Технология производства электрической энергии на гидроэлектростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Доклад

на тему «Технология производства электрической энергии на гидроэлектростанции»

по курсу «Современные технологии централизованного производства тепловой и электрической энергии»

Студент Степина О.В.

Группа М-ТЭ-20-1

Руководитель

к.т.н., доцент Стерлигов В.А.

Липецк, 2021



Оглавление

• Введение
• Первые ГЭС
• Гидроэнергетика в мире
• Гидроэлектростанции в России
• Принцип работы ГЭС
• Особенности гидроэлектростанций
• Классификация гидроэлектростанций
• Схемы главных электрических соединений гидроэлектростанций
• Крупнейшие аварии
• Вывод
• Заключение
• Список литературы



Введение

Человечеству нужна электрическая энергия, и спрос на нее растет с каждым годом. В то же время запасы традиционных органических видов топлива (нефть, уголь, газ) ограничены. Поэтому сегодня очень важно найти выгодные источники электроэнергии, не только с точки зрения дешевого топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, стоимости материалов, необходимых для строительства электростанции, их долговечности. Таким источником может стать гидроэлектростанция.

С давних времен люди пользовались движущей силой воды. Мололи муку на мельницах, колеса которых приводились в движение потоками воды, сплавляли тяжелые стволы деревьев вниз по течению, в общем, использовали гидроэнергию для решения самых разных задач, включая промышленные.

Гидроэлектростанция (ГЭС) -- электростанция, использующая в качестве источника энергии движение водных масс в русловых водотоках и приливных движениях; вид гидротехнического сооружения.

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.



Первые ГЭС

Гидроэнергия использовалась с древних времён, для молки муки и других нужд. При этом приводом служил колёсный механизм, вращаемый потоком воды. В середине 1770-х годов французский инженер Бернар Форест де Белидор в опубликованной им работе «Гидравлическая архитектура», привёл описание гидромашин с вертикальной и горизонтальной осью вращения. К концу XIX века появились электрические генераторы, которые могли работать в сочетании с гидроприводом. Растущий спрос на электроэнергию вследствие Промышленной революции дал толчок в их развитии. В 1878 году заработала «первая в мире ГЭС», разработанная английским изобретателем Уильямом Джорджем Армстронгом в Нортумберленде, Англия. Она представляла собой агрегат, предназначенный для питания одной единственной дуговой лампы в его картинной галерее. Старая электростанция № 1 «Schoelkopf»возле Ниагарского водопада в США начала производить электричество в 1881 году. Первая гидроэлектростанция Эдисона для целей освещения, «Vulcan Street» начала работать 30 сентября 1882 года, в г. Аплтон, штат Висконсин, США, и выдавала мощность около 12,5 киловатт.

Но когда встал вопрос промышленного использования электричества, то оказалось, что под постоянный ток требуется слишком толстая медная проводка. Поэтому при оборудовании шахты «Gold King Mine» в Колорадо отдали предпочтение проекту компании Вестингауза, основанному на патентах Николы Теслы, то есть системе переменного тока двух фаз. Поныне ГЭС Эймса в Колорадо считается первым коммерчески значимым и успешным промышленным использованием электрического тока. До этого момента все применение сводилось преимущественно к бытовым и городским нуждам освещения домов и улиц постоянным током. А ГЭС в Эймсе вошла в «Перечень значимых объектов и событий IEEE». Сам Тесла писал в автобиографии, что в проекте участвовать отказался, поскольку считал, что частота переменного тока должна составить 60 Гц, а не 133, как это было задумано инженерами компании Вестингауза. Мнение Теслы было учтено при оборудовании ГЭС на Ниагарском водопаде двумя годами позже, частота 60 Гц поныне является стандартной на территории США. Переменный ток, таким образом, стал де-факто стандартом для построения ГЭС, что явилось важной вехой в ходе «войны токов». Использовались как две фазы (под двигатели Николы Теслы), так и три фазы (под проекты Михаила Осиповича Доливо-Добровольского) с трансформаторами на соответствующее число фаз. Ныне именно три фазы используются повсеместно. Хотя доказательств каких-либо преимуществ такого технического решения в литературе не приводится.

