Типы гидроэнергетических установок

Лекция 2

ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

2.1. Назначение гидроэнергетических установок

Гидроэнергетические установки (ГЭУ) предназначены для преобразования механической энергии воды в электрическую или, наоборот, превращения электрической энергии в механическую энергию воды. Они представляют собой предприятия, включающие в себя совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования. К ГЭУ в настоящее время относят четыре типа гидроэнергетических станций: гидроэлектрические станции, приливные электростанции, гидроаккумулирующие электростанции и насосные станции.

Важным достоинством ГЭУ является то, что они в сравнении с другими энергетическими установками имеют самый высокий коэффициент полезного действия (КПД) при преобразовании энергии. Для сравнения – тепловые электростанции имеют КПД от 40 до 70 %, ГЭУ – 75-95 %. Кроме того, при выработке электрической энергии ГЭУ используют возобновляемый источник энергии. При этом первоисточником данной энергии является солнце, благодаря которому на Земле осуществляется круговорот воды в природе.

В последнее время с помощью ГЭУ производится приблизительно 23 % общемирового объема электроэнергии. В то же время этот объём составляет только лишь около 16 % от экономически выгодной к использованию части всех гидроэнергетических ресурсов. Среди ГЭУ наиболее распространенными и мощными являются гидроэлектрические станции.

Типы гидроэнергетических установок

Рис. 2.1. Плотинная схема ГЭС: 1 - водохранилище; 2 - плотина; 3 - здание ГЭС

Гидроэлектрические станции (ГЭС) – это ГЭУ, которые преобразуют в электрическую энергию механическую энергию водного потока реки. Основными сооружениями ГЭС (рис. 2.1) являются плотина, перегораживающая реку и создающая подъём уровня воды, и здание станции, в котором размещаются основное (гидротурбины, генераторы электрического тока) и вспомогательное оборудование. Вода под действием силы тяжести движется через гидротурбины и вращает их рабочие колеса. С валами рабочих колес жестко скреплены роторы генераторов электрического тока. При вращении роторов генераторы преобразуют механическую энергию водного потока в электрическую, которая затем передаётся в нагрузку. Гидротурбина вместе с соединенным с ней генератором образует гидроагрегат. Высокий КПД ГЭС (~ 90 %) обусловлен тем, что электроэнергия преобразуется из механической энергии непосредственно.

Для тепловых станций в технологической цепочке преобразования внутренней энергии топлива в электрическую имеются промежуточные ступени преобразования энергии, связанные с выработкой пара, что, естественно, ведет к снижению КПД станции.

Приливные электростанции (ПЭС) – это ГЭУ, которые преобразуют в электроэнергию механическую энергию приливных колебаний уровня моря. Обычно такие колебания происходят два раза в сутки. В некоторых местах морских побережий амплитуда приливных колебаний достигает величины 8–19 м.

Рис. 2.2. Схема ПЭС: а – план; б – цикл прилива; в – цикл отлива

ПЭС (рис. 2.2) удобно строить, если на побережье имеется достаточных размеров залив, соединенный с морем нешироким проливом. Этот пролив перегораживают плотиной и сооружают при ней ПЭС. Когда наступает прилив или отлив, между морем и заливом образуется перепад уровней воды. Гидроагрегаты ПЭС работают и при движении воды из моря в отгороженный плотиной бассейн, и при движении воды из бассейна в море. В настоящее время ПЭС не получили широкого распространения из-за их дороговизны и малого количества удобных для строительства заливов.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) – это ГЭУ, на которых перекачивают воду из нижнего бассейна в высоко расположенный верхний бассейн с последующим использованием потенциальной энергии этой воды для выработки электроэнергии. Схема ГАЭС, поясняющая принцип работы, представлена на рис. 2.3. ГАЭС в ночные часы суток за счёт электроэнергии, получаемой из энергосистемы, перекачивает насосами воду из нижнего бассейна в верхний (цикл заряда). Днём и особенно вечером, когда электропотребление в системе увеличивается, вода из верхнего бассейна пропускается через турбины в нижний бассейн (цикл разряда). При этом ГАЭС вырабатывает и отдает электроэнергию в систему. Таким образом, функционально ГАЭС выполняет в энергосистеме роль аккумулятора огромной энергоемкости, запасающего и хранящего энергию в виде потенциальной механической энергии воды. Вследствие неизбежных потерь энергии в процессе ее преобразования ГАЭС отдает в систему 70-75 % электрической энергии, получаемой ею из системы. Тем не менее, эти станции выгодны, поскольку аккумулируют более дешевую, а иногда и "бросовую" электроэнергию в ночные часы, в период малой нагрузки системы, а отдают более дорогую энергию в часы "пик" нагрузки. ГАЭС существенно улучшают технические условия работы тепловых и атомных электростанций и позволяют снизить их удельный расход топлива на выработку 1кВт^.ч электроэнергии. ГАЭС обычно строят около мощных тепловых и атомных электростанций.

