A vízerőmű-termelés áttekintése

A vízenergia célja a természetes folyók vízenergiájának átalakítása elektromos árammá, amelyet az emberek felhasználhatnak. Az energiatermeléshez különféle energiaforrásokat használnak, például napenergiát, folyók vízenergiáját és a légáramlás által termelt szélenergiát. A vízenergia felhasználásával történő vízenergia-termelés költsége olcsó, és a vízerőművek építése más vízmegtakarítási projektekkel is kombinálható. Országunk nagyon gazdag vízenergia-forrásokban, és a feltételek is nagyon jók. A vízenergia fontos szerepet játszik a nemzetgazdaság építésében.
Egy folyó felvízi vízszintje magasabb, mint az alvízi vízszintje. A folyó vízszintjének különbsége miatt vízenergia keletkezik. Ezt az energiát helyzeti energiának vagy potenciális energiának nevezzük. A folyóvíz szintjének különbségét szintkülönbségnek vagy vízoszlopnak nevezzük. Ez a szintkülönbség a hidraulikus energia kialakulásának alapvető feltétele. Ezenkívül a hidraulikus energia nagysága a folyóban áramló víz nagyságától is függ, ami egy másik alapvető feltétel, ugyanolyan fontos, mint a szintkülönbség. Mind a szintkülönbség, mind a vízhozam közvetlenül befolyásolja a hidraulikus energiát; minél nagyobb a szintkülönbség vízmennyisége, annál nagyobb a hidraulikus teljesítmény; ha a szintkülönbség és a vízmennyiség viszonylag kicsi, a vízerőmű teljesítménye kisebb lesz.
A szintkülönbséget általában méterben fejezik ki. A meredekség az szintkülönbség és a távolság aránya, amely a szintkülönbség koncentrációját jelezheti. A szintkülönbség koncentráltabb, és a hidraulikus energia használata kényelmesebb. A vízerőmű által használt szintkülönbség a vízerőmű felső folyásirányában mért vízszint és a turbinán áthaladó alsó folyásirányban mért vízszint közötti különbség.

A vízhozam az egységnyi idő alatt egy folyóban átfolyó víz mennyisége, és köbméterben, egy másodperc alatt fejezik ki. Egy köbméter víz egy tonna. Egy folyó vízhozama bármikor változik, ezért amikor a vízhozamról beszélünk, meg kell magyaráznunk az adott hely időpontját, ahol folyik. A vízhozam az időben nagyon jelentősen változik. Hazánk folyói általában nagy vízhozammal rendelkeznek az esős évszakban nyáron és ősszel, és viszonylag kicsivel télen és tavasszal. Általában a folyó vízhozama viszonylag kicsi a felvízben; mivel a mellékfolyók egyesülnek, az alsó folyásirányban lévő vízhozam fokozatosan növekszik. Ezért, bár a felvízi esés koncentrált, a vízhozam kicsi; az alsó folyásirányban lévő vízhozam nagy, de az esés viszonylag szétszórt. Ezért gyakran a leggazdaságosabb a folyó középső szakaszán hidraulikus energiát hasznosítani.
Ismerve a vízerőmű által felhasznált esést és áramlást, a teljesítménye a következő képlettel számítható ki:
N= GQH
A képletben az N-kimenetet, kilowattban, teljesítménynek is nevezhetjük;
Q – áramlás, köbméter/másodpercben;
H – esés méterben;
G = 9,8 , a nehézségi gyorsulás, mértékegysége: Newton/kg
A fenti képlet szerint az elméleti teljesítményt a veszteségek levonása nélkül számítjuk ki. Valójában a vízenergia-termelés folyamatában a turbináknak, az átviteli berendezéseknek, a generátoroknak stb. mind elkerülhetetlenül vannak teljesítményveszteségeik. Ezért az elméleti teljesítményt le kell vonni, azaz a ténylegesen felhasználható teljesítményt meg kell szorozni a hatásfok-tényezővel (jele: K).
