Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
водохозяй- ственных и водноэнергетических расчётов при проектировании гидро- станций, которые будут рассматриваться в курсе использования водной энер- гии. На рис. 2.1 приведены гидрографы реки Енисей вблизи поселка Озна- ченное (г. Саяногорск)) для двух лет наблюдений. Гидрограф 1966-67 гг. по- зволяет увидеть основные фазы водного режима реки Енисей вблизи Саяно- Шушенской ГЭС. Сток реки отличается большой неравномерностью. В ме- жень (декабрь-апрель) расходы реки не превышали 1800 м3/с, а в половодье (конец июня – начало июля) достигали 11800 м3/c. Гидрологические расчёты имеют целью получить данные для характе- ристики гидрологического режима водного объекта в связи с его водохозяй- ственным использованием. При наличии данных наблюдений колебаний рас- ходов за ряд лет можно построить расчетный гидрограф, по которому оп- ределяются максимальные, минимальные и средние расходы различной ве- роятности их превышения за некоторый период времени. Для получения расчетного гидрографа используются методы математической статистики. 27 Рис. 2.1. Гидрографы реки Енисей в створе п. Означенное за характерные по водности годы Означенное (типа гидрографов рис. 2.1) более чем за 60 лет наблюде- ний можно сделать вывод о том, что 1966-67 гг. был многоводным с обеспе- ченностью около одного процента. То есть паводок с таким максимальным расходом вероятен раз в 100 лет (вероятность 1%). Величину максимального расхода редкой повторяемости особенно важно определить в связи с проек- тированием водосбросных устройств, чтобы обеспечить пропуск большого (катастрофического) половодья или паводка безаварийно, после того как со- оружение будет построено. 2.2.3. Водное хозяйство Водное хозяйство – это совокупность отраслей науки и техники, ори- ентированная на рациональное использование природных водных ресурсов. Главная задача водного хозяйства – трансформировать естественный гидро- граф реки – преобразовать неравномерный речной сток и приспособить его к графикам потребностей водопотребителей и водопользователей – зарегули- ровать сток. Основной регулятор стока – это водохранилище, искусственный водо- ем, образующийся перед плотиной. Основным и обязательным признаком водохранилища, отличающим его от озера (пруда), является возможность ре- гулирования (перераспределения) речного стока и его уровневого режима во времени в соответствии с требованиями заинтересованных отраслей хозяйства. 28 Верхний предел уровня воды, при котором ГЭС и сооружения гидроуз- ла работают длительное время с соблюдением нормальных запасов надёжно- сти, предусматриваемых техническими условиями, называется нормальным подпорным уровнем (НПУ), (рис. 2.2). Объём водохранилища при этом уровне называется полным объёмом и обозначается V полн . Нижний предел уровня воды в водохранилище называется уровнем мертвого объёма (УМО). Соответствующий объём водохранилища от дна до отметки УМО называется мертвым объёмом V м.о. . (НПУ, УМО, V полн. , V м.о. . – являются су- щественной характеристикой ГЭС). Разность между полным и мертвым объ- ёмами составляет полезный объём водохранилища: Vполезн. = Vполн. – Vм.о. При пропуске катастрофических половодий и паводков (очень редкой повторяемости, которые могут привести даже к повреждениям сооружений, не угрожающим прорыву напорного фронта) техническими условиями раз- решается кратковременно повышать уровень, превышающий НПУ. Уровень, до которого разрешается такой подъём, называется форсированным под- порным уровнем (ФПУ). Водохранилище создается плотиной – основным гидротехническим со- оружением общего назначения. Выбор оптимального размера водохранили- ща (высоты плотины) представляет собой сложную комплексную задачу. С одной стороны, водохранилище должно иметь вместимость (объем), доста- точный для того, чтобы запасти в нем возможно большую часть стока поло- водья и паводков, и расходовать этот запас в межень, когда естественные расходы малы и воды не хватает для нужд потребителей. В большинстве слу- чаев водохранилище имеет многоцелевой характер (комплексное назначе- ние). При его создании необходимо учитывать интересы всех отраслей водо- пользователей и водопотребителей (энергетики, водного транспорта, водо- снабжения, ирригации и т.д.). С другой стороны, зеркало (водная поверх- ность) водохранилища должно быть по возможности минимальным, чтобы избежать больших затоплений и уменьшить негативное влияние водохрани- лища на окружающую среду. 