Рис. 2.3. Схема ГАЭС: 1 - верхний бассейн; 2 - напорный трубопровод; 3 - здание ГАЭС; 4 - нижний бассейн

Насосные станции (НС) – это ГЭУ, которые предназначены для перекачки воды с низких отметок на высокие и для перемещения воды в удаленные пункты. На НС устанавливаются насосные агрегаты, у которых на одном валу находится насос и электрический двигатель. НС является потребителем электрической энергии.

НС имеют большое распространение. Они применяются для коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, для водоснабжения тепловых электростанций, в ирригационных системах для подачи воды на поля, расположенные на высоких отметках или в удаленных районах, на судоходных каналах, пересекающих высокие водоразделы, и т. д.

2.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

Полная механическая энергия воды, т.е. сумма ее потенциальной и кинетической энергий, называется гидравлической энергией. Гидравлическая энергия водных ресурсов, выраженная в киловаттах среднегодовой мощности или киловатт-часах энергии, определяет запасы гидроэнергетических ресурсов. Водные и гидроэнергетические ресурсы являются фундаментом всей гидроэнергетики.

Гидроэнергетика широко использует положения гидравлики, изучающей законы равновесия и механического движения жидкости. Ниже приведём основные положения гидравлики и на их основе рассмотрим методику практического подсчёта гидроэнергетических ресурсов рек.

Неподвижная жидкость. Пусть имеется некоторый сосуд, наполненный водой. Внешнее давление – . Сосуд располагается над условной плоскостью сравнения О - О (рис. 2.4). Поверхность воды в сосуде находится относительно плоскости сравнения на высоте z₀. Возьмём в жидкости произвольную точку А, находящуюся на глубине h и на расстоянии z от плоскости О - О. Тогда полное гидростатическое давление p в точке А определяется по основному уравнению гидростатики:

Рис. 2.4. Схема к определению гидростатического напора

, (2.1)

где – внешнее давление, действующее на свободную поверхность жидкости, Па; – плотность жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

Произведение есть избыточное давление (по отношению к ), или давление столба жидкости над точкой А. Если внешнее давление равно атмосферному, то избыточное давление называется манометрическим.

Из рис.2.4 видно, что h = z₀ - z. Тогда (2.1) можно преобразовать:

,

. (2.2)

В (2.2) величина называется пьезометрической высотой. При нулевом значении внешнего давления она соответствует высоте столба жидкости над данной точкой. Из последнего соотношения следует, что сумма пьезометрической и геометрической высот для любой точки неподвижной жидкости является величиной постоянной и определяется внешним давлением и положением поверхности жидкости. Данная сумма имеет свое название – гидростатический напор: H_c = + z. Величина гидростатического напора выражается в метрах. Произведение mgH_c, где m – масса какого-либо элемента жидкости, характеризует потенциальную энергию этого элемента, равную механической работе, которую он может совершить при переходе на плоскость сравнения. В соответствии с (2.2) потенциальная энергия для любых точек неподвижной жидкости одинакова.

Жидкость в состоянии движения. Состояние жидкости, находящейся в движении, определяется давлениями и скоростями во всех точках потока. Картина скоростей в каждый данный момент времени и в пространстве называется полем скоростей, а картина давлений – полем давлений.