A vízerőmű generátorának tervezett teljesítményét névleges teljesítménynek, a tényleges teljesítményt pedig tényleges teljesítménynek nevezzük. Az energiaátalakítás során elkerülhetetlen az energia egy részének elvesztése. A vízenergia-termelés során főként a turbinák és generátorok veszteségei keletkeznek (a csővezetékekben is vannak veszteségek). A vidéki mikro-vízerőmű különféle veszteségei a teljes elméleti teljesítmény mintegy 40-50%-át teszik ki, így a vízerőmű teljesítménye valójában az elméleti teljesítménynek csak 50-60%-át tudja felhasználni, azaz a hatásfok körülbelül 0,5-0,60 (ebből a turbina hatásfoka 0,70-0,85, a generátorok hatásfoka 0,85-0,90, a csővezetékek és átviteli berendezések hatásfoka pedig 0,80-0,85). Ezért a vízerőmű tényleges teljesítménye (kimenete) a következőképpen számítható ki:
K – a vízerőmű hatásfoka (0,5～0,6) a mikro-vízerőmű durva kiszámításához használatos; ez az érték a következőképpen egyszerűsíthető:
N=(0,5～0,6)QHG Tényleges teljesítmény=hatásfok×áramlás×esés×9,8
A vízenergia felhasználása a vízenergia felhasználását jelenti egy gép meghajtására, amelyet vízturbinának neveznek. Például hazánkban az ősi vízkerék egy nagyon egyszerű vízturbina. A jelenleg használt különféle hidraulikus turbinákat különféle specifikus hidraulikai körülményekhez igazítják, így hatékonyabban tudnak forogni, és a víz energiáját mechanikai energiává alakítják. Egy másik gépfajta, egy generátor, a turbinához van csatlakoztatva, így a generátor forgórésze a turbinával együtt forog, áramot termelve. A generátor két részre osztható: a turbinával együtt forgó részre és a generátor rögzített részére. A turbinához csatlakoztatott és forgó részt a generátor forgórészének nevezik, és a forgórész körül sok mágneses pólus található; a forgórész körüli kör a generátor rögzített része, a generátor állórésze, és az állórészt sok réztekercs veszi körül. Amikor a forgórész sok mágneses pólusa az állórész réztekercseinek közepén forog, áram keletkezik a rézhuzalokon, és a generátor a mechanikai energiát elektromos energiává alakítja.
Az erőmű által termelt elektromos energiát különféle elektromos berendezések alakítják át mechanikai energiává (villanymotor vagy motor), fényenergiává (villanylámpa), hőenergiává (villanykemence) és így tovább.
a vízerőmű összetétele
A vízerőmű összetétele magában foglalja: hidraulikus szerkezeteket, gépészeti berendezéseket és elektromos berendezéseket.
(1) Vízépítési műtárgyak
Vannak benne gátak (gátak), beömlőkapuk, csatornák (vagy alagutak), előtartályok (vagy szabályozótartályok), nyomócsövek, erőművek és alsó csatornák stb.
A folyóba gátat építenek, hogy elzárják a folyó vizét és megemeljék a vízfelszínt, így létrehozva egy víztározót. Ily módon egy koncentrált szintkülönbség alakul ki a gát feletti víztározó vízfelszíne és a gát alatti folyó vízfelszíne között, majd a vizet vízvezetékeken vagy alagutakon keresztül vezetik be a vízerőműbe. Meredek folyókban elterelő csatornák is szintkülönbséget hozhatnak létre. Például: Egy természetes folyó kilométerenkénti szintkülönbsége általában 10 méter. Ha a folyó ezen szakaszának felső végén csatornát nyitnak a folyóvíz bevezetésére, a csatornát a folyó mentén ássák ki, és a csatorna lejtése laposabb lesz. Ha a csatorna kilométerenkénti szintkülönbségét növelik, akkor csak 1 métert csökken, így a víz 5 kilométert folyt a csatornában, és a vízfelszín is csak 5 métert esett, míg a víz 5 kilométert tett meg a természetes csatornában, miután 5 kilométert megtett. Ekkor a csatornából származó vizet a folyó egy vízvezetéken vagy alagúton keresztül vezeti vissza az erőműbe, és ott egy 45 méteres koncentrált szintkülönbség keletkezik, amelyet áramtermelésre lehet felhasználni. 2. ábra

Az elterelő csatornák, alagutak vagy vízvezetékek (például műanyag csövek, acélcsövek, betoncsövek stb.) használatát koncentrált esésű vízerőmű kialakításához elterelő csatornás vízerőműnek nevezik, ami a vízerőművek tipikus elrendezése.
(2) Gépészeti és elektromos berendezések
A fent említett vízépítési munkákon (gátak, csatornák, előterek, nyomócsövek, műhelyek) kívül a vízerőműnek a következő berendezésekre is szüksége van:
(1) Gépi berendezések
Vannak turbinák, szabályozók, tolózárak, átviteli berendezések és nem generáló berendezések.
(2) Elektromos berendezések
Vannak generátorok, elosztó vezérlőpanelek, transzformátorok és távvezetékek.
De nem minden kis vízerőmű rendelkezik a fent említett vízműszerkezetekkel, valamint gépészeti és elektromos berendezésekkel. Ha a vízszint kisebb, mint 6 méter az alacsony nyomású vízerőműben, általában vízterelő csatornát és nyitott csatornás vízcsatornát használnak, és nincs előmedence vagy nyomócső. Kis energiaellátási tartományú és rövid átviteli távolságú erőműveknél közvetlen energiaátvitelt alkalmaznak, és nincs szükség transzformátorra. A tározókkal rendelkező vízerőműveknek nem kell gátakat építeniük. A mély beömlőnyílások, a gát belső csövei (vagy alagutak) és a túlfolyók használata kiküszöböli a hidraulikus szerkezetek, például a gátak, beömlőkapuk, csatornák és előmedencei nyomócsövek szükségességét.
