Порядок выполнения работы. Предисловие
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), Nуд=f(L), N∑=f(L);
3. Определить для строительства ГЭС створ с наибольшим энергетическим потенциалом.
Основные сведения
При оценке гидроэнергетического потенциала рек принято различать:
ü Теоретический потенциал (потенциальные энергетические ресурсы реки) – это суммарный энергетический потенциал речного стока.
ü Технический потенциал – часть теоретического потенциала, которая на современном уровне развития науки и техники может быть использована с помощью строительства гидроэлектростанций.
ü 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 L1-2 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 | |||||||||
Волга | Z, м | 138,4 | 132,5 | 130,1 | 123,7 | |||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Лена | Z, м | 239,4 | 233,5 | 227,6 | 221,6 | |||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Ангара | Z, м | |||||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Енисей | Z, м | |||||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Волга | Z, м | 92,5 | 83,3 | 80,5 | ||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Лена | Z, м | 189,4 | 165,3 | |||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Ангара | Z, м | 277,5 | ||||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Енисей | Z, м | |||||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Волга | Z, м | 70,6 | 69,1 | 66,9 | 65,8 | 62,3 | ||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Лена | Z, м | 126,4 | 121,5 | 117,4 | 115,6 | |||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Ангара | Z, м | |||||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Енисей | Z, м | |||||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Волга | Z, м | 57,2 | 53,9 | 52,4 | 51,8 | 50,3 | 49,1 | |||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Лена | Z, м | 94,3 | 85,8 | 81,2 | 78,3 | 74,5 | ||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Ангара | Z, м | |||||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Енисей | Z, м | 69,5 | 69,2 | 68,8 | 68,4 | |||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Волга | Z, м | 35,2 | 31,3 | |||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Лена | Z, м | 57,2 | 53,7 | 52,1 | 49,7 | 47,2 | 45,3 | 42,4 | 41,2 | |||
Q, м3/с | ||||||||||||
Ангара | Z, м | 106,5 | 101,5 | |||||||||
Q, м3/с | ||||||||||||
Енисей | Z, м | 36,8 | 36,5 | 35,5 | 35,2 | 34,8 | 34,5 | |||||
Q, м3/с |
Длины участков:
Номер участка | 1-2 | 2-3 | 3-4 | 4-5 | 5-6 | 6-7 | 7-8 | 8-9 | 9-10 | ||
Волга | L, км | ||||||||||
Лена | |||||||||||
Ангара | |||||||||||
Енисей | |||||||||||
Волга | |||||||||||
Лена | |||||||||||
Ангара | |||||||||||
Енисей | |||||||||||
Волга | |||||||||||
Лена | |||||||||||
Ангара | |||||||||||
Енисей | |||||||||||
Волга | |||||||||||
Лена | |||||||||||
Ангара | |||||||||||
Енисей | |||||||||||
Волга | |||||||||||
Лена | |||||||||||
Ангара | |||||||||||
Енисей |
Порядок выполнения работы
1. Пользуясь доступными источники и справочной литературой собрать информацию о гидрологических и гидрографических характеристиках реки;
2. Рассчитать напор на каждом участке реки с помощью формулы (1.2);
3. Рассчитать среднее значение расхода для каждого участка с помощью формулы (1.4);
4. Рассчитать значение мощности потока на каждом участке с помощью формулы (1.7);
5. Определить удельную мощность на участках с помощью формулы (1.8);
6. Результаты расчетов свести в таблицу 1.1
Таблица 1.1
Параметр | Номер створа | |||||||||
Z, м | 138,4 | 132,5 | 130,1 | 123,7 | ||||||
Q, м3/с | ||||||||||
Номер участка | ||||||||||
1-2 | 2-3 | 3-4 | 4-5 | 5-6 | 6-7 | 7-8 | 8-9 | 9-10 | ||
L, км | ||||||||||
Н, м | ||||||||||
Qуч, м3/с | ||||||||||
N, кВт | ||||||||||
Nуд, кВт | ||||||||||
SN, кВт | ||||||||||
Э, кВт*ч |
7. Построить кадастровый график, т.е. графическое представление гидроэнергетических ресурсов реки Z=f(L), Q=f(L), Nуд=f(L), N∑=f(L) (рис. 1.2);
Рис. 1.2 Кадастровый график потенциальных энергоресурсов реки
8. На основе всей полученной информации сделать вывод о том, какой створ обладает наибольшим энергетическим потенциалом и какой створ наиболее целесообразно использовать для строительства ГЭС.
