Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
чистыми ГАЭС. Установки, в которых электроэнергия вырабатывается как за счет ис- пользования естественного стока, так и за счет гидроаккумулирования, назы- ваются смешанными ГЭС – ГАЭС. Для чистых ГАЭС в естественных условиях требуется наличие двух близко расположенных водоемов на разных уровнях. В природе таких удач- ных сочетаний и к тому же расположенных близко к центрам потребления электроэнергии немного, поэтому чаще изыскивается один естественный во- доем, а другой сооружается искусственно. Несмотря на значительную стоимость сооружения и значительные по- тери энергии в процессах гидроаккумулирования и выработки электроэнер- гии, применение ГАЭС экономически оправдано и объясняется повышением КПД ТЭС и среднего КПД энергосистемы на несколько процентов. Экономическая эффективность ГАЭС определяется как разность в стоимости выработанного 1 кВт ч в энергосистеме до и после ввода в строй ГАЭС. Эффективность увеличивается: с уменьшением удельных капитало- вложений, увеличением КПД цикла (турбина – насос), напора, установленной мощности, коэффициента использования оборудования и степени автомати- 37 зации процесса. КПД цикла ηген определяется потерями в установке как при насосном (ηнас = 0,81÷0,85), так и при генераторном (ηген = 0,84-0,87) ре- жимах и в среднем приближается к ηц = 0,7 (в лучших установках ηц дос- тигает 0,75). Капиталовложения на 1 кВт установленной мощности в ГАЭС меньше, чем в ГЭС. По имеющимся данным в США они составляют от 50 до 120 долл. При затратах больше 130 долл. на 1 кВт капиталовложения считаются неконкурентноспособными. Наилучшими для использования в ГАЭС являются напоры от 200 м до 500 м, при меньших напорах растут капиталовложения на 1 кВт. По данным комиссии ООН на 1968 г., если принять удельные капита- ловложения ГАЭС с установленной мощностью Nу = 400 МВт за 100%, то для ГАЭС с Nу = 1100 МВт они снизятся до 70%, а для Nу = 3000 МВт – до 55%. Кроме того, с увеличением мощности агрегата растет влияние мас- штабного эффекта, в результате чего увеличивается КПД. Отсюда ясна тен- денция к повышению мощности современных ГАЭС. Известны проекты ГА- ЭС с установленной мощностью 3000 МВт и единичной мощностью агрегата 700 МВт. Автоматизация современных ГАЭС и ГЭС весьма высока, что умень- шает эксплуатационные расходы. Штатный коэффициент (чел/МВт установ- ленной мощности) в современных ГАЭС составляет 0,025-0,06 чел/МВт, то- гда как на ТЭС он близок к 1 чел/МВт. Применение ГАЭС позволяет, также как и ГЭС, повысить качество вы- рабатываемой электроэнергии. На ГАЭС агрегаты, как правило, способны работать в режиме СК, поглощая вредную реактивную энергию в энергосис- теме. ПЭС для выработки электроэнергии использует энергию приливов. Приливы являются следствием взаимного притяжения системы Земля – Луна – Солнце. Они поднимают уровень морей у берегов от нескольких сантимет- ров до нескольких метров с периодичностью 12 час. 25 мин. Наивысший прилив наблюдается на берегах залива Фанди (Канада) и достигает 19 м. У берегов России высокие приливы (до 10 м) наблюдаются в заливах Охотско- го и Белого морей. На Мурманском побережье прилив достигает 7 м. Идея ПЭС заключается в следующем: залив (губа, фиорд) отсекается от моря плотиной с водопропускными отверстиями. Во время прилива отвер- стия открыты, в залив поступает вода и уровень повышается. К началу отли- ва отверстия закрывается. В открытом море при отливе уровень понижается, а в заливе при закрытых отверстиях – нет. В створе плотины образуется пе- репад уровней (напор), который используется для производства электроэнер- гии. ПЭС были первым из нетрадиционных источников, использованным для промышленного производства электрической энергии (ПЭС Сен-Мало, 38 Франция). В России имеется опыт успешной эксплуатации эксперименталь- ной Килогубской ПЭС мощностью 400 кВт, построенной в 1961-66 гг., раз- работан проект опытно-промышленной Кольской ПЭС мощностью 40 МВт. Всего в России за счет освоения приливной энергии возможно получение 270 млрд. кВт∙ч электрической энергии. В перспективе строительство ПЭС мо- жет решить проблему электроснабжения Европейского Севера России. 