Структурная схема гэс: Схемы электрические электростанций и подстанций

принцип работы, схема, оборудование, мощность 🚩 Наука 🚩 Другое

Гидроэлектростанция (ГЭС) — это станция для выроботки электроэнергии, использующая в качестве источника энергии энергию водных масс, приливов на водотоках. В основном размещение ГЭС происходит на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективной работы гидроэлектростанции необходимы как минимум два фактора, такие как:

1. Гарантированность обеспеченния водой круглый год
2. Большие улоны реки, для более сильного течения

ГЭС отличаются вырабатываемой мощностью, поэтому выделяют три вида ГЭС по мощности:

• Мощные — от 25 МВт и выше;
• Средние — до 25 МВт;
• Малые гидроэлектростанции — до 5 МВт;

Также ГЭС отличают по максимальному количеству использования воды:

• Высоконапорные — более 60 м;
• Средненапорные — от 25 м;
• Низконапорные — от 3 до 25 м.

Существует и отдельный тип ГЭС, так называемая ГАЭС, что расшифровывается как гидроаккумулирующая электростанция.

Гидроаккумулирующая электростанция — это гидроэлектростанция, используемая для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки. ГАЭС служат для накопления электроэнергии во время низкого потребления сетями электричества (в ночной период) и отдачи её во время пиковых нагрузок, уменьшая тем самым необходимость изменения мощности в течение суток основных электростанций.

Здание ГЭС Сооружение, подземная выработка или помещение в плотине, в которомустанавливается гидросиловое электротехническое 

Гидроэлектрические станции делятся также в зависимости от принципа использования природных ресурсов, можно выделить следующие ГЭС:

Принцип действия ГЭС дотстаточно прост. Вода под давлением, большим напором попадает, а чаще падает, на лопасти гидротурбины, которые, в свою очередь вращают ротор генератора, который уже вырабатывает электричество. Для достяжения необходимого напора воды создаются плотины, и как следствие, образуется концентрация реки в определенном месте. Также может использоваться и деривация- отвод воды от главного русла реки в сторону по каналу. Есть случаи использования двух методов создания напора одновременно. 

Принцип работы гидроаккумулирующей электростанции отличен от обычной, привычной нас ГЭС. У ГАЭС существуют два периода работы, такие как турбинный и насосный. Во время насосного режима ГАЭС  потребляет электроэнергию, которая подаётся от тепловых электростанций во время минимальной нагрузки (примерно 7-12 часов в сутки). В этом режиме на ГАЭС происходит перекачка воды в верхний аккумулирующий бассейн из нижнего питающего водохранилища (станция запасает энергию). В турбинном режиме ГАЭС отдаёт накопленную энергию обратно в сеть во время максимальной нагрузки на неё (2-6 часов в сутки). Вода в этот период из верхнего бассейна направляется обратно в питающее водохранилище, вращая при этом турбину генератора. 

Существует несколько групп оборудования ГЭС для осуществленния главной ее функции — выработки электроэнергии:

1. Гидросиловое оборудование включает в себя турбины, и гидрогенераторы. В состав данной группы кроме перечисленного входят устройства, связанные с подачей воды на турбину и регулированием ее количества. 

2. Электрические устройства включают в себя токопроводы от генератора, главные силовые трансформаторы, выводы высокого напряжения, открытое распределительное устройство и ряд других систем. Трансформаторы повышают напряжение до значения, требуемого для передачи энергии на большие расстояния (110 — 750 кВ). Выводы высокого напряжения служат для передачи энергии от силовых трансформаторов к открытому распределительному устройству (ОРУ), которое предназначено для распределения вырабатываемой ГЭС электроэнергии между отдельными линиями электропередачи.

3. Механическое оборудование включает в себя гидротехнические затворы, подъемно-транспортные механизмы, сороудерживающие решетки и т. п.

4. Вспомогательное оборудование состоит из системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, противопожарных и санитарно-технических устройств. Из перечисленного оборудования далее рассмотрим более подробно конструкции турбин.

Режим работы ГЭС в энергосистеме зависит от расхода воды, напора, объема водохранилища, потребностей энергосистемы, ограничений по верхнему и нижнему бьефу. Агрегаты ГЭС по техническим условиям могут быстро включаться, набирать нагрузку и останавливаться. Причем включение и выключение агрегатов, регулирование нагрузки могут происходить автоматически при изменении частоты электрического тока в энергосистеме. Для включения остановленного агрегата и набора полной нагрузки обычно требуется всего 1—2 мин. 

Мощность на валу гидротурбины можно определить по формуле указанной справа, где :

• т — расход воды через гидротурбину, м3/с;
• Нт — напор турбины, м; 
• ηт — коэффициент полезного действия (КПД) турбины. 

Для расчета мощности гидроэлектростанции нужно значение напора воды, который можно расчитать по следующей формуле, где:

• ∇ВБ, ∇НБ — отметки уровня воды соответственно в верхнем и нижнем бьефе, м;
• Нг — геометрический напор; 
• ∆h — потери напора в водоподводящем тракте, м.  

КПД современных турбин может достигать значения 0,95.

Подведя итоги рассмотрим на примере пару из крупнейших гидроэлектростанций в России.

1. Красноярская ГЭС — вторая по мощности ГЭС в России.  Расположена на реке Енисее в 2380 км от его устья.

• На Красноярской ГЭС установленная мощность — 6000 МВт. Ежегодно вырабатывается в среднем — 20 400 млн кВт·ч.
• Размеры плотины. Длина — 1072,5 м, максимальной высотой — 128 м и шириной по основанию — 95,3 м. Также плотина делится на несколько частей на левобережную глухую плотину длиной 187,5 м, водосливную плотину длиной 225 м, глухую русловую — 60 м, станционную — 360 м и правобережную глухую — 240 м.
• Здание ГЭС приплотинного типа, длина здания — 428,5 м, ширина 31 м.

2. Братская ГЭС — гидроэлектростанция на реке Ангаре в городе Братске Иркутской области. Является третьей по мощности и первой по среднегодовой выработке гидроэлектростанцией России.

• На Братской ГЭС установленная мощность равняется 4500 МВт. Каждый год в среднем она вырабатывает 22 600 млн кВт·ч энергии.
• Размеры плотины. Общая длина 1430 м и максимальная высотой 125 м. Плотина делится на три участка: русловой, длиной 924 м, левобережный глухой, длина 286 м и правобережный глухой длина 220 м.

В заключение можно сказать, что гидроэлектростанции являются менее воздействующими на окружающую среду, нежели други види электростанций.

Структурные схемы электростанций и подстанций

СТРУКТУРНЫЕ
СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ

Структурная электрическая
схема зависит от состава оборудо­вания (числа генераторов, трансформаторов),
распределения ге­нераторов и нагрузки между распределительными устройствами
разного напряжения и связи между этими РУ.

Рис.
1. Структурные схемы ТЭЦ.

На рис. 1 показаны
структурные схемы ТЭЦ. Если ТЭЦ со­оружается вблизи потребителей электроэнергии
U = 6—10 кВ, то необходимо
иметь распределительное устройство генераторного напряжения (ГРУ). Количество
генераторов, присоединяемых к ГРУ, зависит от нагрузки 6—10 кВ. На рис. 1, а два генератора присоединены к ГРУ, а
один, как правило, более мощный, — к распределительному
устройству высокого напряжения (РУ ВН). Линии 110—220 кВ, присоединенные к
этому РУ, осуществляют связь с энергосистемой.

Если вблизи ТЭЦ
предусматривается сооружение энергоемких производств, то питание их может
осуществляться по ВЛ 35— 110 кВ. В этом случае на ТЭЦ предусматривается
распределительное уст­ройство среднего напряжения (РУ СП) (см. рис. 1, б). Связь меж­ду
РУ разного
напряжения осуществляется с помощью трехобмоточных трансформаторов или
автотрансформаторов.

При незначительной нагрузке
(6—10 кВ) целесообразно блоч­ное соединение генераторов с повышающими
трансформаторами без поперечной связи на генераторном напряжении, что умень­шает
токи КЗ и позволяет вместо дорогостоящего ГРУ применить комплектное РУ для
присоединения потребителей 6—10 кВ (см. рис. 1, в). Мощные энергоблоки 100—250 МВт присоеди­няются к РУ ВН без
отпайки для питания потребителей.

Рис.
2. Структурные схемы КЭС, ГЭС, АЭС.

На рис. 2 показаны
структурные схемы электростанций с пре­имущественным распределением
электроэнергии на повышенном напряжении (КЭС, ГЭС, АЭС). Отсутствие
потребителей вблизи таких электростанций позволяет отказаться от ГРУ. Все
генерато­ры соединяются в блоки с повышающими трансформаторами.
Параллельная работа блоков осуществляет­ся на высоком напряжении, где
предусматривается распредели­тельное устройство (см. рис. 2, а).

Если электроэнергия выдастся
на высшем и среднем напряже­нии, то связь между РУ осуществляется
автотрансформатором связи (см. рис. 2, б) или автотрансформатором, установленном в блоке с генератором
(см. рис. 2, в).

Рис. 3. Структурные схемы подстанций.

На
рис. 3 показаны структурные схемы подстанций. На под­станции с двухобмоточными
трансформаторами (см. рис. 3, а) электроэнергия
от энергосистемы поступает в РУ ВН, затем транс­формируется и распределяется
между потребителями в РУ НН. На узловых подстанциях осуществляется связь между
отдельными ча­стями энергосистемы и питание потребителей (см. рис. 3, б).
Воз­можно сооружение подстанций с двумя РУ среднего напряже­ния, РУ ВН
и РУ НН. На таких подстанциях устанавливают два автотрансформатора и два
трансформатора (см. рис. 3, в).

Выбор
той или иной структурной схемы электростанции или подстанции производится на
основании технико-экономического сравнения двух-трех вариантов, для чего в
первую очередь необ­ходимо выбрать количество и мощность трансформаторов (авто­трансформаторов).

принцип работы, схема, оборудование, мощность

Практически каждый представляет себе предназначение гидроэлектростанций, однако лишь немногие достоверно понимают принцип работы ГЭС. Основная загадка для людей – каким образом вся эта огромная плотина без какого-либо топлива генерирует электрическую энергию. Об этом и поговорим.

