V elektrizační soustavě se vodní elektrárna obvykle používá k výrobě elektřiny, pokrytí křivky zatížení, zejména její špičkové části, regulaci frekvence elektrického proudu v soustavě jako rezerva a k výrobě jalového výkonu v režimu synchronní kompenzátor.
Režim provozu VE v elektrizační soustavě závisí na průtoku vody, spádu, objemu nádrže, potřebách elektrizační soustavy, omezeních proti proudu a po proudu.
Podle technických specifikací se jednotky HPP mohou rychle zapnout, získat zatížení a zastavit. Navíc k zapínání a vypínání jednotek, k regulaci zátěže může dojít automaticky při změně frekvence elektrického proudu v energetickém systému. Zapnutí zastavené jednotky a dosažení plného zatížení obvykle trvá pouze 1-2 minuty.
Výkon na hřídeli vodní turbíny (kW) je definován jako
kde t - průtok vody turbínou, m 3 / s;
H t - hlava turbíny, m;
η t je faktor účinnosti (COP) turbíny.
Hlava turbíny je:
kde ∇WB, ∇NB - značky hladiny vody na horním a dolním toku, v tomto pořadí, m;
H g - geometrický tlak;
∆h - tlaková ztráta v cestě přívodu vody, m
Ztráta tlaku je obvykle 2-5 % Ng Hodnota účinnosti hydroturbíny závisí na její konstrukci, rozměrech a provozních režimech. Účinnost moderních velkých hydraulických turbín může dosáhnout 0,95.
Elektrický výkon hydraulické jednotky N a na svorkách generátoru
(17.9)
kde η gen je účinnost hydrogenerátoru.
Typicky je účinnost hydrogenerátoru 0,9-0,98.
Výkon bloku VE je řízen změnou průtoku procházejícího vodní turbínou. Výkon HPP v i-tém okamžiku času se rovná:
(17.10)
kde gi, Hgi, ηgi - průtok HPP, výška HPP a účinnost HPP v i-tém časovém okamžiku.
Výroba vodní energie (kW h) za časové období T (h) je definována jako
(17.11)
Za výpočtové období T se považuje hodina, den, týden, měsíc, rok.
Roční výroba elektřiny z VE není konstantní hodnotou, ale mění se v závislosti na objemu odtoku vstupující do nádrže, stupni její regulace a provozních podmínkách VE. Při roční regulaci roční výroba elektřiny z VE zpravidla výrazně kolísá především z důvodu energetické účinnosti v období povodní.
Při dlouhodobé regulaci je nerovnoměrnost výroby elektřiny v průběhu let nepatrná.
Průměrná dlouhodobá výroba elektřiny je důležitou charakteristikou používanou při stanovení technicko-ekonomických ukazatelů VE.
Pro posouzení provozu VE v energetické soustavě se používá podmíněný počet hodin využití instalovaného výkonu v roce T y, což je poměr:
kde N y je instalovaný výkon VE;
d - průměrná roční produkce.
U špičkových VE T y ≤ 2000 h a u VE pracujících v semišpičkovém režimu se T y zvyšuje na 4000 h. Pokud je VE určena pro základní provoz, pak T y je obvykle 6000-6500 h. .
Provozního personálu ve vodní elektrárně je podstatně méně než v tepelné nebo jaderné elektrárně stejného výkonu.
Náklady na výrobu elektřiny ve vodních elektrárnách jsou obvykle 6-8x nižší než v tepelných elektrárnách nebo jaderných elektrárnách.
Obecný princip fungování vodní elektrárny zná snad každý. Voda, procházející z horního do dolního proudu, otáčí turbínovým kolem. Turbína pohání generátor, který vlastně vyrábí elektřinu. Nejzajímavější je ale v detailech.
Mimochodem, pro získání 1 kWh elektrické energie je potřeba spustit z výšky 27 m 14 tun vody.
Na rozdíl například od tepelných stanic, které jsou uspořádány zcela podobně, je každá vodní elektrárna uspořádána se svými vlastními charakteristikami. To znamená, že neexistuje jediný typ vodní elektrárny. Liší se průtokem a tlakem vody, objemem nádrže, podle geografických kritérií oblasti: klima, půda, reliéf, blízkost moře.
Zde je strojovna, docela obyčejná, až na to, že okna jsou umělá (s osvětlením): hala se nachází v hloubce 76 m uvnitř skály.
Jedná se o strojovnu první podzemní vodní elektrárny v SSSR, z povrchu země jsou k ní napojeny čtyři vodovodní potrubí o průměru 6 m.
