Типы гидроэнергетических установок и схемы использования водной энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристика гидроэнергетических установок

гидроэнергетический установка механический туннель

Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) является предприятием, на котором происходит преобразование механической ¹ энергии водного потока в электрическую или, наоборот, электрическая энергия превращается в механическую энергию воды.

ГЭУ представляет собой совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования. На ГЭУ различают верхний и нижний бьефы. Водное пространство перед подпорными сооружениями, например перед плотиной, имеет более высокую отметку уровня и называется верхним бьефом (ВБ). Водное пространство за плотиной, за зданием станции и т. д. имеет низкие отметки уровней и называется нижним бьефом (НБ). Отметка уровня воды обозначается V или V с соответствующим числом, которое показывает высоту над уровнем моря (абсолютная отметка) или над какой-либо другой плоскостью сравнения (условная отметка). На ПЭС бьефы имеют попеременное значение. Во время прилива море является верхним бьефом, опорожненный бассейн -- нижним бьефом. В период отлива отметки уровня в бассейне более высокие (ВБ), а в море более низкие (НБ).

Гидроэлектрические станции

На ГЭС гидравлическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Для ГЭС необходимы расход Q, м³/с и сосредоточенный перепад уровней Н₀ (рис. 2-1), т. е. напор, м.

Основные сооружения ГЭС, расположенной на равнинной реке-плоти на, перегораживающая реку и создающая подъем уровня воды, т. е. сосредоточенный перепад уровней, п здание станции, в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы электрического тока и другое механическое и электрическое оборудование. При необходимости строятся судоходные шлюзы, водозаборные сооружения для орошения, водоснабжения, рыбопропускные сооружения и др.

На ГЭС вода под действием силы тяжести движется из верхнего бьефа в нижний и вращает рабочее колесо турбины, на одном валу с которым находится ротор генератора электрического тока. Иногда при сравнительно небольшой мощности генератора применяютпромежуточнуюпередачу (редуктор или мультипликатор)-для увеличения частоты вращения и уменьшения массы генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат. В турбине гидравлическая энергия воды превращается в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины вместе с ротором генератора, где происходит преобразование механической энергии в электрическую. Среди крупных ГЭУ всех видов наиболее распространенными и наиболее мощными являются ГЭС. В 1978 г. крупнейшей гидроэлектростанцией мира была Красноярская ГЭС (на р. Енисей), мощностью 6 млн. кВт. Вводимая в эксплуатацию с 1978 г. Саяно-Шу-шенская ГЭС (на р. Енисей) при полном развитии будет иметь мощность более 7 млн. кВт.

Насосные станции

Гидроэнергетическая установка, предназначенная для перекачки воды с низких отметок на высокие и для перемещения воды в удаленные пункты, называется насосной станцией (НС). На НС устанавливаются насосные агрегаты, у которых на одном валу находится насос и электрический двигатель. НС является потребителем электрической энергии.

НС имеют большое распространение. Они применяются для коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, для водоснабжения ТЭС, в ирригационных системах для подачи воды на поля, расположенные на высоких отметках или в удаленных районах, на судоходных каналах, пересекающих высокие водоразделы, и т. д.

Крупнейшая насосная станция -- Каховская с суммарной подачей воды 530 м³/с, расчетным напором 25 м и суммарной мощностью электродвигателей 168 МВт.

Насосные станции канала Иртыш -- Караганда рассчитаны на подъем воды на 418 м и суммарную подачу 76 м³/с на расстояние 458 км. Их суммарная мощность 350 МВт.

Гидроаккумулирующие электростанции

ГАЭС выполняет функции НС и ГЭС. В часы пониженных нагрузок энергосистемы, например ночью, ГАЭС работает как НС, потребляет электрическую энергию и перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний, расположенный на какой-либо возвышенности. Днем и, особенно, вечером, когда электропотребление в системе увеличивается, вода из верхнего бассейна пропускается через турбины в нижний бассейн; в это время ГАЭС работает как ГЭС -- вырабатывает и отдает электрическую энергию в систему. Имеются ГАЭС не только с суточным, но и с недельным и даже с .сезонным аккумулированием энергии.