К 1886 году в США и Канаде было уже 45 гидроэлектростанций. К 1889 году только в США их было 200. В начале XX века коммерческими компаниями строится много небольших ГЭС в горах недалеко от городских районов. К 1920 году до 40 % электроэнергии, производимой в Соединённых Штатах вырабатывалось на ГЭС. В 1925 году в Гренобле (Франция) состоялась Международная выставка гидроэнергетики и туризма, которую посетили более одного миллиона человек. Одной из вех в освоении гидроэнергетики как США, так и в мире в целом стало строительство в 1930-х Плотины Гувера.

Наиболее достоверным считается, что первой гидроэлектростанцией в России была Берёзовская (Зыряновская) ГЭС (ныне территория Республики Казахстан), построенная в Рудном Алтае на реке Берёзовке (приток р. Бухтармы) в 1892 году. Она была четырёхтурбинной, общей мощностью 200 кВт и предназначалась для обеспечения электричеством шахтного водоотлива из Зыряновского рудника. Первой промышленной гидроэлектростанцией в России была ГЭС "Белый Уголь" в г. Ессентуки, построенная в 1903 году.

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 трёхфазного тока до 10 кВ и передавалось по двум высоковольтным линиям на соседние прииски. Это были первые в России высоковольтные ЛЭП. Одну линию (длиной 9 км) проложили через гольцы к прииску Негаданному, другую (14 км) -- вверх по долине Ныгри до устья ключа Сухой Лог, где в те годы действовал прииск Ивановский. На приисках напряжение трансформировалось до 220 В. Благодаря электроэнергии Ныгринской ГЭС в шахтах установили электрические подъёмники. Кроме того, электрифицировали приисковую железную дорогу, служившую для вывоза отработанной породы, которая стала первой в России электрифицированной железной дорогой.

Одной из первых можно считать ГЭС, построенную в 1897 году бельгийскими горно-промышленниками в Алагирском ущелье Северной Осетии в 7 км от современной Зарамагской ГЭС-1. Она использовалась для нужд Садонского рудоуправления. Ее мощность составляла 750 л.с. Сохранившиеся здания и сегодня используются под электротехнические нужны.

Россия имела достаточно богатый опыт промышленного гидростроительства, в основном, частными компаниями и концессиями. Информация об этих ГЭС, построенных в России за последнее десятилетие XIX века и первые 20 лет XX столетия, достаточно разрознена, противоречива и требует специальных исторических исследований.

В советский период развития энергетики упор делался на особую роль единого народнохозяйственного плана электрификации страны -- ГОЭЛРО, который был утверждён 22 декабря 1920 года. Этот день был объявлен

в СССР профессиональным праздником -- Днём энергетика. Глава плана, посвящённая гидроэнергетике, называлась «Электрификация и водная энергия». В ней указывалось, что гидроэлектростанции могут быть экономически выгодными, главным образом, в случае комплексного использования: для выработки электроэнергии, улучшения условий судоходства или мелиорации. Предполагалось, что в течение 10-15 лет в стране можно соорудить ГЭС общей мощностью 21 254 тыс. лошадиных сил (около 15 млн кВт), в том числе в европейской части России -- мощностью 7394, в Туркестане -- 3020, в Сибири -- 10 840 тыс. л. с. На ближайшие 10 лет намечалось сооружение ГЭС мощностью 950 тыс. кВт, однако в последующем было запланировано сооружение десяти ГЭС общей рабочей мощностью первых очередей 535 тыс. кВт.

Хотя уже за год до этого, в 1919 году, Совет Рабочей и Крестьянской Обороны признал строительства Волховской и Свирской гидростанций объектами, имеющими оборонное значение. В том же году началась подготовка к возведению Волховской ГЭС, первой из гидроэлектростанций, возведённых по плану ГОЭЛРО.

Гидроэнергетика в мире

На 2006 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 88 % возобновляемой и до 20 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 777 ГВт.

Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке -- 98 %), Канаде и Швеции. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается на гидроэлектростанциях.

Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии. В этой стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира, а также крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы и строящийся крупнейший по мощности каскад ГЭС. Ещё более крупная ГЭС «Гранд Инга» мощностью 39 ГВт планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир).

