Заиров Х.И. Гидроэлектростанции. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт

Периоды.

Показатели

1926-

1950

1951-

1960

1961-

1970

1981-

1990

Площадь затоплений, тыс га 709 2609 1913 330

Выработка э/э ГЭС,млрд.кВт⋅ч

9,1 42,6 69,5 60,0

Уд.показ.затопл. га/млн.кВт⋅ч

78,0 61,0 28,0 5,5

в т.ч. сельхозугодий 27,0 29,0 10,0 1,0

Первое место в мире по строительству малых ГЭС занимает Китай – к

1993 году было 3250 МГЭС суммарной мощностью 7400 МВт

В России к этому же периоду осталось лишь 13 малых ГЭС

мощностью 78,3 МВт., что составляет около 0,5% от потенциала малых рек.

Современный этап развития гидроэнергетики, который должен

обеспечить переход к более совершенным энергетическим технологиям ХХI

века, связан с подготовкой инженерных кадров нового поколения, которому

наряду с традиционными предстоит решать новые задачи:

• строительство гидроэнергетических объектов в экстремальных природных

условиях, таких, как Крайний Север и высокогорье в нашей стране,

тропические районы в развивающихся странах;

• освоение энергетических ресурсов Мирового океана;

• использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии;

• создание оптимальных условий в использовании природных ресурсов и

сохранение Среды обитания человека;

• обоснование эффективности ГЭС в условиях рыночных отношений;

• автоматизация проектирования и эксплуатации гидроэлектростанций;

• оптимизация параметров и режимов работы ГЭС в условиях новых

экономических взаимоотношений.

Изучение мирового опыта гидротехнического строительства является

необходимым компонентом при изучении проблем гидроэнергетики.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт

1 ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

1.1 Водно-энергетические ресурсы

Водная энергия представляет собой энергию поверхностного стока,

энергию приливов морей и океанов, их волновую энергию и энергию

течений.

В настоящее время основной считается энергия рек. Водная энергия

рек в естественных условиях расходуется на трение при движении воды от

истока к устью. Значительная часть энергии затрачивается на перемещение

донных и взвешенных наносов, размывы дна и берегов рек.

Водная энергия, как отмечалось выше, относится к возобновляемым

источникам энергии. Водная энергия или ее еще называют гидравлическая

энергия или механическая энергия водного потока может быть преобразована

в электрическую энергию с помощью турбин и генераторов.

Механическая энергия водных ресурсов, выраженная в киловаттах

среднегодовой

электрической мощности или в киловатт-часах электрической

энергии, представляет собой запасы водноэнергетических ресурсов. Их

обычно называют гидроэнергетическими ресурсами.

Различают потенциальные запасы, технические запасы и

экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов.

Потенциальные запасы водной энергии рек подсчитываются в

предположении отсутствия потерь энергии при преобразовании водной

энергии в электрическую. Мировые запасы водной энергии рек (

таблица 1.1)

оцениваются в 4000 млн. кВт среднегодовой мощности или 35000 млрд.

кВт.ч среднегодовой энергии.

Таблица.1.1

Распределение мировых гидроэнергетических ресурсов по континентам,

в млрд. кВт.ч в год (справочник Water Power and Dam Constraction, 1993г.)

Континент

или страна

Потенциальные

запасы

Технические

запасы

Экономический

потенциал

Азия 16 490 5340 2670

Южная и

Центральная

Америка

9 500 4000 3000

Северная Америка 1505 1100 800

Африка 4200 1400 700

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт

Россия 2896 1700 852

Европа

(без России)

2623 1227 860

Океания 595 390 172

Весь мир 35000 15000 9350

Потенциальные запасы России исчислены в 3300 млн.кВт

среднегодовой мощности или 2896 млрд. кВт.ч среднегодовой энергии.

Технические запасы водной энергии России, т.е. возможная

среднегодовая выработка гидроэлектростанций, равны 1700 млрд. кВт.ч или

194 млн. кВт среднегодовой мощности. Экономически выгодные к

использованию в современных условиях гидроэнергетические ресурсы

(экономический потенциал) России оцениваются значением 852 млрд

. кВт.ч.

Во всем мире в 1991 г. суммарная годовая выработка электроэнергии

ГЭС была равна 2270 млрд.кВт.ч, что составляет 18 % выработки

электроэнергии всеми электростанциями мира - ТЭС, АЭС, ГЭС.

В России гидроэлектростанции в 1993 г. выработали 174 млрд. кВт ч.

что составило 18,6 % суммарной выработки всеми электростанциями

страны.

Одним из видов водной энергии является энергия

приливов,

возникающая от взаимодействия небесных тел - Солнца, Луны и Земли.

Технические запасы приливной энергии России оцениваются в 200-250 млрд.