29 Рис. 2.2. Характеристики водохранилища Период аккумуляции (накопления) воды в водохранилище сопровожда- ется ростом уровня верхнего бьефа (УВБ) и называется наполнением водо- хранилища, период отдачи накопленной воды – сработкой водохранилища. Существует несколько видов регулирования стока: – годичное (сезонное) регулирование стока, преобразует сток в тече- ние одного года; этот вид регулирования наиболее распространенный (рис. 2.3); – многолетнее регулирование (рис. 2.4), когда в водохранилище хра- нится (аккумулируется) избыток стока многоводных лет, чтобы использовать этот избыток в маловодные годы; такой способ регулирования требует водо- хранилищ очень большого объема; пример такого водохранилища – Брат- ское, самое большое водохранилище страны (объем 169 км 3 ); – суточное и недельное регулирование – преобразует сток на относи- тельно короткие промежутки времени, необходимые для покрытия неравно- мерности потребности в воде в будние и выходные дни, а также в периоды суточных утренних и вечерних максимумов нагрузки – потребления элек- троэнергии и мощности. В большинстве случаев водохранилища совмещают в себе функции су- точного и сезонного регулирования. Различают регулирование водноэнергетическое и водохозяйственное. При водноэнергетическом регулировании выполняется перераспределение стока для энергетических целей. При комплексном использовании реки, когда водоток предназначен для удовлетворения как энергетических, так и не энергетических целей, осущест- вляется комплексное регулирование, то есть регулирование напора и расхода как для ГЭС, так и расхода для других водопользователей и водопотребите- лей – водохозяйственное регулирование. При энергетическом освоении какого-либо водотока стремятся к кас- кадному использованию его водных ресурсов. В этом случае на реке возво- дится последовательно несколько гидроузлов, решающих общую задачу ра- ционального регулирования стока реки. Это повышает степень зарегулиро- 30 ванности стока, а, следовательно, позволяет увеличить мощность и выработ- ку энергии ГЭС каскада. Рис. 2.3. а) общая схема годичного регулирования стока в маловодный год, когда НПУ не достигнут; б) схема сезонного регулирования, где показан период сброса излишков стока (паводка) Рис. 2.4. Общая схема многолетнего регулирования и график уровня верхнего бьефа В первый год водохранилище было заполнено. После сработки на заполнение потребовалось 5 лет. 31 2.2.4. Водная энергия и схемы её использования Уровень воды в реках переменный. Они стекают в Мировой океан, и уровень воды в верховьях рек выше, чем в низовьях. Перепад уровней сво- бодной поверхности реки между двумя поперечными сечениями реки назы- вают напором. Если некоторое сечение реки (створ) перегородить плотиной, то напор (перепад уровней) сосредоточится в створе плотины. Поток выше плотины называют верхним бьефом (ВБ), ниже плотины – нижним бьефом (НБ). Статический напор Н – это разность отметок уровней верхнего (УВБ) и нижнего (УНБ) бьефов: Н = Нв – Нн. Объём воды, протекающей через данный створ за единицу времени, как мы знаем, называют расходом Q (м3/с). Соответственно, мощность потока (N), сбрасываемого из верхнего бье- фа в нижний равна: N = с g Q H, (2.1) где с – плотность воды (1000 кг/м3); g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2); сg – удельный вес воды равный 9,81 кН/м3 (Н – здесь Ньютон). Полная энергия сбрасываемой воды Э определится как: Э = N t, (2.2) где t – время, с. Разделив мысленно реку в нескольких створах плотинами, можно по формулам (2.1), (2.2), получить энергетический потенциал реки в данном створе, а просуммировав по всем створам, оценить энергетический потенци- ал реки. 32 Если при подсчете по формулам (2.1), (2.2) время измерять в секун- дах, массу в кг, объём в м3, как это было указано выше, то мощность по- лучим в ваттах, а выработку энергии в джоулях. В водноэнергетических расчетах удобнее измерять время в часах, и мощность в киловаттах, энергию в киловатт-часах (1 кВт.ч = 3,6 106 Дж). Формула (2.2) при этом примет вид: N = 9,81 Q H. Водноэнергетические расчеты позволяют определить основные пара- метры ГЭС: - мощность; - характер изменения мощности гидростанции во времени при разных режимах работы; - количество вырабатываемой ею электроэнергии; - нахождение зависимости этих энергетических показателей от различ- ных факторов – отметки подпора воды, объёма водохранилища и т.