Հիդրոէներգիայի արտադրության, հիդրոէլեկտրակայանների սարքավորումների և հիդրավլիկ կառուցվածքների ընդհանուր պատկերը

1. Հիդրոէներգիայի արտադրության ընդհանուր պատկերը
Հիդրոէլեկտրակայանների կողմից օգտագործվող էներգիայի աղբյուրները բազմազան են, ինչպիսիք են արևային էներգիան, գետերի ջրային էներգիան և օդային հոսքի միջոցով առաջացող քամու էներգիան: Հիդրոէլեկտրակայանների միջոցով հիդրոէլեկտրակայանների արտադրության արժեքը էժան է, և հիդրոէլեկտրակայանների կառուցումը կարող է համակցվել նաև այլ ջրային ռեսուրսների պահպանման միջոցառումների հետ: Չինաստանը հարուստ է ջրային ռեսուրսներով և ունի գերազանց պայմաններ: Հիդրոէներգիան կարևոր դեր է խաղում ազգային տնտեսական շինարարության մեջ:
Գետի վերին հոսանքի ջրի մակարդակը ավելի բարձր է, քան ներքևի հոսանքի ջրի մակարդակը։ Գետի ջրի մակարդակի տարբերության պատճառով առաջանում է ջրի էներգիա։ Այս էներգիան կոչվում է պոտենցիալ էներգիա կամ պոտենցիալ էներգիա։ Գետի ջրի մակերևույթի բարձրությունների տարբերությունը կոչվում է անկում, որը կոչվում է նաև ջրի մակարդակի տարբերություն կամ գլխիկ։ Այս անկումը հիդրավլիկ էներգիայի հիմնական պայման է։ Բացի այդ, ջրային էներգիայի չափը կախված է նաև գետի ջրի հոսքի մեծությունից, որը ևս մեկ հիմնական պայման է, որը նույնքան կարևոր է, որքան անկումը։ Ե՛վ անկումը, և՛ արտահոսքը անմիջականորեն ազդում են հիդրավլիկ էներգիայի չափի վրա։ Որքան մեծ է ջրի անկումը, այնքան մեծ է հիդրավլիկ հզորությունը։ Եթե անկումը և ջրի ծավալը համեմատաբար փոքր են, ապա հիդրոէլեկտրակայանի արտադրանքը կլինի ավելի փոքր։
Ջրի մակերևույթի գրադիենտը սովորաբար արտահայտվում է մետրերով: Ջրի մակերևույթի գրադիենտը անկման և հեռավորության հարաբերությունն է, որը կարող է ցույց տալ կաթիլի կոնցենտրացիայի աստիճանը: Եթե կաթիլը համեմատաբար կենտրոնացված է, ջրային էներգիայի օգտագործումն ավելի հարմար է: Հիդրոէլեկտրակայանի կողմից օգտագործվող կաթիլը հիդրոէլեկտրակայանի վերևի հոսանքի ջրային մակերևույթի և ներքևի հոսանքի ջրային մակերևույթի տարբերությունն է հիդրավլիկ տուրբինով անցնելուց հետո:
Հոսքը գետի միջով հոսող ջրի քանակն է մեկ միավոր ժամանակում, արտահայտված խորանարդ մետր վայրկյանում: Մեկ խորանարդ մետր ջուրը մեկ տոննա է: Գետի հոսքը փոխվում է ցանկացած ժամանակ և ցանկացած վայրում, ուստի երբ խոսում ենք հոսքի մասին, պետք է բացատրենք այն կոնկրետ վայրի ժամանակը, որտեղ այն հոսում է: Հոսքը զգալիորեն փոխվում է ժամանակի ընթացքում: Ընդհանուր առմամբ, Չինաստանի գետերը մեծ հոսք ունեն ամռանը, աշնանը և անձրևոտ եղանակին, բայց փոքր հոսք ձմռանը և գարնանը: Հոսքը տատանվում է ամսից օր, իսկ ջրի ծավալը՝ տարեցտարի: Ընդհանուր առմամբ, գետերի հոսքը համեմատաբար փոքր է վերին հոսանքում. երբ վտակները միանում են, ներքևի հոսանքը աստիճանաբար մեծանում է: Հետևաբար, չնայած վերին հոսանքի անկումը կենտրոնացված է, հոսքը փոքր է. չնայած ներքևի հոսանքի հոսքը մեծ է, անկումը համեմատաբար ցրված է: Հետևաբար, հաճախ ամենաարդյունավետն է ջրի էներգիան օգտագործել գետի միջին հոսանքներում:
Իմանալով հիդրոէլեկտրակայանի կողմից օգտագործվող անկումը և հոսքը, դրա արտադրանքը կարելի է հաշվարկել հետևյալ բանաձևով.
