Гидроэнергетические сист. Использование воды для получения механической энергии достаточно старая практика
 Скачать 3.89 Mb.
|
|
Импульсные турбины используют сопло в конце трубопровода, которое преобразовывает водяной поток под давлением в стремительную струю. Эта струя 21 направлена на рабочее колесо турбины (так называемый бегунок), сконструированное таким образом, чтобы передать кинетическую энергию струи в энергию вращения вала. Импульсная турбина должна быть установлена выше нижнего уровня воды. Преимущество импульсной турбины заключается в том, что она достаточно простая и дешевая, легко можно контролировать подачу воды на турбину, изменяя размер сопла. Распространёнными импульсными турбинами являются турбина Пелтона и турбина поперечного течения. В реактивных турбинах энергия воды за счет увеличения давления увеличивает скорость потока на направляющих лопастях и непосредственно на рабочем колесе турбины. Типичный пример реактивной турбины - турбина Френсиса. Преимущество малой реактивной турбины заключается в том, что она может полностью использовать гидравлический напор в данном месте. В отличие от импульсной турбины, большинство малых реактивных турбин нельзя оттарировать в зависимости от расхода воды. Большинство гидротурбин состоит из закрепленного на валу рабочего колеса турбины или "бегунка", установленного в канале, подводящем воду с более высокого уровня, (водохранилища, расположенного вверх по течению от дамбы), к руслу реки ниже дамбы. Некоторые "бегунки" выглядят похожими на винт лодки, у других - более сложные формы. Рабочее колесо турбины установлено в канале, который пропускает воду из водохранилища через рабочие лопасти, заставляющие турбину вращаться. Почти все гидравлические турбины-генераторы вращаются с постоянной скоростью. Постоянная скорость, с которой работает один тип турбины-генератора, может значительно отличаться от скорости другого типа. Оптимальная скорость для каждого типа турбины определяется во время ее проектирования. При разработке генератора эта скорость также учитывается. Устройство, называемое регулятором, "заставляет" каждую единицу работать с соответствующей скоростью, используя для этого так называемые шлюзы. 22 ТУРБИНА ПЕЛТОНА Принцип работы старого водяного колеса реализован в современной турбине Пелтона (ковшовая турбина). Внешне эта турбина напоминает классическое водяное колесо. Турбина Пелтона используется при высоте напора воды более 40 м (до 2000 м). При высоте напора ниже 250 м предпочтение отдается, в основном, турбине Фрэнсиса. Наибольшая мощность таких турбин сегодня составляет около 200 MВт. дефлектор – это тот самый функциональный компонент, работа которого способствует минимизации давления и повышению тяги при выпуске дыма. Турбина Пелтона принадлежит к типу импульсных турбин, где имеющийся напор воды преобразуется в кинетическую энергию при атмосферном давлении и частичном впуске потока в турбину. Эта турбина была изобретена в конце 19 века американцем Пелтоном, в честь которого она и была названа. Самое главное усовершенствование, сделанное Пелтоном - симметричные двойные чаши. Эта модель используется и сегодня. Ребро разделителя делит струю пополам, образуя два потока, отклоняющиеся друг от друга. Наибольшие турбины Пелтона имеют диаметр более 5 м, а их вес превышает 40 тонн. Колесо должно быть помещено выше уровня стока, что означает потерю гидростатического напора. В то же время не происходит погружения в воду рабочего колеса турбины - "бегунка". Во избежание недопустимого повышения давления в напорном водоводе, вызванном регулированием турбины, иногда устанавливаются дефлекторы струи. Дефлектор отклоняет струю или её часть от рабочего колеса турбины. С момента ее изобретения турбина Пелтона была значительно улучшена, а ее номинальная мощность увеличилась. Процесс "передачи" энергии турбине происходит следующим образом: чашеобразные лопасти (их максимальное число равняется 40),соединены в две получаши, в каждую из которых из сопла бьёт струя воды, отклоняемая на 180 о , передавая всю свою энергию турбине. Благодаря реверсивному движению, почти вся кинетическая энергия преобразуется в импульс на внешнем диаметре колеса. Из-за симметрии потока почти не создаётся осевого усилия на "бегунке". Колесо должно быть помещено выше уровня стока, что означает потерю гидростатического напора. С точки зрения конструкции, турбину Пелтона можно адаптировать под любой поток и напор. Для увеличения мощности турбины могут быть оборудованы одним, двумя, или большим количеством сопел. При изготовлении ротора обычно используется медное или стальное литьё. Ковшовые турбины просты в обслуживании. 