунок тривалосп й частоти зупинок 1 пусшв, але 1 за рахунок, вщповвдно, коливань навантажень, а значить 1 ККД енергоустановки. При змшному добовому графшу навантаження ГЕС як значення енергетично! ефективносл ГЕУ за пром1жок часу Т (наприклад, середньодобового) використовуеться середньо штер-вальне значення ККД [РД 153-34.2-09.165-00. «Типовая программа проведения энергетических обследований гидроэлектростанций»]:
пусшв-зупинок та збшьшення коефщента штенсив-ного И використання.
У нчний перюд пдрогенератор з турбшою може використовуватися як насос для накопичення води у водоймищ1 1 И подальшого використання в денний максимум навантаження (Tymoshyk and Tymoshyk. 2014). Шдвищення ефективносл роботи таких установок буде вщчутним, коли один 1з генератор1в буде здатний шдсилювати мехашчною або (1) електричною енерпею потужшсть шшого, забезпечуючи бшьший стушнь !х використання.
V =-
Э
9,81^ <2^, А/
(6)
де Э - виробництво електроенерги за перюд часу Т; 2, Н - постшно фгксоваМ значення витрати води 1 напору за вщр1зок часу А/ = Т/п.
При робот1 з навантаженням нижчим за номшаль-не вщповшно знижуеться ККД мшьГЕС. Проблема забезпечення найефектившшо! роботи ГЕС при змш-них режимах полягае у тому, щоб безперервно та оперативно коригувати пдроенергетичш процеси таким чином, щоб ГЕУ постшно функцюнувала з мшмальними втратами (Butso and Tymoshyk, 2017).
Результати та Ух обговорення
Сезонн коливання напору води в р1чках 1 добов1 та сезонш >\п ни сили виру - це практично незалежш
природш явища, яш в проносах перетворення енергп ........[
под1бш м1ж собою за ф1зичною суттю 1 технолопею 1х використання. Мехашчно об'еднуючи (для спшьного регулювання) процеси виробництва електроенерги в однш гщро-вггроенергетичнш установш, можна пщ-вищити стушнь використання встановлено! потужно-сп шш-ГЕС за рахунок збшьшення тривалосп безпе-
рервно! роботи з максимально високим ККД Рис. 2. Гадро-впроенергетична установка (Varyvoda et а1., 2016). Для цього в центр1 торця вала
ротора вертикального пдрогенератора виконуеться Розглянемо деяк1 вар1анти мехашчного управлшня
конусопод1бний осьовий отв1р з внутршшми шлщами роботою гщро-впроенергетично! установки
(рис. 2). У нього може входити конусопод1бний ш- автономно! мшьГЕС за допомогою пром1жного вала
нець пром1жного вала з1 зовшшшми шлщами (9) за при змшах напору води чи (1) виру.
допомогою пщшмального пристрою (8) (домкрапв), 1. Натр води 1 швидшсть виру достатш для
мехашчно з'еднуючи або роз'еднуючи вали гщроге- виробництва електроенерги. Залежно вш
нератора (1) 1 вгтрогенератора (2). навантаження споживач1в, електроенерпю можна
Залежно вщ сшввщношень напор1в м1ж гщро-1 вгт- виробляти з обох незалежних джерел енергп. У цьому
роенергонойями та змщеннями (чи сшвпадшнями) в випадку пром1жний вал може бути мехашчно
чай !х дп, а також враховуючи потреби в електроене- роз'еднаний 1 вш пдрогенератора, 1 вш
ргп споживач1в, можна ефектившше перерозпод1ляти вирогенератора.
параметри навантаження м1ж гщрогенератором 1 вгт- 2. Напр води низький 1 швидшсть виру
рогенератором. Це дозволить при можливосп змен- недостатня, щоб використовувати одну з установок
шувати частоти зупинок 1 тривалосп оч1кування не- для виробництва хоча б мшмально! електроенерги
обхшного напору води та (або) виру (Varyvoda et a1., необхщно! якост1. Пром1жний вал з'еднуеться з
2016). У випадку одночасного використання пдро- 1 валами обох електрогенератор1в, для сумарного
вирогенератор1в ККД установки дещо знизиться за використання напор1в води 1 виру.
