Напор, расход и мощность гидроэнергетических установок

А. НАПОР

Геометрический или статический напор равен разности отметок уровнем верхнего ▼ ВБ и нижнего ▼ НБ бьефов. Применительно к дан­ным рис. 2-1 статический напор

Н_о=▼ВБ-▼НБ=121,38-102,03=19,35м (2-1)

В водноэнергстических расчетах напор ГЭС считается равным

Н≈Н_о-h_В-С=▼ВБ-▼НБ-h_В-С (2-2)

где h_В-С-- потери напора при движении води от водозабора (сечение В-В) до турбинной камеры (сечение С—С), которые состоят из

потери) напора на вход в турбинный водовод, па преодоление сопротив­ления сороудерживающих решеток, на трение воды о стенки водовода и т. п. (рис. 2-2). Все эти потери составляют 2-5 % от напора Н_о.

В расчетах, требующих высокой точности, например, при определении коэффициента полезного действия (КПД) турбины, учитывается также кинетическая энергия потока. На рис. 2-2 показано определение напоров для ГЭС.

Полным напор определяется по разности удельных энергии потока воды во входном сечении В--В и в конечном сечении К--К.

Удельную энергию и джоулях на один килограмм массы жидкости обозначим через Э, а на один ньютон веса — через Е--Эg. Численное значение Е выражается в Дж/Н и измеряется в метрах.

Полный напор называется напором брутто H_G или, точнее, напором гидротурбинного блока. Напор H_G в метрах численно равен разности отнесенных к единице веса удельных энергий потока в рассматриваемых сечениях.

Удельная энергия потока воды Е, Дж/Н, в каждом сечении

где Z— высота расположения центра тяжести данного живого сечения потока над плоскостью сравнении, О — О, м; р— избыточное давление, Па; γ — вес единицы объема воды, Н/м²; ρ/γ—пьезометрическая высота равная глубине погружений центра тя­жести данного живого сечении под уровень воды м; v — средняя скорость течения воды в данном живом сечении м/с; α - коэффициент, равный отношению кинетической энергии потока при действительном распределении скорости по сечению к кинетической энергии потока, подсчитанной по средней скорости v.

При отнесении удельной энергии к единице веса воды: Z – удельная потенциальная энергия положения; ρ/γ – удельная потенциальная энергия давления и αν²/2g – удельная кинетическая энергия.

Рабочим напором турбины (точнее турбинной установки, включающей турбинную камеру, рабочее колесо турбины и отсасывающую трубу) принято считать разность удельных энергий потоки во входном сечении С — С в турбинную камеру и в конечном сечении К — К с наивысшей отметкой нижнего бьефа Н =» Е_С — Е_к.

Сумма 7+ ρ/γ дает отметку уровня воды. Скорость воды перед водоприемником обычно невелика. Если пренебречь ею, то, относя энергию (2-3) к соответствующему сечению, можно написать

▼B-▼K-h_B-C-α_Kν²_K/(2g) (2.4)

Для насоса, пренебрегая разностью кинетической энергии в сечениях К-К и В-В получим

H_n=E_B-E_K+h_C-B≈H_o+h_C-B=▼B-▼K+h_C-B (2-5)

Более подробно см. гл 9.

Для обратимои гидравлической машины (насосо-турбины) напор насоса будет больше напора турбины на h_C-B + h_B-C где h_C-B — потери в водоводе от сечения В — В до сечения С— С в насосном режиме, a h_B-C — в турбинном режиме.

На построенных гидроэнергетических установках напор составляет от 2 до 1767 м. Наибольший напор турбин 1767 м и нacocoв I070 м имеет ГЭУ Рейссек (Австрия).

Б. РАСХОД ВОДЫ.

Расход поды Q n м³/c, используемый ГЭС для выработки электри­ческом энергии, зависит от притока воды к водохранилищу или верхнему бьефу ГЭС. от наличия запасов воды в водохранилище и от по­требности энергетической системы в данный момент в электрической энергии. При комплексном использовании водных ресурсов расход ГЭС зависит также от объема воды из верхнего бьефа на орошение, водоснабжение, шлюзование судов и от режима водопотребления из ниж­него бьефа ГЭС. Максимальным расход, используемый ГЭС, равен пропускной способности всех ее турбин при расчетном напоре. Наи­большую пропускную способность имеют турбины Волжской ГЭС име­ни XXII съезда КПСС Каждая турбина этой ГЭС при расчетном на­поре 19 м протекает по 675 м³/с. Все 22 турбины этой ГЭС потреб­ляют около 15 тыс. м³/с. Максимальный расход воды, перекачиваемой НС пли ГАЭС, равен подаче всех се насосов при минимальном напоре и работе электрических двигателей с полной мощностью. Pacход воды НС и ГАЭС в данный момент времени определяется потребностью в воде и условиями электроснабжения.