Вследствие потерь ГАЭС отдает в систему около 70--75 % электрической энергии, получаемой ею из системы. Тем не менее эти станции выгодны, так как они потребляют более дешевую, а иногда и «бросовую» электроэнергию в ночные часы, в период малой нагрузки системы, а отдают более дорогую энергию в часы -пик нагрузки. Заполняя ночные провалы и снимая утренние и вечерние пики электрической нагрузки системы, ГАЭС существенно улучшают технические условия работы ТЭС, позволяют уменьшить их удельный расход топлива на 1 кВт-ч выработки электрической энергии и в конечном итоге дают экономию топлива в системе.

В СССР построена Киевская ГАЭС мощностью 225 МВт и строится Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт. Составлен проект крупнейшей гидроаккумулирующей электростанции Холейпи (США) мощностью 2500 МВт.

Приливные электростанции

Морские приливные электростанции (ПЭС) используют приливные колебания уровня моря, которые обычно происходят два раза в сутки. В некоторых пунктах обжитых морских побережий приливные колебания достигают 8--10 м. Наибольшая величина прилива 19,6 м наблюдается в заливе Фаиди (Канада).

Во Франции: построена ПЭС Раис мощностью 240 МВт. В СССР около Мурманска построена оригинальная опытная Кислогубская ПЭС небольшой мощности.

Напор, расход и мощность гидроэнергетических установок. Напор

Геометрический или статический напор равен разности отметок уровнем верхнего Ў ВБ и нижнего Ў НБ бьефов. Применительно к данным рис. 2-1 статический напор

Н_о=ЎВБ-ЎНБ=121,38-102,03=19,35м

В водноэнергстических расчетах напор ГЭС считается равным

Н?Н_о-h_В-С=ЎВБ-ЎНБ-h_В-С

где h_В-С-- потери напора при движении води от водозабора (сечение В-В) до турбинной камеры (сечение С--С), которые состоят из потери) напора на вход в турбинный водовод, па преодоление сопротивления сороудерживающих решеток, на трение воды о стенки водовода и т. п. (рис. 2-2). Все эти потери составляют 2-5 % от напора Н_о.

Рис.

В расчетах, требующих высокой точности, например, при определении коэффициента полезного действия (КПД) турбины, учитывается также кинетическая энергия потока. На рис. 2-2 показано определение напоров для ГЭС. Полным напор определяется по разности удельных энергии потока воды во входном сечении В--В и в конечном сечении К--К.

Удельную энергию и джоулях на один килограмм массы жидкости обозначим через Э, а на один ньютон веса -- через Е--Эg. Численное значение Е выражается в Дж/Н и измеряется в метрах.

Полный напор называется напором брутто H_G или, точнее, напором гидротурбинного блока. Напор H_G в метрах численно равен разности отнесенных к единице веса удельных энергий потока в рассматриваемых сечениях.

Удельная энергия потока воды Е, Дж/Н, в каждом сечении

где Z-- высота расположения центра тяжести данного живого сечения потока над плоскостью сравнении, О -- О, м; р-- избыточное давление, Па; г -- вес единицы объема воды, Н/м²; с/г--пьезометрическая высота равная глубине погружений центра тяжести данного живого сечении под уровень воды м; v -- средняя скорость течения воды в данном живом сечении м/с; б - коэффициент, равный отношению кинетической энергии потока при действительном распределении скорости по сечению к кинетической энергии потока, подсчитанной по средней скорости v.

При отнесении удельной энергии к единице веса воды: Z - удельная потенциальная энергия положения; с/г - удельная потенциальная энергия давления и бн²/2g - удельная кинетическая энергия.

Рабочим напором турбины (точнее турбинной установки, включающей турбинную камеру, рабочее колесо турбины и отсасывающую трубу) принято считать разность удельных энергий потоки во входном сечении С -- С в турбинную камеру и в конечном сечении К -- К с наивысшей отметкой нижнего бьефа Н =« Е_С -- Е_к.

Сумма 7+ с/г дает отметку уровня воды. Скорость воды перед водоприемником обычно невелика. Если пренебречь ею, то, относя энергию (2-3) к соответствующему сечению, можно написать

ЎB-ЎK-h_B-C-б_Kн²_K/(2g)

Для насоса, пренебрегая разностью кинетической энергии в сечениях К-К и В-В получим

H_n=E_B-E_K+h_C-B?H_o+h_C-B=ЎB-ЎK+h_C-B

Более подробно см. гл 9.

