Заиров Х.И. Гидроэлектростанции. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

При отнесении удельной энергии к единице веса воды величиной Z

измеряется удельная потенциальная энергия положения.

Рабочим напором турбины принято считать разность

удельных энергий потока во входном сечении С-С в турбинную камеру и в

конечном сечении К-К с наивысшей отметкой нижнего бьефа:

Н = Е

- Е

. (1.5)

Сумма Z + р/γ = ∇ дает отметку уровня воды. Скорость воды перед

водоприемником обычно невелика. Если пренебречь ею, то, относя энергию

(1.4) к соответствующему сечению, можно написать

Н = ∇ В - ∇ К - h

В-С

- α

/ 2g. (1.6)

Таким образом, напор турбинной установки приблизительно равен

разности отметок уровней воды в верхнем и нижнем бьефах за вычетом

потерь напора h

В-С

до входа в турбинную (спиральную) камеру и

кинетической энергии потока в нижнем бьефе.

На построенных гидроэнергетических установках напор составляет от

2 до 1773 м. Наибольший напор турбин и насосов 1773м имеет ГАЭС

Рейссек (Австрия).

Расход воды Q, м

/с, используемый гидростанцией для

выработки электрической 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 отъема воды из верхнего бьефа на

орошение,

водоснабжение, шлюзование судов и от режима водопотребления из нижнего

бьефа ГЭС. Максимальный расход, используемый гидростанцией, равен

пропускной способности всех ее турбин при расчетном напоре. Наибольшую

пропускную способность имеют турбины Самарской ГЭС. Каждая турбина

этой ГЭС при расчетном напоре 19м. пропускает по 675м

/c. Все 22 турбины

этой ГЭС потребляют около 15000 м

/c.

Максимальный расход воды, перекачиваемый насосной станцией или

гидроаккумулирующей электростанцией, равен подаче всех ее насосов при

минимальном напоре и работе электрических двигателей с полной

мощностью. Расход воды насосных станций и ГАЭС в данный момент

времени определяется потребностью в воде и условиями электроснабжения.

Мощностью N называется работа, производимая в единицу

времени. Мощность измеряется

в ваттах (Вт), киловаттах (кВт), мегаваттах

(МВт), гигаваттах (ГВт) и тераваттах (ТВт).

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Если напор составляет Н, м, расход воды Q, м

/c, то работа, которую

может совершить вода в секунду, т.е. потенциальная мощность

водотока, кВт:

О =

ρ g QН = γ QH = 9810 QH,

где ρ - плотность воды, кг/м

;

g - ускорение свободного падения тела, м/c

;

γ - удельный вес одного кубического метра воды, Н/м

В гидроэнергетике принято измерять мощность в киловаттах, при этом

= 9,81 QH.

Мощность на валу турбины N

= N

или N

= 9,81 QH η

где η

- коэффициент полезного действия (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 гидроагрегата N

ГА

на выводах генератора

меньше мощности турбины на величину потерь в генераторе:

ГА

= N

ген

= 9,81 QHη

га ,

где η

ген

- КПД генератора;

га

= η

ген

- КПД гидроагрегата.

Для генераторов мощностью свыше 5МВт КПД равен 0,95-0,96.

Для уникальных генераторов мощностью 500МВт и более КПД

превосходит 0,985.

Энергия Э выражается произведением Э = N t,

где t -время, с или ч.

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. Из определения явствует, что 1 кВт⋅ч = 3600 кДж.

Объем воды V, м

, при напоре Н, м, дает количество энергии

Э = 9,81 VHη

га

, кДж, или Э = VHη

га

/367, кВт.⋅ч.

Если V - объем годового стока реки, используемого

гидроэлектростанцией, а Н - ее средний напор, то Э выражает годовую

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

выработку энергии ГЭС. Если V - объем воды, запасенной в водохранилище,

который может быть использован при среднем напоре Н, то Э выражает

запас энергии воды водохранилища или энергетический эквивалент этого

объема.

1.4 Основные схемы использования водной энергии.

Имеются 3 основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС:

♦ плотинная схема, при которой напор создается плотиной;

♦ деривационная

схема, при которой напор создается

преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде

канала, туннеля или трубопровода;

♦ плотинно-деривационная схема, при которой напор создается и

плотиной, и деривацией.

