Характеристика и виды гидроэлектростанций

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Люди очень давно научились использовать энергию воды. Её использовали для вращения рабочих колес мельниц, станков, пилорам. Но постепенно гидроэнергетика отошла на задний план. Это связано со сложностью передачи энергии воды на большие расстояния.

На сегодняшний день существуют различные виды получения электроэнергии, они различаются использованием разных видов сырья. Существуют возобновляемые источники энергии и не возобновляемые. В этом реферате будет разобран один способ получения электроэнергии, на гидроэлектростанции, который является возобновляемым источником энергии.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой во всем мире.

Цель работы - определить пользу и выгоду использования гидроэнергетики. Выявить недостатки, данного вида получения энергии.

Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:

1) кратко рассмотреть историю гидроэнергетики,

2) охарактеризовать гидроэнергетику на данный момент;

3) разобрать принципы работы ГЭС

4) рассмотреть происшествия на ГЭС

Объект исследования - гидроэнергетика, предмет исследования - вода.

Для решения поставленных задач использовался следующий метод, позволяющий наиболее полно раскрыть изучаемую проблему: изучение и анализ научных данных, представленных в научной литературе по проблеме исследования.

1. Экскурс в историю

Энергия, заключенная в текущей воде, верно служит человеку многие тысячелетия. С появлением электрической турбины, приводимой в движение водой, у гидроэнергетики появились новые перспективы.

Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью всего в несколько сотен ват были сооружены в 1876-1881 годах в Штангассе и Лауфене (Германия) и в Грейсайде (Англия). Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние. Сооружение линии электропередачи (170 км) от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне (Германия) для снабжения электроэнергией Международная электротехническая выставки (1891) открыла широкие возможности для развития ГЭС. В 1892 году промышленный ток дала ГЭС, построенная на водопаде в Бюлахе (Швейцария), почти одновременно в 1893 были построены ГЭС в Гельшене (Швеция), на реке Изар (Германия) и в Калифорнии (США). В 1896 году вступила в строй Ниагарская ГЭС (США) постоянного тока; в 1898 дала ток ГЭС Рейнфельд (Германия), а в 1901 стали под нагрузку гидрогенераторы ГЭС Жонат (Франция).

Убедительными сведеньями о первой в мире ГЭС можно считать и информацию о первой гидроэлектростанции Хорватии в городке Шибеник (1885 год). Напряжение переменного тока мощностью 230 кВт служило для городского освещения.

Наиболее достоверным считается, что первой гидроэлектростанцией в России была Березовская (Зыряновская) ГЭС, построенная в Рудном Алтае на реке Березовка (приток р. Бухтармы) в 1892 году. Она была четырехтурбинная общей мощностью 200 кВт. Полученная энергия освещала производственные помещения, обеспечивала работу телефонной станции, и питала электронасосы для откачки воды из рудниковых шахт.

На роль первой также претендует Ныгринская ГЭС, которая появилась в Иркутской губернии на реке Ныгри (приток р. Вачи) в 1896 году. Энергетическое оборудование станции состояло из двух турбин с общим горизонтальным валом, вращавшим три динамо-машины мощностью по 100 кВт. Первичное напряжение преобразовывалось четырьмя трансформаторами трехфазного тока до 10 кВ и передавалось по двум высоковольтным линиям на соседние прииски Негаданный и Ивановский. На приисках напряжение трансформировалось до 220 В. Благодаря электроэнергии Ныгринской ГЭС в шахтах установили электрические подъемники. Кроме того, электрифицировали приисковую железную дорогу, служившую для вывоза отработанной породы, которая стала первой в России электрифицированной железной дорогой.

На 2016 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 23% всей электроэнергии в мире, установленная энергетическая мощность гидроэлектростанций (ГЭС) достигает 715 ГВт. Лидерами по выработке гидроэнергии в абсолютных значениях являются: Китай, Канада, Бразилия; а на душу населения - Норвегия, Исландия и Канада. Крупнейшими мировыми гидроэлектростанциями являются:

· Саньса или Три ущелья (Китай, река Янцзы) - 22,5 ГВт,

· Итайпу (Бразилия, река Парана) - 14 ГВт,

· Гури (Венесуэла, река Карони) 10,3 ГВт,

· Гранд-Кули (США, река Колумбия) - 6,8 ГВт,

· Саяно-Шушенская (Россия, река Енисей) 6,4 ГВт,

· Красноярская (Россия, река Енисей) 6 ГВт,

· Робер-Бурасса (Канада, река Ла-Гранд) 5,6 ГВт,

· Черчилл-Фолс (Канада, река Черчил) - 5,4 ГВт,

· Братская (Россия, река Ангара) 4,52 ГВт,

· Богучанская (Россия, река Ангара) 3 ГВт.

По состоянию на 2013 год в России имеется 15 действующих, достраиваемых и находящихся в замороженном строительстве гидравлических электростанций свыше 1000 МВт и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.

При этом по экономическому потенциалу гидроэнергоресурсов Россия занимает второе место и мире (порядка 852 млрд. кВт ч.) после Китая, однако, по степени их освоения - 20% - уступает практически всем развитым странам и многим развивающимся государствам. Степень износа оборудования большинства российских гидростанций превышает 40%, а по некоторым ГЭС этот показатель достигает 70%, что связано с системной проблемой всей гидроэнергетической отрасли и ее хроническим недофинансированием.

Гидроэлектроэнергия - это возобновляемый энергоисточник, т.к. «топливо» - вода постоянно пополняется и в производстве гидроэлектроэнергии в атмосферу не выбрасываются вредные вещества. Тем не менее, водохранилища и плотины гидроэлектростанций сильно влияют на сельскую местность и могут изменить состояние природной среды. Водохранилища и плотины мешают движению рыбных косяков. Однако если мы будем заботиться о рыбе и делать специальные рыбопропускные устройства в плотинах, можно исключить этот недостаток.

Гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду, но тем не менее, они не лучшим образом влияют на окружающее пространство.

2. Оборудование и устройство ГЭС

Русловые и плотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

Рис. 1

Приплотинные ГЭС (горные).

Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

Рис. 2

Деривационные гидроэлектростанции.

Деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние - спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида - безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище - такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

Рис. 3

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию потока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

мощные вырабатывают от 25 МВт и выше;

средние до 25 МВт;

малые гидроэлектростанции до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. 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 турбин ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных поворотно-лопастные 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. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:

русловые и плотинные ГЭС;

приплотинные ГЭС;

деривационные гидроэлектростанции;

? гидроаккумулирующие электростанции.

Русловые и плотинные ГЭС наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое

Приплотинные ГЭС строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

Деривационные гидроэлектростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище. Такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции) способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.

3. Камская ГЭС

Первый проект строительства гидроэлектростанции на Каме был разработан ещё в 1930 годы. Однако реализован он тогда не был. Подготовительные работы по строительству ГЭС были прерваны войной. После войны проект был переработан.

В 1949 г. началось строительство Камской ГЭС. Особенностью и уникальностью данного проекта стало то, что здание ГЭС и сооружение водосборной плотины были совмещены, что позволяет избежать размыва основания плотины, а также значительно уменьшило стоимость всего проекта. Несмотря на необычность проекта, станция получилась надёжной, но сложной в эксплуатации. Для проведения ремонтных работ на гидроагрегатах станции подобной конструкции необходимо вскрывать водослив и проводить дополнительные бетонные работы. Поэтому от специалистов станции требуется высочайший уровень профессионализма.

Рис. 4

Прежде чем строители всерьез взялись за сооружение гидроузла, рядом с будущей строительной площадкой развернулись обширные подготовительные работы.

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Уже 18 сентября 1954 Пермь праздновала пуск первого гидроагрегата КамГэс. А в 1958 году, строительство ГЭС было завершено.

На данный момент мощность КамГЭС -- 543 МВт. Среднегодовая выработка -- 1700 млн кВт/ч. В здании ГЭС установлено 23 поворотно-лопастных гидроагрегата, работающих при рабочем напоре 15 м -- 20 мощностью по 24 МВт и 3 мощностью по 21 МВт. Также на станции был установлен экспериментальный горизонтальный гидроагрегат с турбиной ПЛ-548-Г-450, однако в 1992 году он был демонтирован. Оборудование станции устарело и постепенно заменяется, при этом мощность гидроагрегатов увеличивается.

Изначально мощность Камской ГЭС была 501 МВт. Но так-как оборудование ГЭС устарело, с 1997 года начинают производить реконструкцию и замену гидроагрегатов установленных на станции, при этом мощность гидроагрегатов увеличивается.

Рис. 8

4. Чрезвычайные происшествия

Не смотря на все плюсы гидроэнергетики, есть так же и минусы. К основным относится, опасность разрушения плотины, и те последствия, которые это может за собой повлечь.

Крупнейшей аварией за всю историю ГЭС является прорыв плотины китайского водохранилища Баньцяо на реке Жухэ в провинции Хэнань в результате тайфуна Нина 1975 года. Число погибших более 170 тыс. человек, пострадало 11 млн.

Рис. 9

гидроаккумулирующий электростанция плотина

17 мая 1943 года подрыв британскими войсками по операции Chastise плотин на реках Мёне (водохранилище Мёнезее) и Эдер (водохранилище Эдерзее), повлекшие за собой гибель 1268 человек, в том числе около 700 советских военнопленных.

17 августа 2009 года крупная авария на Саяно-Шушенской ГЭС (Саяно-Шушенская ГЭС самая мощная электростанция России). В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции был нанесён серьёзный ущерб.

Рис. 10

4 ноября 1994 года - авария на шлюзах Камской ГЭС. В результате аварии погибло 2 человека. Перми грозило наводнение, и только благодаря оперативному вмешательству работников ГЭС, были предотвращены глобальные последствия.

Рис. 11

Заключение

С учётом условий каждого конкретного региона и состояния мировых рек действительный потенциал водных ресурсов составляет от двух до трёх миллиардов киловатт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10000 - 20000 миллиардов киловатт в час.

Чтобы осознать потенциал гидроэнергетики, выраженный этими цифрами, следует сопоставить полученные данные с показателями нефтяных теплоэлектростанций. Чтобы получить такое количество электроэнергии, станциям, работающим на нефти, требовалось бы около сорока миллионов баррелей нефти каждый день.

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в перспективе не должна оказывать негативное воздействие на окружающую среду или свести его к минимуму. При этом необходимо добиться максимального использования гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому проблема сохранения природной среды при активном гидротехническом строительстве актуальна как никогда. В настоящее время особенно важен точный прогноз возможных последствий строительства гидротехнических объектов. Он должен дать ответ на многие вопросы, касающиеся возможности смягчения и преодоления нежелательных экологических ситуаций, которые могут возникнуть при строительстве. Кроме того, необходима сравнительная оценка экологической эффективности будущих гидроузлов. Правда, до реализации таких планов ещё далеко, так как сегодня разработка методов определения экологического энергопотенциала не производится.

Минусом в использовании ГЭС является неудобство строительства, потенциальная опасность разрушения и негативное влияние на окружающий ландшафт. При этом принцип работы станций достаточно прост, и из-за использования в качестве сырья напора воды, ГЭС являются очень выгодным и экологически чистым способом производства энергии.

В наш век инноваций, компьютеризации и нано-технологий, существует потребность в реконструкции и усовершенствовании ГЭС, так-как помимо несомненных плюсов гидроэнергетики, существует и множество минусов.

В сложившихся условиях стоит задуматься, стоит ли тратить грандиозные средства на модернизацию ГЭС, или же стоит задуматься о других способах добычи электроэнергии. Таких как ветро, гелео, геотермальная и водородная энергетика. Возможно, что данные способы добычи энергии окажутся более выгодными и безопасными!!!

Список литературы

1. Ерофеев В.Л., Семенов П.Д. Теплотехника: Учебник для вузов. - М.: Академкнига, 2006.

2. Кондратьев К.Я. Актинометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965.

3. Непорожний П.С., Обрезков В.И.; «Введение в специальность: гидроэлектроэнергетика.» изд. Москва, 1982 г.

4. Маляренко В.А, Варламов Г.Б Энергетические установки и окружающая среда - Харьков: ХГФГХ, 2002.

5. Соболь С.В., Жилина Н.Д.. Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Архитектура. Науки о Земле. Экология. ННГАСУ 2010.

Размещено на Allbest.ru