23 ТУРБИНА ФРЭНСИСА (ТУРБИНА РАДИАЛЬНОГО ПОТОКА) 24 25 В большинстве случаев, при наличии большого или малого потока воды, а также при разных уровнях напора, используется турбина радиального потока или турбина Фрэнсиса. В отличие от турбины Пелтона, турбина Фрэнсиса, как и турбина Каплана, является турбиной реактивного типа, где рабочее колесо турбины полностью погружено в воду, а давление и скорость воды уменьшаются в процессе ее прохождения через турбину. Вода сначала входит в спираль, представляющую собой кольцевой канал, окружающий рабочее колесо турбины, а затем течет между неподвижными лопастями, направляющими поток воды. Во время поступления воды на "бегунок", полностью погруженный в воду, возникает импульс, вызывающий реакцию в турбине. Вода течёт радиально, то есть к центру. "Бегунок" имеет искривленные лопасти, на которые попадает вода. Направляющие лопасти устроены таким образом, что энергия потока воды трансформируется во вращательное движение, и при этом почти не происходит потерь энергии в результате турбулентности или других нежелательных явлений, характерных для потока воды. Обычно направляющие лопасти можно регулировать, что позволяет "приспосабливать" турбину к изменениям потока воды и ее нагрузки. Направляющие лопасти в турбине Фрэнсиса направляют поток воды так же, как и сопло турбины Пелтона. Вода "освобождается" через выходное отверстие в центре турбины. Турбина Фрэнсиса намного сложнее по своей конструкции, чем турбина Пелтона. Для предотвращения гидравлического удара вследствие резкого изменения потока воды турбина Фрэнсиса оснащена клапанами сброса давления, которые не только ограничивают увеличение давления, но и предотвращают взбалтывание осадка в трубах вследствие гидравлического удара. Существует множество конструкций турбины Фрэнсиса, благодаря чему может быть использован напор воды от 30 м до 700 м. Наиболее мощные турбины Фрэнсиса имеют номинальную мощность до 800 MВт. 26 Радиально-осевые турбины(рис. 7). Турбины данного типа (за рубежом их называют турбинами Френсиса) предназначены для работы при средних напорах (от 40 до 700 м). Конструкция рабочего колеса радиально-осевой турбины существенно отличается от рассмотренных выше. Лопасти 11 колеса для большей прочности жестко заделаны в ступицу 4 и обод 10и образуют как бы круговую решетку. Рабочее колесо соединяется фланцем с валом 2. Для снижения гидравлических потерь при выходе воды с лопаток служит обтекатель 12. Вода подводится к рабочему колесу по турбинной камере 6 спиральной формы. Стартор 7, направляющий аппарат 9, верхнее 5 и нижнее 8 опорные кольца, крышка 3 и другие элементы мало отличаются от соответствующих конструкций элементов рассмотренных осевых турбин. Радиально-осевые турбины установлены в РФ и СНГ на многих крупных ГЭС: Днепропетровской ГЭС (75 МВт), Братской ГЭС (225 МВт), Красноярской ГЭС (508 МВт), Саяно-Шушенской ГЭС (650 МВт) и др. 27 ТУРБИНА КАПЛАНА (ТУРБИНА ПРОПЕЛЛЕРНОГО ТИПА) Для очень малого напора и интенсивного потока применяется другой тип турбины - турбина Каплана (турбина пропеллерного типа). В турбине Каплана вода течёт сквозь винт/ пропеллер и заставляет его вращаться. В этой турбине площадь, сквозь которую протекает вода, равняется всей площади, охватываемой лопастями. По этой причине турбины Каплана применимы для очень больших объемов водяных потоков. Этот тип турбины используется там, где напор составляет всего несколько метров. 28 Вода поступает в турбину через боковой канал, попадает на направляющие лопасти, а затем течет вдоль оси винта. По этой причине эти машины называются осевыми турбинами. Их преимущество относительно радиальных турбин состоит в том, что технически намного проще изменять угол лопастей при изменении потребности в электроэнергии, что, в свою очередь, повышает эффективность работы гидротурбины. Поток воды, проходящей через турбину, может контролироваться путем изменения расстояния между направляющими лопастями; при этом также регулируется наклон лопастей винта. Каждое положение направляющих лопастей соответствует конкретному положению лопастей винта, что обеспечивает высокую производительность турбины. Важная особенность турбины Каплана - скорость вращения лопастей вдвое больше скорости потока воды. Это позволяет получать высокую частоту вращения при относительно низких скоростях потока воды. Существуют различные конструкции турбины Каплана. Их применяют при напоре от 1 м до 30 м. При таких условиях для получения соответствующей выходной мощности требуется относительно больший поток по сравнению с турбинами, работающими при сильном напоре. Поэтому габариты этих турбин достаточно большие. ТУРБИНА ПОПЕРЕЧНОГО ТЕЧЕНИЯ (ТУРБИНА БАНКИ) Концепция турбины поперечного течения - хотя она намного менее известна, чем три вышеперечисленные гидротурбины - не нова. Она была изобретена инженером по имени Мичелл, получившего патент в 1903 году. Вполне независимо в Будапештском университете эта турбина была "вновь" изобретена венгерским профессором Донатом Банки. К 1920 году это открытие было довольно известно в Европе по ряду публикаций. Существует единственная компания, производящая гидротурбины поперечного течения на протяжении уже нескольких десятилетий - это немецкая фирма Оссбергер (Ossberger) в Баварии. Более 7000 таких турбин установлено по всему миру. Главная особенность турбины поперечного течения состоит в следующем. Струя прямоугольного сечения проходит дважды сквозь лопасти, установленные на периферии цилиндрического ротора перпендикулярно к его оси. Вода течёт сквозь лопасти сначала в направлении от периферии ротора к его центру, а затем, после пересечения открытого пространства внутри ротора, от внутренней части за пределы. Превращение энергии происходит дважды: вначале, во время "попадания" воды на лопасти на входе, и затем, когда вода "ударяет" по лопастям на выходе из ротора. Использование двух рабочих фаз не обеспечивает никакого особенного преимущества за исключением того, что это очень эффективный и простой способ отвода воды из ротора. Обычно эту турбину классифицируют как импульсную. Это не совсем правильно и, вероятно, основано на том факте, что первоначальный проект представлял собой турбину постоянного давления. Достаточно большое расстояние было между соплом и ротором для того, чтобы струя поступала в ротор без какого-либо статического давления. Современные конструкции обычно изготавливаются с соплом, которое охватывает большую дугу периферии ротора, что позволяет увеличить поток при сохранении меньшего размера турбины. Эти конструкции работают как импульсные турбины только с малым отверстием сопла. При этом приведенный поток 29 полностью не заполняет пространство между лопастями, а давление внутри ротора - атмосферное. С увеличением потока, который теперь полностью заполняет пространство между лопастям, давление повышается и турбина работает как реактивная. Турбины поперечного течения могут использоваться при напоре от 2 м до более, чем 100 м. Изменяя ширину ротора и размеры входного отверстия, турбину с постоянным диаметром ротора можно приспособить к различным величинам потока воды. Благодаря этому, также уменьшается количество необходимых для изготовления турбины станков, зажимных приспособлений и т.д. В выпускаемых роторах соотношение "ширина к диаметру" составляет от 0.2 до 4.5. Для широких роторов опорные диски приваривают к валу через равные интервалы для предотвращения изгиба лопастей. Благодаря низкой цене и хорошему управлению, эти турбины очень популярны для малых ГЭС. 30 ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВНЫЕ РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ БОЛЬШИМИ И МАЛЫМИ ГЭС Обычно все электростанции с мощностью более 10 MВт считаются большими, а все другие - малыми. Существует также классификация ГЭС малой мощности, в которой применяются такие термины как "микро" или "нано" (сверхминиатюрная) относительно ГЭС мощностью меньше 1 кВт БОЛЬШАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА Большие ГЭС по своей природе требуют хорошей инфраструктуры: в первую очередь - это дороги во время строительства. Необходим также и доступ к энергосетям, заключающийся в наличии высоковольтных линий передач и обширной распределительной системы, обслуживающей большое число индивидуальных потребителей и промышленных предприятий. Большие ГЭС являются собственностью больших компаний или государственных предприятий, которые обычно и управляют ими. Для управления, администрирования и обслуживания таких ГЭС необходимы квалифицированные специалисты. Благодаря уменьшению удельных капитальных затрат с увеличением размера станции, а также из-за возможности повышения нагрузки с ростом числа потребителей, себестоимость произведённой электроэнергии относительно низка. Проблема заключается в пиковой нагрузке: большое число потребителей требуют максимального количества энергии в течение единого временного интервала, что приводит к большому неконтролируемому пиковому спросу, который должен быть удовлетворён за счет увеличения мощностей - дорогостоящих гидроаккумулирующих и резервных сооружений. С технической точки зрения, большая мощность ГЭС требует сложного технологического производства электромеханического оборудования, высокого уровня прогнозирования выполнимости, планирования и гражданского строительства. Период подготовки и реализации проекта достаточно продолжителен. Стоимость самого оборудования составляет