Что такое ГЭС?

Гидроэлектростанция – это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию.

Отметим, что важную роль в плане эффективности работы ГЭС играет выбор места для строительства. Необходимо наличие двух условий: гарантированная неиссякаемая обеспеченность водой и высокий угол уклона реки.

Принцип работы ГЭС

Работа гидроэлектростанции достаточно проста. Возведенные гидротехнические сооружения обеспечивают стабильный напор воды, который поступает на лопасти турбины. Напор приводит турбину в движение, в результате чего она вращает генераторы. Последние и вырабатывают электроэнергию, которую затем по линиям высоковольтных передач доставляют потребителю.

Основная сложность подобного сооружения – обеспечение постоянного напора воды, что достигается путем возведения плотины. Благодаря ей большой объем воды концентрируется в одном месте. В некоторых случаях используют естественный ток воды, а иногда плотину и деривацию (естественное течение) применяют совместно.

В самом здании находится оборудование для ГЭС, основная задача которого заключается в преобразование механической энергии движения воды в электрическую. Эта задача возложена на генератор. Также используется и дополнительное оборудование для контроля работы станции, распределяющие устройства и трансформаторные станции.

Ниже на картинке показана принципиальная схема ГЭС.

Как видите, поток воды вращает турбину генератора, тот вырабатывает энергию, подает ее на трансформатор для преобразования, после чего она транспортируется по ЛЭП к поставщику.

Мощности

Есть разные гидроэлектростанции, которые можно поделить по вырабатываемой мощности:

1. Очень мощные – с выработкой более 25 МВт.
2. Средние – с выработкой до 25 МВт.
3. Малые – с выработкой до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от в первую очередь от потока воды и КПД самого генератора, который на ней применяется. Но даже самая эффективная установка не сможет производить большие объемы электроэнергии при слабом напоре воды. Также стоит учитывать, что мощность гидроэлектростанции не является постоянной. В силу естественных природных причин уровень воды в дамбе может увеличиваться или уменьшаться. Все это оказывает влияние на объемы производимой электроэнергии.

Роль плотины

Самый сложный, большой и вообще основной элемент любой ГЭС – плотина. Невозможно понять, что такое ГЭС, не разобравшись в сути работы плотины. Они представляют собой огромные перемычки, которые удерживают водный поток. В зависимости от конструкции они могут отличаться: есть гравитационные, арочные и другие сооружения, но их цель всегда одна – удержание большого объема воды. Именно благодаря плотине удается концентрировать стабильный и мощный поток воды, направляя его на лопасти турбины, которая вращает генератор. Он, в свою очередь, и производит электрическую энергию.

Технологии

Как мы уже знаем, принцип работы ГЭС основан на использовании механический энергии падающей воды, которая в дальнейшем с помощью турбины и генератора преобразуется в электрическую. Сами турбины могут быть установлены либо в дамбе, либо возле нее. В некоторых случаях применяют трубопровод, через который вода, находящаяся ниже уровня дамбы, проходит под высоким давлением.

Индикаторов мощности любой ГЭС несколько: расход воды и гидростатический напор. Последний показатель определяется разницей высот между начальной и конечной точкой свободного падения воды. При создании проекта станции на одном из этих показателей основывают всю конструкцию.

Известные сегодня технологии производства электричества позволяют получать высокий КПД при преобразовании механической энергии в электрическую. Иногда он в несколько раз превышает аналогичные показатели тепловых электростанций. Столь высокая эффективность достигается за счет применяемого на гидроэлектростанции оборудования. Оно надежное и относительно простое в использовании. К тому же за счет отсутствия топлива и выделения большого количества тепловой энергии срок службы подобного оборудования достаточно большой. Поломки здесь случаются крайне редко. Считается, что минимальный срок службы генераторных установок и вообще сооружений – около 50 лет. Хотя на самом деле даже сегодня вполне успешно функционируют гидроэлектростанции, которые были построены в тридцатых годах прошлого века.

Гидроэлектростанции России

На сегодняшний день на территории России действует около 100 гидроэлектростанций. Конечно, их мощность разная, и большая часть – это станции с установленной мощностью до 10 МВт. Есть также такие станции, как Пироговская или Акуловская, которые были введены в эксплуатацию еще в 1937 году, а их мощность составляет всего 0.28 МВт.

Самыми крупными являются Саяно-Шушенская и Красноярская ГЭС с мощностью 6400 и 6000 МВт соответственно. За ними следуют станции:

1. Братская (4500 МВт).
2. Усть-Илимская ГЭС (3840).
3. Бочуганская (2997 МВт).
4. Волжская (2660 МВт).
5. Жигулевская (2450 МВт).

Несмотря на огромное количество подобных станций, они вырабатывают всего 47700 МВт, что равно 20% от суммарного объема всей производимой энергии в России.

В заключение

Теперь вы понимаете принцип работы ГЭС, преобразовывающих механическую энергию потока воды в электрическую. Несмотря на достаточно простую идею получения энергии, комплекс оборудования и новые технологии делают подобные сооружения сложными. Впрочем, по сравнению с атомными электростанциями они действительно являются примитивными.

Производство эл. энергии на эл. станциях. Структурные схемы

Лабораторная работа №1

Тема: Производство эл. энергии на эл. станциях. Структурные схемы

Цель занятия: Изучить технологию производства эл. энергии на ТЭЦ. Изучить структурные схемы
ТЭЦ, ГРЭС, АЭС, ГЭС, ПС.

Логическая цель – Знать производство эл. энергии на станциях ТЭЦ, ГРЭС, АЭС, ГЭС. Различать структурные схемы вышеперечисленных станций.

Воспитательная цель — научить студентов работать в группе, выбирать правильные технические решения, аккуратно составлять отчёт.

План работы:

1. Технологическая схема получения эл. эн. на ТЭЦ и её описание.

2. Структурные схемы ТЭЦ, АЭС, ГРЭС, ГЭС, ПС.

3. Категории потребления эл. энергии.

4. Вывод.

1. Технологическая схема получения эл. эн. на ТЭЦ (см. рис 1.1) и её описание.

2. Структурные схемы ТЭЦ, АЭС, ГРЭС, ГЭС, ПС.

Структурные схемы служат для разработки более подробных и полных принципиальных схем, а также для общего ознакомления с работой электроустановки. На структурной схеме показываются основные функциональные части электроустановки и связи между ними. Структурная электрическая схема зависит от состава оборудования (числа генераторов, трансформаторов), распределение генераторов и нагрузки между РУ и связи между ними.

Структурные схемы ТЭЦ (рис 1.2):

показаны структурные схемы ТЭЦ. Если ТЭЦ сооружается вблизи потребителей эл. эн. U=6-10 кВ, то необходимо иметь РУ генераторного напряжения (ГРУ). Кол-во генераторов, присоединяемых к ГРУ, зависит от нагрузки 6-10 кВ. На рис 1.2(а) два генератора присоединены к ГРУ, а один, как правило, более мощный , — к РУ высокого напряжения (РУ ВН). Линии 110-220 кВ, присоединённые к этому РУ, осуществляют связь с энергосистемой.

Если в близи ТЭЦ предусматривается сооружение энергоёмких производств, то питание их может осуществляться по ВЛ 35-110 кВ. В этом случае на ТЭЦ предусматривается РУ среднего напряжения (РУ СН), рис 1.2(б). Связь между РУ разного напряжения осуществляется с помощью трёхобмоточных трансформаторов или автотрансформаторов.

При незначительной нагрузке (6-10 кВ) целесообразно блочное соединение генераторов с повышающими трансформаторами без поперечной связи на генераторном напряжении, что уменьшает токи КЗ и позволяет вместо дорогостоящего ГРУ применять комплектное РУ для присоединения потребителей 6-10 кВ, рис 1.2(в). Мощные энергоблоки 100-250 МВт присоединяются к РУ ВН без отпайки для питания потребителей.

Структурные схемы КЭС, ГЭС, АЭС (рис 1.3):

Отсутствие потребителей вблизи таких ЭС позволяет отказаться от ГРУ. Все генераторы соединяются в блоки с повышающими трансформаторами. Параллельная работа блоков осуществляется на ВН, где предусматривается РУ (рис.1.3, а).

Если эл.эн. выдаётся на высшем и среднем напряжении, то связь между РУ осуществляется автотрансформатором связи (рис. 1.3, б) или автотрансформатором, установленном в блоке с генератором (рис. 1.3, в).

Структурные схемы подстанций рис. (1.4):

На ПС с двухобмоточными трансформаторами (рис. 1.4, а) эл. эн. от энергосистемы поступает в РУ ВН, затем трансформируется и распределяется между потребителями в РУ НН. На узловых подстанциях осуществляется связь между отдельными частями энергосистемы и питание потребителей (рис. 1.4, б). Возможно сооружение подстанций с двумя РУ среднего напряжения, РУ ВН и РУ НН. На таких подстанциях устанавливают два автотрансформатора и два трансформатора (1.4, в).

3. Категории потребления эл. энергии.

Все электроприёмники с точки зрения надёжности электроснабжения разделяют на 3 категории:

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

Электроприемники второй категории — электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемники третьей категории — все остальные электроприемники, не подпадающие под определения первой и второй категорий.

Вывод: Изучили производство эл. энергии на эл. станциях. Структурные схемы.

Ответить письменно на контрольные вопросы:

1. Выбор структурных схем на ПС.

2. Выбор структурных схем на ТЭЦ.

3. Выбор структурных схем на КЭС.

Ответить устно на контрольные вопросы:

1. Технология производства эл. энергии на ТЭЦ.

2. Технология производства эл. энергии на КЭС

3. Технология производства эл. энергии на АЭС.

4. Технология производства эл. энергии на ГЭС.

Главные схемы электрических соединений электростанций

Главная схема электростанции любого типа – это совокупность основного электрооборудования (генераторы, трансформаторы, линии), сборных шин, коммутационной и другой первичной аппаратуры со всеми выполненными между ними в натуре соединениями. Главная схема изображается графически с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений согласно единой системе конструкторской документации (ЕСКД). Помимо главных схем в данном курсе будут рассмотрены схемы собственных нужд.

