Стартовая >> Архив >> Генерация >> Гидроэлектрические станции

Нетрадиционные источники гидравлической энергии - Гидроэлектрические станции

Оглавление
Гидроэлектрические станции
Введение
Гидравлическая энергия
Водные ресурсы и водохозяйственные комплексы
Водохозяйственные и энергетические комплексы
Состав сооружений и компоновка
Гидроэлектростанции с приплотинными зданиями
Деривационные гидроэлектростанции
Головные узлы, сооружения станционных узлов деривационных гидроэлектростанций
Использование технико-экономических показателей при проектировании
Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты
Многолетнее регулирование стока
Диспетчерское регулирование
Водноэнергетические расчеты на основе балансового метода
Работа гидроэлектростанций в энергосистеме
Гидроаккумулирующие электростанции
Схемы гидроаккумулирующих электростанций
Особенности компоновок ГАЭС
Приливные электрические станции
Нетрадиционные источники гидравлической энергии
Волновые энергетические установки
Состав оборудования зданий
Выбор агрегатов ГЭС
Гидрогенераторы
Системы и устройства гидрогенераторов
Схемы главных электрических соединений
Повышающие трансформаторы
Схемы питания собственных нужд
Элегазовые подстанции
Средства измерения
Механическое оборудование
Сороудерживающие стержневые решетки и их очистка
Подъемно-транспортное оборудование
Масляное хозяйство
Пневматическое хозяйство
Система осушения проточной агрегатов
Служебные помещения здания станции
Подъездные пути
Русловые здания
Русловые здания совмещенного типа
Русловые здания с горизонтальными агрегатами
Водоприемники русловых зданий станций
Особенности приплотинных зданий станций
Здания деривационных станций
Подземные здания гидроэлектростанций
Размещение главных повышающих трансформаторов
Конструкции обделок подземных зданий
Полуподземные здания станций
Русловые здания малых ГЭС
Приплотинные здания и здания деривационных малых ГЭС
Элементы конструкций зданий
Конструкции и размеры надагрегатной части зданий станций
Температурные и осадочные швы
Монтажная площадка
Специальные вопросы гидравлики зданий
Элементы отводящего русла
Здания гидроаккумулирующих электростанций
Здания ГАЭС с двухмашинными агрегатами
Специальные типы агрегатов и зданий ГАЭС
Здания приливных электростанций
Водоприемники гидроэлектростанций
Работа, типы и конструкции безнапорных водоприемников
Отстойники гидроэлектростанций
Типы отстойников гидроэлектростанций
Деривационные каналы
Деривационные туннели
Напорные деривационные   трубопроводы
Технико-экономические расчеты деривационных водоводов
Напорные бассейны ГЭС
Бассейны суточного регулирования ГЭС и верхние бассейны ГАЭС
Напорные станционные водоводы
Конструкции стальных трубопроводов
Опоры свободно лежащих стальных трубопроводов
Железобетонные и сталежелезобетонные трубопроводы
Туннельные станционные водоводы
Неустановившиеся режимы работы гидроэлектростанций
Строительство, монтаж оборудования
Пусковой комплекс
Эксплуатация гидроэлектростанций
Проектирование гидроэлектростанций
Порядок выполнения и утверждения проектов гидроэлектростанций
Список литературы