относительно малую часть общей стоимости проекта. Крупномасштабные ГЭС требуют тщательного подхода и к вопросам экологии. Искусственные озёра могут полностью изменить ландшафт и затопить большие площади пахотной земли. Положительные аспекты: возможность управления потоком и создание новых зон отдыха (катание на лодках, ловля рыбы, кемпинги) хотя очевидно, что выгоды, получаемые от этого, не возрастают пропорционально увеличению размера ГЭС. УСЛОВИЯ, НАЛИЧИЕ КОТОРЫХ НЕОБХОДИМО ДЛЯ РАЗВИТИЯ БОЛЬШОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ: большое централизованное энергопотребление; крупная промышленность, мегаполисы, городские районы; международная, национальная и региональная центральные энергосистемы; большие корпорации или государственные предприятия с высококвалифицированным и хорошо оплачиваемым штатом; долгосрочная оценка потенциала, долгосрочное планирование и длительный период строительства с применением сложной техники и технологии В зависимости от потенциала большая гидроэнергетика может внести значительный вклад в решение вопроса национального энергообеспечения. 31 УСЛОВИЯ, НАЛИЧИЕ КОТОРЫХ НЕОБХОДИМО ДЛЯ РАЗВИТИЯ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ: децентрализованное, небольшое по объему энергопотребление; мелкие отрасли промышленности, индивидуальные фермерские хозяйства и предприятия, сельское население; низковольтная распределительная сеть и, очевидно, внутри региональная микро энергосеть; индивидуальное, кооперативное или общинное право собственности; среднеквалифицированный труд и кооперативное администрирование; средний по продолжительности период планирования, использование местных материалов и трудовых ресурсов. В зависимости от потенциала малая гидроэнергетика может существенно повысить уровень жизни сельских жителей; благодаря высокому уровню приспособляемости к быстроизменяющимся нагрузкам в сети, малая ГЭС является предпочтительным элементом любой интегрированной энергосистемы, Срок эксплуатации малых ГЭС достаточно длителен, некоторые станции работают более 70 лет. Современные малые ГЭС могут иметь еще больший срок службы. Таким образом, они могут обеспечивать электроэнергией несколько поколений, при этом, не нанося вреда окружающей среде; 32 МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В малых, "микро" или "нано" ГЭС сочетаются преимущества большой ГЭС с одной стороны и возможность децентрализованной подачи энергии с другой стороны. Они не имеют многих недостатков, характерных для больших ГЭС, а именно: дорогостоящие трансмиссии, проблемы, связанные с негативным воздействием на окружающую среду. Кроме того, использование малой гидроэнергетики ведёт к децентрализованному использованию электроэнергии, способствует развитию данного региона, главным образом основанном на самодостаточности и использовании местных ресурсов. Малые ГЭС в большинстве случаев присоединены к энергосети. Большинство из них не имеют больших водохранилищ, то есть вода не собирается позади дамбы. Они вырабатывают электроэнергию, если естественный уровень воды в реке достаточен, но в периоды высыхания реки или падения скорости потока ниже определенной величины производство электроэнергии приостанавливается. Существует два основных типа малых (или микро) электростанций. При наличии аккумуляторной системы малая ГЭС вырабатывает электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторах. В периоды низкого уровня потребления электроэнергии ее излишек также сохраняется в аккумуляторах. Если же природного водяного потока достаточно для бесперебойной выработки электроэнергии, малая ГЭС поставляет электроэнергию в сеть напрямую без накопления ее в аккумуляторах. Малые ГЭС отличаются друг от друга в зависимости от используемого напора воды. Высоконапорные ГЭС типичны для горных областей; и вследствие того, что для выработки такого же количества электроэнергии им необходим меньший поток, они обычно дешевле других ГЭС. ГЭС малого напора типичны для равнин, им не нужен водопроводящий канал. На размер капитальных затрат, связанных со строительством малых ГЭС, влияет много факторов. Однако одним из наиболее существенных является выбор места и "привязка" к нему ГЭС. Наличие соответствующего напора и скорости потока воды - необходимые условия для производства электроэнергии. Требования по технике безопасности при строительстве малых ГЭС не такие высокие, как в случае с большими ГЭС, так как даже разрыв малой дамбы обычно не угрожает человеческим жизням, и риск, соответственно, меньший, что в свою очередь уменьшает капитальные затраты. При строительстве малых ГЭС обычно используются местные материалы, а к работе привлекается местное население. Малые ГЭС могут требовать большего обслуживания, чем соответствующие им по установленной мощности ВЭУ или фотоэлектрические системы. Важно, чтобы турбина не засорялась. Это достигается надёжной фильтрацией и строительством отстойника. Относительно механических частей турбины, только подшипники и щетки требуют регулярного ухода и замены. 