Загрузка...Гидравлические электрические станции
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. ГИДРОЭНЕРГИЯ
Гидроэнергия — это энергия <#"justify">Преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в водоемах в механическую энергию вращения с целью приведения в действие мельниц и других механизмов применяется со времен Римской империи. Преобразование гидроэнергии в электрическую энергию стало возможным в конце XIX в. благодаря открытиям физики и техническому прогрессу. крупные гидроэлектростанции начали появляться на рубеже XIX и XX вв.
Гидроэнергетический потенциал рек бывшего СССР велик — 4000 ТВт*ч (450 млн. кВт среднегодовой мощности), или 12% от потенциала рек земного шара.
гидроэнергетика авария физический
Таблица 1
СтранаРасполагаемая мощность при среднегодовых расходах воды, ГВтСтранаРасполагаемая мощность при среднегодовых расходах воды, ГВтСНГ249,4Франция3,4США53,9Испания2,9Канада25,1Италия2,6Норвегия20,0Швейцария2,4Япония13,2Германия1,5Швеция8,9англия0,6
Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию довольно просты, однако техническое их воплощение достаточно трудоемко. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор генератора. Выработка электроэнергии зависит от потенциальной энергии воды, запасенной в водоеме, и КПД ее преобразования в электроэнергию. Мощность ГЭС зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегатов; этот перепад называется напором. Вода поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, поэтому на высоконапорной ГЭС требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше необходимые габариты турбины, что удешевляет стоимость всего сооружения. В СНГ насчитывается около 775 тыс. рек общей протяженностью более 5 млн. километров. Общий объем среднемноголетнего речного стока составляет 4720 км3. К числу крупнейших рек относят Енисей — среднемноголетний сток 623 км3, лена — 508; Обь — 397, Амур -373, Волга — 251, Печора — 131, Нева — 78, Амударья — 72, Днепр -52, Сырдарья — 36 км3. Распределение гидроэнергетических ресурсов по территории страны и данные об их использовании по состоянию, на конец 1980 г. приводятся в таблице 2.
Таблица 2
территория страныГидроэнергетический потенциалТеоретический, ТВт*чЭкономическийПолный, ТВт*чИспользуемый ТВт*чВсего39421095184/16,8Европейская часть, включая Кавказ69220180,4/40В том числе: Северо-Запад864114,4/35Северный Кавказ и Закавказье3526914,6/21остальные районы Европейской части2549151,4/56Средняя Азия и Казахстан75717327,7/16Сибирь и дальний Восток249372175,8/11
Другой путь использования водной энергии — приливные гидроэлектростанции (ПЭС). В некоторых районах мирового океана наблюдаётся очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижней отметками прилива достигает 10 м. Если открыть шлюз в дамбе в то время, когда приливная волна набирает высоту, дать возможность заполниться водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турбины и таким образом выработать электроэнергию. Более эффективно, если турбины сделать реверсивными, в этом случае они будут работать как при заполнении водохранилища, так и при его опорожнении. однако выработка электроэнергии на ПЭС возможна лишь в определенные промежутки времени суток, что затрудняет, использование приливной энергии в крупных энергосистемах. Значение суммарного энергетического потенциала, по оценкам специалистов, составляет 13000 МВт. Во Франции построены две ПЭС: одна мощностью 9 МВт, другая мощностью 240 МВт. В РФ эксплуатируется опытная ПЭС ; на Кольском полуострове мощностью 7 МВт.
2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ электрические СТАНЦИИ
2.1 Понятие: гидравлическая электрическая станция
Гидравлическая электрическая станция (ГЭС) — это электростанция <#"justify">2.2 особенности ГЭС
·Себестоимость <#"justify">2.3 Принцип работы
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины <#"justify">·мощные — вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;
·средние — до 25 МВт;
·малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.
Типичная для горных районов Китая малая ГЭС (ГЭС Хоуцзыбао, уезд Синшань округа Ичан <#"justify">·высоконапорные — более 60 м;
·средненапорные — от 25 м;
·низконапорные — от 3 до 25 м.
Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины различаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — железными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.
Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:
·РУСЛОВЫЕ И ПРИПЛОТИННЫЕ ГЭС.
Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
·ПЛОТИННЫЕ 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.
·ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.
Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации <#"justify">Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные моменты (времена не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает Потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные турбины.
В гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.
Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.
рассмотрим ПОДРОБНЕЕ РАБОТУ ГЭС.
Наиболее эффективное использование водотока возможно при концентрации перепадов уровней воды на относительно коротком участке. При наличии естественного водопада решение этой задачи упрощается, однако подобные условия встречаются крайне редко. Для использования падения уровня рек, распределённого по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада, что может быть осуществлено различиями способами.
ПРИПЛОТИННАЯ СХЕМА. На равнинных реках с большим расходом воды и малым уклоном сооружают плотины, что обеспечивает подпор
уровня водотока (рис. 1.11). Образующееся при этом водохранилище
может использоваться в качестве регулирующей ёмкости, позволяющей периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока. При этом различают две схемы расположения здания ГЭС: русловая и собственно приплотинная.
