1. Yleiskatsaus vesivoiman tuotantoon
Vesivoimalla tuotetaan luonnon jokien vesienergiaa sähköenergiaksi ihmisten käyttöön. Voimalaitokset käyttävät erilaisia energialähteitä, kuten aurinkoenergiaa, jokien vesivoimaa ja ilmavirran tuottamaa tuulivoimaa. Vesivoiman tuottaminen vesivoimalla on kustannuksiltaan edullista, ja vesivoimalaitosten rakentaminen voidaan yhdistää muihin vesiensuojelutoimiin. Kiina on rikas vesivaroiltaan ja sillä on erinomaiset olosuhteet. Vesivoimalla on tärkeä rooli kansantalouden rakentamisessa.
Joen ylävirran vedenpinta on korkeampi kuin alavirran vedenpinta. Joen vedenpinnan korkeuseron vuoksi syntyy vesienergiaa. Tätä energiaa kutsutaan potentiaalienergiaksi tai potentiaalienergiaksi. Joen vedenpinnan korkeuseroa kutsutaan pudotukseksi, jota kutsutaan myös vedenpintaeroksi tai patoumaksi. Tämä pudotus on hydraulisen tehon perusedellytys. Lisäksi vesitehon suuruus riippuu myös joen virtaaman suuruudesta, joka on toinen yhtä tärkeä perusedellytys kuin pudotus. Sekä pudotus että virtaama vaikuttavat suoraan hydraulisen tehon suuruuteen; Mitä suurempi pudotus on, sitä suurempi on hydraulinen teho; Jos pudotus ja veden tilavuus ovat suhteellisen pieniä, vesivoimalaitoksen tuotanto on pienempi.
Pudotus ilmaistaan yleensä metreinä. Vedenpinnan kaltevuus on pudotuksen ja etäisyyden suhde, joka voi osoittaa pudotuksen pitoisuuden. Jos pudotus on suhteellisen tiivistynyt, vesivoiman hyödyntäminen on helpompaa. Vesivoimalaitoksen käyttämä pudotus on vesivoimalaitoksen ylävirran vedenpinnan ja alavirran vedenpinnan välinen erotus sen jälkeen, kun se on kulkenut hydraulisen turbiinin läpi.
Virtaama on joen läpi virtaavan veden määrä aikayksikössä, ilmaistuna kuutiometreinä sekunnissa. Yksi kuutiometri vettä on yksi tonni. Joen virtaama muuttuu milloin tahansa ja missä tahansa, joten kun puhumme virtaamasta, meidän on selitettävä aika tietyssä paikassa, jossa se virtaa. Virtaama muuttuu merkittävästi ajan kuluessa. Yleisesti ottaen Kiinan joissa on suuri virtaama kesällä, syksyllä ja sadekaudella, mutta pieni talvella ja keväällä. Virtaama vaihtelee kuukaudesta toiseen, ja veden tilavuus vaihtelee vuodesta toiseen. Yleisten jokien virtaama on suhteellisen pieni yläjuoksulla. Kun sivujoet yhtyvät, alajuoksun virtaus kasvaa vähitellen. Siksi, vaikka yläjuoksun pudotus on keskittynyt, virtaus on pieni. Vaikka alajuoksun virtaus on suuri, pudotus on suhteellisen hajaantunut. Siksi on usein taloudellisinta käyttää vesivoimaa joen keskiosissa.
Kun tiedetään vesivoimalaitoksen käyttämä pudotus ja virtaus, sen teho voidaan laskea seuraavalla kaavalla:
N = GQH
Kaavassa N – teho, yksikkö: kW, jota kutsutaan myös tehoksi;
Q — virtaus kuutiometreinä sekunnissa;
H — Pudotus metreinä;
G=9,8 on painovoiman kiihtyvyys, newtoneina/kg
Teoreettinen teho lasketaan yllä olevan kaavan mukaisesti, eikä häviöitä vähennetä. Itse asiassa vesivoiman tuotannossa vesiturbiineilla, siirtolaitteilla, generaattoreilla jne. on väistämättömiä tehohäviöitä. Siksi teoreettinen teho tulisi vähentää eli todellinen käytettävissä oleva teho tulisi kertoa hyötysuhdekertoimella (symboli: K).
Vesivoimalaitoksen generaattorin suunniteltua tehoa kutsutaan nimellistehoksi ja todellista tehoa todelliseksi tehoksi. Energian muuntamisen prosessissa on väistämätöntä häviötä. Vesivoiman tuotannossa häviöitä syntyy pääasiassa hydraulisissa turbiineissa ja generaattoreissa (mukaan lukien putkistojen häviöt). Maaseudun mikrovesivoimalaitoksissa erilaiset häviöt muodostavat 40–50 % teoreettisesta kokonaistehosta, joten vesivoimalaitosten teho voi olla vain 50–60 % teoreettisesta tehosta, eli hyötysuhde on noin 0,5–0,60 (mukaan lukien turbiinin hyötysuhde 0,70–0,85, generaattorin hyötysuhde 0,85–0,90 ja putki- ja siirtolaitteiden hyötysuhde 0,80–0,85). Siksi vesivoimalaitoksen todellinen teho (tuotos) voidaan laskea seuraavasti:
K – vesivoimalaitoksen hyötysuhde, (0,5–0,6) käytetään mikrovesivoimalaitoksen karkeaan laskemiseen; Yllä olevaa kaavaa voidaan yksinkertaistaa seuraavasti:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG todellinen teho = hyötysuhde × virtaus × pudotus × yhdeksän ja kahdeksan pistettä
Vesivoiman käyttö tarkoittaa veden käyttämistä eräänlaisen koneiston, vesiturbiinin, käyttämiseen. Esimerkiksi Kiinassa muinainen vesiratas on hyvin yksinkertainen vesiturbiini. Nykyään käytössä olevat erilaiset hydrauliset turbiinit on mukautettu erilaisiin hydraulisiin olosuhteisiin, jotta ne voivat pyöriä tehokkaammin ja muuttaa vesienergian mekaaniseksi energiaksi. Toinen kone, generaattori, on kytketty vesiturbiiniin, jotta generaattorin roottori pyörii vesiturbiinin mukana, jolloin voidaan tuottaa sähköä. Generaattori voidaan jakaa kahteen osaan: hydrauliturbiinin kanssa pyörivään osaan ja generaattorin kiinteään osaan. Hydrauliturbiinin kanssa pyörivää osaa kutsutaan generaattorin roottoriksi, ja roottorin ympärillä on useita magneettisia napoja. Roottorin ympärillä oleva ympyrä on generaattorin kiinteä osa, jota kutsutaan generaattorin staattoriksi. Staattori on kiedottu moniin kuparikäämeihin. Kun roottorin monet magneettiset navat pyörivät staattorin kuparikäämin keskellä, kuparijohtimeen syntyy virtaa, ja generaattori muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi.
Voimalaitoksen tuottama sähköenergia muunnetaan erilaisista sähkölaitteista mekaaniseksi energiaksi (moottori tai sähkömoottori), valoenergiaksi (sähkölamppu), lämpöenergiaksi (sähköuuni) jne.
2, Vesivoimalaitoksen kokoonpano
Vesivoimalaitos koostuu hydraulisista rakenteista, mekaanisista laitteista ja sähkölaitteista.
(1) Hydrauliset rakenteet
Se sisältää padon, imuportin, kanavan (tai tunnelin), keula-altaan (tai säätösäiliön), sulkuputken, voimalaitoksen ja alakanavan jne.
