CC BY
27
УДК 621.313.3
К. К. Ким, М. А. Герасимов, А. А. Смирнов
АВТОНОМНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ РЕЧНЫХ МОСТОВ И ПРИЛЕГАЮЩИХ К НИМ ОБЪЕКТОВ
Дата поступления: 27.06.2018 Решение о публикации: 17.10.2018
Аннотация
Цель: Повышение безопасности движения, снижение влияния на экологию, а также экономия электроэнергии при электроснабжении речных мостов. Методы: Используя малые гидроэлектростанции (ГЭС), можно получить возобновляемый и вполне рентабельный источник электрической энергии - энергию течения рек. Описан проект по установке малых погружных ГЭС на опоры мостов через Неву в Санкт-Петербурге. Результаты: Рассчитаны мощности гидротурбин для каждого моста через Неву, исходя из их энергопотребления и количества возможных мест установки турбин. Практическая значимость: Предполагается отдавать выработанную электроэнергию в тяговую сеть электрического транспорта или аккумулировать в накопителях, обеспечивая питание близлежащей инфраструктуры в любое время суток. Помимо этого при использовании системы в черте города за счет дополнительных источников электроэнергии будет обеспечено усиление городской распределительной сети.
Ключевые слова: Малая ГЭС, электроснабжение, речной мост, свободно-поточная ГЭС, безопасность движения, гидрогенерация.
Konstantin K. Kim, D. Eng. Sci., professor, department chair, kimkk@inbox.ru; *Mikhail A. Gerasimov, postgraduate student, gma013@mail.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University), Aleksandr A. Smirnov, leading specialist, toe@pgups.ru ("TransneftElektrosetServis" Ltd) INDEPENDENT ELECTRICAL POWER SUPPLY OF RIVER BRIDGES AND OBJECTS ADJACENT TO THEM
Summary
Objective: To improve traffic safety, reduce the environmental impact and to save electricity by using the energy of river flows to supply river bridges with power. Methods: A renewable and quite cost-effective source of electric energy can be obtained by using small hydroelectric power stations (GES). A project on installation of small submersible GES on the bridge footings over the Neva River in Saint Petersburg is described in the given article. Results: The powers of hydraulic turbines for each bridge were calculated based on their energy consumption and the number of possible turbine installation places. Practical importance: It is supposed to give generated electric power to the traction network of electric transport or to accumulate it in storages providing power supply of a nearby infrastructure at any time. In addition, strengthening of the present distribution network within the city by means of the additional sources of electricity will be provided.
Keywords: Small hydroelectric power stations, electricity supply, river crossing bridges, free-flow hydroelectric power plant, traffic safety, hydraulic generation.
Такие объекты транспортной инфраструктуры как мосты вне зависимости от габаритов и назначения являются источником повышен-
ной опасности для людей и грузов. Транспортные аварии на мостах, особенно в черте города, влекут за собой множество отрицательных
моментов: пробки, сложные процедуры ликвидации последствий аварии (особенно в случае падения транспорта в воду), не говоря уже о человеческих жертвах. Одним из основных атрибутов сложных транспортных сооружений становится освещение, наличие которого в темное время суток - залог безопасности движения. В Российской Федерации электроснабжение транспортных объектов внешнее и подвержено перебоям ввиду высокой вероятности аварий во многозвенной системе преобразования и передачи энергии, тогда как непосредственная близость к потребителям энергии течения рек дает возможность внедрения автономного освещения мостов [1].
Извлекать и преобразовывать энергию течения можно с помощью малых гидроэлектростанций (ГЭС), установленных на опорах мостов и прилегающих набережных [2, 3].
В зависимости от способа использования энергии воды малые ГЭС подразделяются на [4]:
1) плотинные: в основу способа создания водного напора положено строительство плотины, от которой по специальному желобу (трубе) потоки воды направляются к турбине;
2) деривационные: при устройстве ГЭС такого типа используется естественный напор воды (быстрые, горные реки), в этом случае часть воды отводится из русла реки и направляется к турбине, после чего вода сбрасывается в основное русло;
3) плотинно-деривационные: в данном типе ГЭС может быть задействован как естествен-
ный напор, так и напор, создаваемый плотиной;
4) свободно-поточные: этот тип ГЭС не предполагает строительства напорных сооружений, кинетическая энергия воды извлекается в ее свободном течении путем установки специальных электрогенерирующих устройств наплавного или погружного вида.