K vytažení zařízení z haly, pokud je nutné jej vyměnit nebo opravit, byla ve skále vysekána mina:
Odpadní zařízení a brány
Ne vždy a ne všechna voda může být použita k výrobě energie: část se vypouští kolem vodní elektrárny. To může být nutné při jarních povodních (není-li rezervoár dlouhodobé regulace), při opravách jednotek, je-li nutné vypustit vodu, aby se rybí potěr pustil po proudu a z jiných důvodů. Na vodní elektrárně Belomorskaja jsou nečinným přelivem tři brány.
Otázka rezervace je velmi důležitá, protože pokud nebude hladina vody v nádrži včas snížena, bude to mít vážné důsledky. Pro zvedání a spouštění vrat jsou k dispozici portálové jeřáby a elektrické navijáky, nechybí ani ruční pohon.
Při zvednutí uzávěru dochází k nečinnému vypouštění vody pro odběr vody Belomorsky, který je umístěn po proudu.
Když je brána zamrzlá, používá se indukční ohřev: ohřev jedné brány vyžaduje 150 kW.
Ke stejnému účelu je možné využít probublávání - průchod vzduchu podél uzávěru z hloubky pomocí hadic systému stlačeného vzduchu.
K uhašení kinetické energie vody při vypouštění se používají různé metody: kolize proudů, stupně, studny. Například na Volkhovskaya HPP je vodní deska s tlumiči.
O rybách
Vodní elektrárna Nižnětulomskaja má speciální rybí průchod, který napodobuje horskou bystřinu, takže losos může jít proti proudu, aby se třel. Jeho konstrukce počítá s kameny na dně, klikatými průchody a místy pro odpočinek ryb.
V období tření je vodní agregát nejblíže rybímu přechodu vypnutý, aby jeho hluk nebránil rybám najít proud a plavat správným směrem.
Bezpečnost
V důsledku havarijního průlomu vody může zůstat vodní elektrárna bez elektřiny i pro vlastní potřebu, proto jsou zajištěny záložní zdroje: baterie, nouzové dieselové generátory.
Další součástí zabezpečovacího systému jsou provzdušňovací trubky, které jsou např. v horní části vodovodního potrubí VE Kondopoga.
Provzdušňovací potrubí se montuje tak, aby chránilo vodovodní potrubí, když se v nich vytvoří hluboké vakuum, ze kterého mohou prasknout jejich ocelové stěny. K tomuto podtlaku dochází v situaci náhlého vyprázdnění potrubí po uzavření horních vrátek. Provzdušňovacími trubicemi jsou naplněny vzduchem, který zabraňuje deformaci.
Zbytky vodovodu z 30. let 20. století ze dřeva.
Ochranná stěna (uprostřed rámu) je zajištěna pro případ, že by se potrubí prorazilo.
Stěna přesměruje vodní tok tak, aby obcházel stanici z levé strany, nikoli přes administrativní budovu, a šel po proudu podél výkopu.
Kontrola a řízení
Na další fotografii je vidět turbína, generátor a hřídel, která je spojuje. Vlevo vidíte schéma hydraulické jednotky, na které jsou zobrazeny hydromanometry, které ukazují tlak v mazacím systému.
Níže - hydraulické pohony vodicí lopatky.
Ve strojovně můžete sledovat další parametry: stavy vody v bazénech, teploty vzduchu a vody.
mnemotechnická pomůcka
Tato hydraulická jednotka nefunguje. Výkon a frekvence otáčení rotoru jsou rovny nule, rozváděcí lopatka je uzavřena.
Voda ze spirálové komory turbíny je odebírána zespodu a přiváděna do chladičů generátoru (chladič je uprostřed schématu, je červený, chladiče A a B), jakož i k mazání axiálního ložiska, horní ( VGP) a spodní (LGP) ložiska generátoru. Ložiska jsou mazána vodou, ohřátá voda se posílá do továrny na ryby. Vpravo - červená olejová nádrž - odkazuje na hydraulický řídicí systém vodicí lopatky. Také zde můžete vidět hladiny a průtoky a tlaky všech kapalin.
Vibrace
Vibrace jsou velmi nebezpečné: například ve stanici Sayano-Shushenskaya byla hydroelektrárna zničena právě kvůli nim. Přesněji v důsledku únavového selhání upevňovacích čepů krytu turbíny v důsledku vibrací, ke kterým docházelo při průchodu hydraulické jednotky oblastí „zakázané zóny“.
Na centrálním ovládacím panelu HPP vidíte, kde se tato „zakázaná zóna“ nachází.
