Расчет Сегежской ГЭС в пиковом режиме

Размещено на http://www.allbest.ru/

17

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет Сегежской ГЭС в пиковом режиме

Введение

I. О гидроэнергетике

Гидроэнергетика - это использование энергии естественного движения, т.е. течения, водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды. До середины 19 в. для этого применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидравлические турбины. До конца 19 в. энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например, для размола зерна или для приведения в действие кузнечных мехов и молота. В наши дни практически вся механическая энергия, создаваемая гидравлическими турбинами, преобразуется в электроэнергию.

Всю гидроэнергетику целесообразно делить на две части:

1. Получение гидроэнергии

2. Использование гидроэнергии

Почти вся гидравлическая энергия представляет собой одну из форм солнечной энергии и поэтому относится к возобновляемым природным энергоресурсам. Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются облака, идет дождь, и вода, в конце концов, возвращается в водные бассейны, т.е. туда, откуда испарилась. С таким круговоротом воды в природе связаны колоссальные количества энергии.

На самом деле можно использовать лишь малую долю всего количества осадков и лишь ничтожную долю высоты, с которой они стекают. Кроме того, обычно КПД современных гидротурбин и генераторов не превышает 86%.

Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят Соединенные Штаты, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия.

В 2004 году на ГЭС было выработано 2800 млрд. кВт*ч энергии, это примерно 20% общемирового энергетического баланса.

Гидроэнергетика России сегодня:

Порядка 100 действующих гидростанций мощность более 100 МВт. 45 млн. кВт общая установленная мощность гидроагрегатов. 165 млрд. кВт*ч суммарная среднегодовая выработка российских ГЭС.

Россия обладает вторым в мире по объему гидропотенциалом. 852 млрд. кВт*ч можно производить ежегодно за счет энергии российских рек. Это составляет 12% от мирового гидропотенциала.

О гидроэлектростанциях

Гидроэлектростанция представляет собой данную конструкцию: плотина образует водохранилище, обеспечивая постоянный напор воды. Вода входит в водоприемник и, пройдя по напорному водоводу, вращает гидротурбину, которая приводит в действие гидрогенератор. Выходное напряжение гидрогенераторов повышается трансформаторами для передачи на распределительные подстанции и затем потребителям.

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

· мощные -- вырабатывают от 25 МВт до 250 МВт и выше;

· мини ГЭС - вырабатывают от 0,1МВт до 25МВт;

· микро ГЭС - менее 0,1МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:

· высоконапорные -- более 60 м;

· средненапорные -- от 25 м;

· низконапорные -- от 3 до 25 м.

В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных -- ковшовые и радиально осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных -- поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож -- вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию.

Я хочу остановиться подробнее именно на маломощных гидростанциях, как одних из самых перспективных источниках энергии для Карелии.

Современный уровень техники позволяет создавать оборудование для микро- и малых гидроэлектростанций (ГЭС), которое обеспечит качество электрической энергии, не уступающее по своим параметрам качеству электроэнергии, производимой крупными тепловыми и гидроэлектростанциями. Кроме того, современная гидроэнергетика по сравнению с другими традиционными видами электроэнергетики является наиболее экономичным и экологически безопасным способом получения электроэнергии. Малая гидроэнергетика идет в этом направлении еще дальше. Небольшие гидроэлектростанции позволяют сохранить природный ландшафт, окружающую среду не только на этапе эксплуатации, но и в процессе строительства. При эксплуатации таких ГЭС отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она не теряет первоначальных природных свойств и может использоваться для водоснабжения населения. В реках сохраняется рыба.

Перечень потенциальных источников энергии для малой гидроэнергетики необычайно широк. Это небольшие реки, речки, ручьи, естественные перепады высот на озёрных водосбросах и на оросительных каналах ирригационных систем. Турбины малых ГЭС можно использовать в качестве гасителей энергии на перепадах высот питьевых и других трубопроводов, предназначенных для перекачки различных видов жидких продуктов. Кроме того, установка небольших гидроэнергоагрегатов возможна на технологических водотоках, таких промышленные и канализационные сбросы. Малая энергетика в первую очередь перспективна для отдалённых и труднодоступных районов, где поблизости нет линий электропередачи, так как строить такие линии чаще дороже, чем установить малую ГЭС.