Для обратимои гидравлической машины (насосо-турбины) напор насоса будет больше напора турбины на h_C-B + h_B-C где h_C-B -- потери в водоводе от сечения В -- В до сечения С-- С в насосном режиме, a h_B-C -- в турбинном режиме.

На построенных гидроэнергетических установках напор составляет от 2 до 1767 м. Наибольший напор турбин 1767 м и нacocoв I070 м имеет ГЭУ Рейссек (Австрия).

Расход воды

Расход поды Q n м³/c, используемый ГЭС для выработки электрическом энергии, зависит от притока воды к водохранилищу или верхнему бьефу ГЭС. от наличия запасов воды в водохранилище и от потребности энергетической системы в данный момент в электрической энергии. При комплексном использовании водных ресурсов расход ГЭС зависит также от объема воды из верхнего бьефа на орошение, водоснабжение, шлюзование судов и от режима водопотребления из нижнего бьефа ГЭС. Максимальным расход, используемый ГЭС, равен пропускной способности всех ее турбин при расчетном напоре. Наибольшую пропускную способность имеют турбины Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС Каждая турбина этой ГЭС при расчетном напоре 19 м протекает по 675 м³/с. Все 22 турбины этой ГЭС потребляют около 15 тыс. м³/с. Максимальный расход воды, перекачиваемой НС пли ГАЭС, равен подаче всех се насосов при минимальном напоре и работе электрических двигателей с полной мощностью. Pacход воды НС и ГАЭС в данный момент времени определяется потребностью в воде и условиями электроснабжения.

Мощность, энергия

Мощностью N называется работа, производимая в единицу времени. Если напор составляет Н, м, расход воды равен Q, м³/с, то работа, которую может совершить вода в 1 секунду, т. е. потенциальная мощность водотока в ваттах, равна

N_o = pgQH = гQH = 9810 QH.

где р -- плотность воды, кг/м³; g -- ускорение свободного падения тела, м/с².

В гидроэнергетике принято измерять мощность в киловаттах. При этом N_o = 9,81 QH.

Мощность на валу турбины равна N_T=N_oз_T или N_T=9,81 Hз_T (2-6)

где з_T -- КПД турбины.

Значение КПД турбины зависит от ее конструкции, размеров и изменяется при изменении нагрузки. Для малых турбин, при диаметре рабочего колеса около 1 м, наибольший КПД составляет около 0,91; для крупных турбин диаметром 9--10 м КПД достигает 0,95--0,96. Электрическая мощность агрегата N_a на выводах генератора меньше мощности турбины на величину потерь в генераторе

N_a=N_Tз_ген=9,81 QHз_a

где з_ген -- КПД генератора; з_а = з_Тз_ген --КПД агрегата.

Для генераторов мощностью 5 МВт КПД равен 0,95--0,96. Для уникальных генераторов мощностью 500 МВт и более КПД превосходит 0,98. Обозначая а = 9,81т]_а, получим формулу для приближенных расчетов

N_a=aQH

Учитывая снижение КПД турбины и генератора при отклонении нагрузки от оптимальной, принимают а для сверхмощных агрегатов в пределах 8,8--9,1, для крупных агрегатов -- 8,4--8,7 и для небольших агрегатов 8,0--8,2. Для насосных агрегатов и при работе обратимой гидромашины (насосо-турбины) в насосном режиме мощность, потребляемая электродвигателем, равна

где H_H-- напор насоса; з_И -- КПД насоса; з_Д -- КПД двигателя. Наибольшее значение КПД насосо-турбин при работе в насосном режиме составляет 0,925--0,93, а КПД сверхмощных электродвигателей превосходит 0,98. Для насосных агрегатов средней мощности т1„ = 0,89--0,90, т]_л = 0,95--0,97, что дает приближенно N_H=H,3 QH, кВт. При отклонении от оптимальной нагрузки КПД насосов резко снижается.

Энергия Э выражается произведением: Э = Nt, где N -- мощность, Вт, t -- время в секундах или часах. В системе СИ электрическая энергия измеряется в джоулях и их производных, причем 1 Дж=1 Н-м = = 1 Вт-с.

