Гидроэнергетические сист. Использование воды для получения механической энергии достаточно старая практика
 Скачать 3.89 Mb.
|
|
Самые крупные ГЭС 9 ПОТЕНЦИАЛ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ Существуют два главных фактора, которые определяют энергетический потенциал: расход воды за единицу времени и высота падения воды по вертикали. Верхняя точка, с которой падает вода - вершина - может быть естественной благодаря топографическому местоположению или может быть создана искусственно посредством строительства дамб. Другой фактор - расход воды - прямой результат интенсивности, распространения и продолжительности дождевых осадков. Он также зависит от прямого парообразования, испарения, инфильтрации в землю, площади бассейна реки и грунта. Реки являются частью процесса круговорота воды в природе, "управляемого" солнцем. Вода испаряется с поверхности мирового океана в атмосферу, затем выпадает в виде осадков на Землю, после чего различными наземными и подземными потоками вновь "возвращается" в океан. Мировой потенциал гидроэнергетики может быть оценен с помощью суммирования всех речных стоков, существующих на Земле. Результаты показывают, что этот суммарный потенциал, достигающий 50 000 млрд кВт·ч в год, составляет только четверть от количества выпадающих в мире осадков, но превосходит более чем в четыре раза суммарное годовое производство всех существующих в мире электростанций. Основываясь на местных условиях и состоянии мировых рек, реальный потенциал мирового водного ресурса находится в интервале 2 - 3 млрд кВт, что соответствует годовой выработке энергии в 10 000 - 20 000 млрд кВт·ч (согласно данным ООН за 1992г.). Остаётся важным вопрос: какое количество этого потенциала мы можем позволить себе использовать. Теоретический ежегодный потенциал производства в 10 000 млрд кВт·ч электроэнергии означает, что для производства такого же количества электроэнергии на теплоэлектростанциях, работающих на нефти, потребовалось бы приблизительно 40 млн баррелей нефти в день. СТОИМОСТЬ Благодаря относительно низким затратам и конкурентоспособной цене за электроэнергию, выработанной на ГЭС, гидроэлектростанции представляют собой очень привлекательный бизнес для инвесторов. Кроме того, срок эксплуатации ГЭС намного превышает срок службы энергогенерирующих станций, работающих на ископаемом топливе. Существуют ГЭС, находящиеся в эксплуатации практически 100 лет. 10 11 ПРОБЛЕМЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ Основной причиной того, что ГЭС не строят повсеместно, является высокая стоимость их строительства, а также необходимость наличия больших водных ресурсов в относительной близости к населенным пунктам. К другим проблемам, связанным со строительством ГЭС, относятся: воздействие дамб на речные экосистемы и социальные проблемы, в частности, связанные с переселением жителей. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ Русло реки - экологическая система, где изменения в пределах одного компонента могут вызвать цепную реакцию. Например, изменения в расходе воды могут воздействовать на качество воды и ситуацию с рыбой ниже по течению. Барьеры дамбы могут значительно изменять условия существования рыбы. Кроме того, помимо появления нового водохранилища или увеличения размеров старого, построенная дамба может блокировать миграционные пути рыбы. Изменения среды могут быть обнаружены и далеко вниз по течению, иногда даже в море. В тропиках могут происходить большие сезонные изменения количества осадков. В сухие периоды парообразование с озер и водохранилищ может быть значительным, что повлияет на уровень воды в водохранилищах более существенно, чем в умеренных широтах. Русло реки и ее водораздел взаимно влияют друг на друга. Русло, например, может воздействовать на местный климат и уровень грунтовых вод в окружающих районах. Седиментация, происходящая в водохранилище, часто приводит к повышенной эрозии земли вниз по течению, что, в свою очередь, увеличивает суммарную эрозию земли в регионе. Изменения скорости течения и уровня воды также вызовут изменения в перемещении осаждающихся веществ. Во время строительства ГЭС особенно большим будет перемещение грязи и отложений вниз по течению от места возведения станции. Земляные работы и проходка туннеля могут привести к значительному ухудшению качества воды, что вызовет дополнительные проблемы. ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ Грунтовые воды играют важную роль в поддержании существующей экосистемы, ее флоры и фауны. В грунтовые воды являются также источником питьевой воды. Водохранилища вместе с изменением и возможными колебаниями уровня воды, вызванными наличием ГЭС, влияют на уровень грунтовых вод в окружающих районах, что, в свою очередь, может повлиять на качество воды и перемещение осадков в русле реки в результате стока и эрозии. ЧРЕЗМЕРНОЕ УДОБРЕНИЕ Всякий раз, из-за попадания питательных веществ в водохранилище, результатом может быть его чрезмерное удобрение - эутрофикация, что может привести к ускоренному росту водорослей и других водных растений. Увеличенное образование органических веществ в водохранилище или поступление их извне может вызывать анаэробные процессы (недостаток кислорода) в глубинных слоях воды. В целом, мелкие озёра с большой площадью поверхности наиболее уязвимы, отчасти потому, что резерв кислорода в нижних слоях воды ограничен по сравнению с верхними слоями, где "вырабатываются" органические вещества. В глубоких узких 12 озёрах, при условии регулярной циркуляции воды, содержание кислорода в глубоководных слоях будет достаточным для переработки отложившегося органического вещества. Если река изначально богата питательными веществами, риск эутрофикации увеличивается. Парообразование также может увеличивать концентрацию питательных веществ, приводя к чрезмерному удобрению или эутрофикации. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ Водохранилище служит "ловушкой" для питательных веществ и грязи, что может привести к значительному понижению общей миграции питательных веществ вниз по течению. Кроме того, годичные изменения в снабжении питательными веществами русла реки могут также подвергаться изменениям, что в свою очередь снижает биологическое воспроизводство на всем пути к морю. Имеются примеры, когда вследствие строительства дамбы лов рыбы морским флотом сокращался. РЫБА Для некоторых видов рыб могут возникнуть препятствия для их размножения из-за возможного изменения уровня воды во время периода нереста. В искусственном водоеме обычно обитают меньше видов рыб, чем в естественном озере. Изменения потока воды могут радикально влиять на питательные вещества и условия икрометания вниз по течению. Также изменяется и "образование" пищи, как и ее доступность для рыбы. В дамбе и на местах сброса воды от турбин может выделяться избыточный газ, преимущественно азот, что может быть смертельным для рыбы ФЛОРА И ФАУНА Затопление и изменение потока воды, кроме того, вызывает изменение фауны и флоры вне русла реки. Из-за постоянных или периодических затоплений под ударом окажется животный и растительный мир района, где находится ГЭС. Если животные могут частично переместиться в новые места обитания вне области водоема, (естественно, если соответствующие условия среды будут найдены), то растительность затопляемых областей считается утраченной. Трудно предсказать вообще, какие произойдут изменения вне затопленной области. Локальные климатические изменения и изменения уровня грунтовых вод могут воздействовать на флору и фауну. Ценные виды и природные разновидности могут быть потеряны навсегда. Общее увеличение активности в районе (транспорт, шум и т.д.), особенно характерные для периода строительства, также воздействует на фауну отрицательным образом. ДВИЖЕНИЕ ПОПУЛЯЦИЙ Для больших ГЭС с дамбами необходимы большие водохранилища и большие площади для разлива. Для освобождения места под эти площади необходимо переселить много людей. Это значит, что жизнь многих людей может существенно измениться вследствие абсолютно нового местожительства, нового распределения земли, новых условий труда и стиля жизни. В случае с возведением больших ГЭС воздействие на жизнь людей может быть достаточно серьезным. 