9558
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А. В. Февралев
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лекциям, практическим занятиям, выполнению лабораторных и курсовых работ для обучающихся по дисциплине «Гидроэнергетические сооружения» направлению подготовки / специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений направленность (профиль) / специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности
Нижний Новгород
2023
2
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А. В. Февралев
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лекциям, практическим занятиям, выполнению лабораторных и курсовых работ для обучающихся по дисциплине «Гидроэнергетические сооружения» направлению подготовки / специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений направленность (профиль) / специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности
Нижний Новгород
ННГАСУ
2023
3
УДК (Присваивает библиотека)
Февралев, А. В. Гидроэнергетические сооружения: учебно-методическое пособие / А. В. Февралев; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 44 с. – Текст: электронный.
В пособии: рассматриваются основные понятия, развитие гидроэнергетики России, характеристика гидроэнергетики и установок, описываются схемы создания напора, схемы сооружений и электростанций, анализируется влияние гидроэнергетики на окружающую среду.
Предназначено для обучающихся по дисциплине «Гидроэнергетические сооружения» направлению подготовки / специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений направленность (профиль) / специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности.
Ключевые слова: гидроэнергетика, гидроэнергетические сооружения, водная энергия, электростанции, ГЭС
© А.В. Февралев, 2022
© ННГАСУ, 2022
4
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………………. 6
1.Основные понятия …………………………………………….................... 7
2.Развитие гидроэнергетики России……………………………………….. 9
3.Гидроэнергетические сооружения………………………………………. 12
3.1. Состав гидроэнергетических сооружений……………………… 12
3.2.Подпорные сооружения………………………………………….. 12
3.3.Водоприемники……………………………………………………. 15
3.3.Отстойники ГЭС…………………………………………………… 16
3.4.Деривации………………………………………………………….. 17
3.5.Уравнительный резервуар (УР)………………………………….. 18
3.6.Турбинные трубопроводы……………………………………….. 19
3.7.Водохранилища…………………………………………………… 20
3.8.Напорный бассейн………………………………………………… 20
3.9.Бассейны ГАЭС и ПЭС……………………………………………. 21
3.10.Здания ГЭС, ГАЭС И ПЭС………………………………………. 23
4.Гидроэнергетические установки………………………………………...... 27 4.1. Общие сведения……………………………………………………. 27
4.2. Гидроэлектростанции……………………………………………… 27
4.3. Гидроаккумулирующие электростанции………………………… 28
4.4. Приливные электростанции……………………………………….. 29
4.5. Насосные станции………………………………………………….. 30
5. Схемы создания напора…………………………………………………… 31
5.1. Схемы создания напора ГЭС……………………………………… 31
|
5.2. Каскадное использование энергии рек…………………………… |
34 |
|
5.3. Создание напора ГАЭС……………………………………………. 34 |
|
|
5.4. Создание напора ПЭС……………………………………………... |
34 |
6. |
Энергосистема………………………………………………...................... |
35 |
7. |
Характеристики электростанций…………………………………............. |
36 |
5
7.1. Виды электростанций……………………………………………… 36
7.2. Энергетические ресурсы…………………………………………... 36 7.3. Тепловые электрические станции (ТЭС)…………………………. 37 7.4. Атомные электростанции (АЭС)………………………………….. 38 7.5. Основные характеристики электростанций……………………… 38
7.6. Мощность и выработка электроэнергии ГЭС……………………. 39 8. Влияние гидроэнергетики на окружающую среду ……………………... 41 8.1. Влияние на атмосферный воздух…………………………………. 41 8.2. Влияние на водные ресурсы………………………………………. 41 8.3. Влияние на территорию…………………………………………… 41 8.4. Влияние на ихтиофауну…………………………………………… 42
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………. 43
6
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Гидроэнергетические сооружения» предназначается для студентов, обучающихся по направлению подготовки / специальности 08.05.01
Строительство уникальных зданий и сооружений направленность (профиль) /
специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности. Настоящее пособие призвано способствовать подготовке к лекциям и практическим занятиям по названой дисциплине, а также подготовке
кзачетам и экзаменам.
Впособии изложены названия разделов дисциплины и их краткое содержание. Для расширения знаний следует прослушать лекции, изучить литературу, приведенную в пособии, использовать ресурсы Интернета.
7
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Гидроэнергетика - по ГОСТ 19431-84: раздел энергетики, связанный с использованием механической энергии водных ресурсов (водной или гидравлической энергии) для получения электрической энергии. Происходит от двух слов: гидро (греч.) – вода, энергия (латинск.) − действие, деятельность.
Гидроэнергетические сооружения – элементы гидроэнергетики.
В более широком смысле Гидроэнергетика - это отрасль национального хозяйства, занимающаяся преобразованием водной энергии.
Под сооружением законодательство РФ понимает результат строительства, представляющий собой объемную, плоскостную или линейную строительную систему.
Можно сказать, что гидроэнергетические сооружения – это сооружения,
способствующие использованию энергии воды.
