1.3.2 Мощность речного потока.

Вода, двигаясь в реках под действием сил тяжести, свершает работу. Для двух сечений 1-1 и 2-2 реки на участке длиной L, согласно уравнению Д. Бернулли, удельная энергия потока равна:

Е₁ = z₁ + +

Е₂ = z₂ + +

потенциальная часть или энергия положения и давления состоит:

z – геометрическая высота (м),

- пьезометрическая высота (м);

кинетическая часть или скоростной напор - (м).

где: γ = ρ*g - объемный вес (кг/м³)

при этом плотность воды ρ = 1000 (кг*с²/м⁴), g = 9,81 (м/с²)

α – коэффициент кинетической энергии потока (коэффициент Кориолиса), учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению. Для равномерного турбулентного потока по экспериментальным данным α = 1,03 – 1,1

Разность удельных энергий потока в сечениях 1—1 и 2—2 пред­ставляет собой работу (срабатываемый напор Н), которую совер­шает 1 кг воды при его перемеще­нии из первого сечения во второе:

Рисунок 1. Схема к определению работы речного потока.

Н = (z₁ + + ) – (z₂ + + ), м.

Предполагая, что давления и кинетические энергии потока в рассматриваемых сечениях равны, поэтому работу, совершаемую весовым расходом ρgQ в единицу времени, определяют по формуле:

N = ρgQ(z₁ – z₂) = ρgQH, Вт.

Величина расхода равна произведению скорости потока и площади сечения: Q = v*s, м³/с.

Подставляя γ = ρ*g = 1000*9,81 (кг/м³) и выражая мощность в кВт, получим:

Nпотока = = 9,81QH, кВт.

Эта мощность речного потока в естественном состоянии расходуется на преодоление сил трения о ложе реки, взаимное гашение энергии потока и т.д. Для использования энергии данного участка реки в целях получения электроэнергии, необходимо искусственно сконцентрировать падение этого участка в одном каком-либо месте, т.е. создать разность уровней воды, которую называют статическим напором.

Путем строительства на реках гидроэлектростанций и установ­кой в здании ГЭС гидроагрегатов гидравлическая энергия потока, рассредоточенная на определенном участке реки, концентрируется в одном месте и преобразуется в электрическую.

1.3.3 Схемы и компоновка гидроузлов.

Рисунок. 2. Схемы создания напора в приплотинных и деривационных ГЭС.

В практике гидроэнергетического строительства применяют раз­личные технические схемы использования водной энергии. В зависимости от местных условий, концентрация напора на ГЭС достигается при помощи гидротехнических сооружений, образую­щих следующие технические схемы: плотинную, деривационную и плотинно-деривационную.

Плотинная схема (рис. 2а). Эта схема характеризуется наличием плотины, которая создает разность отметок уровней перед плотиной (верхний бьеф) и за плотиной (нижний бьеф). По­верхность воды в верхнем бьефе перед плотиной в разрезе вдоль потока образует так называемую кривую подпора. Вследствие этого используемый статический напор Н_ст получается несколько меньше разности отметок подпертого участка реки Н_ак между пунк­тами А и К на величину h_подп.

В плотинных схемах гидроузлов здание машинного зала располагается рядом с плотиной или в плотине, при этом в зависимости от величины напора и размеров гидротурбин гидро­станции могут быть двух типов — русловые и приплотинные.

Русловые — здание ГЭС входит в состав сооружений, соз­дающих напор (рис.3), и полностью воспринимает сдвигающие и опрокидывающие усилия, действующие на него со стороны воды. ГЭС такого типа строят при напорах 3 — 40 м и устанавливают на них, главным образом, осевые гидротурбины.

Рисунок 3. Плотинная схема. Русловая ГЭС.

а – план сооружений, б – поперечный разрез по зданию. 1 – здание ГЭС. 2 – водосливная плотина. 3 – земляная плотина. 4 – шлюз.

Приплотинные — здание ГЭС находится непосредст­венно за плотиной (рис. 4а). Такие ГЭС строят при средних и высо­ких напорах (Н = 40 – 300 м). Подвод воды к турбинам осуще­ствляется при помощи водоприемников и турбинных водоводов. Устанавливаемые типы турбин: осевые или диагональные поворотно-лопастные и радиально-осевые, в зависимости от величины напора, графика нагрузки и требований, предъявляемых к установке тур­бин на ГЭС.

Рисунок 4. Плотинная схема. Приплотинная ГЭС.

а – план сооружений; б — поперечный разрез по плотине и зданию.

1 — плотина глухая; 2 – водоводы; 3 — здание ГЭС; 4 — гидроагрегат; 5 — плотина водосливная; 6 — судоподъемник.

Пример русловой станции – Майнская ГЭС, приплотинной – Саяно-Шушенская ГЭС.

Напор, создаваемый плотиной, обычно небольшой, но он может доходить до 230 м; например, на Нурекской ГЭС на реке Вахш высота плотины около 300 м. (Саяно-Шушенская ГЭС: Н_пл = 242 м, Н_расч=194 м) Высота плотины и создаваемый ею напор определяются топографическими условиями местности, расположенной выше плотины, и допусти­мыми пространствами затопления.

Деривационная схема (рис 2б, 2в). При больших уклонах рек с относительно малыми расходами воду отводят в так называемую деривацию (ка­нал или туннель). Гидравлический уклон деривации выбирают ми­нимальным, обеспечивающим необходимый расход. Таким образом, значительный перепад реки, в естественном состоянии рассредото­ченный на большом протяжении, при помощи деривации концентри­руют в одном месте, где строят здание ГЭС и устанавливают гидро­агрегаты. Трасса деривации должна быть по возможности кратчай­шей, чтобы избежать дополнительных потерь напора. Деривация может быть подводящей (рис 2б) или отводящей (рис. 2в). Одна из возможных схем указана на рис. 5.

Рис. 5. Деривационная схема:

а — план сооружений; б — вертикальный разрез: / — плотина; 2 — деривация; 3 — турбинные водоводы; 4 — здание ГЭС.

Напоры, создаваемые при помощи деривации, находятся в преде­лах Н = 200 – 2000 м и зависят от природных и других условий. На деривационных ГЭС применяют следующие типы турбин: радиально-осевые (Н < 650 м) или ковшовые (Н > 300 м).

Плотинно-деривационная схема (рис. 4г). Напор на станции соз­дается при помощи плотины и деривации одновременно. Если река на верхнем участке имеет малый уклон, там целесообразно постро­ить плотину и создать водохранилище, которое будет использовано для регулирования расхода на ГЭС. Основная часть напора создается, как правило, деривацией. Величина напо­ров и используемое турбинное оборудование такие же, как и в случае деривационной схемы.

Рис. 5. Плотинно-деривационная схема:

а — план сооружений; 6 — вертикальный разрез: 1 — плотина; 2 — деривация; 3 — урав­нительный резервуар; 4 — турбинные водоводы; 5 — здание ГЭС.

13