2.3.4. Выбор типа электростанции Каждый тип источника электрической энергии (ТЭС, АЭС, ГЭС) имеет свои достоинства и недостатки. Решение о строительстве одного из трех ти- пов принципиально разных электростанций принимается на основе технико- экономического сопоставления вариантов. Тепловые электростанции – небольшой мощности КЭС, а также ТЭЦ обладают тем преимуществом, что стоимость строительства и сроки их воз- ведения, как правило, меньше срока и стоимости строительства ГЭС и АЭС. Период строительства крупных КЭС, например, Березовской ГРЭС-I Канско- Ачинского бассейна требует достаточно большого времени, а по стоимости они сравнялись с крупными гидростанциями. Недостатками ТЭС являются: – дороговизна в эксплуатации из-за высокой стоимости горючего (угля, мазута, газа) и его транспортировки; – невосполнимость и ограниченность мировых запасов органиче- ского топлива; – наибольший (по сравнению с ГЭС и АЭС) вред окружающей сре- де за счет выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива и тепловое за- грязнение водоемов вследствие сброса в них отработанной теплой воды; глу- бокая очистка выбрасываемых газов и переход на оборотные системы техни- ческого водоснабжения, как уже отмечалось выше, приближают стоимость ТЭС к стоимости ГЭС; – относительно низкая маневренность, как правило, они работают «в базисе» нагрузки; изменение режима работы блока, например паротур- бинной ТЭС требует времени и дополнительных затрат топлива. АЭС по срокам, стоимости строительства и эксплуатации занимает промежуточное место между ТЭС и ГЭС: стоимость строительства АЭС, как правило, ниже стоимости строительства ГЭС, но выше, чем ТЭС, стоимость же электрической энергии самая высокая на ТЭС, самая низкая – на ГЭС. Основными недостатками АЭС являются: – ограниченность и невосполнимость горючего для современных АЭС на тепловых нейтронах; 39 – отсутствие маневренности; – катастрофические последствия от аварий на АЭС. Гидроэлектростанции являются самыми капиталоемкими источниками электрической энергии (их срок окупаемости 5-8 лет). Основное время и деньги тратятся на строительство плотин, стоимость оборудования (турбин, генераторов, систем управления) не превышает 10% от общей стоимости. Получение гидроэлектроэнергии возможно лишь через несколько лет после начала их строительства. Главными преимуществами ГЭС являются: – гидроэнергия восполняема (пока существует река); – низкая стоимость энергии (на порядок ниже, чем на ТЭС и АЭС); – высокая маневренность (увеличение или уменьшение вырабаты- ваемой гидроагрегатом энергии производится в течение нескольких секунд увеличением или уменьшением подачи воды к агрегату); маневренная (пико- вая) энергия (мощность) особенно ценна, так как идет на покрытие пиков по- требления энергии и является аварийным резервом энергосистем; – относительная экологическая чистота; – экономия трудовых ресурсов; замена действующих в России ГЭС на ТЭС и АЭС потребовала бы дополнительно 500 тыс. рабочих (с учетом шахтеров, добывающих топливо, и железнодорожников, это топливо транс- портирующих); для малонаселенных районов Сибири и Дальнего Востока экономия трудовых ресурсов особенно важна. Выбор источника электрической энергии (ГЭС, ТЭС, АЭС) произво- дится на основе технико-экономического сравнения. Учитываться должны все известные факторы, способные повлиять на выбор источника электроэнергии: характер потребителя, удаленность его от существующих источников энергосистемы; наличие экономически выгодных гидроресурсов или минерального топлива в районе потребления электро- энергии; инвестиционные возможности заказчика (заказчиков); степень сло- жившейся техногенной нагрузки на район потребления; социальные аспекты и степень освоенности региона, транспортные связи, трудовые ресурсы; ло- кальная значимость потребителя или он представляет интерес для страны в целом и т.п. На начальном этапе проектирования гидроузла обязательно рас- сматриваются альтернативные варианты строительства ТЭС или АЭС. Если потребитель заинтересован в получении значительного количества тепловой энергии с высокими параметрами пара, то предпочтение отдается строитель- ству ТЭС. Определяющими в выборе варианта могут оказаться такие факто- ры, как наличие необходимых денежных средств, сроки ввода мощностей, наличие подходящего водотока или близость к месторождению дешевого ор- ганического топлива. В случае дефицита инвестиций, при необходимости получения электрической энергии в максимально короткие сроки, предпоч- 40 тение может быть отдано строительству ТЭС. Однако дальнейшая эксплуа- тация ТЭС будет обходиться дороже, чем ГЭС, из-за дороговизны топлива. 