Подсчитано, что энергетический потенциал малой гидроэнергетики в России превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, солнце и биомасса вместе взятых. Россия, обладая таким громадным потенциалом, в настоящее время в силу ряда причин значительно отстаёт от других стран в использовании этого ресурса. Ещё в недалеком прошлом (50-60 годы) в стране эксплуатировалось несколько тысяч МГЭС. Попытки возрождения малой гидроэнергетики предпринимались и ранее. Однако складывающаяся экономическая ситуация этому не способствовала. Сегодня к ускоренному развитию малой гидроэнергетики могут подтолкнуть аварии, участившиеся в энергосистеме страны, поскольку гидроагрегаты могут быть источниками автономного питания. Другой фактор ускорения - требования экологичности вырабатываемой энергии, что стало ещё более актуальным в связи с введением в действие Киотского протокола.

ГЭС в Карелии

Территория Карелии составляет примерно 178 тыс. кмІ, а без акватории частично расположенных на ней Ладожского и Онежского озер - 160,6 тыс. кмІ.

На этой площади находится более 43 тысяч озер и протекает около 11 тысяч водотоков - от крупных рек до склоновых ручейков длиной от 0,5 км, с общим протяжение речной сети 54,3 тыс. км. Такое обилие озер и рек, их достаточно равномерное распределение по территории, хорошая естественная зарегулированность стока и благоприятные условия для создания регулирующих водохранилищ, а также подходящие для строительства гидротехнических сооружений грунты указывают на большие возможности высокоэффективного использования водных ресурсов республики. Для начала рассмотрим перспективы развития малой гидроэнергетики в Карелии.

Самыми крупными источниками электроэнергии в Карелии являются Петрозаводская ТЭЦ, Кривопорожская ГЭС, Путкинская ГЭС и Ондская ГЭС. За последние годы по понятным причинам в республике не вводилось в строй новых крупных источников электроэнергии. В обозримом будущем будут реализовываться проекты, направленные на развитие малой гидроэнергетики.

При этом существуют перспективные проектные проработки в области строительства новых генерирующих мощностей. Это проекты строительства Белопорожской ГЭС, Морской ГЭС на реке Кемь, Пудожской ГЭС на реке Водла, Сегозерской ГЭС на реке Сегежа, Ялганьпорожской и Железнопорожской ГЭС на Чирка-Кеми. В реализации этих проектов не решены еще все вопросы, касающиеся финансирования, проведения экологических экспертиз, землеотведения.

В настоящее время гидроэнергетика Карелии представлена тремя крупными каскадами ГЭС, расположенными на реках Выг, Кемь, Суна, и шестью малыми ГЭС на реках Янисйоки, Тулемайоки, Китенйоки и Шуя. Существующими станциями гидроэнергетический потенциал наших рек не исчерпывается, объем производства электроэнергии на них составляет около 50% от экономически оправданного.

Общий потенциал карельских рек в некоторых источниках оценивается в 13727 ГВт-ч. Технический же потенциал меньше и оценивается в 7400 ГВт-ч, из которых технический потенциал на запрещенных для энергетического использования реках -- 1900 ГВт-ч. Однако, тот потенциал может быть частично использован путем строительства бесплотинных ГЭС, микро- и мини ГЭС, а также традиционными ГЭС при условии создания высокоэффективных рыбопропускных сооружений.

Что касается развития малой гидроэнергетики, то Правительством Карелии заключены два перспективных соглашения. Одно из них - с петербургским ЗАО «Норд Гидро», которое до 2015 года планирует ввести на территории республики объекты гидрогенерации общей мощностью 100 МВт. Второе Соглашение заключено с Фондом «Новая энергия» на строительство четырех малых ГЭС. Две планируется построить на Водле в Пудожском районе и две в Муезерском районе на Чирка-Кеми. Суммарная мощность их составит 70 МВт.

1. Расчёт Сегежской ГЭС в пиковом режиме

I. Вводная часть

Сегозерская ГЭС:

Планируемая мощность ГЭС - 24МВт, в здании ГЭС должны быть размещены два гидроагрегата мощностью по 12МВт, работающих при расчётном напоре 18м. ГЭС пристраивается к существующей плотине Сегозерского гидроузла, что существенно снижает затраты на проект и обеспечивает его быструю окупаемость. В начале 1990-х годов было проведено робочее проектирование, однако строительство ГЭС начато не было. Строительство Сегозерской ГЭС включено в инвестиционную программу ОАО “ТГК-1” с вводом гидроагрегатов в 2013-2015 годах.

Сегозеро - крупное озеро в Карелии, относящееся к бассейну Белого моря.

