Тема «Гидроэлектростанции». Прочитайте материал лекции (см.ниже), составьте конспект по опорным вопросам

Тема «Гидроэлектростанции»

1. Прочитайте материал лекции (см.ниже), составьте конспект по опорным вопросам

От чего зависит мощность ГЭС?

Какие схемы создания напора вы знаете?

Почему проект каждой ГЭС уникален?

Что такое деривационная гидроэлектростанция?

Какие типы деривационных ГЭС вы знаете?

Какие типы плотин вам известны?

В чем преимущества и недостатки грунтовых плотин?

Какие типы зданий ГЭС вы знаете?

Что такое гидроагрегат?

Какие типы гидротурбин вам известны?

Каким образом можно регулировать сток рек?

Каковы преимущества и недостатки ГЭС?

2.Составьте сравнительную таблицу использования энергии воды и сделайте вывод:

№	Преимущества	Недостатки

Вывод:___________________________________________________________________

3. Составьте рейтинг гидроэлектростанций с учетом производимой мощности:

Саяно-Шушенская, Красноярская, Братская, Усть-Илимская, Богучанская, Волжская, Жигулевская, Бурейская, Саратовская, Чебоксарская.

4. Запомните необходимую информацию по теме:

Гидроэлектростанции используют энергию падающей воды, их мощность зависит от напора и расхода воды. Напор воды может создаваться при помощи плотины, деривации или комбинацией этих способов. Деривационные гидроэлектростанции отличаются наибольшим разнообразием конструктивных схем и самым большим числом входящих в них сооружений.

В состав сооружений ГЭС входят плотины, здания ГЭС, водосбросы, тоннели, каналы, водоводы, уравнительные резервуары, отстойники, также в состав гидроузла могут входить сооружения неэнергетического назначения (шлюзы и т.п.). Плотины ГЭС бывают гравитационными (грунтовыми или бетонными), арочными и контрфорсными. Наибольшее распространение получили гравитационные плотины, как наиболее универсальные и технологичные. Здания самих ГЭС разделяют на русловые, приплотинные и деривационные.

Выработка электроэнергии на ГЭС производится на гидроагрегатах, которые состоят из турбины и генератора. Турбины по конструкции разделяются на радиально-осевые, поворотно-лопастные, пропеллерные, диагональные и ковшовые. Каждая из них имеет свой оптимальный диапазон напоров.

Работа ГЭС сильно зависит от водного режима рек, который очень изменчив. Влияние этого фактора можно снизить созданием водохранилища, чем более емкое водохранилище – тем лучше оно регулирует сток реки и тем эффективнее его использует ГЭС. Наиболее оптимально создание каскадов ГЭС.

Важнейшим преимуществом гидроэлектростанций является их очень высокая маневренность, что позволяет использовать их для регулирования энергосистемы.

Лекция 4

Гидроэлектростанции (ГЭС) используют для своей работы энергию падающей воды.

Мощность гидроэлектростанции зависит от двух параметров:

• напора воды, т.е. разницы уровней воды между местом ее забора и местом выпуска

• расхода воды

Поскольку ГЭС не потребляют топливо, их работа основана на использовании возобновляемого источника энергии.

Для работы гидроэлектростанций необходим напор воды. Фактически, гидроэлектростанция использует падение воды (разницу между отметками высот) участка реки определенной длинны. Напор может быть создан двумя способами. Первый из них предусматривает перекрытие реки плотиной, второй – отвод стока реки при помощи деривации (каналов, тоннелей или трубопроводов).

Соответственно, по схеме создания напора все ГЭС делятся на:

Плотинные
Деривационные
Плотинно-деривационные

Особенностью гидроэлектростанций является уникальность их проектов. Электростанции всех остальных типов строятся по типовым проектам с использованием унифицированного оборудования.

Каждая гидроэлектростанция строится по собственному проекту, поскольку условия строительства каждой ГЭС (напор, расход, условия местности) уникальны. Это же относится и к оборудования ГЭС (турбинам, генераторам, затворам и т.п.) – все они каждый раз проектируются заново, относительно унифицировано только оборудование для малых ГЭС.

Плотинная гидроэлектростанция создает напор за счет перекрытия русла реки плотиной и образования водохранилища. Величина напора напрямую зависит от высоты плотины и ограничена ей. Максимально достигнутая высота плотины составляет около 300 м, что естественным образом ограничивает максимальный напор плотинных ГЭС этой величиной.

Важным следствием возведения плотины является создание водохранилища, что имеет как положительные, так и отрицательные эффекты. Положительный эффект заключается в возможности регулировать сток и соответственно максимально эффективно его использовать, как для выработки электроэнергии, так и в других целях. Главный отрицательный эффект – затопление земель.

Деривационные электростанции создают напор за счет отвода части стока реки. Простейшая схема деривационной электростанции – труба, проложенная вдоль русла реки: разница отметок высот на входе и выходе из трубы и будет определять напор.

