Глава 1. Конструктивные особенности и принципы работы гэс

Введение.

Энергетика - базовая отрасль промышленности любого государства. Состояние энергетической отрасли во многом определяет экономическое развитие страны, социально-бытовой уровень жизни населения. Потребление энергии увеличивает  продолжительность жизни населения планеты, улучшает  условия труда и социально-бытовую сферу жизни человека [1].

В то же время энергетика - главный источник неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Использование энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), приводит к потреблению кислорода и выбросу в атмосферу токсичных газов, твёрдых веществ и накоплению диоксида углерода (CO₂), который обладает способностью удерживать отраженное Землёй солнечное излучение и приводит к парниковому эффекту [1].

Электрическая энергия - вид  энергии, чаще всего используемый человеком. Достоинства электроэнергии общеизвестны: это экологически- чистый вид энергии: её можно передавать на большие расстояния потоками с высокой концентрацией: легко делить и с высокой эффективностью преобразовывать в другие виды энергии: тепловую, механическую, световую, химическую [1].

Для получения электрической энергии необходимы энергетические ресурсы, которые могут быть возобновляемые и невозобновляемые. К возобновляемым ресурсам относят те, которые полностью восстанавливаются в пределах жизни одного поколения (вода, ветер, древесина и т. д.). К невозобновляемым ресурсам относят ранее накопленный в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся – уголь, нефть, газ[1].

Получение электрической энергии подразумевает однократное или многократное преобразование различных видов энергии. При этом энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра и т. п.), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на электростанциях, называется вторичной (электрическая энергия, Энергия пара, горячей воды и т. д.)[1].

Водные ресурсы земного шара огромны. Они дают 1/5 всей электроэнергии на Земле. Обеспечивают её подачу самые большие в мире машины.

Современная гидроэнергетика - экономичный и экологически безопасный способ получения электроэнергии. Малая гидроэнергетика идёт в этом направлении ещё дальше. Небольшие электростанции позволяют сохранять природные ландшафты, окружающую среду не только на этапе эксплуатации, но и в процессе строительства. При последующей эксплуатации отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она полностью сохраняет первоначальные природные свойства. В реках сохраняется рыба, вода может использоваться для водоснабжения населения. В отличии от других экологически безопасных возобновляемых источников электроэнергии, таких как солнце, ветер, малая гидроэнергетика почти не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу дешёвой электроэнергии потребителю. Ещё одно преимущество малой энергетики - экономичность. Использование дешёвой, доступной, возобновляемой энергии рек, особенно малых, позволяет вырабатывать дешёвую электроэнергию. К тому же сооружение объектов малой энергетики имеет низкие затраты и быстро окупается[2].

 Гидроэлектростанции и гидроаккумулирующие электростанции (ГЭС и ГАЭС) по-прежнему занимают особое важное место, выполняя главную роль по регулированию параметров в нестационарных режимах[4].

Гидроэлектростанция (ГЭС) – основной объект гидроэнергетики. Она представляет собой неразрывную систему гидротехнических сооружений и оборудования для получения электрической энергии из энергии воды[7]. В настоящее время возможности гидроэнергетики, особенно на малых реках, используются не в полной мере, поэтому исследование и создание малых ГЭС является актуальным.

Цель: изучение принципов работы и показателей гидроэлектроустановок.

Задачи:

1. Провести анализ развития и современного уровня технического состояния гидроэлектростанций.

2. Описание физических принципов работы гидроэлектростанций.

3. Рассмотреть основные конструктивные особенности ГЭС.

4. Провести экспериментальное исследование получения электрической энергии с помощью турбины.

5. Рассчитать основные параметры турбины, получить зависимости характеристик турбины от давления.

Активные турбины.

В классе активных турбин наиболее распространенной системой являются ковшовые (турбины Пельтона, рис. 2) [7].

Рис. 2. Ковшовая турбина Пельтона

В ковшовой турбине вода из верхнего бьефа (1) подводится трубопроводом (2) к рабочему колесу (4) через сходящийся насадок – сопло (3). На выходе из сопла струя воды приобретает высокую скорость v. Скорость истечения струи из отверстия (сопла) v:

v = k ,

где k = 0,970-0,985 – коэффициент, характеризующий потери напора в проточной части турбины и на выходе из сопла [7].

