Гидроэнергетика
8 Гидроэнергетика
8.1 Общие положения
Гидравлическая энергия рек представляет собой работу, которую совершает текущая в них вода.
Рисунок 8.1 - Схематический продольный профиль участка реки: L- длина участка; Н - падение участка; i - уклон поверхности воды; Q1 и Q2 - расходы воды в створах 1-1 и 2-2
Силой, осуществляющей работу водяного потока, является вес воды. Действие силы воды определяется падением водотока, т.е. разностью уровней воды в начале 1-1 и конце 2-2 рассматриваемого участка (рис.8.1). Если падение участка реки длиной L, м, составляет Н, м, то при расходе воды Q, м3/с, равном его среднему значению в начале и конце участка, работа текущей воды в течение одной секунды, т.е. мощность водотока - N, Вт или Дж/с, на рассматриваемом участке составляет
, кВт,
Рекомендуемые материалы
где r - плотность воды, кг/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Эта зависимость оценивает потенциальные или теоретические гидроэнергоресурсы, т.е. без учета потерь водной энергии при ее преобразовании в электрическую.
Мощность используемого гидроэлектростанцией участка реки может быть получена, если в ней учесть потери воды, напора и энергии следующим образом:
N=9,81 QHподhтhг,, кВт,
где Q - расход воды, м3/с, используемой ГЭС для получения электроэнергии; Нпод - подведенный к турбинам напор, определяемый разностью уровней верхнего и нижнего бьефов с учетом гидравлических потерь в водопроводящих сооружениях, hт - КПД турбин; hг - КПД генераторов.
Рисунок 8.2 - Плотинные схемы концентрации напора: а- русловая схема; б - приплотинная схема
КПД гидротурбин зависит от их мощности, конструкции, диаметра рабочего колеса, изменения напоров. Для средних и крупных гидротурбин наибольший КПД достигает значений от 0,89 до 0,95; для гидрогенераторов в зависимости от их мощности КПД колеблется в пределах 0,92-0,98.
8.2 Гидроэлектрические станции
Гидроэлектростанция представляет собой комплекс сооружений и оборудования, при помощи которых осуществляются концентрация водной энергии и ее преобразование в электроэнергию.
На равнинных реках, уклоны которых малы по сравнению с горными, концентрация гидроэнергии выполняется по плотинной схеме, в которой разность уровней между верхним и нижним бьефами, определяющая напор ГЭС, создается плотиной. При этом образуется водохранилище.
При гидроэнергетическом использовании горных и предгорных рек с относительно большими уклонами часто применяются деривационные схемы концентрации напора, при этом верхняя часть используемого участка также подпирается плотиной, образующей водохранилище.
Вода из верхнего бьефа направляется в деривационный водовод, гидравлический уклон которого значительно меньше уклона реки. Благодаря различным уклонам, в конце используемого участка создается разность уровней воды в реке и водоводе, определяющая напор деривационной ГЭС (рис.8.3).
Рисунок 8.3 - Деривационные схемы концентрации насоса: а- с безнапорной деривацией; б - с напорной деривацией; 1 - плотина; 2 - водоприемник; 3 - деривация; 4 – турбинные трубопроводы; 5- здание ГЭС; 6 - уравнительный резервуар
8.3 Гидравлическое аккумулирование энергии
Гидроаккумулирующие гидроэлектростанции (ГАЭС) в отличие от обычных гидроэлектростанций являются не только комплексом сооружений и оборудования для генерирования электроэнергии, но и ее потребления для преобразования в потенциальную энергию поднятой воды. Процессы потребления, преобразования и последующего генерирования электроэнергии, осуществляемые ГАЭМ, называются гидроаккумулированием. Работа ГАЭМ, как и других аккумуляторов электроэнергии, заключается в смене двух раздельных во времени режимов: накопления энергии или заряда и ее отдачи потребителям - разряда ГАЭС.