ГЛАВА 9
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ИХ ПОТЕНЦИАЛ

Выше были рассмотрены гидроэлектростанции, использующие энергию естественных водотоков (ГЭС), приливных колебаний в морях (ПЭС), а также гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Однако водные массы нашей планеты обладают огромным потенциалом механической (течения, приливы, волны), тепловой (градиент температур), химической (градиент солености, биомасса), атомной (тяжелая вода) энергии, способы использования которой находятся только в начальной стадии разработки. В связи с этим такие источники энергии называются нетрадиционными.
Все множество нетрадиционных гидроэнергетических установок, использующих механическую энергию воды (зарегистрировано более 2000 патентов на их конструкции), можно разделить на три основных класса: использующие (преобразующие) энергию гидростатического давления водных масс; использующие кинетическую энергию водных потоков и использующие энергию ветрового волнения и зыби в морях и океанах (см. рис. 9.5). Каждый из этих классов установок в свою очередь разделен по ряду признаков на группы, описание которых приведено в § 9.2 — 9.4.
Нетрадиционные гидроэнергетические установки до последнего времени не рассматривались как источник энергии, способный внести практический вклад в энергобаланс современного мира. Поэтому энергопотенциал нетрадиционных источников пока определен на уровне оценок и <в дальнейшем должен быть уточнен.
Течения в морях и океанах бывают непериодические, муссонные (пассатные) и приливно-отливные. В последние годы основное внимание уделяют изучению возможности использования энергии непериодических течений. Суммарная потенциальная мощность главных непериодических течений оценивается от 5 до 300 млрд. кВт. Такие существенные расхождения объясняются различиями в методиках расчета и отсутствием достаточно четких представлений о том, при каких параметрах течения энергию его можно эффективно использовать. Пока еще неизвестно и то, какая доля энергии течения может быть отнята от него без вредных экологических последствий; по предварительным оценкам эта доля не должна превышать 1 — 2 %.
Достоинствами энергии океанских течений являются высокая обеспеченность их мощности, предсказуемость изменений мощности во времени, постоянство или закономерность изменения направления течений [11, 12].
В энергетическом отношении наибольший интерес представляют течения Гольфстрим и Куросио, несущие соответственно 83 и 56 млн. м3/с воды. Энергетическая мощность Флоридского течения у восточного побережья США, являющегося частью системы Гольфстрим, при расходе 30 млн. м3/с оценивается в 18 млн. кВт. Часть течения Куросио, проходящая у юго-восточного побережья Японии, имеет расход 22 млн. м3/с, а его мощность оценивается в 8 млн. кВт. В Северном полушарии может быть также использована энергия муссонного Сомалийского течения, омывающего восточное побережье Африки. В Южном полушарии может быть использована энергия Перуанского, Бенгельского и Игольного течений, омывающих побережья Перу, Юго-Западной и Юго-Восточной Африки.
Суммарная мощность ветровых волн в океанах земного шара оценивается от 100 млн. до 45 — 90 млрд. МВт. Столь большие расхождения (на три порядка) в оценках объясняются различиями в методике определения мощности реальных волн и выбором момента, на который дается такая оценка. Средняя высота волн в Мировом океане равна 2,5 м, их период 8 с. При таких параметрах удельный (на 1 м фронта волны) лоток энергии составляет 75 кВт/м. Значения удельного потока энергии ветрового волнения, кВт/ы, в морях СССР составляют:
Азовское.                                                                                    3
Аральское                                                                      . . 9
Балтийское                                                                    . 7 — 8
Баренцево                                                                      . 22 — 29
Белое . .                                                                          . 9 — 10
Берингово .                                                                     15 — 44


Рис. 9.1. Гидроосмотическая электростанция с плотинным водозабором в устье реки:
1 — плотина; 2 — водоприемник пресной воды; 3 — насосная станция подкачки соленой морской воды; 4 — резервуар высокого давления; 5 — полупроницаемая мембрана; 6 — демпфирующая воздушная прослойка; 7 — энергетический водоприемник; 8 — слив излишков пресной воды; 9 — здание ГЭС; 10 — водоприемник соленой морской воды

