Альтернативная гидроэнергетика

Тема: Схемы использования водной энергии

1. Освоение малых водотоков

В последние годы в мировой гидроэнергетике постоянно повышается интерес к строительству малых гидроэлектростанций. После 20-летнего перерыва в 70-х годах ХХ в. государственные органы и специалисты многих стран вернулись к оценке масштабов строительства малых гидроэлектростанций, постановке технических задач, определению экономических критериев. В 80-х годах это направление гидроэнергетики получило всеобщее признание. Началась разработка технических решений, в основном, в области создания гидросилового оборудования, определения гидроэнергетического потенциала малых рек, выбора площадок для малых ГЭС и их экономического обоснования.

По существующей классификации ООН к малым относятся ГЭС мощностью до 20 МВт, в том числе:

микро-ГЭС – мощностью до 100 кВт,

мини-ГЭС - от 100 КВт до 1 МВт и собственно

малые ГЭС – от 1 до 20 МВт.

По экономическим показателям малые ГЭС, установленная мощность которых меньше 10 МВт, в среднем уступают традиционным крупным гидроэлектростанциям, хотя наиболее совершенные малые ГЭС близки по экономическим показателям, в том числе себестоимости вырабатываемой электроэнергии, крупным ГЭС. Поэтому основным направлением проектных работ продолжает оставаться снижение стоимости гидротехнических сооружений и гидросилового оборудования и сокращение эксплуатационных затрат путём полной автоматизации оборудования и отказа от эксплуатационного персонала. наибольшие возможности снижения стоимости сооружений при строительстве малых ГЭС имеются при условии сооружения их в составе существующих гидроузлов, не освоенных в энергетическом отношении.

Наиболее серьёзное внимание уделяется производству гидросилового оборудования для малых ГЭС, стоимость которого может достигать 50% общей стоимости строительства.

Постепенно гидросиловое оборудование для малых ГЭС становится важной статьёй экспорта многих зарубежных фирм, в том числе первых, разработавших номенклатуру малых гидротурбин и быстро освоивших их производство.

Если говорить о небольших гидроэлектростанциях, так называемых мини- и микро- ГЭС, то они предназначены для обеспечения электроэнергией отдалённых животноводческих ферм, строительства новых горных посёлков, курортных объектов и др., в случае расположения их около относительно небольших быстротечных горных рек. Преимущество таких рек заключается в том, что, вместо искусственного скопления их вод в не всегда рациональных водохранилищах, можно построить на них каскад мини ГЭС небольших мощностей (от сотен киловатт до 1-2 МВТ), используемых для небольших хозяйств.

1. Принципиальные схемы гидроэнергетических установок.

Создание (концентрацию) напора можно осуществить различными способами. В зависимости от этого различают три основные схемы гидроустановок:

1. плотинную, при которой весь напор создаётся плотиной;
2. деривационную, при которой напор создаётся при помощи деривационных (обводных) сооружений;
3. смешанную, или плотинно-деривационную, при которой напор создаётся как плотиной, так и деривационными сооружениями.

Плотинная схема (см. рис.1, схема а).

Рис. 1 Схемы создания напоров в приплотинных и деривационных ГЭС

Эта схема характеризуется наличием плотины, создающей разность отметок уровней перед плотиной (верхний бьеф) и за плотиной (нижний бьеф). Здание силовой станции расположено рядом с плотиной или в плотине. 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 подпорного участка реки Н_АК между пунктами А и К на величину h подп.

В приплотинных установках вода из реки попадает непосредственно в аванкамеру , откуда через подводящие камеры поступает к гидравлическим турбинам. Напор, создаваемый плотиной, обычно небольшой, но может доходить до 230 м.

Высота плотины и создаваемый ею напор определяются топографическими условиями местности, расположенной выше плотины, и допустимым пространством затопления.

Гидротехнические сооружения приплотинной ГЭС включают в себя плотину, перегораживающую реку и создающую напор, ледозащитную и сороудерживающую стенку, отделяющую здание станции от реки и препятствующую проникновению льда и других плавающих тел к турбинам, и здания станции. Для пропусков излишков воды в период паводков устраивают дополнительные водоспуски, как донные, так и поверхностные, закрываемые при нормальной эксплуатации затворами. Часто при плотинах создаются дополнительные сооружения – шлюзы, рыбоходы и др.

Деривационные схемы (см. рис. 1, схемы б и в).

Деривационная система, изображённая на схеме б, устроена в подводящей части гидротехнического сооружения. Она характеризуется тем, что вода, прежде чем попасть к турбинам, проходит сначала по искусственно созданным напорным или безнапорным водоводам. Высота плотины может быть весьма небольшой. Её цель – задержать поток и отвести воду в систему, посредством которой создаётся напор установки.

Деривационный канал проводится по берегу кратчайшим путём с гидравлическим уклоном, значительно меньшим, чем уклон реки. Н пути движения воды от точки А до точки Д имеет место потеря напора, равная h дер.

Деривационная схема преимущественно применяется при больших уклонах рек с малыми расходами, т.е. главным образом в горных условиях.

Вся установка в целом включает в себя следующие гидротехнические сооружения: головной узел, деривационный канал, напорный бассейн, трубопроводы и здание ГЭС.

Головной узел имеет глухую плотину, водосливную плотину с затворами, промывные отверстия, водохранилище, водоприёмник, заградительные решётки и др.

