Лекція “Гідроелектростанції для малих рік”
Лекція “Гідроелектростанції для малих рік”
План
1. Гідроелектростанції для малих рік.
2. Водоводи.
3. Регулювання параметрів електричного струму.
Література
1. Корабльов А. Д. ст. 157-159, 162-165, 172-176.
Гідроелектростанції для малих рік
В області створення і будівництва малих і мікро ГЕС в нашій країні ведуться наступні роботи:
- організація обстеження і продовження робіт по уточненні оцінки гідроенергетичного потенціала малих річок по економічних районах країни;
- проведення необхідних науково – дослідних і конструкторських робіт із створення спеціального високоавтоматизованого гідромеханічного і гідросилового устаткування;
- організація дослідницьких робіт, розробка проектної техдокументації для будівництва малих ГЕС в районах децентралізованого енергопостачання ціллю зменшення чисельності діючих дизельних електростанцій і скорочення витрати дорого дизельного палива.
В даний час були створені проекти на споруду сучасних автоматизованих малих ГЕС потужністю 0,5...2,0 МВт з уніфікованим обладнанням і уніфікованими будівельними конструкціями.
Розроблені стаціонарні і транспортабельні мікро ГЕС. Вони були розраховані на роботу без постійного обслуговуючого персоналу.
Практика будівництва виробила ряд вимог, якими слід керуватися при конструюванні малих ГЕС:
- вживання стандартних або наперед спроектованих вузлів для зниження вартості будівельно-монтажних робіт;
- пристосованість до широкого діапазону витрат і натисків;
- використовування спрощених схем ручного і автоматичного управління;
- вживання робочих коліс з високою частотою обертання;
- використовування спрощених конструкцій турбін з мінімумом поворотів потоку.
На основі узагальнення технічних і економічних досягнень по будівництву малих і мікро ГЕС, наявність. гідроенергоресурсів, потребі сільського господарства в енергії були сформульовані Основні принципові напрями в конструюванні ГЕС для сільського господарства:
Стосовно видів споживачів типи ГЕС повинні бути як стаціонарні (для об'єктів), так і транспортабельні для кочового періоду роботи .(рисунок 1);
Стаціонарні ГЕС можуть працювати як за відсутності, так і наявності сітей централізованого електропостачання. В першому випадку ГЕС є автономною електростанцією, а в другому розрахована на віддачу надлишку електроенергії в енергосистему і фактично є підживленням ГЕС;
1 - річка; 2 – водозабірний прилад; 3 – рукав для напору; 4 – енергоблок.
Рис.1. Схема трансрортабельної ГЕС.
В гірських районах слід застосовувати конструкції ГЕС з дериваційною схемою використовування водної енергії. Деривація — сукупність споруд, що здійснює підведення води водоводом (трубопроводом, каналом або тунелем) до гідротурбіни. Вживання деривації обумовлено великими ухилами в гірській місцевості і короткими спорудами дериватів, що не вимагають великих капіталовкладень. Крім того, термінові витрати води і селеві потоки не руйнують такі ГЕС, чим забезпечується тривалий термін їх експлуатації.
Основні вузли дериваційних ГЕС (рисунок. 2) — 1 - водозабірний пристрій, водоводи 2, 3, 4, 5 і 6, що складається з гідротурбіни, гідрогенератора і пристроїв автоматики.
1 - водозабірний пристрій; 2 – безнапірний участок водоводу(лоток);
3 – опорна конструкція водоводу; 4 - напірний басейн;
5 - напірний участок водоводу; 6 – гідро електроагрегат;
7 – поперечний переріз безнапірного участка водоводу.
Рис.2. Схема дериваційної ГЕС.
Водоводи
В цілях ефективного використовування енергії водотоку дериваційні водоводи повинні забезпечувати пропуск необхідної кількості для роботу ГЕС води з якнайменшими втратами. Дериваційні водоводи можуть, бути виконані по безнапірній або напірній схемі.
Для невеликих стаціонарних ГЕС, встановлюваних в гірській місцевості, доцільні водоводи комбіновані із стаціонарних безнапірних залізобетонних лотків і напірних сталевих трубопроводів. Безнапірні лотки 2 (дивись рисунок 2) розміщують залежно від рельєфу місцевості: або на ґрунті, або на опорних конструкціях. Такі конструкції вимагають незначних ґрунтових робіт, які важко
Здійснювати в скелястій гірській місцевості. Водоводи виготовляють завчасно заводським способом.
Напірна ділянка водоводу (звичайно сталевий трубопровід) встановлюють безпосередньо на спусках перед електростанцією, він служить для створення необхідного натиску безпосередньо на гідроенергоагрегаті. Ці ділянки мають порівняно невелику відстань.
