ЛекцииГМ

Гидромашины.

Литература:

1.Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. – М.: Высшая школа, 1969.

2.Ковалев Н.Н. Гидротурбины. Конструкции и вопросы проектирования. – Л.: Машиностроение, 1971.

3.Справочник по гидротурбинам. Под ред. Ковалева Н.Н. – Л.: Машиностроение,

1984.

4.Орго В.М. Гидротурбины. – Л.: изд. Ленинградского университета, 1975.

5. Кривченко Г.И. Гидравлические машины. Турбины и насосы. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

6. Щапов Н.М. Турбинное оборудование гидростанций. – М.-Л., Госэнергоиздат,

1955.

7. Байбаков О.В. и Зеегофер О.И. Гидравлика и насосы. – М.: Госэнергоиздат, 1957.

8.Брызгалов В.И., Гордон Л.А. Гидроэлектростанции. – Красноярск. ИПЦ КГТУ,

2002.

9.СТО 17330282.27.140.005-2008 Гидротурбинные установки. Организация эксплуатации и обслуживания. Нормы и требования. ОРГРЭС.

10.СТО 17330282.27.140.006-2008 Гидрогенераторы. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования. Ленгидропроект.

11.СТО 17330282.27.140.007-2008 Технические системы гидроэлектростанций. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования. ОРГРЭС.

Лекция 1.

Использование водной энергии. Гидроэнергетический потенциал. Технические схемы использования гидроэнергии.

1.1 Задачи использования водной энергии.

Использование гидроэнергетических ресурсов имеет ряд технических и

экономических преимуществ перед использованием других энергоресурсов.

Преимущества сводятся к следующему:

1.Гидроэнергия – возобновляемый источник, так называемый «белый уголь». Использование гидроэнергии позволяет сократить потребление углеводородного топлива для нужд электроэнергетики.

2.Себестоимость 1 кВтч электроэнергии вырабатываемой на ГЭС намного меньше, чем на тепловой станции, отсюда быстрая

1

окупаемость капитальных вложений затраченных на строительство

ГЭС. (Себестоимость э/э СШ ГЭС ≈ 10 коп.,).

3.На выработку электроэнергии на ГЭС требуется значительно меньше рабочей силы, из-за простоты технологического процесса.*

4.ГЭС обладает высокой маневренностью и гибкостью в работе. ГА может быть запущен на ХХ и включен в работу в течении от1,5 до 2

минут. (Временно неработающий, исправный ГА постоянно находится в «горячем резерве» не расходуя при этом никакой энергии.)

5.Расход электроэнергии на собственные нужды на ГЭС составляет

(0,3 – 0,5) %, а на ГРЭС до (8 – 10) % от производимой электроэнергии, что приводит к заметной экономии.

6.По сравнению с турбоагрегатами, гидроагрегаты имеют более высокий КПД. (КПД турбины до 95%, КПД гидроагрегата до 90%).

7.На ГЭС значительно меньше аварийность и износ оборудования,

следовательно они более надежны в эксплуатации.

8.Возможность получения электроэнергии в больших количествах и низкой стоимости, стимулирует развитие электроемких производств

(например: Аl).

9.Одновременно со строительством ГЭС разрешаются вопросы комплексного использования рек для судоходства, оршения,

водоснабжения.

Однако, в деле использования водной энергии для нужд общества

имеется и ряд существенных недостатков, а именно:

Неравномерность стока рек в зависимости от времени года.

Удаленность створов пригодных для строительства ГЭС от промышленных центров.

Большая трудоемкость и стоимость строительных работ, что приводит к длительным срокам строительства и большим

начальным капитальным вложениям.

Указанные недостатки в значительной мере устраняются тем, что:

2

a.При строительстве ГЭС создаются емкие водохранилища для регулирования стока рек. (Например: водохранилище Братской ГЭС – многолетнего регулирования, СШГЭС – годичного

(сезонного) регулирования, Майнской ГЭС – недельно-

суточного регулирования).

b.Обеспечивается возможность передавать электроэнергию на значительные расстояния посредством ЛЭП высокого напряжения (Максимально достигнутые значения напряжения ЛЭП ~ 1150 кВ, = 1400 кв).

c.При сооружениях ГЭС используются мощные строительные механизмы и применяются современные технологии строительства гидроузлов (бетоноукладочный кран КБГС-1000

г/п – 25 тонн, быстроходный, переподъем)

Таким образом, необходимость и преимущество использования водной энергии бесспорны и очевидны.

1.2 Гидроэнергетический потенциал.

При оценке энергетического потенциала рек следует различать:

Теоретический потенциал – суммарный (валовой) потенциал речного стока по отношению к уровню морей.

Технический потенциал – определяется существующим уровнем развития техники и составляет на сегодня 64% от валового.

Экономический потенциал – часть технического потенциала,

которую экономически выгодно использовать (при сравнении с другими видами электростанций).

По степени освоения экономически эффективных гидроэнергетических ресурсов Россия значительно уступает таким экономически развитым странам, как США и Канада.