Vodní jednotky G1, G3, G4 fungují. G2 - zastaveno. Černé pozadí ukazuje výkon generovaný generátory 38,1/38/38 MW, resp. Červené sloupce G3 a G4 značí plnou kapacitu, G1 má ještě rezervu. Červená zóna za mřížemi je výkonový rozsah, při kterém je provoz hydraulické jednotky nežádoucí, musí být rychle překročen při spouštění a odstavování.
Již před vstupem do objektu zjistíte, která hydroelektrárna nefunguje.
Když jsou protizávaží zvednuta, znamená to, že jsou spuštěna šoupátka na příslušných potrubích turbíny. Dálkové ovládání je aktivně implementováno. Dispečer přitom musí mít pod kontrolou a zohledňovat vzájemné ovlivňování VE v kaskádě, hodnoty vodních stavů v nádržích, potřeby odběratelů elektřiny a vody. Na základě těchto informací probíhá distribuce výroby elektřiny mezi stanicemi.
Lidé se již dávno naučili využívat energii vody k otáčení oběžných kol mlýnů, obráběcích strojů a pil. Postupně však podíl vodní energie na celkovém množství energie spotřebované člověkem klesá. To je způsobeno omezenou schopností přenášet vodní energii na velké vzdálenosti. S příchodem elektrické turbíny poháněné vodou má vodní energie novou perspektivu.
Vodní elektrárna je komplex různých konstrukcí a zařízení, jejichž použití umožňuje přeměnit vodní energii na elektřinu. Hydraulické konstrukce zajišťují potřebnou koncentraci proudění vody a další procesy se provádějí pomocí vhodného zařízení.
Vodní elektrárny se staví na řekách, staví přehrady a nádrže. Velký význam pro efektivitu stanice má výběr umístění. Nutné jsou dva faktory: zaručený přísun vody po celý rok a co největší spád řeky. Vodní elektrárny se dělí na přehradní (požadovaná hladina řeky je zajištěna stavbou přehrady) a svodné (voda je svedena z koryta řeky do místa s velkým výškovým rozdílem).
Také umístění zařízení stanice se může lišit. Nádražní budova může být například součástí vodních staveb (tzv. průtočné stanice) nebo se nacházet za hrází (přehradní stanice).
Definice vodní elektrárny
Vodní elektrárna (VVE) je elektrárna, která jako zdroj energie využívá energii vodního proudu. Vodní elektrárny se obvykle staví na řekách výstavbou přehrad a nádrží.
Pro efektivní výrobu elektřiny ve vodních elektrárnách jsou nutné dva hlavní faktory: zaručená dodávka vody po celý rok a možné velké spády řeky, upřednostňující vodní stavby kaňonovité topografie.
Technologie
Práce vodních elektráren je založena na využití kinetické energie padající vody. K přeměně této energie se používá turbína a generátor. Nejprve tato zařízení generují mechanickou energii a poté elektřinu. Turbíny a generátory mohou být instalovány přímo v přehradě nebo v její blízkosti. V některých případech se používá potrubí, kterým je voda pod tlakem přiváděna pod hladinu hráze nebo do odběru vody vodní elektrárny.
Ukazatele kapacity vodní energie jsou dvě proměnné: průtok vody, který se měří v metrech krychlových a hydrostatický spád. Posledním ukazatelem je výškový rozdíl mezi počátečním a koncovým bodem pádu vody. Návrh závodu může být založen na jedné nebo obou těchto metrikách.
Moderní technologie pro výrobu vodní energie umožňují získat poměrně vysokou účinnost. Někdy je dvakrát vyšší než u běžných tepelných elektráren. V mnoha ohledech je tato účinnost zajištěna vlastnostmi zařízení vodních elektráren. Je velmi spolehlivý a snadno se používá.
Veškeré použité vybavení má navíc ještě jednu důležitou výhodu. Jedná se o dlouhou životnost, která se vysvětluje nepřítomností tepla ve výrobním procesu. A opravdu často nemusíte měnit vybavení, k poruchám dochází velmi zřídka. Minimální životnost elektráren je asi padesát let. A na území bývalého Sovětského svazu úspěšně fungují stanice postavené ve dvacátých nebo třicátých letech minulého století. Vodní elektrárny jsou řízeny prostřednictvím centrálního uzlu a v důsledku toho tam ve většině případů pracuje málo lidí.
Vyhlídka na nedostatek a vysoké náklady na minerální energii nutí věnovat více pozornosti obnovitelným zdrojům energie. Vodní energie je zdaleka nejúčinnější. Moderní vodní elektrárny jej akumulují a přeměňují na elektřinu, přičemž poskytují nízké náklady na kilowatt a vysoký výkon.
