Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«Гидроэнергетика»

Контрольные задания и методические указания к их выполнению для студентов дневного и заочного отделения IV-V курсов факультета энергетики по направлению 140200 – Электроэнергетика и электротехника

Новосибирск

2012

Составили д.т.н., профессор Секретарев Ю.А.

к.т.н., ср.преподаватель Жданович А.А.

ассистент Митрофанов С.В.

Рецензент к.т.н., доцент Мошкин Б.Н.

Работа подготовлена кафедрой Систем электроснабжения предприятий

Предисловие

Современную электроэнергетику России трудно представить без гидроэлектростанций. На сегодняшнее время на территории России насчитывается 102 рабочие ГЭС с мощностью больше 100 МВт. А мощность всех рабочих ГЭС составляет более 45 млн. кВт. При этом в год вырабатывается 165 млрд. кВтч. С этими показателями Россия занимает 5 место в мире.

Кроме того, гидроресурсы являются возобновляемым источником энергии, что является бесспорным преимуществом. Важным и актуальным достоинством также является экологичность выработки электроэнергии на ГЭС. Поэтому, очевидно, что развитие и поддержание гидроэнергетических систем является приоритетной задачей любого государства. Все это объясняет интерес к вопросам, касающимся современных ГЭС и их элементов.

Все крупные гидроэлектростанции в России и мире уникальны, поэтому при проектировании таких станций нельзя говорить о типовом подходе. В первую очередь это связано с тем, что реки, на которых они возводятся, имеют свои уникальные свойства и ландшафт.

Представленное пособие направлено на создание представления у студентов об электроэнергетическом потенциале рек, об основных характеристиках водохранилищ, о видах создания напоров на станциях, особенностях гидроагрегатов и их конструктивных элементов. Кроме того, студент сможет рассчитать и на основе этого спланировать управление водохранилищем годового регулирования.

Задачи расположены таким образом, что студент может проследить весь цикл от расчета гидроэнергетического потенциала реки, на которой только планируется строить ГЭС, до водно-энергетических расчетов, когда решается вопрос о регулировании водохранилища. Водно-энергетические расчеты лежат в основе управления гидроэлектростанцией, их результаты позволяют судить об объемах и сроках использования водохранилища для выработки электроэнергии. Методы и средства водно-энергетических расчетов сложны и разнообразны, в заданиях будет рассмотрен табличный метод расчета. Таким образом, здесь представлены основные проблемы, решаемые при проектировании и эксплуатации ГЭС.

Задание №1 Определение потенциальных ресурсов рек (2 часа)

Цель: Познакомиться с основными гидрологическими и гидрографическими характеристиками рек, а также научиться определять оптимальный для строительства ГЭС створ реки на основе полученных данных.

Задачи:

1. Рассчитать энергию и мощность на участках реки;

2. Построить кадастровые графики:

Z=f(L), Q=f(L), N_уд=f(L), N_∑=f(L);

3. Определить для строительства ГЭС створ с наибольшим энергетическим потенциалом.

Основные сведения

При оценке гидроэнергетического потенциала рек принято различать:

• Теоретический потенциал (потенциальные энергетические ресурсы реки) – это суммарный энергетический потенциал речного стока.

• Технический потенциал – часть теоретического потенциала, которая на современном уровне развития науки и техники может быть использована с помощью строительства гидроэлектростанций.

• Экономический потенциал – часть технического потенциала, использование которой является экономически целесообразной.

При выборе места строительства гидроэлектростанции в первую очередь производится оценка потенциальных ресурсов реки на различных её участках. Потенциальными энергетическими ресурсами рек являются мощность и энергия потока.

Определению потенциальных энергоресурсов каждой реки предшествует составление её водного кадастра, включающего общее описание реки, имеющиеся исходные данные по гидрометрии, гидрологии, топографии и пр.

Потенциальные энергетические ресурсы реки могут быть получены на основе уравнения Бернулли, являющегося одним из основных уравнений в гидравлике.

Выделим участок реки, заключенный между двумя створами 1 и 2, как это показано на рис. 1.1.

Рис.1.1 Сечение реки

Согласно этому уравнению потенциальная валовая энергия водотока, теряемая потоком жидкости W (м³) на участке L_1-2 равна разности энергий Э₁ и Э₂:

, (кВт*ч) (1.1)

где, - плотность жидкости (кг/м³), – ускорение свободного падения (м/с²), – удельная энергия положения (м), измеряемая высотой расположения центра тяжести сечения водотока над уровнем моря, – удельная потенциальная энергия давления (м) при избыточном давлении (Па),– удельная кинетическая энергия жидкости (м), при – коэффициенте Кориолиса.

Уравнение Бернулли лежит в основе расчёта многих энергетических характеристик. В частности:

Напор - это удельная потенциальная энергия положения, численно равная падению уровней водотока.

, (м) (1.2)

Мощность – это работа совершаемая потоком текущей воды в течение одной секунды (кВт).

Величина потока жидкости в рассматриваемом створе в течение одной секунды определяется как:

, (1.3)

где, - расход воды через 1 створ (м³/с).

Расход в реке на протяжении всего русла увеличивается при приближении к устью, вследствие бокового притока впадающих в реку ручьёв и речек, осадков и т.д. Следовательно, для получения его приближенного значения на участке реки используется среднее между створами 1 и 2 значение:

, (м³/с) (1.4)

После некоторых упрощений уравнение Бернулли может быть преобразовано в уравнение мощности и примет вид:

, (Вт) (1.6)

Учитывая что: ,

, (кВт) (1.7)

В связи с тем, что участки могут иметь разные длины, не всегда представляется возможным определить оптимальный участок, используя полученные значения напора, расхода и мощности.