Различают движение установившееся и неустановившееся. Если скорость и давление в каждой точке пространства, заполненного движущейся жидкостью, не изменяются во времени, движение называется установившимся, то есть скорость v и давление p являются только функциями координат:

v = v(x,y,z),

p = p(x,y,z).

Установившееся движение может быть равномерным и неравномерным. Равномерное движение соответствует случаю, когда на рассматриваемом участке потока сохраняются постоянными площадь поперечного сечения потока и его скорость v. Если данные условия не соблюдаются, то движение будет неравномерным.

Для неустановившегося движения поля скоростей и давлений в каждой точке потока изменяются со временем t:

v = v(x,y,z,t),

p = p(x,y,z,t).

Потоки жидкости часто характеризуют усредненными по сечению параметрами. При этом пользуются следующими понятиями:

площадь живого сечения , м², – это площадь поперечного сечения потока жидкости;

расход потока Q, м³/с, – объём жидкости, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени;

сток потока W, м³, – суммарный объём жидкости, прошедший через поперечное сечение потока за какое-либо время t (W =Q t );

средняя скорость потока v, м/с, определяется как v = Q/ .

Из определения средней скорости потока следует, что

.

Если поток жидкости не имеет дополнительных каналов притока или потерь, то расход жидкости в каждом его сечении постоянен, то есть

.(2.3)

Индексы 1 и 2 соответствуют номеру сечения потока. Уравнение (2.3) называется уравнением неразрывности потока и является первым основным уравнением гидродинамики. Из него следует, что

,

то есть средние скорости в поперечных сечениях обратно пропорциональны площадям этих сечений.

Рис. 2.5. Схема потока жидкости и его характеристики в сечениях 1 и 2

Вторым основным уравнением гидродинамики является уравнение, устанавливающее зависимость между скоростью и давлением в различных сечениях потока жидкости.

Рассмотрим поток идеальной жидкости в потенциальном поле Земли (рис. 2.5). Для идеальной жидкости диссипативные потери энергии при движении отсутствуют. В связи с этим полная механическая энергия какой-либо выделенной части жидкости потока, равная сумме потенциальной и кинетической энергий (Э = mgH_c + mv²/2), в каждом сечении потока сохраняется:

Э = mgH_с1 + mv₁²/2 = mgH_c2 + mv₂²/2. (2.4)

Здесь m – масса выделенной части жидкости; g - ускорение свободного падения. Разделив выражение (2.4) на mg и учитывая определение H_c, получим

Э/mg = . (2.5)

Это уравнение носит название уравнения Бернулли. Здесь v₁²/2g и v₂²/2g - удельные кинетические энергии жидкости (скоростные напоры) в сечениях 1 и 2. Удельная энергия потока Э/mg (полная механическая энергия элемента жидкости потока весом 1 Н) имеет размерность длины (м), обозначается H_g и называется гидродинамическим напором. В соответствии с (2.5)

. (2.6)

Из уравнения Бернулли следует, что гидродинамический напор в любом сечении потока жидкости постоянен. Это уравнение выражает для движущейся жидкости закон сохранения механической энергии и устанавливает важную зависимость между v, p и z.

Уравнение Бернулли, записанное в форме (2.5), справедливо лишь для идеальной жидкости и при отсутствии потерь на трение. Для реальных потоков с учётом неравномерности распределения скоростей по площади живого сечения и потерь напора H_g, связанных с работой сил трения, уравнение Бернулли записывается следующим образом:

, (2.7)

где – коэффициент Кориолиса (обычно =1,045 – 1,1); – величина потери гидродинамического напора на участке между сечениями 1 и 2.

Разновидности уклонов. Для характеристики изменения гидродинамического напора и его составляющих вдоль потока жидкости на каком-либо участке 1-2 длиной l служат понятия о трёх разновидностях уклонов:

геометрический уклон – характеризует геометрический уклон потока относительно плоскости сравнения;

пьезометрический уклон – характеризует изменение давления вдоль потока;

гидравлический уклон – характеризует величину изменения гидродинамического напора на единице длины потока.

Понятия об уклонах широко используются в различных водохозяйственных и водноэнергетических задачах.