Заряд ГАЭС представляет собой подъем воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего в верхнее водохранилище. Эти водохранилища называются также резервуарами или бассейнами. Такой режим работы происходит во время снижения электропотребления ночью, в выходные и праздничные дни, а также в сезонном интервале времени. При разряде, происходящем в часы максимума нагрузки или аварии на других станциях или электрических сетях энергосистемы, потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую. При этом вода срабатывается из верхнего в нижний резервуар, т.е. пропускается через турбины или обратимые гидромашины, которые работают совместно с реверсивными электромашинами, генерирующими электрический ток, как и на обычных гидроэлектростанциях. Таким образом, гидроаккумуляторы при заряде работают как насосные станции, а при разряде - в качестве гидроэлектростанций. При этом мощность турбинного режима выражается той же формулой, что и для ГЭС, а для насосного режима - формулой мощности насосных станций:
,
где Nн - мощность насосного режима, кВт; Нн - подведенный напор, м, определяемый суммой статического напора и его гидравлических потерь; hн - КПД насосного режима; Q – подача воды, м3/с.
ГАЭС можно классифицировать по следующим основным признакам:
- по возможности использования речного стока для выработки электроэнергии совместно с гидроаккумулированием;
- по продолжительности одного цикла заряда - разряда ГАЭС;
- по типу основного гидроэнергетического оборудования.
Рисунок 8.4 - Основные схемы и элементы ГАЭС: 1 - верхний резервуар; 2 - напорный трубопровод; 3 - нижний резервуар; 4 - здание ГАЭС; 5 - здание насосной станции
По возможности использования речного стока ГАЭС разделяются на совмещенные и несовмещенные с гидроэлектростанциями. Если источником энергии, получаемой при заряде ГАЭС, являются только другие станции, то такие ГАЭС являются несовмещенными гидроэлектростанциями.
Естественный приток воды в верхний резервуар этих ГАЭС практически отсутствует (рис.8.4а), а высота подъема и высота сработки воды из одного в другой резервуар одинаковы. Такие станции иногда называются ГАЭС чистого аккумулирования, а также полного аккумулирования. При совмещенном или "неполном" гидроаккумулировании к воде, перекачиваемой из нижнего в верхний резервуар, добавляется речной сток, который увеличивает энергию разряда на выработку электроэнергии обычной ГЭС (рис.8.4б). Верхним резервуаром в этом случае может быть водохранилище в виде подпертого бьефа или озера, которое также регулирует сток, а нижний резервуар создается в нижнем путем его подпора нижележащей ступенью ГЭС или специально созданной плотиной. Такие совмещенные установки называются ГАЭС смешанного типа, или ГЭС-ГАЭС.
В рассматриваемой схеме ГЭС-ГАЭС увеличение мощности и выработки энергии используемого речного стока достигается за счет многократного перемещения воды из нижнего бьефа в верхний.
В районах, бедных гидроресурсами и нуждающихся в пиковых мощностях, получили преимущественное распространение ГАЭС несовмещенного типа. Такие станции строятся вблизи центров электропотребления при наличии благоприятных естественных условий. Они определяются, главным образом, возможностью концентрации наибольшего напора с расположением верхнего и нижнего резервуаров.
По длительности цикла гидроаккумулирования, определяемого временем полной сработки и наполнения полезного объема резервуаров, ГАЭС разделяются на станции суточного, недельного и сезонного водоаккумулирования.
Для ГАЭС несовмещенного гидроаккумулирования с искусственно создаваемыми резервуарами характерно суточное аккумулирование, которое иногда сочетается с его недельным циклом. ГАЭС суточного аккумулирования используются также в двухтактном режиме, т.е. в течение суток заряд осуществляется дважды - не только ночью, но и в часы дневного снижения нагрузки. В двухтактном режиме возможно увеличение мощности и энергии разряда ГАЭС, но при этом возрастают затраты на заряд, так как во время дневного провала нагрузки расход топлива и стоимость электроэнергии, используемой для заряда, выше, чем в ночное время.
