Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ САЯНО-ШУШЕНСКИЙ ФИЛИАЛ Введение в специальность гидроэлектроэнергетика Учебное пособие Саяногорск СФУ 2007 2 УДК 621.311 В 25 В25 Введение в специальность гидроэлектроэнергетика: учебное пособие / сост. В.Б. Затеев. – Саяногорск : СШФ СФУ, 2007. – 156 с. Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Саяно-Шушенского филиала СФУ © Саяно-Шушенский филиал СФУ, 2007 © В.Б. Затеев, 2007 Редактор А.А. Чабанова Подп. в печать . Формат 60х84/16. Бумага тип. №1. Офсетная печать. Усл. печ. л. 9,0. Уч.-изд. л. 7,8. Тираж 100 экз. Заказ 70. Сибирский федеральный университет; Саяно-Шушенский филиал СФУ 655519 РХ, г. Саяногорск, пгт. Черемушки, д. 15. Отпечатано на ризографе Саяно-Шушенского филиала СФУ 655519 РХ, г. Саяногорск, пгт. Черемушки, д. 15. 3 ОГЛАВЛЕНИЕ От составителя .........................................................................................................................5 ВВЕДЕНИЕ ..............................................................................................................................6 1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГИДРОЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ .......................7 1.2. Гидроэлектроэнергетика ...........................................................................................10 1.3. Первые гидроэлектростанции (1881-1920 гг.) .........................................................12 1.4. Развитие гидроэлектроэнергетики ...........................................................................13 1.5. Единая энергетическая система ................................................................................17 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ. ИХ ОСВОЕНИЕ .................................22 2.1. Мировые энергетические ресурсы ...........................................................................22 2.2. Водные ресурсы и их использование .......................................................................24 2.2.1. Водные ресурсы ..................................................................................................24 2.2.2. Водные объекты и протекающие в них процессы ...........................................25 2.2.3. Водное хозяйство ................................................................................................27 2.2.4. Водная энергия и схемы её использования ......................................................31 2.3. Традиционные и нетрадиционные источники электрической энергии ................34 2.3.1. Тепловые электростанции .................................................................................34 2.3.2. Атомные электростанции ..................................................................................34 2.3.3. Гидравлические электростанции ......................................................................35 2.3.4. Выбор типа электростанции ..............................................................................38 2.3.5. Нетрадиционные источники энергии ...............................................................40 3. ОСНОВНЫЕ ВОДОПОДПОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 42 3.1. Типы гидротехнических сооружений ......................................................................42 3.2. Плотины ......................................................................................................................43 3.2.1. Грунтовые плотины ............................................................................................44 3.2.2. Бетонные и железобетонные плотины .............................................................47 3.2.3. Плотины древности ............................................................................................48 3.3. Водосбросные и водоподводящие устройства на плотинах ..................................51 3.4. Здания гидроэлектростанций как водоподпорные сооружения ............................54 3.5. Судоходные шлюзы ...................................................................................................55 3.6. Компоновка гидроузлов ............................................................................................56 3.6.1. Приплотинные гидроэлектростанции...............................................................57 3.6.2. Русловые гидроузлы ...........................................................................................58 3.6.3. Компоновка деривационных гидроэлектростанций .......................................58 4. ГИДРОТУРБИННАЯ И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ...............................................................................................59 4.1. Гидравлические турбины и насосы ..........................................................................59 4.1.1. Использование энергии в гидравлических турбинах ......................................59 4.1.2. Активные турбины .............................................................................................63 4.1.3. Реактивные турбины ..........................................................................................64 4.1.4. Турбинные установки. Регулирование (управление) турбинами ..................72 4.2. Гидромеханические устройства и оборудование гидроэлектростанций ...........74 4.2.1. Затворы турбин и водосбросов..........................................................................75 4.2.2. Водоводы турбин ................................................................................................77 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ..........................................78 5.1. Краткие основные понятия и определения в электротехнике ...............................78 4 5.2. Гидрогенераторы ........................................................................................................84 5.3. Трансформаторы ........................................................................................................93 5.4. Электрические аппараты ...........................................................................................94 5.5. Главная электрическая схема гидроэлектростанций. Схема собственных нужд и распределительные устройства........................................................................................98 5.6. Вопросы электрической безопасности персонала и защиты оборудования ........99 5.7. Электрические сети, элементы сети, их связь и взаимодействие с гидроэлектростанциями..................................................................................................101 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ..................................................105 6.1. Стадии проектирования и инженерные изыскания ..............................................105 6.1.1. Стадии проектирования ...................................................................................105 6.1.2. Инженерные изыскания ...................................................................................106 6.2. Выбор типов и размеров сооружений гидроэлектростанций ..............................107 6.2.1. Предельные состояния гидротехнических сооружений ...............................107 6.2.2. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения .........................108 6.2.3. Устойчивость гидротехнических сооружений ..............................................109 6.2.4. Прочность (напряженно-деформированное состояние) гидротехнических сооружений..................................................................................................................112 6.2.5. Гидравлические расчеты водосбросных сооружений ...................................113 6.3. Некоторые вопросы проектирования технологической части и оборудования 113 7. ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ...................................120 7.1. Организация и этапы строительства ......................................................................120 7.2. Технология возведения гидротехнических сооружений ......................................125 7.3. Монтаж оборудования .............................................................................................130 8. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ........131 8.1.Некоторые показатели эксплуатации, определения и терминология ..................131 8.2. Организация эксплуатации .....................................................................................132 8.3. Рациональное использование водных ресурсов ....................................................133 8.4. Эксплуатация и ремонт гидротехнических сооружений .....................................135 8.4.1. Организация контроля безопасности гидротехнических сооружений .......135 8.4.2. Техническое, информационное и методическое обеспечение контроля безопасности гидротехнических сооружений .........................................................136 8.4.3. Ремонт гидротехнических сооружений ..........................................................139 8.5. Эксплуатация и ремонт оборудования ...................................................................142 8.5.1. Эксплуатация гидроагрегатов .........................................................................142 8.5.2. Эксплуатация гидромеханического и вспомогательного оборудования ....144 8.5.3. Ремонт турбин, гидромеханического оборудования и Металлоконструкций гидротехнических сооружений .................................................................................145 8.6. Эксплуатация водохранилищ ..................................................................................146 9. ЭНЕРГЕТИКА, ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ .....................................................149 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................156 5 От составителя Основным учебником при изучении дисциплины «Введение в специ- альность» в Саяно-Шушенском филиале является монография «Гидроэлек- тростанции» авторы В.И. Брызгалов и Л.А. Гордон. Книга эта объемная, на- писанная, в том числе и для специалистов, поэтому содержит много инфор- мации, выходящей за рамки дисциплины «Введение в специальность». В связи с этим, как показал опыт преподавания, имеется потребность в созда- нии на базе вышеуказанной монографии учебного пособия, в которое следует включить только те сведения о проектировании, строительстве и эксплуата- ции гидроэлектростанций, которые необходимы студентам первого курса для получения общего представления о будущей специальности. Таким образом, настоящее учебное пособие «Введение в специальность Гидроэлектроэнергетика» представляет собой «выжимки» из монографии В.И. Брызгалова и Л.А. Гордона. При этом информация скомпонована по от- дельным темам, но сохранена в редакции авторов, хотя у Составителя и «че- сались руки», кое-что подправить. Тем не менее, он взял себя в руки и удер- жался от соблазна, оставив, впрочем, за собой право, излагать этот материал на лекциях по своему усмотрению. Цель преподавания дисциплины «Введение в специальность» - дать представление о современном состоянии энергетики как отрасли производст- ва и науки, об истории ее развития, современных проблемах и перспективах развития. В результате изучения дисциплины «Введение в специальность» студент должен усвоить: гидроэнергетическую терминологию; способы оценки и использования гидроресурсов; виды основных гидротехнических сооружений, их компоновку; принципы проектирования, строительства и эксплуатации ГЭС; состав оборудования, применяемого на ГЭС; принципы выработки, преобразования и передачи электроэнергии, а также регулирова- ния и защиты на ГЭС и в энергосистемах; современные проблемы и перспек- тивы развития электроэнергетики. При изучении дисциплины «Введение в специальность» можно реко- мендовать пользоваться одновременно обеими книгами, так как, во-первых, в монографии иллюстративный материал представлен и в большем объеме, и лучшего качества, а во-вторых, есть возможность «заглянуть в будущее» и расширить свой кругозор. В связи с тем, что это первый выпуск учебного пособия, неизбежны различные «ляпы» и стилистического, и технического характера. Состави- тель учебного пособия будет весьма благодарен внимательным читателям за обнаруженные недостатки. Более того, количество выявленных недостатков может перейти в качество оценки освоения студентом дисциплины с соответ- ствующей регистрацией в зачетной книжке. 