На 2008 год крупнейшими производителями гидроэнергии (включая переработку на ГАЭС) в абсолютных значениях являются следующие страны:

Таблица 1. Крупнейшие производители гидроэнергии.

Страна	Потребление гидроэнергии в млрд кВт·ч
1. Китай	585
2. Канада	369
3. Бразилия	364
4. США	251
5. Россия	167
6. Норвегия	140
7. Индия	116
8. Венесуэла	87
9. Япония	69
10. Швеция	66
11. Франция	63

Гидроэлектростанции России

Гидроэлектростанции вырабатывают около 17-18 % электроэнергии в России, что составляет более 99 % выработки электроэнергии на базе возобновляемых источников в стране (по итогам 2019 года ГЭС выработали 190,3 млрд кВт·ч, все остальные электростанции на основе ВИЭ -- около 1 млрд кВт·ч). В некоторых регионах (Магаданская область, большинство республик Северного Кавказа) на гидроэнергетику приходится более 90 % вырабатываемой электроэнергии.

Выработка электроэнергии гидроэлектростанциями предотвращает сжигание около 60 млн тонн условного топлива в год, а соответственно и выброс в атмосферу большого количества парникового углекислого газа и загрязняющих веществ. Себестоимость производства электроэнергии на ГЭС по причине отсутствия затрат на топливо и меньшей численности эксплуатационного персонала значительно ниже, чем на тепловых и атомных электростанциях, что способствует снижению цен на электроэнергию. Работа ГЭС имеет большое значение для повышения надежности и экономичности работы электроэнергетики России. Благодаря высокой маневренности (способности быстро изменять мощность) гидроэлектростанции покрывают пиковую часть графика нагрузок, позволяя тепловым и атомным электростанциям работать в наиболее экономичных режимах, а также обеспечивают надежность работы энергосистемы в случае аварий.

Помимо выработки электроэнергии, водохранилища ГЭС обеспечивают водоснабжение большого числа населенных пунктов и промышленных предприятий, ирригацию, защиту от наводнений, крупнотоннажное судоходство (в первую очередь на Волге и Каме).

Перспективы

В Европейской части России наиболее перспективным является освоение гидропотенциала рек Северного Кавказа, где возможно строительство деривационных ГЭС без затопления значительных территорий и переселения населения. В Сибири возможно строительство новых ГЭС в верховьях Оби и Енисея, а также на Нижней Ангаре. Существуют проектные проработки по строительству одной из крупнейших в мире гидроэлектростанций на реке Нижняя Тунгуска, мощностью не менее 12 ГВт. На Дальнем Востоке возможно сооружение крупных ГЭС на Витиме, Алдане, Учуре, Тимптоне, притоках Амура.

По состоянию на 2009 год в России имеется 15 гидроэлектростанций свыше 1000 МВт (действующих, достраиваемых или находящихся в замороженном строительстве), и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.



Таблица 2. Крупнейшие гидроэлектростанции России

Наименование	Мощность, ГВт	Среднегодовая выработка, млрд кВт·ч	Собственник	География
Саяно-Шушенская ГЭС	2,56 (6,40)[сн 1]	23,50[сн 1]	ОАО РусГидро	р. Енисей, г. Саяногорск
Красноярская ГЭС	6,00	20,40	ОАО «Красноярская ГЭС»	р. Енисей, г. Дивногорск
Братская ГЭС	4,52	22,60	ОАО Иркутскэнерго, РФФИ	р. Ангара, г. Братск
Усть-Илимская ГЭС	3,84	21,70	ОАО Иркутскэнерго, РФФИ	р. Ангара, г. Усть-Илимск
Богучанская ГЭС[сн 2]	3,00	17,60	ОАО «Богучанская ГЭС», ОАО РусГидро	р. Ангара, г. Кодинск
Волжская ГЭС	2,58	12,30	ОАО РусГидро	р. Волга, г. Волжский
Жигулёвская ГЭС	2,32	10,50	ОАО РусГидро	р. Волга, г. Жигулевск
Бурейская ГЭС	2,01	7,10	ОАО РусГидро	р. Бурея, пос. Талакан
Чебоксарская ГЭС	1,40 (0,8)[сн 3]	3,31 (2,2)[сн 3]	ОАО РусГидро	р. Волга, г.Новочебоксарск
Саратовская ГЭС	1,36	5,7	ОАО РусГидро	р. Волга, г. Балаково
Зейская ГЭС	1,33	4,91	ОАО РусГидро	р. Зея, г. Зея
Нижнекамская ГЭС	1,25 (0,45)[сн 3]	2,67 (1,8)[сн 3]	ОАО «Генерирующая компания», ОАО «Татэнерго»	р. Кама, г. Набережные Челны
Продолжение таблицы 2
Загорская ГАЭС	1,20	1,95	ОАО РусГидро	р. Кунья, пос. Богородское
Воткинская ГЭС	1,02	2,60	ОАО РусГидро	р. Кама, г. Чайковский
Чиркейская ГЭС	1,00	2,47	ОАО РусГидро	р. Сулак, п. Дубки

