Лекция 4. Теоретические основы ИВЭ. Аддитивная модель процесса получения, преобразования, распределения и использования гидроэнергии. Основные схемы использования гидроэнергии.

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС:

1) плотинная схема, когда напор создается плотиной;

2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода;

3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной,
и деривацией.

Плотины имеются во всех трех схемах. Плотины могут быть земляные (рис. 1, а), каменно-набросные (рис. 1, б), бетонные и железобетонные (рис. 1, в).

Рис. 1. Поперечные профили плотин: а — земляных; б — каменно-набросных; в — бетонных

/ — плотина с ядром; // — плотина с экраном; /// — плотина с диафрагмой; IV — гравитационная глухая; V — гравитационная водосливная; VI — контрфорсная; VII — арочная; VIII — многоарочная 1 — ядро из местных материалов (глина, суглинок, лёсс); 2 — зуб; 3 — крепление верхового откоса; 4 — экран; 5 — экран с понуром; 6 — диафрагма; 7 — цементационная завеса; 8 — каменная наброска; 9 — обратный фильтр; 10 — берма; 11 — железобетонный экран; 12 — подэкрановая каменная кладка; 13 — затвор; 14 — козловый экран; 15 — водослив; 16 — плита; 17 — контрфорсы; 18 — распорные балки; 19 — арка

Земляные плотины строятся высотой до 200 м, а каменно-набросные до 300 м. Каменно-набросные и земляные плотины имеют ширину по основанию больше высоты. Крутизну откосов обычно обозначают 1:3, 1: 2,5 и т. д. Это значит, что горизонтальная проекция откоса соответственно в 3 или 2,5 раза больше его высоты. Бетонные гравитационные плотины, устойчивость которых обеспечивается их массой, строятся на слабом основании (глина, песок) высотой до 40 м, а на прочном скальном основании — до 300 м.

Железобетонная контрофорсная плотина может быть построена высотой до 100 м. Одноарочные плотины строятся только в узких глубоких каньонах с прочными скальными берегами, на которые передается нагрузка от плотины. Такие плотины обычно делаются железобетонными и могут достигать высоты 300м.

В многоарочных железобетонных плотинах нагрузка через арки передается на контрфорсы, и через них на основание. Такие плотины строятся высотой до 100—150 м.

Рис. 1. Поперечные профили плотин: а — земляных; б — каменно-набросных; в — бетонных

Плотинная схема (см. рис. 2) осуществляется преимущественно при больших расходах воды и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается перепад Н_о, а подпор воды распространяется вверх по реке до пункта А. Разность уровней воды в пунктах A и В равна Н_о + h. Часть общего падения реки h будет потеряна при движении воды в верхнем бьефе. В плотинной схеме в зависимости от величины напора гидроэлектростанция может быть русловой или приплотинной.

Русловой называется такая гидростанция, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающих напор (см. рис. 3). Здание ГЭС в этом случае воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре.

При средних и больших напорах строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает полного давления воды (см. рис. 4). Подвод воды к турбинам такой ГЭС осуществляется трубопроводами, размещаемыми в теле или поверх бетонной плотины, под земляной плотиной или туннелями, прокладываемыми в обход плотины.

При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации. На рис. 5 приведена схема ГЭС с деривацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам гидростанции. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деривацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.

При пересеченном или горном рельефе местности, деривацию можно выполнить в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли, или в виде туннеля, прорезывающего горный массив (см рис. 6). Деривация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.

Существует два типа гидротехнических туннелей (см. рис. 7): безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все Сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного.

Деривация может быть подводящей и отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля. На рис. 7 показаны схемы подземных ГЭС с туннельной деривацией. Подводящий и отводящий туннели могут быть напорными и безнапорными. В конце длинной напорной подводящей и в начале длинной напорной отводящей деривации устанавливается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС. В конце подводящей безнапорной деривации (канал, безнапорный туннель и т. п.) сооружается напорный бассейн.

При длинной безнапорной подводящей деривации в конце ее, иногда устраивается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рис. 5).

Если река несет большое количество крупных наносов (песка), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подводящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.

Если возможно переохлаждение воды и образование внутриводного льда — шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы. В деривационной установке различают: головной узел, деривацию и станционный узел. Плотина с водосбросами, водоприемник и в случае надобности — отстойник для задержания влекомого рекой песка и гравия и шугосброс образуют головной узел сооружений. Напорный бассейн или уравнительный резервуар, трубопроводы и здание ГЭС с примыкающим к нему началом отводящего канала образуют станционный узел сооружений.

Деривационные схемы установок оказываются выгодными в горных условиях, при больших уклонах свободной поверхности воды в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины можно создать водохранилище для регулирования стока реки.

Энергия морских приливов. Периодические изменения уровня воды в морях и океанах, называемые приливами и отливами, происходят под действием сил притяжения в космической системе Земля — Луна — Солнце. Смена приливов и отливов наблюдается на большинстве морских побережий 4 раза в сутки. При этом амплитуда колебаний уровня моря достигает максимума (сизигия) при расположении Земли, Луны и Солнца на одной прямой, а минимума (квадратуры) — при их расположении в вершинах треугольника, образуемого этими космическими телами.

Наибольшая амплитуда колебаний этих уровней, т. е. разность их максимального значения при приливах и минимального при отливах, составляет в открытом океане около 2 м. У побережий, в узких проливах, заливах и устьях рек эта амплитуда возрастает, достигая наибольшего значения до 19,6 м в заливе Фанди на атлантическом побережье Канады. В России максимальные амплитуды приливов наблюдаются на побережье Охотского моря до 11 м, в Мезенском заливе — 10 м и на Кольском побережье — до 7,4 м.

Рис. 13 Мареограмма (кривая приливов) за один месяц

Графики изменения рассматриваемых уровней воды, называемые мареограммами, для суток имеют синусоидальный характер. Чередование максимальных и минимальных уровней моря происходит через каждые 6 ч 12 мин. Амплитуда суточных колебаний уровня моря не остается постоянной, а изменяется по дням, как это показано на рис. 13, а также существенно зависит от времени года. Лунный месяц составляет 29,53 сут., что соответствует продолжительности времени между двумя полнолуниями или новолуниями.

Рассматриваемый подъем и спад уровней сопровождаются изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.

Преобразование энергии отливов и приливов в электрическую возможно путем строительства приливных электростанций (ПЭС), схема которых заключается в следующем. Суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения здания станции, воспринимающего напор, и плотины. При этом образуется бассейн, куда во время прилива вода поступает из моря, а при отливе — обратно. Разность уровней воды в море и бассейне обеспечивает работу гидротурбин. При выравнивании уровней воды в бассейне и море и сокращении напора ниже минимально необходимого для работы турбин значения они останавливаются до следующего восстановления напора во время прилива или отлива.

Для определения потенциальной мощности N_n, кВт, и годовой выработки энергии Э_п, кВт-ч, отдельных створов, в которых возможно сооружение ПЭС, рекомендуются следующие формулы:

где А — среднегодовая амплитуда прилива, м; F — площадь бассейна, км².

Технический потенциал ПЭС оценивается в 33% потенциальной энергии, так как значительная ее часть не может быть использована вследствие снижения напора и других потерь энергии.

Благоприятные условия для строительства ПЭС, характеризующиеся большой площадью бассейна при малой длине створа сооружений и значительной амплитудой колебания уровней, встречаются.довольно редко. Но в ряде стран, в том числе Англии, Франции, Канаде и др., разработаны проекты ПЭС мощностью более 7000 МВт (Северен, Англия) и даже 12000 МВт (Шозе, Франция).

Крупнейшая в мире на настоящий момент приливная электростанция Сихвинская ПЭС, расположенная в искусственном заливе Сихва-Хо (кор. 시화호)[2] на северо-западном побережье Южной Кореи. Электростанция обладает установленной мощностью 254 МВт и была запущена в августе 2011 года и стала крупнейшей приливной станцией мира оттеснив на второе место долговременного лидера — французскую приливную электростанцию ПЭС «Ля Ранс»(240 МВт).

Рис. 14 Масштабная модель поперечного сечения машинного зала ПЭС «Ля Ранс»

Установленная мощность действующей в России Кислогубской ПЭС сегодня 1,7 МВт (первоначально 0,4 МВт).

Станция установлена в узкой части губы Кислая, высота приливов в которой достигает 5 метров. Конструктивно станция состоит из двух частей — старой, постройки 1968 года, и новой, постройки 2006 года. Новая часть присоединена к одному из двух водоводов старой части. В здании ПЭС размещено два ортогональных гидроагрегата — один мощностью 0,2 МВт (диаметр рабочего колеса 2,5 м, находится в старом здании) и один ОГА-5,0 м мощностью 1,5 МВт (диаметр рабочего колеса 5 м, находится в новом здании). Гидротурбины изготовлены ФГУП «ПО Севмаш», генераторы — ООО «Русэлпром».

Кислогубская ПЭС принадлежит ОАО «РусГидро» в лице его 100 % дочернего общества — ОАО «Малая Мезенская ПЭС».

Рис. 15 Масштабная модель поперечного сечения

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС:

1) плотинная схема, когда напор создается плотиной;

3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной,
и деривацией.

Рис. 1. Поперечные профили плотин: а — земляных; б — каменно-набросных; в — бетонных

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: