ЕЛ МЕДИА - направление СТРОИТЕЛСТВО ЕЛ МЕДИА - направление СЕЛСКО СТОПАНСТВО
ЕЛ МЕДИА - направление ИНДУСТРИЯ

ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина II, брой 2, септември 2010

Малки водно- електрически централи

Част I: Технологично оборудване

Малки водно- електрически централи

Малките водно електрически централи (МВЕЦ) са изключително надеждни и ефективни за производство на електроенергия. Базирани върху утвърдена технология с висока степeн на автоматизация, те успешно намират своята реализация в палитрата на енергийния микс на държавите от Европейския съюз.

вропейските директиви за стимулиране на зелената енергия и произтичащите от тях преференциални условия за изкупуване от националните енергийни мрежи. Преференции има разбира се за всички централи ползващи ВЕИ, а но МВЕЦ имат редица важни преимущества, на които се спираме в тази статия.

На първо място МВЕЦ имат висока ефективност достигащ до 70-90%. Те работят с висок коефициент на използване на мощността, типично над 50%, в сравнение с около 10% за соларните и 30% за вятърните централи. Много важно при МВЕЦ е тяхното високо ниво на предвидимост на генерацията, съвпадащо с годишния валежен профил за региона и поливните кампании в селското стопанство. Тяхната производителност се променя бавно във времето, т.е. изходящата мощност се изменя постепенно в рамките на дни или седмици, а не моментално или в рамките на часове. Пика на потреблението съвпада с високата производителност през зимата и пролетта, без разлика между дневен и нощен режим. Не на последно място трябва да споменем и изключително дълготрайни и надеждни технологии – проектният живот на МВЕЦ е над 50 години

Освен изброеното до тук, МВЕЦ са щадящи природата и нямат противоречивия ефект върху околната среда на вятърните и слънчеви централи, а даже и на големите ВЕЦ. Една централа проектирана и оразмерена в съответствие с природните дадености на конкретния обект е основа за добра дългогодишна инвестиция.

Основни елементи на МВЕЦ
Познаването на особеностите на елементите на МВЕЦ е важно за избора на техническите решения. Те от своя страна оказват пряко въздействие върху бъдещата ефективна работа и възвръщаемостта на направената инвестиция. Основните елементи на които се спираме в тази материал са:
- Бент или язовирна стена (водоем)
- Щлюзове, напорни тръбопроводи
- Турбини и редуктор за повишаване на скоростта
- Генератори
- Трансформатор и подстанции
- Система за управление
- Електрическа комутационна апаратура
- Защитни системи
- Резервно DC захранване

Типове конструкции за МВЕЦ
Конструкцията на МВЕЦ се определя от профила на терена (потенциалния напор) и неговата геоморфология. От тези параметри зависи изборът на типа, мощността и броя на турбините и тяхната конфигурация. В зависимост от начина, по който водата се подвежда до станцията, и от локацията на хидротехническите обекти МВЕЦ могат да бъдат класифицирани както такива на язовирна стена, с канална деривация и с тръбна деривация. В общия случай малките инвеститори се интересуват от МВЕЦ на язовирна стена или с тръбна деривация. ВЕЦ с с канална деривация обикновено са много по-мащабни и са по силите на големи институционални инвеститори.
МВЕЦ на бент обикновено се строят на ниски места, където естественият напор е недостатъчен. Често бентът има двойна функция и не е строен специално за производство на енергия. При наличие на бетонна язовирна стена централите често се разполагат в колоните на стената с цел икономия на строителен материал. МВЕЦ на големи язовирни стени с голям пад от 30 до 100 m често са инкорпорирани в самата конструкция на стената и формират единен комплекс с нея, като тръбите се полагат в усилена бетонна галерия и най-често се използват турбини с хоризонтална ос. В случай на МВЕЦ с малък пад типично се използват две схеми на разполагане на турбините – с къса подвеждаща тръба или с малка дига и турбина с вертикална ос.
Каналната деривация е чест подход при наличие на широки речни завои. Като шунтира завоя каналът може да съкрати естествения път на реката и така да създаде значително по-голям пад. Характерни за такава система са горното водохващане и долният биеф, като последният връща водата отново в речното корито. Тръбната деривация с напорен тръбопровод се прилага там, където падът е по-голям от 20-30 m и където сградата на централата е отдалечена от водохващането. Възможността за управление на турбината зависи от дължината на тръбопровода, като трябва да се спазва следното условие: произведението на дължината и скоростта на течението в тръбопровода не трябва да превишава 25 пъти пада.

Видове турбини
Ключът към успеха на една МВЕЦ се крие в оптималния избор на типа турбина в зависимост от конкретните обстоятелства на обекта. Най-важните фактори са падът (респ. напорът) и дебитът. Други, също така важни параметри, са скоростта на турбината и способността и да работи при намален воден дебит. Поради различните принции на превръщане на енергията можем да разграничим два основни типа турбини: импулсни турбини, използващи енергията на скоростта на водата и реакционни турбини, използващи енергията от налягането на водната маса.

