Гидроэнергетический установки

Гидроэнергетический установки

Литература:

· Волков, Веляев, Обрезков. «Энергетические установки электростанций», Энергоатомиздат, 1983 г.

· Непорожний, Обрезков «Введение в специальность гидроэлектроэнергетика»

· «Гидроэнергетика» под ред. Обрезкова, 1981 г.

Лекция 1. Энергетические системы.

Определение:

Электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, основное назначение которых является преобразование используемых источников энергии в электрическую энергию, т.е. выработка электрической энергии для снабжения ею промышлености, сельского хозяйства, коммунального хозяйства, транспорта и т.д.

Электростанции делятся по следующим признакам:

1. По виду используемых источников энергии:

a. ТЭС – станции, работающие на органическом топливе;

b. АЭС – станции, работающие на ядерном топливе;

c. ГЭУ – станции, использующие кинетическую и потенциальную энергию водотоков.
ГЭУ делятся на следующие виды:

i. ГЭС – гидроэлектростанции;

ii. ГАЭС – гидроаккумулирующие электростанции;

iii. ПЭС – Приливные электростанции;

iv. Волновые электростанции.

d. Электростанции, использующие нетрадиционные источники энергии.
Нетрадиционные источники энергии:

i. Возобновляемые:

1. СЭС (солнечные);

2. ВЭС (ветровые);

3. Электростанции, использующие энергию морей и океанов;

4. Электростанции на биотопливе;

5. Электростанции, использующие тепло земли.

ii. Невозобновляемые:

1. Топливные элементы;

2. Термоядерная энергетика;

3. Магнитогидродинамические генераторы (которые непосредственно превращают тепловую энергию в электрическую).

2. По виду вырабатываемой энергии:

a. Электростанции, вырабатывающие только электрическую энергию;

b. Электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (ТЭЦ).

3. По назначению электростанций:

a. Районные (ГРЭС);

b. Промышленные электростанции: электростанции, входящие в состав промышленных предприятий.

Определение:

Энергетическая система – совокупность электростанции, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом. Та часть энергосистемы, которая охватывает только электрические установки электростанций и электросетей, а также приемники (потребители) электроэнергии называется электроэнергетической системой.

Особенности энергетических систем:

1. Одновременный цикл производства, распределения и потребления электроэнергии;

2. Высокая степень автоматизации всех стадий электроэнергетического процесса;

3. Возможность использования всех видов энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь, торф и др.)

4. Разнообразный состав генерирующих источников;

5. Непрерывность функционирования системы при возможности отключения ее отдельных элементов.

6. Энергосистема динамична во времени и пространстве.

Бытовые графики нагрузки энергосистем

1. Продолжительность использования максимальной нагрузки
h_max=Э_год/P_max, час, до 8760 часов.

2. Коэффициент неравномерности годового графика нагрузки - определяется отношением минимального летнего максимума к максимальной нагрузке зимы:
, о.е.

 

Резерв энергии

Резерв энергии в энергосистемах предусматривается для компенсации сниженной выработки на электростанциях с ограниченными энергоресурсами.

ГЭС и ТЭС работают на определенном виде топлива.

1. В виде запаса воды в водохранилище

2. В виде запаса (органического) топлива на ТЭС

Баланс мощностей энергосистемы

Баланс мощностей энергосистемы сводится к тому, что в каждый момент времени генерация мощности всех электростанций должна равняться суммарной нагрузке потребителей плюс потери в сети.

SN_i(t)=SP_g(t)+St_m(t)

i – номер электростанции в системе

m – номер элемента распределительной сети

Мощность генерации электростанций энергосистемы для удовлетворения спроса потребителей называется рабочей мощностью.

N_раб ^макс ≤ N_уст – ВСЕГДА

N_уст ^мин = N_раб + N _рез ^сист

Обязательно соблюдения баланса мощностей между ГЭС и ТЭС. При уменьшении рабочей мощности ГЭС должна увеличиваться рабочая мощность ТЭС. Часть установленной мощности ГЭС, которая не может быть уменьшена без соответствующего увеличения установленной мощности ТЭС или АЭС называется вытесняющей мощностью.

N_вытесн ^ГЭС = N _раб ^{ГЭС макс} + N _рез ^ГЭС

 

В некоторых случаях, оправдываемых экономией, целесообразным является установка дополнительной мощности, которая называется дублирующей мощностью.