Деривационный канал состоит из напорных туннелей или из безнапорных водоводов, берущих своё начало от головного узла. В конце деривационного канала сооружается напорный бассейн или уравнительная башня. Напорный бассейн оборудуется устройствами для спуска воды и скопившихся наносов щитами, решётками и др.

От напорного бассейна вода подводится к зданию ГЭС напорными трубопроводами, на которых часто устраивают затворы, позволяющие в случае надобности прекращать доступ воды к турбинам.

Вода из турбин поступает в отводящий канал.

На схеме, изображённой на рис. 1, схема в, деривационный канал устроен в отводящей части гидротехнического сооружения.

По этой схеме машинное здание размещается на некотором удалении от нижнего конца используемого участка водотока, т.е. от точки К. Вода, после её использования в двигателях, отводится в точку К реки при помощи канала, имеющего меньший уклон, чем у реки.

Здание ГЭС располагается в земляной выемке ниже дна реки и вода подводится к нему трубопроводом, берущим своё начало у плотины.

Смешанная схема (рис. 1, схема г).

Такая схема характеризуется тем, что напор на ГЭС создаётся частично Зв счёт плотины, частично за счёт деривации.

Эта схема может оказаться выгодной, например, в том случае, когда на верхнем участке река имеет небольшой уклон, а на нижнем – более значительный.

При смешанной схеме концентрации напора иногда удаётся создать водохранилище выше плотины, которое может служить для регулирования стока воды. Гидротехнические сооружения ГЭС смешанной концентрации напоров включают в себя элементы приплотинной и деривационной гидростанций.

1. Энергия жидкости.

Рассмотрим основные гидравлические показатели, характеризующие движение жидкости и её энергию.

3.1. Давление жидкости в различных местах проточного тракта гидравлических турбин имеет большое значение при оценке энергетических и других показателей их работы, поэтому на определении давления следует остановиться подробнее. Прежде всего нужно иметь в виду, что различают абсолютное давление р_а и избыточное давление р, причём

р_а = р_атм + р , ( 1 )

где р_атм - атмосферное давление, зависящее от отметки местности. На уровне моря р_атм = 10000 Па = 0,1 МПа.

измеряется пьезометрической высотой в метрах столба жидкости;

ρ - плотность жидкости, кг/м³, для воды ρ = 1000 кг/м³;

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

Зависимость атмосферного давления в м. водного столба от абсолютной отметки может быть представлено формулой:

, ( 2 )

в которой - абсолютная отметка.

Избыточное давление связано с пьезометрической высотой зависимостью

, т.е р = ρgН_п..

Здесь р – давление, Па;

Н_п – пьезометрическая высота, м.

Если абсолютное давление в точке ниже атмосферного, то высота пьезометрического уровня отрицательна ( < 0) или равна вакуумной высоте, Н_В, т.е. соответствует значению вакуума – дефициту давления до атмосферного.

В этом случае абсолютное давление определяется по формуле

( 3 )

3.2. Удельная энергия потока е в данном его сечении обычно относится к массе протекающей жидкости, соответствующей силе веса в 1 н. В этом случае е может быть представлена трёхчленом (рис. 2):

, ( 4 )

в котором каждый из членов выражается в или , т.е. в единице напора. Это позволяет дать геометрическую интерпретацию закономерностей движения потока, что особенно удобно. Напор является одним из основных показателей работы гидравлических машин.

Из выражения (4) следует, что полная удельная энергия потока е слагается из трёх составных частей:

- пьезометрическая высота (энергия давления);

- геометрическая высота над плоскостью сравнения 0-0 (потенциальная энергия или энергия положения)

- скоростная высота, или скоростной напор (кинетическая энергия);

v – средняя скоростьв данном сечении, (Q – расход через сечение I-I, а F - его площадь;

- коэффициент Кориолиса, учитывает неравномерность распределения скоростей по сечению

, ( 5 )

где v_i – местная скорость в данной точке сечения.

Рис. 2. К определению удельной энергии жидкости.

Следует подчеркнуть, что удельная энергия потока в записи (4) предполагает, что давление по сечению распределено по гидростатическому закону, т.е.

В связи с этим (4) можно применять только к сечениям с плавно изменяющимся движением, где кривизна линий тока мала.

3.3. Мощность потока жидкости N_Ж относительно плоскости сравнения 0-0 можно найти, используя выражение удельной энергии (4), приняв Если объёмный расход Q , м³/с, то весовой = ρgQ , н/с. Следовательно,

. ( 6 )

Здесь N_ж дано в Дж/с или Вт.

Если учесть, что для чистой воды ρ = 1000 кг/м³ и принять g = 9,81 м/с² , то выражение N_Ж кВт, будет иметь вид

( 7 )

3.4. Уравнение Бернулли для установившегося движения несжимаемой жидкости имеет вид:

( 8 )

Здесь р₁, р₂ и v₁, v₂ - соответственно давления и средние скорости в сечениях I-I и 2-2; h_(1-2) - гидравлические потери на трение (по длине) и местные (резкий поворот потока, изменение размеров сечения и др.) на участке между сечениями I-I и 2-2. Эти потери для турбулентного течения можно найти по формуле гидравлики:

,

где ξ_(1-2) – суммарный коэффициент потерь;

v - средняя скорость в некотором сечении, которое принимается за расчётное.

Рис. 3. Геометрическое представление уравнения Бернулли