Пелтон (Pelton )
Това са импулсни турбини, използващи скоростта на водата за задвижване на вала, с последващо изпускане на водното налягане към свободен обем (атмосферно налягане). Роторът на турбината се състои от лопатки с форма на кофа, наредени около колело. Импулсни турбини се използват главно при наличие на голям напор от порядъка на 30 - 400m. Пелтон турбините може да се монтират и с вертикален, и с хоризонтален вал, а роторът и броят на изпускателите може да варират в различните приложения. Тези турбини могат да работят и при силни промени в дебита между 5 и 100%.

Банки-Мичел (Banki-Michell)
Това е проточна турбина, обикновено оформена като цилиндър, като лопатките са монтирани в специална камера или директно на деривационния канал. Тази конструкция на лопатките често позволява двойно ефективно обтичане и така повишава турбинната ефективност. Банки-Мичел турбините могат да работят при дебити от 20 dm3/s до 10m3/s и при напори от 1 до 200m.

Каплан (Kaplan)
Това са реакционни турбини, използващи едновременно и налягането, и движението на водата. Задвижваният механизъм е потопен във водата и водният поток минава над лопатките без да ги удря директно. В сравнение с импулсните турбини реакционните турбини се използват в обекти с малък напор и голям дебит. Към този клас спадат и витловите турбини. Те могат да са оборудвани с три или шест лопатки с еднакъв контакт с водата. Ъгълът на контакт на лопатките е настройваем. Каплан турбините са типичен представител на този клас. Позиционирането на турбината може да е вертикално, хоризонтално, с S-образна конфигурация и др.

Франсис (Francis)
Франсис турбината се състои от колело, ротор, захранваща тръба и корпус, обикновено във формата на спирала. Колелото осигурява достъпа на вода и достатъчна скорост. В ротора енергията на водата се преобразува в механична енергия, а посоката на потока може да се променя от радиална на аксиална. Формата на ротора и на лопатките зависят от напора. Основното предимство на Франсис турбините е възможността да се произвеждат в различни конструктивни варианти и така да се оптимизира към конкретните условия. Най-чести са Франсис турбините с вертикална ос, разположени в открита камера, особено в МВЕЦ до 5MW. Използват се също и турбини с вертикална ос в спирален корпус, а също и мултироторни турбини.

Кинетични турбини
Кинетичните турбини са класически системи с напречен поток с т.нар. свободно обтичане. Главно кинетичната енергия на течащата вода се преобразува в електрическа енергия, докато потенциалната енергия от напора е минимална. Предимството на такива решения е, че те не изискват допълнителни канали или обемни хидротехнически работи. Удобни за такива турбини са всякакви съществуващи съоръжения като мостове, диги, канали и пр.

Генератори
Генераторите превръщат механичната енергия в електрическа. В първите ВЕЦ генераторите са били правотокови, в унисон с първите комерсиални електрически системи, но в днешно време се използват само трифазни променливотокови генератори. В зависимост от характеристиките на захранваната мрежа и мощността на централата може да се избира между асинхронни и синхронни генератори.

Синхронни генератори
Те са оборудвани с постояннотокова възбудителна система или с възбуждане от постоянни магнити, като възбуждането може да е статично или въртящо и е пряко свързано с контрола на изходното напрежение на генератора. Когато са свързани към електропреносната система те могат да подават и реактивна енергия. Характерна разлика от асинхронните генератори е, че синхронните могат да работят и изолирани от мрежата, защото тяхното възбуждане не зависи от външната мрежа.
Възбудителният ток за синхронните генератори може да се осигурява от малък DC генератор с мощност около 0.5% - 1.0% от тази на големия генератор. В днешно време обичайното решение е статичен възбудител да измества помощния генератор, но все още се срещат в експлоатация и много въртящи възбудители.
При въртящите възбудители възбудителните намотки на главния генератор и на възбуждащия генератор обикновено са монтирани на един и същ вал (главния вал). При големите генератори се използват и пилотни възбуждания с постоянни магнити. Те подават възбуждане към възбудителния генератор, който от своя страна възбужда главния генератор. При безчетковите възбудители намотките на малък генератор са разположени на статора и генерират променлив ток в роторните намотки. Изправителят се върти заедно с вала и преобразува променливия ток от малкия генератор в прав ток, който се подава към въртящите се възбудителни намотки на главния генератор без необходимостта от четки. Регулирането на напрежението се постига чрез управление на тока във възбудителните намотки на малкия генератор.
По същество статичният възбудител е свързан към мрежата управляем изправител, който подава прав ток към възбудителните намотки на генератора вместо въртящия възбудител. Управлението на напрежението и фактора на мощността се осъществява аналогично на случая с въртящ възбудител. Статичните възбудители са здрави, лесни за поддръжка и имат високо КПД. Имат и много добра реакция на изменения на напрежението на генератора и са най-удобни за интегриране в системи за автоматизация.