кВт.ч в год. Эти запасы концентрируются в основном в северных районах -

на побережьях Охотского, Берингова и Белого морей.

К нетрадиционным видам водной энергии можно отнести

кинетическую энергию течения безнапорного водного потока, в

том числе и

океанского, а также один из видов энергии океана - волновую энергию.

Технический потенциал океанских течений составляет около 300 млн. кВт, а

годовая выработка энергии может составить 0,4⋅10

кВт.ч. Мощность

волнения Мирового океана составляет 2.6⋅10

кВт.

Оценивая состояние гидроэнергетики и тенденции ее развития в мире, а

также место России в этом процессе, отметим следующее. Положение в

первых 15-ти странах с наиболее развитой гидроэнергетикой, куда входит и

Россия, в 2000 году характеризовалось показателями, приведенными в

таблице 1.2

Таблица 1.2

п/п

Страна

Установленная

мощность,

МВт

Выработка э/э

на ГЭС,

млрд. кВт.ч

Экономический

потенциал,

млрд. кВт.ч

Процент

гидроэнергии,

Мощность ГЭС

в строительстве,

МВт

1 США 75525 308800 376000 8,8 нет данных

2 Китай 72900 212900 1260000 17,3 35000

3 Канада 65726 350000 536000 62,0 882

4 Бразилия 56481 301198 736500 93,5 12050

5 Россия 43940 157500 852000 19,4 8400

6 Норвегия 27410 116259 179600 99,4 140

7 Франция 23100 69800 71500 15,0 0

8 Индия 21963 74338 нет данных 25,0 9818

9 Япония 21389 102587 114267 10,0 1113

10 Испания 17000 39000 41600 20,0 70

11 Швеция 16204 68300 90000 47,7 нет данных

12 Италия 15267 51636 54000 19,4 450

13 Венесуэла 13224 57923 100000 73,0 73

14 Турция 10215 42229 123040 38,0 4190

15 Мексика 9702 24616 32232 14,4 900

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

По установленной мощности гидроагрегатов на ГЭС и выработке

электроэнергии Российская Федерация находится на 5 месте после США,

Китая, Канады и Бразилии.

Рассматривая состояние строительства новых гидроузлов в странах, где

ведется особенно интенсивно, отметим первые пять стран. Это Китай,

Турция, Япония, Иран и Индия. Количество возводимых в этих странах

плотин (только выше 60 м

) составляет соответственно 90, 55, 54, 39 и 18

плотин.

Из пяти перечисленных выше стран особенно можно выделить Китай.

До 1950 года, по данным СИГБ, в стране имелось только 22 плотины выше

15 м из 5196 плотин, насчитывавшихся тогда в мире. В настоящее время

общее число зарегистрированных плотин в Китае - более 24000, что больше,

чем во всем остальном мире (36 из них

имеет высоту более 100 м).

В 2000 году в Китае в строительстве находилось 90 гидроузлов с

плотинами выше 60м, причем 21 плотина высотой более 100м. Строится и

самый мощный гидроузел в мире “Три Ущелья“, с установленной

мощностью 18200 МВт и бетонной гравитационной плотиной высотой 183м.

С 2000 года начался новый этап в строительстве гидроэнергетических

объектов Китая,

в рамках которого по планам на 2005, 2010 и 2015 год

установленная мощность ГЭС будет доведена соответственно до 95300.

125000 и 150000 МВт. Ожидается, что к 2015 году в Китае будет освоено

около 40 % гидроэнергетических ресурсов, а выработка электроэнергии на

них повысится до 28 % от общей выработки.

Оценивая место России в современном гидроэнергетическом

строительстве, отметим, что сооружение большинства строящихся

настоящее время крупных энергетических объектов было начато еще в 1980-

х годах и велось за счет бюджетных средств. В последние годы

финансирование этого строительства из государственного бюджета

практически прекратилось, а объем инвестиций РАО “ЕЭС России”,

собственностью которого в основном являются строящиеся объекты

федерального уровня, оказался недостаточен для их завершения.

Всего в

Российской Федерации на начало перестройки было не

достроено 16 гидроэнергетических объектов. Разработана “Концепция

кратко- и среднесрочной перспективы строительства приоритетных

энергетических объектов, сооружаемых с участием инвестиционных средств

РАО “ ЕЭС России”.