Каспийское                                                                        7 — 11
Охотское                                                                            12 — 20
Черное                                                                                 6 — 8
Японское                                                                         21 — 31
Суммарная мощность волн, набегающих на береговую линию (в пределах СССР), составляет, млн. кВт: на Черном море—14,7; Каспийском —67,5; Баренцевом — 55,9; Балтийском — 9,1; Охотском — 129.
Достоинствами волновой энергии являются ее возобновляемость, значительный суммарный потенциал, увеличение мощности волн в осенне-зимний период, когда возрастает и потребление электроэнергии [12, 40].
Большой интерес представляет идея использования в гидроэнергетических установках энергии осмотического давления, возникшая в 1975 г. [11].
Явление осмоса представляет собой проникновение (диффузию) молекул воды через полупроницаемую мембрану, отделяющую пресную воду от морской и имеющую отверстия такого размера, что молекулы воды могут проходить через них, а более крупные молекулы соли — нет. Если в сосуд поместить такую полупроницаемую мембрану между пресной и соленой водой, то осмотические силы начнут «перекачивать» пресную воду в соленую, и этот процесс прекратится тогда, когда давление столба воды в «соленом» отсеке сосуда станет равным давлению осмоса П, эквивалентному для обычной морской воды напору в 220 — 240 м, а для более насыщенных растворов, как в лиманах с интенсивным испарением, — до 3000 — 5000 м. Расход пресной воды, проходящей через мембрану, пропорционален разности давлений П—Р, где Р — давление со стороны «соленого» отсека.
Энергетический потенциал гидроосмотических электростанций можно оценить, приняв Р=0,5П и считая КПД процесса преобразования энергии 65 %. В этих условиях 1 м3 пресной воды в процессе смешения с соленой морской водой дает около 0,15 кВт-ч. Следовательно, при впадении Волги в Каспийское море можно получить в год около 15 млрд. кВт-ч, Днепра в Черное море—10 млрд. кВт-ч, Амура в Татарский пролив — 12 млрд. кВт-ч. Общий гидроосмотический энергетический потенциал рек мира даже при использовании части их стока равен ориентировочно 700 млрд. кВт-ч/год.
Возможная схема гидроосмотической электростанции с плотиной в устье реки показана на рис. 9.1. Выполненные проработки показали, что удельная стоимость таких станций пока составляет около 10 000 дол/кВт, что приблизительно в 10 раз выше стоимости обычных ГЭС. Основной проблемой является создание требуемых полупроницаемых мембран, способных пропускать достаточно большой расход.
Энергопотенциал других возможных для использования нетрадиционных источников гидравлической энергии, например течений в реках, каналах и трубопроводах, пока не определен даже на уровне оценки.

СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО ПЕРЕПАДА УРОВНЕЙ ВОДЫ

Гидроэлектростанции с «испаряющимся» нижним бьефом разработаны для ряда стран с жарким климатом. Основная идея проектов заключается в том, чтобы поддерживать уровень нижнего бьефа постоянным за счет интенсивного испарения. В качестве верхнего бьефа предусматривается использование морей или океанов. Во всех других отношениях установки с «испаряющимся» нижним бьефом не отличаются от традиционных гидроэлектростанций.
Примерами могут служить проекты ГЭС на впадине Каттара в АРЕ, на Мертвом и Красном морях, на низменности Качский Ранн в Индии.
Проект затопления впадины Каттара. Впадина Каттара площадью 20,7 тыс. км2 расположена в Ливийской пустыне на северо-западе АРЕ. Ее заболоченное дно находится на 133 м ниже уровня Средиземного моря. При заполнении впадины на 73 м образуется озеро с зеркалом воды площадью 12,1 тыс. км2, длиной около 300 км, шириной 100 км. Толщина слоя испарения составит 1,8 м в год. Объем испаряющейся воды 215 млрд, м3 в год будет компенсироваться расходом, подаваемым из Средиземного моря. На этом расходе при напоре 60 м может работать ГЭС мощностью 1200 МВт. Для сооружения канала длиной 76 км рассматривается возможность применения 180 — 200 атомных взрывов мощностью от 0,1 до 1 млн. т.

Рис. 9.2. ГЭС с «испаряющимся» нижним бьефом на Мертвом море. Разрез по трассе водопроводящих сооружений