Задание №2
«Построение кривОЙ обеспеченности СТОКА в створе РЕКИ»
(2 часа)
Цель: Научиться по имеющимся гидрологическим данным строить кривую обеспеченности стока реки и определять по ней маловодный и средневодный года.
Задачи:
1. Построить на основе исходных данных кривую обеспеченности стока реки в заданном створе;
2. Определить по кривой гидрографы маловодного и средневодного года.
3. Сделать вывод о роли кривой обеспеченности в решении задач гидроэнергетики.
Основные сведения
В связи с климатическими и физико-географическими условиями речной сток подвержен значительным колебаниям, как в течение года, так и за ряд лет (внутри вековой, вековой циклы и т.д.). Некоторые из этих колебаний во времени и пространстве являются случайными и зависящими от столь большого числа переменных факторов, что учесть их в явном виде гидрология не в состоянии. Однако, большинство факторов, определяющих сток, имеют вероятностный характер. Это позволяет производить описание с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.
Одним из методов теории вероятностей, применяемых к исследованию гидрологических явлений, является кривая распределения или кривая обеспеченности, которая дает в общей форме характеристику распределения того или иного гидрологического элемента за период наблюдений (W, Q).
И что особенно важно, эта кривая при современном уровне гидрологических знаний является единственным основанием для суждения о вероятности появления в будущем гидрологического явления большого или меньшего по величине, чем любое заданное значение. Чем длиннее ряд, тем выше точность расчетов.
Кривая обеспеченности даёт возможность решить многие задачи гидроэнергетики такие как:
- расчёт максимальных и минимальных притоков;
- определение расчётной обеспеченности и гарантированной мощности проектируемой гидроэлектростанции;
- Определение установленной мощности ГЭС;
- разработка режимов регулирования стока водохранилищами;
- установление размеров водосбросных отверстий плотин;
- даёт возможность сравнивать различные реки по одинаковым показателям, что позволяет делать широкие гидрологические обобщения.
Наиболее важными являются второй и третий пункты. Остановимся на них подробнее.
Гарантированная мощность (Nгар) – мощность, которая точно будет получена в расчетных маловодных условиях.
Гарантированная мощность определяется на основе гидрографа маловодного года. К маловодным обычно относятся года с обеспеченностью от 0,85 до 0,96 %. Конкретный маловодный год выбирается из условия расчетной обеспеченности.
Расчетная обеспеченность (Pрасч) – это вероятность появления среднемноголетней величины расхода для маловодного года;
Установленная мощность ГЭС (Nуст)– электрическая номинальная мощность всех агрегатов.
Основным условием выбора установленной мощности ГЭС является достаточное количество энергоресурса (воды) в средневодный год (обычно выбирается год с P=50%). Рассматривать для выбора установленной мощности года с меньшей обеспеченностью расхода не целесообразно, поскольку мала вероятность притока достаточного количества воды и возможен простой оборудования. Выбор года с большей обеспеченностью не позволит в полной мере реализовать технический потенциал реки.
На рисунке 2.1 представлено, как распределяются года на кривой обеспеченности в зависимости от значения среднегодового расхода в ряде лет.
2.1 Кривая обеспеченности расхода в створе реки |
Исходные данные:
В качестве исходных данных для построения кривой обеспеченности берется ряд гидрологических наблюдений (приложение 1) створе реки, состоящий из гидрографов, расходы которых усреднены на месячном интервале (варианты задаются преподавателем).