Приоритетными на краткосрочную перспективу для инвестиционной

деятельности РАО “ЕЭС России” в результате отбора, явились следующие 7

ГЭС - Ирганайская, Зеленчугские, Зарамагские и Аушигерская (энергозона

Северного Кавказа ), Богучанская (энергозона Сибири ), Бурейская и Усть -

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Среднеканская (энергозона Востока ). Их технико-экономические показатели

представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Основные технико-экономические показатели объектов,

выделенных для приоритетного финансирования “ РАО ЕЭС России”

Наименование

ГЭС

Река Регион Установленная

мощность,

МВт

Выработка

электроэнергии,

млн. кВт.ч

Аушигерская Черек Северный

Кавказ

60 222

Богучанская Ангара Сибирь 3000 10600

Бурейская Бурея Дальний

Восток

2000 7100

Зарамагские Ардон Северный

Кавказ

352 812

Зеленчугские Зеленчуг Северный

Кавказ

320 600

Ирганайская Аварское

Койсу

Северный

Кавказ

800 940

Усть-

Среднеканская

Колыма Дальний

Восток

500 2550

По этим семи гидроузлам, в связи с предполагаемым недостатком

инвестиционных ресурсов РАО ЕЭС России” в 2000-2006 годах,

“Концепция” предусматривает по отдельным ГЭС выделить, где это

возможно, из так называемых пусковых комплексов, их первые этапы,

которые обязательно должны включать ввод в эксплуатацию, как минимум,

одного агрегата на соответствующей ГЭС. При этом предлагается

форсировать осуществление работ по вводу в эксплуатацию первого этапа

пускового комплекса Бурейской ГЭС - первый агрегат намечен к пуску в

июне 2003 года. В период форсированного инвестирования Бурейской ГЭС

два других пусковых комплекса - Богучанская и Усть-Среднеканская ГЭС -

должны будут иметь ограниченное финансирование.

После завершения первого этапа пускового комплекса Бурейской ГЭС

намечена концентрация

инвестиций для осуществления первого этапа

пускового комплекса Богучанской ГЭС.

В прогноз развития гидроэнергетики России на период до 2015 года

включены следующие объекты: Нижне - Бурейская ГЭС, Вилюйская ГЭС-3,

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Нижне - Зейские ГЭС, Нижне-Ниманская ГЭС, Дальнереченский ГЭК –

первая очередь, Толмачевские ГЭС, Южно-Якутский ГЭК ( энергозона

Востока); Мокская ГЭС, Каскад ГЭС на Нижней Ангаре, Катунская ГЭС (

энергозона Сибири); Каскад ГЭС на р. Андийское Койсу, Советская ГЭС,

Каскад ГЭС на р.Баксан ( энергозона Северного Кавказа) ; Загорская ГАЭС (

энергозона Центра); Ленинградская ГАЭС, Белопорожская

ГЭС, Морская

ГЭС (энергозона Северо-Запада) и Юмагузинская ГЭС ( энергозона Урала ).

Прогнозируется, что к 2015 году установленная мощность всех

гидроэлектростанций России составит 55,49 млн. кВт, а выработка энергии -

201,2 млрд. кВт.ч в год, что больше, чем в 2000 году соответственно на 26 и

28 процентов.

В целом, учитывая огромные неиспользованные гидроэнергетические

ресурсы, в Российской

Федерации имеются большие возможности при

благоприятном инвестиционном климате существенно улучшить

энергобаланс в стране, завершив строительство уже начатых и построив ряд

новых ГЭС, которые смогут обеспечить наиболее неблагополучные регионы

дешевой и экологически чистой электрической энергией.

1.2 Типы гидроэнергетических установок.

Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) представляет собой

совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и

механического оборудования. ГЭУ

является предприятием, на котором

происходит преобразование гидравлической энергии в электрическую или,

наоборот, электрическая энергия превращается в механическую энергию

воды.

Различают пять типов гидроэнергетических установок:

• гидроэлектрические станции - ГЭС;

• насосные станции - НС;

• гидроаккумулирующие электростанции - ГАЭС;

• комбинированные электростанции - ГЭС - ГАЭС;

• приливные электростанции – ПЭС.

Гидроэлектрические станции. На ГЭС гидравлическая энергия

преобразуется в электрическую. Для устройства гидростанции необходимо

создать сосредоточенный перепад уровней воды, т.е. иметь напор.

Основными сооружениями ГЭС, расположенной на равнинном участке

реки, являются: плотина, перегораживающая реку и создающая подъем

уровня воды, т. е. сосредоточенный перепад уровней, и здание

станции, в

котором размещаются гидравлические турбины, генераторы

электрического тока и другое механическое и электрическое оборудование. В

случае необходимости строятся судоходные шлюзы, водозаборные соорения

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

для орошения и водоснабжения, рыбопропускные сооружения и т.п. 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. Турбина и генератор вместе образуют

гидроагрегат. В турбине гидравлическая энергия превращается в

механическую энергию

вращения ее рабочего колеса вместе с ротором

генератора, а в генераторе происходит преобразование механической энергии

в электрическую. Среди крупных гидроэнергетических установок всех видов

наиболее распространенными и мощными являются гидроэлектрические

станции. Крупнейшей ГЭС в России является Саяно-Шушенская ГЭС на р.

