Схемы использования энергии приливов

Периодические повышения и понижения уровня моря при прили­вах и отливах определяются силами притяжения Земля — Луна — Солнце и центробежными силами. Приливы обычно происходят два раза в сутки, чередование максимума и минимума приливов происходит через 6 часов 12 минут. Время прилива каждые сутки смещается на 50 минут. Продолжительность полного цикла составляет 29,53 суток. Наибольшая величина прилива т. е. разность максимального уровня при приливе и минимального уровня при отливе в открытом океане составляет 2 м и значительно увеличивается у побережья, в проливах и узких заливах. Наибольшая в мире величина прилива (19,0 м) на­блюдается в заливе Фанди на Канадском побережье Атлантического океана. В СССР на побережье Охотского моря величина прилива в различных пунктах побережья составляет от 2 до 14,0 м, на побережье Кольского полуострова от 4 до 10 м.

Простейшей является однобассейная схема использования энергии приливов (рис 2-13). При наличии удобного естественного залива или фиорда который может быть отделен от моря плотиной и зданием ПЭС, он используется в качестве бассейна, наполняемого в часы прилива и oпорожняемого в часы отлива. На ПЭС предусматривают холостой водосброс. Например часть плотины делается водосливной или для холостого сброса воды используется здание ПЭС. Тогда здание выполняется или водосливного типа с переливом воды через крышу здания или совмещенного типа с водосбросными отверстиями внутри здания.

В часы прилива уровень воды в море выше, чем в бассейне и при достаточном напоре ПЭС может вырабатывать электрическую энер­гию, пропуская через турбины воду из моря в бассейн. В часы отлива создается перепад уровней между бассейном и морем. При достаточ­ных напорах ПЭС вырабатывает электрическую энергию, пропуская через турбину воду из бассейна в море. При малых напорах ПЭС про­стаивает, обычно четыре раза в сутки. Часы работы ПЭС определя­ются временем наступления приливов и отливов и каждый день соот­ветственно смещаются на 50 минут.

На ПЭС устанавливаются обратимые агрегаты двустороннего дей­ствия, которые могут работать в турбинном и насосном режимах при движении воды из моря в бассейн и из бассейна на море. На ПЭС устанавливаются агрегаты капсульного типа (см гл 8) с горизонтальном валом.| На другом его конце располагается обратимая гидравлическая машина, которая может работать попеременно как турбина и как насос. На другом конце вала в металлической капсуле, обмываемой водой, размещается обратимая электрическая машина, которая может быть использована попеременно как генератор и как двигатель.

За время одного цикла отлива - прилива, т. е. в течение примерно половины суток можно выделить шесть периодов четыре рабочих и два простоя.

1. Агрегаты ПЭС включаются в работу в турбинном режиме при достаточно высоком экономически обоснованном напоре Вода прохо­дит через турбины из бассейна в море и ПЭС вырабатывает электри­ческую энергию и отдает ее в сеть. ПЭС работает до тех пор, пока напор не понизится до напора Н холостого хода.

2. Для быстрейшего опорожнения бассейна производится холо­стой сброс воды через водосливную плотину или через водосбросные отверстия здания ПЭС. Посредством перекачки воды насосами уро­вень воды в бассейне понижают ниже уровня воды в море. При работе насосов ПЭС потребляет электрическую энергию.

3 Период ожидания, в течение которого происходит процесс по­вышения уровня воды в море Агрегаты ПЭС простаивают до тех пор, пока не будет достигнут экономически обоснованный напор, при кото­ром выгодно включать турбины

Четвертый, пятый и шестой периоды отличаются от предыдущих тем, что вода будет проходить через турбины, затем через водослив и перекачивается насосами из моря в бассейны. Перекачка воды насо­сами происходит при низких напорах, а используется она при более высоких напорах. Такое насосное аккумулирование энергии оказыва­ется весьма выгодным. Выработка электроэнергии на перекачиваемой воде превышает потребление энергии из сети для работы насосов. В результате за счет насосного аккумулирования отдача энергии ПЭС увеличивается на 5—8 %

Потребление электроэнергии в электрических системах обычно характеризуется наличием двух регулярных пиков нагрузки — утреннего и вечернего, и двух снижений – ночью и в часы дневного обеденного периода.

