Гидроэнергетика является одним из старейших источников возобновляемой энергии. Конструкции гидравлических турбин произошли от водяных мельниц и пронесли через века одно важное качество: надёжность. Во многих странах гидроэнергетика остается отличным непрерывным источником электроэнергии.
В последнее время гидротурбины также стали использовать для выработки пиковой электроэнергии и для аккумулирования энергии. В период низкого потребления воду перекачивают из нижнего бассейна в верхний, где потенциальная энергия накапливается для дальнейшего использования. Гидротурбины также позволяют уменьшить или вовсе приостановить поток воды из резервуара в турбину, фактически включая или выключая её несколько раз в день.
Однако конструкции гидротурбин не оптимизированы для упомянутых выше переходных режимов работы: они разрабатывались для непрерывного использования. В связи с этим компания HydroFlex занялась разработкой гидротурбин, которые эффективно работают при различных расходах и при переменных динамических нагрузках. Это позволит удовлетворять пиковые потребности в электроэнергии и эффективно работать в сочетании с электростанциями, использующими другие источники энергии.
Новые гидротурбины, способные увеличивать выработку гидроэлектроэнергии при пиковых нагрузках
Гидроэнергетика является самым надежным источником возобновляемой энергии.
Солнечные и ветряные электростанции можно легко запустить или остановить в любой момент, но их работа зависит от погоды и времени суток. Поэтому их может быть недостаточно для обеспечения ежедневных пиковых потребностей в электроэнергии – если только они не снабжены сложными системами накопления энергии. С другой стороны, бассейны гидроэлектростанций как раз и служат такими накопителями, обеспечивая предсказуемые и постоянные объемы гидроэлектроэнергии.
«Турбины HydroFlex можно запускать и останавливать по 30 раз в день, – заявляет Уле Гуннар Далхауг (Ole Gunnar Dahlhaug), профессор Норвежского университета естественных и технических наук. – Это огромный прорыв! Обычные турбины можно включать или выключать не более одного-трёх раз в день. Если бы обычную турбину включали или выключали 30 раз за день, усталостные нагрузки сильно сократили бы срок её службы».
Чем обычные гидротурбины отличаются от гидротурбин HydroFlex
Теоретически, выработку гидроэлектроэнергии можно увеличить за секунды или минуты. На угольных электростанциях с большими турбинами, для сравнения, на это могут уйти часы или даже дни.
Однако резкие переходные процессы создают дополнительные нагрузки, поэтому гидротурбины обычно проектируются для непрерывной работы в стационарном режиме. Эти обстоятельства поставили перед компанией HydroFlex интересную конструкторскую задачу.
Перепады расхода вызывают нестационарные нагрузки и сильные колебания давления, особенно при переходе от нулевого расхода к высокому.
«В лопатках турбины будут большие проблемы с усталостной прочностью, если они не были специально рассчитаны с учётом турбулентности и колебаний давления, – отмечает профессор Далхауг. – Многократное изменение режима работы увеличивает усталостное повреждение, ещё больше сокращая срок службы турбины».
В отличие от обычных гидротурбин, турбины HydroFlex смягчают турбулентность и колебания давления, вызванные перепадами расхода, и таким образом лучше выдерживают усталостные нагрузки, обусловленные этими факторами.
Процесс оптимизации гидротурбин HydroFlex
Для разработки оптимальной конструкции гидротурбины, способной выдерживать перепады расхода, компания HydroFlex использовала концепцию «всеобъемлющего инженерного моделирования», реализованную в программных продуктах ANSYS (подробнее о концепции «pervasive engineering simulation» можно прочесть в журнале Dimensions на английском языке).
Расчёты выполнялись при поддержке Кена-Роберта Якобсена (Ken-Robert Jakobsen), старшего технического консультанта компании EDRMedeso – представителя (Channel Partner) компании ANSYS в Скандинавии, Прибалтике и Великобритании.
«Мы смоделировали течение жидкости в ANSYS CFX и проверили прочность турбины при помощи ANSYS Mechanical, – описывает процесс Якобсен. – На следующем этапе модели твердого тела и жидкой среды были объединены в единый связанный расчёт, и при помощи ANSYS OptiSlang была проведена параметрическая оптимизация».
После завершения расчётов, инженеры-конструкторы определяются с новой конструкцией турбины и испытывают модель в лаборатории для проверки правильности полученных результатов. Турбины, успешно прошедшие испытания, смогут работать при частых перепадах расхода, что позволяет гидроэлектростанции обеспечивать как пиковые, так и базовые потребности в электроэнергии.
Локальные компании-представители (Channel partners) не только обеспечивают доступ к программным продуктам, но и оказывают ряд дополнительных услуг, существенно повышающих эффективность внедрения ANSYS. Перечень компаний-представителей в вашем регионе вы можете найти на странице ANSYS Channel Partner Program.
Если вы работаете в академической среде и интересуетесь продуктами ANSYS, вам может быть полезна ссылка на страницу нашей академической программы.
Источник: www.ansys.soften.com.ua