Применение свободно-поточных малых ГЭС (рис. 1) не окажет негативного влияния на экологию, поскольку они могут быть установлены на уже готовые основания (опоры мостов) [5, 6]. Эти ГЭС имеют коэффициент полезного действия (КПД) 92-96 % и не требуют частого сервисного обслуживания [7, 8]. Бесплотинные ГЭС погружного типа широко внедрены в Ирландии, Голландии, Бельгии, Германии, Великобритании и Китае. К сожалению, на данный момент они не популярны на территории Российской Федерации из-за отсутствия инновационных технологий в области малой гидрогенерации.
Для более предметного обоснования применения малых ГЭС рассмотрим Санкт-Петербург, обладающий большим количеством мостов с разной степенью энергопотребления. Крупные мосты города расположены на водной транспортной артерии города - р. Нева (рис. 2). Средний многолетний годовой расход воды в Неве - 78,9 км3 (в среднем 2500 м3/с), что является самым эффективным показателем рек на территории Северо-Западного региона. Площадь собственного бассейна Невы составляет 5 тыс. км2, а включая бас-
Рис. 1. Погружная турбина малой ГЭС
, С.
Рис. 2. Дельта р. Нева
сейн Ладожского озера - 281 тыс. км2. На этой территории осадки значительно превышают испарение: на него идет лишь 37,7 %, а на суммарный сток реки - 62,3 %.
Высокий расход воды обеспечивает постоянную скорость течения 0,8-1,1 м/с. Благодаря небольшой протяженности реки и ее полноводности, скорость течения в реке практически не зависит от времени года. Из-за равномерного стока воды из Ладожского озера у Невы в течение всего года не бывает весеннего подъема воды и паводков. В ней практически отсутствуют водоросли.
Инфраструктура, построенная на Неве и ее берегах, требует постоянного электроснабжения в целях освещения мостов, набережных, отдачи мощности в тяговую сеть городского электротранспорта, обеспечения питания систем автоматики. В Санкт-Петербурге через Неву построено 13 разводных мостов, являющихся стратегически важными объектами и потребляющих достаточно большое количе-
ство электроэнергии по сравнению с остальными мостами города (см. таблицу). Мосты через Большую и Малую Невки не рассматриваются из-за меньшего расхода воды.
Используя малые ГЭС и энергию течения Невы, можно иметь возобновляемый и самый рентабельный источник электрической энергии. В отличие от Солнца и переменчивого ветра водное течение Невы стабильно и позволяет получать на выходе ГЭС постоянную запланированную мощность [9].
На основании данных, приведенных в таблице, мощность типовой устанавливаемой турбины должна быть не ниже 8,4 кВт [10]. Количество применяемых турбин на каждом мосту будет определено исходя из характеристик предлагаемого оборудования.
В светлое время суток выработанную электроэнергию можно отдавать в тяговую сеть электрического транспорта или аккумулировать в перспективно устанавливаемых батареях под сводами мостов (рис. 3), обеспечивая пи-
Расчет мощности турбин для мостов на р. Нева
Наименование Суммарная потребляемая светильниками мощность, Вт Потребляемая мощность подсветки, Вт Потребляемая мощность, Вт Количество возможных мест установки гидротурбин Минимально необходимая мощность одной гидротурбины, Вт
Володарский мост 31 000 36 190 67 190 8 8399
Мост Александра Невского 34 000 51 700 85 700 16 5356
Мост Петра Великого 4 000 46 800 50 800 8 6350
Литейный мост 12 000 46 000 58 000 16 3625
Троицкий мост 19 500 67 210 86 710 20 4336
Дворцовый мост 7000 33 605 40 605 12 3384
Благовещенский мост 11 000 29 400 40 400 20 2020
Биржевой мост 5000 25 400 30 400 16 1900
Тучков мост 5000 23 000 28 000 8 3500
Рис. 3. Блок-схема установки малых ГЭС
тание близлежащей инфраструктуры в любое время суток [11-13]. Мощности, отдаваемой в транспортную сеть каждой дистанции пути в районе мостов, не хватит на обеспечение электроэнергией на 100 %, однако улучшит качество электроэнергии и устранит эффект «просадки» напряжения на дистанции пути в момент пиковой нагрузки.
Срок окупаемости проекта по автономному электроснабжению мостов на примере Санкт-Петербурга будет находиться в районе 4 лет. Вместе с тем возможно обеспечение электроэнергией набережных, подсветки фасадов зданий, пристаней малого судоходства, тяговой сети городского электротранспорта. За счет дополнительных источников электроэнергии произойдет усиление существующей распределительной сети города [13, 14].