N_уст ^ГЭС = N _вытесн ^ГЭС + N_дубл ^ГЭС = N _раб ^{ГЭС макс} + N _рез. ^ГЭС + N_дубл ^ГЭС

N _рез. ^ГЭС = N _н.р. ^ГЭС + N _а.р. ^ГЭС

 

 

Баланс энергии системы составляют для сопоставимых размеров потребности энергосистемы в электроэнергии с возможным производством ее на электростанциях и получения из других энергосистем.

Э_сист = Э _тэс + Э _ГЭС ± Э_{переток}.

 

Аварийный резерв

Обеспечивает нормальное электроснабжение при выходе из работы элементов энергосистемы (котлоагрегаты ТЭС, турбины, генераторы, сети и т.д.).

Величина аварийного резерва зависит от следующих параметров:

1. Структура энергосистемы.

2. Единичные мощности агрегатов.

3. Аварийность агрегатов.

Под аварийностью агрегатов понимают вероятность его аварии, определяемой по отношению числа часов всего простоя ко всему календарному времени работы агрегата, т.е. без учета планового простоя.

g = h_авар/(h_авар + h_раб)

 

Ремонтный резерв:

1. Аварийный

2. Планопредупредительный

a. Текущий – ремонт производится в период снижения нагрузок и не требует полной разборки агрегата.

b. Капитальный – требует разборку агрегата. Продолжительность такого ремонта: на ГЭС – 0,5 месяца, на ТЭС: 0,5 мес. – для агрегатов с поперечными связями, 1 мес. – для блочных агрегатов.

Частота выхода в ремонт.

ГЭС – 1 раз в четыре года.

Паровые котлы - 1 раз в 2 года.

Турбогенераторы (ТЭС) – 1 раз в 2-3 года.

 

Лекция 5

Схемы концентрации напора

1. Плотинная

2. Деривационная

 

1. ГЭС приплотинного типа – это такие ГЭС, напор которых создается только плотиной.

Плотина – это гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток

H

Нижний и верхний бьеф – это часть реки примыкающая к плотине с низовой и верховой стороны соответственно.

2. Деривационная ГЭС – это ГЭС, напор которой создается деривацией.

Zвб

Zнб

H

I - I

I

I

Деривация – это искусственный водовод, выполненный в виде открытого канала, туннеля и трубопровода.

 

 

Состав сооружений:

1. Плотина

2. Водоприемник

3. Деривация

4. Здание ГЭС

5. Уравнительные резервуар

6. турбинный трубопровод

 

ГАЭС – это ГЭС, работающая на воде, перекачиваемой из нижнего бьефа в верхний, поэтому схема ГАЭС представляет собой деривационную схему с двумя бассейнами: нижним и верхним.

Принцип работы ГАЭС: в часы сниженной нагрузки в энергосистеме ГАЭС работает как насос, перекачивая воду из нижнего бассейна в верхний. В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает как ГЭС, т.е. как генерирующий источник.

Суточный график нагрузки.

 

КПД ГАЭС ~75%/

S1>S2 на 40 %

С точки зрения эксплуатации станция очень удобна.

 

Классификация плотин

По материалам:

1. Бетонные плотины

2. Железобетонные плотины

3. Грунтовые

a. Земляные

b. Каменно-набросные

c. Каменно-земляные

Бетонные и железобетонные плотины по конструктивным особенностям делятся на группы:

- Гравитационные – устойчивость обеспечивается их массой

 

-

План

ВБ

НБ

Арочные. Представляют собой свод, очерченные в плане в виде дуги и упирающийся своими концами в скальные берега, которые и воспринимают основную нагрузку.

 

Лекция 6

Контрфорсные плотины

ВБ

НБ

Банки жесткости

Контрфорсы

Контрфорсные плотины представляют собой конструкцию, в которой на железобетонные ребра укладываются железобетонные плиты.

 

Грунтовые плотины

ВБ

НБ

Земляные

 

1 – Экран

2 - Ядро

3 – Дренажная призма - делается из каменного наброса

4 – Берма - уступ для устойчивости нижний грани

 

Каменно-набросные плотины

К-н плотины отличаются от земляных тем, что них отсутствует ядро и дренажная призма

Потерны

Затвор

По назначению плотины делятся на глухие и водосбросные

 

Потерна — технологическое помещение, находящееся на нижней отметке здания ГЭС, обеспечивающее сбор и отвод протечек

 

Они должны обеспечить пропуск расхода, который приходит не чаще, чем раз в десять тысяч лет (P=0.01%).