Примечания:

1. ^ ^{1 2} Восстанавливается после аварии (2009 год), в скобках указано доаварийное значение.

2. Строящиеся объекты.

3. ^ ^{1 2 3 4} Мощность и выработка при проектном уровне водохранилища; в настоящее время фактическая мощность и выработка значительно ниже, указаны в скобках.

Принцип работы ГЭС

Сегодня современные гидроэлектростанции -- это огромные сооружения на гигаватты установленной мощности. Однако принцип работы любой ГЭС остается в целом достаточно простым, и везде почти полностью одинаковым.

Работа гидроэлектростанций основана на использовании кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии применяются турбина и генератор. Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно в дамбе или возле неё. В некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или к водозаборному узлу ГЭС. гидроэлектростанция турбина электрический производитель

Индикаторами мощности гидроэлектростанций являются две переменные: расход воды, который измеряется в кубических метрах и гидростатический напор. Последний показатель представляет собой разность высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции может основываться на каком-то одном из этих показателей или на обоих.

Современные технологии производства гидроэлектроэнергии позволяют получать довольно высокий КПД. Иногда он в два раза превышает аналогичные показатели обычных теплоэлектростанций. Во многом такая эффективность обеспечивается особенностями оборудования гидроэлектростанций. Оно очень надёжно, да и пользоваться им просто.

Рис.1. Устройство поворотно-лопастной турбины (турбины Каплана)

В машинном зале гидроэлектростанции установлены гидроагрегаты, которые преобразуют энергию потока воды в энергию электрическую, а непосредственно в здании гидроэлектростанции располагаются все необходимые распределительные устройства, а также устройства управления и контроля работы ГЭС.



Рис.2. Плотина электростанции.

Мощность гидроэлектростанции зависит от количества и от напора воды, проходящей через турбины. Непосредственно напор получается благодаря направленному движению потока воды. Это может быть вода накопленная у плотины, когда в определенном месте на реке строится плотина, или же напор получается благодаря деривации потока, - это когда вода отводится от русла по специальному туннелю или каналу. Так, гидроэлектростанции бывают плотинными, деривационными и плотинно-деривационными.



Рис.3. Разрез по зданию Жигулёвской ГЭС.

1 --выводы на открытое распределительное устройство 400 кВ; 2 --этаж кабелей 220 и 110 кВ; 3 -- этаж электрооборудования, 4 -- аппаратура охлаждения трансформаторов; 5 -- шинопроводы соединяющие обмотки генераторного напряжения трансформаторов в "треугольники"; 6 -- кран грузоподъемностью 2X125 т; 7 -- кран грузоподъемностью 30 т; 8 -- кран грузоподъемностью 2X125 т; 9 -- сороудерживающее сооружение; 10 -- кран грузоподъемностью 2X125 т; 11 -- металлический шпунт; 12 -- кран грузоподъемностью 2X125 т.

Жигулёвская ГЭС -- вторая по мощности гидроэлектростанция в Европе, в 1957--1960 годах была крупнейшей ГЭС в мире.

Первый агрегат станции мощностью 105 тыс. кет был введен в эксплуатацию в конце 1955 г., в течение 1956 г. было введено в эксплуатацию еще 11 агрегатов и за 10 мес. 1957 г. -- остальные восемь агрегатов.

На ГЭС установлено и работает большое количество нового, в ряде случаев уникального, энергетического оборудования.



Особенности гидроэлектростанций:

· Стоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.

· Турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от первой до максимальной мощности и позволяют плавно изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии.

· Гидроагрегат очень быстро набирает мощность после подачи воды (от нуля до полной мощности -- от 30 секунд до 2 минут), что позволяет использовать ГЭС в манёвренном режиме.

· Сток реки является возобновляемым источником энергии.

· Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое, чем тепловых станций.

· Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей, чем тепловые станции.

· Водохранилища часто занимают значительные территории, но примерно с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, посёлки).

· Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

· Водохранилища ГЭС, с одной стороны, улучшают судоходство, но, с другой -- требуют применения шлюзов для перевода судов с одного бьефа на другой.

· Водохранилища делают климат более умеренным.



Классификация гидроэлектростанций

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 ещё 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 турбины (турбины Пелтона) -- Гидравлическая турбина, используемая при очень больших напорах. Патент на ковшовую турбину был выдан американскому инженеру А. Пелтону в 1889 году.

Ковшовые турбины конструктивно сильно отличаются от наиболее распространенных гидротурбин, у которых рабочее колесо находится в потоке воды. В ковшовых турбинах вода подается через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. При этом вода, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия -- разделять струю воды с целью лучшего использования энергии и предотвращения быстрого разрушения лопаток.

Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды. Недостатки турбины -- неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования к качеству подаваемой воды.

· Радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами (турбины Френсиса). В рабочем колесе турбин данного типа поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Ротором турбины является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Рабочее колесо, как правило, состоит из ступицы, комплекта лопастей и обода. Ступица колеса соединяется с валом турбины. Все детали колеса соединены между собой неподвижно, -- это обеспечивает ему хорошие прочностные свойства. Колесо является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Статором является несущий элемент проточной части турбины, содержащий профилированные колонны, которые придают необходимое направление потоку воды. Также в статор входит направляющий аппарат. Направляющий аппарат турбины является рабочим органом, изменяющим закрутку потока и регулирующим расход турбины за счет поворота лопаток. Снаружи к статору подсоединяется спиральная камера, которая предназначена для подвода воды к направляющему аппарату турбины. Особая форма камеры с уменьшающимися сечениями служит для равномерного распределения потока по всей окружности статора.

Турбина была разработана американским инженером Джеймсом Френсисом в XIX веке.

Основным преимуществом турбин данного типа является самый высокий оптимальный КПД из всех существующих типов. Недостаток -- менее пологая рабочая характеристика, чем у поворотно-лопастной гидротурбины.

· На средненапорных ГЭС устанавливаются:

· Поворотно-лопастные (турбина Каплана). Гидротурбина, лопасти которой могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего аппарата. Лопасти гидротурбины могут быть расположены как перпендикулярно её оси, так и под углом. Последняя разновидность называется диагональной турбиной.

Запатентована в 1920 году австрийским инженером Виктором Капланом, благодаря чему во многих странах мира эта турбина носит имя изобретателя. Однако имя Каплана носит также турбина без возможности поворота лопастей.

Поток воды в поворотно-лопастной турбине движется вдоль её оси. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. При вертикальном расположении оси поток перед поступлением в рабочую камеру турбины закручивается в спиральной камере, а затем спрямляется с помощью обтекателя. Это необходимо для равномерной подачи воды на лопасти турбины, а значит, уменьшения её износа.

· радиально-осевые турбины;

На низконапорных -- поворотно-лопастные турбины в железобетонных камерах.

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

· плотинные ГЭС. Это наиболее распространённые виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создаётся 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 ГЭС. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимый напор воды в ГЭС такого типа создаётся 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 создаётся более высокая плотина, и создаётся водохранилище -- такая схема ещё называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимого напора воды.

· гидроаккумулирующие электростанции. ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций, следующий: в определённые 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.

Рис. 4. Схема ГАЭС

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

Так же выделяют мини-гидроэлектростанции, которые можно установить на малых речках (ручьях).

Принцип работы мини-гидроэлектростанции для дома достаточно прост. На турбину падает вода, заставляя вращаться лопасти. Они, в свою очередь, за счет крутящего момента или перепада давления приводят в движение гидропривод. От него передается полученная мощность на электрогенератор, который и вырабатывает электричество.