Principem činnosti vodní elektrárny je využití síly padající vody k otáčení hřídele elektrického generátoru. Tlak vody je přiváděn na lopatky turbíny, která roztáčí rotor. Elektrický proud z generátoru je dodáván do transformátorů, vyrovnán, přenášen do distribučních stanic a odtud - přes elektrické vedení ke konečnému spotřebiteli. Výroba energie přímo závisí na tlaku vody ve vodní elektrárně, počtu a typu instalovaných turbín.
Přirozené převýšení na řekách, které by zajistilo potřebný tlak, se v přírodě téměř nikdy nenachází. Nejtěžším úkolem při konstrukci konstrukce je proto konstrukce tlakových konstrukcí. V závislosti na typu jsou vodní elektrárny klasifikovány:
Přečerpávací elektrárny se staví v případě potřeby, aby kompenzovaly prudký nárůst spotřeby energie ve špičce. Přítomnost hydraulického akumulátoru umožňuje v určitých okamžicích dosáhnout maximální účinnosti, a když to není potřeba, přepnout stanici do režimu čerpadla a akumulace vody. Pracuje přitom z vlastní elektřiny, získané v režimu generátoru.
Vlastnosti konstrukce a provozu
Volba určité úpravy VN je dána vlastnostmi terénu a odhadovanou účinností toku řeky. Obecné schéma všech typů nutně zahrnuje roštové rošty na vstupech, velitelské a řídicí centrum, platformu pro obsluhu elektrických zařízení a transformátory, které převádějí vyrobenou elektřinu na 220 V nebo jiný požadovaný napěťový standard.
Pro konstrukci hydrocentrály se používají běžné unifikované prvky. Veškeré vybavení je odolné proti opotřebení, má dlouhou životnost a minimální nároky na údržbu. Obecně je ale zařízení každé stanice jedinečné. Návrh vázaný na konkrétní geografickou oblast nelze opakovat, stejně jako nelze najít dvě řeky, které by byly shodné z hlediska podmínek povodí.
Když jsme zjistili, jak vodní elektrárna funguje, můžeme formulovat její výhody oproti tepelným elektrárnám a jaderným elektrárnám:
- voda je obnovitelný a čistý zdroj energie;
- vysoká účinnost;
- žádné náklady na palivo;
- snížení nákladů na údržbu a personál;
- nízké riziko nehod.
Důvodem, proč výroba elektřiny z vodních elektráren tvoří jen asi 20 % světové výroby elektřiny, je nevratný dopad na ekosystém podél celého koryta a zavlažování přilehlých oblastí. Velikost celého hydroelektrického komplexu včetně nádrže dosahuje stovek tisíc hektarů. Doposud neexistují spolehlivé metody pro komplexní posouzení rozsahu takového dopadu.
Technické nuance
VE dosahují své projektované kapacity rychleji než jiné elektrárny. Vzhledem k tomu, že přirozený tlak vody není konstantní, podávají konstrukce bez kompenzačních mechanismů různé výkony. Pro vodní elektrárny je zvykem brát jako hlavní charakteristiku instalovaný výkon všech jeho generátorů. V závislosti na tom existují:
- instalovaný výkon nad 1000 MW;
- od 100 do 1000 MW;
- od 10 do 100 MW;
- až 10 MW.
Podle výšky tlakového toku se HPP dělí na:
- vysokotlaká - nad 60 m;
- střední tlak - od 25 m;
- nízký tlak - od 3 do 25 m.
Volba typu turbíny závisí na síle proudění. Ve vysokotlakých vodních elektrárnách se používá lopatové, neponorné provedení. Voda je do ní přiváděna silným proudem z trysek a tlačí kbelíky. Při nižším tlaku se používají radiálně-axiální nebo rotační lamelová zařízení. Jsou zcela ponořeny v nádobě s vodou, mají jiný sklon os, strukturu a počet lopatek, díky své konstrukci se roztáčejí s malým silovým tokem. Komory pro turbíny jsou ocelové nebo železobetonové. Stavba s elektrickým zařízením může být umístěna přímo uvnitř hráze, vedle ní nebo v případě odklonného typu daleko od vodního zdroje. Hydroelektrická zařízení zahrnují zdymadla lodí, rybí přechody, přelivy, odbočky zavlažování za předpokladu, že takové doplnění je nezbytné pro zachování stávající dopravy, zemědělství nebo ekosystému v záplavové oblasti.
Vodní elektrárna je na první pohled docela jednoduchá věc – teče voda, točí se generátor, vyrábí se elektřina. Ve skutečnosti je moderní vodní elektrárna systémem s velmi složitým vybavením a tisíci senzorů, řízenými počítači.
Dnes budu mluvit o tom, co málokdo ví o vodních elektrárnách.