Rakenna jokeen pato tukkimaan joki, nostamaan vedenpintaa ja muodostamaan tekojärvi. Tällä tavoin muodostuu tiivistynyt pudotus tekojärven vedenpinnasta padon alla olevan joen pintaan, ja sitten vesi johdetaan vesivoimalaitokseen vesiputkien tai tunnelien kautta. Jyrkässä joen uomassa voidaan myös käyttää ohjauskanavia pudotuksen muodostamiseen. Esimerkiksi luonnonjoen pudotus on 10 metriä kilometriä kohden. Jos tämän joen osuuden yläpäähän avataan kanava veden johtamiseksi, kanava kaivetaan jokea pitkin, jolloin uoman kaltevuus on loiva. Jos uoman pudotus on vain 1 metri kilometriä kohden, vesi virtaa uomassa 5 kilometriä ja putoaa vain 5 metriä, kun taas luonnonjoessa vesi putoaa 50 metriä 5 kilometrin kävelyn jälkeen. Tällöin kanavan vesi johdetaan jokea pitkin takaisin voimalaitokseen vesiputkia tai tunneleita pitkin, ja siellä on 45 metrin korkuinen tiivistetty pudotus, jota voidaan käyttää sähkön tuottamiseen.
Vesivoimalaitosta, joka käyttää ohjauskanavia, tunneleita tai vesiputkia (kuten muoviputkia, teräsputkia, betoniputkia jne.) väkevän pudotuksen muodostamiseen, kutsutaan ohjauskanavatyyppiseksi vesivoimalaitokseksi, mikä on tyypillinen vesivoimalaitosten asettelu.
(2) Mekaaniset ja sähkölaitteet
Edellä mainittujen hydraulisten töiden (pato, kanava, keulalahti, sulkuputki ja voimalaitos) lisäksi vesivoimalaitos tarvitsee myös seuraavat laitteet:
(1) Mekaaniset laitteet
On olemassa hydraulisia turbiineja, säätölaitteita, sulkuventtiilejä, voimansiirtolaitteita ja muita kuin sähköntuotantolaitteita.
(2) Sähkölaitteet
On generaattoreita, jakelukeskuksia, muuntajia, siirtolinjoja jne.
Kaikilla pienillä vesivoimalaitoksilla ei kuitenkaan ole edellä mainittuja hydraulisia rakenteita sekä mekaanisia ja sähköisiä laitteita. Jos matalapaineinen vesivoimalaitos, jonka vedenkorkeus on alle 6 metriä, käyttää yleensä kanavaa ja avointa kanavaa, jossa kanava on kanava, keula- ja yläpohjaa ei ole. Voimalaitokset, joilla on pieni virransyöttöalue ja lyhyt siirtomatka, käyttävät suoraa siirtoa ilman muuntajaa. Vesivoimalaitoksilla, joissa on tekoaltaita, ei tarvitse rakentaa patoja. Syvä vedenottoaukko on käytössä, eikä padon sisäputkessa (tai tunnelissa) ja ylivuotoputkessa tarvitse käyttää hydraulisia rakenteita, kuten patoa, imuporttia, kanavaa ja etupohjaa.
Vesivoimalaitoksen rakentamiseksi on ensin tehtävä huolellinen kartoitus ja suunnittelu. Suunnittelussa on kolme vaihetta: alustava suunnittelu, tekninen suunnittelu ja rakennuskohtaiset yksityiskohdat. Jotta suunnittelu onnistuisi hyvin, on ensin tehtävä perusteellinen kartoitus eli ymmärrettävä täysin paikalliset luonnonolosuhteet ja taloudelliset olosuhteet – eli topografia, geologia, hydrologia, pääoma jne. Suunnittelun oikeellisuus ja luotettavuus voidaan taata vasta näiden olosuhteiden hallinnan ja analysoinnin jälkeen.
Pienten vesivoimalaitosten komponentit ovat erilaisia muotoja erityyppisten vesivoimalaitosten mukaan.
3. Topografinen kartoitus
Topografisen kartoituksen laadulla on suuri vaikutus hankkeen asetteluun ja määrien arviointiin.
Geologinen tutkimus (geologisten olosuhteiden ymmärtäminen) edellyttää paitsi yleistä ymmärrystä ja tutkimusta altaan geologiasta ja jokivarren geologiasta, myös konehuoneen perustusten lujuuden ymmärtämistä, mikä vaikuttaa suoraan itse voimalaitoksen turvallisuuteen. Kun tietyn tilavuuden omaava pato tuhoutuu, se ei ainoastaan vahingoita itse vesivoimalaitosta, vaan aiheuttaa myös valtavia ihmishenkien menetyksiä ja omaisuusvahinkoja alajuoksulla. Siksi esilahden geologinen valinta asetetaan yleensä etusijalle.