На практике используются самые разные схемы деривации, иногда длиной в десятки километров. При этом вода может отводиться с помощью каналов, тоннелей, лотков, трубопроводов – а нередко и их комбинаций. С помощью деривации можно создавать очень высокие напоры, рекордным на данный момент является значение 1883 м. Водохранилище у деривационных ГЭС либо отсутствует, либо очень невелико по размерам, поэтому выработка таких станций сильно зависит от водности рек.

Возможные схемы создания напора с помощью деривации:

• Безнапорная подводящая деривация

Сток реки отводится с помощью канала, лотка или безнапорного тоннеля. В конце деривации вода накапливается в напорном бассейне, после чего по водоводам подается в здание ГЭС. Это чрезвычайно распространенная схема, которая используется как в равнинных, так и в горных условиях.

• Безнапорная отводящая деривация

В этом случае здание ГЭС располагается непосредственно вблизи водозаборного узла под землей, а отработавшая на турбинах вода отводится по безнапорному тоннелю. Схема используется довольно редко.

• Напорная подводящая деривация

Вода подается от водозаборного сооружения на здание ГЭС по напорному тоннелю и трубопроводу.

На практике могут встречаться и смешанные схемы, когда часть напора создается с помощью безнапорной деривации, а часть – с помощью напорной (например, Верхнебалкарская ГЭС).

Плотинно-деривационные ГЭС сочетают в себе свойства как плотинных, так и деривационных ГЭС, т.е. имеют как плотину, так и деривацию (обычно напорную). Наличие плотины позволяет создавать водохранилище и регулировать сток, с помощью деривации снижается площадь затопления и увеличивается напор.

Гидроэлектростанции состоят из отдельных гидротехнических сооружений (ГТС). В зависимости от конструктивных особенностей ГЭС конкретный набор сооружений может сильно отличаться. К ГТС относятся:

Плотины

Здания ГЭС

Водосбросные сооружения

Водоприемники

Тоннели, каналы, лотки, водоводы

Уравнительные резервуары

Отстойники

Бассейны суточного регулирования

Также в состав сооружений гидроузла могут входить сооружения неэнергетического назначения: судоходные шлюзы или судоподъемники с подходными дамбами и причальными стенками, мосты, лесопропускные сооружения, рыбоходы, насосные станции и водозаборы систем водоснабжения или орошения.

Плотины разделяются по конструкции на гравитационные, арочные и контрфорсные, по материалу изготовления – на бетонные и железобетонные, грунтовые, деревянные, из каменной кладки.

Гравитационные плотины противостоят давлению воды за счет своего веса. Это самый распространенный тип плотин, подавляющее большинство плотин являются гравитационными. Гравитационные плотины могут строиться из самых разных материалов, в настоящее время плотины из каменной кладки и дерева практически не применяются, и в основном гравитационные плотины строятся либо из бетона, либо из грунтовых материалов. Гравитационные бетонные плотины очень надежны, технологичны, нетребовательны к прочности склонов, удобны для устройства водосбросов и водоводов к зданию ГЭС. Их основной недостаток – необходимость использования очень больших объемов бетона, что негативно влияет на стоимость. Поэтому в очень широких створах гравитационные бетонные плотины проигрывают грунтовым, а в очень узких – арочным.

Для снижения стоимости распространено применение малоцементного укатанного бетона, который дешевле и технологичнее в укладке.

Грунтовые плотины строятся из различных местных грунтовых материалов – камня, галечника, песка, суглинка. Для защиты от фильтрации в таких плотинах часто устраивают противофильтрационные элементы: ядра, экраны или диафрагмы из различных водонепроницаемых материалов. В мире сейчас очень распространены грунтовые плотины с железобетонным экраном. Не очень высокие, но широкие плотины, намытые из песка, делают без противофильтрационных элементов, поскольку фильтрация через них невелика. Грунтовые плотины просты в строительстве и нетребовательны к качеству грунтов склонов и основания. Их недостаток – очень большой объем (что требует крупномасштабного перемещения грунта) и неустойчивость к переливу через гребень, что затрудняет обустройство водосбросных сооружений. Поэтому при строительстве ГЭС на равнинных реках чаще всего в состав сооружений ГЭС входят как грунтовые плотины (образующие большую часть напорного фронта), так и бетонная водосбросная плотина.

Арочные плотины обеспечивают свою устойчивость за счет упора арки, выгнутой в сторону водохранилища, в берега. Разновидностью арочных плотин являются арочно-гравитационные плотины, их прочность обеспечивается как упором в берега, так и весом. Арочные плотины очень экономичны, поскольку требуют наименьшего количества бетона, их толщина может быть менее двух метров. При этом они очень прочны, имелись случаи перелива воды через гребень арочных плотин без их разрушения. Арочные плотины требуют узких створов и требовательны к прочности берегов, поэтому строятся только в горах. Арочно-гравитационные плотины несколько менее требовательны.

Контрфорсные плотины обеспечивают устойчивость за счет передачи нагрузок на дно реки при помощи подпорных стенок – контрфорсов. Выделяют массивно-контрфорсные плотины с широким контрфорсами, плотины с плоскими перекрытиями и многоарочные плотины. Контрфорсные плотины требуют меньше бетона по сравнению с гравитационными, но менее технологичны в строительстве и требуют прочного скального основания.

Здание ГЭС является центральным элементом гидроэлектростанции – именно в нем расположены турбины и генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Конструкции зданий ГЭС могут сильно различаться, но все они укладываются в три группы:

• Русловые

• Приплотинные

• Деривационные

Русловое здание ГЭС непосредственно воспринимает напор, т.е. одновременно выполняет функции плотины. Такие здания широко используются на гидроэлектростанциях, построенных на равнинных реках. Часто они совмещаются с водосбросными сооружениями, при этом вода может пропускаться как над гидроагрегатами, так и под ними.

Выработка электроэнергии на ГЭС производится с помощью гидроагрегатов, состоящих из гидротурбин и генераторов. Гидроагрегаты размещаются в машинном зале здания ГЭС, в большинстве случаев вертикально. Горизонтальное расположение гидроагрегатов может использоваться на ГЭС с небольшими напорами и на малых ГЭС.

Мощные гидроагрегаты – очень крупные машины, вес которых может достигать 2000 т. Гидротурбина непосредственно взаимодействует с потоком воды, приводится им во вращение и сама, в свою очередь, приводит во вращение генератор. Управление турбиной производится при помощи направляющего аппарата с лопатками, поворачивая которые можно изменять количество проходящей через гидротурбину воды, вплоть до полной остановки.

По конструкции, выделяют следующие гидротурбины:

• Радиально-осевые

• Поворотно-лопастные

• Пропеллерные

• Диагональные

• Ковшовые

Радиально-осевые турбины (или турбины Френсиса) имеют рабочее колесо с неподвижно закрепленными лопастями, они изогнуты таким образом, что поток воды сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Такие турбины имеют самый высокий КПД и просты по конструкции. Они оптимальны для использования при напорах от 50 до 600 м. Крупнейшие в мире по мощности гидротурбины – именно радиально-осевые. В России крупнейшие гидроагрегаты с турбинами этого типа установлены на Саяно-Шушенской ГЭС (10 агрегатов по 640 МВт). Поворотно-лопастные турбины (или турбины Каплана) по форме напоминают гребной винт. Их лопасти могут разворачиваться с помощью специального механизма, что позволяет им сохранять высокий КПД при изменении напора и расхода воды. Турбины такого типа могут размещаться как вертикально, так и горизонтально. При этом горизонтальное размещение применяется на ГЭС с небольшими напорами, менее 10 м, гидроагрегат при этом размещается в герметичной капсуле.

Недостатками поворотно-лопастных турбин являются конструктивная сложность и ограниченность напором примерно 70 м. Крупнейшие по мощности поворотно-лопастные турбины в России смонтированы на Волжской и Жигулевской ГЭС.

Особенностью работы гидроэлектростанций является из зависимость от водного режима рек. Эти режимы для разных рек существенно различаются. Так, в бассейне Волги большая часть стока (более 60%) проходит в период весеннего половодья (снеговое питание), летом и зимой наблюдается межень. На реках Северного Кавказа максимум расходов приходится на летний период, он связан с таянием ледников и дождевыми паводками. В бассейне Амура весеннее половодье выражено слабо, основные расходы воды наблюдаются в июле-августе, когда начинаются муссонные дожди. Разница между максимальным и минимальным стоком в реках может отличаться в сотни и даже тысячи раз. Это очень неудобно, поскольку в многоводный период большую часть стока приходится пропускать вхолостую, а в маловодный период воды резко не хватает. Для регулирования стока, т.е. накопления воды многоводный период и расходования ее в маловодный используют водохранилища. По возможностям регулирования стока выделяют следующие водохранилища:

• Многолетнего регулирования – могут накапливать воду в многоводные годы и отдавать ее в маловодные

• Сезонного регулирования – накапливают воду в половодье и паводки, срабатываются в межень

• Недельного регулирования – обеспечивают работу ГЭС по недельному графику нагрузок

• Суточного регулирования – обеспечивают работу ГЭС по суточному графику нагрузок

По состоянию на конец 2017 года, общая мощность мировой гидроэнергетики оценивается в 1152 ГВт, что составляет более половины мощности всей возобновляемой энергетики (2179 ГВт). Гидроэнергетика обеспечивает около 16% мировой выработки электроэнергии. Лидером в области гидроэнергетики является Китай, где эксплуатируются гидроэлектростанции общей мощностью 341 ГВт, на втором месте – США (103 ГВт), на третьем – Бразилия (100 ГВт). Крупнейшие гидроэлектростанции мира

Три Ущелья, Китай – 22 500 МВт

Итайпу, Бразилия – 14 000 МВт

Белу Монти, Бразилия – 11 233 МВт

Гури, Венесуэла – 10 235 МВт

Тукуруи, Бразилия – 8370 МВт

В стадии строительства находятся ряд сверхмощных ГЭС, крупнейшая из них - Байхэтань (Китай) мощностью 16 000 МВт (16 гидроагрегатов по 1000 МВт).