Гидростанции (гэс).

Рисунок 76.

P = P₀ + ρgh, где P₀ - давление внешних сил, ρgh – давление столба жидкости, g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с² [кг/м³ ∙ м/c² ∙ м] = [Н/ м²] = [Па]

h = z₀ – z

P = P₀ + ρg (z₀ – z) = P₀ + ρgz₀ – ρgz

P + ρgz = P₀ + ρgz₀

P₀ / ρg + z₀ = P / ρg + z = H_c = const – статический напор

z = [м], H_c = [Дж/Н]

(P / ρg + z) – удельная потенциальная энергия.

P / ρg – энергия давления, z – энергия положения.

1. Уравнение неразрывности.

Основано на определении средней скорости.

Q = v ∙ w = const

[м³/c] = [м/с] ∙ [м²]

Где Q – объемный расход, v – скорость, w – площадь поперечного сечения.

Рисунок 77.

v₁ ∙ w₁ = v₂ ∙ w₂ - отношение скоростей

v₂ / v₁ = w₁ / w₂ – обратно пропорционально отношение площадей поперечного сечения.

2. Уравнение Бернулли.

P / ρg + z + v² / 2g = Hg = const

P / ρg + z – потенциальная энергия

v² / 2g – кинетическая энергия

Hg – полная удельная энергия

P / ρg – пьезометрическая высота, энергия давления

z₁ + P₁ / ρg + v₁² / 2g = z₂ + P₂ / ρg + v₂² / 2g + δH = const

δH – гидравлические потери, потери напора при движении в жидкости, индексы 1 и индексы 2 вход и выход.

Рисунок 78.

Потери напора возникают в результате гидравлических сопротивлений. Гидравлические сопротивления подразделяются на сопротивления по длине потока и на местное сопротивление.

Сопротивление по длине потока обусловлено потерей энергии по длине потока в основном в результате трения.

Местное сопротивление обусловлено местными потерями, они в основном связаны с изменениями направления движения.

Все эти потери пропорциональны квадрату скорости.

δH = h_1-2 – полные потери

h = ξ v² / 2g

где ξ – обобщенный коэффициент сопротивления.

Σh = h_l + h_μ

Где h_l – потери по длине, h_μ - местные потери.

Гидравлической основой гидротехники являются данные о режиме стока, определяемом соответствующими характеристиками.

1). Расход воды – количество воды, протекающее в одну секунду через данное поперечное сечение.

Q = [м³/c]

Хронологический график изменения расходов воды по времени в каком-либо створе реки носит название гидрографа. Он строится по результатам гидрометрических измерений. Формы гидрографа определяется типом питания рек (снег, дождь, родник и т.д.)

Рисунок 79.

2). Сток – суммарный объем воды, прошедший через данное поперечное сечение водотока от начального до конечного.

W = [м³] = [км³]

При известном гидрографе сток может быть определен как непрерывная функция или дискретная функция, следовательно, интеграл от данного расхода по времени.

W =

Лекция 27.

Норма стока.

w₀ – норма стока

- средний многолетний годовой сток реки, который выражается в м³ или км³

где w_j – сток за j-ый год, n – число лет за рассматриваемый период.

Аналогично имеется такой же показатель как норма расхода – средний многолетний расход, который измеряется в м³/с.

, где - средний расход j-го года, 31,54 ∙ 10⁶ – секунд в году.

Работа водного потока и схема концентрации напора.

Мощность водного потока.

N = ρ ∙ g ∙ H ∙ Q

где Q – расход, H – напор, перепад высот с геометрической точки зрения.

