В. М. Низовкин

 

Деривационные роторные ГЭС для предгорных районов РК

 

В последние годы Национальной инженерной академией совместно с рядом фирм были проведены исследования по использованию энергии горных рек, ручьев, малых стоков  большого напора. При этом было установлено, что здесь наиболее эффективны трубопроводные напорные мини-ГЭС деривационного типа. 

Разработка, опытное производство, эксплуатационные испытания, доводка и подготовка промышленного производства типоряда роторных ГЭС мощностью от 0,5 кВт до 7 МВт типа РГЭС ориентированы  на горные и предгорные    районы  республики Казахстан  с уклоном русел рек более 5⁰.

Целесообразность разработок была обоснована освоением огромных предгорных территорий под строительство зон отдыха, туристических баз, пунктов отгонного животноводства, егерских хозяйств заповедников и т. д. Для   энергоснабжения этих объектов наиболее эффективно круглогодичное использование горных ручьев и малых рек с дебитом от 30 м³/с до 30 – 50 м³/с. Большие уклоны русел (6 – 15º) и широкий диапазон расходов требуют разработки типоряда надежных дешевых  ГЭС, увязанных по энергопотенциалу и энергопотреблению.

Разработки  позволят снизить себестоимость ГЭС  с 350 – 700 долл США/кВт до 100 – 250 долл США/кВт при себестоимости 1 кВт-ч электроэнергии 0,05 – 0,4 цента США и организовать серийное производство ГЭС с трубопроводами в нескольких предгорных районах Казахстана  с реализацией потребителям готовой продукции, монтажных и сервисных работ.

            В РК ранее, работы по погружным мини ГЭС проводились Казахским научно-исследовательским  институтом энергетики [1], а в настоящее время их производство налажено в России (г. Санкт-Петербург, Оренбург, Сызрань).

Однако их параметры зачастую непригодны для малых горных рек Казахстана, но тенденция использования деривационных горных ГЭС, обладающих при их каскадном использовании выработку электроэнергии в несколько раз больше плотинных, четко прослеживается.

В июне 2005 года  на реке Тургень в районе дом отдыха  «Батан» (Н = 1670 м) на  с дебитом реки 20 – 30 м³/с была испытана деривационная  роторная мини ГЭС с номинальной мощностью 3 кВт, при напоре Н = 20 м и расходе 30 л/с с длиной трубопровода 500 м диаметром 110 мм, подтвердившая перспективность  избранного направления, как по затаратам, так и энергопроизводительности, и возможности широкой реализации в РК и других странах.

Новизна  РГЭС  заключается как в общей схеме, так и в отдельных узлах.

Так, общая схема предполагает использование  самоочищающихся фильтров – водозаборников, прокладку трубопроводов, оптимизированных по диаметру и давлению [2].

О результатах работ доложено на конференции в Национальной инженерной академии  и опубликовано в журналах [3, 4].

В настоящее время разработаны и испытаны на реках Талгар и Тургень ротрные ГЭС    мощностью 1, 3 и 15 кВт и подготовлен  с фирмой Nasip Energy Ltd  проект каскада роторных деривационных    ГЭС на р. Правый Талгар общей мощностью 16,8 МВт  и стоимостью  12 млн долл США  [5].

Дальнейшие исследования должны быть направлены на повышение надежности гидротурбин, электрогенераторов, САП, повышение долговечности трубопроводов, фильтров и упрощение технологии изготовления и монтажа.

Сущность разработки  заключается в том, что выше энергопотребителя на ручьях или  быстротекущих горных реках строят гравийный фильтр водозабора,  ниже которого прокладывают напорный трубопровод  переменного по длине диаметра с переходниками и на входе его в гидротурбину  с синхронным электрогенератором  промышленного напряжения и частоты, выполняют гидродинамическую систему автоматического регулирования нагрузки на генератор.

 

 Рис. 4. Технологическая схема деривационной роторной ГЭС.

