Введение
Гидроэлектростанция (ГЭС) - электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. На сегодняшний день существуют различные виды получения электроэнергии, они различаются использованием разных видов сырья. Существуют возобновляемые источники энергии и не возобновляемые. В этом реферате будет разобран один вид получения электроэнергии на гидроэлектростанции, которая использует в качестве сырья возобновляемый источник энергии.
Люди давно научились использовать энергию движущейся воды. Если до половины погрузить в реку колесо с, то оно начнет вращаться, потому что вода будет увлекать за лопастями на ободе собой нижние лопасти колеса. Примерно так работали (и кое-где работают до сих пор) водяные мельницы. Водяное колесо в них насажено на вал жернова. Вращает вода колесо - вращается и жернов, мелет зерно.
Но вот сто с лишним лет назад появился более совершенный водяной двигатель - гидравлическая турбина (сокращенно - гидротурбина). Появились генераторы, превращающие механическую работу в электрическую энергию.
1. Устройство турбины
1.1 Составляющие турбины
1. Генератор - устройство, производящее какие-либо продукты, вырабатывающее электроэнергию или преобразующее один вид энергии в другой.
2. Статор - неподвижная часть электрической, лопаточной и другой машины, взаимодействующая с подвижной частью - ротором.
3. Ротор - вращающаяся часть, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела или отдающие её рабочему телу.
Еще в турбине находится вал, передающий вращение на генератор, а также лопатки и лопасти, благодаря которым производится вращение.
Рисунок 1. Составные части турбины ГЭС
1.2 Принцип работы ГЭС
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Из водохранилища вода попадает в водоводы. Каждый водовод имеет диаметр 7,5 метра. В теле плотины установлено около одиннадцати тысяч различных датчиков, контролирующих состояние сооружения. Из водоводов вода попадает на турбины. Благодаря их вращению, приходят в движение генераторы, которые вырабатывают электроэнергию.
Центральный пульт управления. Мозг станции, откуда всего два человека управляют её работой. Поставим у отверстия плотины гидротурбину её и она начнет вращаться, используя напор воды. Соединим турбину с генератором - его ротор тоже придет в движение, в обмотке статора появится ток.
Поток воды под напором входит в трубу и отсюда в спиральную камеру, напоминающую улитку. Двигаясь внутри камеры все ближе и ближе к центру, вода закручивается. А в центре камеры - колесо турбины. Но вода не сразу попадает на колесо, потому что оно обнесено «забором» - крепкими стальными лопатками, направляющими воду (направляющим аппаратом).
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией - естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию потока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.
В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных турбин - ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных - поворотно-лопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож - вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами - стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.
Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды.
Русловые и плотинные ГЭС наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
Приплотинные ГЭС строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.
Деривационные гидроэлектростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние - спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида - безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище. Такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции) способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.
В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.
Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.
2. Компоненты автоматизации турбины ГЭС
2.1 Управление турбиной
турбина гидроэлектростанция трубчатый манометр
Турбины проектируются во взаимной увязке со всеми элементами турбинной установки. Турбинная установка (турбинный блок ГЭС) радиально-осевой турбины на примере Саяно-Шушенской ГЭС состоит из водоприёмника оборудованного сороудерживающей решёткой. Турбинный водовод имеет перед входом пазы для установки ремонтных затворов. Для защиты турбины в случае отказа направляющего аппарата имеются специальные пазы, где установлены быстропадающие затворы (аварийные), которые опускаются от действия автоматических устройств, контролирующих недопустимое повышение частоты вращения агрегата. Быстропадающий затвор приводится в действие гидроподъёмником. Для ремонта всего гидромеханического оборудования водоприёмников предусмотрены специальные козловые краны.
Рабочее колесо турбины располагается в камере и состоит из трёх жестко связанных частей - обода, ступицы, между которыми располагаются лопасти сложной пространственной формы. Число лопастей турбины может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин.
Подвод воды от турбинных водоводов к рабочему колесу осуществляется через спиральную камеру, имеющую в плане форму "улитки" (тора переменного сечения). У входа в турбинный водовод, где наибольшие расходы воды, площадь сечения спиральной камеры наибольшая.