 

Здание ГЭС

Типы зданий ГЭС и их основные элементы.

Здание ГЭС представляет собой гидротехническое сооружение, в котором с помощью гидросилового, электрического, гидромеханического, вспомогательного оборудования, систем управления механическая энергия воды преобразуется в электроэнергию, передаваемую в энергосистему потребителям. При этом должны быть обеспечены надежная работа, прочность и устойчивость здания ГЭС при действии внешних нагрузок (гидростатического и гидродинамического давления, фильтрационного давления, температурных, сейсмических воздействий и др.), а также нагрузок от работы технологического оборудования

В нем размещается

· основное оборудование ГЭС

o гидрогенераторы

o гидротурбины.

· Вспомогательное оборудование

o Системы технического водоснабжения

o системы пожаротушения,

o системы осушения спиральных камер и отсасывающих труб

o масленое хозяйство

o дренажные устройства

o контрольно-измерительная аппаратура

· Электрораспределительные устройства генераторного напряжения

· Собственные нужды

· Пульт управления ГЭС

· Административные помещения

· Бытовые помещения.

 

Типы зданий ГЭС:

1. Подземные (Усть-Хантайская ГЭС). Подземные здания ГЭС отличаются тем, что корпус здания находится ниже уровня земли. Так делают из-за климатических условий

2. Полуподземные (Вилюйская ГЭС)

Наземные – корпус здания ГЭС находится на земной поверхности

3.
Здание ГЭС, совмещенное с водосбросом.

 

4. Здание ГЭС, не совмещенное с водосбросом.

5. Здания ГЭС закрытого типа (с высоким машинным залом)

6. Полуоткрытого типа (с низким машинным залом). В этом случае отсутствует крыша, агрегаты прикрываются колпаками. Наружный козловой кран и внутренний мостовой кран грузоподъемностью 30-80 т. Строится в средних и южных широтах.

7. Открытого типа – отсутствует машинный зал. Здание ГЭС открытого типа располагается ниже плотины, вода подводится к турбинам по одному или нескольким напорным туннелям

Общими элементами для всех видов зданию ГЭС являются

1. Монтажная площадка с кранами

2. Подъездные пути к зданию ГЭС

Делаются на одних и тех же объектах.

 

Затворы.

Они служат для сброса возможных излишков воды из водохранилищ в нижний бьеф гидроузла, а так же сброса льда, наносов и плотов.

Затворы бывают поверхностными и глубинными. Поверхностные затворы закрывают водосливы и водоприемные отверстия, куда вода попадает из поверхностных слоев водохранилища. Глубинные затворы служат для закрытия глубинных или донных отверстий, расположенных ниже уровня УМО.

 

По конструкции затворы бывают:

1. Скользкие

2. Катковые

3. Колесные

 

Конструкции затворов зависят от назначения затворов и параметров (размеров) перекрываемых отверстий.

1. Плоские затворы (щиты).

В основном поверхностные затворы.

Плоский щит

Паз бычков (устоев)

Плоский затвор — конструкция с плоской обшивкой с напорной стороны, снабженная на концах колесными, Катковыми или скользящими опорами, перемещающимися в пазах быков (устоев) в вертикальном направлении.

 

2. Шандоры (шандорные затворы) – временные ремонтные затворы.

Шандоры — деревянные, стальные или железобетонные балки, укладываемые в пазах быков (устоев) одна на другую горизонтально и образующие, т. о., вертикальную шандорную стенку. Применяются обычна в качестве ремонтно-аварийных и строит, затворов.

3. Сегментные затворы

Представляет собой изогнутый щит, который может вращаться вокруг некоторой оси. Путем поворота он перекрывает водоток.

Сегментные затворы могут быть глубинными и поверхностными.

