1. Обзор гидроэнергетики
Гидроэнергетика — это преобразование энергии воды природных рек в электрическую энергию для потребления населением. Источники энергии, используемые электростанциями, разнообразны, например, солнечная энергия, энергия рек и энергия ветра, генерируемая воздушным потоком. Стоимость производства гидроэлектроэнергии невысока, а строительство гидроэлектростанций может сочетаться с другими гидротехническими проектами. Китай богат водными ресурсами и обладает прекрасными условиями для их использования. Гидроэнергетика играет важную роль в национальном экономическом строительстве.
Уровень воды в верховьях реки выше, чем в низовьях. Из-за этой разницы уровней воды в реке генерируется энергия воды. Эта энергия называется потенциальной энергией. Разница высот поверхности воды в реке называется перепадом высот, также называемым разницей уровней воды или напором. Этот перепад высот является основным условием для выработки гидроэнергии. Кроме того, величина гидроэнергии также зависит от объема водного потока в реке, что является еще одним важным основным условием, не менее важным, чем перепад высот. И перепад высот, и расход воды напрямую влияют на величину гидроэнергии; чем больше перепад высот, тем больше гидроэнергия; если перепад высот и объем воды относительно малы, выходная мощность гидроэлектростанции будет меньше.
Перепад высот обычно выражается в метрах. Уклон поверхности воды — это отношение перепада высот к расстоянию, которое может указывать на степень концентрации капель. Если перепад высот относительно высок, использование гидроэнергии более целесообразно. Перепад высот, используемый гидроэлектростанцией, — это разница между уровнем воды перед гидроэлектростанцией и уровнем воды после прохождения через гидравлическую турбину.
Расход воды — это количество воды, протекающее по реке за единицу времени, выраженное в кубических метрах в секунду. Один кубический метр воды равен одной тонне. Расход воды в реке меняется в любое время и в любом месте, поэтому, говоря о расходе, необходимо учитывать время в конкретном месте, где протекает река. Расход воды значительно меняется со временем. В целом, реки в Китае имеют большой расход воды летом, осенью и в сезон дождей, но малый расход зимой и весной. Расход воды меняется от месяца к дню, а объем воды — от года к году. Расход воды в реках обычно относительно невелик в верховьях; по мере слияния притоков расход воды в низовьях постепенно увеличивается. Поэтому, хотя перепад высот в верховьях сконцентрирован, расход воды невелик; хотя перепад высот в низовьях велик, он относительно рассредоточен. Поэтому зачастую наиболее экономично использовать гидроэнергию в среднем течении реки.
Зная перепад высот и расход воды, используемые гидроэлектростанцией, ее выходную мощность можно рассчитать по следующей формуле:
N= GQH
В формуле N – выходная мощность, единица измерения: кВт, также называемая мощностью;
Q — расход, в кубических метрах в секунду;
H — Перепад высот, в метрах;
G = 9,8 — ускорение свободного падения в Ньютонах/кг.
Теоретическая мощность рассчитывается по приведенной выше формуле, без вычета потерь. В действительности, в процессе гидроэнергетики водяные турбины, передающее оборудование, генераторы и т. д. неизбежно имеют потери мощности. Поэтому теоретическую мощность следует дисконтировать, то есть фактическую мощность, которую мы можем использовать, следует умножить на коэффициент эффективности (обозначение: K).
