Иновации в областта на ВЕЦ

Bодноелектрическите централи използват най-ефективната технология за производство на енергия с висока ефективност на преобразуване и бързо възстановяване на енергията, използвана за изграждането на системата. Въпреки това, в много области има необходимост от малки, но значими подобрения в технологичното развитие.

В момента се работи по идентифициране и прилагане на нови технологии, системи и подходи. За да е по-надеждно и ефективно развитието в хидроенергетиката, се използва и опитът от други индустриални сектори. В близките години се очакват подобрения с ползи по отношение най-вече на физическите размери на съоръженията, хидравличната ефективност и опазването на околната среда.

Подобрения при турбините

С времето се наблюдава постепенно увеличение на хидравличната ефективност на водноелектрическите турбини, като при модерните съоръжения тя вече достига 90-95%. Тези стойности са постижими независимо от това дали става дума за нови турбини или модернизиране на съществуващи турбини. Изчислителната хидродинамика значително улесни подробното изследване на характеристиките на флуидните потоци и оптимизацията при проектиране на работното колело на турбината.

Непрекъснатите подобрения при турбините се налагат от изискванията за: повишаване на номиналната мощност и подобряване на ефективността; по-голяма гъвкавост при експлоатация, съответстваща на нуждите на пазара; увеличаване на достъпността и по-ниски разходи за поддръжка (намаляване на нуждата от ремонти заради повреди, дължащи се на кавитация и седиментна абразия); подобряване на екологичните характеристики - повишаване преживяемостта на рибните популации, ефективно оползотворяване на малки речни потоци и поддържане на приемливи стандарти за качество на водите.

Някои иновации целят директно ограничаване на въздействието на ВЕЦ върху околната среда. Аериращите турбини използват ниските напори при преминаване на водата през турбините за осигуряване на допълнителен въздушен поток. Това повишава концентрацията на разтворен кислород във водните хабитати, намиращи се след централите. За да се елиминира рискът от разливи на масло във водата, в турбините се използват обезмаслени главини и лагери с водно смазване. Освен опазване на околната среда, това осигурява по-лесна поддръжка и по-малко триене в сравнение с главините с масло.

Движеща сила за иновациите по отношение на свойствата на материалите, използвани в хидроенергетиката, е необходимостта за: подобряване на устойчивостта на кавитация, корозия и абразия, удължаване живота на съоръженията и намаляване честотата на повредите; редуциране теглото на работното колело и повишаване на ефективността чрез по-висока якост на материалите; подобряване на обработваемостта на материалите.

Тези фактори водят до повишена употреба на вече доказали се и нови материали - покрития на турбините от неръждаема стомана, устойчива на абразия, стъклопаст и пластмаси с по-високи експлоатационни характеристики.

Хидрокинетични турбини

В последно време все по-голяма популярност придобиват хидрокинетичните турбини. За разлика от конвенционалните водноелектрически турбини, които използват пада, създаден посредством язовирна стена, хидрокинетичните използват свободното течение на водата.

Вследствие на усилената изследователска дейност и инвестициите в технологиите за усвояване на енергията на приливите и отливите вече са изградени сполучливи прототипи. Повечето от тези подводни съоръжения са турбини с хоризонтален вал, с фиксиран или променлив ъгъл на лопатките. Електрогенераторите обикновено са с директен или хидравличен двигателен механизъм.

Иновации в строителството

Разходите за строителните дейности, свързани с изграждането на ВЕЦ, могат да достигнат до 70% от общата стойност на проекта. Това е причината непрекъснато да се търсят иновативни методи, технологии и материали за планиране, проектиране и строителство. Изграждането на язовирни стени от валиран бетон (RCC) с много ниско съдържание на вода отнема значително по-малко време и изисква по-малко разходи за строителство.

При строежа на трапецовидни язовирни стени с циментиран пясък и чакъл (CSG) разходите за изграждане могат да бъдат редуцирани с до около 25%. Друго предимство на тази технология е, че широката основа на стената осигурява устойчивост на земетресения. Скорошните подобрения на технологията за изграждане на тунели позволяват намаляване на разходите най-вече за по-малки ВЕЦ.

Подобрения в управлението

Съоръженията във ВЕЦ се износват с времето и в един момент се повреждат трайно заради влошаване на термичните, електрическите или механичните свойства на изолационните материали на бобините и ерозия и корозия, водещи до умора на материалите, използвани за компонентите на турбината.

Запушването на оборудването, водните пътища и резервоарите с наноси води до постепенно намаляване капацитета на ВЕЦ, докато се стигне до ситуация, в която експлоатационните разходи превишават приходите. За поддържане на нормалния технологичен режим се изискват редовна поддръжка и подмяна на повредени или остарели компоненти.

Реновирането може да включва модификации за намаляване на въздействието върху околната среда, например инсталиране на турбини, които да не нанасят поражения на рибите, преминаващи през тях (т. нар. fish friendly турбини), или въвеждане на мерки за справяне в случай на наводнение или земетресение.

В световен мащаб много от съществуващите ВЕЦ работят далеч под номиналния си капацитет. За да се установят възможностите за постигане на максималната им стойност в дългосрочен план, е необходимо активите да се управляват подходящо. Управлението на активи във ВЕЦ цели ефективно поддържане или дори подобряване работните им характеристики до желаното ниво при минимални експлоатационни разходи по време на целия им жизнен цикъл.