п На гидроэлектростанции большая часть воды не сбрасывается из верх- него бьефа в нижний бьеф «вхолостую», а перетекает через специальные уст- ройства, подводящие её к турбинам. Турбина, вращаемая потоком, переводит гидравлическую энергию в механическую энергию вращения рабочего коле- са турбины. Рабочее колесо турбины соединено валом с ротором генератора. В генераторе происходит преобразование механической энергии в электриче- скую. При этом – часть энергии теряется в гидроагрегате, так как турбина и генератор имеют свои КПД (коэффициенты полезного действия) - η. С учетом вышесказанного более точная формула подсчета мощности всех установленных на ГЭС гидроагрегатов имеет вид: N ГЭС = Qа H ηг ηт m, где ηг , ηт– коэффициенты полезного действия генератора и турбины сответ- ственно; Qа – расход воды, проходящий через одну турбину (агрегат); m – количество гидроагрегатов. Следовательно, для определения мощности ГЭС должны быть предва- рительно найдены значения используемого ею расхода и действующего на 33 ней напора, а также значения КПД установленных на ГЭС турбин и генера- торов. Как правило, ГЭС проектируется с устройством водохранилища, кото- рое как мы видели, регулирует сток реки. Поэтому пределы мощности ГЭС определяются не только внешними, не зависящими от неё условиями (потре- бителем электроэнергии, ролью в энергосистеме и т.п.), но эти пределы за- висят от принятого режима регулирования стока. В связи с этим для ГЭС, имеющих водохранилища, ставится дополнительная задача отыскания такого режима регулирования стока из неограниченно большого числа возможных вариантов, который давал бы нам больший энергетический эффект и не толь- ко на самой ГЭС, но и для энергетической системы в целом. При этом одной из важных задач является расчет режимов уровней в нижнем бьефе ГЭС и влияния их на прибрежные территории. Таким образом, в содержание водноэнергетических расчётов входит, прежде всего, определение количественного значения тех элементов, от ко- торых зависит мощность ГЭС и установление её режима работы (режим (лат.) – управление, то есть наилучшее удовлетворение требований энерго- системы и водопользователей). Из общего состава водноэнергетических расчётов должны выделяться те, непосредственным результатом которых являются не значения энергети- ческих показателей ГЭС (мощность, энергия), а значения расхода, объёма и уровня водохранилища и т.п. Такого рода расчёты называются водохозяйст- венными. Надо особо отметить, что до последнего времени при определении режима ГЭС водохозяйственные расчёты не имели самостоятельного значе- ния и подчинялись основной задаче нахождения энергетических показателей ГЭС. Время показало, что водохозяйственные расчёты должны приобрести равное с водноэнергетическими расчётами значение, когда это касается обра- зования водохранилищ комплексного назначения и влияния уровней воды нижнего бьефа. 34 2.3. Традиционные и нетрадиционные источники электрической энергии Традиционными источниками электрической энергии являются теп- ловые (ТЭС), атомные (АЭС) и гидравлические (ГЭС, ГАЭС) электростанции. 2.3.1. Тепловые электростанции Тепловые электростанции используют для выработки энергии органи- ческое топливо. По виду вырабатываемой энергии ТЭС бывают конденса- ционными (КЭС) – вырабатывающими только электрическую энергию и те- плоэлектроцентралями (ТЭЦ) – вырабатывающими не только электриче- скую, но и тепловую энергию. Характерным признаком КЭС является то, что отработавший в их тур- бинах пар не используется для нестанционных нужд, а превращается в кон- денсат. В отличие от КЭС на ТЭЦ происходит частичный отбор тепла на ну- жды отопления и для промышленных целей. Источниками тепла, отпускае- мого ТЭЦ, являются отработавший пар или отработавшие газовые продукты сгорания. По виду теплового двигателя ТЭС подразделяются на паротурбинные, газотурбинные, парогазовые и дизельные (с двигателями внутреннего сгора- ния). Коэффициент полезного действия современных паротурбинных ТЭС составляет 60-70%. Коэффициент полезного действия газотурбинных ТЭС не выше 30%. 