Плотины имеются во всех трех схемах. Плотина перегораживает и

подпирает реку, создавая концентрированный напор в водохранилище.

Концентрация напора происходит из-за того, что скорости

течения воды в

верхнем бьефе становятся малыми и потери на трение получаются

небольшими. При широком и глубоком верхнем бьефе потери на трение

ничтожно малы и поверхность воды получается почти горизонтальной.

Все плотины можно разделить на две группы (рис. 1.3):

а) из грунтовых материалов, в виде земляных и каменно-набросных

плотин;

б) плотины

бетонные и железобетонные.

Земляные и каменно-набросные плотины строят, как правило, глухими,

т. е. не допускающими перелива воды через гребень. Бетонные и железо-

бетонные плотины могут быть глухими или водосливными; пропуск

избытков воды из верхнего бьефа осуществляется через водосливной гребень

этих плотин или через отверстия, устраиваемые в теле плотины.

Земляные

плотины строят высотой до 200м, а каменно-набросные -

до300 м. и более. Каменно-набросные и земляные плотины имеют ширину по

основанию больше высоты. Крутизну откосов обычно назначают 1:3, 1:5. В

намывных плотинах откосы получаются более пологими. Их крутизна

составляет 1:6 - 1:12. Бетонные гравитационные плотины, устойчивость

которых обеспечивается их массой, строят на слабом основании (глина,

песок

) высотой до 40м, а на прочном основании - до 300м.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 1.3. Поперечные профили плотин

а – земляных; б – каменно-набросных; в – бетонных;

I – плотина с ядром; II – плотина с экраном; III – плотина с диафрагмой;

IV – гравитационная глухая; V – гравитационная водосливная; VI – контрфорсная;

VII – арочная; VIII – многоарочная;

1 – ядро из местных материалов (глина, суглинок, лесс); 2 – зуб; 3 – крепление верхового

откоса; 4 – экран; 5 – экран с понуром; 6 – диафрагма; 7 – цементационная завеса;

8 – каменная наброска; 9 – обратный фильтр; 10 – берма; 11 – железобетонный экран;

12 – подэкранная каменная кладка; 13 – затвор; 14 – козловой кран; 15 – водослив;

16 – плита; 17 – контрфорсы; 18 – распорные балки; 19 – арка

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Железобетонная контрфорсная плотина может быть построена высотой

до 120 м. Одноарочные плотины строят только в узких глубоких каньонах с

прочными скальными берегами, на которые передается нагрузка от плотины.

Такие плотины обычно делаются железобетонными и могут достигать

высоты 300м. В многоарочных железобетонных плотинах нагрузка через

арки передается на контрфорсы и через них на

основание. Такие плотины

строят высотой до 150м.

Плотинная схема использования водной энергии может быть в

зависимости от напора русловой или приплотинной.

Русловой называется такая гидростанция, у которой здание ГЭС

входит в состав сооружений, создающих напор (рис. 1.4). Здание ГЭС в этом

случае воспринимает полное давление воды со стороны верхнего бьефа и

должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС

может быть построена при сравнительно небольшом напоре.

Рис. 1.4. Плотинная схема с русловой ГЭС

1 – здание ГЭС; 2 – автодорога; 3 – ВБ; 4 – волнолом; 5 – аванпорт;

6 – речной вокзал; 7 – камера шлюза; 8 – низовой подходной канал; 9 – глухая плотина;

10 – водосливная плотина; 11 – НБ

При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины

более чем в 6 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой

располагается за плотиной и не воспринимает полного давления воды

(рис.1.5). Подвод воды к турбинам такой ГЭС осуществляется водоводами,

размещенными в теле или поверх бетонной плотины, под земляной

плотиной или туннелями, прокладываемыми в обход плотины.

Рис. 1.5. Плотинная схема с приплотинной ГЭС

1 – водосливная плотина; 2 – кран для подъема и опускания затворов; 3 –

станционная плотина; 4 – здание ГЭС; 5 – турбинный водовод

Деривационная схема. 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. 1.6 приведена схема ГЭС с деривацией в

виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого

бьефа вода

по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда

она подается по трубопроводам к турбинам гидроэлектростанции. От турбин

вода по отводящему каналу направляется в реку или деривацию следующей

ГЭС или же в ирригационный оросительный канал. При деривационной

схеме не образуется крупного водохранилища для регулирования стока.