Русловая ГЭС. Ее здание входит в состав водонапорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа.
Конструкция здания в этом случае должна удовлетворять всем требованиям устойчивости и прочности, предъявляемым к плотинам. ГЭС с русловым зданием строятся при сравнительно небольших напорах — до 40м. Классическим примером такой станции является Волжская ГЭС.
Приплотинная ГЭС. Ее здание располагается за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных современных ГЭС такого типа напор доходит до 300 м. например, на Саяно-Шушенской ГЭС -242 м.
рисунок 1- Приплотинная ГЭС
ДЕРИВАЦИОННАЯ СХЕМА. Сосредоточенный перепад воды получается за счет отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода выше, чем в реке. Эта разность уровней и является напором ГЭС. Различают станции с безнапорной и напорной деривацией.
При безнапорной деривации отвод воды от реки осуществляется по открытому каналу или по тоннелю. Для забора воды в деривационный канал в русле реки возводится невысокая плотина, создающая водохранилище. Вода в канал поступает без напора, а сам канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубам подаётся к турбинам. Отработавшая вода отводится обратно в русло реки.
При нагорной деривации используются напорные трубопроводы, куда вода подается насосами. Из трубопроводов вода поступает к турбинам, а затем возвращается в реку ниже по течению.
Сооружение деривационных ГЭС целесообразно в горных условиях при больших уклонах рек и относительно малых расходах воды. В этом случае можно получить напор до 1000 м и соответственно большую мощность.
Рисунок 2- Деривационная схема
3. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
3.1 Гидроэнергетика в мире
На 2005 год гидроэнергетика обеспечивает Производство до 63 % возобновляемой и до 19 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 715 ГВт.
Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на гражданина является Исландия <#"justify">СтранаПотребление гидроэнергии в ТВт·чКитай585Канада369Бразилия364США251россия167Норвегия140Индия116Венесуэла87Япония69Швеция66Франция63
3.2 Предыстория развития гидростроения в России
В Советский период развития энергетики упор делался на особую роль единого народнохозяйственного плана электрификации страны — ГОЭЛРО <#"justify">Хроника строительства Таблица 4
15.11.1952Совет Министров СССР принял решение начать строительство Бухтарминской ГЭС на р. Иртыш.17.12.1953- 08.03.1954работы по рубке ряжей перемычки 1-й очереди.Декабрь 1955Организована Дирекция строящейся ГЭС. Построена подстанция «Козловка» и ЛЭП «УК ГЭС-Серебрянка».14.06.1956Начата укладка первого бетона в водосливную плотину.10.10.1957Перекрытие реки Иртыш.01.07.1958Начата укладка бетона в основание 1-го гидроагрегата.09.10.1958Начато строительство закрытого распредустройства ЗРУ-110 кВ.06.10.1959Начато строительство здания ГЭС.24.10.1959Закрыт последний пролет плотины.19.04.1960Начато затопление Бухтарминского водохранилища.22.04.1960Начат монтаж 1-го гидроагрегата.14.08.1960Пуск 1-го гидроагрегата.30.10.1960пуск 2-го гидроагрегата.28.12.1960Пуск 3-го гидроагрегата.18.03.1961пуск 4-го гидроагрегата.04.12.1961Пуск 5-го гидроагрегата.24.12.1961пуск 6-го гидроагрегата.25.09.1964Пуск 8-го гидроагрегата.16.08.1965пуск 7-го гидроагрегата.27.11.1966Пуск 9-го гидроагрегата.
В сооружении Бухтарминской ГЭС большая заслуга принадлежит коллективу строителей треста «Иртышгэсстрой», который возглавлял известный инженер-строитель, Герой Социалистического труда михаил Васильевич Инюшин.
При строительстве Бухтарминской ГЭС выполнены большие объемы работ, которые составили:
.По выемке мягкого грунта — 185 тыс.куб.м
.По выемке скалы — 1190 тыс.куб.м
.По образованию насыпей и обратной засыпке — 327 тыс. куб.м
.По бетону и железобетону — 1180 тыс.куб.м
.По металлоконструкциям и механизмам — 11,6 тыс.тн.
Проектирование ГЭС осуществлялось Ленинградским отделением Всесоюзного научно-исследовательского института «Гидропроект» имени С.Я.Жука. Проектировщики во главе с главным инженером проекта Мироновым М.А. очень удачно выбрали створ гидроэлектростанции, что определило экономичность ее строительства.
Строительство производилось в незатопленных котлованах, огражденных перемычками. Перемычки возводились в две очереди. За перемычками первой очереди, возводимыми у правого берега, строилась водосливная плотина, а за перемычками второй очереди сооружалась собственно гидроэлектростанция
По утвержденному проектному заданию предусматривалась мощность гидроэлектростанции 435 тыс.кВт при общей сметной стоимости 129 млн.руб.
В процессе строительства мощность гидроэлектростанции была увеличена до 675 тыс. кВт, и вместо шести гидроагрегатов введено девять при увеличении всей сметной стоимости на 10, 5 млн.руб.
3.3 Аварии и происшествия на 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.
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
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 трех 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 литературы
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.