2.3.2. Атомные электростанции Атомная электростанция отличается от ТЭС, в первую очередь, видом источника энергии (топлива). Если на ТЭС тепловая энергия создается за счет химической реакции окисления (сгорания органического топлива), то на АЭС – за счет ядерных превращений тяжелых металлов. Процесс деления тяжелых ядер на АЭС осуществляется в ядерном ре- акторе, где происходит бомбардировка ядерного топлива потоком нейтронов. В результате бомбардировки происходит деление ядер топлива и образование 35 новых веществ. Кинетическая энергия продуктов деления при их торможе- нии вызывает разогрев окружающей среды. В реактор по трубам подается теплоноситель (например, вода). Разогретый теплоноситель передается рабо- чему телу турбины для выработки электроэнергии генератором. Для устойчивости и непрерывной работы реактора необходимо, чтобы процесс деления ядер был самоподдерживающимся. Для этого нужно, чтобы количество ядерного вещества было не меньше некоторой величины, назы- ваемой критической массой. На современных АЭС основным ядерным топливом является природ- ный уран, количество его в природе достаточно для промышленного исполь- зования. Реакция деления ядер урана сопровождается необходимым тепло- выделением. Главным преимуществом атомной энергетики является то, что теплота сгорания уранового топлива несравненно выше теплоты сгорания основного вида топлива современных ТЭС – угля. Так, считается, что при делении ядер 1 кг урана выделяется 20∙109 ккал, что соответствует 23∙106 кВт∙ч электриче- ской энергии, в то время как сжигание 1 кг угля даёт всего 7-8 кВт∙ч. 2.3.3. Гидравлические электростанции Гидравлические станции используют энергию воды для выработки электроэнергии – это ГЭС (о них рассказывалось выше), гидроаккумули- рующие электростанции - ГАЭС и приливные электростанции – ПЭС. ГАЭС предназначается для покрытия пиков графика электрической на- грузки энергосистемы с использованием электроэнергии в период глубоких провалов нагрузки (рис. 1.2). ГАЭС практически не нуждается в постоянном водотоке, поскольку работает, используя воду, накопленную в водохранили- ще и таким водохранилищем (верхний бассейн) может быть озеро, море или искусственный бассейн, заполненный водами снеготаяния или реками с очень малыми расходами, т.е. такое водохранилище нуждается в подпитке лишь на потери (фильтрация воды, испарение). Но для работы ГАЭС необхо- дим еще один – нижний бассейн. Между двумя этими бассейнами и образу- ется напор, необходимый для работы ГАЭС, как гидростанции, вырабаты- вающей электроэнергию в часы пика нагрузки в энергосистеме. В этот пери- од вода из верхнего бассейна через турбины срабатывается в нижний бас- сейн. В часы провала нагрузки, когда появляется «свободная» электроэнер- гия, ГАЭС работает как насосная станция, перекачивая воду из нижнего бас- сейна в верхний. В ряде районов и стран, не имеющих достаточных гидроре- сурсов, а, кроме того, в связи с все более изменяющимся графиком нагрузки, широко развернуто строительство ГАЭС. 36 Установленная мощность ГАЭС во всем мире уже превысила 20 млн. кВт и в технически развитых странах с ограниченными гидроресурсами рас- тет быстрее, чем мощность ГЭС. Объясняется это современными условиями производства и потребления электроэнергии. Прежде всего, это вызвано не- обходимостью иметь в достаточном количестве пиковую мощность (рис. 1.2). Применение ГЭС в качестве источника покрытия пиковой части графи- ка нагрузки имеют свойственные некоторым гидростанциям ограничения. Иногда приходится использовать ГЭС в базисе нагрузки, так как снижение их мощности в провал нагрузки вызывает холостые сбросы воды либо для поддержания санитарного расхода, либо постоянного попуска для обеспече- ния нереста рыб и тому подобным условиям водопользователей, что связано с потерей электроэнергии. Кроме того, работая в базисе нагрузки по условиям водопользователей, может не хватить мощности ГЭС для покрытия пиков нагрузки. Для покрытия дефицита пиковой нагрузки, как уже отмечалось, стали все больше применять ГАЭС. В часы минимума потребления избыточная мощность ТЭС и АЭС используется для накачивания воды в напорные бас- сейны ГАЭС (рис. 1.2), а в часы максимума потребления электроэнергии за- пасенная на ГАЭС вода обеспечивает ее работу по покрытию пиковой части графика нагрузки. ГАЭС подразделяют на несколько типов, как по применению в них оборудования, так и по характерным особенностям. Установки, вырабаты- вающие электроэнергию только за счет гидроаккумулирования при одинако- вых пределах изменения напоров, как в насосном, так и в турбинном режи- мах, называются |