В таблице 1.1 приведены данные об экономическом потенциале гидроэнергетических ресурсов рек некоторых стран и степени его использования.

3

Табл. 1.1 Данные об экономическом потенциале гидроэнергоресурсов рек некоторых стран и степени его использования.

Водные ресурсы России составляют около 11% мировых ресурсов.

Согласно исследованиям проведенным около 30 лет назад, экономический потенциал водных ресурсов нашей страны оценен в 852 млрд. кВтч. В

России наибольший экономический потенциал сосредоточен в Восточно-

Сибирском регионе – 350 млрд. кВтч, Дальневосточном – 294 млрд. кВтч и Западно-Сибирском – 77 млрд. кВтч. На начало 2000 г. этот потенциал использован на 23,4 %, в том числе в Европейской части на 46,6%, в Сибири на 19,7%, на Дальнем Востоке всего лишь на 3,3%.

Табл. 1.2 Региональное распределение гидроэнергетического потенциала России.

1.3 Технические схемы использования гидроэнергии.

1.3.1 Типы гидроэнергетических установок.

4

Гидроэнергетические установки используемые для преобразования энергии водного потока в электрическую, посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы, получили широкое распространение в мире. Главный фактор этого – восполнимость источника, энергии водотока. Гидроэнергетические установки в зависимости от способа преобразования энергии воды, имеют следующие разновидности:

ГЭС, ГАЭС, ПЭС.

ГЭС – Гидроэлектростанции сооружаются на реках и используют для выработки электроэнергии энергию речного водотока. В России действуют 64 ГЭС мощностью выше 30 МВт, в т.ч. 23 ГЭС мощностью 300

МВт и более. Выработка электроэнергии ГЭС эквивалентна 60 млн. т. у. т. в

год. Работа гидростанций не зависит от социально-экономический ситуации в стране. Там где не было нарушено объективное соотношение доли электроэнергии ГЭС в общем балансе, там в самых сложных условиях перехода к рынку перерыва в электроснабжении не было.

ГАЭС – Гидроаккумулирующие электростанции предназначаются для покрытия пиков графика электрической нагрузки энергосистемы с использованием электроэнергии в период глубоких провалов нагрузки. ГАЭС практически не нуждается в постоянном водотоке, поскольку для работы,

использует воду накопленную в водохранилище. Этим водохранилищем

(верхний бассейн) может быть озеро, море или искусственный бассейн. Такое водохранилище нуждается в подпитке лишь на потери – фильтрацию воды,

испарение. Но для работы ГАЭС необходим еще один – нижний бассейн.

Между этими двумя бассейнами и образуется напор, необходимый для работы ГАЭС, как гидростанции, вырабатывающей электроэнергию в часы пика нагрузки в энергосистеме. В этот период вода из верхнего бассейна через турбины срабатывается в нижний бассейн. В часы провала нагрузки,

когда появляется «свободная» электроэнергия, ГАЭС работает как насосная станция, перекачивая воду из нижнего бассейна в верхний. В зависимости от природных условий здание ГАЭС размещается на поверхности земли или

5

под землей, сейчас все чаще приобретают распространение подземные

ГАЭС.

ПЭС – Приливные электростанции. ПЭС для выработки электроэнергии используют энергию морских приливов и отливов. Приливы являются следствием взаимного притяжения системы Земля – Луна – Солнце.

Они поднимают уровень морей у берегов до нескольких метров, с

периодичностью 12 часов 25 минут. Наивысший прилив наблюдается у берегов Канады и достигает 19 метров. В России высокие приливы до 10 м

наблюдаются в заливах Белого и Охотского морей.

Идея ПЭС заключается в следующем: залив (губа, фиорд) отсекается от моря плотиной с водопропускными отверстиями. Во время прилива отверстия открыты, в залив поступает вода и уровень повышается. К началу отлива отверстия закрываются. В открытом море при отливе уровень понижается, а в заливе при закрытых отверстиях – нет. В створе плотины образуется перепад уровней (напор), который используется для производства электроэнергии. Установленная мощность действующей на сегодня Кислогубской ПЭС составляет 400 кВт, практически опытно-промышленная установка.

Таким образом, неоспоримые преимущества ГЭС, заключающиеся в их маневренности, стабильности производства электроэнергии в кризисных экономических ситуациях, низкой себестоимости электроэнергии,

комплексном использовании водных ресурсов, экономии органического топлива, отсутствии загрязняющих выбросов и т. д. остаются основой в планировании освоения гидроресурсов с тем, чтобы обеспечить объективную долю мощности и электроэнергии ГЭС в энергосистемах.

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 :

6

потенциальная часть или энергия положения и давления состоит: z – геометрическая высота (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.

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 = 9,81 1000 Q H = 9,81QH, кВт.

1000

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.

7

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.

8

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 Нст получается несколько меньше разности отметок подпертого участка реки Нак между пунктами А и К на величину hподп.

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.

9