Рабочее колесо ковшовой турбины расположено в воздушном пространстве. Оно снабжено ковшеобразными лопастями (ковшами) (7), каждая из которых последовательно принимает на себя высокоскоростную струю. Внутри сопла (3) имеется регулирующая игла. Игла перемещается вдоль оси потока и меняет диаметр выходящей из сопла струи, регулируя расход воды (мощность). Для быстрого отвода струи от рабочего колеса в ковшовой турбине имеется отклонитель (6). Рабочее колесо, сопло и отклонитель заключены в закрытый кожух (5). Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает в отводящий канал (нижний бьеф). В настоящее время выпускаются ковшовые турбины с несколькими соплами на одной турбине [7].

Реактивные турбины.

Особенности реактивных турбин: расположение рабочего колеса полностью в воде и одновременный подвод воды ко всем лопастям турбины.      

Параметры турбин являются: напор (Н), расход (Q), мощность (N). Вода из верхнего бьефа через водозабор (водоприёмник) по напорному подводящему турбинному водоводу и спиральную камеру подводится к рабочему колесу турбины под давлением. На рабочем колесе поток теряет большую часть своей энергии и отводится через камеру рабочего колеса и отсасывающую трубу в нижний бьеф [7].

Мощность турбины N (кВт) при заданных (расчетных) значениях H и Q называют номинальной. Минимальная мощность соответствует Н мин. Частота вращения в установившемся режиме n (об/мин) и диаметр рабочего колеса D_I (м) являются параметрами, определяемыми для выбора турбин. Получение трехфазного тока частотой 50 Гц - синхронная частота вращения, необходимая для работы турбин в России[7].

Рабочее колесо связано со всеми узлами турбины, с параметрами проектируемого агрегата и ГЭС в целом, в проточной части определяет  КПД и надёжность агрегата [7].

 Гидроэлектрические дамбы-эти машины блокируют движение реки и создают большой резервуар, в котором образуется давление. Оно приводит в движение турбины, которые производят электричество. Вместо дыма они обеспечивают давление воды- это главное для работы плотины.

Плотина забирает воду из резервуара через впускные башни. Вода затягивается вниз под действием силы тяжести: , где 9,8 .Пока она опускается, давление воды увеличивается: - давление жидкости, где -плотность, h-высота(глубина), g 9,8 - ускорение свободного падения. Чем глубже, тем выше давление воды. На значительной глубине оно составляет 100000 . Вода под давлением поступает из впускных тоннелей в конусообразные трубы. Здесь образуется мощный поток воды, который врывается в турбины. Но для того, чтобы управлять производимой электроэнергией, надо контролировать этот мощный поток. Шлюзовые ворота открываются и закрываются для того, чтобы изменить количество воды, вращающейся в турбинах.

Вал соединяет каждую турбину с генератором. Он содержит комплект электромагнитов, которые вертятся в медной обмотке. Вращающееся магнитное поле выталкивает электроны из витков металла, и это создаёт электрический поток.

У этого сооружения 17 турбинно-генераторных установок, которые отправляют полученное электричество на трансформаторы, откуда уже по проводам электроэнергию получают люди.

Выводы.

Энергетика - базовая отрасль промышленности любого государства. Потребление энергии увеличивает  продолжительность жизни населения планеты, улучшает  условия труда и социально-бытовую сферу жизни человека. В то же время энергетика - главный источник неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Электрическая энергия - вид  энергии, чаще всего используемый человеком. Для получения электрической энергии необходимы энергетические ресурсы, которые могут быть возобновляемые и невозобновляемые. Получение электрической энергии подразумевает однократное или многократное преобразование различных видов энергии. Люди с самой древности задумывались об использовании водной энергии, поэтому начали её тщательно изучать и построили первые водяные колёса. Современная гидроэнергетика - экономичный и экологически безопасный способ получения электроэнергии. Малая гидроэнергетика идёт в этом направлении ещё дальше. Сегодня для работы ГЭС на реках созданы водохранилища, но пока людям служит небольшая часть гидроэнергетического потенциала Земли. Существует негативные последствия для природы, связанные с сооружением плотин и водохранилищ на реках. После заполнения водохранилища под водой оказываются ценные земли, без возможности восстановления. Исчезают также ценные животные и растения. Из-за них вода теряет свою скорость и способность к самоочищению. Создание крупных водохранилищ изменяет климат региона. Безопасность сооружения – это его характеристика не создавать опасности для жизни и здоровья людей, экономики и окружающей среды. Поэтому человечество пытается найти способы, обеспечивающие эту безопасность.