В энергетике наибольшее распространение получило измерение энергии в киловатт-часах (кВт-ч). Из определений, явствует, что 1 кВт-4 = 3600 кДж.

Объем воды V, м³ при напоре Н, м дает количество энергии в килоджоулях Э = 9,81 VHз_a или в киловатт-часах

Если V -- объем годового стока реки, используемого ГЭС, а H -- ее средний напор, то Э дает годовую выработку энергии ГЭС. Если V -- объем воды, запасенной в водохранилище, который может быть использован при напоре Н, то Э выражает запас энергии воды водохранилища или энергетический эквивалент этого объема. Если V--годовой объем водоподачи НС, то

 (2-11)

определяет годовое потребление НС в кВт-ч, без учета расхода энергии на собственные нужды.

Гидростанция при напоре Н и КПД з_а расходует на 1 кВт-ч выработанной энергии объем воды q в м³, т. е.

(2 - 12)

Насосная станция на 1 м³ воды расходует энергию в кВт- ч

Основные схемы использования водной энергии

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС: 1) плотинная схема, когда напор создается плотиной; 2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода; 3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией. Плотины имеются во всех трех схемах.

Плотинная схема

Плотинная схема (рис. 2-3) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается подпор воды, который распространяется вверх по реке до пункта А.

Разность уровней воды в пунктах А и В равна H_o + Дh. Часть общего падения Дh будет потеряна при движении воды в верхнем бьефе. Сосредоточенный перепад уровней, т. е. напор будет равен Н₀. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной.

Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающий напор (рис 2-4).

Здание русловой ГЭС воспринимает полное давление воды со стороны ВБ и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре.

При средних и больших напорах, превышающий диаметр трубы более чем в 4-5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает плотного давления воды (рис 2-5). Подвод воды к турбинам такой ГЭС осуществляется трубопроводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, под земляной плотиной или туннелями, прокладываемыми в обход плотины.

Деривационная схем

При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации. На рис 2-6 приведена схема ГЭС с деревацией в виде открытого канала.

Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого бьефа вода по деревационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС.

От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деревацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.

При пересеченном или горном рельефе местности, деревацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающий горный массив (рис 2-7), или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. Деревация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.

Существуют два типа гидротехнических туннелей: безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного. В конце длинного подводящего напорного туннеля устраивается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС (рис 2-7). В конце подводящего безнапорного туннеля как и в конце деривационного канала сооружается напорный бассейн (рис 2-6).

При длинной безнапорной подводящей деривации (канал, безнапорный туннель) в конце ее иногда устанавливается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рис 2-6).

Если река несет большое количество крупных наносов (песок), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подходящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.

Если возможно переохлаждение воды и образование внутриводного льда - шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы. Деривация может быть отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля, когда ГЭС является подземной.

Деривационные схемы установок выгодны в горных условиях, при больных уклонах свободной поверхности возы в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины можно создать водохранилище для регулирования стока реки.

Плотинно-деривационная схема

В плотинно - деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рис. 2-8) На используемом участке реки А--В при неизменной отметке верхнего бьефа Ў ВБ местоположение плотины может быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота. При этом уменьшается размер водохранилища, т. е. уменьшается затапливаемая территория, но увеличивается длина деривации и увеличиваются потери напора h_A-B. Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.

Каскады гидроэлектростанций и водохранилищ

Несколько ГЭС, последовательно расположенных на одном водотоке, образуют каскад. Проектирование и осуществление каскадов ГЭС имеет целью возможно более полное использование падения реки и ее стока в интересах всего народного хозяйства. При этом стремятся за счет создания водохранилищ наилучшим образом зарегулировать сток рек.

Рис.

Местоположение каждого гидроузла, его напор, объем образуемого им водохранилища и т. п. выбираются на основе тщательного изучения природных условий и всестороннего технико-экономического анализа. Для того чтобы использовать возможно больший сток на данной установке, створ плотины стремятся расположить ниже крупного притока, а для уменьшения ущерба от затопления створ плотины выбирают выше крупных городов. При выборе створа плотины часто решающее значение имеют топографические и геологические условия

При сооружении каскада ГЭС обычно оказывается целесообразным некоторый подпор вышерасположенной ступени, благодаря чему падение реки используется более полно и может производиться глубокое суточное регулирование мощности ГЭС без существенных колебаний уровня НБ.