Главная схема и схема собственных нужд отображаются в данном учебном пособии в виде принципиальных схем. Принципиальная электрическая схема – графическое изображение элементов электрического устройства и связей между ними. Принципиальная схема не показывает взаимного (физического) расположения элементов, а лишь указывает на то, какие элементы с какими соединяются в принципе.

Также применяются оперативные, монтажные схемы электрических соединений и схемы вторичных соединений. Оперативные схемы служат для отображения истинного состояния элементов схемы на текущий момент времени и используются оперативным персоналом в повседневной работе. Монтажные схемы содержат информацию о физическом расположении элементов схемы и применяются при монтаже и наладке электрооборудования. К схемам вторичных соединений относятся электрические схемы цепей управления, релейной защиты и автоматики, контроля состояния оборудования, автоматизированной системы управления и т. п.

Вернёмся к главным схемам электростанций. Выбор главной схемы является определяющим при проектировании электрической части электростанции, так как он определяет полный состав элементов и связей между ними. Выбранная главная схема является исходной при составлении принципиальных схем электрических соединений, схем собственных нужд, схем вторичных соединений, монтажных схем и т. д.

На чертеже главные схемы изображаются в однолинейном исполнении (то есть показана лишь одна фаза из трёх реально существующих) при отключенном положении всех элементов установки. В некоторых случаях допускается изображать отдельные элементы схемы в рабочем положении, а также в трёхфазном исполнении.

При проектировании электроустановки до разработки главной схемы составляется структурная схема выдачи мощности, на которой показываются основные функциональные части электроустановки (распределительные устройства, трансформаторы, генераторы) и связи между ними. Структурные схемы служат для дальнейшей разработки более подробных и полных принципиальных схем, а также для общего ознакомления с работой электроустановки.

На чертежах этих схем функциональные части изображаются в виде прямоугольников или условных графических изображений. Никакой аппаратуры (выключателей, разъединителей, трансформаторов тока и т. д.) на этой схеме не показывают.

Структурные схемы электростанций могут быть блочными, с генераторным распределительным устройством (ГРУ) и комбинированными.

Вариант блочной схемы показан на рис. 9.1. На данном рисунке каждый из шести блоков состоит из одного генератора и одного блочного повышающего трансформатора. Электроэнергия на повышенном напряжении поступает на распределительные устройства высшего (РУ-ВН) и среднего (РУ-СН) напряжений и далее – по линиям электропередачи в энергосистему. Как правило, на электростанции имеются два РУ повышенного напряжения, которые для надежности связываются автотрансформаторами связи (АТ) – одним или двумя.

Выключатели повышенного напряжения показаны условно. В действительности они находятся в составе соответствующего РУ, а их количество на одно присоединение не обязательно равно одному. Возможные схемы РУ подробно рассмотрены в главе 8.

На рис. 9.1 не показаны рабочие и резервные трансформаторы собственных нужд, секции собственных нужд одного из блоков, магистраль резервного питания – более подробно соответствующие схемы приведены в главе 11.

Рис. 9.1. Главная схема блочной электростанции

В зависимости от количества генераторов и трансформаторов в блоке и от способа их соединения различают следующие виды блоков, перечисленные в порядке убывания надежности и стоимости капитальных затрат:

моноблок, когда для одного генератора используется один трансформатор – рис. 9.2а;

объединенный блок, когда два моноблока объединяются между собой на стороне высшего напряжения повышающих трансформаторов и имеют один общий выключатель высокого напряжения – рис. 9.2б;

укрупненный блок, когда два генератора подключены к одному общему повышающему трансформатору с расщепленной обмоткой низшего напряжения – рис. 9.2в;

сдвоенный блок, когда два генератора подключены к общей шине, а затем – к повышающему трансформатору с нерасщепленной обмоткой низшего напряжения – рис. 9.2г.

а) б) в) г)

Рис. 9.2. Разновидности блоков генератор-трансформатор

Моноблок – наиболее надёжный блок, т. к. при выходе из строя любого элемента одного из моноблока соседний моноблок остаётся в работе.

Объединённый блок дешевле двух моноблоков, т. к. происходит экономия на одном выключателе высокого напряжения. С другой стороны надёжность объединённого блока ниже, т. к. при аварийном или плановом ремонте единственного выключателя высшего напряжения приходится останавливать оба генератора.

Укрупнённый блок ещё дешевле, т. к. происходит экономия на повышающем трансформаторе. Но при выходе из строя единственного трансформатора произойдёт потеря обоих генераторов, тогда как в объединённом блоке на время ремонта трансформатора отключится лишь один генератор. Второй генератор отключится кратковременно – на время отключения выводимого в ремонт трансформатора разъединителями.

Сдвоенный блок дешевле укрупнённого, т. к. нерасщеплённый трансформатор при прочих равных дешевле расщеплённого. Однако надёжность такой схемы ниже. Действительно, оба генератора имеют общую электрическую точку – генераторную шину. Данная шина является дополнительным элементом, в результате чего вероятность коротких замыканий увеличивается по отношению к другим видам блоков. С другой стороны, как и в случае укрупнённого блока, КЗ могут происходить и на самих генераторах. Здесь также есть принципиальное отличие по отношению к укрупнённому блоку. В сдвоенном блоке при коротком замыкании на одном из генераторов, на другом генераторе произойдёт значительное снижение напряжения, т. к. между генераторами практически отсутствует сопротивление. В схеме укрупнённого блока уменьшение напряжения также произойдёт, но в меньшей степени – из-за большого сопротивления расщеплённой обмотки низшего напряжения. По этой же причине в схеме укрупнённого блока будут ниже токи КЗ.

Для единичной мощности генератора 1000 МВт используется блок особого типа – с 6-фазной обмоткой генератора и с расщеплённой обмоткой повышающего трансформатора – см. рис. 9.3.

Рис. 9.3. Блок с 6-фазной обмоткой генератора и с расщеплённой обмоткой повышающего трансформатора

Блочные схемы характерны для крупных электростанций, электроэнергия которых передаётся на большие расстояния – АЭС, КЭС, мощные ТЭЦ и ГЭС. Действительно, передача электроэнергии на большие расстояния наиболее экономична при повышенных напряжениях.

От блочных схем перейдём к схемам с ГРУ. Схемы с ГРУ характерны для ТЭЦ, которые производят не только электроэнергию, но и тепловую энергию и поэтому находятся рядом с потребителем, на расстоянии до 10 км (электрическую нагрузку такого потребителя будем называть местной). Следовательно, для передачи электроэнергии на малые расстояния можно использовать сравнительно невысокое напряжение, то есть генераторное напряжение 6,3 кВ или 10,5 кВ. С другой стороны, ТЭЦ должна быть связана с единой энергосистемой, куда выдаются избытки мощности, а эту связь дешевле выполнить на повышенном напряжении 110 кВ или 220 кВ. Поэтому помимо ГРУ схема ТЭЦ имеет также РУ-ВН для передачи электроэнергии на большие расстояния. Если вблизи ТЭЦ имеется энергоёмкое производство, то его питание осуществляется на напряжении 35 кВ или 110 кВ, в этом случае предусматривается ещё одно распределительное устройство – РУ-СН. На рис. 9.4 изображен один из вариантов схемы электростанции с использованием ГРУ.

Достоинства схем с ГРУ по сравнению с блочными схемами:

достигается экономия на повышающих трансформаторах и выключателях повышенного напряжения, – их число может быть меньше количества генераторов;

схема выдачи мощности становится более гибкой и надёжной, – при выходе из строя одного из генераторов нет необходимости отключать трансформатор и наоборот при отключении одного из трансформаторов другой трансформатор может быть кратковременно перегружен.

Недостатки схем с ГРУ по сравнению с блочными схемами:

из-за увеличения токов КЗ происходит удорожание выключателей и токоведущих частей генераторного напряжения;

для снижения токов КЗ приходится применять токоограничивающие реакторы;

при больших мощностях генераторов токи КЗ становятся настолько значительными, что схема становится нереализуемой технически;

возникают дополнительные капитальные затраты на сооружение ГРУ с многочисленными аппаратами и токоведущими частями.

Кроме рассмотренных выше типов схем выдачи мощности, структурная схема станции может быть также комбинированной, то есть совмещать достоинства блочных схем и схем с ГРУ – рис. 9.5. Комбинированные схемы используются в случае ТЭЦ.

Представленные схемы являются типовыми. Для конкретных электростанций схемы могут несколько варьироваться с изменением топологии и количества элементов. Далее рассмотрим особенности построения главных схем электростанций различного типа.

9.1. Главная схема теплоэлектроцентрали

Рассмотрим различные подходы к формированию главной схемы ТЭЦ в зависимости от доли мощности, потребляемой местной нагрузкой, и от напряжения, на котором электроэнергия выдаётся в энергосистему и к местной нагрузке.

1. Рассмотрим ТЭЦ с большой местной нагрузкой (Р_МН > 30 % от Р_ген) на напряжении 6-10 кВ. В этом случае используется чисто блочный принцип – рис. 9.6. Мощность, выдаваемая собственным нуждам, обозначена Р_СН. Связь с энергосистемой осуществляется обычно от одного РУ-ВН на напряжениях 110-220 кВ через два (реже один) двухобмоточных трансформатора.

Рис. 9.6. Главная схема ТЭЦ с большой местной нагрузкой на напряжении 6-10 кВ

2. Рассмотрим ТЭЦ с большой местной нагрузкой (Р_МН > 30 % от Р_ген) на напряжении 6-110 кВ. В этом случае помимо РУ-ВН появляется РУ-СН – рис. 9.7. Соответственно приходится либо использовать трёхобмоточные трансформаторы (рис. 9.7а) и автотрансформаторы (рис. 9.7б), либо увеличивать число двухобмоточных трансформаторов (рис. 9.7в). Трёхобмоточные трансформаторы используется в случае, когда напряжения РУ-ВН и РУ-СН отличаются значительно – например 110/35 кВ или 220/35 кВ. Если напряжения РУ-ВН и РУ-СН отличаются в меньшей степени (220/110 кВ), то используют трёхобмоточные автотрансформаторы. В этом случае проявляются достоинства автотрансформаторов по сравнению с обычными трансформаторами – см. раздел 4.3.