2.

Выводы

Основными энергетическими параметрами турбины являются мощность и КПД. В проекте был проведён эксперимент, в котором была сымитирована работа ГЭС. Были измерены сила тока и напряжение турбины на холостом ходу в зависимости от времени истечения воды. Построены графики зависимости мощности, силы тока и напряжения. Проведены расчёты мощности, работы, энергии и КПД турбины. Предельное давление, при котором турбина вырабатывает электрический ток, составило 7 кПа.

Заключение.

Энергетика очень важна для человечества и использовалась с глубоких времён. Современная гидроэнергетика - экономичный и экологически безопасный способ получения электроэнергии. Малая гидроэнергетика идёт в этом направлении ещё дальше. Сегодня для работы ГЭС на реках созданы водохранилища, но пока людям служит небольшая часть гидроэнергетического потенциала Земли. Работа  ГЭС основана на превращении кинетической энергии движения воды в электрическую с помощью гидротурбины. Основными показателями эффективности работы гидроэлектроустановки являются вырабатываемая ею мощность и КПД. В работе был проведён эксперимент, в котором была сымитирована работа ГЭС. Были измерены силы тока и напряжение турбины на холостом ходу в зависимости от времени истечения воды, проведён расчёт мощности и КПД турбины при изменении давления воды. По полученным данным  построены графики зависимости силы тока, напряжения и мощности от времени, рассчитаны работа, энергия и КПД турбинной установки. Предельное давление выработки тока турбины составило 7 кПа. Для эффективного использования ГЭС на малых реках необходимо дальнейшее исследование этого вопроса.

Таким образом, были проведены анализ развития и современного уровня технического состояния гидроэлектростанций, описаны физические принципы работы гидроэлектростанций, рассмотрены основные конструктивные особенности ГЭС, проведено экспериментальное исследование получения электрической энергии с помощью турбины, рассчитаны основные параметры турбины, получены зависимости характеристик турбины.

 

 

Библиографический список.

1. Обухов С.Г. Системы генерирования электрической энергии с использованием возобновляемых энергоресурсов: учебное пособие. Изд-во Томского политехнического университета, 2008.

2. Пономаренко А.С. Классификация и перспективы минигидроэлектростанций. Научный журнал КубГАУ, №89(05),2013.

3. Касымбеков Ж.К., Искакова А.С. Использование малой ГЭС как источника альтернативного электроснабжения. Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева.

4. Брызгалов В.И, Гордон Л.А. Гидроэлектростанции: учебное пособие. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002.

5. Василий Горбунов. История энергетики [Электронный ресурс]: блог об энергетике//URL: https://energoworld.ru/blog/istoriya-energetiki/ (дата обращения: 28.03.2018)

6. Источники энергии – история и современность[Электронный ресурс]//URL: https://ecoteco.ru/library/magazine/zhurnal-211/tehnologii/istochniki-energiiistoriya-i-sovremennost (дата обращения: 28.03.2018)

7. Затеев В.Б. Введение в специальность гидроэлектроэнергетика: учебное пособие. Саяногорск: СШФ СФУ, 2007.

8. Михайлов Л.П., Фельдман Б.Н., Марканова Т.К. Малая гидроэнергетика. М.: Энергоатомиздат, 1989.

