Работа гидроэлектростанции

Работа гидроэлектростанции

Введение

Люди очень давно научились использовать энергию воды для того, чтобы вращать рабочие колеса мельниц, станков, пилорам. Но постепенно доля гидроэнергии в общем количестве энергии, используемой человеком, уменьшилась. Это связано с ограниченной возможностью передачи энергии воды на большие расстояния. С появлением электрической турбины, приводимой в движение водой, у гидроэнергетики появились новые перспективы.

Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью всего в несколько сотен ват были сооружены в 1876-1881 годах в Штангассе и Лауфене (Германия) и в Грейсайде (Англия). Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние. Сооружение линии электропередачи (170 км) от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне (Германия) для снабжения электроэнергией Международная электротехническая выставки (1891) открыла широкие возможности для развития ГЭС. В 1892 году промышленный ток дала ГЭС, построенная на водопаде в Бюлахе (Швейцария), почти одновременно в 1893 были построены ГЭС в Гельшене (Швеция), на реке Изар (Германия) и в Калифорнии (США). В 1896 году вступила в строй Ниагарская ГЭС (США) постоянного тока; в 1898 дала ток ГЭС Рейнфельд (Германия), а в 1901 стали под нагрузку гидрогенераторы ГЭС Жонат (Франция).

Убедительными сведеньями о первой в мире ГЭС можно считать и информацию о первой гидроэлектростанции Хорватии в городке Шибеник (1885 год). Напряжение переменного тока мощностью 230 кВт служило для городского освещения.

Наиболее достоверным считается, что первой гидроэлектростанцией в России была Березовская (Зыряновская) ГЭС, построенная в Рудном Алтае на реке Березовка (приток р. Бухтармы) в 1892 году. Она была четырехтурбинная общей мощностью 200 кВт. Полученная энергия освещала производственные помещения, обеспечивала работу телефонной станции, и питала электронасосы для откачки воды из рудниковых шахт.

На роль первой также претендует Ныгринская ГЭС, которая появилась в Иркутской губернии на реке Ныгри (приток р. Вачи) в 1896 году. Энергетическое оборудование станции состояло из двух турбин с общим горизонтальным валом, вращавшим три динамо-машины мощностью по 100 кВт. Первичное напряжение преобразовывалось четырьмя трансформаторами трехфазного тока до 10 кВ и передавалось по двум высоковольтным линиям на соседние прииски Негаданный и Ивановский. На приисках напряжение трансформировалось до 220 В. Благодаря электроэнергии Ныгринской ГЭС в шахтах установили электрические подъемники. Кроме того, электрифицировали приисковую железную дорогу, служившую для вывоза отработанной породы, которая стала первой в России электрифицированной железной дорогой.

На 2012 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 21% всей электроэнергии в мире, установленная энергетическая мощность гидроэлектростанций (ГЭС) достигает 715 ГВт. Лидерами по выработке гидроэнергии в абсолютных значениях являются: Китай, Канада, Бразилия; а на душу населения - Норвегия, Исландия и Канада. Крупнейшими мировыми гидроэлектростанциями являются:

·        Три ущелья (Китай, река Янцзы) - 22,4 ГВт,

·        Итайпу (Бразилия, река Парана) - 14 ГВт,

·        Гури (Венесуэла, река Карони) 10,3 ГВт,

·        Тукуруи (Бразилия, река Токантинс) - 8,3 ГВт,

·        Гранд-Кули (США, река Колумбия) - 6,8 ГВт,

·        Саяно-Шушенская (Россия, река Енисей) 6,4 ГВт,

·        Красноярская (Россия, река Енисей) 6 ГВт,

·        Робер-Бурасса (Канада, река Ла-Гранд) 5,6 ГВт,

·        Черчилл-Фолс (Канада, река Черчил) - 5,4 ГВт,

По состоянию на 2011 год в России имеется 15 действующих, достраиваемых и находящихся в замороженном строительстве гидравлических электростанций свыше 1000 МВт и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.

При этом по экономическому потенциалу гидроэнергоресурсов Россия занимает второе место и мире (порядка 852 млрд. кВт ч.) после Китая, однако, по степени их освоения - 20% - уступает практически всем развитым странам и многим развивающимся государствам. Степень износа оборудования большинства российских гидростанций превышает 40%, а по некоторым ГЭС этот показатель достигает 70%, что связано с системной проблемой всей гидроэнергетической отрасли и ее хроническим недофинансированием.

1. Основные виды ГЭС

Русловые и плотинные ГЭС

- плотина; 2 - затворы; 3 - максимальный уровень верхнего бьефа; 4 - минимальный уровень верхнего бьефа; 5 - гидравлический подъёмник; 6 - сороудерживающая решётка; 7 гидрогенератор; 8 - гидравлическая турбина; 9 - минимальный уровень нижнего бьефа; 10 - максимальный паводковый уровень

Приплотинные ГЭС

Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

- плотина; 2 - водовод; 3 - площадка электротехнического оборудования высокого напряжения; 4 - здание машинного зала ГЭС.

Деривационные гидроэлектростанции:

Деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние - спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида - безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище - такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

Схема деривационной гидроэлектрической станции: 1 - плотина; 2 водоподъёмник; 3 - отстойник; 4 - деривационный канал; 5 - бассейн суточного регулирования; 6 - напорный бассейн; 7 - турбинный водовод; 8 - распределительное устройство; 9 - здание ГЭС; 10 - водосброс; 11 - подъездные пути

Гидроаккумулирующие электростанции:

Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

Приливные ГЭС (ПЭС):

Особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. В приливных электростанциях используется перепад уровней воды (колебания уровня воды у берега могут достигать 12 метров), образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов).

. Принцип действия ГЭС. Основные сооружения и оборудование гидроэлектростанций

Гидроэлектростанция − это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.

Гидроэлектростанции являются составной частью гидроузла - комплекса гидротехнических сооружений, предназначенных для использования водных ресурсов в интересах народного хозяйства: получения электрической энергии, ирригации, водоснабжения, улучшения условий судоходства, защиты от наводнений, рыбоводства и др.

Мощность гидравлического потока зависит от расхода и напора. Скорость потока воды в реке изменяется по ее длине с изменением сечения русла и гидравлического уклона. Для концентрации мощности и сосредоточения напора реки в каком-либо одном месте возводят гидротехнические сооружения: плотину, деривационный канал.

Водосбросные сооружения перепускают воду из верхнего бьефа в нижний во избежание превышения максимального расчетного уровня воды в период паводка, сбрасывает лед, шугу и т.п.

Если река судоходна, то к плотине примыкают шлюзы (судоподъемники) с подходными каналами для пропуска судов и плотов через гидроузел, перевалки грузов и пересадки пассажиров с водного на сухопутный транспорт и пр.

Для обеспечения отбора и подачи воды неэнергетическим потребителям в состав гидроузла входят водоприемные сооружения и насосные станции.

Рыбохозяйственные сооружения - это рыбоходы и рыбоподъемники для пропуска через гидроузел ценных пород рыб к местам постоянных нерестилищ, рыбозащитные сооружения и сооружения для искусственного рыборазведения. Иногда рыбу пропускают через шлюзы в процессе шлюзования судов.

Для связи объектов гидроузла между собой, соединения их с сетью государственных автомобильных и железных дорог, а также для пропуска этих дорог через сооружения гидроузла строят транспортные сооружения: мосты, дороги и др.

Для выработки электроэнергии и ее распределения потребителям в состав гидроузла входят различные энергетические сооружения. К ним относятся: водоприемные устройства и водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к турбинам и отводящие воду в нижний бьеф; здание гидроэлектростанций с гидротурбинами, гидрогенераторами и трансформаторами; вспомогательное механическое и подъемно - транспортное оборудование; пульт управления; открытые распределительные устройства, предназначенные для приема и распределения энергии.

Принцип действия ГЭС заключается в следующем: плотина образует водохранилище, обеспечивая постоянный напор воды. Вода входит в водоприемник и, пройдя по напорному водоводу, вращает гидротурбину, которая приводит в действие гидрогенератор. Выходное напряжение гидрогенераторов повышается трансформаторами для передачи на распределительные подстанции и затем потребителям.