Рис. 9.7. Главная схема ТЭЦ с большой местной нагрузкой на напряжении 6-110 кВ

а – с трёхобмоточными трансформаторами;

б – с трёхобмоточными автотрансформаторами;

в – с двухобмоточными трансформаторами

3. Рассмотрим ТЭЦ с малой местной нагрузкой (Р_МН < 30 % от Р_ген) на напряжении 6-10 кВ. В этом случае используется чисто блочная схема, а питание местной нагрузки происходит от отпайки генераторного токопровода, обычно через сдвоенные токоограничивающие реакторы – рис. 9.8.

Рис. 9.8. Главная схема ТЭЦ с малой местной нагрузкой на напряжении 6-10 кВ

4. Рассмотрим ТЭЦ с большой местной нагрузкой (Р_МН > 30 % от Р_ген) на напряжении 6-10 кВ и с генераторами разной мощности, что характерно для расширения существующей электростанции. Например, до расширения на ТЭЦ имелись генераторы единичной мощностью Р_ген ≤ 110 МВт, работающие на общее ГРУ. Такие генераторы имеют номинальное напряжение 6,3 кВ или 10,5 кВ [1]. Допустим в процессе расширения станции предусматривается установка более мощных генераторов единичной мощностью Р_ген ≥ 120 МВт. Эти генераторы невозможно подключить к существующему ГРУ по двум причинам. Во-первых, согласно [1] их номинальное напряжение больше либо равно 15,75 кВ, то есть не соответствует напряжению ГРУ. Во-вторых, даже если бы напряжения соответствовали, то подключение дополнительного мощного генератора к ГРУ повлекло бы за собой значительное увеличение токов КЗ, а следовательно – невозможность выбора токоведущих частей и коммутационных аппаратов. Поэтому дополнительные генераторы подключаются к РУ-ВН по блочному принципу, а схема станции становится комбинированной – рис. 9.9.

Рис. 9.9. Комбинированная главная схема ТЭЦ

9.2. Главная схема конденсационной тепловой электростанции

Требования к главным схемам электрических соединений КЭС сформулированы в [10]. Главные схемы электрических соединений КЭС выбираются на основании утвержденной схемы развития энергосистемы и участка последней, к которому присоединяется данная электростанция, а также с учетом общей и единичной мощности устанавливаемых агрегатов.

Главная схема КЭС строится по чисто блочному принципу, т. к. электроэнергия от КЭС передаётся на большое расстояние и на повышенном напряжении, а значительная местная нагрузка на генераторном напряжении отсутствует. Обычно в главных схемах КЭС используют моноблоки. Пример главной схемы КЭС с шестью блоками показан на рис. 9.1.

9.3. Главная схема атомной электрической станции

Требования к главным схемам электрических соединений АЭС сформулированы в [11].

Схемы присоединения к энергосистеме должны обеспечивать в нормальных исходных режимах на всех стадиях сооружения АЭС выдачу полной введенной мощности и сохранение устойчивости ее работы в энергосистеме без воздействия системной противоаварийной автоматики при отключении любой отходящей линии электропередачи или автотрансформатора связи.

В ремонтных режимах, а также при отказах выключателей главной схемы и устройств релейной защиты, устойчивость работы АЭС в энергосистеме должна обеспечиваться действием противоаварийной системной автоматики на разгрузку станция.

Как уже отмечалось, АЭС является, по сути, конденсационной электростанцией с дополнительным циклом, относящимся к ядерному реактору. В связи с этим главная схема АЭС аналогична главной схеме КЭС. Отличие состоит в большем разнообразии видов блоков – на АЭС используются не только моноблоки, но и более сложные блочные схемы. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, имеются блоки АЭС достаточно большой мощностью – РБМК-1000 МВт и ВВЭР-1000 МВт на существующих АЭС и ВВЭР-1200 МВт на строящихся. Во-вторых, на некоторых АЭС один реактор обслуживается двумя генераторами – ВВЭР-440 (2х220 МВт) и РБМК-1000 (2х500 МВт), или даже тремя генераторами – БН-600 (3х200 МВт).

Главная схема АЭС с реакторами ВВЭР-440 имеет объединенные блоки – два генератора ТВВ-220 и два трансформатора ТЦ-250 – рис. 9.10.

Главная схема блоков ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 имеет отличительную особенность – имеется 6-фазный генератор, подключенный к расщепленному повышающему трансформатору. На рис. 9.11 показана главная схема проекта Ленинградской АЭС-2.

Рис. 9.10. Главная схема Кольской АЭС

Рис. 9.11. Главная схема проекта Ленинградской АЭС-2

Главная схема АЭС с реакторами РБМК-1000 содержит укрупненные блоки – два генератора ТВВ-500 и расщеплённые трансформаторы. При этом в связи с большими перетоками мощности используется группа из трёх однофазных трансформаторов ОРЦ-417. На схемах показывается один однофазный трансформатор, т. к. схема однолинейная. Главная схема АЭС с реакторами РБМК-1000 показана на рис. 9.12 на примере Ленинградской АЭС.

Рис. 9.12. Главная схема действующей Ленинградской АЭС-1

Главная схема АЭС с реакторами БН-600 изображена с учётом того, что один реактор обслуживается тремя генераторами – рис. 9.13.

Рис. 9.13. Главная схема Белоярской АЭС

9.4. Главная схема гидравлической электростанции

Требования к главным схемам электрических соединений ГЭС сформулированы в [12] и во многом совпадают с аналогичными требованиями для АЭС.

Дополнительно учитывается возможность работы гидроагрегатов в режиме синхронных компенсаторов, высокая маневренность гидроагрегатов и более частые коммутации, связанные с участием в покрытии пиковой и полупиковой части графика нагрузки энергосистемы, возможность работы гидрогенераторов в режиме потребления реактивной мощности.

Гидроэлектростанции с агрегатами средней и большой мощности (от 50 МВт и выше) обычно не имеют генераторного распределительного устройства (ГРУ) и всю энергию выдают в энергосистему на напряжениях 110-750 кВ по блочным схемам. В главных электрических схемах ГЭС применяются моноблоки, а также объединенные, укрупнённые и сдвоенные блоки.

Укрупнение и объединение блоков позволяет уменьшить число присоединений к распределительному устройству высокого напряжения и применить схемы с меньшим числом выключателей на присоединение, например, схему многоугольника вместо схемы “3/2”. Это может оказаться существенным для ГЭС, сооружаемых в районах со сложной топографией и ограниченной площадью для РУ высокого напряжения, а также в условиях ограниченной площади под главные повышающие трансформаторы со стороны нижнего или верхнего бьефа.

Главная электрическая схема ГЭС должна учитывать очередность ввода агрегатов и возможность расширения распределительных устройств повышенных напряжений в соответствии с перспективой развития энергосистемы. Выдача электроэнергии от гидроагрегатов первых очередей строящейся электростанции должна предусматриваться через соответствующие части постоянных распределительных устройств.

Главную схему ГЭС рассмотрим на примере проекта Саяно-Шушенской гидростанции – рис. 9.14.

На Саяно-Шушенской ГЭС используются уникальные гидрогенераторы СВФ-1275/275-42 активной мощностью 640 МВт и полной мощностью 711 МВА, что на сегодняшний день в России является максимальной единичной мощностью гидрогенератора. Специально для данного гидрогенератора разработана группа из трёх однофазных трансформаторов 3хОРЦ-533000/500//15,75-15,75 с двумя расщепленными обмотками генераторного напряжения.

Рис. 9.14. Главная схема Саяно-Шушенской ГЭС

9.5. Главная схема гидроаккумулирующей электростанции

Гидроаккумулирующие электростанции ГАЭС имеют обратимые синхронные генераторы-двигатели мощностью в сотни МВт. В связи с этим важно обеспечить допустимые колебания напряжения на шинах повышенных напряжений РУ при различных режимах работы обратимых агрегатов, в том числе при прямом асинхронном пуске. Для облегчения операции пуска обратимых машин ГАЭС в насосном режиме необходимо использование передовых технических решений за счет использования частотного метода запуска через регулируемые тиристорные статические преобразователи. Для включения, отключения и реверсирования обратимых агрегатов ГАЭС используются два выключателя на генераторном напряжении – рис. 9.15.

Рис. 9.15. Главная схема Ленинградской ГАЭС

Типовые схемы ГЭС.

1.4Основные элементы конструкций ГЭС (на примере плотинной ГЭС).

1.Рабочее колесо турбины. Турбина является основным элементом ГЭС. На ней механическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения вала 4, за счёт воздействия потока на лопасти рабочего колеса.

2.Спиральная камера. Служит для равномерной подачи воды к турбине со всех сторон. Спиральная камера представляет собой постепенно сужающийся водовод, охватывающий по окружности направляющий аппарат 6. За счёт постепенного сужения вдоль потока происходит вытеснение части расхода в направлении рабочего колеса.

3.Генератор. В генераторе механическая энергия вращения вала турбины преобразуется в электрическую энергию. Генератор, смонтированный на одном валу с гидравлической турбиной, представляет собой единую конструкцию, называемую гидроагрегат. В конструкциях ГЭС применяют синхронные генераторы переменного тока.

4.Вал турбины. Вал передаёт механическую энергию вращения от рабочего колеса турбины к генератору. Вал может быть как цельным, так и составным. В последнем случае вал турбины и вал генератора жёстко соединены фланцем, это соединение обеспечивает возможность раздельного демонтажа генератора и турбины, что снижает требования к грузоподъёмности кранового оборудования в машинном зале.

5.Отсасывающая труба. Предназначена для отвода потока воды от гидроагрегата, а также для увеличения коэффициента полезного действия (к.п.д.) турбины. Поперечное сечение сечение отсасывающей трубы постепенно увеличивается вдоль пути следования потока. Это позволяет создать на выходе из рабочего колеса турбины дополнительное

разрежение (понижение давления), что в целом увеличивает напор, срабатываемый гидроагрегатом1.