Значительным положительным эффектом всего проекта станет создание рынка электроэнергии для малых и средних потребителей, что является одним из ключевых направлений развития электросетевого комплекса Российской Федерации [15].
Библиографический список
1. Бляшко Я. И. Малая гидроэнергетика России. Проблемы и перспективы развития / Я. И. Бляшко // Энергетик. - 2013. - № 6. - С. 101-105.
2. Кривченко Г. И. Гидравлические машины (турбины и насосы) / Г. И. Кривченко. - М. : Энергия, 1978. - 320 с.
3. Соболин Г. В. Проблемы использования малых рек и каналов ирригационных систем в целях развития малой гидроэнергетики / Г. В. Соболин, И. В. Сатункин, Ю. И. Коровин // Изв. ОГАУ. -2004. - № 1 (2). - С. 32-35.
4. Портал про альтернативную энергию. - URL : https://alter220.ru/voda/mikro-ges.html (дата обращения : 02.05.2018).
5. Ким К. К. Анализ влияния конструкционных факторов на надежность герметичных электромеханических преобразователей / К. К. Ким, Д. А. Го-локолос, Н. С. Карпова, С. Н. Иванов // Учен. зап. КнАГТУ. - 2013. - № IV-1 (16). - С. 29-34.
6. Глазырин М. В. Перспективы применения генераторных комплексов на основе машины
двойного питания для малых ГЭС / М. В. Глазы-рин, Р. Х. Диеров // Изв. вузов. Электромеханика. -2012. - № 6. - С. 78.
7. Кривченко Г. И. Автоматическое регулирование гидротурбин / Г. И. Кривченко. - М. : Энергия, 1964. - 286 с.
8. Эпштейн Р. М. Система регулирования гидроагрегатов / Р. М. Эпштейн, Б. Е. Митрофанов, М. Я. Руденский. - М. : Энергия, 1968. - 189 с.
9. Мустафаев Р. И. Моделирование и исследование режимов работы гидроагрегатов малых ГЭС с машинами двойного питания / Р. И. Мустафаев, Л. Г. Гасанова, М. М. Мусаев и др. // Изв. вузов. Электромеханика. - 2015. - № 4. - С. 59-66.
10. Ким К. К. Основы проектирования гидроэлектродинамических теплогенераторов / К. К. Ким, С. Н. Иванов, С. В. Уханов // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. - 2008. - № 4. - С. 14-16.
11. Ким К. К. Визуализация результатов гидродинамического расчета совмещенных энергетических устройств с использованием СББ технологий / К. К. Ким, О. В. Приходченко, А. А. Про-солович // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2014. - № 2. - С. 39-43.
12. Ким К. К. Зависимость степени компенсации реактивности синхронного компенсатора от его параметров / К. К. Ким, А. Ю. Панычев, Л. С. Блажко // Электротехника. - 2017. - № 88 (10). -С. 623-628.
13. Ким К. И. Переходные процессы в асинхронной машине : монография / К. И. Ким, К. К. Ким. -СПб. : ОМ-Пресс, 2013. - 90 с.
14. Ким К. К. Об устойчивости синхронной машины с нульпоточной обмоткой статора по отношению к радиальным возмущениям / К. К. Ким // Электричество. - 1999. - № 11. - С. 23-29.
15. Ким К. И. МГД-генераторы на поршневых потоках : монография / К. И. Ким, К. К. Ким. - М. : Маршрут, 2005. - 300 с.