Для приспособления отдачи энергии к режиму электропотребления наряду с сооружением ПЭС надо построить ГАЭС или ГЭС с водохранилищем.

Возможны и другие схемы использования энергии приливов. Если, например, использовать два соседних фиорда или разделить залив плотиной на два бассейна, то получим двухбассейную схему. Здание ПЭС с оборудованием размещается между бассейнами. Один бассейн можно соединить с морем при приливе, а второй при отливе. При этом между бассейнами будет разность уровней и ПЭС большую часть суток сможет иметь напор, достаточный для работы турбин. Такая схема менее экономична, чем однобассейновая.

ПЭС Ранс и Кислогубская ПЭС построены по однобассепповой схеме. План ПЭС Ранс показан на рис 2-14. На ПЭС установлено 24 капсульных агрегата. ПЭС работает при амплитудах прилива 3,3— 13,5 м, при среднем значении 8,4 м. В составе сооружений ПЭС Ране имеется судоходный шлюз.

На рис. 2-15 представлен поперечный разрез здания Кислогубской ПЭС. При строительстве ПЭС был применен прогрессивный наплавной метод. В 100 км от Кислой Губы был изготовлен наплавной док — блок для размещения в нем агрегата. Блок был доставлен на понтонах в Кислую Губу и установлен на подготовленное основание без устройства перемычек

В СССР проведена предварительная проектная работа по Лумбовской ПЭС на Кольском полуострове мощностью 320 МВт и годовой выработкой электроэнергии около 800 млн. кВт-ч. Изучаются возмож­ности строительства на побережье Белого моря Мезенской ПЭС мощ­ностью 6 млн. кВт, и на побережье Охотского моря Тугурской ПЭС — 9 млн. кВт и Пенжинской ПЭС — 35 млн. кВт.

 

 

Гидравлические турбины.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТУРБИН

Гидравлической турби­ной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию враще­ния его рабочего колеса. Из основ­ного закона механики жидкости — закона Бернулли следует, что удельная энергия, т. е. энергия еди­ницы массы, Я на входе в рабочее колесо составляет

(9.1)

на выходе из рабочего колеса

(9.2)

Обозначения всех входящих в фор­мулы (91) и (9.2) величин приве­дены в § 3 2.

В зависимости от того, какие из трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции машины, различа­ются типы турбин.

Отданная водой рабочему колесу энергия равна разности энергий в потоке до и после рабочего ко­леса

(9.3)

Таким образом, вся энергия по­тока состоит из энергии поло­жения Z₁-Z₂ энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию), а также кинетической энергии

Турбины, хотя бы частично использующие потенциальную энер­гию, называются реактивными. В таких турбинах

(9.4)

и, следовательно, процесс преобра­зования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе ча­стично используется и кинетическая энергия потока.

Если в гидротурбинах использу­ется только кинетическая энергия потока, то они называются актив­ными.

В таких турбинах Z₁=Z₂, p₁=p₂ т. е. вода поступает на рабочее ко­лесо без избыточного давления. Для достижения высокого КПД в них почти весь напор преобразуется

в скорость.

Мощность турбины согласно уравнению (3.54) может быть вы­ражена

(9.5)

В практике принято гидротурби­ны подразделять на классы, систе­мы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные

Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые – пропеллерные и поворотно - липастные, диагональные поворотно – лопастные и радиально -осевые турбины.

В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин, двойного действия. Последние две системы не имеют столь ши­рокого распространения, как ковшовые.

Каждая система турбин содержит несколько типов., имеющих геометрически, подобные проточные части и одинаковую быстроход­ность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоко-напорные. Низконапорными принято считать, турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25 ≤ Н ≤ 80 м и высоконапорными при Н > 80 м.

Турбины подразделяются на ма­лые, средние и крупные.

К малым туpбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D_i ≤ l,2 м при низких, напорах и D_i ≤ 0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним — те турбины, у которых l,2 ≤ D_i ≤ 2,5 м при низких напорах и 0,5 м ≤ Di ≤ l,6 м при высоких, а мощность 1000 кВт<N≤15000 кВт.

К крупным турбинам относятся те, которые имеют D₁ и N₁ больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.

 

АКТИВНЫЕ ГИДРОТУРБИНЫ.