6.Направляющий аппарат. Состоит из направляющих лопаток, каждая из которых может вращаться вокруг вертикальной оси. Направляющий аппарат создаёт необходимое направление потока перед рабочим колесом, а также позволяет регулировать расход воды, поступающий на турбину. Лопатки направляющего аппарата установлены таким образом, что могут полностью перекрыть поток воды, поступающий на турбину из спиральной камеры.

7.Статор турбины (Статорные колонны). Представляет собой ряд колонн обтекаемой формы. Основное назначение статора – воспринимать нагрузки, возникающие между верхним и нижним железобетонными конусами, вызываемые весом конструкций и оборудования и давлением воды.

8.Паз ремонтного затвора. Служит для размещения затвора, устанавливаемого для ремонта спиральной камеры и гидроагрегата.

9.Паз размещения сороудерживающих решёток. Служит для размещения сороудерживающих решёток, препятствующих попадания мусора в гидроагрегат.

10.Паз рабочего затвора ГЭС. Служит для размещения рабочего затвора, который изолирует гидроагрегат, когда выработка электроэнергии на нём не производится.

11.Паз ремонтного затвора отсасывающей трубы. Служит для размещения затвора, устанавливаемого для ремонта отсасывающей трубы.

12.Шпунт. Предназначен для увеличения длины пути фильтрационного потока и снижения величины фильтрационного противодавления, то есть для повышения устойчивости здания ГЭС на опрокидывание.

13.Мост. Устраивается для обеспечения проезда транспорта.

1Это увеличение напора приводит к повышению к.п.д. турбины, поскольку в формуле для определения мощности напор входит как разность отметок верхнего и нижнего бьефов.

II.2.2. Структурная схема выдачи мощности кэс, аэс и гэс

На
рис. II.2.
показаны структурная схемы КЭС и АЭС с
преимущественным распределением
электроэнергии на повышенном напряжении.
По таким же схемам строятся ГЭС с малым
числом генераторов.

Отсутствие
потребителей вблизи таких станций
позволяет отказаться от ГРУ. Все
генераторы соединены в блоки с повышающими
(блочными, силовыми) трансформаторами.
Параллельная работа блоков осуществляется
на ВН, где предусматриваются РУ (см рис.
II.2.а).

Если
электроэнергия выдается на высшем и
среднем напряжении, то связь между РУ
осуществляется автотрансформаторами
связи (рис. II.2.б)
или автотрансформаторами, установленными
в блоке с генератором (рис. II.2.в).

Если
число гидрогенераторов на ГЭС большое,
то вместо простых блоков используют
укрупненные блоки, состоящие из двух
генераторов присоединенных к РУВН или
к РУСН через расщепленный трансформатор
(рис. II.3.а)
или через два двухобмоточных трансформатора
(рис. II.3.б).

II.2.3. Структурные схемы выдачи мощности подстанций

Они
показаны на рис. I.19.
(см. раздел I.1.2.).

На
подстанциях с двухобмоточными
трансформаторами (см. рис. I.19
(а)) электроэнергия поступает от
электростанции в РУВН, затем трансформируется
и распределяется между потребителями
в РУНН.

На
узловых подстанциях осуществляется
связь между отдельными частями
энергосистемы и питание потребителей
(см. рис. I.19
(б)).

46

Классификация гидроэлектростанций

Гидроэнергетика — один из возобновляемых видов энергии. Гидроэлектростанции имеют очень высокий КПД по сравнению с любой другой электростанцией. Они имеют очень долгий срок службы, меньшее воздействие на окружающую среду, низкие производственные затраты, меньшие затраты на обслуживание и гибкость в эксплуатации и управлении. Основные недостатки этих электростанций — более высокая стоимость во время строительства и потребность в земле для строительства водохранилища.

Гидроэлектростанции можно классифицировать по их расположению, наличию и отсутствию накопителей, диапазону работы, эксплуатационным характеристикам и т. Д.

Классификация по гидравлическим характеристикам

По гидравлическим характеристикам гидроэлектростанции можно разделить на четыре типа:

обычные гидроэлектростанции:

Эти установки используют гидравлическую энергию речной воды. Плотины построены для сбора воды в резервуаре и используются для запуска турбин.

ГАЗ

На гидроэлектростанциях этого типа одна и та же вода используется снова и снова путем откачки в непиковые часы.В основном они используются для удовлетворения пикового спроса.

Приливная электростанция

Эта электростанция вырабатывает электроэнергию из морских приливов.

Депрессионные электростанции:

В этом типе электростанции вода отводится в естественную топологическую впадину, которая обеспечивает напор для станции. Вода забирается из обильных ресурсов, таких как моря. Редкий тип силовой установки. Этот тип электростанций существует в Египте.

Классификация по эксплуатации

Установки базовой нагрузки

Этот тип установок предназначен для непрерывной выработки электроэнергии.Проще говоря, обычные гидроэлектростанции — это станции базовой нагрузки.

Пиковые установки

Если электростанция используется только для удовлетворения пикового спроса, то она называется электростанцией с пиковой нагрузкой. Как правило, гидроаккумулирующие электростанции являются установками пиковой нагрузки. На гидроэлектростанциях этого типа одна и та же вода используется снова и снова путем откачки в непиковые часы.

Классификация основана на хранении

Учитывая наличие резервуаров для хранения, гидроэлектростанции можно разделить на электростанции с резервуаром для хранения и без резервуара для хранения.Если доступность воды неравномерна в течение года, необходимы резервуары для хранения. Если в течение года существует естественный нормальный сток, то наличие водохранилища не обязательно. В таких условиях достаточно мини-водоема или пруда, который справляется с ежедневными колебаниями.

Классификация по напору

На основании имеющегося напора гидроэлектростанции подразделяются на:

Высоконапорные установки

Из-за высокого напора небольшое количество воды может производить большое количество энергии.Поэтому эти виды растений очень экономичны. Водохранилище находится на вершине горы, а электростанция — у подножия. Для высоких растений достаточно небольшой площади водосбора. Если воды из одного ручья недостаточно, из соседних ручьев можно отвести больше воды. Для напора выше 500 м используется турбина Пелтона, а для низкого напора — турбины Фрэнсиса.

Установки средней высоты

На электростанции этого типа требуется больший объем воды.Емкость резервуара будет большой. В этой электростанции воды осуществляются из резервуара переносятся в напорный трубопровод через бьеф. В уравнительном баке нет необходимости, так как передний отсек действует как уравнительный бак. Турбины Фрэнсиса, Каплана и Пропеллера обычно используются для установок среднего напора.

Низконапорные установки.

Установкам с низким напором требуется больший объем воды, чем установкам с высоким и средним напором для выработки того же количества энергии. Емкость резервуара будет большой.Турбины Фрэнсиса, Каплана и Пропеллера обычно используются для установок с низким напором.

.

Компоненты гидроэлектростанции и их функции

Что такое гидроэлектростанция?

Гидроэлектростанция использует гидравлическую энергию воды для производства электроэнергии. Электроэнергия, получаемая от этой станции, называется гидроэлектрической. Почти 16% от общей энергии, используемой в мире, приходится на гидроэнергетику.

Есть несколько типов гидроэлектростанций, классифицируемых по разным характеристикам. Но для каждой гидроэлектростанции необходимы некоторые важные основные компоненты, и они объясняются здесь.

Компоненты гидроэлектростанции

Основные компоненты гидроэлектростанции следующие.

1. Forebay
2. Впускная конструкция
3. Penstock
4. Перпендикулярная камера
5. Гидравлические турбины
6. Электростанция
7. Тяговая труба
8. Задняя труба

1. Forebay

Передний залив — это акватория гидроэлектростанции, где вода временно хранится перед попаданием в водозаборную камеру.Решение о хранении воды в переднем заливе зависит от потребности в воде в этом районе. Это также используется, когда потребность в нагрузке на всасывании меньше.

Мы знаем, что через реки строятся водохранилища для хранения воды, а вода, хранящаяся в верхнем течении плотины, может быть доставлена ​​по напорным водозаборам к ГЭС. В этом случае водохранилище выполняет роль форпоста.

2. Устройство всасывания

Водозаборное сооружение — это конструкция, которая собирает воду из переднего залива и направляет ее в затворы.Доступны различные типы водозаборных сооружений, и выбор типа водозаборных сооружений зависит от различных местных условий.

Приемная конструкция содержит несколько важных компонентов, решающую роль в которых играют решетки для мусора. На входе в напорный водовод предусмотрены решетки для мусора, которые удерживают мусор в воде.

Если мусор вместе с водой попадет в затвор, это приведет к серьезному повреждению ворот калитки, рабочих колес турбин, форсунок турбин и т. Д. Эти решетки для мусора изготовлены из стали в форме стержня.Эти стержни расположены с зазором от 10 до 30 см друг от друга, и эти стойки будут отделять мусор от текущей воды, допустимая скорость которой ограничена от 0,6 м / с до 1,6 м / с.

В регионах с холодной погодой существует вероятность образования льда в воде, чтобы предотвратить попадание льда в стеллажи для мусора, нагретые электричеством, и, следовательно, лед тает, когда он касается стеллажей для мусора.

Кроме решёток для мусора, в конструкции всасывания предусмотрены грабли и устройство тележки, которое используется для очистки решёток для мусора и затворов затвора.

3. Подвес

Заглушки похожи на большие трубы, проложенные с некоторым уклоном, по которым вода переносится из водозаборного сооружения или резервуара к турбинам. Они работают с некоторым давлением, поэтому внезапное закрытие или открытие затворов затвора может вызвать гидроудар по затворам.

Таким образом, они предназначены для защиты от гидроудара, за исключением того, что этот напорный водовод похож на обычную трубу. Чтобы преодолеть это давление, предусмотрены толстые стенки для коротких напорных водоводов и уравнительный резервуар для длинных напорных затворов.

Сталь или железобетон используется для изготовления затворов. Если длина мала, для каждой турбины используется отдельный затвор, аналогично, если длина большая, используется один большой затвор, который в конце разделяется на ответвления.

4. Камера перенапряжения

Всплеск камера или уравнительный резервуар представляет собой цилиндрический резервуар, который открыт в верхней части, чтобы контролировать давление в напорном трубопроводе. Это связано с водовода и как можно ближе к источнику дома.