References
1. Blyashko Ya. I. Malaya gidroenergetika Rossii. Problemy i perspektivy razvitiya [Small hydropower of Russia. Development issues and prospects]. Energetik [Powerman], 2013, no. 6, pp. 101-105. (In Russian)
2. Krivchenko G. I. Gidravlicheskiye mashyny (turbiny i nasosy) [Hydraulic engines (turbines and
pumps)]. Moscow, Energiya Publ., 1978, 320 p. (In Russian)
3. Sobolin G. V., Satunkin I. V. & Korovin Yu. I. Problemy ispolzovaniya malykh rek i kanalov irrigat-sionnykh system v tselyakh razvitiya maloy gidroener-getiky [Development issues of minor rivers and irrigation system channels aimed at development of small hydropower]. Izvestiya OGAU [Orenburg State Agrarian University Proceedings], 2004, no.1 (2), pp. 3235. (In Russian)
4. Portal pro alternativnuyu energiyu [Alternative energy portal]. URL: https://alter220.ru/voda/mikro-ges.html (accessed: 02.05.2018). (In Russian)
5. Kim K. K., Golokolos D. A., Karpova N. S. & Ivanov S. N. Analiz vliyaniya konstruktsionnykh faktorov na nadezhnost germetichnykh elektromekhanicheskykh preobrazovateley [Impact analysis of constructional factors on reliability of hermetic electromechanical transducers]. Ucheniye zapisky KnAGTU [Komsomolsk-on-Amur State Technical University bulletin], 2013, no. IV-1 (16), pp. 29-34. (In Russian)
6. Glazyrin M. V. & Dierov R. Kh. Perspektivy primeneniya generatornykh kompleksov na osnove mashyny dvoinogo pitaniya dlya malykh GES [Application prospects of power generating complex on the basis of doubly-fed electric machine for small GES]. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika [Proceedings of Higher Educational Universities. Electromechanics], 2012, no. 6, p. 78 (In Russian)
7. Krivchenko G. I. Avtomaticheskoye regulirovaniye gidroturbin [Automatic regulation of water turbines]. Moscow, Energiya Publ., 1964, 286 p. (In Russian)
8. Epschtein R. M., Mitrofanov B. E. & Ruden-skiy M. Ya. Sistema regulirovaniya gidroagregatov [Regulatory system of hydroelectric units]. Moscow, Energiya Publ., 1968, 189 p. (In Russian)
9. Mustafayev R. I., Gasanova L. G., Musayev M. M. et al. Modelirovaniye i issledovaniye rezhimov raboty gidroagregatov malykh GES s mashinamy dvoinogo pitaniya [Operating regimes of small GES hydraulic units with doubly-fed electric machines: simulation and
analysis]. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika [Proceedings of Higher Educational Universities. Electrome-chanics], 2015, no. 4, pp. 59-66. (In Russian)
10. Kim K. K., Ivanov S. N. & Ukhanov S. V. Os-novy proektirovaniya gidroelektrodinamicheskykh teplogeneratorov [Hydro-electrodynamic power generators: principles of design]. Elektro. Elektrotekhnika. Elektroenergetika. Elektrotekhnicheskaya promyshlen-nost [Electro. Electric engineering, Electrical power engineering. Electrical engineering industry], 2008, no. 4, pp. 14-16. (In Russian)
11. Kim K. K., Prikhodchenko O. V. & Prosolo-vich A. A. Vizualizatsiya rezultatov gidrodinami-cheskogo rascheta sovmeshchennykh energeticheskikh ustroistv s ispolzovaniyem CFD tekhnologiy [Hydro-dynamic calculation data visualization of combined energy devices based on CFD technologies]. Elektronika i elektrooborudovaniye transporta [Transport electronics and electrical equipment], 2014, no. 2, pp. 39-43. (In Russian)
12. Kim K. K., Panychev A. Yu. & Blazhko L. S. Za-visimost stepeny kompensatsii reaktivnosty sinkhronno-go kompensatora ot yego parametrov [The dependence of synchronous compensator reactivity compensation factor from its parameters]. Elektrotekhnika [Electrical engineering], 2017, no. 88 (10), pp. 623-628. (In Russian)
13. Kim K. I. & Kim K. K. Perekhodniye protsessy v asynkhronnoy mashine [Transient processes in asynchronous machine]. Saint Petersburg, OM-Press Publ., 2013, 90 p. (In Russian)
14. Kim K. K. Ob ustoichivosty sinkhronnoy ma-shiny s nulpotochnoy obmotkoy statora po otnosheniyu k radialnym vozmushcheniyam [On stability of synchronous machine with zero-stream stator winding to radial perturbation]. Elektrichestvo [Electricity], 1999, no. 11, pp. 23-29. (In Russian)
15. Kim K. I. & Kim K. K. MGD-generatory na porshnevykh potokakh [MHD-generators on piston streams]. Moscow, Marshrut Publ., 2005, 300 p. (In Russian)
КИМ Константин Константинович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Ышкк@ inbox.ru; *ГЕРАСИМОВ Михаил Анатольевич - аспирант, gma013@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); СМИРНОВ Александр Александрович - канд. техн. наук, ведущий специалист, toe@pgups.ru (ООО «ТранснефтьЭлект-росетьСервис»).