Плотинно - деривационная схема. В плотинно-

деривационной

схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 1.6. Деривационная схема с деривационным каналом:

1 – подъездная дорога; 2 – подстанция; 3 – здание ГЭС; 4 – быстроток;

5 – турбинные трубопроводы; 6 – приток: 7 – русло реки; 8 – ручей; 9 – плотина;

10 – грязеспуск; 11 – водохранилище; 12 – водоприемник; 13 – отстойник; 14 – акведук;

15 – деривационный канал; 16 – напорный бассейн;

17 – бассейн суточного регулирования; 18 – ВЛ

схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки

ниже плотины (рис. 1.7). На используемом участке реки А - В при

неизменной отметке верхнего бьефа местоположение плотины может быть

различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее

высота. При этом уменьшается размер водохранилища, уменьшается

затапливаемая территория, но увеличивается длина

деривации и потери

напора ∆h

Α−Β.

Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет

выбрать наилучший.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 1.7. Плотинно-деривационная схема

1 – поверхность воды в естественных условиях; 2 – водохранилище; 3 – плотина; 4

– деривация; 5 – гидростатический уровень; 6 – пьезометрическая линия; 7 – турбинный

водовод; 8 – здание ГЭС;

стат.

– падение реки на участке А-В; H

пл

– то же от пункта А до плотины;

дер

– то же от плотины до здания ГЭС; ∆h

А-В

– потери напора в реке и в сооружениях

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

2 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

2.1 Задачи регулирования речного стока

Распределение стока реки в течение года характеризуется

неравномерностью, в большинстве случаев неблагоприятной для выработки

энергии.

В тоже время потребление энергии сравнительно равномерно в течение

года и подвергается обычно значительным суточным и менее значительным

недельным колебаниям. Таким образом, возникают 2 основных противоречия

между потребителем энергии и ее выработкой

на гидростанции, работающей

на естественном режиме водотока:

в течение суток (недели) расход воды большинства рек остается

постоянным, тогда как потребление энергии сильно колеблется;

в течение года среднесуточное потребление энергии обычно

изменяется мало, тогда как расход воды в реке колеблется в очень

значительных пределах.

Для наиболее полного и экономного использования водных ресурсов

необходимо регулирование стока водохранилищами с целью приспособления

режима выработки электрической энергии к требованиям потребителей и

режима водоотдачи к потребностям орошения, водоснабжения, рыбного

хозяйства, судоходства и т. д.

Для выяснения оптимальных условий использования водных ресурсов

проводят водохозяйственные расчеты, которые должны характеризовать

возможный будущий режим работы водохранилищ и ГЭС. В области

гидроэнергетики

задача сводится к получению наибольших величин

гарантированной мощности, гарантированной и полной выработки энергии

гидроэлектростанции.

2.2 Основные характеристики стока рек

Сток изучается путем систематических измерений уровней и расходов

воды. Кривая связи расходов и уровней воды называется кривой

расхода (рис. 2.1). Для русла, покрытого льдом, данному расходу будет

соответствовать более высокий уровень по сравнению

с летними условиями.

По ежедневным наблюдениям уровня воды в реке можно, пользуясь

кривой расхода, построить гидрограф, т.е. календарный график

среднесуточных расходов воды, и вычислить объем стока.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 2.1. Кривая расхода

На колебания речного стока влияют:

♦ топографические характеристики бассейна реки, т.е. величина, форма

очертания и рельеф водосборной площади;

♦ климатические характеристики бассейна - количество и вид выпадающих

осадков, их распределение по времени года, годовой и суточный ход

температуры и других метеофакторов;

♦ геологическое и почвенное строение бассейна, его растительный покров.

В пределах

России по условиям питания можно выделить несколько

типов рек:

1) равнинные (сток за счет таяния зимнего снегового покрова);

2) реки с озерным питанием;

3) реки с ледниковым питанием;

4) реки с преобладающим дождевым и ливневым питанием;

5) смешанные типы рек.

На гидрографах могут быть выделены характерные, из года в год

повторяющиеся, периоды: половодье

, дождевые или ливневые

паводки и межень, которая характеризуется сравнительно

небольшими устойчивыми расходами за счет преимущественного питания

подземными водами. Водность меняется не только по сезонам года, но и из