Egy vízerőmű építéséhez mindenekelőtt gondos felmérést és tervezést kell végezni. A tervezési munka három tervezési szakaszból áll: előzetes tervezés, műszaki tervezés és kiviteli részlettervezés. A tervezési munka jó elvégzéséhez először alapos felmérést kell végezni, azaz teljes mértékben meg kell érteni a helyi természeti és gazdasági viszonyokat – azaz a domborzatot, a geológiát, a hidrológiát, a tőkét stb. – A terv helyessége és megbízhatósága csak ezen helyzetek elsajátítása és elemzése után garantálható.
A kis vízerőművek alkotóelemei a vízerőmű típusától függően különféle formájúak lehetnek.
3. Topográfiai felmérés
A topográfiai felmérés minősége nagyban befolyásolja a mérnöki elrendezést és a mérnöki mennyiség becslését.
Geológiai feltárás (a geológiai viszonyok megértése) a vízgyűjtő és a folyó menti terület geológiájának általános ismerete és kutatása mellett azt is meg kell érteni, hogy a gépház alapjai szilárdak-e, ami közvetlenül befolyásolja magának az erőműnek a biztonságát. Ha egy bizonyos tározótérfogatú gát megsemmisül, az nemcsak magát a vízerőművet károsítja, hanem hatalmas emberéletek és anyagi károkat is okoz a folyásirányban.
4. Hidrológiai vizsgálat
A vízerőművek esetében a legfontosabb hidrológiai adatok a folyó vízszintjére, a vízhozamra, az üledéktartalomra, a jegesedési viszonyokra, a meteorológiai adatokra és az árvízi felmérési adatokra vonatkozó adatok. A folyó vízhozamának nagysága befolyásolja a vízerőmű bukógátjának elrendezését. Az árvíz súlyosságának alábecslése a gát károsodásához vezet; a folyó által szállított üledék a legrosszabb esetben gyorsan feltöltheti a tározót. Például a beömlő csatorna a csatorna eliszaposodását okozza, a durva szemcsés üledék pedig áthalad a turbinán és a turbina kopását okozza. Ezért a vízerőművek építéséhez elegendő hidrológiai adattal kell rendelkezni.
Ezért, mielőtt vízerőmű építéséről döntenénk, először meg kell vizsgálnunk az energiaellátási terület gazdasági fejlődésének irányát és a villamos energia iránti jövőbeli keresletet. Ugyanakkor fel kell becsülnünk a fejlesztési területen található egyéb energiaforrások helyzetét. Csak a fenti helyzet kutatása és elemzése után dönthetünk arról, hogy szükséges-e a vízerőmű építése, és mekkora legyen a mérete.
Általánosságban elmondható, hogy a vízerőmű-felmérési munkák célja a vízerőművek tervezéséhez és építéséhez szükséges pontos és megbízható alapvető információk biztosítása.
5. A telephely kiválasztásának általános feltételei
A helyszín kiválasztásának általános feltételei a következő négy szempont alapján magyarázhatók:
(1) A kiválasztott helyszínnek a lehető leggazdaságosabban kell hasznosítania a vízenergiát, és meg kell felelnie a költségmegtakarítás elvének, azaz az erőmű elkészülte után a lehető legkevesebb pénzt kell elkölteni, és a legtöbb villamos energiát kell termelni. Ez általában az éves villamosenergia-termelési bevétel és az erőmű építésébe történő beruházás becslésével mérhető, hogy mennyi idő alatt térül meg a befektetett tőke. A hidrológiai és domborzati viszonyok azonban különböző helyeken eltérőek, és az áramigény is eltérő, ezért az építési költségeket és a beruházásokat nem szabad bizonyos értékekhez kötni.
(2) A kiválasztott helyszín domborzati, geológiai és hidrológiai adottságainak viszonylag kiválóaknak kell lenniük, és a tervezésben és kivitelezésben is lehetőségeket kell biztosítani. Kis vízerőművek építése során az építőanyagok felhasználásának a lehető legnagyobb mértékben összhangban kell lennie a „helyi anyagok” elvével.
(3) A kiválasztott helyszínnek a lehető legközelebb kell lennie az energiaellátó és feldolgozó területhez, hogy csökkentse az energiaátviteli berendezésekbe való beruházást és az energiaveszteséget.
(4) A helyszín kiválasztásakor a lehető legnagyobb mértékben ki kell használni a meglévő vízi létesítményeket. Például a vízcsepp felhasználható egy öntözőcsatornában lévő vízerőmű építésére, vagy egy öntözővíztározó mellé építhető egy vízerőmű, hogy az öntözővízből áramot termeljenek, és így tovább. Mivel ezek a vízerőművek megfelelnek a villamosenergia-termelés elvének, amikor van víz, gazdasági jelentőségük nyilvánvalóbb.