6 ВВЕДЕНИЕ Есть все основания считать, что в ближайшей перспективе обществом в нашей стране будет вновь востребовано строительство гидроэлектростанций, к этому есть все предпосылки, продиктованные рыночными условиями в об- ласти топливообеспечения. Поэтому возникнет необходимость и в универ- сальных специалистах, обладающих широким кругом знаний в области гид- ротехники и энергетики (гидроэлектроэнергетики), связанных неразрывным технологическим процессом на промышленном предприятии – гидроэлектро- станции. Инженер-выпускник по специальности «Гидроэлектростанции» должен уметь: – проектировать и строить гидротехнические сооружения ГЭС; – монтировать гидротурбинное, гидромеханическое и электротехниче- ское оборудование ГЭС и его налаживать; – эксплуатировать гидротехнические сооружения, основное и вспомо- гательное оборудование ГЭС. Изучению специальных курсов, посвященных гидротехническим со- оружениям, гидротурбинам, гидрогенераторам, электротехническому обору- дованию и системам управления, т.е. всему тому, что объединяет в себе гид- роэлектростанция, предшествуют общетеоретические и общепрофессиональ- ные дисциплины, без знания которых невозможно изучить специальные курсы. К общетеоретическим и общепрофессиональным дисциплинам, пред- шествующим специальным курсам, относятся, в частности, математика, фи- зика, геодезия, инженерная графика, материаловедение, техническая механи- ка, геология и гидрогеология, гидравлика и гидрология, строительные конст- рукции, основания и фундаменты, теоретические основы электротехники, электроэнергетика, электромеханика, гидравлические машины, электриче- ские машины, электрические измерения, техника электробезопасности и др. 7 1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГИДРОЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ Современная гидроэлектростанция представляет собой сложный при- родно-технический комплекс. Однако в этом комплексе можно выделить не- сколько основных, определяющих элементов, без которых существование ГЭС невозможно. Это плотина – основное гидротехническое сооружение, турбина и генератор – основное гидросиловое оборудование ГЭС, преобра- зующие энергию воды в электрическую, а также распределительные устрой- ства и отходящие от него линии электропередачи с сопутствующим оборудо- ванием, обеспечивающие распределение и транспортировку электроэнергии от производителя (ГЭС) к потребителю. Энергетика – отрасль техники, задача которой – обеспечение челове- чества энергией. Как отрасль знаний энергетика – прикладная наука, позво- ляющая обосновать проектирование, создание и эксплуатацию энергетиче- ских установок. Один из важнейших способов получения электрической энергии осно- ван на использовании водной энергии. Гидроэлектроэнергетика – отрасль техники и прикладная наука, соединяющая в себе элементы гидротехники и энергетики. В ней изучаются как способы получения электрической энергии, так и гидротехнические сооружения (ГТС), необходимые для получения электрической энергии на основе использования водной энергии. Гидротехника (в переводе с греческого – водное мастерство) – одна из отраслей строительного искусства. Основная задача гидротехники как отрас- ли строительной техники – возведение сооружений, дающих возможность использовать водные ресурсы. Как всякое мастерство высокого уровня, гид- ротехника опирается на определенные знания. Как отрасль знаний гидротех- ника является прикладной технической наукой, позволяющей обосновать проектирование, строительство и эксплуатацию гидротехнических сооружений. Гидроэлектростанция (ГЭС) – основной объект гидроэлектро- энергетики (применяется и термин – гидростанция). Она представляет собой неразрывную систему гидротехнических сооружений и оборудования для получения электрической энергии из энергии воды. Крупная ГЭС – не только источник электрической энергии. Появление крупной ГЭС существенно влияет на природную среду обширного региона, а также оказывает благотворное преобразующее влияние на состояние эконо- мики и социальную сферу. Наибольшее распространение классификации ГЭС по мощности получили следующие: 8 – микрогидроэлектростанции (микроГЭС) – мощностью менее 0,1 МВт; – минигидроэлектростанции (миниГЭС) – мощностью 0,1-1 МВт; – малые гидроэлектростанции мощностью – 1-10 МВт; – средние гидроэлектростанции мощностью – 10-1000 МВт; – крупные гидроэлектростанции мощностью выше 1000 МВт; В 60-80 годы ХХ века наметился некоторый спад в строительстве крупных гидроузлов. Однако в 90-е годы спад во многих странах был пре- одолен, например, в Китае, где одновременно строятся 70 плотин высотой более 15 м, и где сооружается самая крупная ГЭС мира «Три ущелья» мощ- ностью 18,2 млн. кВт. Такой размах строительства осуществляется не только с целью получения дешёвой электроэнергии (хотя это один из главных фак- торов), но также для предотвращения материального ущерба от наводнений и улучшения условий судоходства. Советский Союз долгие годы занимал лидирующее положение в миро- вой гидроэлектроэнергетике. В свое время Красноярская и Саяно-Шушенская ГЭС были самыми мощными в мире. После распада СССР лидирующие по- зиции России и стран СНГ были утрачены. В настоящее время (на начало 2001 года) Саяно-Шушенская ГЭС и Красноярская ГЭС по установленной мощности занимают в мире соответственно шестое и седьмое места (табл. 1.1) Таблица 1.1 Крупнейшие гидроэлектростанции мира Наименование ГЭС Страна Установленная Мощность, тыс. кВт Примечание Три Ущелья Китай 18200 Строится Итайпу Бразилия 12600 Действующая Грэнд-Кули США 10830 Действующая Гури Венесуэла 10300 Действующая Тукуруи Бразилия 8000 Действующая Саяно-Шушенская Россия 6400 Действующая Красноярская Россия 6000 Действующая Ла Гранде Канада 5328 Действующая Черчил-Фулз Канада 5225 Действующая 9 |