Гидроэлектростанция
Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных сооружений и оборудования, использование которых позволяет преобразовывать энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.
Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины и водохранилища. Большое значение для эффективности работы станции имеет выбор места. Необходимо наличие двух факторов: гарантированная обеспеченность водой в течение всего года и как можно больший уклон реки. Гидроэлектростанции разделяются на плотинные (необходимый уровень реки обеспечивается за счёт строительства плотины) и деривационные (производится отвод воды из речного русла к месту с большой разностью уровней).
Отличаться может и расположение сооружений станции. Например, здание станции может входить в состав водонапорных сооружений (так называемые русловые станции) или располагаться за плотиной (приплотинные станции).
Содержание |
Технологии
Работа гидроэлектростанций основана на использовании кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии применяются турбина и генератор. Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно в дамбе или возле неё. В некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или к водозаборному узлу ГЭС.
Индикаторами мощности гидроэлектростанций являются две переменные: расход воды, который измеряется в кубических метрах и гидростатический напор. Последний показатель представляет собой разность высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции может основываться на каком-то одном из этих показателей или на обоих.
Современные технологии производства гидроэлектроэнергии позволяют получать довольно высокий КПД. Иногда он в два раза превышает аналогичные показатели обычных теплоэлектростанций. Во многом такая эффективность обеспечивается особенностями оборудования гидроэлектростанций. Оно очень надёжно, да и пользоваться им просто.
Кроме того, всё используемое оборудование обладает ещё одним важным преимуществом. Это длительный срок службы, что объясняется отсутствием теплоты в процессе производства. И действительно часто менять оборудование не нужно, поломки случаются крайне редко. Минимальный срок службы электростанций – около пятидесяти лет. А на просторах бывшего Советского Союза успешно функционируют станции, построенные в двадцатых или тридцатых годах прошлого века. Управление гидроэлектростанциями осуществляется через центральный узел, и вследствие этого в большинстве случаев там работает небольшой персонал.
Принцип работы ГЭС
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.
Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:
- мощные — вырабатывают от 25 МВТ и выше;
- средние — до 25 МВт;
- малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.
Плотина
Плотина - это массивная перемычка, цель которой – удерживать водный поток. Плотина – незаменимый инструмент при практическом использовании водных ресурсов.
Кстати, в течение долгого времени теории строительства плотин не существовало. Только в 1853 году французский инженер Сазилли обосновал некоторые теоретические постулаты. Плотины обеспечивают повышение уровня воды в реке или её отвода. В последнем случае плотины обеспечивают судоходство или орошение земель.
Плотины могут отличаться в зависимости от конструкции и разделяться на гравитационные, арочные и др. Гравитационные плотины выглядят как каменные или бетонные заграждения. Конструкции этого типа препятствуют поступлению воды своим весом. Арочные выполняют свои обязанности благодаря особой конструкции. Успешное функционирование плотин зависит от трёх показателей: сопротивления вертикальных элементов сооружения, массы и особенностей арочной конструкции, которая опирается на береговые устои. При возведении плотины необходимо учитывать воздействие некоторых внешних факторов. Это так называемые сдвигающие силы, появление которых обусловлено воздействием воды, ветра, ударами волн, перепадами температуры. Пренебрежение строителей к вышеперечисленным факторам может привести к разрушению плотины. Поэтому производятся определённые расчёты, позволяющие воспрепятствовать негативному действию сдвигающих сил.
Например, горизонтальная составляющая давления воды увеличивается с глубиной и равна произведению wh (w – вес единицы объёма воды, h – глубина). Это означает, что общее гидростатическое давление равно Ѕ (wh). Очень важно и вместе с тем достаточно сложно точно рассчитать фильтрационное давление, которое воздействует на подошву конструкции из-за того, что под неё просачивается вода. Чтобы определить степень вероятности таких процессов, необходимо проведение исследований. При этом многое зависит от грунтового ложа. Если фундамент плотины установлен на гальке, речном песке, пористой породе, то давление на основание конструкции будет равно полному гидростатическому напору. В том случае, когда основание плотины соединено со скальными породами при помощи цемента и щели практически отсутствуют, можно получить давление, равное всего лишь 10-40 процентам гидростатического напора.
Новые разработки
Как известно, гидроэлектростанции не могут работать без воды и потому возводятся на берегах рек. Для этого необходимо строить плотину и другие сооружения.
Весь комплекс работ следует проделывать даже при возведении малых ГЭС. Но в последнее время некоторые учёные высказывают достаточно оригинальные предположения: нельзя ли построить такую станцию на расстоянии от речного берега? Казалось бы, ответ на вопрос ясен, конечно же, нет. Но не нужно торопиться.
Оказывается, реализовать подобные планы можно, уже существует несколько вариантов решения проблемы. Авторы идеи утверждают, что главное условие существования установки – наличие воды и напора – можно обеспечить и вдали от рек. Для создания напора предлагается использовать силу взрывной волны. Благодаря этому энергия воды направляется на лопасти гидротурбины.
Представим одиночный энергоблок, который будет состоять из корпуса (железобетонный или металлический цилиндр, заполненный водой) и взрывной камеры. Предполагаемый диаметр цилиндра – от восьмидесяти до ста двадцати сантиметров, высота достигает двух метров. На высоте полутора метров устанавливается гидротурбина, лопасти которой сконструированы особым образом: ось выходит на крышку цилиндра, где соединяется через редуктор с генератором тока.
Как же такое устройство обеспечивает преобразование энергии воды в электроэнергию? В камере происходит взрыв определенного количества вещества. Взрывная волна жидкости проходит по стволу и попадает в цилиндр. Вследствие этого происходит вращение лопастей турбины, что, в свою очередь, является причиной работы гидрогенератора.
По мнению разработчиков проекта, самым важным условием для обеспечения эффективности изобретения является правильный расчёт веса взрывной волны, необходимого для производства волны, а не всплеска. Кроме того, должна быть точно рассчитана периодичность взрывов, что позволит избежать перерывов в действии устройства и не снижать скорость вращения лопастей. На стадии разработки находятся и другие варианты подобных установок.
