2 3 Гидравлические электрические станции Основные понятия

2. 3. Гидравлические электрические станции

Основные понятия Гидравлическая электростанция (ГЭС) электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования механической энергии водного потока. Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии. Гидравлическая (механическая) энергия речного стока может быть преобразована в электрическую с помощью гидротурбин и генератора. Гидравлическая турбина вместе с генератором и возбудителем называется гидрогенератором.

Основные понятия Количество воды, протекающей через поперечное водотока в 1 с называется расходом воды Q (м 3/с). Расход воды наиболее крупных рек планеты: Река Расход воды Q, м 3/с Янцзы 34000 Ангара 4500 Амазонка 220000 Нил 2600 Парана 15000 Нигер 1200 Карони 5000 Конго 39000 Волга 7710 Амур 10900 Днепр 1670 Миссисипи 19000 Дон 935 Хуайхэ 1000 Дунай 6430 Обь 12700 -43000 Енисей 19800 Лена 17000

Основные понятия Суммарный объём воды, прошедшей через поперечное сечение водотока за некоторое время называется стоком W (м 3, км 3). Мощность водотока N=9, 81 QH где H — удельная потенциальная энергия жидкости, называемая напором и численно равная падению уровня свободной поверхности водотока. Выражение для N определяет потенциальную (теоретическую) выработку энергии и мощность.

Основные понятия Самые мощные ГЭС в мире: • Санься (Китай) на реке Янцзы 22, 4 Гвт; • Итайпу (Бразилия, Парагвай) на реке Парана 14, 0 Гвт; • Гури (Венесуэла) на реке Карони 10, 3 Гвт. В России самая мощная (в настоящее время без учёта Саяно-Шушинской ГЭС) Красноярская ГЭС 6, 0 Гвт. Наибольшая мощность гидрогенератора 750 МВт на ГЭС Итайпу (Бразилия, Парагвай); всего 18 таких блоков.

В настоящее время применяют три основные схемы использования гидроэнергии: • плотинная, при которой напор воды создаётся плотиной; • деривационная, при которой напор создаётся с помощью деривации (обходной водовод), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода; • плотинно - деривационная, в которой напор создаётся плотиной и деривацией.

Плотинная схема использования гидроэнергии обычно выполняется при больших расходах воды и малых уклонах реки. Посредством плотины река подпирается и создаётся напор воды Н. Водное пространство, расположенное выше плотины называется верхним бьефом, ниже плотины — нижним бьефом. Плотинная схема в зависимости от напора воды может быть русловой или приплотинной.

Русловая ГЭС строится при сравнительно небольших напорах. В этом случае здание ГЭС находится в плотине. Русловыми ГЭС являются электростанции Волжско. Камского каскада.

При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины более чем 6 раз, здание ГЭС находится за плотиной со стороны нижнего бьефа. Такая ГЭС называется приплотинной. Примерами таких ГЭС являются: Братская, Красноярская, Саяно-Шушенская

2. 3. 2. Энергомеханическое оборудование ГЭС Основные сооружения ГЭС на равнинной реке: • плотина, создающая перепад уровней, т. е. напор; • здание ГЭС в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование. В случае необходимости также строятся водосборные и судоходные сооружения, водозаборы для системы орошения и водоснабжения, рыбопромысловые сооружения и др.

Гидравлическая турбина — это гидравлическое устройство с проточной частью, которая включает: • подводящие органы (турбинную камеру, колонны статора, лопатки напраляющего аппарата), • рабочие органы (лопастную систему рабочего колеса) • и отводящие органы (отсасывающую трубу). Напоры воды на ГЭС могут быть от нескольких метров до 1500 -2000 м. Для эффективной работы ГЭС в таком широком диапазоне применяются различные системы турбин, отличающиеся формой рабочих органов и принципом воздействия воды.

Турбины делятся на два класса: • активные • реактивные. Турбина называется активной, если для её работы используется динамическое давление воды, и реактивной, если используется динамическое и статическое давление.

Наиболее распространёнными активными турбинами являются • ковшовые (а) К реактивным гидротурбинам относятся: • пропеллерные (б), • поворотно-лопастные (в), • диагональные (г) • радиально-осевые (д).