На рис. 2-9 приведена схема Волжско-Камского каскада ГЭС и водохранилищ. Река Волга имеет длину 3690 км и общее падение 250 м. Ступенчатой линией показаны проектные уровни воды после осуществления всей схемы реконструкции Волги.

Каскады ГЭС построены и строятся в СССР на многих реках -- Енисее, Ангаре, Иртыше, Каме, Свири, Вуоксе, Днепре, Сырдарье, Нарыне, Чирчике, Куре, Риони, Ингури, Сулаке и др.

Особые схемы использования водных ресурсов. Переброска стока рек в другие бассейны

При значительной разнице в уровнях воды двух соседних рек и благоприятных топографических и других условиях может оказаться целесообразным переброска стока одной реки в другую, с энергетическим использованием разности уровней воды обеих рек. На реке с более высоким уровнем воды может быть построена плотина, и вода этой реки по каналу, трубопроводу или по туннелю, проложенному через водораздел, может быть направлена на ГЭС, расположенную на берегу другой реки. По такой схеме построено много гидростанций, в том числе в СССР -- Сухумская, Ладжанурская, Ингурская ГЭС в Закавказье, Белореченская, Сенгилевская и Свпстухпнская на Северном Кавказе (Кубань-Егорлыкский канал), Тереблярикская в Закарпатье и др. При переброске стока рек в другие бассейны должны учитываться потребности в воде района, расположенного ниже по реке, сток которой перебрасывается в другую реку.

Исключительно большой народнохозяйственный интерес представляет проектируемая переброска стока многоводных сибирских рек в Среднюю Азию и Казахстан и северных рек Европейской части СССР в сторону засушливого юга.

Энергетическое использование перепадов на ирригационных каналах

При трассировке ирригационных каналов иногда, по условиям рельефа местности, приходится делать искусственные перепады уровней воды в виде ступеней или в виде быстротоков В обоих случаях энергию потока приходится гасить при помощи специальных сооружений-- гасителей (колодцы, пороги, тумбы, зубья и т. д.) При таких перепадах может оказаться экономически выгодным устройство ГЭС, так как затраты на постройку плотины и на компенсацию ущерба от затопления будут производиться независимо от сооружения ГЭС В зависимости от наличия расхода воды в канале такая ГЭС может работать или круглогодично или только в поливной период.

В Советском Союзе на перепадах крупных ирригационных каналов (Бозсунскии, Вахшский, Кубань-Егорлыкский и др.) построены и работают многие десятки ГЭС. При проектировании новых ирригационных систем необходимо учитывать энергетическую роль перепадов поды на каналах, рационально используя энергию этих перепадов

На НС ирригационных систем бывает целесообразна установка обратимых гидроарегатов и приспособление ВБ и НБ для использования в качестве резервуаров. В результате НС превращается в комбинированную установку НС--ГАЭС, которая в определенные периоды года, например зимой, может работать как ГАЭС.

Использование стока высокогорных районов

Перехватываемые системой каналов, труб и туннелей небольшие ручьи и еще неоформленный в ручьи склоновый сток ледников и вечных снегов могут быть использованы на весьма больших напорах, что пет достаточно большую мощность. Рельеф высокогорных районов может позволить соорудить здесь водохранилища для регулирования стока. Такого рода гидростанции построены в Болгарии, Австрии, Швейцарии и других странах. Однако трудности строительства и транспорта в горах ограничивают энергетическое использование высокогорного склонового стока.

Использование стока пограничных рек

Энергетическое использование стока пограничных рек обычно производится па паритетных началах. Электрическая энергия ГЭС, к,ik правило, делится поровну между пограничными государствами.

При гидроузле могут быть построены две ГЭС на разных берегах, для одного и для другого государства. Иногда реку делят на энергетические и эквивалентные участки. На одном участке строится гидроузел с ГЭС для одной страны, и на другом участке -- для другой страны.

При комплексном использовании водных ресурсов пограничной реки потребности в воде для орошения и водоснабжения могут оказаться существенно различными, тогда необходима особая договоренность между государствами о распределении воды между ними.

Размещено на Allbest.ru