N= GQH
Բանաձևում N – ելքային հզորությունը, միավորը՝ կՎտ, կոչվում է նաև հզորություն։
Q — հոսքը, խորանարդ մետր վայրկյանում;
H — Կաթիլ, մետրերով;
G=9.8-ը, ձգողության արագացումն է, Նյուտոն/կգ-ով։
Տեսական հզորությունը հաշվարկվում է վերը նշված բանաձևի համաձայն, և կորուստ չի հանվում: Փաստորեն, հիդրոէլեկտրակայանների արտադրության գործընթացում ջրային տուրբինները, փոխանցման սարքավորումները, գեներատորները և այլն ունեն անխուսափելի հզորության կորուստներ: Հետևաբար, տեսական հզորությունը պետք է զեղչվի, այսինքն՝ մեր կողմից օգտագործվող իրական հզորությունը պետք է բազմապատկվի արդյունավետության գործակցով (նշան՝ K):
Հիդրոէլեկտրակայանի գեներատորի նախագծային հզորությունը կոչվում է անվանական հզորություն, իսկ իրական հզորությունը՝ իրական հզորություն։ Էներգիայի փոխակերպման գործընթացում անխուսափելի է որոշակի էներգիայի կորուստ։ Հիդրոէլեկտրակայանի արտադրության գործընթացում հիմնականում տեղի են ունենում հիդրավլիկ տուրբինների և գեներատորների կորուստներ (ներառյալ խողովակաշարերի կորուստները)։ Գյուղական միկրոհիդրոէլեկտրակայաններում տարբեր կորուստները կազմում են ընդհանուր տեսական հզորության 40~50%-ը, ուստի հիդրոէլեկտրակայանների արտադրանքը կարող է օգտագործել տեսական հզորության միայն 50~60%-ը, այսինքն՝ արդյունավետությունը կազմում է մոտ 0.5~0.60 (ներառյալ տուրբինի արդյունավետությունը՝ 0.70~0.85, գեներատորի արդյունավետությունը՝ 0.85~0.90, և խողովակաշարերի և փոխանցման սարքավորումների արդյունավետությունը՝ 0.80~0.85)։ Հետևաբար, հիդրոէլեկտրակայանի իրական հզորությունը (արտադրանքը) կարելի է հաշվարկել հետևյալ կերպ.
K – հիդրոէլեկտրակայանի արդյունակությունը (0.5~0.6) ընդունվում է միկրոհիդրոէլեկտրակայանի մոտավոր հաշվարկի համար։ Վերոնշյալ բանաձևը կարելի է պարզեցնել հետևյալ կերպ՝
N=(0.5 ~ 0.6) QHG իրական հզորություն = արդյունավետություն × հոսք × անկում × ինը կետ ութ
Հիդրոէներգիայի կիրառումը ջրի օգտագործումն է ջրային տուրբին կոչվող մեխանիզմը շարժելու համար։ Օրինակ՝ Չինաստանում հին ջրանիվը շատ պարզ ջրային տուրբին է։ Այժմ օգտագործվող տարբեր հիդրավլիկ տուրբինները հարմարեցված են տարբեր հիդրավլիկ պայմաններին, որպեսզի դրանք կարողանան ավելի արդյունավետ պտտվել և ջրի էներգիան վերածել մեխանիկական էներգիայի։ Մեկ այլ մեքենա՝ գեներատորը, միացված է ջրային տուրբինին, որպեսզի գեներատորի ռոտորը պտտվի ջրային տուրբինի հետ, որից հետո կարող է արտադրվել էլեկտրաէներգիա։ Գեներատորը կարելի է բաժանել երկու մասի՝ այն մասը, որը պտտվում է հիդրավլիկ տուրբինի հետ միասին, և գեներատորի անշարժ մասը։ Այն մասը, որը պտտվում է հիդրավլիկ տուրբինի հետ միասին, կոչվում