При относительно малых напорах предпочтительно использовать реактивные турбины. Вода на рабочие лопатки реактивных турбин поступает через направляющий аппарат, регулирующий расход воды и придающий потоку воды необходимое направление. В суживающихся просветах между лопатками направляющего аппарата происходит частичное преобразование потенциальной энергии в кинетическую. Дальнейшее преобразование энергии производиться на рабочих лопатках, где проходное сечение воды постепенно уменьшается.

В современной гидроэнергетике используются в основном три типа турбин: • Поворотно-лопастная (ПЛ) турбина (разработана в 1913 году чешским инженером Капланом). Рабочее колесо выполнено в форме винта пропеллера, лопасти которого в зависимости от нагрузки могут поворачиваться для достижения наибольшего КПД. Расход воды регулируется направляющим аппаратом. С его помощью производится пуск и остановка турбины, регулировка мощности и числа оборотов. ПЛ турбины установлены на Куйбышевской, Волжской и др. ГЭС с напорами до 30 м. • Радиально-осевая (РО) турбина (турбина Френенса фирмы «Сименс и Гальске» ). Рабочее колесо РО турбины имеет неподвижные лопасти, охваченные снизу ободом. Лопасти имеют сложную форму, благодаря чему вода, поступающая на лопасти направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. РО турбина изготавливается на мощности гидрогенератора свыше 100 МВт. Такие турбины установлены на Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской и др. ГЭС с напорами до 500 м. • Поворотно-лопастные для капсульных агрегатов (ПЛК), используемых при весьма малых напорах (установлены на Киевской и др. ГЭС).

Мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется по количеству воды, поступающей на лопатки турбины, и давлению этой воды: P=ρ Q H, где P — мощность, кг м /с; ρ =1000 кг/м 3 — удельный вес воды; Q — расход воды, м 3/ с; H — напор, м, или в киловаттах P=9, 81 Q H.

Однако не вся мощность, развиваемая турбиной, превращается в электрическую, поскольку при преобразовании имеют место потери, которые можно учесть введя суммарный КПД ГЭС η , учитывающий потери в водоприёмнике, водоводах, в турбине и генераторе ( η=0, 87), тогда полезная электрическая мощность определится формулой P=9, 81 Q Hη.

Приведенные выражения для мощности показывают, что одну и ту же мощность можно получить либо • за счёт большого расхода (Q) при небольшом напоре ( H), что характерно для равнинных рек, • либо за счёт высокого напора при сравнительно малом расходе — на горных реках.

Электрическая часть ГЭС состоит из электрических машин (генераторов), соединённых с гидротурбинами, трансформаторов и распределительных устройств. На ГЭС используются генераторы с горизонтальным и вертикальным расположением. Генераторы с вертикальным расположением выполняются: • подвесного типа (а), • зонтичного типа с опорой на нижнюю крестовину (б), • зонтичного типа с опорой на крышку турбины (в).

2. 3. 3. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Мощность и энергия ГЭС ограничены природными гидроресурсами, поэтому в настоящее время в некоторых энергосистемах используются ГАЭС. Особенностью ГАЭС является то, что её гидроагрегаты являются обратимыми и могут работать в турбинном (генераторном) и насосном режимах, а также наличие двух бассейнов (верхнего и нижнего) расположенных на разных уровнях. В часы ночного провала нагрузки энергосистемы гидроагрегаты ГАЭС работают в насосном режиме, получая энергию от энергосистемы (ТЭС и АЭС), и перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний. В часы прохождения максимума нагрузки гироагрегаты ГАЭС работают в режиме генераторов — вырабатывают электроэнергию; преобразуют запасённую в ночное время потенциальную (гидравлическую) энергию в электрическую.

КПД ГАЭС составляет 70 -75 %. Стоимость строительных работ на ГАЭС значительно ниже, чем на ГЭС, потому что не требуется перекрытия рек, возведения высоких плотин и т. п. Установлено, что эффект от использования АЭС можно получить, если разность уровней воды в верхнем и нижнем бассейнах не менее 100 м. В настоящее время в России эксплуатируется Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт.