Асинхронни генератори:
Това са по същество прости трифазни двигатели с кафезен ротор без възможност за регулиране на напрежението и работят със скорост, директно свързана с мрежовата честота. За работата си те черпят възбудителен ток от мрежата и абсорбират от нея реактивната енергия, нужна им за намагнитване.
Абсорбираната реактивна енергия може да се компенсира с кондензатори. Когато е откачен от мрежата асинхронният генератор не може да функционира. Подобни генератори се използват най-вече в много малки и изолирани МВЕЦ, където изискванията към параметрите на подаваното напрежение не са големи. Също така те са евтини и надеждни, без необходимост от специална поддръжка. Като цяло при мощности под 1 MW синхронните генератори са по-скъпи от асинхронните и това е решаващ фактор при избора. Поради изброените причини асинхронните генератори могат да се куплират към стабилни мрежи, където генерираната мощност е пренебрежимо малка спрямо товара на системата. Ефективността им нараства с мощността и може да бъде от 95% за 100kW машина и да нарастне до 97% за такава от 1 MW.
Независимо от вида си генераторите могат да се произвеждат както с вертикални, така и с хоризонтални валове, като конструкцията не зависи от конфигурацията на турбината. Често се използва и махово колело за изглаждане на скоростните флуктуации и улесняване на управлението на турбината. Друг критерий за класифициране на генераторите е как са позиционирани лагерите им. Например честа практика е да се използват генератори с допълнително подсилени лагери за да поддържат свободния вал на Франсис турбините. В този случай турбинният вал няма нужда да да преминава през тръбата и се повишава ефективността. Същото решение се среща и при Пелтон турбини. При неголеми генератори охлаждането е въздушно, но при по-големите машини се препоръчва затворен охлаждащ цикъл с въздушно-воден топлообмен.
Асинхронните генератори имат нужда да абсорбират реактивна енергия от трифазната мрежа за да си подсигурят равномерна магнетизация. Мрежата определя скоростта на въртене на статорното поле и от там определя и синхронната скорост на роторния вал (валът не бива да се движи с по-ниска скорост за да имаме генераторен режим). При пускане турбината се ускорява до скорост малко над синхронна скорост на генератора и тогава скоростно реле затваря главния прекъсвач. От това хипер синхронизирано състояние скоростта на генератора спада до синхронна скорост като генерира електроенергия в мрежата. Отклоненията от синхронната скорост пораждат двигателен или съпротивителен момент и така генераторът се самоподдържа в зоната на стабилна работа.

Трансформатори
В по-големите централи може да има и цели подстанции, но като минимум всяка МВЕЦ се нуждае от трансформатор, с който да повиши генераторното напрежение до това на мрежата. Тъй като МВЕЦ по правило се включват към мрежи СН подстанцията не е абсолютна необходимост, освен при сравнително големи централи. При избора на трансформатор за МВЕЦ следва да се отчетат фактори като условия на експлоатация, надморска височина, възможности за охлаждане, възможности за транспорт, ниво на изолация, импеданс, регулиране на напрежението при различни фактори на мощност, загуби при различни фактори на мощност, тегло и рамер и, естествено, цена. Ефективността на трансформатора зависи от тази на генератора. Обичайното решение е компактен трифазен трансформатор, който е по-евтин, по-лек и по-компактен от три отделни еднофазни трафа. Той също така е лесен за пренос и монтаж и може да работи на открито. Много важен параметър е и разстоянието между генератора и трансформатора, защото омичните загуби в кабелите между тях свалят общата ефективност.

Система за защита
За да имаме комерсиално производство на електроенергия трябва да се гарантират и надеждността, и безопасността на електроподаването. По тази причина в сградата на централата се разполагат различни защитни системи за защита на оборудването. В специални шкафове се поместват системите за защита на генератора и трансформатора. За свързване (респективно откачане) на генератора към (от) мрежата задължително трябва да се монтира генераторен прекъсвач от въздушен, вакуумен или друг подходящ тип.

Постояннотоково захранване за управляващите вериги
В общия случай е препоръчително МВЕЦ да са оборудвани с 24 V DC резервно захранване от акумулатор или UPS за да се осигури управление на изключването на централата в аварийни ситуации, а също и комуникация със системата за управление по всяко време.

Както беше споменато в началото на статията, строежът на една МВЕЦ не е демонстрация на високи технологии, а просто бизнес, който трябва да носи печалба. Всички съоръжения и технологии не са самоцел, а само средство за най-ефективно получаване на продукта за продажба – в случая електроенергия. И дали инвестицията ще бъде икономически ефективна зависи най-вече от оптимизацията във всички етапи на проекта – от подбора на концепция и избор на тип турбини, през проектирането, до закупуването и строежа.

Най-важното ноу-хау за една успешна МВЕЦ е как да се постигне оптималното съотношение между инвестиции и възвращаемост. Оптимизацията при избора на техническо решение, оборудване и апаратура, не винаги означава минимизация. В чести случаи по-технологични и скъпи компоненти могат да бъдат по-изгодни, защото изискват по-малко труд за монтаж и конфигурация, по-малки разходи за повреди и имат по-дълъг живот. В България вече има редица фирми с голям опит в тази насока, които компетентно могат да консултират предприемачите в тази област.