9. Нетрадиционные источники энергии и их влияние на окружающую среду[Электронный ресурс]// URL: http://www.newreferat.com/ref-25217-2.html (дата обращения: 28.03.2018)

10. Расход воды через трубу при нужном давлении[Электронный ресурс]//URL: https://hitropop.com/voda/normy/rashod-pri-davlenii.html (дата обращения: 28.03.2018)

11. Зависимость давления жидкости от скорости ее течения[Электронный ресурс]//URL:   http://tepka.ru/fizika/5.13.html(дата обращения: 28.03.2018)

 

 

Приложение 1

Приложение 2

Введение.

Энергетика - базовая отрасль промышленности любого государства. Состояние энергетической отрасли во многом определяет экономическое развитие страны, социально-бытовой уровень жизни населения. Потребление энергии увеличивает  продолжительность жизни населения планеты, улучшает  условия труда и социально-бытовую сферу жизни человека [1].

В то же время энергетика - главный источник неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Использование энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), приводит к потреблению кислорода и выбросу в атмосферу токсичных газов, твёрдых веществ и накоплению диоксида углерода (CO₂), который обладает способностью удерживать отраженное Землёй солнечное излучение и приводит к парниковому эффекту [1].

Электрическая энергия - вид  энергии, чаще всего используемый человеком. Достоинства электроэнергии общеизвестны: это экологически- чистый вид энергии: её можно передавать на большие расстояния потоками с высокой концентрацией: легко делить и с высокой эффективностью преобразовывать в другие виды энергии: тепловую, механическую, световую, химическую [1].

Для получения электрической энергии необходимы энергетические ресурсы, которые могут быть возобновляемые и невозобновляемые. К возобновляемым ресурсам относят те, которые полностью восстанавливаются в пределах жизни одного поколения (вода, ветер, древесина и т. д.). К невозобновляемым ресурсам относят ранее накопленный в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся – уголь, нефть, газ[1].

Получение электрической энергии подразумевает однократное или многократное преобразование различных видов энергии. При этом энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра и т. п.), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на электростанциях, называется вторичной (электрическая энергия, Энергия пара, горячей воды и т. д.)[1].

Водные ресурсы земного шара огромны. Они дают 1/5 всей электроэнергии на Земле. Обеспечивают её подачу самые большие в мире машины.

Современная гидроэнергетика - экономичный и экологически безопасный способ получения электроэнергии. Малая гидроэнергетика идёт в этом направлении ещё дальше. Небольшие электростанции позволяют сохранять природные ландшафты, окружающую среду не только на этапе эксплуатации, но и в процессе строительства. При последующей эксплуатации отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она полностью сохраняет первоначальные природные свойства. В реках сохраняется рыба, вода может использоваться для водоснабжения населения. В отличии от других экологически безопасных возобновляемых источников электроэнергии, таких как солнце, ветер, малая гидроэнергетика почти не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу дешёвой электроэнергии потребителю. Ещё одно преимущество малой энергетики - экономичность. Использование дешёвой, доступной, возобновляемой энергии рек, особенно малых, позволяет вырабатывать дешёвую электроэнергию. К тому же сооружение объектов малой энергетики имеет низкие затраты и быстро окупается[2].

 Гидроэлектростанции и гидроаккумулирующие электростанции (ГЭС и ГАЭС) по-прежнему занимают особое важное место, выполняя главную роль по регулированию параметров в нестационарных режимах[4].

Гидроэлектростанция (ГЭС) – основной объект гидроэнергетики. Она представляет собой неразрывную систему гидротехнических сооружений и оборудования для получения электрической энергии из энергии воды[7]. В настоящее время возможности гидроэнергетики, особенно на малых реках, используются не в полной мере, поэтому исследование и создание малых ГЭС является актуальным.

Цель: изучение принципов работы и показателей гидроэлектроустановок.

Задачи:

1. Провести анализ развития и современного уровня технического состояния гидроэлектростанций.

2. Описание физических принципов работы гидроэлектростанций.

3. Рассмотреть основные конструктивные особенности ГЭС.

4. Провести экспериментальное исследование получения электрической энергии с помощью турбины.

5. Рассчитать основные параметры турбины, получить зависимости характеристик турбины от давления.

Глава 1. Конструктивные особенности и принципы работы ГЭС