 

Ротор  гидротурбины 8 выполнен с лопатками, изогнутыми на 150 º , что обеспечивает максимум к. п. д. и достаточно высокую быстроходность при отсутствии потерь на трение, так как он крепится на валу фланцевого электрогенератора , защищенного от воды.

Поток отработавшей воды выходит снизу гидротурбины, что обеспечивает уменьшение брызгообразования и шума.

От ГЭС потребитель прокладывает 4-х жильный кабель 10 или воздушную ЛЭП 11 к электрощиту потребителя.

Для предотвращения смещения и деформации трубопровод крепят вдоль русла реки на бетонных анкерах, а в случае низких зимних температур покрывается теплоизоляцией или укладывается в воде под грунт.

Гидротурбина выполняется центростремительно-осевого типа с высоким объемным КПД (0,5 – 0,9), быстроходной, простой в изготовлении и обслуживании. Конструкции ГЭС этого типа ранее не разрабатывались и поэтому требуют тщательных гидравлических испытаний и доводки не только на стендах, но и в условиях опытной эксплуатации.

Для обеспечения стабильности электроснабжения расчетный дебит принимается по минимальному зимнему со сбросом паводковой и ливневой воды по руслу реки.

Напор, зависящий от уклона русла реки  рассчитывается по формуле:

 

Н = 102 Р _н  / Q μ φ η _т η _г , м

Где: Р _н  – номинальная  заданная мощность электрогенератора, кВт;

Q – минимальный зимний дебит водозабора, м³/с;

μ  –  коэффициент потерь напора;

φ  –  коэффициент потерь расхода;

η _т–   КПД гидротурбины;

η _г–    КПД электрогенератора.

Уменьшение диаметра трубопровода 4 по длине рассчитывается с учетом минимума потерь давления и стоимости трубопровода, а выбор частоты вращения турбины (генератора) – с учетом критической скорости потока в диффузоре, коэффициента загрузки и номинальной скорости электрогенератора или электрогенератора с редуктором (малый напор, большой дебит реки).
При установке по руслу реки каскада ГЭС дебит корректируется с учетом притоков, а напор (не более 100 м) уточняется по участковым уклонам русла.

Совместная работа генераторов на одну ЛЭП в этом случае автоматически синхронизируется.

Поскольку широкое применение ГЭС требует учета широкого диапазона дебитов и напоров, то нами предложен оптимальный типоряд ГЭС:

 

Предлагаемый типоряд ГЭС типа РГЭС, кВт

Таблица 1

Дебит, Q, м3/с	Напор воды, Н, м
	5	10	15	20	30	40	50	60	70	80	90	100
до 0,01	0,3	0,7	1,0	1,4	2,0	2,8	3,5	4,2	4,9	5,6	6,3	7,0
до 0,1	3,5	7	10	14	21	28	35	42	49	56	63	70
до 1,0	35	70	100	140	210	280	350	420	490	560	630	700
до 10,0	350	700	1000	1400	2100	2400	3500	4200	4900	5600	6300	7000

 

Этот типоряд, включающий 28 типоразмеров ГЭС позволит обеспечить практически весь потребный диапазон мощностей, начиная от мелких хозяйств (освещение) и кончая крупными предприятиями, аулами и городами, так как при их каскадной установке только на одной горной реке с дебитом  10 м³/с и общем высотном перепаде 2000м общая мощность может достигнуть 140 МВт при годовой выработке электроэнергии 1,2 млрд кВт-ч, что составляет около 2% энергопотребления РК. Рек с такими параметрами в Казахстане несколько десятков, что при их работе на общую энергосеть позволит устранить дефицит покупной электроэнергии (до 10 – 15 %) и закрыть большинство нерентабельных ТЭС, работающих на угле, мазуте или газе.

Кроме того, может быть обеспечено стабильное аварийное энергоснабжение как отдельных малых потребителей (домов), так и больших регионов, особенно предгорных, с малой себестоимостью электроэнергии и экологической чистотой.

При этом, как установлено предварительными технико-экономическими расчетами рентабельность малых ГЭС может составить 90 – 100 %, а средних каскадных 150 – 200 %, что при среднебанковской рентабельности 16 % обеспечивает дервационным РГЭС высокую конкурентоспособность в условиях  РК.