13 Некоторые ГЭС оборудованы каналами для рыбы 14 Социальные последствия, вероятно, возникнут и в том случае, если население района, где строится ГЭС, будет вынуждено переселиться на земли более экологически уязвимые и менее плодородные, чем те, которые они традиционно использовали. Такое косвенное воздействие на экологию может вызвать ряд значительных экологических проблем, имеющих негативные последствия для всего района, где находится ГЭС. Особенно страдает коренное население. Из-за своих социально-культурных традиций и исторически сложившейся привязанности к земле, воде и другим природным ресурсам, они не могут приспособиться к изменениям и новым видам деятельности. Перемещение групп коренного населения ставит под удар всю их культурную систему. Такие меньшинства брошены на произвол судьбы, поскольку они практически не имеют большого политического влияния и возможности отстаивать свои собственные интересы. Изменения в условиях социальной, экономической и религиозной организации общества могут создавать ряд косвенных социальных последствий, которые трудно предвидеть в процессе планирования проекта. Культурные ландшафты, древние стоянки, святые места, места погребения и т.д. часто имеют большое значение для культуры местного населения. ЗДОРОВЬЕ Большие ГЭС могут влиять на развитие эпидемий заболеваний, связанных с водой. Водохранилище может улучшать проживание и условия размножения паразитических организмов, вызывающих различные заболевания. Среди них можно упомянуть сыпной тиф, холеру, дизентерию и другие. К заболеваниям, связанным с водной средой обитания основных переносчиков, относятся биляриоз, малярия, филариоз, сонная болезнь и желтая лихорадка. Водохранилища, где находится большое количество стоячей воды с низкими колебаниями ее уровня, создают благоприятные условия для жизни болезнетворных организмов. Растительность в водохранилище также "улучшает" среду обитания для некоторых типов переносчиков инфекции. Например, растительность может снабжать переносчиков инфекции повышенной порцией питательных веществ; улучшаются условия для размножения и сохранения в периоды низкого уровня воды; водные растения закрывают от сильного солнечного света улиток, которые являются разносчиками биляриоза. К тому же, исследования показали, что разновидность москитов - разносчиков малярии и филариоза - существует благодаря растительности в водоемах. Если водоем используется и для ирригации, и для снабжения технической и питьевой водой, имеется риск заражения болезнетворными организмами, живущими в воде. Такая инфекция может распространяться на обширные территории. НАВОДНЕНИЕ, ВЫЗВАННОЕ ПРОРЫВОМ ДАМБЫ Прорыв дамбы происходит редко, но, из-за его возможных масштабных последствий, необходимо заранее оценить размеры повреждений, вызванных прорывом. Несчастные случаи с людьми, повреждение имущества и технических сооружений рассматриваются как наиболее существенные, но значительным также может быть и негативное воздействие на окружающую среду. 15 Согласно статистике, наиболее частой причиной прорыва дамбы является сочетание усиления течения реки перед дамбой и повреждений в водосливе дамбы. Вторичными причинами являются дефекты основания дамбы или просачивание через нее воды. При высоком уровне воды в водохранилищах оползни земли и камней от насыпи выше или внутри резервуара могут вызывать настолько массивные паводковые волны, что вода может проливаться по полной или частичной ширине дамбы. Если дамба насыпная, это может привести к разрушению самой дамбы. Специальные меры предосторожности должны быть приняты, если большая дамба строится в сейсмически опасном районе. 16 ТЕХНОЛОГИИ В ГЭС кинетическая энергия падающей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем - в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней. Иногда используется трубопровод, чтобы подвести воду, находящуюся под давлением, ниже уровня дамбы или к водозаборному гидроузлу ГЭС. Мощность ГЭС определяется, прежде всего, по функции двух переменных: (1) расход воды, выраженный в кубических метрах в секунду (м 3 /с), и (2) гидростатический напор, который является разностью высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции может основываться на одной из этих переменных или на обеих. С точки зрения превращения энергии, гидроэнергетика - технология с очень высоким КПД, зачастую превышающем более чем в два раза КПД обычных теплоэлектростанций. Причина в том, что объем воды, падающий вертикально, несет в себе большой заряд кинетической энергии, которую можно легко преобразовать в механическую (вращательную) энергию, необходимую для производства электричества. Оборудование для гидроэнергетики достаточно хорошо разработано, относительно простое и очень надёжное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случаются сбои. Срок службы ГЭС - более 50 лет. Многие станции, построенные в двадцатые годы ХХ века - первый этап расцвета гидроэнергетики - все еще в действии. Так как всеми существенными рабочими процессами можно управлять и контролировать их дистанционно через центральный узел управления, непосредственно на месте требуется небольшой технический персонал. В настоящее время накоплен уже значительный опыт по работе ГЭС мощностью от 1 кВт до сотен МВт. ТИПЫ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Гидроэнергетические технологии можно разделить на два типа: традиционные и гидроаккумулирующие, использующие насосную систему. Существует и другая классификация ГЭС, в зависимости от: — номинальной мощности (большие или малые ГЭС); — уровня напора воды (низкие, средние и высоконапорные ГЭС); — типа турбины (Каплана, Фрэнсиса, Пелтона и т.д.); — расположения и типа дамбы, водохранилища. Традиционные гидроэлектростанции для производства электроэнергии используют энергию воды рек, потоков, каналов, водоемов. ГЭС можно разделить на электростанции с дамбой, и на ГЭС, использующие систему отвода воды. В первом случае дамба используется для хранения воды. Вода может быть спущена в случае изменения потребностей в производстве электроэнергии или для поддержания постоянного уровня воды. Во втором случае строятся специальные обводные каналы, называемые деривационными. Производство гидроэнергии - только одна из многих целей. Водные ресурсы могут использоваться и для ирригации, регулирования стока, навигации, для промышленного и муниципального снабжения водой. 17 18 19 ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В основе работы гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) лежит принцип, основанный на хранении воды в двух водохранилищах, находящихся на различной высоте. В периоды, когда электрическая нагрузка в единой энергосистеме минимальная (обычно ночью), ГАЭС работает в насосном режиме, перекачивая воду с нижнего водохранилища в верхнее, используя при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных "пиков" - максимальных значений нагрузки в энергосистеме - ГАЭС работает в генераторном режиме и использует воду, накопленную в верхнем водохранилище. После того, как процесс пиковой генерации завершён, вода перекачивается назад в верхнее водохранилище и ГАЭС готова к следующему циклу. Являясь энергопотребителем (использование энергии в насосном режиме), ГАЭС имеют особое значение благодаря тому, что они могут быть быстро введены в работу для генерирования электроэнергии во время "пиковых" нагрузок в энергосистеме. В большинстве случаев, гидроаккумулирующие ГЭС проходят полный цикл каждые 24 часа. 20 КОМПОНЕНТЫ ГЭС Традиционные ГЭС состоят из следующих компонентов: — дамба. Управление потоком воды и увеличение высоты для создания напора воды. — турбина. Вращается под давлением воды, падающей на лопасти. — тенератор. Соединен с турбиной и, вращаясь, вырабатывает электроэнергию. — трансформатор. Преобразовывает напряжение генератора в напряжение, необходимое для передачи электроэнергии в энергосеть. — линии передачи. Передают электрический ток от гидроэлектростанции к электрической распределительной системе. — в некоторых ГЭС также присутствует еще один компонент - напорный водовод, который подводит воду от источника или бассейна к турбине ГЭС. ТИПЫ ТУРБИН Самая старая конструкция "гидротурбины" - водяное колесо, где для его вращения используется естественный напор водяного потока. Традиционное водяное колесо сделано из древесины и оборудовано по периметру ковшами либо лопастями. Вода "толкает" их, заставляя колесо вращаться. Водяные колеса использовались в течение столетий, но для производства электроэнергии эти большие и медленно вращающиеся колеса не подходят. Гидротурбины, используемые для генерирования электроэнергии, сделаны из металла, вращаются на более высоких скоростях, и намного проще в изготовлении и установке. Для более эффективной работы в различных условиях были разработаны различные типы турбин. Гидротурбины можно классифицировать по-разному. Одна классификация основана на способе функционирования (импульсная или реактивная турбина); другая классификация связана с конструкцией (расположение вала и подача воды). Гидротурбины могут функционировать как турбины, как турбины-насосы или комбинированно. Они могут иметь единичную или двойную регулировку. Турбины могут также классифицироваться в зависимости от скорости вращения. |