է գեներատորի ռոտոր, և ռոտորի շուրջը կան բազմաթիվ մագնիսական բևեռներ։ Ռոտորի շուրջը գտնվող շրջանը գեներատորի անշարժ մասն է, որը կոչվում է գեներատորի ստատոր։ Ստատորը փաթաթված է բազմաթիվ պղնձե կծիկներով։ Երբ ռոտորի բազմաթիվ մագնիսական բևեռներ պտտվում են ստատորի պղնձե կծիկի կենտրոնում, պղնձե մետաղալարի վրա հոսանք կառաջանա, և գեներատորը պետք է մեխանիկական էներգիան վերածի էլեկտրական էներգիայի։
Էլեկտրակայանի կողմից արտադրված էլեկտրական էներգիան տարբեր էլեկտրական սարքավորումներից վերածվում է մեխանիկական էներգիայի (շարժիչ կամ շարժիչ), լուսային էներգիայի (էլեկտրական լամպ), ջերմային էներգիայի (էլեկտրական վառարան) և այլն։

2. Հիդրոէլեկտրակայանի կազմը
Հիդրոէլեկտրակայանը բաղկացած է հիդրավլիկ կառուցվածքներից, մեխանիկական սարքավորումներից և էլեկտրական սարքավորումներից։
(1) Հիդրավլիկ կառուցվածքներ
Այն ներառում է ջրամբար (ամբարտակ), մուտքի դարպաս, ջրանցք (կամ թունել), առաջնային խուց (կամ կարգավորիչ բաք), ջրատար խողովակ, էլեկտրակայան և դուրսբերման խողովակաշար և այլն։
Գետում կառուցեք ջրամբար (ամբարտակ)՝ գետը փակելու, ջրի մակերեսը բարձրացնելու և ջրամբար ձևավորելու համար: Այս կերպ ջրամբարի ջրային մակերեսից ջրամբարի (ամբարտակի) վրա կենտրոնացված կաթիլ է ձևավորվում դեպի ջրամբարի տակ գտնվող գետի ջրային մակերեսը, որից հետո ջուրը ջրատարների կամ թունելների միջոցով մտնում է հիդրոէլեկտրակայան: Զառիթափ գետի հունում շրջանցիկ ջրանցքների օգտագործումը նույնպես կարող է կաթիլ առաջացնել: Օրինակ, բնական գետի անկումը 10 մետր է կիլոմետրում: Եթե գետի այս հատվածի վերին ծայրում ջրանցք է բացվում ջուր ներմուծելու համար, ջրանցքը կփորվի գետի երկայնքով, և ջրանցքի թեքությունը կլինի հարթ: Եթե ջրանցքի անկումը ընդամենը 1 մետր է կիլոմետրում, ջուրը կհոսի ջրանցքով 5 կիլոմետր, և ջուրը կընկնի ընդամենը 5 մետր, մինչդեռ բնական գետով 5 կիլոմետր քայլելուց հետո ջուրը կընկնի 50 մետր: Այս պահին ջրանցքի ջուրը գետի միջոցով ջրատարների կամ թունելների միջոցով հետ է տարվում էլեկտրակայան, և կա 45 մետր կենտրոնացված կաթիլ, որը կարող է օգտագործվել էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար:
Շեղող ջրանցքների, թունելների կամ ջրատարների (օրինակ՝ պլաստմասե, պողպատե, բետոնե և այլն) միջոցով կենտրոնացված կաթիլներ ձևավորող հիդրոէլեկտրակայանը կոչվում է շեղող ջրանցքի տիպի հիդրոէլեկտրակայան, որը հիդրոէլեկտրակայանների բնորոշ դասավորություն է։
(2) Մեխանիկական և էլեկտրական սարքավորումներ
Բացի վերը նշված հիդրավլիկ աշխատանքներից (ջրհոր, ջրանցք, առաջնային խողովակ, ջրատար խողովակ և էլեկտրակայան), հիդրոէլեկտրակայանը կարիք ունի նաև հետևյալ սարքավորումների.
