Каково будущее гидроэнергетики? Увеличение мощности гидравлических турбин для покрытия пиковых потребностей в электроэнергии

Каково будущее гидроэнергетики? Увеличение мощности гидравлических турбин для покрытия пиковых потребностей в электроэнергии

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.

 

ANSYS - Рабочее колесо турбины HydroFlex Francis

 

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.

 

ANSYS - С новыми турбинами гидроэнергетика может вносить весомый вклад в обеспечение пикового энергоснабжения

 

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

 

ANSYS - Турбулентность и перепады давления потока воды увеличивают усталостные нагрузки на турбину

 

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

 

ANSYS - Модальный расчёт акустических явлений в рабочем теле гидротурбины

 

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


Печать   Электронная почта