В МОЩНОСТЬ,ЭНЕРГИЯ.

Мощностью N называется работа, производимая в единицу време­ни. Если напор составляет Н, м, расход воды равен Q, м³/с, то работа, которую может совершить вода в 1 секунду, т. е. потенциальная мощ­ность водотока в ваттах, равна

N_o = pgQH = γQH = 9810 QH.

где р — плотность воды, кг/м³; g — ускорение свободного падения тела, м/с².

В гидроэнергетике принято измерять мощность в киловаттах. При этом N_o = 9,81 QH.

Мощность на валу турбины равна N_T=N_oη_T или N_T=9,81 Hη_T (2-6)

где η_T — КПД турбины.

Значение КПД турбины зависит от ее конструкции, размеров и изменяется при изменении нагрузки. Для малых турбин, при диаметре рабочего колеса около 1 м, наибольший КПД составляет около 0,91; для крупных турбин диаметром 9—10 м КПД достигает 0,95—0,96. Электрическая мощность агрегата N_a на выводах генератора меньше мощности турбины на величину потерь в генераторе

N_a=N_Tη_ген=9,81 QHη_a (2-7)

где η_ген — КПД генератора; η_а = η_Тη_ген —КПД агрегата.

Для генераторов мощностью 5 МВт КПД равен 0,95—0,96. Для уникальных генераторов мощностью 500 МВт и более КПД превосхо­дит 0,98. Обозначая а = 9,81т]_а, получим формулу для приближенных расчетов

N_a=aQH (2-8)

Учитывая снижение КПД турбины и генератора при отклонении нагрузки от оптимальной, принимают а для сверхмощных агрегатов в пределах 8,8—9,1, для крупных агрегатов — 8,4—8,7 и для небольших агрегатов 8,0—8,2. Для насосных агрегатов и при работе обратимой гидромашины (насосо-турбины) в насосном режиме мощность, потреб­ляемая электродвигателем, равна

где H_H— напор насоса; η_И — КПД насоса; η_Д — КПД двигателя. Наи­большее значение КПД насосо-турбин при работе в насосном режиме составляет 0,925—0,93, а КПД сверхмощных электродвигателей превос­ходит 0,98. Для насосных агрегатов средней мощности т1„ = 0,89—0,90, т]_л = 0,95—0,97, что дает приближенно N_H=H,3 QH, кВт. При отклоне­нии от оптимальной нагрузки КПД насосов резко снижается.

Энергия Э выражается произведением: Э = Nt, где N — мощность, Вт, t — время в секундах или часах. В системе СИ электрическая энер­гия измеряется в джоулях и их производных, причем 1 Дж=1 Н-м = = 1 Вт-с.

В энергетике наибольшее распространение получило измерение энергии в киловатт-часах (кВт-ч). Из определений, явствует, что 1 кВт-4 = 3600 кДж.

Объем воды V, м³ при напоре Н, м дает количество энергии в ки­лоджоулях Э = 9,81 VHη_a или в киловатт-часах

(2-10)

Если V — объем годового стока реки, используемого ГЭС, а H — ее средний напор, то Э дает годовую выработку энергии ГЭС. Если V — объем воды, запасенной в водохранилище, который может быть использован при напоре Н, то Э выражает запас энергии воды водо­хранилища или энергетический эквивалент этого объема. Если V—го­довой объем водоподачи НС, то

(2-11)

определяет годовое потребление НС в кВт-ч, без учета расхода энер­гии на собственные нужды.

Гидростанция при напоре Н и КПД η_а расходует на 1 кВт-ч выра­ботанной энергии объем воды q в м³, т. е.

(2 - 12)

Насосная станция на 1 м³ воды расходует энергию в кВт- ч

(2-13)