Со стороны турбины в спиральной камере имеется вырез цилиндрической формы - вход из спиральной камеры в камеру рабочего колеса. Вырез разделен на несколько пролетов колоннами статора, который удерживает массу вращающихся частей агрегата верхней части спиральной камеры и частично вес железобетонного массива над камерой. По окружности, перед входом в камеру рабочего колеса расположен направляющий аппарат в виде вертикально расположенных лопаток, способных поворачиваться вокруг вертикальной оси (типа жалюзи) вплоть до полного закрытия межлопаточного пространства. Лопатки при их повороте обеспечивают изменение расхода воды (мощности) через турбину и оптимальное обтекание лопастей рабочего колеса, что повышает КПД турбины. При необходимости, закрывая лопатки направляющего аппарата, производят остановку турбины. Лопатки направляющего аппарата приводятся в движение сервомоторами. Отвод воды от турбины происходит через отсасывающую трубу, где гаситься почти вся остающаяся энергия потока. Отсасывающая труба имеет на выходе пазы, в которые опускается ремонтный затвор с помощью козлового крана.
В машинном зале ГЭС расположена маслонапорная установка (МНУ) для обеспечения гидравлического привода лопаток направляющего аппарата. Посредством вала турбина сочленяется с генератором, образуя единое целое - агрегат. Генератор опирается (вращающаяся часть) через опору на крышку турбины, которая в свою очередь передаёт усилие от всех вращающихся частей на колонны статора турбины. Для обслуживания всего оборудования машинного зала предусмотрены мостовые краны. Электроэнергия от генератора через систему токопроводов и повышающий трансформатор передаётся посредством системы воздушных проводов и распределительного устройства в электрическую сеть.
Турбинные установки с горизонтальными капсульными осевыми турбинами нашли широкое применение на низконапорных равнинных гидроузлах. Их основное достоинство (и преимущество перед вертикальными осевыми турбинами) - возможность размещения гидроагрегатов в теле водосбросной плотины без значительного заглубления, необходимого для размещения отсасывающих труб. Благодаря осевому (вдоль течения реки) потоку и простым гидравлически благоприятным формам проточной части, горизонтальные капсульные турбины имеют большую по сравнению с вертикальными пропускную способность и соответственно большую, примерно на 20-25% мощность при одинаковых габаритах рабочего колеса. В СССР успешно работало более 50 капсульных гидроагрегатов мощностью 18-20 МВт (Киевская и Каневская ГЭС на Днепре, Череповецкая ГЭС на реке Шексна). Как мы уже видели, мощность турбины при постоянном напоре будет зависеть лишь от расхода, поскольку КПД изменяется при изменении мощности, но не так существенно, как расход, т.е. изменение (регулирование) мощности турбины задается изменением расхода воды.
Регулирование расхода производится путём изменения открытия лопаток направляющего аппарата. Максимальная величина открытия и соответственно мощность турбины выбирается и задаётся в процессе её проектирования. При нормальных условиях работы турбины постоянная частота вращения и установившийся расход поддерживаются системой регулирования, исполнительным органом которой является. Главным начальным звеном системы регулирования является регулятор, который выполняет функции измерения необходимых параметров и формирует стабилизирующие сигналы. В современных турбинах применяются электрогидравлические регуляторы частоты вращения (ЭГР) в старых конструкциях ещё встречаются гидромеханические регуляторы.
При плановых (плавных) изменениях мощности турбины, происходящих за достаточно длительные промежутки времени (более 10 секунд), регулирование расхода производится также плавно, и процесс в каждый момент времени следует рассматривать как стационарный (установившийся).
К нестационарным (переходным) процессам, которые возникают при регулировании турбины, относятся: пуск; резкие изменения мощности (нагрузки); остановка; сброс нагрузки (мгновенное отключение генератора от сети); перевод генератора в режим синхронного компенсатора; разгон турбины и его прекращение; наброс нагрузки (быстрый автоматический набор нагрузки при отключении мощных генерирующих источников в энергосистеме).
Нестационарные процессы приводятся к устойчивому режиму системой регулирования, параметры приведения процесса к устойчивому режиму (частота вращения, давление в напорном водоводе) носят название гарантии регулирования. Сбросы и набросы нагрузки являются неизбежными процессами при эксплуатации энергосистем, поэтому на их последствия рассчитываются турбины и агрегат в целом. Наибольшие динамические воздействия (нагрузки), связанные с высокой частотой вращения агрегата (крайний случай - разгон), гидравлическим ударом, пульсациями в проточной части и вибрациями, имеют место при сбросах нагрузки, а также при закрытии турбины, вышедшей в разгон. Поэтому эти режимы являются основными при проведении расчётов переходных процессов.
При сбросе нагрузки и неисправной системе регулирования и при этом неисправном запорном устройстве (затворе) на водоводе турбины, который «не сработал» и остается открытым, частота вращения турбины будет быстро возрастать и через некоторое время достигнет максимальной для данной турбины установившейся величины, которая называется разгонной (угонной) частотой вращения.