Выполнение проекта намечается в 3 этапа:

1.  Выполнение НИР и ОКР, включающее исследования по созданию типоряда ГЭС применительно к условиям РК, повышению КПД, надежности и долговечности ГЭС, их систем автоматического регулирования, ходовые испытания, патентную защиту, разработку ТД для 5 опытных установок (3 – 50 кВт).

Все работы выполняются специалистами НИА, СКБ АЛЭНТ ТОО ЭНЕРГОЭКОТРЕЙДИНГ.

2. Изготовление и эксплуатационные испытания 5 опытных образцов в различных регионах РК с прокладкой трубопроводов, монтажем, наладкой и определением эффективности и надежности за время эксплуатации не менее года. Для этого привлекаются потенциальные заказчики в намеченных  к опытной эксплуатации районах. Шеф-монтаж, наладку и испытания проводят специалисты НИА, СКБ АЛЭНТ ТОО ЭНЕРГОЭКОТРЕЙДИНГ, АО Гидропроект, Nasip Energy Ltd с участием заводов-изготовителей, готовящих серийное производство.

3.  Подготовка серийного производства ГЭС в перспективных регионах.   Для этого необходимо выполнить маркетинговые исследования по каждому перспективному району, определить и объемы серийного выпуска, организовать поставки комплектующих узлов и деталей, провести обучение персонала, организовать широкую рекламу, наладить монтаж и сервисное обслуживание и т. д. Кроме того,  необходимо организовать патентную защиту с лицензированием и решить ряд организационных вопросов с учетом рынка.

 Ориентировочные параметры типоряда 5-ти типов опытно-эксплуатационных ГЭС приведены в таблице 2.

 

 

 

Горные роторные мини-ГЭС типа РГЭС                                                                                                                                                                                                                          Таблица 2.                                                                                                                            

№ п/п	Показатели	Ед. изм.	Тип ГЭС					При-меча-ние
			РГЭС – 3	РГЭС – 15	РГЭС – 50	РГЭС – 100	РГЭС – 0,5
1.	Мощность генератора	кВт	1  - 6	5 - 30	30 -100	50 -200	0,1- 0,5
2.	Расход воды	м³/с	0,03 -      0,05	0,1- 0,4	0,3 - 0,9	0,6 - 1,8	0,0005-                                                                                                                  0,0018
3.	Напор воды	м.в.ст	10- 20	10 - 20	10 - 20	10 -20	20 - 80
4.	Диаметр тру- бопровода	мм	100 -200	200- 600	500 -1000	100 -1500	18 -50
5.	Длина трубо- провода	м	80 -150	80 -150	100 -160	120 - 200	сеть	ук- лон 7 -100
6.	Годовая выработка электроэнергии	МВтч	26	130	430	860	до 4
7.	Напряжение генератора при частоте 50 ± 5 Гц	В	240/400	240/400	240/400	240/400	14, 28
8.	Масса без трубопрово-да	кг	50	120	200	380	6
9.	Стоимость изготовле-ния и комплекта-ции	долл США	1200	3000	6000	10 000	500
10.	Стоимость монтажа и пусконалад-ки	долл США	400	600	800	1000	50
11.	Накладные расходы	долл США	400	500	600	700	50
12.	Срок окупаемости	лет	1,6	0,65	0,35	0,27	3,1
13.	Себестои-мость 1кВт-ч энергии	долл США	0,0036	0,0018	0,007	0,005	0,002

 

Параметры РГЭС уточняются по месту установки.

Предпочтительная величина максимальных напоров Н> 20 м.

Стоимость привязочных, транспортных, строительных и НДС не учтена.

Как видно из таблицы 2  приведенные параметры этих ГЭС вполне соответствуют целям разработок.

У исполнителей имеются результаты расчетов, экспериментов, опытные образцы, конструкторская документация, заводская технология, опыт монтажа и эксплуатации, знание рынка и др. Имеются производственные базы и квалифицированные специалисты.

Технический риск по серийному внедрению в связи с современной концепцией правительства о развитии гидроэнергетики в РК сведен к минимуму, чему может способствовать введение нового закона РК «О возобновляемых источника энергии», предполагающего гарантированное снижение налогов и таможенных пошлин на 50%.

Потенциальный рынок сбыта роторных ГЭС, это густонаселенные предгорные районы Казахстана, Китая, Монголии, России, Европы, Центральной Азии, Африки, Австралии, Северной и Южной Америки с населением более 2 млрд человек. Если только 5 % населения этих континентов будут использовать дешевую  экологически чистую энергию со средним потреблением 0,3 – 0,5 кВт/чел, то потенциальная мощность ГЭС может достигнуть 10 000 МВт или 5 000 – 8 000 тыс  ГЭС  мощностью 3 – 5 кВт.

Такой спрос может быть удовлетворен только при условии минимума затрат ( 200 – 250 долл США/кВт), высокой надежности, долговечности и широкой рекламе и опытном внедрении в перспективных районах  с развитым сервисным обслуживанием.

В Казахстане к таким районам относятся северные склоны хребта Заилийского Алатау от г. Нарынкола до г. Шымкента с сотнями горных ручьев и рек со средним годовым гидропотенциалом 16,4 млрд кВт-ч, хребет Джунгарского Алатау  - 15,8 млрд кВт-ч, Шу-Илийские горы – 0,27 кВт-ч, горные реки северного Прибалхашья – 0,4 млрд кВт-ч, горные реки бассейна озера Зайсан – 65,4 млрд кВт-ч и др. с общим  гидропотенциалом 103,3 млрд кВт-ч в год.

При возможности использования этого гидропотенциала только на 10 % в этих населенных районах  такие ГЭС могут обеспечить дешевой энергией 20 % территорий республики, для чего потребуется установка горных ГЭС суммарной мощностью около

6 000 МВт, что потребует не менее 200 000  ГЭС мощностью   по 5 кВт с учетом реального удовлетворения только 5 % потребителей. Необходимое производство таких ГЭС в Казахстане составит 10 000 штук или примерно 2 000 штук в год.

Сравнение известных ГЭС российского производства с учетом транспорта, растаможивания, монтажа и пусконаладки с такими  же показателями ГЭС, производимыми в Казахстане приведены в таблице 3.

Удельная стоимость 1 кВт установленной мощности и себестоимость 1 кВт-ч энергии при использовании российских (АОЭТ МНТО «ИНСЭТ») и отечественных ГЭС (до 10 кВт) в Казахстане.

Таблица 3.

№ п/п	Показатели	Ед. изм.	10 ПР (Россия)	РГЭС –10 (РК)
1.	Стоимость франко-завод	долл США/кВт	642	250
2.	Стоимость транспорта и растаможивания	долл США/кВт	100	10
3.	Стоимость монтажа и пусконаладки	долл США/кВт	80	40
4.	Стоимость сервисного обслуживания в год	долл США/кВт	20	10
5.	Стоимость ГЭС «под ключ»	долл США/кВт	844	310
6.	Себестоимость кВт-ч электроэнергии	долл США	0,005	0,002

 

Как следует из таблицы 3 затраты и себестоимость электроэнергии ГЭС, производимых в Казахстане, могут быть в 2,5 раза ниже российских, которые являются самыми дешевыми в мире.

Более точные маркетинговые исследования пока не проводились, но они могут быть выполнены строительными компаниями, заинтересованными в их серийном производстве.

Высокую конкурентоспособность продукции обеспечивает не только техническое совершенство роторных ГЭС по сравнению с российскими пропеллерными, но и существенное снижение затрат на транспорт, монтаж, пусконаладку и сервисное обслуживание.