В этих случаях для сравнения вариантов удобно использовать величину удельной мощности потока на участке реки, т.е. мощности, приходящейся на единицу длины реки:

, (кВт/км) (1.8)

Исходные данные:

№	Река	Параметр	Номер створа
			1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Волга	Z, м	172	154	146	142	138,4	132,5	130,1	127	123,7	121
		Q, м3/с	110	190	210	270	350	380	430	510	543	570
2	Лена	Z, м	250	244	242	239,4	236	233,5	231	227,6	225	221,6
		Q, м3/с	2000	2130	2190	2290	2410	2550	2630	2780	2910	3040
3	Ангара	Z, м	450	434	421	408	382	371	366	354	350	343
		Q, м3/с	1860	1883	1903	1937	2042	2080	2114	2176	2184	2256
4	Енисей	Z, м	645	607	507	493	438	375	314	300	287	280
		Q, м3/с	210	436	692	936	1140	1264	1487	1543	1704	1870
5	Волга	Z, м	118	109	103	98	92,5	88	83,3	80,5	77	74
		Q, м3/с	800	920	1090	1170	1280	1350	1430	1470	1510	1660
6	Лена	Z, м	218	208	201	196	189,4	184	178	171	168	165,3
		Q, м3/с	3200	3310	3400	3480	3610	3690	3760	3810	3870	3940
7	Ангара	Z, м	331	328	324	302	292	288	282	281	278	277,5
		Q, м3/с	2284	2295	2443	2501	2531	2621	2668	2754	2800	2814
8	Енисей	Z, м	264	255	243	234	211	202	178	157	145	131
		Q, м3/с	2000	2084	2125	2246	2411	2448	2481	2500	2514	2530
9	Волга	Z, м	74	72	70,6	69,1	68	66,9	65,8	64	63	62,3
		Q, м3/с	1654	1770	1850	1940	1990	2100	2320	2470	2650	2770
10	Лена	Z, м	134	130	128	126,4	123	121,5	119	117,4	115,6	113
		Q, м3/с	4330	4500	4640	4730	4820	4960	5180	5270	5440	5610
11	Ангара	Z, м	273	256	224	217	206	201	195	193	192	191
		Q, м3/с	2841	2898	2923	3011	3056	3087	3124	3185	3196	3200
12	Енисей	Z, м	131	127	121	119	114	109	106	102	100	99
		Q, м3/с	2530	2711	2834	2920	3003	3069	3211	3478	3561	3600
13	Волга	Z, м	61	59	57,2	55	53,9	52,4	51,8	50,3	49,1	48
		Q, м3/с	3100	3210	3440	3570	3740	3850	4010	4260	4460	4670
14	Лена	Z, м	110	106	101	97	94,3	89	85,8	81,2	78,3	74,5
		Q, м3/с	5700	5810	5890	5940	6020	6180	6270	6400	6630	6700
15	Ангара	Z, м	190	184	173	160	151	147	136	132	130	129
		Q, м3/с	3210	3250	3287	3325	3345	3360	3386	3401	3428	3450
16	Енисей	Z, м	75	73	72	70	69,5	69,2	69	68,8	68,4	68
		Q, м3/с	7750	7820	7834	8102	8200	8280	8320	8430	8480	8500
17	Волга	Z, м	41	38	35,2	33	31,3	30	28	25	23	20
		Q, м3/с	5020	5300	5410	5770	5910	6040	6180	6240	6430	6810
18	Лена	Z, м	60	57,2	53,7	52,1	49,7	47,2	45,3	42,4	41,2	38
		Q, м3/с	7700	7910	8070	8200	8330	8540	8690	8910	9020	9170
19	Ангара	Z, м	129	125	120	112	108	106,5	106	103	102	101,5
		Q, м3/с	3460	3520	3578	3632	3652	3700	3736	3791	3851	3860
20	Енисей	Z, м	43	41	36,8	36,5	36	35,5	35,2	34,8	34,5	34
		Q, м3/с	13000	13221	13297	13510	14142	14254	14387	14569	14814	15100

Длины участков:

Номер участка			1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10
1	Волга	L, км	20	30	17	22	24	15	21	28	23
2	Лена		20	30	17	22	24	30	21	28	23
3	Ангара		35	30	38	29	30	35	25	33	32
4	Енисей		70	73	67	78	63	69	74	71	65
5	Волга		25	36	22	27	30	21	28	26	27
6	Лена		25	36	33	40	45	43	46	50	40
7	Ангара		30	32	35	34	28	35	32	28	30
8	Енисей		65	78	63	72	68	70	74	73	65
9	Волга		25	30	35	38	24	29	32	39	35
10	Лена		25	30	35	38	24	29	32	39	35
11	Ангара		32	25	29	30	35	28	35	35	30
12	Енисей		62	78	65	70	73	75	68	72	70
13	Волга		18	22	30	31	28	26	33	35	40
14	Лена		20	33	37	35	39	41	43	38	32
15	Ангара		32	30	38	28	35	32	34	30	35
16	Енисей		68	63	70	71	65	70	72	78	65
17	Волга		25	36	22	27	30	21	28	26	27
18	Лена		34	33	37	35	39	41	43	38	32
19	Ангара		30	25	35	28	30	38	29	32	34
20	Енисей		65	70	78	73	71	68	70	73	67