рахунок зростання мехашчно! складово! втрат (М) 3. Надм1рний натр води при вшсутносп виру
(рис. 1). Однак при встановленн достатньо потужного (весняний паводок). Вирогенератор можна
вирогенератора шт-ГЕС коефщент штегрального використовувати як баластне навантаження в режим1
використання пдро-вироенергетично! установки споживання надлишково! механчно! енергп
може суттево зрости внаслщок зниження частоти обертання гщротурбши для регулювання
1=1
Scientific Messenger LNUVMB, 2018, vo1. 20, по 85 88
(гальмування) швидкосп ïï обертання до необх1дно1 величини. Для цього промгжний вал пдрогенератора з'еднуеться з валом вирогенератора.
4. Нашр води ввдсутнш. Натр виру достатнш. Пром1жний вал роз'еднуеться вщ обох генератор1в. Виробництво електроенерги для споживач1в здшснюетъся тшьки впрогенератором.
5. Дуже сильний впер. Нашр води слабий. Пром1жний вал з'еднуеться. Пдрогенератор можна використовувати як баластне навантаження, яке регулюе (гальмуе) швидк1сть обертання вирогенератора.
Варто зазначити, що в пдро-впроенергетичних установках можна сшльно використовувати функцюнально важлив1 елементи i вузли (акумулятори, iнвертори, диспетчерський щит управл1ння, контрольно-вимiрювальнi прилади, систему грозозахисту, роз'еднувачi та iнше), що суттево зменшуе площу землевидiлення порiвняно iз необхiдною площею для розд№ного будiвництва мiнi-ГЕС i вiтрових електростанцш, а також зменшуе питому варисть ïï будiвництва i експлуатацiï.
Висновки
1. Електромеханiчне поеднання процесу перетворення енерги залежно вiд сшвввдношень мiж пдро- i вiтроресурсами дозволяе оперативно перерозподшяти навантаження мiж пдро- i вiтрогенераторами, що забезпечуе максимальну ефективнiсть роботи rnm-ГЕС.
2. Використання енерги води i виру як взаемно доповнюючих енергоресурсiв дозволяе тдвищити ефективнiсть як дiючих мгш-ГЕС, так i розробити новi, досконал^ енергозберiгаючi пдро-вiтроенергетичнi установки.
3. Дану конструкцш можна застосувати для тдвищення ефективностi роботи вже дшчих верти-кальних гiдрогенераторiв i зниження термiну 1'х само-окупностi.
Перспективи подальших дослгджень. Для застосу-вання на практицi даного методу регулювання опти-мальноï роботи гiдро-вiтроенергетичноï' установки mm-ГЕС, потрiбно визначити спiввiдношення необ-хвдних потужностей мгж вiтрогенератором i гидрогенератором, а також кшьшсш оптимальнi та гранично допустимi сшвввдношення параметрiв води i вiтру для побудови i використання енергоощадних дiаграм роботи конкретноï' гiдро-вiтроенергетичноï установки.
Даний процес оптимального управлiння роботою пдро-вироенергетично].' установки доцiльно автома-тизувати за допомогою мтропроцесорних систем контролю параметрiв вiдповiдних енергоносiïв.
References
Butso, Z.Iu., & Tymoshyk, A.M. (2017). Novi idei i metody kontroliu i upravlinnia efektyvnistiu roboty hidroenerhetychnykh ustanovok maloi potuzhnosti. Enerhetyka ta elektryfikatsiia. 2, 28-30 (in Ukrainian). Varyvoda, Yu.Iu., Tymoshyk, A.M., & Tsizh, B.R. (2016). Patent na korysnu model Hidroenerhetychna ustanovka, U2016 06289 №112630, biul. №24 vid 26.12.2016. Rezhym dostupu: http://uapatents.com/9-112630-gidroenergetichna-ustanovka.html (in Ukrainian).
Tymoshyk, A.M., & Tymoshyk, I.A. (2014). Patent na korysnu model Hidro-vtroenerhetychna ustanovka, №91232 U biul. №12. 25.06.2014. Rezhym dostupu: http://uapatents.com/9-91232-gidro-vitroenergetichna-ustanovka.html (in Ukrainian).
Scientific Messenger LNUVMB, 2018, vol. 20, no 85
89