[Вт] = [кг/м³ ∙ м/с² ∙ м ∙ м³/с] = [Н/ м³ ∙ м ∙ м³/с] = [Дж/ м³ ∙ м³/с] = [Дж/с] = [Вт]

N = 9810 ∙ H ∙ Q (9810 в Н/м³)

N = 9,81 ∙ H ∙ Q (9810 в кН/м³)

N_ГЭС = 9, 81 ∙ H ∙ Q η_ГЭС

Энергия водотока определяется, используя формулу мощности так:

Э = N ∙ t/3600 = [кВт ∙ ч] = [кВт] [с]

Э = (9,81 H ∙ Q ∙ η ∙ t) / 3600 = (9,81 ∙ w ∙ H ∙ η) / 3600 = (w ∙ H ∙ η) / 367

Q ∙ t = w

В естественных условиях концентрирования напоры (Н) в определенном месте встречаются крайне редко (водопад). Равнинные реки обычно имеют уклон свободной поверхности воды 5-10 см/км; горные – 5-10 м/км.

Концентрация напора.

Концентрация напора в каком-либо удобном месте осуществляется с помощью гидротехнических сооружений по плотинной схеме или деривационной.

Деривация – отклонение от основного пути. Деривация бывает напорная и безнапорная.

Плотинная схема предусматривает сооружение плотины, которая перегораживает русло реки в выбранном створе. В результате сооружения плотины создается разность уровней верховой и низовой стороны плотины. Создающееся при этом с верховой стороны водохранилище носит название верхнего бьефа, а часть реки, примыкающей к плотине с низовой стороны, называется нижний бьеф.

Разность уровней нижнего и верхнего бьефа – напор. Z_ВБ – Z_НБ = Н

На ГАЭС имеется верхний бассейн (водохранилище) и нижний бассейн (водохранилище), и здесь уже будет разность уровней верхнего и нижнего бассейна. В период ночного провала в суточном графике нагрузки энергосистемы ГАЭС работает в насосном режиме (заряд ГАЭС), потребляя из сети электроэнергию для перекачки воды из нижнего бассейна в верхний. В период наступления утреннего и вечернего максимума нагрузки энергосистемы ГАЭС работает в генераторном режиме (разряд ГАЭС), производя электроэнергию благодаря перетоку воды из верхнего бассейна в нижний.

Обратимые машины – электрогенератор и двигатель, гидромашины – и в режиме генерации, и в режиме насоса гидротурбина, электрогенератор. На ГАЭС стоят две обратимые машины.

Гидравлические турбины.

Гидравлической турбиной называется агрегат, преобразующей энергию движущейся воды в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины. На основании закона Бернулли мы можем определить какой напор получается на данной гидростанции или какой напор срабатывает та или иная гидротурбина.

H₁ = z₁ + P₁ / ρg + v₁² / 2g

Н₂ = z₂ + P₂ / ρg + v₂² / 2g

H₁ - Н₂ = Н = (z₁ - z₂) + (P₁ / ρg - P₂ / ρg) + (v₁² / 2g - v₂² / 2g),

где [(z₁ - z₂) + (P₁ / ρg - P₂ / ρg)] – потенциальная энергия, (v₁² / 2g - v₂² / 2g) – кинетическая энергия. Таким образом, энергия потока состоит из энергии положения (z₁ - z₂), энергии давления ((P₁ - P₂) / ρg), кинетической энергии (v₁² / 2g - v₂² / 2g).

Если турбина хотя бы частично использует потенциальную энергию, то такие турбины называются реактивными:

[(z₁ - z₂) + (P₁ - P₂) / ρg] > 0, следовательно, процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. И, кроме того, в реактивных турбинах используется кинетическая энергия.

Если в гидротурбинах используется только кинетическая энергия, то такие турбины называются активными:

[(z₁ - z₂) + (P₁ - P₂) / ρg] = 0.

Турбина активного типа не срабатывает перепад давления, примером турбины активного типа является ковшовая турбина.

Лекция 28.

Классификация гидротурбин.

Ковшовая турбина – давление и с той, и с другой стороны равно атмосферному, используется только кинетическая энергия.

Реактивная турбина.

К ним относятся пропеллерные, поворотно-лопастные, которые также являются и осевыми турбинами, диагональные турбины, радиально-осевые. Лопасти пропеллерной турбины неподвижны. Поворотно-лопастные – лопасти турбины поворачиваются. Поток воды идет параллельно оси - осевые турбины. Поток воды поступает по радиусу, а затем по оси – радиально-осевые.

Турбины подразделяются на малые, средние и крупные. Такое разделение связано с диаметром рабочего колеса и мощностью. Малые мощности до 1000 кВт, турбины средней мощности до 15 МВт, крупные турбины – более 15 МВт.

Различаются турбины также по напору до 25 м, до 80 м и более 80 м малонапорные. Средненапорные и высоконапорные.

Для реактивных турбин характерны следующие основные признаки:

1. рабочее колесо расположено полностью в воде, поэтому поток воды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса;

2. перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная же часть – потенциальная энергия, соответствующие разности давлений до и после рабочего колеса;

3. избыточное давление, то есть P / ρg по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, то есть на создание реактивного давления потока на лопасти турбины. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока. Таким образом, действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока, за счет кривизны лопастей.

Водохранилища.

Основным назначением водохранилища ГЭС является трансформация естественного, обычно неравномерного, режима речного стока в режим, необходимый для отдельных отраслей промышленности, сельского хозяйства и в частности энергетики. Кроме того, в некоторых случаях назначение водохранилища является борьба с наводнениями в нижнем бьефе во время половодья. В этих случаях определенное количество воды задерживается в водохранилище, благодаря чему расход воды в нижнем бьефе существенно становится меньше естественных расходов половодья.

Водохранилища создаются путем устранения на реках потерь, плотины, повышающие уровень воды и образование необходимой емкости водоемов.

Рисунок 80.

НПУ – нормальный подпорный уровень.

УМО – уровень мертвого объема. Вода, находящаяся в УМО, не используется.

ФПУ – форсированный подпорный уровень, полезный объем. ФПУ во время половодий и наводнений.

НПУ и УМО – водохранилища.

V_полезн = V_полн – V_УМО

Полезный объем равен разности полезного объема и уровня мертвого объема.

Полезный объем используется для регулирования стока. В вводно-энергетических расчетах часто используются различные характеристики водохранилища, т.е. функциональные зависимости между уровнем водохранилища и объемом, топографические характеристики – статические и динамические.

Статическая характеристика водохранилищ или верхнего бьефа включает в себя две кривые – одна является зависимостью отметок уровней водохранилища от объема.

Рисунок 81.

Где F – поверхность.

Рисунок 82. Уровень нижнего бьефа и расхода воды.

Уравнение водного баланса водохранилища без холостых сбросов.

W_зарег = W_{естеств} ± V – W_забор + W_возвр – W_потерь

Где W_зарег – зарегулированный сток, W_{естеств} – естественный сток в реке, W_забор – который забираем, W_возвр – который возвращаем, W_потерь – потери (испарение, парообразование).

Зарегулированный сток (W_зарег) – тот объем воды, который прошел за время t через створ гидроузла, так называемая отдача.

Естественный приток реки (W_{естеств}) – приток воды в водохранилище за время t, так называемый бытовой приток.

± V (±∆V) – использованный объем водохранилища за данный период t. При чем знак «+» - когда срабатывает водохранилище, «-» - когда идет наполнение водохранилища.

Для каких-то нужд забираем (W_забор) и какое-то количество возвращаем (W_возвр).

Регулирование речного стока.

Регулированием стока называется процесс перераспределения его в водохранилище, естественный или бытовой режим речного стока в подавляющем большинстве отличается крайней неравномерностью. Так, например, на равнинных реках в периоды весеннего половодья, от 1,5 до 3 месяцев проходит обычно до 70% годового стока. Существенно различается и сам годовой сток в многолетнем разрезе.

Такое распределение стока находится в резком противоречии с режимом его потребления большинством водопотребителей и водопользователей. Водопотребители используют воду как вещество и изымают ее из данного источника. Может быть, конечно, возврат, но уже в другом створе, бассейне, и она будет уже другого качества. Водопользователи используют воду как вещество и возвращают полностью или почти полностью того же качества, что и брали. Например, ГЭС. Или водопользователи, которые совсем не изымают воду из водотока (водный транспорт).

Степень зарегулируемости стока определяется относительной емкостью водохранилища (коэффициент емкости) есть отношение полезного объема водохранилища к среднему за многолетний период объем годового стока в створе плотины.

β = V_полезн / W₀

При любом виде регулирования потребители воды в некоторые периоды времени работают с расходом воды, превышающем приток, а в другой период времени с расходом воды меньше приток. Таким образом, в первом случае происходит сработка водохранилища, а в о втором – пополнение водохранилища. Промежуток времени от начала какого-либо одного периода сработки водохранилища до начала следующего после очередного его пополнения, называется циклом регулирования. Различают кратковременное регулирование и длительное регулирование. К кратковременному регулированию относится суточное регулирование, недельное регулирование, а к длительному – годовое и многолетнее.

Суточное регулирование.

Основная задача суточного регулирования заключается в том, чтобы в часы малой нагрузки ГЭС запасти водохранилище избыточный приток, а часы повышенной нагрузки его сработать. Для того чтобы осуществить суточное регулирование объем водохранилища должен быть не менее 0,5 суточного стока расчетного маловодного года.

Недельное регулирование.

В рабочие дни идет сработка водохранилища, а в выходные – заполнение объема водохранилища, равное приблизительно суточному стоку.

Общие для краткосрочного регулирования является перераспределение сравнительного равномерного суточного и недельного режима приточности в неравномерный режим расходов ГЭС.

Годичное регулирование.

Основная задача годового регулирования является сработка водохранилища в маловодный период и наполнение его в многоводный. Для выполнения данной задачи водохранилище должно быть достаточно большим, его объем должен составить порядка от 2 до 20% годового стока.

Многолетнее регулирование.

Цикл регулирования длится несколько лет. Водохранилище наполняется избыточным стоком одного или нескольких многоводных лет и опорожняется в течение ряда маловодных вод. Многолетнее регулирование сводится к увеличению стока маловодных лет. Для выполнения данной функции объем водохранилища должен составлять не менее 50% среднего многолетнего объема годового стока реки.

Режимы работы ГЭС в энергосистеме.

Режим работы ГЭС в энергосистеме определяется, прежде всего, водностью рассматриваемого периода и условий достижения в системе наилучших экономических показателей.

ГЭС без регулирования.

Объем водохранилища, которое имеет ГЭС, не позволяет осуществить даже суточное регулирование, следовательно, ГЭС работает в режиме водотока. Поэтому мощность подобных ГЭС в любой момент времени определяется значениями бытовых расходов. ГЭС без регулирования работает в базовой части графика нагрузки.

ГЭС с суточным регулированием.

Ее целесообразно размещать в пиковой части графика нагрузки данной системы.

ГЭС с годичным регулированием.

Здесь ГЭС необходимо размещать в зависимости от периода сработки и от периода наполнения. В периоды сработки такую ГЭС целесообразно размещать в пиковой части графика нагрузки. Во время заполнения хранилища такую ГЭС можно размещать как в пиковой, так и в базовой части, все зависит от полезного объема водохранилища. Чем меньше полезный объем водохранилища, тем больше ее роль для покрытия базы. И чем Польше полезный объем водохранилища, тем целесообразнее ее применять в пиковой части графика нагрузки.

ГЭС с многолетним регулированием.

Одновременно может пополнять как суточное, так и годичное регулирование. В общем случае ее место в верхней части графика нагрузки. И только в многоводные периоды, а также, чтобы не делать холостые сбросы ГЭС может опускаться в базовую часть графика нагрузки.