4. Игольчатые затворы (гидравлич. действия) — неподвижное тело, внутри которого может поступательно перемещаться поршень, закрывающий отверстие своим криволинейным коническим концом. Вода движется в кольцевом пространстве между затвором и кожухом. Для открытия и закрытия отверстия вода верхнего бьефа впускается в одну или в др. полость между неподвижной и подвижной частями затвора. Специальные приспособления позволяют останавливать затвор в любом промежуточном положении с заданной величиной открытия отверстия. Игольчатые затворы обладают отличными эксплуатационными качествами, но сложны и дороги. Их применяют чаще всего на низовой стороне водоспуска с выбросом струи воды в воздух, при напорах до 800 м диаметр их достигает 8,5 м.

(рисунок)

 

5. Шаровые затворы представляют собой один, чаще два коротких цилиндра, снабженных обшивкой на части окружности и вращающихся в кожухе с выемками, куда заходит часть цилиндра с обшивкой при полном открытии отверстия. Шаровые затворы характеризуются хорошей плотностью закрытия, быстротой и легкостью маневрирования; их применяют при напорах до 300 м диаметр цилиндров— 1—3 м

6. В дисковых затворах запирающий элемент, то есть затвор, имеет форму диска, который может перекрывать проход рабочей среде через кольцевое седло в корпусе путём поворота (как правило на 90°) затвора вокруг оси, перпендикулярной направлению потока среды, при этом ось вращения диска может являться его собственной осью (осевые дисковые затворы) или же не совпадать с осью (эксцентриковые дисковые затворы).

Реактивные турбины

Реактивные гидротурбины получили на ГЭС наибольшее распространение вследствие ряда достоинств. Они имеют высокий КПД, обладают относительно большим числом оборотов, могут использоваться для широкой шкалы напоров и мощностей, их конструкция хорошо компонуется со зданием ГЭС.

Конструкция реактивной гидротурбины (рис. 5.2) включает в себя: турбинную (спиральную) камеру 1, статор 2, направляющий аппарат 3, рабочее колесо 4 и отсасывающую трубу 5. Характерные особенности каждой из систем реактивных турбин заключаются, в основном, в особенностях конструкции их рабочих колес.

Рис. 5.2. Схема реактивной гидротурбины

 

Спиральная камера. Вода из верхнего бьефа поступает в турбинную камеру по трубопроводу. В ней происходит формирование осесимметричного потока воды, который затем проходит через направляющий аппарат турбины. При такой форме потока обеспечивается его равномерное распределение по окружности рабочего колеса и более эффективный отбор мощности. Вода, поступающая на рабочее колесо с любого направления, имеет равную скорость и начальную вихревую закрутку. Чаще всего турбинная камера выполняется в виде спирали и имеет название спиральной камеры. На ГЭС с напором, превышающим 50-60 м, применяются стальные спиральные камеры гидротурбины круглого сечения (см рисунок), охватывающие статор почти полностью («полная спираль»). На ГЭС с меньшим напором Спиральные камеры изготовляются из железобетона, угол охвата составляет около 225°, сечение имеет вид тавра. Спиральная камера гидротурбины в отличие от других турбинных камер (например, открытых) позволяют вынести значительную часть механизмов гидротурбины в сухое помещение, что улучшает условия эксплуатации турбины.

Рис. 5.3. Статор турбины: 1, 2 - верхнее и нижнее кольца статора; 3 - колонны

 

Статор турбины (рис. 5.3) служит для передачи нагрузки от вращающихся частей агрегата, осевого усилия воды и конструкций здания электростанции над спиралью на фундамент ГЭС. Обычно статор выполняется в виде двух колец специальной формы, между которыми установлены металлические колонны. Число колонн, их расположение и форма определяются условиями необходимой прочности и обтекания

 

Рис. 5.4. Направляющий аппарат: 1 - регулирующее кольцо; 2, 5 - верхнее и нижнее кольца направляющего аппарата; 3 - рычаги; 4 - серьги; 6 - лопатки

Направляющий аппарат служит для подвода воды к рабочему колесу, регулирования расхода в соответствии с необходимой для генератора мощностью, закрытия доступа воды к рабочему колесу турбины при ее остановке и создания определенного направления (закрутки) потока. Конструкция направляющего аппарата (рис 5.4) состоит, в основном, из двух опорных колец и подвижных лопаток обтекаемой формы, размещенных между этими кольцами. Лопатки с помощью регулирующего кольца могут одновременно поворачиваться вокруг собственных осей на определенный угол, образуя одинаковые просветы величиной а ₀, называемые открытием направляющего аппарата. Число подвижных лопаток зависит от размеров турбины и колеблется от 12 до 32.