2.3.5. Нетрадиционные источники энергии Глобальная обеспеченность органическими энергоресурсами ограниче- на. Современная гидроэнергетика и ядерная энергетика также не смогут в те- чение столетий удовлетворить потребность человечества в энергии. Поэтому во всем мире ведутся поиски нетрадиционных источников энергии. К нетрадиционным невозобновляемым источникам энергии, в пер- вую очередь, относят термоядерную энергетику и магнитогидродинами- ческие генераторы (МГД-генераторы). Привлекательность МГД- генератора заключается в том, что можно получать электроэнергию без дви- жущихся машин. Газы нагреваются в камере сгорания МГД-генератора до температуры 5000-70000С (до состояния плазмы), способной к электропро- водимости и проходят с огромной скоростью через магнитное поле магнита в результате чего возбуждается электродвижущаяся сила ЭДС. С помощью электродов генератора электрический ток поступает во внешнюю цепь. Од- нако до реализации в промышленных целях необходимо преодолеть большие технические трудности, связанные с работой узлов МГД-генератора, а также других устройств в условиях сверхвысоких температур. Использование термоядерных электростанций в промышленных це- лях также наталкивается на не преодоленные пока технические трудности несмотря на то, что принципиальная возможность их возведения научно обоснована. Кроме того, термоядерная энергия (как и энергия органических топлив) способна создать недопустимый тепловой перегрев среды обитания (парниковый эффект и т.п.) и поэтому не может развиваться неограниченно. К нетрадиционным возобновляемым источникам электрической энергии, обычно, относят энергию ветра, солнца, энергию океанов и мо- рей, а также геотермальную энергию (Гео ТЭС) (теплота недр Земли, ис- пользование геотермальных вод). Солнце излучает огромное количество тепла, из которого на Землю в год попадает 1,2∙1017 Вт, что в 108 раз больше, чем сегодня потребляется в мире. Поэтому разработка энергетических установок, потребляющих солнеч- ную тепловую энергию, является приоритетной. Известны два типа солнечных электростанций (СЭС): – солнечные электростанции на базе фотоэлементов, использую- щие фотоэлектрический эффект; – солнечные электростанции, использующие термодинамический цикл (ТСЭС), в которых солнечное тепло собирается с помощью специаль- 41 ных зеркал-концентраторов, линз или с водной поверхности; собранное теп- ло используется для нагрева теплоносителя, который далее используется, как на обычных ТЭС. Коэффициент полезного действия современной СЭС 5-10%, и стои- мость энергии СЭС в 5-10 раз выше стоимости энергии, вырабатываемой традиционными электростанциями. Считается, что повышение КПД СЭС до 20% позволит стать СЭС конкурентоспособным источником электрической энергии. Выпускаемые в Японии и США фотоэлектрические батареи на ос- нове аморфного кремния и многослойных пленок позволяют довести КПД СЭС до 10%. Энергия ветра – это преобразованная энергия солнца, вызывающего движение неравномерно нагретых воздушных масс. Теоретические запасы энергии ветра в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара. Принято считать, что возможно реально использовать для нужд энер- гетики до 10% теоретических запасов. Строительство ВЭУ (ветро- энергетических установок) имеет многовековую историю, начиная с ветря- ных мельниц и до современных установок. В мире имеются опытные ветро-водородные электростанции (ВВЭС), которые, возможно, позволят со временем сделать ВЭУ гарантированными источниками энергии. Идея таких станций – использование водорода в каче- стве топлива. Водород получается путем электролизного разложения воды с помощью электроэнергии ВЭС. В США, на Аляске имеется поселок, энер- госнабжение которого осуществляется опытной ВВЭС мощностью20 тыс. кВт. Однако цена такой энергии в несколько раз дороже энергии, полученной от традиционных источников. Примерно половину стоимости ВВЭС со- ставляет оборудование для разложения воды и хранения водорода. В настоящее время вклад ВЭС и СЭС в энергетический баланс пренеб- режимо мал. Тем не менее, во всем мире проявляется большой интерес к строительству и совершенствованию ВЭС и СЭС. Энергетические програм- мы многих развитых стран мира предусматривают развитие технологий не- традиционного получения электроэнергии. Строительство ветровых и сол- нечных электростанций поощряется экономически налоговыми льготами, ссудами и т.