Расчетная мощность генератора на гидроэлектростанции называется номинальной мощностью, а фактическая мощность — фактической мощностью. В процессе преобразования энергии неизбежны потери. В процессе выработки гидроэнергии в основном возникают потери в гидравлических турбинах и генераторах (включая потери в трубопроводах). На сельских микрогидроэлектростанциях различные потери составляют 40–50% от общей теоретической мощности, поэтому на выходе гидроэлектростанции используется только 50–60% от теоретической мощности, то есть КПД составляет около 0,5–0,60 (включая КПД турбины 0,70–0,85, КПД генератора 0,85–0,90 и КПД трубопроводов и передающего оборудования 0,80–0,85). Следовательно, фактическую мощность (выход) гидроэлектростанции можно рассчитать следующим образом:
K – КПД гидроэлектростанции, для приблизительного расчета микрогидроэлектростанции используется значение (0,5–0,6); приведенную выше формулу можно упростить следующим образом:
N = (0,5 ～ 0,6) Фактическая мощность QHG = КПД × расход × Падение × 9,8
Использование гидроэнергии заключается в применении воды для привода механизма, называемого водяной турбиной. Например, древнее водяное колесо в Китае представляло собой очень простую водяную турбину. Различные гидравлические турбины, используемые в настоящее время, адаптированы к различным специфическим гидравлическим условиям, что позволяет им вращаться более эффективно и преобразовывать энергию воды в механическую энергию. К водяной турбине подключается другой механизм, генератор, который заставляет ротор генератора вращаться вместе с турбиной, и таким образом вырабатывается электричество. Генератор можно разделить на две части: вращающуюся вместе с гидравлической турбиной и неподвижную часть генератора. Вращающаяся вместе с гидравлической турбиной часть называется ротором генератора, и вокруг ротора расположено множество магнитных полюсов; неподвижная часть генератора, расположенная по окружности ротора, называется статором генератора. Статор обмотан множеством медных катушек. Когда множество магнитных полюсов ротора вращаются в центре медной катушки статора, по медному проводу генерируется ток, и генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
Электрическая энергия, вырабатываемая электростанцией, преобразуется из различного электрооборудования в механическую энергию (двигатель или электромотор), световую энергию (электрическая лампа), тепловую энергию (электрическая печь) и т. д.
2. Состав гидроэлектростанции
Гидроэлектростанция состоит из гидротехнических сооружений, механического и электрического оборудования.
(1) Гидравлические сооружения
В его состав входят водослив (плотина), водозаборный затвор, канал (или туннель), водосборный бассейн (или регулирующий резервуар), водовод, машинное отделение и отводной канал и т. д.
Для перекрытия реки необходимо построить плотину (водохранилище), поднять уровень воды и сформировать водохранилище. Таким образом, образуется концентрированный перепад высот от поверхности воды водохранилища на плотине до поверхности реки под плотиной, после чего вода подается на гидроэлектростанцию по водопроводам или туннелям. В крутых руслах рек также можно использовать отводные каналы для создания перепада высот. Например, перепад высот в естественной реке составляет 10 метров на километр. Если в верхней части этого участка реки открыть канал для подачи воды, то канал будет проложен вдоль реки, и уклон русла будет ровным. Если перепад высот в канале составляет всего 1 метр на километр, то при прохождении 5 километров вода упадет всего на 5 метров, в то время как в естественной реке при прохождении 5 километров вода упадет на 50 метров. В это время вода в канале отводится обратно к электростанции по реке по водопроводным трубам или туннелям, и образуется перепад высот в 45 метров, который можно использовать для выработки электроэнергии.
Гидроэлектростанция, использующая отводные каналы, туннели или водопроводы (например, пластиковые, стальные, бетонные и т. д.) для создания концентрированного перепада высот, называется гидроэлектростанцией отводного типа, что является типичной компоновкой гидроэлектростанций.
(2) Механическое и электрическое оборудование
Помимо вышеупомянутых гидротехнических сооружений (плотина, канал, водосборный бассейн, водовод и машинный зал), гидроэлектростанция также нуждается в следующем оборудовании:
(1) Механическое оборудование
Здесь имеются гидравлические турбины, регуляторы, задвижки, передающее оборудование и оборудование, не предназначенное для выработки электроэнергии.
(2) Электрооборудование
Здесь имеются генераторы, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи и т. д.
Однако не все малые гидроэлектростанции имеют вышеупомянутые гидротехнические сооружения, а также механическое и электрическое оборудование. Если на гидроэлектростанции с низким напором (менее 6 метров) обычно используется отводной канал и открытая водоотводная камера, то водохранилище и водовод отсутствуют. На электростанциях с небольшим диапазоном электроснабжения и коротким расстоянием передачи используется прямая передача без трансформатора. Гидроэлектростанции с водохранилищами не нуждаются в строительстве плотин. Используется глубоководный водозабор, и нет необходимости в использовании таких гидротехнических сооружений, как водослив, водозаборные затворы, каналы и водохранилища, как внутренние трубы (или туннели) и водосброс плотины.