На рабочем колесе происходит непосредственное преобразование энергии движущейся воды в механическую энергию вращения колеса. Для реактивных турбин характерны следующие признаки:

1) рабочее колесо располагается полностью в воде. Поток воды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса;

2) перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме. Остальная же часть энергии - в потенциальной форме, соответствующей, в основном, разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление и разность уровней потока на входе и выходе из рабочего колеса приводят к увеличению его относительной скорости и тем самым к созданию реактивного давления потока на лопасти турбины. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока;

3) 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.

Рассмотрим конструктивные особенности рабочих колес реактивных турбин различных систем.

Для конструкции радиально-осевых турбин (РО) (рис. 5.5) характерно то, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса - в осевом направлении. Рабочее колесо состоит из 9-21 лопастей сложной пространственной формы, неподвижно соединенных с верхним и нижним ободами. Радиально-осевые турбины исполь-зуются при напорах от 30 до 600 м.

Рис. 5.6. Рабочие колеса осевых турбин: а Радиально-освевой; б - пропеллерной; в - поворотно-лопастной; г – двухперовой; д - диагональной турбины

Радиально-осевые турбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса - в осевом направлении, и используются в довольно широком диапазоне напоров от 30 - 40м до 500 - 550м. Такой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки.

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружностям ступицы 1 (верх­ний обод) и нижнего обода 3 (рис. 8.6. а и 8.7.). Все три части объединены между собой и представляют одну жесткую конструкцию. Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. (За диаметр рабочего колеса принима­ется максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D1).

Пропеллерные турбины (ПР). Рабочее колесо такой турбины располагается в ка­мере ниже направляющего аппарата. Поэтому между направляющим аппаратом и рабочим колесом осуществляется нерабочий поворот потока. На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.

Число лопастей зависит от напора и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напора). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом ф = -10°; -5°; 0°; +5°; +10°; +15°; +20°, отсчитываемым от некоторого среднего положения (ф= 0)

Основным достоинством пропеллерных турбин является простота конструкции и сравнительно высокий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заклю­чающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД. Зона высоких зна­чений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает эффективность пропеллерных турбин при использовании их в сис­темах с дефицитом энергии. Однако это несущественно, если основным назначением ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т.е. при малом числе часов использо­вания установленной мощности ГЭС. Иногда на крупных ГЭС пропеллерные турбины ус­танавливаются совместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выполнению пово­ротно-лопастные турбины (за рубежом их называют турбины Каплана) отличаются от пропеллерных только тем, что у них лопасти рабочего колеса в процессе работы могут пово­рачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (рис. 5.6.,в).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД, при постоян­ном напоре, зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата, так и от угла по­ворота лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а, следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турбины будет иметь наибольшее значение. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким образом, что лопасти рабочего колеса на ходу турбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол ф (отсюда название поворотно-лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматическое поддержание высокого зна­чения КПД в широком диапазоне изменения мощности.

Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров от 3 - 5 до 35 -45м. В последнее время, стремясь использовать некоторые преимущества этих турбин перед радиально-осевыми предпринимаются успешные попытки применять их на напоры до 70 - 75м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178МВт) изготовлена в бывшем СССР и установлена на ГЭС Джердан на Дунае.

Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (d_вт / D₁) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу, что по­зволяет повысить пропускаемый турбиной расход. Двухперовые турбины не имеют широкого распространения.

Диагональные турбины (ПЛ - Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т.е. стремлением обеспечить возможность работы осевых тур­бин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми тур­бинами.

Отличие диагональных турбин от поворотно-лопастных заключается в конструк­ции рабочего колеса, которая представляет собой конусообразную втулку с расположен­ными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущими поворачиваться вокруг своих осей (рис. 5.6.д). При этом втулка рабочего колеса, несмотря на свои относительно большие размеры по сравнению с втулкой у пово­ротно-лопастных турбин не создает стеснения потока. Благодаря этому за рабочим колесом нет участка с резким расширением сечения, как в осевых турбинах, что в сочетании с другими особенностями диагональных турбин обеспечило им более высокие энергетиче­ские и кавитационные качества. Максимальное значение КПД диагональной турбины на 1,5 - 2,5% выше, чем осевой. Вместе с тем они сложнее по конструкции, чем осевые и радиально-осевые.

Диагональные турбины не имеют широкого распространения в России, они установлены лишь на Бухтарминской и Зейской ГЭС мощностью 75 и 200МВт, соответствен­но. Однако, как показывают исследования, они могут оказаться весьма эффективными в диапазоне напоров от 35 - 40м до 150 - 200м и особенно при больших колебаниях нагрузки.

Отсасывающая труба предназначена для отвода воды из рабочего колеса турбины в нижний бьеф, а также для повышения КПД гидротурбины за счет более полного использования энергии водного потока. Для турбин кинетическая энергия потока за рабочим колесом составляет от 1,5 до 50 % ее входной величины. При отсутствии отсасывающей трубы эта энергия теряется и общий КПД турбины, особенно быстроходной, мал.

 

Лекция 8
Приливные и волновые электростанции.

Помимо рассмотренных ранее электростанций, использующих энергию воды, существуют и другие электростанции, принцип действия которых основан на использовании гидравлической энергии. Это волновые и приливные электростанции. Вот отличии от ГЭС их работа основана на использовании не водного потока рек, а на эксплуатации колебаний водной поверхности морей и океанов.

Приливные электростанции

Периодические изменения уровня воды в морях и океанах, называемые приливами и отливами, происходят под действием сил притяжения в космической системе Земля — Луна — Солнце. Смена приливов и отливов наблюдается на большинстве морских побережий 4 раза в сутки. При этом амплитуда колебаний уровня моря достигает максимума (сизигия) при расположении Земли, Луны и Солнца на одной прямой, а минимума (квадратуры)—при их расположении в вершинах треугольника, образуемого этими космическими телами.

Наибольшая амплитуда колебаний этих уровней, т. е. разность их максимального значения при приливах к минимального при отливах, составляет в открытом океане около 2 м. У побережий, в узких проливах, заливах и устьях рек эта амплитуда возрастает, достигая наибольшего значения до 19,6 м в заливе Фанди на атлантическом побережье Канады. В Советском Союзе максимальные амплитуды приливов наблюдаются на побережье Охотского моря до 11 м, в Мезенском заливе—10 м и на Кольском побережье —до 7,4 м.

Station	Мощность, МВт	Выработка, млн. кВт.ч	Другое	Страна	Год ввода
(Сихвинская ПЭС) Sihwa Lake Tidal Power Station		550 (2165)	12,7 км	South Korea
ПЭС «Ля Ранс» (Rance Tidal Power Station)		600 (2500)	0,8 км	France
ПЭС Аннаполис (Annapolis Royal Generating Station)		50 (2500)	19 метров перепад	Canada
Jiangxia Tidal Power Station	3.2			China
Кислогубская ПЭС	1.7			Russia
Uldolmok Tidal Power Station	1.5			South Korea
Strangford Lough SeaGen	1.2			United Kingdom

 

Так же, многие страны сейчас ведут проекты создания ПЭС значительно более высокой мощности. Самые крупные из них: Skerries Tidal Farm (Скерриз, Англия) мощностью 10,5 ГВт, Мезенская ПЭС мощностью 8 ГВт и Dalupiri Blue Energy Project мощностью 2200 МВт на Филлипинах.

Помимо этого, одно время существовал проект строительства ПЭС в Пенжинской губе Охотского моря. Это станция могла бы быть крупнейшей в мире. Площадь ее бассейна составляет 20530 км², а перепад уровней воды от 9 до 13 метров. Это соответствует 360−530 км³ воды, что в 20−30 раз превышает расход воды в устье крупнейшей реки Земли Амазонки.

Однако процесс создания ПЭС достаточно трудоемкий, хотя у ПЭС есть и ряд преимуществ перед традиционными ГЭС: достаточно низкая себестоимость электроэнергии (например, себестоимость одного кВт⋅ч ПЭС «Ля Ранс» приблизительно в 1,5 раза ниже обычной стоимости кВт·ч, произведенного на АЭС Франции (1,8 ¢⁄кВт·ч против 2,5)) и высокая степень прогнозируемости величины выдаваемой в сеть мощности.

Принцип работы ПЭС.