Впадина Каттара будет заполнена до расчетной отметки через 10 лет после начала заполнения. За это время в нижний бьеф поступит 372 км3 воды, из которых испарится 163 км3. После заполнения впадины гидроузел будет дополнен ГАЭС мощностью 5800 МВт, нижним бассейном которой будет впадина Каттара, а верхним — естественное понижение местности Дейр-Кирайим вместимостью 44 млн. м3, расположенное у границы впадины.
Проект ГЭС на Мертвом море. В настоящее время уровень Мертвого моря на 392 м ниже уровня Средиземного моря. Потерн на испарение воды в нем составляют от 60 до 70 м3/с. Естественный приток не покрывает эти расходы, и уровень Мертвого моря понижается. Перед строительством ГЭС предполагается понизить уровень Мертвого моря до отметки —395,5 м. В дальнейшем в течение года может быть использован объем воды, который испаряется с поверхности моря, равной 950 км2. Среднегодовая обеспеченная мощность ГЭС оценивается в 120 МВт, установленная мощность по проекту 300 МВт.
В состав сооружений ГЭС входят (рис. 9.2): водоприемник 1 на берегу Средиземного моря, предохраняющий деривацию от заиления; открытый деривационный канал 2 длиной 7 км; горизонтальный напорный туннель 3 длиной 65 км и диаметром 8 м; напорный бассейн 4 на берегу Мертвого моря, образованный плотиной в естественном углублении местности длиной 3 км и обеспечивающий возможность суточного регулирования; вертикальная напорная шахта 5; подземное здание ГЭС 6 с тремя агрегатами по 100 МВт с радиальноосевыми турбинами; отводящий туннель.
Проект ГЭС на Красном море. Верхним бьефом ГЭС будет Индийский океан, нижним — Красное море. Плотину предусматривается построить в узком месте Баб-эль-Мандебского пролива, напор образуется за счет испарения воды из Красного моря. При скорости испарения 3,5 м в год через 10 лет после окончания строительства плотины напор составит 35 м. Это позволит ввести в действие ГЭС установленной мощностью 11 500 МВт. Оптимальный напор 500 м будет достаточен для сооружения ГЭС мощностью 67 000 МВт, имеющей выработку 570 млрд. кВт-ч/год. Начать эксплуатацию ГЭС намечается через 10 лет после окончания строительства плотины; напор в 500 м установится через 240 лет.
Гидроэлектростанции, использующие талые ледниковые воды. Из предлагаемых в последние годы способов создания концентрированного перепада уровней воды наиболее осуществимым является использование талых ледниковых вод.
В естественных условиях на юге Гренландии при таянии снега летом образуется 210 — 360 км3 воды на средней высоте свыше 1000 м над уровнем моря, что соответствует потенциальной выработке электроэнергии 660 — 800 млрд. кВт-ч/год и требует объема водохранилищ 100 — 180 км3 для круглогодичного производства электроэнергии. На побережье острова намечено 15 площадок для сооружения гидроэлектростанций общей мощностью 60 — 120 млн. кВт. Схемы и конструкции ГЭС для таких условий освоены, однако способы сбора и хранения ледниковой воды, в том числе с помощью ледовых плотин, должны быть разработаны.
Одновременно изучаются возможности искусственной интенсификации таяния ледников с целью энергетического использования талых вод. «Добывать» ледниковую воду предлагается с помощью «окрашивания» поверхности ледника в темный цвет, например угольной пылью, с одновременным устройством системы водосборных сооружений.
В некоторых горных странах на склонах гор, подверженных постоянному действию ветра, предлагается создавать сооружения с целью сбора конденсируемой влаги и использования полученной таким образом воды на гидроэнергетических установках.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКОВ ВОДЫ

Установки, предназначенные для преобразования кинетической энергии водных потоков, можно разделить на две группы: установки для преобразования энергии безнапорных потоков (в каналах, реках, морях и океанах) и установки для преобразования энергии напорных потоков (в трубопроводах систем водоснабжения, канализации, гидротранспорта и т. п.). В свою очередь первая группа установок условно может быть разделена на две подгруппы, отличающиеся в основном мощностью: небольшие установки для преобразования энергии потоков рек и каналов и крупные для преобразования энергии океанских течений.