Для строительства гидроэлектростанции необходимо сначала провести тщательное обследование и проектирование. Проектирование включает три этапа: предварительное проектирование, техническое проектирование и детальное проектирование. Для качественного проектирования необходимо сначала провести тщательное обследование, то есть полностью понять местные природные и экономические условия — топографию, геологию, гидрологию, капитальные затраты и т. д. Правильность и надежность проекта могут быть гарантированы только после изучения и анализа этих условий.
Компоненты малых гидроэлектростанций имеют различную форму в зависимости от типа гидроэлектростанции.
3. Топографическая съемка
Качество топографической съемки оказывает большое влияние на планировку проекта и оценку объемов работ.
Геологическая разведка (понимание геологических условий) требует не только общего понимания и изучения геологии бассейна и прибрежной геологии, но и понимания прочности фундамента машинного отделения, что напрямую влияет на безопасность самой электростанции. Разрушение плотины с определенным объемом водохранилища не только нанесет ущерб самой гидроэлектростанции, но и приведет к огромным человеческим и материальным потерям ниже по течению. Поэтому геологический выбор водохранилища, как правило, ставится на первое место.
4. Гидрометрия
Для гидроэлектростанций наиболее важными гидрологическими данными являются записи уровня воды в реке, расхода, концентрации наносов, обледенения, метеорологические данные и данные обследования паводков. Размер речного стока влияет на компоновку водосброса гидроэлектростанции, а недооценка масштабов наводнения может привести к разрушению плотины; в худшем случае наносы, переносимые рекой, могут быстро заполнить водохранилище. Например, приток воды в русло вызовет заиление, а крупные наносы пройдут через гидравлическую турбину и вызовут ее износ. Поэтому при строительстве гидроэлектростанций необходимо располагать достаточными гидрологическими данными.
Поэтому, прежде чем принимать решение о строительстве гидроэлектростанции, необходимо исследовать и изучить направления экономического развития и будущий спрос на электроэнергию в районе энергоснабжения. Одновременно следует оценить ситуацию с другими источниками энергии в развивающемся регионе. Только после изучения и анализа вышеуказанных условий можно решить, нужно ли строить гидроэлектростанцию и какого масштаба должно быть строительство.
В целом, цель гидроэнергетической съемки заключается в предоставлении точных и надежных базовых данных, необходимых для проектирования и строительства гидроэлектростанций.
5. Общие условия выбранного места расположения станции
Общие условия выбора места для станции можно описать в следующих четырех аспектах:
(1) Выбранное место для электростанции должно обеспечивать наиболее экономичное использование энергии воды и соответствовать принципу экономии затрат, то есть после завершения строительства электростанции минимальные затраты и максимальная выработка электроэнергии. Как правило, это можно оценить, исходя из годового дохода от выработки электроэнергии и инвестиций в строительство станции, чтобы определить, как долго окупится инвестированный капитал. Однако из-за различных гидрологических и топографических условий и различных потребностей в электроэнергии затраты и инвестиции не должны ограничиваться определенными значениями.
(2) Выбранное место для станции должно обладать превосходными топографическими, геологическими и гидрологическими условиями, а также быть пригодным для проектирования и строительства. Строительство малых гидроэлектростанций должно по возможности соответствовать принципу «местных материалов» в отношении строительных материалов.
(3) Выбранное место для станции должно располагаться как можно ближе к зоне электроснабжения и обработки, чтобы сократить инвестиции в передающее оборудование и потери электроэнергии.
(4) При выборе места для станции следует максимально использовать существующие гидротехнические сооружения. Например, можно использовать перепад высот для строительства гидроэлектростанций в оросительных каналах, или же можно строить гидроэлектростанции вблизи оросительных водохранилищ для выработки электроэнергии с использованием оросительного потока и т. д. Поскольку такие гидроэлектростанции могут соответствовать принципу выработки электроэнергии при наличии воды, их экономическое значение более очевидно.
Дата публикации: 25 октября 2022 г.