Реальный рынок сбыта в Казахстане  (около 2 000 установок в год) в денежном      отношении составит (10 кВт):

10 х 310 х 2 000 = 6 200 000 долл США/год,

 а по ГЭС мощностью до 1 МВт (10 установок в год)

1 000 000 х 150 = 1 500 000 000 долл США/год,

где 150 долл США/кВт – ожидаемая удельная себестоимость ГЭС типа РГЭС установленной мощностью 1 кВт.

По-видимому в среднем ниша  реализации ГЭС в РК составит через 3 – 5 лет около 750  млн долл США в год.

Однако, для этого нужно провести работы по данному проекту, рекламные, маркетинговые работы, сертификацию как узлов, так и всей ГЭС.

Итогами разработок могут быть:

- продажа лицензии на технологию изготовления и строительство ГЭС в             перспективные районы РК и за рубеж. При продаже лицензии в 3-х районах РК их  минимальная стоимость    составит около 300 000 долларов США. При продаже только 1 лицензии за рубеж стоимость может достигнуть 2 – 5 млн долл США;

-         продажа технической документации, ноу-хау и технологий в РК до 100 000 долларов, за рубеж –  около 1 млн долл США;

-         организация производства ГЭС в РК с объемом продаж до 6 000 000 долл США в год и за рубежом  -  около 1,5 млрд долл США в год

-         оказание услуг по монтажу, пуско-наладке и сервисному обслуживанию в РК около

      1 000 000 долл США в год и за рубежом 300 000 000 млн долл США в год;

            Реально развитие нескольких указанных направлений   коммерциализации с реальным доходом  в 2008 году составит 3 млн долл США,в 2010 г. – 30 млн долл США .

Изготовление ГЭС в РК возможно на заводах в г. Алматы и Талгара, Талды – Коргана, Шымкента, Усть – Каменогорска, имеющих мощные машиностроительные базы      и кооперацию с заводами России и Китая.

Планируемая программа производства роторных ГЭС в РК ориентировочно дана в таблице 4.

Таблица 4.

№ п/п	Наименова- ние производств серийных ГЭС	Себестои-мость 1 кВт, долл	Объем производства, кВт/год	Цены реали- зации, долл/ США кВт	Прибыль
					2008 г.	2010г.	2012 г.	2014 г.
1.	Заводы г.Алматы	250	до 1000000	350	10000	30000	50000	100000
2.	Заводы г. Шымкента	250	до 500000	310	3000	9000	15000	30000
3.	Заводы г.Усть- Каменогорска	200	до 1000000	300	10000	30000	50000	100000
	Итого:		до 2500000		23000	69000	115000	230000

 

В основу разработки взят предпатент РК № 8438 «Горная микро ГЭС». В процессе разработки и испытаний выявлена дополнительная возможность получения  патентов.

В результате проведения работ установлено:

1.      Большой  реальный энергопотенциал  горных рек республики Казахстан.

2.      Эффективность  схем  горных ГЭС с деривационными трубопроводами и  САУ нагрузкой по зимнему дебиту.

3.      Возможность широкого использования ГЭС различной мощности  с высокой рентабельностью.

4.      По этой проблеме республика Казахстан с ее большим гидропотенциалом, наличием специалистов и программы  по возобновляемым источникам энергии  может войти в число  50 развитых стран мира. 

                                             Литература

 

1. Чокин Ш.Ч., Сартаев Т. С., Шпрет А. Ф. Энергетика и электрификация Казахстана.  Галым. Алма-Ата. 1990, 331 с.

2. Низовкин В. М. Горная микро-ГЭС. Предварительный патент  РК №8438, кл.F03B 3/00, F03B 15/06, 1998.

3. Низовкин В.М.,   Басина И.В. О каскадных горных ГЭС в условиях Казахстана. Ж. Индустрия Казахстана  №8, 2004 г., с 22 – 23 .

4. Надиров Н. К., Низовкин В.М., Басина И.В.Реальность использования альтернативного энергоснабжения в РК // Индустрия Казахстана  №12, 2004 г., с 17 – 20.

5. Каскад малых ГЭС и гелионагревателей на р. Правый Талгар. ТЗ. Nasip Energi Ltd. Алматы. 2006, 20 с.