Ако оценката на една ВЕЦ покаже, че състоянието й е неприемливо, то е необходимо да бъдат предприети най-подходящите действия за отстраняване на проблемите. За това има три варианта - ремонт и поддръжка, модернизация или преустройство. Когато една централа достигне възраст от 30-40 години, е добре да се извърши проучване за възможна модернизация на оборудването и компонентите. Напредъкът в развитието на технологиите позволява да се повиши ефективността на турбините в много от съществуващите ВЕЦ.

Ако се установи, че е наличен допълнителен дебит и в случай че структурата го позволява, може да се има предвид и увеличаване капацитета на ВЕЦ. Няколко фактора определят нуждата от такива подобрения. Промените в пазара на електрическа енергия означават, че в много райони е нужно да се оптимизира функционирането на хидроенергийните съоръжения. Използването на все повече енергия от ВЕИ с променливи характеристики завишава изискванията за енергийното производство от ВЕЦ, особено от помпено-акумулиращите водноелектрически централи (ПАВЕЦ).

В много от случаите модернизацията на стари централи е по-целесъобразна от изграждането на нови такива - разходите, въздействието върху околната среда, социалните въздействия и периодът на внедряване са сравнително по-малки.

Подмяната на оборудване (работни колела на турбините, бобини на генераторите, възбудителни системи, турбинни регулатори, контролни панели и др.) може да осигури по-висока ефективност, надеждност и гъвкавост, както и понижение на експлоатационните разходи. Като цяло, потенциалът за подобрения на номиналната мощност на съществуващи ВЕЦ е между 10 и 30%. Финансово обосновано е провеждането на модернизация на водноелектрическите турбини, която ще доведе до повишение на ефективността с 4-8%.

Повечето от общо 45 000 големи язовири по света са изградени с цел контрол на наводнения, съхранение на вода, напояване на земеделски земи, рибарство или отдих. Едва около 25% от тези съоръжения включват и ВЕЦ. Комбинацията от промените в пазара и техническите иновации биха оправдали изграждането на хидроенергийни мощности на някои от съществуващите язовирни стени.

ВЕЦ могат да бъдат изградени и на други съществуващи водни структури - баражи, бентове, канали и др. В тези случаи обаче падът е много малък и се налага прилагането на подходящи за малък пад технологии (хидрокинетични турбини). Вече съществуват и възможности за инсталиране на хидроенергийно оборудване към водоснабдителни системи и пречиствателни станции за отпадъчни води, които обикновено имат съществен хидравличен пад.

Иновации в ПАВЕЦ

При нормални експлоатационни условия водноелектрическите турбини са оптимизирани да работят при определена скорост, пад и дебит. При всяко отклонение в пада и дебита, работата с фиксирана скорост води до намаляване на ефективността. Помпените турбини с променливи скорости работят с широк диапазон от падове и дебити, което ги прави много подходящи от икономическа гледна точка за ПАВЕЦ.

Турбините с променлива скорост се приспособяват за различни натоварвания и осигуряват регулиране на честотата в режим на изпомпване (турбините с фиксирана скорост, работещи на обратен ход, осигуряват регулиране на честотата само в режим на генериране). Тези помпени турбини продължават да работят дори и при ниски енергийни нива, като предоставят стабилно повторно запълване на резервоара, което спомага за стабилизиране на мрежата. Износването на тези съоръжения, уплътненията и лагерите е значително редуцирано.

За изключителна експлоатационна гъвкавост се използват трикомпонентни помпени турбини, при които отделна помпа и турбина са монтирани на един вал с електрическа машина, която може да работи или като генератор, или като мотор. Турбината може да бъде Францисова или Пелтонова. Основната разлика между ПАВЕЦ с трикомпонентни турбини и тези с конвенционални турбини е, че при първите е възможна едновременната експлоатация на помпата и турбината.

Разполагането на помпата и турбината на един вал елиминира нуждата от обръщане на посоката на ротация при преход от режим на изпомпване към режим на генериране и обратно. Тъй като помпата и турбината могат да работят едновременно, хидравличният поток в напорния водопровод е двупосочен. Има две конфигурации за разполагане на трите компонента (турбината, помпата и генератора) - вертикален вал, на който мотор-генераторът е разположен между турбината и помпата, или вертикален вал, на който мотор-генераторът е инсталиран над турбината и помпата.

Обикновено на вала над помпата се монтира съединител, който служи за предотвратяване на вентилационни загуби при работа на турбината. Система от направляващи лопатки осигурява допълнителна гъвкавост. Когато централата работи в генериращ режим, направляващите лопатки към помпата са затворени и съединителят не е задействан.

Генерирането се контролира от позицията на направляващите лопатки на турбината. Когато централата работи в изпомпващ режим, лопатките към турбината са затворени и съединителят е задействан. Времето за преход от един режим в друг при ПАВЕЦ с конвенционални турбини е между 1,5 и 5 минути, докато при ПАВЕЦ с трикомпонентни турбини то е от порядъка на 0,5 до 1 минута.