Специалисты, занимающиеся разработкой инфраструктуры, всё больше внимания уделяют методу получения электроэнергии путём использования стандартного центробежного насоса, работающего в турбинном режиме (Pump As Turbine, PAT), что является альтернативой гидротурбинам — со значительной экономической выгодой и более высокой экологичностью. В этом случае применяемый центробежный насос работает в «обратном направлении», чтобы генерировать механическую энергию, которая затем может быть использована для производства электроэнергии.

В процессе использования центробежного насоса в турбинном режиме перекачиваемая среда направляется от выходного патрубка к входному, вращая лопасти рабочего колеса в противоположном направлении. Если энергия давления (напор турбины) достаточна для преодоления пускового момента как рабочего колеса, так и вала, то крутящий момент может использоваться для привода генератора, позволяя насосу работать как турбина.

В процессе организации водоснабжения южных территорий Германии возникла необходимость рассмотреть потенциал насосов, работающих в режиме турбины, с целью решения вопроса электроснабжения этих районов. Разработчиков интересовало, может ли геодезический напор в их трубопроводной сети использоваться для производства дешёвой электроэнергии. Ещё 40 лет назад специалисты KSB начали заниматься исследованиями и разработками в этой области.

Сначала конструкторы рассчитали рабочие кривые для насосов, работающих в обратном направлении. Стало ясно, что при определённых условиях энергия, генерируемая при работе насоса в турбинном режиме, может быть больше, чем энергия, затрачиваемая в процессе традиционной эксплуатации агрегата. Данное открытие дало возможность концерну KSB в течение многих лет поставлять на предприятия водоснабжения центробежные насосы в качестве гидротурбин — как экономически эффективную альтернативу серийно выпускаемому турбинному оборудованию.

На этот момент по всему Европейскому союзу эксплуатируется более 3000 таких агрегатов. Сейчас разработчики изучают возможности применения данной технологии для выработки и снабжения электроэнергией небольших населённых пунктов, изолированных от централизованной электросети.

Благодаря проведению дополнительных исследований и усовершенствованию существующей технологии, концерн KSB может предложить так называемые «малые гидроэнергетические установки под ключ», которые позволят обеспечить электрической энергией населённые пункты, находящиеся вдали от энергосетей. Это будет наиболее экономически эффективный и экологичный способ электрификации отдалённых районов и сельской местности (рис. 1).

Водяные насосы для обеспечения электроэнергией отдалённых районов и сельской местности. 2/2018. Фото 1

«Когда речь идёт о регионах с относительно непрерывной подачей воды, но непостоянной или отсутствующей системой энергоснабжения, использование центробежного насоса в турбинном режиме станет простым и экономичным способом производства электроэнергии, — объясняет Ленар Форпаль, руководитель проекта. — Проведение многочисленных исследований в тех частях мира, где электроснабжение представляет собой насущную проблему, помогло нам разработать комплектную гидроэнергетическую установку. Это, в свою очередь, позволит удовлетворить растущий спрос на подобные установки с целью электрификации районов децентрализованного электроснабжения».

Комплектация малой гидроэнергетической установки KSB

Установка включает в себя два основных элемента: энергоблок контейнерного исполнения (рис. 2) и водоприёмное сооружение (резервуар) для хранения воды, которое приводит в действие насос в турбинном режиме. В комплект поставки также входит система управления, преобразователи и трансформаторы, которые отвечают за выработку электроэнергии. Водоприёмное сооружение из бетона может легко строиться непосредственно на месте монтажа с помощью комплекта опалубки, поставляемого вместе со всей установкой. В конце должны быть сооружены подводящий и отводящий контейнеры, которые соединят энергоблок и водоприёмное сооружение.

Водяные насосы для обеспечения электроэнергией отдалённых районов и сельской местности. 2/2018. Фото 2

Очевидно, что для работы насоса в турбинном режиме требуется перепад высот и геодезический напор как минимум 10 м над уровнем установки. В зависимости от типа и размера установки геодезический напор может достигать 640 м. Максимальная рекомендуемая удалённость источника воды до установки — не более 1800 м. В зависимости от подачи диаметр поставляемого напорного трубопровода может быть 250 или 400 мм.

Крайне важно, чтобы используемая вода была очищена от примесей твёрдых частиц. Поэтому в состав бетонного резервуара входит самоочищающийся сетчатый фильтр (рис. 3). Соответственно, прежде чем попасть в резервуар, откуда через напорный трубопровод будет осуществляться подача на «гидротурбину», вода пропускается через фильтр, диаметр отверстий которого не более 1 мм. Через такие отверстия твёрдые частицы пройти не могут, они скатываются по наклонной поверхности фильтра и смываются потоком воды.

Водяные насосы для обеспечения электроэнергией отдалённых районов и сельской местности. 2/2018. Фото 3

Малая гидроэнергетическая установка KSB может генерировать от 30 до 750 кВт электроэнергии. Все основные компоненты автоматического управления устанавливаются внутри контейнера и, таким образом, защищены от погодных явлений и несанкционированного использования. Панели управления и мониторинга смонтированы так, что в процессе эксплуатации оператору не придётся открывать контейнер до тех пор, пока не потребуется техническое обслуживание. А учитывая тот факт, что единственными изнашиваемыми компонентами являются подшипники насосов и торцевое уплотнение, которые обычно имеют огромный эксплуатационный ресурс и межремонтный пробег, затраты на техническое обслуживание ничтожно малы.