(1) Մեխանիկական սարքավորումներ
Կան հիդրավլիկ տուրբիններ, կարգավորիչներ, դարպասային փականներ, փոխանցման սարքավորումներ և ոչ էներգետիկ սարքավորումներ։
(2) Էլեկտրական սարքավորումներ
Կան գեներատորներ, բաշխման կառավարման վահանակներ, տրանսֆորմատորներ, փոխանցման գծեր և այլն։
Սակայն, ոչ բոլոր փոքր հիդրոէլեկտրակայաններն ունեն վերը նշված հիդրավլիկ կառուցվածքները և մեխանիկական ու էլեկտրական սարքավորումները: Եթե 6 մետրից պակաս ջրի ճնշում ունեցող ցածր ճնշման հիդրոէլեկտրակայանը սովորաբար ընտրում է շեղող ջրանցքի և բաց ջրանցքի շեղող խցիկի եղանակը, ապա չի լինի առաջնային խողովակ և ջրատար խողովակ: Փոքր էլեկտրամատակարարման տիրույթով և կարճ փոխանցման հեռավորությամբ էլեկտրակայանը ընտրում է ուղիղ փոխանցում առանց տրանսֆորմատորի: Ջրամբարներ ունեցող հիդրոէլեկտրակայանները կարիք չունեն ամբարտակներ կառուցելու: Ընտրվում է խորը ջրի մուտքը, և ամբարտակի ներքին խողովակը (կամ թունելը) և ջրթափը պարտադիր չէ օգտագործել հիդրավլիկ կառուցվածքներ, ինչպիսիք են ջրամբարը, մուտքային դարպասը, ջրանցքը և առաջնային խողովակը:
Հիդրոէլեկտրակայան կառուցելու համար նախ պետք է իրականացվի մանրակրկիտ հետազոտություն և նախագծում: Նախագծման մեջ կա նախագծման երեք փուլ՝ նախնական նախագծում, տեխնիկական նախագծում և շինարարության մանրամասներ: Նախագծման լավ աշխատանք կատարելու համար մենք նախ պետք է իրականացնենք մանրակրկիտ հետազոտություն, այսինքն՝ լիովին հասկանանք տեղական բնական և տնտեսական պայմանները՝ այսինքն՝ տեղագրությունը, երկրաբանությունը, հիդրոլոգիան, կապիտալը և այլն: Նախագծի ճշգրտությունն ու հուսալիությունը կարող են երաշխավորվել միայն այդ պայմանները յուրացնելուց և վերլուծելուց հետո:
Փոքր հիդրոէլեկտրակայանների բաղադրիչները ունեն տարբեր ձևեր՝ կախված հիդրոէլեկտրակայանների տարբեր տեսակներից։

3. Տեղագրական հետազոտություն
Տեղագրական հետազոտության որակը մեծ ազդեցություն ունի նախագծի դասավորության և քանակների գնահատման վրա։
Երկրաբանական հետազոտությունները (երկրաբանական պայմանների ըմբռնումը) պահանջում են ոչ միայն ավազանի և գետափնյա երկրաբանության ընդհանուր ըմբռնում և հետազոտություն, այլև մեքենայական սենյակի հիմքի ամուր լինելը հասկանալը, ինչը անմիջականորեն ազդում է էլեկտրակայանի անվտանգության վրա: Երբ որոշակի ծավալի ջրամբարով արգելապատնեշը ոչնչացվի, այն ոչ միայն կվնասի էլեկտրակայանին, այլև կհանգեցնի կյանքի և գույքի հսկայական կորուստների ներքևի հատվածում: Հետևաբար, առաջնային ծոցի երկրաբանական ընտրությունը սովորաբար դրվում է առաջին տեղում:

4. Հիդրոմետրիա
Հիդրոէլեկտրակայանների համար ամենակարևոր հիդրոլոգիական տվյալները գետի ջրի մակարդակի, հոսքի, նստվածքների կոնցենտրացիայի, սառցակալման գրանցումներն են, օդերևութաբանական տվյալները և ջրհեղեղների հետազոտության տվյալները: Գետի հոսքի չափը ազդում է հիդրոէլեկտրակայանի ջրթափի դասավորության վրա, և ջրհեղեղի ծանրությունը թերագնահատվում է, ինչը կհանգեցնի ամբարտակի քայքայմանը. գետի կողմից տեղափոխվող նստվածքը կարող է արագ լցնել ջրամբարը ամենավատ դեպքում: Օրինակ, ջրանցքի մեջ ներհոսքը կհանգեցնի ջրանցքի տիղմի կուտակման, իսկ խոշոր նստվածքը կանցնի հիդրավլիկ տուրբինի միջով և կհանգեցնի հիդրավլիկ տուրբինի մաշվածության: Հետևաբար, հիդրոէլեկտրակայանների կառուցման համար անհրաժեշտ է ունենալ բավարար հիդրոլոգիական տվյալներ:
Հետևաբար, նախքան հիդրոէլեկտրակայան կառուցելու որոշում կայացնելը, անհրաժեշտ է ուսումնասիրել տնտեսական զարգացման ուղղությունը և էլեկտրաէներգիայի ապագա պահանջարկը էլեկտրաէներգիայի մատակարարման տարածքում: Միաժամանակ գնահատել զարգացման տարածքում այլ էներգիայի աղբյուրների վիճակը: Միայն վերը նշված պայմաններն ուսումնասիրելուց և վերլուծելուց հետո կարող ենք որոշել, թե արդյոք հիդրոէլեկտրակայանը պետք է կառուցվի և որքան մեծ պետք է լինի շինարարության մասշտաբը:
Ընդհանուր առմամբ, հիդրոէլեկտրակայանների հետազոտության նպատակն է տրամադրել ճշգրիտ և հուսալի հիմնական տվյալներ, որոնք անհրաժեշտ են հիդրոէլեկտրակայանների նախագծման և կառուցման համար:

5. Ընտրված կայանի տեղանքի ընդհանուր պայմանները
Կայանի տեղանքի ընտրության ընդհանուր պայմանները կարելի է նկարագրել հետևյալ չորս ասպեկտներով.
(1) Ընտրված կայանի տեղը պետք է կարողանա առավելագույնս տնտեսապես օգտագործել ջրային էներգիան և համապատասխանի ծախսերի խնայողության սկզբունքին, այսինքն՝ էլեկտրակայանի ավարտից հետո կծախսվի նվազագույն արժեքը և կարտադրվի առավելագույն էներգիա։ Ընդհանուր առմամբ, այն կարելի է չափել՝ գնահատելով էլեկտրաէներգիայի արտադրությունից և կայանի կառուցման մեջ ներդրումներից ստացված տարեկան եկամուտը՝ տեսնելու համար, թե որքան ժամանակում կարող է վերականգնվել ներդրված կապիտալը։ Այնուամենայնիվ, տարբեր հիդրոլոգիական և տեղագրական պայմանների և էլեկտրաէներգիայի նկատմամբ տարբեր պահանջարկի պատճառով, արժեքը և ներդրումները չպետք է սահմանափակվեն որոշակի արժեքներով։
(2) Ընտրված կայանի տեղանքը պետք է ունենա գերազանց տեղագրական, երկրաբանական և հիդրոլոգիական պայմաններ, և հնարավոր լինի նախագծել և կառուցել։ Փոքր հիդրոէլեկտրակայանների կառուցումը շինանյութերի առումով պետք է հնարավորինս համապատասխանի «տեղական նյութերի» սկզբունքին։
(3) Ընտրված կայանի տեղը պետք է լինի որքան հնարավոր է մոտ էլեկտրամատակարարման և մշակման տարածքին՝ փոխանցման սարքավորումների ներդրումները և էլեկտրաէներգիայի կորուստները նվազեցնելու համար։
(4) Կայանի տեղանքը ընտրելիս հնարավորինս շատ պետք է օգտագործել առկա հիդրավլիկ կառուցվածքները: Օրինակ՝ ջրի կաթիլները կարող են օգտագործվել ոռոգման ջրանցքներում հիդրոէլեկտրակայաններ կառուցելու համար, կամ հիդրոէլեկտրակայանները կարող են կառուցվել ոռոգման ջրամբարների մոտ՝ ոռոգման հոսքի միջոցով էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար և այլն: Քանի որ այս հիդրոէլեկտրակայանները կարող են համապատասխանել ջրի առկայության դեպքում էլեկտրաէներգիա արտադրելու սկզբունքին, դրանց տնտեսական նշանակությունն ավելի ակնհայտ է: