发电 | 为农村地区通电

对世界上许多农村和偏远地区来说，获得可靠的供电来满足照明和加热这样的基本功能，仍是一个大难题。对于许多社区来说，拥有清洁的电能来支持诸如计算机和通信设备等电子产品这样的愿望，目前还不能满足，只能有待日后实现。

泵作为涡轮机来使用

然而，这种情况有望结束了。有一种古老却有用的机械工程技术，目前得到了业内人士的关注。它使用离心泵作为涡轮机来发电，成本低廉又环保。这就是泵行业里广为人知的PaT（泵作为涡轮机来使用）技术——在一定条件下，使离心泵按照反向旋转模式运转可以产生涡轮机的工作效果，进而利用它来发电。

发电站为偏远社区提供一种高性价比的发电方法，来实现清洁的离线发电

将离心泵当作涡轮机来工作，液体会从排出口流动到吸入口，以便叶轮反向旋转。当压头高到足以能克服叶轮和轴二者的起动扭矩时，就可利用扭矩来驱动发电机。这样泵就能作为涡轮机来运行。

通过计算泵反向运转时的涡轮机性能曲线，泵制造商KSB公司发现泵作为涡轮机运转时的工作情况非常好。因为输出的能量高于为了使泵运转而输入的能量。

高性价比的替代方案

受此鼓舞，KSB公司一直积极为供水公司提供PaTs，将其作为一种高性价比的替代方案来代替多年来用于发电的水轮机。在欧洲，已有超过3000台PaT投入使用。

KSB公司还积极关注应用该技术来为缺电的小社区发电。他们还做了一些深入研究，对现有技术做了进一步优化改进，并基于此研发出了一种小型的可立即使用的水力发电设备，为偏远社区提供一种高性价比方法来产生洁净的电能。

发电站是一种集装箱式水电机组。

KSB公司启动项目的副总裁turnkey说：“对于那些供水相对持续但供电不可靠或甚至没有电的地方，PaTs是一种简单而经济的发电方法。通过对世界上部分没有供电的地区进行深入的研究，我们已能开发出一套标准的PaT设备组件，用它们来管理水源的能量并将其转换为干净电力。最重要的是，它可以满足偏远农村社区正在扩大的电力需求。”

电站成套设备

电站包括两套主要设备; 集装箱式水电机组和一个可选的水渠，后者用于盛装驱动PaT（泵作为涡轮机来使用的系统）。电站包括PaT、电子控制元件、转换器和管理电源输出的变压器。利用电站提供的模板，即可便捷地在工作现场用混凝土当场浇筑水渠。建成之后，将水渠和电站通过给水管道连接起来。

水渠内装有为PaT提供的水。

重力流对PaT的运行至关重要，且静压头必须至少高于发电站10米以上。根据PaT的类型和大小，静压头可高达640米。建议从水渠到发电站的这段距离最大不超过1800米。水渠和电站之间的水管有两种尺寸，管径为250毫米或400毫米。

必须保证给PaT的供水洁净且不含碎片，因此在水渠的出口处安装了过滤网。它采用了一种极为创新的焊接网状结构，允许水流过表面之后通过1.00毫米的小孔落入水池，最后流经管道供给PaT。所有包含在水流中的固体会从滤网表面滑落，因此不会渗透或积聚在滤网表面，这就是自清洁。

该电站是一个安全的集装箱式水电机组，可立即投入使用，输出功率范围在30千瓦~750千瓦。控制和监控面板位于内部。由于是全自动工作模式，除了维修平时不需要打开。唯一容易受磨损的组件是泵轴承和机械密封件，而它们的使用寿命很长，所以发电站只需要极少量的维护工作。

它与其他PaT系统不同的地方，就在于包含了一个定制的自控设备，克服了阻碍技术发展的两大主要难题。

小型水电系统的第一个难题是发电机组被设计为离网运行。为此通常采用配有永磁体的同步发电机，相当昂贵。替代方法是使用异步发电机。它本质上就是一台电动机，但缺点是当异步发电机转动时不会产生任何电力，因为它也需要能量，例如用小型柴油发电机组或一组电池来使其转动。

KSB公司解决了这两大难题，发电站机组的工作不仅可行且效率高，它摒弃了昂贵的同步发电机，解决了启动异步发电机的问题。他们用一个电池供电的小型电子控制装置来完成启动。该装置仅在必要时向异步发电机提供微小的能量。

将离心泵当作涡轮机来工作，那么液体会从排出口流动到吸入口。

Ulrich解释说：“例如，如果您运行的是30千瓦离网发电机，那么可能需要高达27千瓦的电力来启动发电机。通过预先编程，我们的电子控制装置能准确知道该在何时提供多大的能量来启动发电机，且所用能量极少。通过这种方式，我们已不需要柴油发电机组。因此发电站不需要任何外部供电就能工作。”

泵反向运行

发电站里最重要的组成部分就是反向运行充当异步发电机的泵。KSB公司选用了三种不同类型的泵，它们都是最适合该应用的泵，分别是Etanorm、Omega单级卧式中开泵和Multi-Tec卧式环形泵。这些泵都被批准用于涡轮操作，且在世界各地都能购买到。

当泵作为涡轮机运行时，入口流量会高出大约三分之一，所以必须考虑更高的扭矩，正是因为这个原因才会在遇到较高流量和压力的地方使用Omega、Etanorm及Multi-Tec泵。Omega泵可处理高达250米的扬程，Multi-Tec泵可处理高达640米的扬程。

总控制

启动PaT的电子控制装置由小巧的不间断电源（UPS）供电。该UPS包含一个智能电池，不管从中消耗了多少电量，在任何时候都能保持完全充电，且在50个周期里可提供230伏电压。如果控制设备检测到PaT已经停止工作，它会在必要时指示UPS再次启动工作。

控制装置还有第二个作用。Ulrich解释说：“无论你运营任何类型的电厂，都能准确地提供所需要的电量。如果发电量过多，就有必要打开额外的电路，从而消耗掉电能。如果发电量过少，那么它就不能支持整个负载。控制装置与变压器结合工作即可平衡功率输出。”

如果提供给涡轮机的供水中断，那么PaT就会自动关闭，使它不能干运行。当供水恢复后，电子控制装置将通过UPS模块自动使其恢复工作。

为了支持所有先进的电子产品，如电脑和手机，发电的质量必须符合最高的国际标准。因此，需要对电进行滤波，还需要一台变压器来确保所发的电达到合适的电压。另外，有两台变频器连接到变压器和异步发电机上。需要使用变压器来从客户供电端断开与发电端的连接，并确保电压和电流100％与灵敏设备一致。

“发电站最大优势在于发电机是电子控制的”，Ulrich说。“其他的PaTs依靠机械方法控制，而这些方法不仅成本高昂，而且可能不可靠，此外，当涡轮需要对静态压头的变化做出响应时，它们也不够灵活。通过采用两个变频器就可以控制发电机的输出，只提供实际负载所需的电能。因为发电机始终工作在最佳效率点，所以发电站完全不受入口水流量变化的影响。但机械控制系统则不然。”

“KSB公司已有成功建立超过200个小型水电系统的经验，所以就PaT而言，数量已超过了3000台，”Ulrich继续说，“发电站成功的关键在于它的可靠性。我们相当多的研究已经证实，撒哈拉以南非洲、南美洲和东欧更偏远的地区都是适合建立发电站的潜在市场。我们已经建立了一个试验系统，打算先在没有可靠电源的地方将这个系统试运行6个月。该系统的功率输出为40千瓦，足以满足一个小村庄的电力需求。”