33 ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МЕСТА ДЛЯ УСТАНОВКИ МАЛЫХ ГЭС Имея непосредственный доступ к источникам воды, многие люди не знают, какое количество энергии может быть выработано, используя этот источник воды. Почти любое место, где построен дом, имеет достаточный солнечный потенциал для установки ФЭБ. Во многих местах также можно использовать энергию ветра. Но наличие источника воды еще ничего не говорит о гидроэнергетическом потенциале данного места. Озеро или колодец не имеют никакого энергетического потенциала. Вода должна быть проточной. Множество факторов определяют целесообразность малой или микрогидросистемы, а именно: Количество энергии, которое возможно получить при использовании данного потока и его достаточность для удовлетворения энергопотребностей. Существующие правовые ограничения (местного или государственного уровня) на разработку гидроэнергетического потенциала данного места и на использование воды. Доступность турбин и генераторов необходимого типа и мощности. Стоимость разработки и обслуживания объекта. Стоимость одного квт·ч выработанной электроэнергии при передаче ее потребителям, в случае присоединения ГЭС к их энергосети. Чтобы ответить на вопрос: "Есть ли у меня место, подходящее для использования гидроэнергетической технологии для выработки электроэнергии?", необходимо исследовать следующие факторы: · Напор или высоту падения, которым располагает данный источник воды. · Количество воды, доступное для генерирования электроэнергии. · Длину трубы, которая будет соединять источник воды с ГЭС. · Расстояние от ГЭС к аккумулятору, или, в случае генерирования электроэнергии с переменным током, непосредственно к источнику потребления. По этим показателям можно определить не только целесообразность выработки электроэнергии в конкретном случае, но и ответить на следующие вопросы: какой диаметр трубы необходим, какой тип станции использовать, какая будет примерная производительность, и какие будут затраты. Первый шаг в оценке целесообразности любой гидроэнергетической системы - определение мощности, которую может дать поток в данном месте. Поток (расход) - это количество воды, протекающей через турбину. Обычно поток измеряется в кубических метрах за секунду - м 3 /с. Напор - величина, характеризующая давление падающей воды в турбине, выраженная в метрах водяного столба. Это давление функционально зависит от вертикального расстояния, с которого вода падает, и характеристики канала или трубы, по которым она течет. Необходимо отличать напор от статического напора, который является разностью высот между горизонтом воды аванкамеры, отводящего канала, и собственно рабочего напора, который является фактическим давлением, оказываемым на турбину. Чтобы получить собственно рабочий напор, необходимо сделать поправки на потери в напорной и отводящей трубах. Статический напор может быть определен топографическим путем, используя уровень и рулетку. Напор выражается в метрах. Интенсивный расход и (или) напор означает большее количество полезной энергии. Чем выше напор, тем лучше, потому что меньшее количество воды понадобится для производства определенного количества энергии. Кроме того, могут использоваться меньшие по размеру и менее дорогостоящие турбины и трубопроводы. С точки зрения гидроэнергетики, место можно классифицировать как "низко-" или "высоконапорное". Малый напор обычно относится к разнице высот менее 3 м. Вертикальное падение с высоты меньшей, чем 0,6 метра, сделает, вероятно, установку гидроэнергетической системы нецелесообразной. Большой расход воды может компенсировать малый напор, но тогда понадобится большая, а значит, и более 34 дорогостоящая турбина. Довольно сложно найти турбину, эффективно работающую при очень малом напоре и небольшом расходе воды. КОНФИГУРАЦИЯ МАЛЫХ ГЭС Малые гидротурбины могут быть сконфигурированы так, чтобы они могли функционировать эффективно в местах с широким диапазоном напоров и потоков. Основное правило, действующее при строительстве ГЭС, следующее: отбирать не более 10 % минимального потока. Заметьте, что во многих странах строго регулируются вопросы, связанные с использованием, управлением и изменением потока. Любое изменение русла реки или берега может повлиять на качество воды или среду обитания живой природы, независимо от того, находится поток на частной территории или нет. |