Рис. 9.3. Установки для преобразования энергии океанских течений:
1 — лопастное рабочее колесо; 2 — механическая система поворота лопастей; 3 — струенаправляющие поверхности; 4 — анкерные расчалки: 5 — якорное крепление


Рис. 9.4. Схема устройства «динамической плотины»
Установки для использования энергии течений в реках, каналах. Предлагаемые в последнее время установки отличаются от ранее известных некоторыми техническими усовершенствованиями. Такие установки могут служить для удовлетворения нужд местных потребителей, но пока они не нашли широкого применения.
Установки для использования энергии океанских и приливных течений не имеют принципиальных отличий от установок, использующих энергию течения рек. Однако по размерам океанские установки должны существенно превышать речные. Большинство предложенных в последнее время установок основано на использовании лопастных рабочих колес с вертикальной или горизонтальной осью вращения, полностью погруженных под уровень воды и свободно располагаемых в потоке.
При расположении оси вращения поперек течения (рис. 9.3,а) наличие момента, действующего со стороны потока на рабочее колесо, обеспечивается с помощью специального механизма, разворачивающего лопасти поперек потока с одной стороны колеса и направляющего их вдоль потока с другой, или путем придания лопастям профиля крыла, создающего разность давлений на рабочей я тыльной поверхностях лопасти. Повышение интенсивности воздействия потока на колесо обеспечивается устройством струенаправляющих открылков, стенок или корпусов.
При расположении горизонтальной оси вращения вдоль потока рабочее колесо установки приобретает вид гребного винта, или колеса ветряной мельницы, или ветрового двигателя, или колеса осевой гидравлической турбины (рис. 9.3,6), что в последнем случае близко по конструкции капсульному или прямоточному гидроагрегату. Установка в целом может быть размещена на дне моря на жесткой опоре или поддерживаться в толще потока с помощью якорей и тросов.
Ряд предложений направлен на то, чтобы повысить мощность установок за счет различных способов концентрации энергии течения или применения комбинированных систем. Одним из таких предложений является «динамическая плотина» (рис. 9.4), представляющая собой комбинацию из трех вихревых коллекторов. Вертикальный коллектор 1 используется для отбора воды из печения и создания вихря с полостью с пониженным давлением в центре; таким образом, создается значительный перепад уровней, который может использоваться гидротурбиной 4. По горизонтальным отсасывающим коллекторам 2 к 3 отработанная вода отводится в океан. Если верхнюю часть вертикального коллектора закрыть герметичной крышкой, снабженной вентиляционной трубой, то всю систему можно полностью погрузить под воду и закрепить якорем на дне океана. Поскольку рабочие поверхности «динамической плотины» не испытывают больших гидростатических и динамических нагрузок, их можно изготовить из легких, дешевых и коррозионно-стойких материалов.
Из многочисленных проектов использования энергии океанских течений наиболее реальным представляется размещение во Флоридском проливе, в 30 км восточнее г. Майами, 242 подводных установок мощностью по 83 МВт каждая. Рассматриваются два варианта установок: турбина с вертикальным двухлопастным рабочим колесом, известным как ветроколесо Дарье, диаметром 46 м и высотой 69 м. и прямоточные горизонтальные гидротурбины с рабочими колесами диаметром 168 м. Эти рабочие колеса будут размещены внутри полых камер из алюминия диаметром 170 и длиной 80 м. Для того чтобы обеспечить большую стабильность в работе и уравновесить крутящий момент на корпусе, проектируется система из двух рабочих колес, вращающихся в противоположных направлениях и размещенных одно за другим. Частота вращения рабочего колеса 1 об/мин, через мультипликатор колесо будет соединено с генератором. Установки предполагается погрузить на 30 м под уровень океана, с тем чтобы они не препятствовали судоходству.
Установки для использования энергии течений в последние годы разрабатываются и в СССР в Гидропроекте.
Установки для преобразования энергии потоков в системах водоснабжения, канализации, технологических трубопроводах. Энергетика, промышленность и коммунальное хозяйство располагают большим количеством напорных систем, мощность потоков в которых достигает нескольких десятков и сотен киловатт и даже мегаватт. Эти потоки в настоящее время не используются для производства энергии. Целесообразно оборудовать такие напорные системы устройствами, способными извлекать хотя бы часть энергии течения в трубопроводах. Для этого могут устанавливаться компактные агрегаты, состоящие из гидравлической турбины и генератора.



 
« Гидратный водно-химический режим на электростанциях с барабанными котлами   Главные электрические схемы электростанций »
электрические сети