Гидроэлектрические станции (ГЭС)

Чтобы использовать водную энергию, необходимо построить на данном участке реки гидросиловую установку, в которой водная энергия преобразовы-валась бы в механическую работу или электрическую энергию. В большинстве случаев в гидроустановке водная энергия превращается, в конечном счете, в электрическую энергию, поэтому такая установка называется гидроэлектриче-ской силовой установкой, или гидроэлектрической станцией (ГЭС).

Рисунок 1.5. Схема приплотинной ГЭС с расположением плотины

и здания станции в одном створе: 1 – здание станции; 2 – водосливная плотина; 3 – бетонная плотина

Для использования энергии данного участка реки необходимо искус-ственно сконцентрировать падение реки в одном каком-либо месте (створе), т. е. создать разность уровней воды, которую называют напором.

Разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов называется статиче-ским напором Н_СТ.

Гидроэлектростанции обладают следующими достоинствами:

1. Высокая эффективность использования гидроэнергии благодаря большим значениям КПД турбин и генераторов. Полный КПД гид-роагрегата превышает 90%.

2. Себестоимость вырабатываемой на ГЭС энергии в 5-10 раз меньше, чем на тепловых электростанциях.

3. Гидроагрегаты на ГЭС очень маневренны и могут быть поставлены под полную нагрузку в течение 1-2 мин.

4. Современные ГЭС – это полностью автоматизированные предприя-тия. На выработку энергии тратится в 15-20 раз меньше рабочей си-лы, чем на выработку того же количества электроэнергии на тепло-вых станциях.

5. Гидроэлектростанции более надежны в эксплуатации, чем тепловые станции, и обеспечивают высокую надежность снабжения электро-энергией всех потребителей.

6. При строительстве ГЭС решаются вопросы комплексного использо-вания рек для судоходства, орошения, водоснабжения и другие, ко-торые отдельно иногда решить не удается.

7. Гидроэлектростанции используют энергию рек, которая непрерывно

возобновляется.

Однако гидроэлектростанции обладают и рядом существенных недостат-ков.При заполнении водохранилищ происходит затопление больших площадейсельскохозяйственных земель, затопление железных дорог, линий электропере-дач, линий связи, автодорог, населенных пунктов и пр. Наличие значительной водной поверхности вызывает сильное испарение и изменение климата, которое не всегда бывает благоприятным.

Гидроэлектростанции классифицируются по мощности:

мелкие до 0,2 МВт;

малые до 2,0 МВт;

средние до 20 МВт;

крупные свыше 20 МВт

По напоруразличают:

низконапорные ГЭС (Н < 10м) с величиной напора до 10 метров; ГЭС среднего напора (10 < H < 100 м) от 10 до 100 м; высоконапорные свыше 100 м.

В таблице 1.1 приведены крупнейшие электростанции России. Суммарная мощность этих электростанций составляет 18% всей генерирующей мощности электростанций страны.

			Таблица 1.1
Крупнейшие электростанции
Название электрической	Мощность,	Число	Год пуска
станции	МВт	агрегатов
Саяно-Шушенская ГЭС
Красноярская ГЭС
Сургутская ГРЭС-2
Братская ГЭС
Ленинградская АЭС
Курская АЭС
Усть-Илимская ГЭС
Рефтинская ГРЭС
Костромская ГРЭС
Сургутская ГРЭС-1

Основным технико–экономическим показателем работы электрической станции является расход топлива на единицу отпущенной энергии. Для веде-ния экономических расчетов на единой базе введено понятие так называемого условного топлива. Теплотворная способность условного топлива принятаравной 29,35 МДж / кг (7000 ккал / кг), т.е. близкой к теплотворной способно-сти антрацита. В среднем по ТЭС удельный расход топлива на отпущенный кВт ч составляет 327 г условного топлива. Удельный расход условного топлива на отпуск 1 ГДж теплоты составил 41,32 кг.

Обобщенным показателем работы электростанции является себестои-мость энергии. Для электрической энергии она составляла 0,6 – 1 коп / кВт ч, тепловой (на ТЭЦ) – около 0,5 рубля за 1 гДж в ценах 1986 года.

Итак, специалист-энергетик должен уметь правильно оценивать энерге-тическую ситуацию и выбирать оптимальные пути энергоснабжения объек-тов. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энер-гию, может осуществляется путем транспорта нефти, газа и угля. Электриче-ская энергия может передаваться по линиям электропередач. Существует не-сколько критериев для выбора способа передачи энергии: удельная стои-мость энергии, географические условия, технические характеристики и влия-ние на окружающую среду.

Вопросы для самопроверки

1. Какие типы электрических станций вы знаете?

2. Назовите преимущества и недостатки, величину КПД различных типов элек-трических станций.

3. На каком принципе работают ТЭС, АЭС и ГЭС?

4. Назовите основные элементы ГЭС? Как они классифицируются по мощности и по напору?

5. Перечислите основные элементы паросиловой установки ТЭС, АЭС.

6. Что такое условное топливо? Для чего вводится это понятие?

Лекция 3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энер-гия топлива превращается в механическую энергию.

Существует несколько видов тепловых двигателей:

- паровая машина;

- двигатель внутреннего сгорания;

- паровая и газовая турбины;

- реактивный двигатель;

- холодильные и компрессорные машины.

Во всех этих двигателях энергия топлива переходит в энергию газа (или пара).Расширяясь, газ совершает работу и при этом охлаждается, часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Основные понятия и исходные положения термодинамики

Предметом термодинамики является изучение законов превращения тепловой энергии в энергию механическую.

Термодинамической системойназывается совокупность материальныхтел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Те-ла, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внеш-ней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями слу-жат стенки цилиндра и поршень.

Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой.

В общем случае система может обмениваться со средой и веществом, та-кая система называется открытой.Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах - примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые системы.

Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые при-нято называть термодинамическими параметрами.

Давлениеобусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверх-ностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности

тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической тео-рией давление газа определяется соотношением

где n - число молекул в единице объема; m - масса молекулы; С² - сред-няя квадратическая скорость поступательного движения молекул.

В системе СИ давление выражается в паскалях (1 Па = 1 H/м²). Поскольку эта единица мала, удобно использовать 1 кПа = 1000 Па и 1МПа = 10⁶ Па.

Температуройназывается физическая величина,характеризующая сте-пень нагретости тела. С точки зрения молекулярно-кинетических представле-ний температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергии моле-кул вещества:

где h - постоянная Больцмана, равная 1,38 10 ^-23 Дж/К.

Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (⁰С). Соотношение между абсолютной Т и стоградусной t температурами имеет вид

Т= t + 273,15.

Удельный объемv–это объем единицы массы вещества.Если однород-ное тело массой М занимает объем V, то по определению v = V / М.

В системе СИ единица удельного объема 1м³/кг. Между удельным объе-мом вещества и его плотностью существует соотношение v=1/ .

Изменение состояния термодинамической системы во времени называет-

ся термодинамическим процессом. Термодинамический цикл – это круговой процесс, осуществляемый термодинамической системой.

Термодинамический процесс называется равновесным, если все парамет-ры системы при его протекании меняются достаточно медленно. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равновесия с окружаю-щей средой, чем и определяется название процесса.