Наиболее распространенными активными гидротурбина­ми являются ковшовые. Принци­пиальная схема ковшовой турбины приведена на рис. 9.1. Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполнен­ному в виде диска, закрепленного на валу турбины, и вращающемуся в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные ло­пасти (ковши) (рис. 9.2). На ков­шах, происходит преобразование гидравлической энергии, заключен­ной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по обо­ду рабочего колеса и последова­тельно один за другим при его вра­щении принимают струю.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло пред­ставляет, собой сходящийся наса­док из отверстия которого при ра­боте турбины выбрасывается струя
воды. В сопле вся энергия воды, подведенная к нему по трубопрово­ду за вычетом потерь, обращается в кинетическую.

Игла, перемещаясь в сопле в про­дольном направлении, меняет его выходное сечение и тем самым диаметр выходящей струи. При измене­нии диаметра струи изменяется рас­ход через сопло.

Игла в одном из крайних своих положений полностью закрывает сопло и останавливает турбину. Во­да, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал.

Для быстрого отвода струп от рабочего колеса, необходимого для предотвращения гидравлического удара, возникающего при медлен­ном закрытии сопла иглой, приме­няется отклонитель, отбрасываю­щий воду в сторону. Перемещение иглы и отклонителя производится одновременно.

Таким образом, в ковшовых тур­бинах осуществляется регулирова­ние расхода и мощности турбины.

Конструктивные формы ковшо­вых турбин довольно разнообразны и могут различаться по расположе­нию вала (вертикальные и горизон­тальные), по числу сопл и рабочих колес на одном валу. Турбины используются в диапазоне напора 300—2000 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 200 МВт (ГЭС Мон-Се-пи, Франция).

 

РЕАКТИВНЫЕ ГИДРОТУРБИНЫ

К реактивным гидротур­бинам относятся: радиально-осевые пропеллерные, поворотно-лопа­стные (включая двухперовую) и диагональные. Общий вид рабочих колес представлен на рис. 9.3.

Для реактивных турбин харак­терны следующие основные при­знаки.

Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток поды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в ки­нетической форме, остальная же — потенциальная энергия, соответст­вующая разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление p/pg по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходу­ется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактив­ного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет, кривизны лопастей приводит к возникновению активного давле­ния потока. Таким образом, дейст­вие потока на лопасти рабочего ко­леса складывается из реактивного воздействия, возникаю­щего из-за увеличения относитель­ной скорости, и активного давления, возникающего из-за изме­нения направления потока

Радиально-осевые турбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной пло­скости, а после рабочего колеса — в осевом направлении, и использу­ются в довольно широком диапазоне напоров — от 30—40 м до 500— 550 м Талой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопа­стей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределен­ных по окружностям ступицы 1 (верхний обод) и нижнего обода 3 (рис 93,а и 94) Все три части объединены между собой и пред­ставляют одну жесткую конструк­цию Число лопастей может коле­баться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. За диаметр рабочего колеса принима­ется максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D₁.

Лопасти рабочих колес крупных гидротурбин имеют в сечении по ли­нии потока обтекаемую форму, что позволяет делать их значительной толщины для достижения необходи­мой прочности

С увеличением используемого напора форма рабочего колеса радиально-осевых турбин меняется, отношение выходного диаметра к входному D₂/D₁ уменьшается.

Так, для Красноярской ГЭС (Н^макс≈ 101м) D₂/D₁ = 1,13, а для Ингурской ГЭС (Н ^мак°≈ 410 м) D₂/D₁=0,68

Высоконапорные турбины обору­дуются холостыми выпусками для отвода воды от рабочего колеса и уменьшения за этот счет гидрав­лического удара при сбросе на­грузки Caмая мощная турбина та­кого типа в СССР (650 МВт) уста­новлена на Саяно-Шушенской ГЭС.

Пропеллерные турбины (Пр). Рабочее колесо такой турбины располагается в камере ниже направ­ляющего аппарата Поэтому между направляющим аппаратом и рабо­чим колесом осуществляется нера­бочий поворот потока На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.