При недельном цикле гидроаккумулирования заряд ГАЭС осуществляется ночью во время выходных суток, а разряд-днем в рабочие дни. Возможно также дополнение недельного заряда суточным подзарядом в часы наибольшего снижения нагрузки рабочих суток.
Кроме суточного и недельного гидроаккумулирования, имеется возможность его применения более длительно-сезонный цикл. Это соответствует случаю, когда значительное затопление основного русла реки для создания водохранилища ограничивается местными условиями. При этом возможно создание сравнительно небольшого речного водохранилища и вблизи него надпойменного или верхового бассейна сезонного аккумулирования. Заполнение этого бассейна производится во время половодья, а сработка - в межень. При этом подача воды для заполнения бассейна может вестись на меньшем напоре, чем ее сработка при разряде ГЭС-ГАЭС.
Помимо рассмотренных выше энергетических факторов гидроаккумулирования важное значение имеют также потери энергии при ее преобразовании из электрической в механическую и потенциальную энергию поднятой воды, а затем снова в электроэнергию. Эти потери определяют расход и экономию топлива в энергосистеме за счет гидроаккумулирования, что существенно влияет на его эффективность.
Показателем потерь энергии при гидроаккумулировании является коэффициент полезного действия hгаэс, равный отношению электроэнергии, полученной при разряде, к электроэнергии, расходуемой на заряд.
Значение КПД ГАЭС может быть получено по потерям энергии на отдельных этапах ее преобразования. Помимо потерь энергии в водоводах, электрическом и механическом оборудовании, имеются также потери во вспомогательном оборудовании.
Для современных ГАЭС с крупными обратимыми агрегатами и одинаковой частотой вращения этот коэффициент достигает 75% и более.
8.4 Приливные электростанции
Периодические изменения уровня воды в морях и океанах, называемые приливами и отливами, происходят под действием сил притяжения в космической системе Земля-Луна-Солнце. Смена приливов и отливов наблюдается на большинстве морских побережий 4 раза в сутки. При этом амплитуда колебаний уровня моря достигает максимума (сизигия) при расположении Земли, Луны и Солнца на одной прямой, а минимума (квадратуры) - при их расположении в вершинах треугольника, образуемого этими космическими телами.
Наибольшая амплитуда колебаний этих уровней, т.е. разность их максимального значения при приливах и минимального при отливах, составляет в открытом океане около 2 м. У побережий, в узких проливах, заливах и устьях рек эта амплитуда возрастает, достигая наибольшего значения до 19,6 м в заливе Фазди на Атлантическом побережье Канады, на побережье Охотского моря до 11 м, в Мезенском заливе - 10 м и на Кольском побережье - до 7,4 м.
Графики изменения рассматриваемых уровней воды, называемые мареограммами, для суток имеют синусоидальный характер. Чередование максимальных и минимальных уровней моря происходит через каждые 6 ч 12 мин. Амплитуда суточных колебаний уровня моря не остается постоянной, а изменяется по дням, а также существенно зависит от времени года. Лунный месяц составляет 29,53 сут., что соответствует продолжительности времени между двумя полнолуниями или новолуниями.
Рассматриваемый подъем и спад уровней сопровождаются изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.
Преобразование энергии отливов и приливов в электрическую возможно путем строительства приливных электростанций (ПЭС), схема которых заключается в следующем. Суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения здания станции, воспринимающего напор, и плотины. При этом образуется бассейн, куда во время прилива вода поступает из моря, а при отливе - обратно. Разность уровней воды в море и бассейне обеспечивает работу гидротурбин. При выравнивании уровней воды в бассейне и море и сокращении напора ниже минимально необходимого для работы турбин значения они останавливаются до следующего восстановления напора во время прилива или отлива.
Технический потенциал ПЭС оценивается в 33% потенциальной энергии, так как значительная ее часть не может быть использована вследствие снижения напора и других потерь энергии.
