Основы функционирования ГЭС

Лекция 5. Основы функционирования ГЭС Работа ГЭС основана на использовании кинетической или потенциальной энергии потока воды, в зависимости от способа извлечения энергии. Определение потенциальных энергетических ресурсов ГЭС Потенциальные ресурсы – та мощность и энергия, которые могут быть извлечены из потока воды без учета потерь и технических ограничений. Энергия всего потока без потерь и ограничений называется теоретическим потенциалом. Потенциальные ресурсы реки меняются в зависимости от рассматриваемого створа В тех местах на графике площади бассейна, где наблюдаются скачки (подписано «Река») находятся веста впадения других рек. Для определения потенциальных ресурсов рассмотрим участок реки, на котором выделены два сечения (створа), максимально приближенных друг к другу. Z, м Z1 Z2 L, км Пусть через сечение 1 за время Т протекает количество воды c объемом W. Энергия, содержащаяся в этом объеме воды, будет определяться по следующей формуле: 1 𝑃1 𝛼1 ∙ 𝑈12 Э1 = (𝑍1 𝑔 + + )∙𝑊∙𝛾 𝛾 2𝑔 Первое слагаемое в скобках характеризует потенциальную энергию воды, второе – энергию, получаемую за счет атмосферного давления, третье – характеризует кинетическую энергию потока воды. Z1 – отметка поверхности воды в створе 1 g – ускорение свободного падения  – объемный вес (плотность) воды, =1000 кг/м3 P1 – среднее давление в створе 1 U1 – средняя скорость воды в створе 1 1 – коэффициент, учитывающий распределение скорости воды в створе 1 b, м U, м/c На рисунке изображено распределение скорости воды между берегами. b – поперечное сечение реки. Запишем то же самое выражение для второго створа 𝑃2 𝛼2 ∙ 𝑈22 Э2 = (𝑍2 𝑔 + + )∙𝑊∙𝛾 𝛾 2𝑔 То количество энергии, которое будет затрачено на перемещение объема воды W из створа 1 в створ 2 будет разницей энергий между створами, т.е. Э1-2=Э1-Э2 𝑃1 − 𝑃2 𝛼1 ∙ 𝑈12 − 𝛼2 ∙ 𝑈22 Э1−2 = ((𝑍1 − 𝑍2 )𝑔 + + )∙𝑊∙𝛾 𝛾 2𝑔 С учетом того, что створы, как говорилось выше, максимально близки друг к другу, для решения этого выражения примем некоторые допущения: 1. Изменение кинетической энергии при перемещении из створа 1 в створ 2 не происходит, т.е.: 𝛼2 ∙ 𝑈22 𝛼1 ∙ 𝑈12 = 2𝑔 2𝑔 2. Изменение атмосферного давления так же нет. 𝑃1 = 𝑃2 Обозначим разницу отметок поверхностей воды в створах как H = Z1 – Z2 Э1-2=1000∙g∙H∙W Как известно энергия – это произведение мощности на время, Э= N·T, а объем – произведение расхода на время, W=Q·T. Таким образом, разделив вышеприведённое выражение на время, получим: 𝑁1−2 = 1000 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻 ∙ 𝑄, [Вт] Q – Расход реки, м3/с 𝑁1−2 = 9.81 ∙ 𝐻 ∙ 𝑄, [кВт] Следовательно, мощность, которая может быть извлечена из потока воды с расходом Q, зависит от перепада высот между створами. 2 Если рассматривать ГЭС, то данный перепад высот называется напор и считается разницей между уровнями верхнего и нижнего бьефов. Однако, реальная мощность, которая может быть выработана на ГЭС, будет меньше за счет потерь в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах. Реальная мощность, учитывающая потери, называется технической мощностью, а энергия – техническим потенциалом. Потери в основном оборудовании (турбине и генераторе) учитываются вводом КПД. 𝑁1−2 = 9.81 ∙ 𝐻 ∙ 𝑄 ∙ 𝜂 Потери в гидротехнических сооружениях учитываются при расчете напора H. Та часть технического потенциала, которую целесообразно использовать в современных условиях называется экономическим потенциалом. Таким образом, гидротехнические ресурсы делятся на три категории:  Теоретические  Технические  Экономические Для сравнения для СССР, по данным 1986 года перечисленные категории гидроресурсов составляли: Теоретические ресурсы ~3300млрд.кВт.ч Технические ресурсы ~2100млрд.кВт.ч Экономический потенциал СССР ~1100 млрд.кВт.ч РФ – 852 млрд.кВт.ч Среднемноголетняя выработка ГЭС РФ – 178,5 млрд.кВт.ч Все три категории ресурсов могут изменяться во времени: Теоретический потенциал изменяется при уточнении гидрологических и геологических параметров рек, водоемов и прочих водотоков. Технический потенциал изменяется с развитием науки и техники. Экономический - меняется в зависимости от изменений экономической ситуации. Экономический потенциал самый быстро изменяющийся из трех категорий. Принцип функционирования ГЭС Независимо от типа используемых турбин в любой ГЭС происходит следующая цепочка преобразования энергии: кинетическая и потенциальная энергия воды с помощью турбины преобразуется в механическую энергию вращения вала. Механическая энергия вращения вала в свой черед преобразуется с помощью генератора в электрическую энергию заданной частоты и напряжения. При расчетах мощности на ГЭС напор рассчитывается как разница отметок верхнего и нижнего бьефов, где отметка нижнего бьефа определяется по кривой связи уровней и расходов воды в НБ (см. лекцию 4). Режим работы ГЭС формируется в зависимости от назначения гидроузла и элементов, входящих в него. Если станция работает в составе гидроузла, который был создан только для электроэнергетических целей, то ее режим определяется главным образом гидрологическими характеристиками и энергосистемой, на которую эта ГЭС работает. Если же станция работает в составе комплексного гидроузла, то режим формируется на основании требований всех участников гидроузла. Водопользователи и водопотребители гидроузла могут быть следующими: 1. Электроэнергетика, 2. Водный транспорт, 3. Сельское хозяйство, 4. Промышленные и бытовые водозаборы, 5. Рыбное хозяйство. 3