Мини-гидроэлектростанции чаще всего относятся к одному из следующих типов, которые различаются принципом работы:

· Водяное колесо - это классический вид ГЭС, который наиболее популярен для частного сектора. Мини-гидроэлектростанции данного типа представляют собой большое колесо, способное вращаться. Его лопасти опускаются в воду. Вся остальная часть конструкции находится над руслом, заставляя двигаться весь механизм. Мощность передается через гидропривод генератору, вырабатывающему ток.

Рис. 5. Водяное колесо

В зависимости от глубины и русла водотока можно установить различные типы колес:

· Подливные (или нижнебойные) - подойдут для мелководных рек с быстрым течением.

· Среднебойные - располагаются в руслах с природными каскадами так, чтобы поток попадал приблизительно на середину вращающегося барабана.

· Наливные (или верхнебойные) - устанавливаются под плотиной, трубой или в нижней части естественного порога, чтобы ниспадающая вода продолжила путь через вершину колеса.

· Пропеллерная станция - на раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветроагрегат, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лопасти приводятся в движение за счет возникающей подъемной силы, а не за счет давления воды. Направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.

Рис. 6. Пропеллерная станция

· Гирляндная ГЭС - представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов. Недостаток данного вида - создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах.

Рис. 7. Схема гирляндной мини-ГЭС

1 - Подшипник, 2 - опора, 3 - металлический трос, 4 - гидроколесо (турбина), 5 - электрогенератор, 6 - уровень верхнего течения реки, 7 - русло реки.

· Ротор Дарье - мини-гидроэлектростанция, названная в честь ее разработчика Жоржа Дарье, - представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать. Здесь направление потока не имеет значения, но конструкция достаточно сложна для монтажа. Построить водяную станцию для получения электроэнергии можно даже самостоятельно. Тем более что для частного дома количество необходимой энергии невелико.



Рис. 8. Ротор Дарье

Малые ГЭС зарекомендовали себя как наиболее чистый способ получения энергии. Поэтому, в дополнение к рыночным ценовым аргументам, цена произведенного кВт-часа должна также учитывать фактор минимального воздействия на окружающую среду. Без учета экологических и социальных факторов строительство крупной газовой электростанции зачастую проще, чем реконструкция и ввод в эксплуатацию десятка малых ГЭС мощностью 100 кВт/час. Самая большая проблема заключается в том, что заявленные в законодательстве намерения не реализуются на практике.

Проблемы возникают и на уровне местных администраций. Иногда небольшие местные организации сопротивляются строительству отдельных крупных зданий на основе возобновляемой энергии без учета более широких преимуществ возобновляемых источников энергии.

Типичная ситуация заключается в том, что население села или отдельного района не получает выгоды от установки небольшой ГЭС в районе своего проживания, а только владелец ГЭС получает прибыль, используя местную реку. Поэтому новая инициатива сектора малых ГЭС по поддержке этих малых деревень - отмена платы за электричество, производимое на малых ГЭС жителями населенных пунктов, в которых была установлена эта электростанция, - заслуживает особенно положительной оценки.

Однако небольшие гидроэнергетические компании могли бы работать более эффективно. Отсутствие достоверной информации, распространяемой среди местного населения, и слабое взаимодействие компаний с местными экологическими группами, безусловно, являются препятствиями для развития малой гидроэнергетики.

Схемы главных электрических соединений гидроэлектростанций

Рис. 9. Варианты подключения главных трансформаторов к генераторам:

Г1, Г2 -- генераторы; ФЙ, Т2 -- трансформаторы; 1 -- выключатель; 2 -- разъединитель

Подключение потребителей, находящихся на разных расстояниях от гидроэлектростанции, связано со строительством линий электропередачи различного напряжения, в связи с чем на станциях необходима установка соответствующих трансформаторов. Часть вырабатываемой энергии расходуется на собственные нужды, питание которых осуществляется на низком напряжении.

Таким образом, на гидроэлектростанции необходимо создание системы электрических устройств и соединений, которая должна обеспечивать энергией всех подключенных к агрегатам станции потребителей как при нормальных условиях эксплуатации, так и при выходе из строя одного или нескольких агрегатов. Структуру этой системы определяет главная электрическая схема, которая может быть условно разделена на две части -- высокого напряжения и низкого напряжения, необходимого для питания собственных нужд станции. В зависимости от мощности станции, числа установленных агрегатов и характеристик потребителя энергии применяются различные схемы электрических соединений.