Когда сила дом отверг нагрузку воды, поступающую из напорного уровня воды в расширительном баке поднимается и контроль давления в напорный.

Точно так же, когда требуется огромная потребность в уравнительном баке электростанции, поток воды в электростанцию ​​ускоряется, а затем уровень воды снижается. Когда разряд в электростанции стабильный, уровень воды в уравнительном баке становится постоянным.

Существуют различные типы уравнительные резервуары доступны, и они выбираются на основе требований завода, длина водовод и т.д.

5. Гидравлические турбины

Гидравлическая турбина, устройство, которое может преобразовывать гидравлическую энергию в механическую энергию, которая снова преобразуется в электрическую энергию путем соединения вала турбины с генератором.

Механизм в этом случае, когда вода, поступающая от удара напорный круговые лезвия или бегун с высоким давлением он будет вращать вал, снабженный в центре, и это вызывает генератор для выработки электроэнергии.

Обычно гидротурбины бывают двух типов, а именно

• Импульсная турбина
• Реакционная турбина

Импульсная турбина также называется скоростной турбиной. Турбина с колесом Пелтона является примером импульсной турбины. Реакционная турбина также называется турбиной давления. К этой категории относятся турбина Каплана и турбина Фрэнсиса.

6. Электростанция

Электростанция — это здание, предназначенное для защиты гидравлического и электрического оборудования.Как правило, все оборудование поддерживается фундаментом или основанием, заложенным для электростанции.

В случае реактивных турбин некоторые машины, такие как отсасывающие трубы, спиральный кожух и т. Д., Закрепляются в фундаменте при его закладке. Итак, фундамент заложен в больших размерах.

Что касается надстройки, то на первом этаже предусмотрены генераторы, под которыми предусмотрены вертикальные турбины. Помимо генератора предусмотрены горизонтальные турбины. Диспетчерская предусмотрена на первом или антресольном этаже.

7. Отсасывающая труба

Если используются реакционные турбины, отсасывающая труба является необходимым элементом, который соединяет выход турбины с отводом. Всасывающая труба имеет постепенно увеличивающийся диаметр, так что вода сбрасывается в отводную трубу с безопасной скоростью. На конце вытяжной трубы предусмотрены выходные заслонки, которые можно закрыть во время ремонта.

8. Отвод

Tailrace — это поток воды от турбин к ручью.Хорошо, если электростанция будет располагаться ближе к ручью. Но, если он находится далеко от ручья, необходимо построить канал для отвода воды в ручей.

В противном случае поток воды может повредить установку разными способами, например, снизить КПД турбины, кавитацию, повреждение лопаток турбины и т. Д.

Это из-за заиливания или размыва, вызванного ненужным потоком воды из электростанции. Следовательно, более важным должен быть правильный дизайн хвостовика.

.

Производство гидроэлектроэнергии

Hydroelectric Power

Гидроэнергетика, использующая потенциальную энергию рек, в настоящее время обеспечивает 17,5% мировой электроэнергии (99% в Норвегии, 57% в Канаде, 55% в Швейцарии, 40% в Швеции, 7% в США). За исключением нескольких стран, где их много, гидроэнергетические мощности обычно используются для удовлетворения пиковых нагрузок, потому что они легко останавливаются и запускаются.Это не является важным вариантом для будущего в развитых странах, потому что большинство крупных участков в этих странах, имеющих потенциал для использования гравитации таким образом, либо уже эксплуатируются, либо недоступны по другим причинам, например, по экологическим соображениям. Рост до 2030 года ожидается в основном в Китае и Латинской Америке.

Гидроэнергия доступна во многих формах: потенциальная энергия от высоких напоров воды, удерживаемых в плотинах, кинетическая энергия от течения в реках и приливных плотинах, а также кинетическая энергия от движения волн на относительно статичных водных массах.Было разработано много оригинальных способов использования этой энергии, но большинство из них включает направление потока воды через турбину для выработки электроэнергии. Те, которые обычно не предполагают использование движения воды для приведения в действие какого-либо другого гидравлического или пневматического механизма для выполнения той же задачи.

Гидравлические турбины

Подобно паровым турбинам, водяные турбины могут зависеть от импульса рабочего тела на лопатки турбины или реакции между рабочим телом и лопатками, чтобы вращать вал турбины, который, в свою очередь, приводит в действие генератор.Несколько различных семейств турбин были разработаны для оптимизации производительности для конкретных условий водоснабжения.

Выходная мощность турбины

Обычно турбина преобразует кинетическую энергию рабочего тела, в данном случае воды, во вращательное движение вала турбины.

Швейцарский математик

Леонард Эйлер показал в 1754 году, что крутящий момент на валу равен изменению углового момента потока воды, когда он отклоняется лопатками турбины, а генерируемая мощность равна крутящему моменту на валу, умноженному на скорость вращения вал.См. Следующую схему.

Обратите внимание, что этот результат не зависит от конфигурации турбины или того, что происходит внутри турбины. Все, что имеет значение, — это изменение углового момента жидкости между входом и выходом турбины.

Эффективность выработки гидроэлектроэнергии

Производство гидроэлектроэнергии на сегодняшний день является наиболее эффективным методом крупномасштабного производства электроэнергии.См. Сравнительную таблицу. Энергетические потоки сконцентрированы и могут контролироваться. В процессе преобразования кинетическая энергия улавливается и преобразуется непосредственно в электрическую. Нет неэффективных промежуточных термодинамических или химических процессов и потерь тепла. Однако общий КПД никогда не может быть 100%, поскольку извлечение 100% кинетической энергии текущей воды означает, что поток должен остановиться.

Эффективность преобразования гидроэлектростанции зависит в основном от типа используемой водяной турбины и может достигать 95% для крупных установок.Небольшие электростанции с выходной мощностью менее 5 МВт могут иметь КПД от 80 до 85%.

Однако трудно извлечь мощность из малых расходов.

Примечание: Теоретический предел эффективности преобразования Бетца в 59,3%, который представляет собой максимальный КПД, который может быть получен от ветряной турбины, не применяется к гидравлическим турбинам, поскольку существует множество вариантов конструкции турбин и более возможных средств управления потоками воды. .Это означает, что существуют эквивалентные вариации потенциального КПД турбины, многие из которых могут превышать предел Беца.

Узнайте больше об исторических разработках в области гидравлической энергии и другие примеры.

Типы турбин

Наиболее подходящая турбина для использования зависит от скорости потока воды и напора или давления воды.

• Импульсные турбины

Импульсные турбины требуют тангенциального потока воды с одной стороны рабочего колеса турбины (ротора) и поэтому должны работать только при частичном погружении. Они лучше всего подходят для приложений с высоким напором, но с низким расходом воздуха, например, с быстрым течением мелководья, хотя они используются в широком диапазоне ситуаций с напором от 15 до почти 2000 метров.

• Турбина Пелтон

Турбина Пелтона является примером импульсной турбины. Напор высокого давления вызывает очень быстрые водяные струи, сталкивающиеся с лопастями, что приводит к очень высоким частотам вращения турбины. Разделенные пары ковшей разделяют поток воды, обеспечивая сбалансированное осевое усилие на рабочем колесе турбины. Колеса Pelton идеально подходят для установок малой мощности с выходной мощностью 10 кВт или меньше, но они также использовались в установках с выходной мощностью до 200 МВт. Возможен КПД до 95%.

• Реакционные турбины

Реакционные турбины предназначены для работы с рабочим колесом турбины, полностью погруженным в воду или заключенным в кожух для сдерживания давления воды. Они подходят для нижнего напора воды до 500 метров и менее и являются наиболее часто используемыми турбинами большой мощности.

• Турбина Фрэнсиса
  

  Турбина Фрэнсиса является примером реакционной турбины. Водяной поток входит в радиальном направлении к оси и выходит в направлении оси. Крупногабаритные турбины, используемые на плотинах, способны выдавать мощность более 500 МВт с напором воды около 100 метров с эффективностью до 95%

• Пропеллерные турбины и турбины Каплана

Пропеллерная турбина — еще один пример реактивной турбины.Разработанный для работы полностью под водой, он похож по форме на гребной винт корабля и является наиболее подходящей конструкцией для источников воды с низким напором и высокой скоростью потока, например, в медленно текущих реках. Конструкции оптимизированы для определенной скорости потока, и эффективность быстро падает, если скорость потока падает ниже расчетной. Версия Kaplan имеет лопатки с регулируемым шагом, что позволяет ей эффективно работать в широком диапазоне расходов.

См. Также паровые турбины

Электроэнергия от плотин (потенциальная энергия)

• Характеристики поставки
  

  Установка плотины гидроэлектростанции использует потенциальную энергию воды, удерживаемой в плотине, для привода водяной турбины, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор.Таким образом, доступная энергия зависит от напора воды над турбиной и объема воды, протекающей через нее. Турбины обычно реактивного типа, лопасти которых полностью погружены в поток воды. На схеме напротив показана типичная конфигурация турбины и генератора, используемой на плотине.

  Источник U.С. Инженерный корпус армии

  Источник: TVA

  Строительные работы, связанные с получением гидроэнергии от плотины, обычно во много раз превышают стоимость турбин и связанного с ними оборудования для выработки электроэнергии.Однако плотины представляют собой большой резервуар для воды, из которого можно контролировать поток воды и, следовательно, выходную мощность генератора. Резервуар также служит буфером снабжения, накапливая лишнюю воду во время дождливых периодов и выпуская ее во время засухи. Накопление ила за плотиной может вызвать проблемы с обслуживанием.

  Доступная мощность

  Потенциальная энергия на единицу объема = ρgh

  Где ρ — плотность воды (10 ³ кг / м ³ ), ч — напор воды и г — гравитационная постоянная (10 м / с ² )

  Мощность P от плотины дает

  P = ηρghQ

  Где Q — это объем воды, протекающей в секунду (расход в м ³ / секунду), а η — это КПД турбины.