Дорогостоящие синхронные электрогенераторы не нужны

В отличие от других мини-ГЭС установка KSB оснащена собственной инновационной системой управления. Это решает две основные проблемы, из-за которых многие годы тормозилось развитие и массовое внедрение этой технологии получения электроэнергии. Первая сложность связана с разработкой электрогенератора для малых гидроэнергетических установок. Для этих целей обычно используют синхронный генератор с постоянными магнитами, который не требует техобслуживания, но достаточно дорог. Альтернативой ему будет асинхронный генератор, которым фактически является асинхронный двигатель насоса. Однако, как и любой другой генератор, этот агрегат запускается с помощью электричества.

В состав установки KSB входит асинхронный генератор, который, в свою очередь, запускается с помощью аккумуляторного прибора управления. Ленар Форпаль поясняет: «Например, если у вас производительность генератора 30 киловатт, то для его запуска в работу нужно порядка 27 киловатт. Электронный блок управления KSB запрограммирован так, что он точно “знает”, когда необходимо поставить определённое количество энергии для быстрой активации генератора, а сам потребляет при этом очень небольшое количество электроэнергии. Это означает, что дополнительный синхронный дизельный генератор не требуется. Поэтому установка KSB может функционировать без внешнего электроснабжения».

Насосы

Для применения в турбинном режиме допущены серийные консольные насосы Etanorm, насосы Omega с рабочим колесом двухстороннего входа и многоступенчатые насосы высокого давления Multitec (рис. 4). Они давно зарекомендовали себя во всём мире как высокотехнологичные и надёжные агрегаты. При работе насоса в турбинном режиме объёмный расход будет на треть выше объёмного расхода в насосном режиме. Поэтому необходимо учесть и более высокий крутящий момент.

Водяные насосы для обеспечения электроэнергией отдалённых районов и сельской местности. 2/2018. Фото 4

Электронный блок управления, который активирует установку с насосами в турбинном режиме, питается от компактного источника бесперебойного питания (ИБП). Он включает в себя литийионный аккумулятор, за поддержание полной зарядки которого отвечает система электронного мониторинга и преобразователь (обратный) для обеспечения генератора током возбуждения. Если блок управления определяет, что установка с насосом в турбинном режиме не работает, он посылает сигнал на ИБП запустить её снова по мере необходимости. Вторая функция заключается в том, что с помощью трансформатора блок управления предотвращает скачки напряжения.

Если подача воды прекращается, установка с насосами в турбинном режиме автоматически отключается для защиты от «сухого хода». После возобновления подачи воды блок управления запускает установку снова с помощью ИБП.

Качество производимой электроэнергии должно соответствовать самым высоким международным стандартам, чтобы избежать повреждения современных электронных приборов, таких как компьютеры, мобильные телефоны и прочее телекоммуникационное оборудование. Поэтому трансформатор в составе установки используется для разъединения системы выработки от системы приёмников электроэнергии до тех пор, пока не будет 100 %-й гарантии обеспечения соответствующего напряжения и тока для работы потребляющего оборудования.

«Главное преимущество установок KSB с насосами в турбинном режиме является электронное управление генератором, — продолжает Ленар Форпаль. — В других гидроэнергетических установках, как правило, применяются системы механического управления, что в итоге дороже и в некоторых случаях недостаточно надёжно. Вторые также менее приспособлены оперативно реагировать на изменения условий эксплуатации, например, изменение геодезического напора, и быстро осуществлять корректировку работы турбины. При использовании двух преобразователей частоты можно контролировать производительность генератора, чтобы обеспечить производство электроэнергии в соответствии с потребностью и нагрузкой. Поскольку генератор всегда работает с максимальным КПД, гидроэнергетическая установка KSB практически не зависит от изменения объёмного расхода».

На сегодняшний момент KSB поставила более 200 малых гидроэнергетических установок, а это около 3000 насосных агрегатов в турбинном режиме. Ленар Форпаль так говорит о дальнейших перспективах: «Залог успеха наших установок заключается в их надёжности. По оценке специалистов, основными потребителями данного продукта могут стать страны Африки, Южная Америка, а также регионы стран Европы с децентрализованной системой электроснабжения. Мы намерены построить экспериментальную систему в Бразилии и, возможно, в Руанде, где нет надёжных источников электроснабжения. Уже сконструированный прототип установки обеспечивает 40 киловатт электроэнергии, чего достаточно для электрификации сельского поселения».

В Российской Федерации программам развития малой гидроэнергетики в настоящее время уделяют всё больше внимания. Это обусловлено не только резким повышением стоимости энергоносителей, но и ужесточением требований к охране окружающей среды, сельскохозяйственным и промышленным освоением отдалённых районов и необходимостью их электрификации, трудностями с финансированием освоения крупных водотоков, совершенствованием технологии проектирования, строительства и эксплуатации малых ГЭС. В этом случае комплектная гидроэнергетическая установка KSB может представлять большой интерес для российского рынка.