п. Завершая краткий обзор нетрадиционных возобновляемых источников энергии можно констатировать, что все они пока уступают традиционным по своим реальным техническим возможностям. Потребуется немалое время, прежде чем эти источники станут реальной альтернативой ТЭС, АЭС и ГЭС. 42 3. ОСНОВНЫЕ ВОДОПОДПОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 3.1. Типы гидротехнических сооружений В зависимости от характера воздействия на речной поток гидротехни- ческие сооружения принято подразделять на группы, важнейшими из кото- рых являются: водоподпорные, руслорегулирующие, водопроводящие, судо- и водопропускные (водосбросные). Водоподпорные сооружения перегораживают русла рек, тем самым, существенно меняют уровень воды в потоке и создают подпор – разницу уровней воды до и после сооружения. Основное водоподпорное сооружение – плотина. Плотина полностью перегораживает русло реки. Уже отмечалось, что поток выше по течению плотины называют верхним бьефом (ВБ), ниже по течению – нижним бьефом (НБ). Уровни воды в верхнем и нижнем бье- фах вблизи плотины обозначают соответственно УВБ и УНБ. Разность УВБ и УНБ называют напором. Максимальный уровень верхнего бьефа, который можно держать сколь угодно долго в условиях нормальной эксплуатации, принято обозначать НПУ – нормальный подпорный уровень, а мини- мальный УМО – уровень мертвого объема. Часть объема водохранилища между НПУ и УМО называют полезным, ниже УМО – мертвым объемом; форсированный подпорный уровень (ФПУ) – это уровень, до которого временно допускается заполнение водохранилища в период пропуска катаст- рофических половодий и паводков, что является чрезвычайными условиями эксплуатации подпорных сооружений. Подпертую часть реки называют водохранилищем. Если в плотине (или в обход её) имеются отверстия для пропуска воды, оборудованные за- творами, то это позволяет регулировать сток реки – менять количество сбра- сываемой воды из верхнего бьефа в нижний по определенному графику, вы- годному водопотребителям и водопользователям. Водоподпорные сооружения – наиболее ответственные, так как несут большую нагрузку – давление воды верхнего бьефа. Отказ водоподпорного сооружения может привести к прорыву напорного фронта и неконтролируе- мому переливу воды в нижний бьеф, что грозит катастрофическими послед- ствиями. Основное водоподпорное сооружение – плотина. На гидроэлектро- станциях с малыми и средними напорами (до 40 м) подпорными сооруже- ниями могут быть и здания ГЭС. При русловой компоновке ГЭС (см. ниже) здание ГЭС входит наряду с плотиной в состав напорного фронта. Водопод- порными сооружениями являются также шлюзы. Руслорегулирующие сооружения не создают, как правило, подпора и служат для изменения направления и скоростей потока, обеспечивая необхо- 43 димые условия для защиты берегов от размыва, улучшая условия для забора воды, судоходства, сплава леса. Основной тип руслорегулирующего соору- жения – дамба – безнапорная плотина, которая не перегораживает и мало стесняет естественные русла рек. Судопропускными сооружениями являются шлюзы и судоподъемни- ки. Они сооружаются на судоходных реках для перехода судов из нижнего бьефа в верхний и обратно. Из верхнего бьефа в нижний вода поступает через водопроводящие и водосбросные сооружения. Водопроводящие сооружения – искусственные русла (каналы, тунне- ли, лотки, трубопроводы). Эти сооружения подводят (отводят) воду к объек- там водного хозяйства – к турбинам гидростанций, на орошаемые земли, в системы водоснабжения предприятий и населенных пунктов. Водопропускные (водосбросные) сооружения предназначены для сброса «лишней» воды из верхнего бьефа в нижний через плотину или в об- ход её. Под «лишней» здесь понимается та вода, которую по каким-либо причинам (большой паводок, санитарный попуск, временные попуски для ирригации, судоходства) не удается удержать в водохранилище или исполь- зовать для получения электроэнергии. Рассмотрим схематично основные водоподпорные сооружения гидро- электростанций. 3.2. Плотины Наиболее распространенная классификация плотин – по материалу, из которого они возводятся. Современные плотины возводятся либо из искусст- венного камня – бетона, железобетона, либо из грунтов. Каменная кладка и дерево, как материалы, в современном плотиностроении почти не использу- ются. Плотины из грунтовых материалов возводятся, как правило, на глухих участках напорного фронта. Бетонные плотины применяются преимущест- венно для гидроузлов на скальных основаниях, а также для водосбросных участков напорного фронта. Железобетонные плотины характерны для ство- ров на нескальных основаниях. Для многих створов приемлемыми являются несколько типов плотин. Выбор типа и конструкции плотины производится на основе технико-экономического сравнения вариантов. |