  Для воды, протекающей со скоростью один кубический метр в секунду из напора в один метр, вырабатываемая мощность эквивалентна 10 кВт при 100% эффективности преобразования энергии или чуть более 9 кВт при КПД турбины от 90% до 95%.

Сила «русла реки» (кинетическая энергия)

• Характеристики поставки

«Русловые» сооружения не зависят от затопления больших участков земли с образованием плотин.Вместо этого необходимое постоянное водоснабжение может быть получено из естественных озер и водохранилищ, расположенных выше по течению. Обычно они используются для небольших схем, генерирующих выходную мощность менее 10 мегаватт.

Вода из быстро текущей реки или ручья отводится через турбину, часто через колесо Пелтона, которое приводит в действие электрический генератор. Местный напор воды может быть по существу ненамного больше нуля, и турбина предназначена для преобразования кинетической энергии текущей воды во вращательную энергию турбины и генератора.Таким образом, доступная энергия зависит от количества воды, протекающей через турбину, и квадрата ее скорости.

Импульсные турбины, которые только частично погружены в воду, чаще используются в установках с быстрым течением русла реки, в то время как в более глубоких, медленных реках с большим напором воды можно использовать полностью погруженные реакционные турбины Каплана для извлечения энергии из воды. течь.

Речные проекты намного дешевле строительства плотин из-за более простых требований к строительным работам.Однако они чувствительны к колебаниям количества осадков или водного потока, которые уменьшают или даже сокращают потенциальную выработку электроэнергии в периоды засухи. Чтобы избежать проблем, связанных с сезонным речным стоком или даже суточными колебаниями, русловые установки могут включать дополнительный, ограниченный объем «искусственно созданных» водохранилищ, называемых «водоемами», для поддержания работы станции в засушливые периоды. .

С другой стороны, в условиях наводнения установка может быть не в состоянии приспособиться к более высоким расходам, и вода должна отводиться вокруг турбины, теряя потенциальную генерирующую способность увеличенного потока воды.

Из-за этих ограничений, если строительство плотины невозможно, для работы речных сооружений также может потребоваться какая-либо форма резервного питания, такая как аккумуляторная батарея, аварийные генераторы или даже подключение к сети. См. «Улавливание возобновляемой энергии» для получения дополнительных сведений о вариантах резервного копирования.

Доступная мощность

Максимальная выходная мощность турбины, используемой на участке реки, равна кинетической энергии (½ мВ ² ) воды, падающей на лопасти.Принимая во внимание КПД η турбины и ее установки, максимальная выходная мощность P _max равна

P _макс = ½ηρQv ²

, где v — скорость потока воды, а Q — объем воды, протекающей через турбину в секунду.

Q выдается

Q = A v

, где A — рабочая площадь лопаток турбины.

Таким образом,

P _макс = ½ηρAv ³

Это соотношение также применимо к закрытым турбинам, используемым для улавливания энергии приливных потоков (см. Ниже), и является прямым аналогом уравнения для теоретической мощности, генерируемой ветряными турбинами. Обратите внимание, что выходная мощность пропорциональна кубу скорости воды.

Таким образом, мощность, генерируемая одним кубическим метром воды, протекающим со скоростью один метр в секунду через турбину со 100% -ным КПД, будет равна 0.5 кВт или чуть меньше с учетом неэффективности системы. Это всего лишь одна двадцатая мощности, генерируемой таким же объемным потоком из плотины выше. Для выработки такой же мощности с тем же объемом воды из русла реки скорость потока воды должна составлять √20 метров в секунду (4,5 м / с).

Tidal Power

• Характеристики поставки

Использование силы приливов может быть достигнуто путем установки двунаправленных турбин на пути приливного течения воды в заливах и устьях рек.Чтобы быть жизнеспособным, ему нужен большой диапазон приливов и отливов, и он включает создание барьера через залив или устье, чтобы вода проходила через турбины, когда прилив приходит и уходит. Хотя приливная энергия, собранная в приливных прудах, использовалась со времен Римской империи для питания мельниц, современных установок немного. Первая станция, которая использовала приливную энергию в больших масштабах для производства электроэнергии, была построена в Рансе во Франции в 1966 году. Другие последовали в Канаде и России.



Приливная энергия наиболее близка из всех возобновляемых периодически возобновляемых источников к способности обеспечивать неограниченную, непрерывную и предсказуемую выходную мощность, но, к сожалению, в мире мало подходящих участков, а экологические ограничения пока не позволяют их повсеместному признанию.

Гидравлические турбины с кожухом, помещенные в глубоководные приливные течения, демонстрируют лучший потенциал для эксплуатации, хотя связанные с ними строительные работы более сложны, и несколько проектов находятся в стадии разработки.

Электроэнергия доступна только от шести до двенадцати часов в день в зависимости от приливов и отливов.

Доступная мощность

Максимальная выходная мощность водяной турбины в кожухе, используемой в системах приливной энергии, равна кинетической энергии воды, падающей на лопасти, аналогично расчету «русла реки» выше.Принимая во внимание КПД η турбины и ее установки, максимальная выходная мощность P _max равна

P _макс = ½ηρAv ³

, где v — скорость потока воды, а A, — рабочая площадь лопастей.

Турбина диаметром один метр с потоком воды один метр в секунду, протекающим через нее, произведет 0.4 кВт электроэнергии при 100% КПД. Точно так же турбина диаметром 3 метра с потоком воды 3 метра в секунду будет производить 32 кВт мощности.

Мощность волны

• Характеристики поставки

Энергия, доступная от движения поверхностных волн океана, почти ограничена, но оказалось, что ее очень трудно уловить.Было предложено много оригинальных систем, но, за исключением очень маленьких установок, очень немногие из них вырабатывают электроэнергию в коммерческих целях, и большинство из них столкнулись с практическими проблемами.

Некоторые из этих предложений описаны ниже. Большинство из них все еще находится в экспериментальной фазе, и многие из них не масштабируются до систем с высокой пропускной способностью.

• Системы преобразования энергии
• Качающаяся поплавковая система

Одним из простейших и наиболее распространенных решений является система колеблющихся поплавков, в которой поплавок размещается внутри буй в форме цилиндра, открытого снизу и пришвартованного к морскому дну.Внутри цилиндра поплавок перемещается вверх и вниз по поверхности волн, когда они проходят через буй.

Для превращения движения поплавка в электрическую энергию применялись различные методы. К ним относятся: —

• Гидравлические системы, в которых воздух сжимается в пневматическом резервуаре над поплавком во время его восходящего движения по гребням волн. После прохождения гребней воздух расширяется и выталкивает поплавок в следующие впадины волн.Затем гидравлическая система использует возвратно-поступательное движение поплавка для прокачки воды через водяную турбину, которая приводит в движение роторный электрический генератор.
• Пневматические системы, в которых воздух, вытесняемый в цилиндре, используется для питания воздушной турбины, приводящей в действие генератор.
• Линейные генераторы для преобразования возвратно-поступательного движения поплавка непосредственно в электрическую энергию.
• Вместо выработки электроэнергии на борту буя, некоторые системы перекачивают гидравлическую жидкость на берег к береговым генераторам.
• Система качающихся лопастей

В этой системе используются большие весла, пришвартованные к дну океана, чтобы имитировать покачивание морских растений в присутствии океанских волн. Лопасти прикреплены к специальным шарнирным соединениям в основании, которые используют раскачивающее движение лопастей для прокачки воды через турбогенератор.

• Система колеблющегося змея

Система змеи использует серию плавающих цилиндрических секций, соединенных шарнирными соединениями.Плавающая змея привязана к морскому дну и сохраняет положение головой в волнах. Волновое движение на шарнирах используется для прокачки масла под высоким давлением через
гидравлические моторы через сглаживающие аккумуляторы. В
Гидравлические двигатели, в свою очередь, приводят в действие электрогенераторы для производства
электрическая мощность.

• Колебательная колонна



Водные столбы образуются внутри крупных бетонных сооружений, построенных на береговой линии или на плотах.Структура открыта как сверху, так и снизу. Нижний конец погружен в море, и воздушная турбина заполняет отверстие наверху. Подъем и опускание водяного столба внутри конструкции перемещает воздушный столб над ним, прогоняя воздух через турбогенератор. Турбина имеет подвижные лопатки, которые вращаются, чтобы поддерживать однонаправленное вращение, когда движение воздушного столба меняется на противоположное.

• Система датчика давления

В гидравлической насосной системе используется погружной газовый резервуар с жесткими стенками и основанием и гибкой крышкой в ​​виде сильфона.Газ в резервуаре сжимается и расширяется в ответ на изменения давления от волн, проходящих над головой, заставляя верхнюю часть подниматься и опускаться. Рычаг, прикрепленный к центру верхней части, приводит в движение поршни, которые перекачивают воду под давлением на берег для привода гидрогенераторов.

• Системы захвата волн

В системах захвата волн используется сужающийся пандус для направления волн в приподнятый резервуар.Волны, попадающие в воронку широким фронтом, концентрируются в сужающемся канале, что приводит к увеличению амплитуды волны. Увеличенной высоты волны в сочетании с движением воды достаточно, чтобы поднять некоторое количество воды вверх по пандусу и в резервуар, расположенный над уровнем моря. Затем вода из резервуара может быть выпущена через гидроэлектрическую турбину, расположенную ниже резервуара, для выработки электроэнергии.

• Системы перекрытия волны

Это плавучие системы, аналогичные описанной выше наземной системе.Они фокусируют волны на конической рампе, что приводит к увеличению их амплитуды. Гребни волн превышают пандус и переходят в невысокую плотину. Затем вода из невысокой плотины течет через гидроэлектрические турбины обратно в море под плавучую конструкцию.

• Рычажные системы

Разработаны различные системы захвата энергии на основе рычага.Длинные рычаги можно устанавливать на стальных сваях или на плавучих платформах. К концам рычагов прикреплены большие поплавки или буи, которые перемещаются вверх и вниз вместе с волнами.

Движение рычагов заставляет жидкость поступать в центральный гидроаккумулятор и через турбину генератора. В качестве альтернативы воду под высоким давлением можно перекачивать на берег для питания береговых генераторов.

• Технические проблемы

При разработке практических систем для улавливания волновой энергии возникают серьезные технические проблемы.