Енисей мощностью 6400 МВт.

Насосные станции. Гидроэнергетическая установка, предназначенная

для перекачки

воды с низких отметок на высокие и для перемещения воды в

удаленные пункты, называется насосной станцией. На насосной станции

устанавливаются насосные агрегаты, на одном валу которых находятся насос

и электрический двигатель. Насосная станция является потребителем

электрической энергии.

Насосные станции имеют большое распространение. Они применяются

для коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, для

водоснабжения тепловых и атомных электростанций, в ирригационных

системах для подачи воды на поля, на судоходных каналах, пересекающих

высокие водоразделы и т.п.

Крупнейшей насосной станцией в СНГ является Каховская (Украина) с

суммарной подачей воды 530 м

/с, расчетным напором 25 м и суммарной

мощностью электродвигателей 168 МВт.

Гидроаккумулирующие электростанции совмещают функции

насосной станции и гидроэлектростанции.

В часы пониженных нагрузок энергосистемы, например ночью, ГАЭС

работает как насосная станция, потребляет электрическую энергию и

перекачивает воду из низового в верховой водоем, расположенный на какой-

либо возвышенности. Днем и особенно вечером, когда

электропотребление в

системе увеличивается, вода из верхового водоема пропускается через

турбины в низовой водоем; в это время ГАЭС работает как

гидроэлектростанция - вырабатывает и отдает электрическую энергию в

систему.

Крупнейшая ГАЭС в мире - Бас- Каунти (США) мощностью 2100 МВт.

и напором 330м.

ГЭС - ГАЭС вырабатывает электрическую энергию за счет притока

воды в верховой

водоем и за счет перекаченной из низового в верховой

водоем.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

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 значительной величины 8-10м.

Наибольшие приливные колебания 19,6м. наблюдаются в заливе Фанди

(Канада ), где построена опытная ПЭС Аннаполис мощностью 20МВт. Во

Франции построена ПЭС

Ранс мощностью 240МВт. В России около

Мурманска построена оригинальная опытная Кислогубская ПЭС небольшой

мощности.

1.3 Напор, расход и мощность гидроэнергетической установки

Геометрический или статический напор равен разности отметок

уровней верхнего ∇ ВБ и нижнего ∇НБ бьефов. Применительно к данным на

рис. 1.1 статический напор

стат

= ∇ВБ - ∇НБ = 121,40 - 102,05 = 19,35 м. (1.1)

Нстат=19.35 м

∇ВБ 121.38

∇

НБ 102.03

ВБ

НБ

Рис. 1.1 Схема сосредоточения напора

В водно-энергетических расчетах напор ГЭС

Н ≈ Н

стат

- h

Β−⊂

= ∇ВБ - ∇НБ - h

Β−⊂

, (1.2)

где h

Β−⊂

- потери напора при движении воды от водозабора (сечение В-

В) до турбинной камеры (сечение С-С), которые состоят из потерь напора на

вход в турбинный водовод, на трение воды о стенки водовода, на

преодоление сопротивления сороудеживающих решеток и т.п. (рис.1.2) Все

эти потери составляют 2-5 % напора Н

стат.

В расчетах, требующих высокой точности, например при определении

коэффициента полезного действия (КПД) турбины, учитывается также

кинетическая энергия потока. На рис. 1.2 показано определение напоров для

гидроэлектростанций. Полный напор определяется как разность

удельных энергий потока воды во входном сечении В - В и в конечном

сечении К - К.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 1.2. Определение напоров гидроэлектростанций:

I – линия энергии; II – пьезометрическая линия;

1 – водоприемник; 2 – турбинный водовод; 3 – здание ГЭС; 4 – генератор;

5 – турбина; 6 – спиральная камера; 7 – отсасывающая труба

Полный напор называется напором брутто Н

или, точнее,

напором гидротурбинного блока. Этот напор в метрах

численно равен разности отнесенных к единице веса удельных энергий

потока в рассматриваемых сечениях:

= Е

- Е

(1.3)

Удельная энергия потока воды (м) в каждом сечении

Е = Z + р/γ + αV

/2g , (1.4)

где Z - высота расположения центра тяжести данного живого сечения

потока над плоскостью сравнения О - О, м;

р - избыточное давление, Па;

γ - объемный вес воды, Н/м

;

р/γ - пьезометрическая высота, равная глубине погружения центра

тяжести данного живого сечения потока под уровень воды, м;

V - средняя скорость течения воды в данном живом сечении, м/с;

α - коэффициент Кориолиса, равный отношению кинетической энергии

потока при действительном распределении скорости по сечению к

кинетической энергии потока, подсчитанной по средней скорости V.