Nyní jsem na staveništi Ust-Srednekanskaya HPP, která se nachází 400 kilometrů od Magadanu. O vodní elektrárně a stavbě vám povím více, ale dnes vám řeknu pár zajímavostí.
1. HPP - snad jediné velké inženýrské zařízení, které začíná fungovat dlouho před dokončením stavby. V vodní elektrárně Usť-Srednekanskaya ještě není zcela postavena přehrada, není plně postavena turbínová hala a první dva ze čtyř vodních bloků již vyrábějí elektřinu.
2. Během výstavby vodní elektrárny pracují v jejích hydroelektrárnách provizorní oběžná kola, dimenzovaná na nízký tlak vody. Po dokončení hráze se zvýší spád a provizorní kola budou nahrazena stálými pro vysoký spád s jiným tvarem lopatky.
3. Přestože je výstavba vodních elektráren velmi nákladná, mnoho vodních elektráren se vyplatí ještě před dokončením. Mimochodem, Ust-Srednekanskaya HPP prodává elektřinu za 1,10 rublů za kWh.
4. Než se dostaneme k turbíně HPP, voda se víří pomocí obrovského ocelového šneka - spirálové komory. Nyní na VE Ust-Srednekanskaya se právě dokončuje instalace spirálové komory třetí energetické jednotky a podařilo se mi ji vidět a vyfotografovat. Po dokončení pohonné jednotky bude obří šnek v tloušťce betonu.
Abyste pochopili rozměry konstrukce, věnujte pozornost pracovníkům zapojeným do instalace spirální komory.
5. Oběžné kolo hydraulické jednotky se vždy otáčí stejnou rychlostí a poskytuje stabilní frekvenci 50 hertzů. Vždy mi bylo záhadou, jak se udržuje stabilní rychlost otáčení. Ukázalo se to právě změnou průtoku vody. Počítačem řízená pádla jsou neustále v pohybu, snižují a zvyšují průtok vody. Úkolem systému je dosáhnout přesné rychlosti otáčení bez ohledu na to, s jakou námahou se hřídel generátoru točí (a závisí na generovaném výkonu).
6. Napěťový výstup generátoru se upravuje změnou budícího napětí. Jedná se o konstantní napětí, které je přiváděno na elektromagnet rotoru. V tomto případě napětí, které je generováno vinutím statoru, závisí na síle magnetického pole. Na fotce se mi nad hlavou otáčí mnohatunový rotor.
7. Hydroelektrický generátor generuje napětí 15,75 kV. Na VE Ust-Srednekanskaya jsou instalovány generátory o jmenovitém výkonu 142,5 MW (142 500 000 W) a proud ve vodičích odvádějících vyrobenou elektřinu z generátoru může dosáhnout 6150 A. Proto mají tyto dráty, nebo spíše pneumatiky, obrovský průřez a jsou uzavřeny v takových trubkách.
Jakékoli spínání při takových proudech se stává velkým problémem. Takto vypadá jednoduchý přepínač. Samozřejmě, že při proudu šest tisíc ampér a napětí patnáct tisíc voltů to začíná být docela obtížné.
8. Zvyšovací transformátory stojí zpravidla na ulici za strojovnou vodní elektrárny (pro přenos ke spotřebitelům se napětí přijímané z generátorů nejčastěji zvyšuje na 220 kV).
9. Po drátech elektrického vedení je přenášena nejen elektřina o frekvenci 50 Hz, ale také informační signály o vysoké frekvenci. Pomocí nich lze například s vysokou přesností určit místo nehody na elektrickém vedení. V elektrárnách a rozvodnách jsou instalovány speciální filtry vysokofrekvenčního signálu. Určitě jste takové věci viděli, ale sotva jste věděli, k čemu slouží.
10. Veškeré spínání při vysokých napětích probíhá v SF6 (fluorid sírový, který má velmi nízkou elektrickou vodivost), takže vodiče vypadají jako trubky a elektrika spíše jako vodovodní potrubí. :)
p.s. Děkuji zaměstnancům VE Ust-Srednekanskaya Ilja Gorbunov a Vjačeslav Sladkevič (je na fotografii) za podrobné odpovědi na mé četné otázky a také společnosti RusHydro za možnost vidět na vlastní oči stavbu a provoz takových grandiózní stavba.
2016, Alexey Nadezhin
Hlavním tématem mého blogu jsou technologie v lidském životě. Píšu recenze, sdílím zkušenosti, mluvím o nejrůznějších zajímavostech. Dělám také reportáže ze zajímavých míst a povídám o zajímavých akcích.
Přidejte si mě do svého seznamu přátel