• Изменчивость морских условий

Морские условия, как известно, изменчивы, и система должна быть способна справляться с широким диапазоном амплитуд и частот волн, а также с изменениями направлений течений.

• Согласование генерирующего оборудования с волновыми характеристиками

Требуются механизмы для преобразования мощности нерегулярных колеблющихся механических сил, вызванных волнами, в электрическую энергию, синхронизированную с сетью.Это может быть связано с дорогой силовой электроникой.

Типичные вращающиеся машины, используемые для выработки электроэнергии, работают с синхронной скоростью 1200 об / мин. (20 оборотов в секунду), тогда как частота волн, приводящих в движение генератор, вероятно, составляет от 5 до 10 секунд за цикл. Для обеспечения этого соотношения 200: 1 рабочих скоростей требуется механическая зубчатая передача, возможно, в сочетании со специальными тихоходными генераторами, включающими большое количество пар полюсов.

Одним из способов решения всех этих проблем является использование гидроаккумуляторов на месте или на берегу, чтобы сгладить подачу энергии к генератору.

• Оборудование строительное

Для систем разумного размера будут задействованы очень высокие механические силы, преобразующие энергию волны в механическую энергию для приведения в действие электрического генератора.

• Размещение и швартовка оборудования

Должны быть предусмотрены прочные кожухи для защиты генерирующего оборудования от суровых условий окружающей среды.

Удерживать установку на месте также особенно сложно на большой глубине.

• Передача энергии

Для доставки электрической или гидравлической энергии обратно на берег необходимо разработать армированные и изолированные кабели или трубы высокого давления с низкими потерями.

• Сопротивление штормовому урону

Урон от шторма — серьезная угроза.Частота появления волн любой конкретной амплитуды соответствует распределению Рэлея, аналогичному тому, которое применяется к скорости ветра. Хотя частота серьезных штормов может быть довольно небольшой, каждые 50 лет можно ожидать появления волны, в десять раз превышающей среднюю амплитуду. Из приведенного ниже расчета мощности мощность волны пропорциональна квадрату амплитуды волны. Это означает, что установка должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать силы, в сто раз превышающие нормальный рабочий уровень.Это значительно увеличивает затраты.

Доступная мощность

Мощность волны на единицу длины волнового фронта P _L определяется (Twiddel & Weir. Возобновляемые источники энергии) как

P _L = ρga ² λ / 4T

Где ρ — плотность воды (10 ³ кг / м ³ ), a — амплитуда волны (половина высоты волны), г — гравитационная постоянная (10 м / м). sec ² ), λ — длина волны колебания и T — период волны.

Таким образом, для волны амплитудой 1,5 метра, длиной 100 метров и периодом 5 секунд мощность на метр волнового фронта будет 75 кВт.

Тепловая энергия океана

Безграничная тепловая энергия более теплых океанов мира может также использоваться для выработки электроэнергии почти так же, как геотермальное тепло используется для производства электроэнергии.К сожалению, эффективность преобразования очень низкая, а экономическую целесообразность трудно оправдать текущими ценами на энергию. Процесс и потенциал описаны более подробно в разделе «Преобразование тепловой энергии океана» (OTEC) на страницах «Геотермальная энергия».

См. Также Генераторы

Вернуться к Обзор электроснабжения

.

Гидроэлектростанция — Energy Education

Гидроэлектростанция — это особый тип электростанции, использующий энергию падающей или текущей воды для выработки электроэнергии. Они делают это, направляя воду через ряд турбин, которые преобразуют потенциальную и кинетическую энергию воды во вращательное движение турбины. Затем турбина присоединяется к генератору, и движение используется для выработки электроэнергии. Гидроэнергетика обеспечивает мир около 16% от общего объема производства электроэнергии. ^[1] В число крупнейших производителей входят Китай, Канада и Бразилия. ^[2] См. Мировое производство электроэнергии для получения подробной информации о том, сколько электроэнергии вырабатывается гидроэнергетикой в ​​разных странах.

Схема обычной гидроэлектростанции показана ниже.

Рис. 1. Схема, показывающая основные компоненты традиционной гидроэлектростанции. ^[3]

Типы

Существуют как традиционные, так и нетрадиционные гидроэлектростанции.Обычные гидроэлектростанции — самый распространенный тип — полагаются на разницу напора, создаваемую искусственными плотинами и препятствиями. Два типа систем, которые считаются традиционными, — это плотины гидроэлектростанций и приливные дамбы. Нетрадиционные методы генерации обычно основаны на гидроэлектрическом разряде или небольшом перепаде напора. Некоторыми примерами нетрадиционных гидроэнергетических объектов являются низконапорные гидроэлектростанции, русловые системы, гидроэнергетические системы в русле реки и кинетические приливные воды.

Каждому типу метода выработки гидроэлектроэнергии соответствует классификация выходной мощности, основанная на его мощности.Они указаны в таблице слева. ^[4]

Компоненты и работа

При проектировании гидроэлектростанции учитывается множество различных факторов, но большинство из них имеют одни и те же основные компоненты и работают одинаково. Эти компоненты и их функции описаны ниже.

Резервуар

основная статья

Резервуар гидроэлектростанции — это скопление воды, сдерживаемой плотиной гидроэлектростанции.Эта вода имеет определенное количество потенциальной энергии, поскольку она удерживается над хвостовой частью плотины, а потенциальная энергия используется для выработки электроэнергии. Высота, на которой находится вода в резервуаре, известна как гидравлический напор и является одним из основных факторов, определяющих, сколько электроэнергии может быть произведено. Чем выше находится вода, тем больше у нее потенциальной энергии и, следовательно, тем больше электроэнергии может быть произведено. ^[5]

Плотина

основная статья

Плотина гидроэлектростанции — это большое искусственное сооружение, построенное для удержания некоторого количества воды. ^[5] Назначение плотины гидроэлектростанции — обеспечить место для преобразования потенциальной и кинетической энергии воды в электрическую энергию с помощью турбины и генератора. Плотины действуют как место, где вода задерживается и регулируемым образом выпускается к этим турбинам, обеспечивая место, где происходят преобразования энергии. ^[6] Типичные плотины создают резервуар, в котором вода хранится на заданной высоте. Эта высота и скорость, с которой вода падает из резервуара на турбины, определяют, сколько электроэнергии может быть произведено.

Подвес

основная статья

Заглушки — это трубы или длинные каналы, по которым вода спускается из гидроузла к турбинам внутри самой электростанции. ^[7] Обычно они изготавливаются из стали, и вода под высоким давлением течет через затвор. Они являются жизненно важным компонентом гидроэлектростанции, который позволяет воде перемещаться к турбине. К концам затворов можно прикрепить решетки или фильтры, чтобы улавливать крупный мусор, например, ветки.Это гарантирует, что мусор не сможет попасть в канал и заблокировать его. ^[8] Количество воды, которое может проходить через напорный водопровод, можно регулировать с помощью шлюза, который представляет собой просто затвор, который можно поднимать и опускать для увеличения или уменьшения количества воды, через которую может проходить вода.

Турбины

Основная статья

Гидротурбины — это устройства, используемые на гидроэлектростанциях, которые передают энергию от движущейся воды к вращающемуся валу для выработки электроэнергии.Эти турбины вращаются или вращаются в ответ на попадание воды на их лопасти. Тип турбины, выбранный для любого гидроэнергетического проекта, зависит от высоты водохранилища, известного как гидравлический напор, и объема воды, который течет, известного как скорость потока. Также следует учитывать эффективность и стоимость. ^[9]

КПД

Энергия движущейся воды — это чисто механическая энергия, одна из самых качественных форм энергии. Таким образом, теоретически, поскольку это такая высококачественная энергия, ее можно преобразовать в электрическую с почти 100% -ным КПД, поскольку в ней не используется тепловая энергия (и, следовательно, второй закон термодинамики не должен приниматься во внимание) .Однако по-прежнему существуют незначительные потери, связанные с трением и неэффективностью транспортировки электроэнергии (в результате таких факторов, как сопротивление проводов). В целом это означает, что гидроэнергетика может быть преобразована в электричество с КПД выше 90%. ^[1]

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1.1} Р. Вольфсон. Энергия, окружающая среда и климат , 2-е изд.Нью-Йорк, США: Нортон, 2012 г.
2. ↑ Абхишек Шах. (3 сентября 2015 г.). Список крупнейших в мире гидроэлектростанций и стран — Китай, ведущий строительство гидроэлектростанций [онлайн]. Доступно: http://www.greenworldinvestor.com/2011/03/29/list-of-worlds-largest-hydroelectricity-plants-and-countries-china-leading-in-building-hydroelectric-stations/
3. ↑ Wikimedia Commons. (3 сентября 2015 г.). Гидроэлектростанция [Онлайн]. Доступно: https: // upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/57/Hydroelectric_dam.svg/2000px-Hydroelectric_dam.svg.png
4. ↑ IPCC. (3 сентября 2015 г.). Глава 5 — Гидроэнергетика [Онлайн]. Доступно: www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srren/drafts/SRREN-FOD-Ch05.pdf
5. ↑ ^{5,0 5,1} Ботанический сад штата Миссури. (3 сентября 2015 г.). Hydroelectric Power [Онлайн]. Доступно: http://www.mbgnet.net/fresh/rivers/dams.htm
6. ↑ BrightHub Engineering.(3 сентября 2015 г.). Как работает плотина гидроэлектростанции [Online]. Доступно: http://www.brighthubengineering.com/building-construction-design/42794-how-does-a-hydroelectric-dam-work/
7. ↑ Дж. Бойль. Возобновляемые источники энергии: энергия для устойчивого будущего , 2-е изд. Оксфорд, Великобритания: Oxford University Press, 2004.
8. ↑ WiseGeek. (3 сентября 2015 г.). Что такое Penstock? [В сети]. Доступно: http://www.wisegeek.com/what-is-a-penstock.htm
9. ↑ BrightHub Engineering.(3 сентября 2015 г.). Что такое гидравлические турбины? [В сети]. Доступно: http://www.brighthubengineering.com/fluid-mechanics-hydraulics/26551-hydraulic-turbines-definition-and-basics/

.