Энергия и мощность воды. Потенциальная энергия (работа) Э:
Э=сила∙путь. (1.1)
Для «падающей» воды сила (рис. 1.1) – это вес воды P, путь – это высота
падения Н;
Э= PН. |
(1.2) |
Рисунок 1.1 – Схема водопада
|
8 |
Вес «падающей» воды: |
|
P=mg, |
(1.3) |
m – масса воды; g – ускорение свободного падения. |
|
Масса воды: |
|
m=Wρ, |
(1.4) |
W – объем воды; ρ – плотность воды. |
|
Таким образом, энергия воды |
|
Э=WρgН, Н∙м (Дж). |
(1.5) |
Мощность воды N: |
|
N=dЭ/dt. |
(1.6). |
В развернутом виде: |
|
N=(dW/dt) ρgН, Дж/с (Вт). |
(1.7) |
Производная dW/dt=Q – расход воды (м3/с). |
|
Окончательно получаем: |
|
N=QρgН, Вт.
Учитывая, что для пресной воды ρ=1000 кг/м3, g=9,81 м/с2, будем иметь
выражение мощности воды |
|
N=9,81QН, кВт. |
(1.8) |
В формуле (1.8): расход в м3/с, напор в м.
Из формулы (1.6) можно получить выражение энергии через мощность:
Э=∫Ndt. |
(1.9) |
Может быть использована кинетическая энергия потока, удельная |
|
величина которой (скоростной напор) |
|
HСП=αv2/(2g), |
|
где α – коэффициент Кориолиса; v – скорость потока. |
|
Мощность будет выглядеть так: |
|
N=9,81QНСП, кВт. |
(1.10) |
9
2. РАЗВИТИЕ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ РОССИИ
Первое существенное использование воды − первые ирригационные системы (искусственное орошение) − возникли примерно в 3000-2500 гг. до н.
э.
Использование воды как источника энергии началось 2-мя тысячелетиями позже. Первая водноэнергетическая установка – водоподъемное колесо – была описана в 1-м веке до н. э. В средние века водяное колесо (рис. 2.1) стало универсальной установкой. Оно широко использовалось в водяных мельницах
(рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Типы водяных колес:
а) - подливное (нижнебойное) водяное колесо, КПД до 35 %; б) - среднебойное, КПД до 75 %; в) - наливное (верхнебойное), КПД до 85 %. Н - напор
В Российской Империи в 1913 г. мощность 78 гидростанций составляла около 8,4 млн. кВт. Кроме того, в Империи имелись десятки тысяч водяных мельниц и установок общей мощностью около 990 тыс. л. с. Единица мощности л. с. – лошадиная сила; 1 л. с. =0,735 кВт; 990 тыс. л. с. =728 тыс.
кВт=728 МВт.
Таким образом, в 1913 г. в Российской империи использование водной энергии составляло 730+8,4=738,4 МВт.
Первенцем гидроэнергетики в России следует считать станцию на Рудном Алтае, построенную в 1892 г. Эта четырехтурбинная ГЭС была создана под
10
руководством инженера Кокшарова для шахтного водоотлива Зыряновского рудника.
Становление электроэнергетики СССР связано с планом ГОЭЛРО (1920
г.). Рассчитанный на 10—15 лет план предусматривал строительство 10 ГЭС и
20 ТЭС суммарной мощностью 1,5 млн кВт. В соответствии с планом были построены Свирская и Волховская ГЭС (Ленинградская обл.).
В годы первых пятилеток (1929-40) вступили в строй ГЭС – Днепровская
(Украина), Нижнесвирская, Рионская (Грузия) и др.
К началу ВОВ 1941-45 гг. было введено в эксплуатацию 37 ГЭС общей мощностью более 1500 МВт. Во время войны было приостановлено строительство ряда ГЭС общей мощностью около 1000 МВт. Часть ГЭС общей мощностью около 1000 МВт оказалась разрушенной или демонтированной. К 1945 г. в СССР мощность всех ГЭС, вместе с восстановленными, достигла 1250
МВт, а годовая выработка электроэнергии - 4,8 млрд. кВт∙ч.
После окончания Великой отечественной войны, наряду с восстановлением разрушенных гидротехнических сооружений началось строительство новых гидроузлов, в том числе и законсервированных на время войны.До 1960 года были построены гидроузлы: Верхне-Свирская ГЭС
(Ленинградская обл.),- Цимлянская ГЭС (р. Дон), Горьковская ГЭС (р. Волга) –
сейчас Нижегородская, Каховская ГЭС (р. Днепр) (Украина), Волжская ГЭС им. Ленина (р. Волга) – сейчас Жигулевская, Камская ГЭС (р. Кама),
Новосибирская ГЭС (р. Обь), Усть-Каменогорская ГЭС (р. Иртыш) (Казахстан),
Павловская ГЭС (р. Уфа, приток Камы), Кременчугская ГЭС (р. Днепр) (Украина).
В 1960-1980 гг. строительство ГЭС перемещается на восток страны. В это время сооружены: Братская ГЭС (1961 г.), р. Ангара; Мамаканская ГЭС на реке Мамакан в Иркутской обл. (1961 г.); Курганская ГЭС (1961 г.). в Узбекистане;
Головная ГЭС Вахшского каскада (1962 г.) в Таджикистане; каскад Ковдинских ГЭС (1962 г.) в Мурманской области; Верхне-Туломская ГЭС (1964 г.) в
Мурманской области; Плявиньская ГЭС (1966 г.) в Латвии; Вилюйская ГЭС