Схемы проектируемых ПЭС разделяются на одно- и многобассейновые. Первые могут выполняться как одностороннего, так и двустороннего действия.
В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной (рис.8.6). Режим, или цикл, ПЭС одностороннего действия заключается в следующем. После заполнения во время прилива бассейна, куда вода поступает через специальные отверстия в здании ПЭС, эти отверстия закрываются затворами. Через некоторое время, когда уровень моря снижается в результате начавшегося отлива, начинают работать турбины, пропуская воду в море из бассейна и срабатывая его вместимость. Когда напор становится ниже минимального, при котором могут работать турбины, они отключаются, и после достижения необходимого напора для работы турбин цикл повторяется.
При режиме двустороннего действия турбин компоновка сооружений аналогична предыдущей схеме, а цикл работы следующий (рис.8.6). После начала прилива затворы отключают бассейн от моря, в результате чего между обеими акваториями образуется перепад, достаточный для работы турбин, последние включаются и наполняют бассейн. После начала отлива, когда перепад уровней и напор турбин снова становится недостаточным для их работы, турбины отключаются и открываются водопроводящие отверстия для наполнения бассейна. Это продолжается до момента выравнивания уровней в море и бассейне, после чего закрываются отверстия и станция отключается до образования требуемого перепада для работы турбин при опорожнении бассейна. Далее цикл повторяется.
Рассмотренный режим ПЭС двустороннего действия с выработкой энергии во время прилива и наполнения бассейна, а также во время отлива и опорожнения бассейна увеличивает использование потенциальной приливной энергии до 34%. Дальнейшее увеличение выработки ПЭС достигается за счет работы их оборудования в реверсном режиме, который применяется при низких напорах и дает возможность продлить время работы турбинного режима с более высоким напором.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 15 Оптимизация комплекса операций.
Рисунок 8.6 - Одно- и многобассейновые (двустороннего действия) ПЄС
Целью этого режима работы ПЭС двустороннего действия является уменьшение времени простоя оборудования при низких перепадах уровней моря и бассейна. Достигается это следующим образом: после начала прилива во время первого простоя агрегаты откачивают воду из бассейна в море, а при простое во время отлива вода перемещается из моря в бассейн.
Продолжительность насосной работы ПЭС в обоих направлениях невелика, и выгодность этого режима в значительной мере зависит от совпадения времени простоев оборудования со временем прохождения максимумов и минимумов нагрузки энергосистемы. Если простой ПЭС при сниженном напоре совпадает с минимумом нагрузки, то насосный режим выгоден, так как расход топлива и стоимость энергии в это время минимальны. При совпадении максимума нагрузки с рассматриваемым простоем ПЭС насосный режим невыгоден, так как он увеличивает максимум нагрузки.
Периодическое несовпадение во времени прохождения максимума нагрузки и выработки энергии ПЭС с однобассейновой схемой затрудняет использование приливной энергии. Поэтому предложены схемы ПЭС с двумя и тремя бассейнами, которые дают возможность получать энергию непрерывно с небольшими колебаниями мощности в течение суток.
Двухбассейновая схема хотя и выравнивает суточную выработку энергии, но не может, как и любая другая схема, выравнивать внутримесячную неравномерность работы ПЭС, определяемую суточными колебаниями уровней приливов и отливов. Несмотря на преимущества, в том числе и на то, что равномерная выработка энергии ПЭС не только экономит топливо, но и вытесняет мощность других станций, многобассейновые схемы имеют и ряд недостатков, в том числе более высокую строительную стоимость, чем однобассейновые схемы.
Вследствие этого для ПЭС с однобассейновыми схемами ведутся поиски возможностей компенсирования неравномерности их работы как в суточном, так и в месячном разрезе. В качестве таких компенсаторов рассматриваются другие электростанции и, в частности, гидроаккумулирующие станции, расположенные в районе действия ПЭС. При этом ночная выработка ПЭС явится источником заряда ГАЭС.