В местах где имеется перепад уровней воды во время приливов и отливов строятся приливные электростанции (ПЭС), в которых используются капсульные гидроагрегаты. Наиболее мощная ПЭС во Франции; её мощность составляет 240 МВт (24*10 МВт). В России на Кольском полуострове где приливы достигают 10 -13 м построена Кислогубская ПЭС (2*0, 4 Мвт).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В энергосистеме ГЭС обычно используются для выработки электроэнергии, покрытия графика нагрузки, особенно его пиковой части, регулирования частоты, в качестве резерва и для выработки реактивной мощности в режиме синхронного компенсатора. ГЭС по сравнению с ТЭС имеют более высокие показатели: • себестоимость электроэнергии, отпускаемой с ГЭС в среднем в 5 -6 раз ниже, чем с ТЭС; • расход электроэнергии на собственные нужды на ГЭС 0, 35 %, а на ТЭС — 6, 5 %; • численность производственного персонала на ГЭС 0, 38 чел. /МВт, а на ТЭС — 1, 65 чел. /МВт. Одним из важнейших преимуществ ГЭС по сравнению с ТЭС является способность эффективно работать при неравномерном графике нагрузки энергосистемы. ГЭС имеют высокую маневренность, высокий КПД, очень высокую скорость пуска агрегатов (2 -5 мин) и возможность полной автоматизации. Кроме того, ГЭС являются «чистыми» источниками электроэнергии.

• 2. 4. Нетрадиционные способы получения электрической энергии

• С начала 90 -х годов прошлого столетия вопросы предотвращения катастрофических изменений климата планеты занимают основное место в международном экологическом законодательстве. • В 1992 году в Рио-де-Жанейро представителями более чем 150 государств подписана Рамочная Конвенция ООН по изменению климата — документ, определивший основные направления международного сотрудничества в области изучения климата и предотвращения его катастрофических изменений.

• В 1997 году страны — участницы Рамочной конвенции ООН подписали в Киото Протокол по сокращению эмиссии парниковых газов, в котором определены обязательства стран по регулированию национальных выбросов в атмосферу. • В частности, по киотскому Протоколу Россия приняла на себя обязательства не превысить в 2008 — 2012 г. г. уровня выброса парниковых газов 1990 года. • Альтернативные способы получения энергии, за счёт энергии приливов, ветра, Солнца, геотермальных источников и др. на данный момент отличаются невысоким уровнем добываемой энергии из-за её низкой концентрации. • Однако в настоящее время во многих странах большое внимание уделяется разработке проектов по использованию альтернативных источников электроэнергии.

2. 4. 1 Солнечные электростанции. • Солнце излучает в окружающее пространство поток энергии мощность которого примерно равна 4*1023 к. Вт. • Процесс переноса энергии Солнца солнечным излучением (СИ). называется • В соответствии с квантовой теорией СИ это поток элементарных частиц или фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света.

• Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн. км. • Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около 5*108 км 2. • Мощность СИ, достигающего Земли, по разным оценкам составляет (7, 5 -10)*107 к. Вт ч/год или (0, 85 -1, 2)*1014 к. Вт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии. • Если использовать всего лишь 0, 1% всей поверхности Земли, для строительства солнечных электростанций (СЭ), то полученная мощность почти в 40 раз превышает потребляемую человечеством.

• Солнечное излучение на поверхности Земли зависит от многих факторов: • широты и долготы местности, • климатических и географических особенностей, • состояния атмосферы и т. п. • Поток солнечной энергии на Земле существенно меняется; его максимальное значение составляет 2200 (к. Вт ч)/(м 2 год). • Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в диапазоне от 800 до 1400 (к. Вт ч)/(м 2 год). • Продолжительность светового дня в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год (максимум светового дня на Земле более 3600 ч/год). • Тем не менее на всю территорию России за год поступает энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

• Преобразование солнечной энергии в другие виды удобные для использования, производиться с помощью солнечных энергетических установок СЭУ, которые делятся на два вида. • Первый базируется на системе преобразования СИ в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся солнечные электростанции (СЭС), солнечные пруды, а также солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью СИ. • Второй вид базируется на прямом преобразовании СИ в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

• В настоящее время в мире и России наиболее перспективными являются два вида СЭУ: • солнечные коллекторы (СК) • СФЭУ. • СК — это устройства, предназначенные для прямого преобразования СИ в тепловую энергию в системах теплоснабжения (СТС) для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Они используются для горячего водоснабжения, отопления и теплоохлаждения.