4. Hydrometria
Vesivoimalaitosten osalta tärkeimmät hydrologiset tiedot ovat jokien vedenpinnan, virtaaman, sedimenttipitoisuuden, jäätymisen, meteorologisten tietojen ja tulvatutkimusten tiedot. Joen virtaaman suuruus vaikuttaa vesivoimalaitoksen tulvauran suunnitteluun, ja tulvan vakavuus aliarvioidaan, mikä johtaa padon tuhoutumiseen. Joen kuljettama sedimentti voi pahimmassa tapauksessa täyttää tekojärven nopeasti. Esimerkiksi uomaan virtaava sedimentti aiheuttaa uoman liettymistä, ja karkea sedimentti kulkeutuu hydrauliturbiinin läpi ja aiheuttaa hydrauliturbiinin kulumista. Siksi vesivoimalaitosten rakentamisessa on oltava riittävät hydrologiset tiedot.
Siksi ennen vesivoimalaitoksen rakentamisesta päättämistä on tarpeen tutkia ja analysoida taloudellisen kehityksen suuntaa ja tulevaa sähkön kysyntää sähkönjakelualueella. Samalla on arvioitava muiden energialähteiden tilanne kehitysalueella. Vasta edellä mainittujen olosuhteiden tutkimisen ja analysoinnin jälkeen voimme päättää, onko vesivoimalaitos tarpeen rakentaa ja kuinka suuri rakennusmittakaavan tulisi olla.
Yleisesti ottaen vesivoimatutkimuksen tarkoituksena on tarjota tarkkoja ja luotettavia perustietoja vesivoimalaitosten suunnittelua ja rakentamista varten.
5. Valitun asemapaikan yleiset olosuhteet
Aseman sijainnin valinnan yleiset ehdot voidaan kuvata seuraavien neljän näkökohdan avulla:
(1) Valitun voimalaitoksen sijainnin tulee pystyä hyödyntämään vesienergiaa mahdollisimman taloudellisesti ja noudattaa kustannussäästöperiaatetta, eli voimalaitoksen valmistuttua kustannukset ovat mahdollisimman pienet ja teho tuotetaan mahdollisimman paljon. Yleensä tämä voidaan mitata arvioimalla sähköntuotannon vuositulot ja voimalaitoksen rakentamiseen tehdyt investoinnit, jotta nähdään, kuinka kauan sijoitettu pääoma voidaan maksaa takaisin. Erilaisten hydrologisten ja topografisten olosuhteiden sekä erilaisten energiavaatimusten vuoksi kustannuksia ja investointeja ei kuitenkaan pitäisi rajoittaa tiettyihin arvoihin.
(2) Valitun voimalaitospaikan topografisten, geologisten ja hydrologisten olosuhteiden tulee olla erinomaiset, ja sen suunnittelun ja rakentamisen tulee olla mahdollista. Pienten vesivoimalaitosten rakentamisen on noudatettava mahdollisimman pitkälle "paikallisten materiaalien" periaatetta rakennusmateriaalien osalta.
(3) Valitun aseman sijainnin tulee olla mahdollisimman lähellä virransyöttö- ja käsittelyaluetta siirtolaitteiden investointien ja tehohäviöiden vähentämiseksi.
(4) Voimalaitoksen sijaintipaikkaa valittaessa on hyödynnettävä mahdollisimman paljon olemassa olevia hydraulisia rakenteita. Esimerkiksi vesivoimalaitoksia voidaan rakentaa kastelukanaviin vesipisaroita käyttäen, tai vesivoimalaitoksia voidaan rakentaa kastelualtaiden lähelle sähkön tuottamiseksi kasteluveden avulla jne. Koska nämä vesivoimalaitokset voivat noudattaa periaatetta, jonka mukaan sähköä tuotetaan veden läsnä ollessa, niiden taloudellinen merkitys on ilmeisempi.
Julkaisuaika: 25.10.2022