Основой каждой схемы является соединение генераторов с трансформаторами и линиями электропередачи. На рис. 9 приведено несколько возможных способов таких соединений: I -- вариант блочной схемы, в которой каждый генератор соединен со своим повышающим двухобмоточным трехфазным трансформатором и линией электропередачи. Такая схема допустима на многоагрегатных крупных или малых гидроэлектростанциях при условии, что потребитель подключен также к другому источнику энергии. В этом случае для ремонта необходимо отключение его от линии электропередачи, что достигается установкой специальных выключателей.

Применяемые в настоящее время выключатели способны отключать линию при высоких значениях силы тока, возникающих при коротком замыкании. Однако правилами безопасности работ на линиях высокого напряжения требуется наличие видимого разрыва цепи со стороны возможного напряжения, в связи с чем в состав схемы включается разъединитель, образующий такой разрыв в электрической цепи. Размыкание разъединителя производится лишь после отключения выключателя.

Подключение двух агрегатов к одной линии электропередачи может быть осуществлено по вариантам II, III и IV, различающимся надежностью, параметрами трансформаторов и стоимостью. В варианте II применены два трехфазных трансформатора мощностью, равной мощности агрегата, в варианте III применен один трехфазный трансформатор мощностью, равной мощности 2Nагр, в варианте IV --один трехфазный трансформатор с расщепленными обмотками генераторного напряжения, что повышает надежность подачи энергии, потребителю и позволяет несколько снизить стоимость резервного трансформатора. Недостатком вариантов III и IV является необходимость остановки двух агрегатов при ревизии трансформатора (аварии трансформаторов крайне редки). Применение трехфазного трансформатора с расщеплением вторичных обмоток для питания двух линий показано на схеме V, -применение двух трехфазных трансформаторов на две линии работающих от одного генератора на схеме VI. Если по условиям транспортировки или размещения не представляется возможным применение трехфазных трансформаторов, то используются однофазные трансформаторы.

Значительно более надежными являются схемы, в которых все генераторы объединены общей системой шин генераторного напряжения. Такие схемы приведены на рис. 10 (варианты I и 2). Иногда предусматривается также дублирующая система шин генераторного напряжения на случай возможного выхода из строя основных (вариант III), тогда авария на любом из трансформаторов приводит к отключению лишь одной линии передачи, а авария на генераторе не прекращает питание всех линий. Такая схема может быть применена на станциях с большим числом линий электропередачи различного напряжения. Дальнейшее повышение надежности схемы электрических соединений осуществляется путем применения дублирующих систем шин высокого напряжения на случай аварии основной системы шин (вариант VI). К шинам высокого напряжения может быть подключено любое количество линий передачи. Применение таких схем оправдано на мощных гидроэлектростанциях с большим числом агрегатов. В целях локализации возможной аварии на системах шин, ведущей остановке всей станции, при большом числе агрегатов применяется секционирование систем шин, для чего шины разрезаются на отдельные участки, между которыми устанавливаются межшинные выключатели. Для ревизии и ремонта межшинных выключателей по обе стороны от них размещаются разъединители. Пример такого секционирования показан на вариантах II, III и IV. На вариантах IV и V изображены способы подключения генераторов и трансформаторов, позволяющие, не снижая надежности энергоснабжения, уменьшить число выключателей и разъединителей.

Рис. 10. Схемы главных электрических соединений при различных системах шин:

1 -- генератор; 2 -- трансформатор; 3 -- выключатель; 4 -- разъединитель; 5 -- шины генераторного напряжения; 6 -- шины напряжения; 7 -- понижающий трансформатор

На рис. 11 приведена структура схемы многоагрегатной ГЭС с различными способами «соединений большого числа линий электропередачи, работающих при разных напряжениях. Шесть из девяти установленных на ГЭС агрегатов (Г1 -- Г6) объединены общими дублированными секционированными шинами генераторного и высокого напряжения и выдают энергию на линии дальней передачи высокого напряжения 500 кВ. Линии передачи напряжением 110 и 220 кВ питаются от трансформаторов, которые могут быть подключены к схеме либо до, либо после главных силовых трансформаторов. Для повышения надежности при большом количестве таких линий и большой передаваемой мощности их подключение может быть осуществлено к двум секциям шин генераторного напряжения.

Установленные межсекционные выключатели предназначены для ограничения распространения аварии на шинах. Местные потребители, энергия к которым подводится при напряжении 6 -- 15 кВ, могут быть подключены к шинам генераторного напряжения (ВЛ7).

Подключение линий разного напряжения возможно также через трехобмоточные трансформаторы (ВЛ4 к агрегатам Г7 -- Г9), масса и размеры которых, однако, значительно больше, чем каждого из двухобмоточных трансформаторов. Занимая меньше места, чем два двухобмоточных трансформатора, такие трансформаторы используются в случаях, когда мощность линий низкого напряжения невелика и установка отдельного трансформатора нецелесообразна. Шина ВЛ5 подключена к двум трехобмоточным трансформаторам, что повышает надежность ее питания.



Рис. 11. Схема главных электрических соединений многоагрегатной ГЭС:

1 -- главные силовые трансформаторы; 2 -- межсекционные выключатели; 3 -- трехобмоточный трансформатор; 4 -- разъединитель высокого напряжения; 5 -- понижающие трансформаторы собственных нужд; 6 -- секции шины собственных нужд; 7 -- трансформаторы собственных нужд



Крупнейшие аварии и происшествия

· Крупнейшей аварией за всю историю ГЭС является прорыв плотины китайского водохранилища Банкяо в 1975 году. Число погибших более 170 000 человек, пострадало 11 млн.^[8]

· 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.

· 9 октября 1963 года -- одна из крупнейших гидротехнических аварий на плотине Вайонт в северной Италии.

· В ночь на 11 февраля 2005 года в провинции Белуджистан на юго-западе Пакистана из-за мощных ливней произошел прорыв 150-метровой плотины ГЭС у города Пасни. В результате было затоплено несколько деревень, более 135 человек погибли.

· 5 октября 2007 года на реке Чу во вьетнамской провинции Тханьхоа после резкого подъема уровня воды прорвало плотину строящейся ГЭС Кыадат. В зоне затопления оказалось около 5 тысяч домов, 35 человек погибли.

· 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.



Вывод

Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ и недостатков, а именно

Преимущества:

· использование возобновляемой энергии.

· очень дешевая электроэнергия.

· работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.

· быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки:

· затопление пахотных земель.

· строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды.

· на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов.



Заключение

Несмотря на обилие ископаемого топлива в пределах Российской Федерации, в ближайшие годы страна столкнется с серьезным дефицитом энергоресурсов на внутреннем рынке. Это понимают многие серьезные специалисты, работающие в ТЭК России.

Учитывая результаты имеющихся прогнозов по истощению запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов в ближайшем будущем, а также по снижению потребления угля за счет вредных выбросов в атмосферу и использованию ядерного топлива, которого будет достаточно как минимум на 1000 лет с интенсивным развитием реакторов-размножителей, можно предположить, что при современном состоянии науки и техники тепловые, ядерные и гидроэлектрические источники будут долгое время преобладать над другими источниками электроэнергии. Цены на нефть уже начали расти, так что гидроэлектростанции вытеснят другие виды электростанций.

В конце 1990-х годов некоторые ученые и экологи говорили о неминуемом запрете западноевропейских стран на атомные электростанции. Однако, исходя из современных анализов сырьевого рынка и спроса общества на электроэнергию, такие утверждения кажутся неуместными.



Список литературы:

1. Гиршфельд В. Я., Кароль Л. А. Общий курс электростанций. Учеб. Пособие для учащихся энергетических и энергостроительных техникумов. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : «энергия». - 1977. - 272 с.

2. Каргиев В. М. Малая гидроэнергетика России - современное состояние // Ежеквартальный информационный бюллетень «Возобновляемая Энергия». - апрель, 2003. - с. 4-8

3. Ларин В. Состояние и перспективы применения возобновляемых источников энергии в России // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». - 2008. - №4.

4. Малая гидроэнергетика в России // Информационно-аналитичес-кое агентство Cleandex. - 2009.

Размещено на Allbest.ru

...