Для транспортабельних ГЕС, що використовуються в кочових умовах роботи, водовід застосовують повністю напірний. Його виготовляють з меліоративної тканини, яка забезпечує гнучкість трубопроводу з урахуванням рельєфу місцевості, володіє високою міцністю, а при транспортуванні легко змотується в бухти. Ці властивості забезпечують транспортабельну ГЕС і розміщення їх на новому місці без додаткових капітальних вкладень на споруду трубопроводу (дивись рисунок 1).
При прокладці водоводів слід уникати поворотів траси, що створюють значні додаткові опори. Якщо ж без поворотів не обійтися, то мінімально допустимий радіус закруглення R (м) рекомендується встановлювати в залежності відсередньої швидкості перебігу води υ (м/с) у водоводі і площі його перетину ω (м2) по формулі:
R= 11·υ2·
+ 12.
При будівництві безнапірної ділянки деривації дуже важливий вибір ухилу ί дна каналу, від якого залежить швидкість потоку води в ньому. При малих швидкостях потоку може замулитися або зарости водовід, а в зимовий час —утворитися шуга, крижаний шар і виникнути затори.
Замулювання, шуга, лід, як правило, не виникають при швидкостях (м/с) води:
υ> (tн)0,06,
TН — розрахункова мінімальна температура зовнішнього повітря, ºС.
В той же час, при великих швидкостях води помічаються значні втрати тиску, а отже і потужності ГЕС. Тому швидкість водотоку деривації повинна бути від 1,0 до 1,5 м/с.
Необхідну величину ухилу каналу визначають по формулі Шезі:
,
R — гідравлічний радіус живого перетину каналу, м; С — коефіцієнт Шезі.
Коефіцієнт Шезі С Можна знайти, наприклад, по формулі Меннінга:
С = R ·
,
Де N — коефіцієнт шорсткості, який для бетонних лотків можна прийняти
N = 0,012...0,014.
Втрати натиску на безнапірній ділянці водоводу, використаного для невеликих ГЕС, складуть величину Δh, приблизно рівну:
Δh = ί·L,
Де L – довжина водоводу, м.
Втрати тиску (м) на напірній ділянці водоводу, і |також в гнучких напірних трубопроводах транспортабельних ГЕС можна приблизно розрахувати по формулі:
Δh = 
,
де λ — коефіцієнт тертя води об стінки труб (звичайно складає 0,02.,.0,03 м3/с); Q —дійсна витрата, м3/с; D— діаметр трубопроводу, м.
На напірних трубопроводах можуть також виникнути значні місцеві
Втрати, викликані різкими поворотами, несправністю засувок і т. п. Їх величину (м) можна визначити з виразу, м.:
Δh = ,
Де F—коефіцієнт місцевого опору (для засувок він рівний 0,5; для закруглюючого на 90° коліна—0,3). Для напірних ділянок водоводів важливо дотримувати умови заповнення водою їх горловини. Незаповнення водою горловини фактично приводить до того, що недовикористання перепаду рівнів напірного трубопроводу, а зрештою — до зниження потужності електростанції.
Це особливо негативно позначається на транспортабельних ГЕС, обладнаних гнучкими трубопроводами. За відсутності повного заповнення горловини водоводу виникають коливання її стінок і відповідно тертя об грунт що швидко приводить до стирання меліоративної тканини і її передчасного зносу.
Щоб уникнути цього, горловина напірних водоводів виконує змінного перетину. Мінімально допустиму площу (м2) поперечного перетину
Sмв окремих ділянок горловини можна приблизно.(без урахування опору горловини через малі швидкості в ній) визначити по формулі:
Де ΔHв — різниця між рівнем води в напірному басейні перед напірним водоводом і верхньою точкою даного перетину його горловини, м.
Капіталовкладення в напірні трубопроводи переважно залежать від їх діаметра, який можна розрахувати по формулі:
Після визначення основних параметрів напірного водоводу вибирають конструкцію гідротурбіни.
Регулювання параметрів електричного струму
Як вже наголошувалося, експлуатація малих ГЕС здійснюється без спеціального обслуговуючого персоналу. Тому всі процеси по
Регулюванню потужності, напруги і частоти електричного струму автоматизують, а ручне управління зводиться, наприклад до закриття засувки або натиснення кнопки.
Основні параметри малих ГЕС, що підлягають регулюванню при змінах навантаження споживачів, —напруга і частота електричного струму. Спосіб регулювання параметрів залежить від типу генератора ГЕС і умов його роботи. На малих ГЕС в основному застосовують асинхронні генератори. Вони працюють спільно з енергосистемою і автономно.