Графики изменения рассматриваемых уровней воды, называемые мареограммами, для суток имеют синусоидальный характер. Чередование максимальных и минимальных уровней моря происходит через каждые 6 ч 12 мни. Амплитуда суточных колебаний уровня моря не остается постоянной, а изменяется по дням, как это показано на рисунке, а также существенно зависит от времени года. Лунный месяц составляет 29.53 сут, что соответствует продолжительности времени между двумя полнолуниями или новолуниями.

Рассматриваемый подъем и спад уровнен сопровождаются изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.

Таким образом, преобразование энергии отливов и приливов в электрическую возможно путем строительства приливных электростанций (ПЭС).

Схема работы ПЭС заключается в следующем:

1. Суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения дамбы, включающей в себя здания станции и плотины. При этом образуется бассейн, куда во время прилива вода поступает из моря, а при отливе — обратно.

2. Разность уровней воды в море и бассейне обеспечивает работу гидротурбин. При выравнивании уровней воды в бассейне и море и сокращении напора ниже минимально необходимого для работы турбин значения они останавливаются до следующего восстановления напора во время прилива или отлива.

Для определения потенциальной мощности Nп, кВт, и годовой выработки энергии Эп, кВт.ч, отдельных створов, в которых возможно сооружение ПЭС, рекомендуются следующие формулы:

где А — среднегодовая амплитуда прилива, м; F— площадь бассейна, км2.

Технический потенциал ПЭС оценивается в 33% потенциальной энергии, так как значительная ее часть не может быть использована вследствие снижения напора и других потерь энергии.

Схемы и режимы работы ПЭС.

1. Однобассейновая схема

1.1. Одностороннего действия

1.2. Двустороннего действия

2. Многобассейновая схема.

 

В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной (рисунок). Режим, или цикл, ПЭС одностороннего действия заключается в следующем. После заполнения во время прилива бассейна, куда вода поступает через специальные отверстия в здании ПЭС, эти отверстия закрываются затворами. Через некоторое время, когда уровень моря снижается в результате начавшегося отлива, начинают работать турбины, пропуская воду в море из бассейна и срабатывая его вместимость. Когда напор становится ниже минимального, при котором могут работать турбины, они отключаются и после достижения необходимого напора для работы турбин цикл повторяется.

Эта схема проста, не требует глубокой сработки резервуара, что важно при наличии мелководных бассейнов, по которым осуществляется судоходство, но степень использования потенциальной энергии оценивается всего лишь в 22%.

При режиме двустороннего действия турбин компоновка сооружений аналогична предыдущей схеме, а цикл работы следующий (рисунок). После начала прилива затворы отключают бассейн от моря, в результате чего между обеими акваториями образуется перепад, достаточный для работы турбин, последние включаются и наполняют бассейн. После начала отлива, когда перепад уровней и напор турбин снова становятся недостаточным для их работы, турбины отключаются и открываются водопроводящие отверстия для наполнения бассейна. Это продолжается до момента выравнивания уровней в море и бассейне, после чего закрываются отверстия, и станция отключается до образования требуемого перепада для работы турбин при опорожнении бассейна. Далее цикл повторяется.

 

Использование двусторонней схемы увеличивает степень использования потенциальной энергии до 34 %. Чтобы еще сильнее увеличить эту степень, можно установить турбины. Способные работать на малых напорах.

Периодическое несовпадение во времени прохождения максимума нагрузки и выработки энергии ПЭС с однобассейновой схемой затрудняет использование приливной энергии. Поэтому предложены схемы ПЭС с двумя и тремя бассейнами, которые дают возможность получать энергию непрерывно с небольшими колебаниями мощности в течение суток.

Рассмотрим двухбассейновую схему:

1. – ПЭС

2. – разделительная плотина

3. – водопропускная плотина

4. – глухая плотина

Работа ПЭС осуществляется следующим образом (рисунок). В момент а верхний бассейн заполнен до наибольшего уровня прилива и отключен от моря путем закрытия водопропускных отверстий в глухой плотине. Вода через ПЭС срабатывается в нижний бассейн, который также отключен от моря затворами в водопропускной плотине. В момент b, когда поднявшийся уровень нижнего бассейна выравнивается с уровнем моря, отверстия в водопропускной плотине открываются, уровень нижнего бассейна следует за снижающимся уровнем отлива и ПЭС работает на разности уровней между верхним бассейном и морем. При минимальном уровне отлива в момент с нижний бассейн снова отключается от моря и наполняется из верхнего до <