Рабочее колесо (рис 9 3,6 и 9 5) состоит из втулки / с обтекателем 2 и рабочих лопастей 3 и, как видно из рисунков, отличается от колес радиально-осевых турбин отсутстви­ем нижнего обода, меньшим числом лопастей и их формой (в данном случае она похожа па форму гребного винта или пропеллера).

Число лопастей зависит от напо­ра и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напо­ра). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом φ=-10°;-5°; 0°; +5°; +10°; 15°; +20°, от­считываемым от некоторого средне­го положения (φ=0). Обычно на турбинах с диаметром рабочего ко­леса D_i ≥ l,6 м имеется возмож­ность перестановки лопастей при останове турбины на тот или иной угол, если такая потребность воз­никнет во время эксплуатации.

Основным достоинством пропел­лерных турбин является простота конструкции и сравнительно высо­кий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заклю­чающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД, Зона высоких значений КПД наблюдается только в узком диапазо­не изменения мощности. Этот недо­статок существенно снижает эффек­тивность пропеллерных турбин при использовании их в системах с де­фицитом энергии. Однако это несу­щественно, если основным назначе­нием ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т. е. при малом числе часов использова­ния установленной мощности ГЭС, Иногда на крупных ГЭС пропеллер­ные турбины устанавливаются со­вместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выпол­нению поворотно-лопастные турби­ны (за рубежом их называют тур­бины Каплана) отличаются от про­пеллерных только тем, что у них ло­пасти рабочего колеса в процессе работы могут поворачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (см. рис. 9.3,е).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД при постоянном напоре зависят как от открытия лопаток направляюще­го аппарата (см. § 9.4), так и от угла поворота лопастей по отноше­нию к втулке. Изменяя угол установ­ки лопастей при различных откры­тиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощ­ности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турби­ны будет иметь наибольшее значе­ние. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким
образом, что лопасти рабочего коле­са на ходу турбины могут автома­тически поворачиваться на некото­рый (оптимальный) угол ср (отсюда название поворотно лопастные) одновременно с изменением откры­тия направляющего аппарата. Та­кое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматиче­ское поддержание высокого значе­ния КПД в широком диапазоне из­менения мощности.

Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров-от 3—5 до 35—45 м. В последнее время, стремясь использовать неко­торые преимущества этих турбин перед радиально-осевыми предпри­нимаются небезуспешные попытки применять их на напоры до 70— 75 м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178 МВт) изго­товлена в СССР и установлена па ГЭС Джердан на Дунае.

Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого на­пора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (d_вт/D₁) и последующему ухудшению энергетических качеств турби­ны. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу (рис. 9.3,г; 9.6), что позволяет повы­сить пропускаемый турбиной рас­ход. Двухперовые турбины не тлеют пока широкого распространения.

Диагональные турбины (Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т. е. стремлением обеспечить возможность работы осевых турбин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми турбинами.

Отличие диагональных турбин от поворотно-лопастных заключает­ся в конструкции рабочего колеса, которая представляет собой конусо­образную втулку с расположенными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущи­ми поворачиваться вокруг своих осей (рис. 9.3,<Э). При этом втулка рабочего колеса, несмотря на свои относительно большие размеры по сравнению с втулкой у поворотно-лопастных турбин не создает стесне­ния потока. Благодаря этому за рабочим колесом нет участка с рез­ким расширением сечения, как в осевых турбинах, что в 'сочетании с другими особенностями диаго­нальных турбин обеспечило им бо­лее высокие энергетические и кавитационные (см. § 9.5) качества. Максимальное значение КПД диагональной турбины на 1,5—2,5% выше, чем осевой. Вместе с тем они сложнее по конструкции, чем осе­вые и радиально-осевые, а послед­ним в ряде случаев уступают и по кавитационным Качествам.

Диагональные турбины не имеют широкого распространения в СССР, они установлены лишь на Бухтар-мниской и Зейской ГЭС мощностью 75 и 200 МВт соответственно. Одна­ко, как показывают исследования, они могут оказаться весьма, эффективными в диапазоне напоров от 35—40 м до 150—200 м и особенно при больших колебаниях нагрузки.

Часть из рассмотренных здесь турбин может быть использована не только в вертикальном, но и в го­ризонтальном исполнении. Кроме того, турбины могут быть выполне­ны обратимыми (турбина-насос), что, в частности, важно для соору­жаемых ГАЭС.