В 1957 году превращено в водохранилище (площадь 815 кмІ, глубина до 97м). площадьдо создания водохранилища - 753 кмІ. Береговая линия озера изрезана. На озере более 70 островов. Ледостав наступает обычно в декабре, вскрытие - в мае.

Из озера вытекает река Сегежа, впадающая в Выгозеро. Преобладают возвышенные, каменистые, почти сплошь покрытые лесом берега, практически необжитые и труднодоступные.

2. Расчет

Весь расчет сезонного регулирования стока можно разделить на пункты:

1. расчет мощности ГЭС на основе среднемесячного расхода

2. норма стока

3. расчет объёма водохранилища

Итак, первый пункт:

расчет мощности ГЭС на основе среднемесячного расхода.

Данный расчет осуществляется по формуле

N = 9,81*H*Q,

где Н - падение в метрах, а Q - повышенный среднемесячный расход воды в м^3/с. Э = 8760*N, - энергия (кВт*ч).

H=18м;

Далее берём наибольшие значения расхода воды в месяц, находим среднее значение:

Q=492.9/5=98.58 м^3/c;

N = 9,81*18 *98,58=17407,26 кВт.

Э = 8760 * 17407,26 = 152487 * 10^3 кВт*ч;

Второй пункт

норма стока - это средние значения годового стока за многолетний период, включающий несколько полных циклов колебаний водности реки при неизменных географических условиях и одинаковом уровне хозяйственной деятельности в бассейне реки. Она может быть выражена в виде среднегодовых значений расхода воды Q (м^3/с), объема стока W (м^3) за год, модуль стока q(м^3/c*км^2).

Q=73,08 м^3/c

W=31,56*10^6*Q=31,56*10^6*73,08=2306,4*10^6(м^3)

31,56*10^6 - секунд в году

q=Q/F=73,08/815=5,22

F - площадь водосбора (л/с*км^2)

Третий пункт

расчет объема водохранилища

В водохранилищах различают 3 нормативных уровня: УМО - уровень мертвого объема, НПУ - нормальный подпорный уровень и ФПУ - форсированный подпорный уровень.

Уровень поверхности воды, ограничивающий постоянную часть полного объема водохранилища, которая в нормальных условиях эксплуатации не срабатывается и в регулировании стока не участвует, называют уровнем мертвого объема (УМО). Это - минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его обработка в условиях нормальной эксплуатации. УМО представляет один из важных параметров регулирования, и правильный выбор его отметки имеет большое значение. Нормальный подпорный уровень (НПУ) - наивысший проектный уровень наполнения водохранилища, который может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений. Выбор отметки НПУ - наиболее ответственная задача проектирования. От правильного назначения отметки НПУ рассчитывают пропускную способность, размеры и прочность гидротехнических сооружений, обеспечивающих работу водохранилища и инженерную защиту объектов, расположенных на его берегах; устанавливают ущерб, наносимый народному хозяйству затоплением, подтоплением и пере работкой берегов; оценивают экономические показатели регулирования стока. Подпорный уровень выше нормального, временно допускаемый в верхнем бьефе в чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений, называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Отметка ФПУ зависит от максимальных расходов воды расчетной обеспеченности, гидрографа половодья (паводка), размеров и типа сбросных сооружений. Полезный объем водохранилища (Vплз) - основной объем водохранилища, предназначенный и используемый для регулирования стока. Предельными уровнями водохранилища, ограничивающими полезный объем, являются НПУ и УМО. Главная задача водохозяйственного расчета водохранилища - определение полезного объема (Vплз) и выбор отметки НПУ. Полезный объем водохранилища зависит от назначения водохранилища, вида регулирования стока (суточное, сезонное, многолетнее) и находится путем сопоставления расчетного стока и суммарного водопотребления. Полезный объем имеет определяющее значение при установлении отметки НПУ. Мертвый объем (Vмо) - это постоянная часть полного объема водохранилища, которая в нормальных условиях эксплуатации не срабатывается и в регулировании стока не участвует. Мертвый объем (Vмо) и соответствующий ему УМО определяют расчетами с учетом ряда условий и соображений (величины заиления, санитарно-технических требований, назначения водохранилища). Окончательно отметка УМО водохранилища назначается с учетом требований всех водопользователей и водопотребителей. Полный объем водохранилища соответствует отметке НПУ и равен сумме полезного и мертвого объемов:

Vплн = VНПУ = VМО + Vплз.

Есть и другой способ расчета объема водохранилища. Им мы и воспользуемся. Для начала обратимся к таблице расхода воды в створе Сегежского узла в каждый месяц в течение года и отобразим на графике зависимость:

Размещено на http://www.allbest.ru/

17

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как уже говорилось ранее, ледостав наступает обычно в декабре, вскрытие - в мае. Для сглаживания выработки электроэнергии в зимний период необходимо создание водохранилищ. В них должен содержаться 2-х или 3-х месячный запас воды. Этот объем набирается во время половодьев и паводков, и расходуется во время межени. Весной происходит таяние снежного и ледяного покрова, осенью обильные осадки в виде дождя.

Теперь переведем данный в таблице расход из (м^3/с) в (м^3/месяц). Для этого умножим данные расходы на 3600 (секунд в часе), затем на 24 (часов в стуки) и в конце умножим на количество дней в данном месяце. Например, для января:

Q = 51,2 (м^3/с) * 3600 * 24 * 31 = 137134080 (м^3/месяц)

И получаем такую таблицу:

Затем строим график полного расхода воды за год:

На этом графике синей линией показан равномерный расход. Мы видим, что есть участок, где отражена недостача это - январь-март месяц. В данном графике максимальное расхождение между равномерным и месячным расходами (в положительную сторону) и будет равно необходимой емкости водохранилища. Это расхождение показано чёрной линией на нижнем рисунке.

Найдем разницу между двумя точками, соединенными красной линией:

307 748 160 - 210 000 000 = 97 748 160 (м^3) = 97,7 млн. м^3 - это и есть объем водохранилища, требующийся для наших ГЭС.

Найдём, насколько изменятся параметры Сегежского водохранилища.

S=815(кмІ)

?Qвдх=97*10^6(мі)

?H=97*10^6/815*10^6=0,12(м)

?s=815-753/3=62/3=21((млн*мІ)/м)

Определим, насколько увеличится площадь водохранилища:

?S=?s*?H=21*0,12=2,52(кмІ)

Тогда площадь Сегежского водохранилища с изменениями параметров будет равна:

S=815+2,52=817,2 (км).

гидроэлектростанция сегежское водохранилищ

е

Вывод

Современная гидроэнергетика по сравнению с другими традиционными видами электроэнергетики является наиболее экономичным и экологически безопасным способом получения электроэнергии (работает на возобновляемом источнике энергии, и не имеет вредных выбросов в атмосферу). Малая гидроэнергетика идет в этом направлении еще дальше. Небольшие электростанции позволяют сохранять природный ландшафт, окружающую среду не только на этапе эксплуатации, но и в процессе строительства. При последующей эксплуатации отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она полностью сохраняет первоначальные природные свойства. В реках сохраняется рыба, вода может использоваться для водоснабжения населения. В отличие от других экологически безопасных возобновляемых источников электроэнергии - таких, как солнце, ветер, - малая гидроэнергетика практически не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу дешевой электроэнергии потребителю.

Также сооружение объектов малой гидроэнергетики низкозатратно и быстро окупается. Так, при строительстве малой ГЭС установленной мощностью около 500 кВт стоимость строительно-монтажных работ составляет порядка 14,5-15,0 млн. рублей. При совмещенном графике разработки проектной документации, изготовления оборудования, строительства и монтажа малая ГЭС вводится в эксплуатацию за 15-18 месяцев. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на подобной ГЭС, составляет не более 0,45-0,5 рублей за 1 кВтч, что в 1,5 раза ниже, чем стоимость электроэнергии, фактически реализуемой энергосистемой. Также необходимо отметить, что гидроэлектростанции являются мобильными установками и свободно меняют свою мощность. Несравненно легче, чем на ТЭС и АЭС, на них пускаются и останавливаются агрегаты, нет ограничений по скорости изменения их мощности, высока их надежность. Поэтому ГЭС имеют важное значение как дешевый и маневренный источник энергии.

Список литературы

1.Берсонов С.А. «Водноэнергетический кадастр Карельской АССР», М.-Л.: Изд. АН ССР. 1960. 407с.

2.Иванов А.Н. «Гидрология и регулирование стока», М.: Колос. 1979. 384с.

3. Мусохранов В.Е. «Основы рационального природопользования: лесное хозяйство, водное хозяйство, регулирование речного стока: учебное пособие в 3 ч.», Барнаул: Изд-во АГАУ, 2007. Ч. III. 255 с.

4. Смирнов Г.Н. «Гидрология и гидротехнические сооружения», М.: Высшая школа. 1988. 472с.

5. www.energospace.ru

6. http://ru.wikipedia.org

7. http://www.inset.ru/r/predm.htm

Размещено на Allbest.ru