Напор создаётся концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Деривацией в гидротехнике называют совокупность сооружений, осуществляющих отвод воды из реки, водохранилища или другого водоёма, транспортировку её к станционному узлу ГЭС, насосной станции, а также отвод воды от них. Различают деривацию безнапорную и напорную. Напорная деривация - трубопровод, напорный туннель, применяется, когда колебания уровня воды в месте её забора или отвода значительны. При малых колебаниях уровня может применяться как напорная, так и безнапорная деривация. Тип деривации выбирается с учётом природных условий района на основании технико-экономического расчёта. Протяжённость современных деривационных водоводов достигает нескольких десятков километров, пропускная способность более 2000 м³/сек. Основное энергетическое оборудование размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию. По установленной мощности различают мощные (свыше 250 МВт), средние (до 25 МВт) и малые (до 5 МВт). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровней верхнего и нижнего расхода воды Q (м³/сек)), используемого в гидротурбинах, и КПД гидроагрегата.

По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации - до 1500 м.

Одними из самых важных составляющих ГЭС считаются гидрогенераторы и гидротурбины.

Гидротурбины.

Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала.

По принципу действия гидротурбины делят на реактивные (напороструйные) и активные (свободноструйные). Вода к рабочему колесу поступает либо через сопла (в активных гидротурбинах), либо через направляющий аппарат (в реактивных гидротурбинах).

Наиболее распространённой разновидностью активной гидротурбины является ковшовая турбина. Ковшовые турбины конструктивно сильно отличаются от наиболее распространенных реактивных гидротурбин (радиально-осевых, поворотно-лопастных), у которых рабочее колесо находится в потоке воды. В ковшовых турбинах вода подается через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. Вода, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия - разделять струю воды с целью лучшего использования энергии. Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 метров (чаще всего 300-500 метров и более), при расходах до 100 м³/сек. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт и более. При напорах до 700 метров ковшовые турбины конкурируют с радиально-осевыми, при больших напорах их использование безальтернативно. Как правило, ГЭС с ковшовыми турбинами построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично. Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды. Недостатки турбины - неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования к качеству подаваемой воды.

Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) - реактивная турбина. В рабочем колесе турбин данного типа поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Применяют при напорах до 600 м. Мощность до 640 МВт.

Основным преимуществом турбин данного типа является самый высокий оптимальный КПД из всех существующих типов. Недостаток - менее пологая рабочая характеристика, чем у поворотно-лопастной гидротурбины.

Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) - реактивная турбина, лопасти которой могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего устройства. Лопасти гидротурбины могут быть расположены как перпендикулярно её оси, так и под углом. Поток воды в поворотно-лопастной турбине движется вдоль её оси. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. При вертикальном расположении оси поток перед поступлением в рабочую камеру турбины закручивается в спиральной камере, а затем спрямляется с помощью обтекателя. Это необходимо для равномерной подачи воды на лопасти турбины, а значит, уменьшения её износа. Применяется в основном на средненапорных ГЭС.

Диагональная турбина - реактивная турбина, используемая на средних и высоких напорах. Диагональная турбина представляет собой поворотно-лопастную турбину, лопасти которой расположены под острым (45-60°) углом к оси вращения турбины. Такое расположение лопастей позволяет увеличить их количество (до 10-12 штук) и применять турбину на более высоких напорах. Диагональные турбины применяются на напорах от 30 до 200 метров, конкурируя на низких напорах с классическими поворотно-лопастными турбинами, а на высоких - с радиально-осевыми турбинами. По сравнению с последними, диагональные турбины имеют несколько более высокий КПД, но конструктивно более сложны и более подвержены износу.

Гидрогенератор - электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанции. Обычно гидрогенератор представляет собой синхронную явнополюсную электрическую машину вертикального исполнения, приводимую во вращение от гидротурбины, хотя существуют и гидрогенераторы горизонтального исполнения (в том числе капсульные гидрогенераторы).

Гидрогенераторы имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м), чем в первую очередь определяется вертикальное исполнение большинства гидрогенераторов, так как при горизонтальном исполнении становится невозможным обеспечение необходимой механической прочности и жесткости элементов их конструкции.

На гидроаккумулирующих электростанциях используются обратимые гидрогенераторы (гидрогенераторы-двигатели), которые могут как вырабатывать электрическую энергию, так и потреблять ее. От обычных гидрогенераторов они отличаются особой конструкцией подпятника, позволяющей ротору вращаться в обе стороны.

Гидрогенераторы для ГЭС специально проектируются соответственно частоте вращения и мощностью гидротурбин, для которых они предназначаются. Гидрогенераторы на большую единичную мощность обычно устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками. Они, как правило, трехфазные и рассчитаны на стандартную частоту. Система воздушного охлаждения - замкнутая, с теплообменниками воздух - вода.

3. Преимущества и недостатки ГЭС

Основные преимущества гидроэнергетики очевидны. Разумеется, главным преимуществом гидроресурсов является их возобновляемость: запас воды практически неисчерпаем. При этом гидроресурсы значительно опережают в развитии остальные виды возобновляемых источников энергии и способны обеспечивать энергией большие города и целые регионы.

Кроме того, пользоваться этим источником энергии можно достаточно просто, что подтверждается длительной историей гидроэнергетики. Например, генераторы гидроэлектростанций можно включать или выключать в зависимости от энергопотребления.

В то же время достаточно спорным является вопрос о влиянии гидроэнергетики на окружающую среду. С одной стороны, эксплуатация гидроэлектростанций не приводит к загрязнению природы вредными веществами, в отличии от выбросов СО₂, производимыми ТЭС и возможными авариями на АЭС, которые могут понести за собой глобальные катастрофические последствия.

Но в то же время образование водохранилищ требует затопления значительных территорий, зачастую плодородных, а это становится причиной негативных изменений в природе. Плотины часто перекрывают рыбам путь к нерестилищам, нарушают естественное течение рек, приводят к развитию застойных процессов, снижают способность к «самоочищению», а следовательно резко изменяют качество воды.

Себестоимость производимой энергии на ГЭС гораздо ниже, чем на атомных и тепловых электростанциях, и они способны быстрее выходить на режим выдачи рабочей мощности после включения, однако их строительство обходится дороже.

Современные технологии производства гидроэлектроэнергии позволяют получать довольно высокий КПД. Иногда он в два раза превышает аналогичные показатели обычных теплоэлектростанций. Во многом такая эффективность обеспечивается особенностями оборудования гидроэлектростанций. Оно очень надёжно, да и пользоваться им просто.

Кроме того, всё используемое оборудование обладает ещё одним важным преимуществом. Это длительный срок службы, что объясняется отсутствием теплоты в процессе производства. И действительно часто менять оборудование не нужно, поломки случаются крайне редко. Минимальный срок службы ГЭС - около пятидесяти лет. А на просторах бывшего Советского Союза успешно функционируют станции, построенные в двадцатых или тридцатых годах прошлого века. Управление гидроэлектростанциями осуществляется через центральный узел, и вследствие этого в большинстве случаев там работает небольшой персонал.

Заключение

гидроэлектростанция турбина себестоимость энергия

Потенциал гидроэнергетики можно определить, суммировав все существующие на планете речные стоки. Расчёты показали, что мировой потенциал равен пятидесяти миллиардам киловатт в год. Но и эта весьма впечатляющая цифра составляет лишь четверть от количества осадков, ежегодно выпадающих во всём мире.

С учётом условий каждого конкретного региона и состояния мировых рек действительный потенциал водных ресурсов составляет от двух до трёх миллиардов киловатт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10000 - 20000 миллиардов киловатт в час.

Чтобы осознать потенциал гидроэнергетики, выраженный этими цифрами, следует сопоставить полученные данные с показателями нефтяных теплоэлектростанций. Чтобы получить такое количество электроэнергии, станциям, работающим на нефти, требовалось бы около сорока миллионов баррелей нефти каждый день.

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в перспективе не должна оказывать негативное воздействие на окружающую среду или свести его к минимуму. При этом необходимо добиться максимального использования гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому проблема сохранения природной среды при активном гидротехническом строительстве актуальна как никогда. В настоящее время особенно важен точный прогноз возможных последствий строительства гидротехнических объектов. Он должен дать ответ на многие вопросы, касающиеся возможности смягчения и преодоления нежелательных экологических ситуаций, которые могут возникнуть при строительстве. Кроме того, необходима сравнительная оценка экологической эффективности будущих гидроузлов. Правда, до реализации таких планов ещё далеко, так как сегодня разработка методов определения экологического энергопотенциала не производится.

Список источников

1. Непорожний П.С., Обрезков В.И.; «Введение в специальность: гидроэлектроэнергетика.» изд. Москва, 1982 г.

. Дробнис В.Ф. «Гидравлика и гидравлические машины», изд. Москва, 1987 г.