ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина X, брой 7, 2018

Турбина - сифон

Турбина - сифон

Не може да се разглежда възможността за построяване и инсталиране на малка водноелектрическа централна, без да се отчете нейното въздействие върху околната среда. Обаче в никоя друга област на енергийните технологии не откриваме такъв голяма потенциал от възобновяеми източници, които са лесно достъпни, лесно изпълними и финансово поносими на тази цена, в сравнение с други традиционни методи за производство на електроенергия.

Въпреки това е необходимо да се намери справедлив компромис между необходимостта от използване на възобновяема енергия и опазването на околната среда. В този смисъл се използват различни мерки за ограничаване на въздействието на една малка електроцентрала или дори подобряване на ландшафта и околната среда в сравнение с първоначалното състояние.

Като цяло, малките ВЕЦ нямат значителни водни резервоари, за да осигуряват при нужда пиково производство на електроенергия. В повечето случаи, бентът служи единствено за гарантиране на постоянно нивото на водата, необходима за работата на водовземането. Ето защо, малките конвенционални електроцентрали в голямата си част са над водата, което ги прави особено зависими от хидрологичния режим на реката, на която те са изградени.

По-голямата част от оставащият потенциал в Европа за инсталиране на малки водноелектрически централи са местоположения с изключително ниски напори. Всъщност, от една страна, те обхващат всички обекти, оборудвани с водни колела или Францис турбини, изоставени с развитието на електрификацията, и второ на пазара се появиха адаптирани, зрели и достъпни технологии. Нещо повече, в днешно време, рехабилитацията на тези обекти е не само възможност за производство на зелена електроенергия, но и за поддържане на културното наследство и инсталиране на специално устройство за миграцията на рибите.

За изходни мощности по-високи от 40kW, компанията MHyLab е разработила концепцията за турбина-сифон, специално пригодена за места със свръхниски напори (1.5 - 3.5m). Въз основа на програмата SEARCH LHT, посветена на ниските напори (3 - 30 метра), концепцията позволява разработването на стандартизирани машини, така че да се комбинират малки инвестиции и оптимално използване на водния ресурс.

Характеристики на местоположение с изключително нисък напор
Местата с изключително нисък напор, характеризиращи се с висок разполагаем дебит (така че да се достигне изходна мощност поне 40kW), съществено отклонение на напора в сравнение с оттока на реката, както и съществуващата инфраструктура, определиха следните ограничения в концепцията за турбо-група. Оптимизиране на инсталацията с висока модулност на електромеханичното оборудване, за да се използва ефекта на стандартизацията, както и за оборудване на други подобни обекти. Висока надеждност на оборудването, насочено конкретно към този обхват от напори, на базата на лабораторни разработки. Малка стойност на инвестицията, благодарение на интеграцията в съществуващата инфраструктура и масово произвеждано и стандартизирано оборудване. Ниски експлоатационни разходи с важно ограничаване на изменението на инфраструктурата и намален брой бързо износващи се части и сложни компоненти. Висока производителност, която не страда от опростяване на машината и стандартизацията.

Концепция на турбината-сифон
Според горните критерии е разработена концепцията за турбина въз основа на техниката на сифона. Конструкцията на турбината е разположена върху обикновен преливник/стена. Тя се стартира благодарение на инсталираната вакуумна помпа и се изключва чрез електромагнитен клапан, разположен в най-високата точка на входа на турбината, който прекъсва вакуума. По този начин се осигурява процес на лесно включване и безопасно спиране на турбината при всякакви случаи, без допълнителни затворни съоръжения, което предполага спестяване на разходи и пространство.

Генераторът, мултипликатора на обороти и евентуално честотния конвертор трябва да са с водоустойчиви корпуси, оборудвани с шумоизолация и разположени над турбината. Електрическите табла се поставят в малки помещения на брега реката.

Хидравличният дизайн на турбината - сифон позволява висока производителност и надеждна хидро-динамична работа. Нейните основни особености са следните. Входът с квадратно сечение е оборудван с три направляващи лопатки, избрани за тяхното по-лесно производство и инсталиране, което позволява оптимално разпределение на потока над работното колело, като същевременно позволява да се извади вала за прикачване към генератора. Оста на турбината може да бъде вертикална или наклонена, с фиксирани направляващи лопатки и 4 фиксирани или регулируеми лопатки на работното колело, полу-сферичен или цилиндричен пръстен за изтичане на водата, изпускателна тръба, предназначена за възстановяване на кинетичната енергия до максимум, като същевременно гарантира получаването на хомогенен изходящ поток.

При конфигурация с фиксирани направляващи лопатки, е разработен опростен профил на работното колело с цилиндричен изпускателен пръстен и 4 лопатки, които също са цилиндрични при външната им обиколка, което води до производствени опростявания и възможност за масово производство на лопатките на работното колело, лесно аксиално позициониране на ротора. Турбината е безопасна за рибите, тъй като не съществува пролука между остриетата и изпускателния пръстен, където рибата може да се заклещи. За намаляване на риска от задръстване на работното колело, растенията не могат да попадат в пространството, създадено между сферичната лопатка и цилиндричната част на изпускателния пръстен над вала на работното колело. По отношение на екологията, лагерът на турбината използва вода вместо масло или грес.

Друго предимство на предложената концепция е, че машината може лесно да се демонтира от стената без да изсушава канала. Това става като се развият турбината и генератора от входната тръба и изпускателната тръбата, повдигане и преместване на частите на брега чрез автокран. По отношение на поддръжката е възможно да се работи по една на турбината наведнъж, което ограничава загубите от производство. Освен това могат да бъдат интегрирани отвори към входната тръба за да се извършва директно почистване на турбината, без да демонтаж.

Възможности за стандартизация
Системата позволява оптимално проектиране по отношение на наличните на място дебит и напор, както и инфраструктурните ограничения. Чрез набор от графики и предварително систематизирани параметри се определят стандартните типове турбини. Всеки тип турбина след това се дефинира с външния диаметър на работното колело, скоростта на въртене, ъгъла на отваряне на лопатките на работното колело и направляващия апарат, наклона на оста на турбината се адаптира към местоположението на инсталацията.

Предимствата на турбината - сифон са достъпна техника, по-евтини от бълб-турбините, опростен дизайн, строителното инженерство се редуцира до обикновен преливник/стена, масово произвеждани лопатки и работни колела, висока производителност, ниски експлоатационни разходи, база за стандартизация. Голяма гъвкавост на турбината - сифон за един и същ диаметър на работното колело, адаптиране на скоростта на въртене към характеристиките на обекта, регулиране на лопатките на направляващия апарат, паралелна работа на няколко турбини.

Първото внедряване на турбина - сифон е направено още през 2009 година на река Орб във Франция. Там са инсталирани две турбини - сифон с работно колело с 4 регулируеми лопатки, напор 2,1 метра, максимален дебит 2,5m3/s, максимална електрическа изходна мощност на турбина 40kW, хидравличен дизайн Mhylab (CH). Достигнати са предвидените технически характеристики, гладко пускане и изключване на турбините, добра интеграция с инфраструктурата.