• СТС делятся на две группы: • установки работающие по разомкнутой или прямоточной схеме • установки работающие по замкнутой схеме

• В ряде стран СК СТС стали привычным атрибутом жизни. • Технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно хорошо отработаны в мире и весьма доступны на рынке. • Наиболее экономически эффективные сферы применения солнечных водонагревательных хорошо освоены. • Например, в США более 60 % бассейнов, находящихся в среднем на широтах Краснодарского и Ставропольского краёв, Волгоградской и Ростовской областей обогреваются за счёт СИ. • В России область применения СК в настоящее время весьма ограничена; основное препятствие — относительно высокая стоимость. •

• В последнее десятилетие значительно повышен КПД СФЭУ — в фотоэлементах на основе кремния он достиг: в однослойных элементах 8 -16 %, для двухслойных 30 %, для трёхслойных 35 -40 %; а также снизилась стоимость их производства. • В однослойных элементах на основе арсенид-галия достигнут КПД 30 %. • Мировая фотоэнергетика в настоящее время представляет собой развивающийся быстрыми темпами сектор энергетического рынка с огромными возможностями для дальнейшего роста. • Интерес к фотоэнергетике обусловлен радикальным снижением удельной стоимости 1 к. Вт мощности СФЭУ за последние 20 лет (в 7 раз) и постепенным приближением её к уровню экономически оправданных энергетических проектов.

• В настоящее время СФЭУ с успехом используются во многих странах мира, особенно в Германии, США, Японии. • В Германии и Японии этому способствовали специальные государственные программы этого сектора современной энергетики. • В была успешно реализована программа 1000 солнечных крыш, а сегодня успешно реализуется программа 100 тысяч фотоэлектрических крыш, а ведь Германия в среднем находится на широте Воронежской и Липецкой областей. • Аналогичные программы реализуются в США и Японии. • • В 2000 г. в США разработан проект солнечной электростанции в Техасе размером 107*107 миль, которая может полностью обеспечить потребности страны в электроэнергии. • В России сегодня имеется хорошая научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство.

2. 4. 2. Ветроэлектростанции • Энергию ветра человечество использует очень давно ещё с античных времён. • Движущейся поток ветра, обладая кинетической энергией, оказывает силовое воздействие на подвижную часть двигателя, заставляя её вращаться и передавать полученную энергию другому устройству для совершения полезной работы (помол зерна, подъём воды, выработка электроэнергии).

• Кинетическая энергия W кин (Дж) определяется по формуле W кин =0, 5 mv 2, • воздушного потока (2. 1) • где m — масса воздуха (кг), v — средняя скорость потока (м/с). • Величина m определяется по формуле m=ρv. S, • (2. 2) • где ρ=1, 226 кг/см 3 — плотность воздуха, S — сечение перпендикулярное v (м 2). • Если в выражении (2. 1) принять массу воздуха, проходящую в 1 сек, то с учётом (2. 2), получим выражение для мощности (Дж/с N = 0, 5 ρ v 3 S или Вт), развиваемой потоком воздуха • (2. 3) N уд = 0, 5 ρ v 3. • Для S=1 м 2 из (2. 3) получим выражение для вычисления удельной мощности N уд ветрового потока (Вт/м 2) для скорости

• В ветроэнергетике обычно используется скоростей ветра не превышающих 25 м/с. рабочий диапазон • Эта скорость соответствует 9 -бальному шторму по 12 -балльной шкале Бофорта. • Ниже приведены значения скоростей ветра N уд для указанного диапазона v, м/с 2 3 4 5 10 20 25 N уд, 4, 9 Вт/м 2 16, 6 39, 2 76, 6 613 4904 9578

• Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую производится с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать по следующим признакам: • по мощности — малые (до 10 к. Вт), средние (10 -100 к. Вт), крупные (100 -1000 к. Вт), сверхкрупные (более 1000 к. Вт); • по числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух-, трёх- и многолопастные; • по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения параллельной или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье)

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) С горизонтальной осью вращения параллельной вектору скорости С горизонтальной осью вращения перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье)

• Уровень шума крупных ВЭУ непосредственно основания башни не превышает 95 -100 д. Б. у • Обычно для энергетических целей используют кинетическую энергию приземного слоя воздуха высотой не более 200 м с максимальной плотностью ρ. • При этом для повышения мощности увеличивают высоту башни, так как скорость ветра увеличивается с высотой по сложной степенной зависимости. • В мировой практике принято считать, что, если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 м/с, то использование ВЭУ представляется эффективным.

• Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки ВЭУ любой мощности (до 1 МВт). • Весьма ощутим успех развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее десятилетие составляет более 30 %. Абсолютным лидером здесь является Германия. • В России работают Крюковская ВЭС (г. Калининград) мощностью 5, 1 МВт, Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 2, 5 МВт, Элистинская ВЭС (Калмыкия) мощностью 22 МВт. • Весьма перспективным для России представляется совместное использование ВЭУ и дизельных энергоустановок (ДЭУ), которые в настоящее время составляют основы локальных систем электроснабжения обширных северных территорий страны

2. 4. 3. Геотермальные электростанции • Геотермальные электростанции (Гео. ЭС) дешёвую энергию термальных источников. используют • Развитие геотермальной энергетики России позволит в ближайшие годы полностью проблему тепло- и электроснабжения больших регионов: Камчатки, Курильских островов, Северного Кавказа, отдельных районов Сибири и на большой территории существенно улучшить систему теплоснабжения на основе тепла Земли с применением тепловых насосов. • В России сектор теплоснабжения потребляет более 45% всей энергии страны, при этом только центральное теплоснабжение будет достигать 33 -35%.

• На большой территории России имеются запасы тепла Земли с температурой 30 -40 С, а в отдельных районах имеются геотермальные резервуары с температурами до 300 С

• На территории России разведано около 50 геотермальных месторождений с запасами термальных вод, которые позволяют получить более 240*103 м 3/сут и парогидротерм производительностью 105*103 м 3/сут. • На территории страны пробурено более 3000 скважин для использования геотермальных ресурсов. • В 1965 -1967 гг. на Камчатке были построены Паужетская и Паратунская Гео. ЭС. • Паратунская Гео. ЭС — первая в мире Гео. ЭС с бинарным циклом, которая явилась прототипом почти 400 Гео. ЭС, построенных в других странах. • Бинарные электростанции — это двухконтурные станции с использованием в каждом контуре своего рабочего тела; при этом температура геотермальной воды должна быть более 85 С.

• Блочные Гео. ЭС с бинарным циклом мощностью от 300 к. Вт до 10 МВт (эл) позволяют обеспечить ряд удалённых посёлков Камчатки, Чукотки и Сибири теплом и электроэнергией.

• Геотермальное теплоснабжение наиболее выгодно при прямом использовании геотермальной горячей воды, а также применении тепловых насосов, которые могут эффективно использовать тепло Земли с температурой от 10 до 20 С. • Тепловой насос — машина, предназначенная для передачи внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с высокой температурой с помощью внешнего воздействия для совершения работы. • В основе принципа работы лежит обратный цикл Карно.

• Россия занимает ведущее место эксплуатации централизованного больших городов. в создании и теплоснабжения • Однако в нашей стране слабо развиваются локальные сети теплоснабжения на базе тепловых насосов, которые при затрате 1 к. Вт электрической мощности позволяют выдать в систему отопления от 3 до 7 к. Вт тепловой мощности. • Тепловые насосы широко применяются во многих странах мира. Наиболее мощная теплонасосная установка работает в Швеции мощностью 320 МВт (тепл); в ней используется тепло Балтийского моря. • Наибольшего эффекта в локальном теплоснабжении можно достигнуть с помощью тепловых насосов, используя низкотемпературные геотермальные источники