При паралельній роботі малої ГЕС з енергосистемою відпадає необхідність в регулюючій апаратурі по частоті і напрузі для асинхронного генератора. Ці параметри автоматично регулюються електричним струмом енергосистеми.
У автономних ГЕС процес регулювання частоти струму і напруги дещо складніше, оскільки вони залежать як від швидкості обертання ротора, так і від активного навантаження, при зміні якого змінюється реактивна потужність і
Резонанс коливального контуру. Щоб не була потрібна їх регулювання,
Стабілізують загальне навантаження генератора. Для цього до електричної мережі підключають корисне баластне навантаження, загальна величина яких постійна. При збільшенні корисного навантаження відповідно зменшується частка баластної. Баластне навантаження може бути використаний для різних виробничих цілей, наприклад акумуляція теплоти, що використовується надалі для опалювання і гарячого водопостачання.
Як розподільний орган між робочим і баластним навантаженнями служить пристрій стабілізації напруги (рис.3), забезпечує високу надійність регуляторів і простоту їх конструкції.
Схема пристрою стабілізації напруги включає стрічно-паралельний включені тиристори VS1, VS2, сполучені послідовно з баластним
Навантаженням R1. Управляючі електроди тиристорів через струмообмежувачі і захисні ланцюги VD1, R2, VD2, R3 підключені до фазозсувного пристрою з
РС - ланцюгом, виконаному на трансформаторі Т1, конденсаторі С1, С2 і транзисторі VТ1, VТ2; останній застосовується як управляючого резистора. Напруга з вторинної обмотки трансформатора Т1 випрямляється діодом VD1, VD2, згладжується конденсатором СЗ, С4 і порівнюється з установкою, що задається потенціометром RР1, RР2.
Рис. 3. Електрична схема пристрою стабілізації напруги.
1—направляючий апарат; 2—робоче колесо; 3—втулка без пальця;
4—втулка без паза; 5—корпус генератора; 6—зовнішня втулка з пальцем;
7 — палець; 8—внутрішня втулка з косим пазом; 9 — регулювальна пружина; 10— станина;11—обмежувач ходу.
Рис.4.Схема механічного регулятора напруги мікроГЕС
При перевищенні напруги заданого значення струм поступає на транзистор УТ1, УТ2, змінюючи його провідність, а отже, і кут зсуву вхідної і вихідної
Напруг фазозсувного пристрою. При роботі генератора з корисним навантаженням номінальної потужності або під час пуску, коли напруга генератора не перевищує розрахункової величини, тиристор VS2 був закритий, оскільки напруга на |керуючому електроді зміщено по фазі на 180° по відношенню до прикладеного. При зборі частини корисного навантаження напруга генератора дещо підвищується, що приводить до зменшення кута вихідної напруги фазозміщеного пристрою і відкриття тиристора. Струм починає протікати через баластне навантаження R1, компенсуючи зменшення струму через корисне навантаження. Управління тиристором VS1 аналогічно. Таким чином, пристрій стабілізації напруги підтримує на заданому рівні загальне навантаження генератора, забезпечуючи задані напругу і частоту струму генератора.
На мікроГЕС вважають за краще використовувати порівняно прості і надійні механічні регулятори напруги (рис. 5). В основу цього пристрою встановлена залежність потужності ГЕС і відповідно напруги і частоти струму від витрати води, що поступає на лопатки, тобто, змінюючи фактичне навантаження споживача, змінюють витрату води так, щоб зберігалося число оборотів
Турбіни, а звідси — напруга і частота струму.
На торцевих частинах генератора 5 (дивись. рис. 5) встановлені кільцеві втулкові пари, з них зовнішні втулки 3, 6 жорстко з'єднані із станиною 10, а внутрішні 4, 8—з корпусом генератора. На втулці 8 однієї з пар виконаний
Гвинтовий паз, в який входить палець 7, закріплений на зовнішній втулці 6.
Між торцевою частиною генератора й станиною була розміщена регулююча
Пружина 9.
За відсутності корисного навантаження генератор з робочим колесом 2 під впливом пружини зміщується відносно направляючого апарату, від чого не повністю використовується енергія потоку води. При виникненні корисного навантаження створюється реактивний момент статора. Останній, долаючи опір пружини, повертається на деякий кут, від чого палець, переміщаючись по гвинтовій канавці, створює поступальний рух (по стрілці „А”) генератора й робочого колеса, яке, поєднуючись з потоком води, виходячи з направляючого апарату, забезпечує необхідну швидкість обертання ротора генератора й потрібна напруга.
Виходячи з розглянутих конструктивних особливостей малих й мікроГЕС, здійснюють їх проектування, монтаж й експлуатацію.
