ГЛАВА I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОСИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ
§ 1. Использование водной энергии
По запасам водной энергии Советский Союз занимает первое место в мире.
Несмотря на богатейшие возможности, использование водной энергии в царской России не получило промышленного развития и находилось на весьма низком уровне. Лишь после Великой Октябрьской социалистической революции вопрос об использовании водной энергии был поставлен в порядок дня. В 1921 г., по инициативе Ленина и Сталина, был разработан государственный план электрификации России, заложивший фундамент мощного развития строительства гидроэлектростанций в советской стране.
Развиваясь нарастающими темпами, гидроэнергетическое строительство в СССР с каждым годом получало все больший размах, значительно опережая темпы гидроэнергетического строительства в капиталистических странах. Достаточно сказать, что за предвоенный период 1935—1941 гг. прирост установленной мощности гидростанций в СССР составил 89%, а за тот же период во всех странах мира, вместе взятых, прирост составил лишь 19%.
Экономичность и надежность эксплуатации гидроэлектростанций, не требующих топлива и транспортировки его, создают большие перспективы дальнейшего использования запасов водной энергии.
Законом о пятилетием плане восстановления и развития народного хозяйства СССР на 1946—1950 гг. предписано: «Развернуть строительство гидроэлектростанций, обеспечив всемерное повышение удельного веса гидроэлектроэнергии в выработке электроэнергии по народному хозяйству». К концу 1950 г. гидроэлектроэнергия в общем энергетическом балансе страны должна повыситься с 10,7 до 15%. В связи с этим в послевоенный период, помимо работ по восстановлению разрушенных гидростанций, широко развернулось строительство новых мощных гидростанций.
§ 2. Расход, напор, мощность водотока и силовой установки
Какое-либо тело весом G килограммов (кг), падая с высоты h метров (м), производит работу, равную G-Η килограммометров (кгм). Следовательно, рассматриваемое тело с тем же весом Gy находящееся в покое на высоте Я, обладает некоторым запасом работоспособности (потенциальной энергией), равной в данном случае G · H [кгм], выражаемой в тех же единицах, что и работа.
Чтобы использовать водную энергию, т. е. превратить ее в механическую, необходимо некоторое количество воды сбросить с определенной высоты. Если один кубический метр воды, весящий, как известно, 1000 кг, сбросить с высоты H [м], то получим работу, равную 1 000 · H [кгм], или мощность, равную 1 000 кгм/сек, если эта работа была произведена в единицу времени — секунду. Если обозначить расход воды через турбину, т. е. количество воды в кубических метрах, протекающее в секунду, буквой Q, то теоретическая мощность водотока, имеющего расход Q и напор H, выразится произведением: 1000 · Q · H [кгм/сек].
В настоящее время за техническую единицу мощности принята мощность 1 киловатта (квт), равная 102 кгм/сек. Распространена также единица мощности — лошадиная сила (л. с.), равная 75 кгм/сек. Выражение теоретической мощности водотока может быть представлено в следующем виде:
(1)
Такое полное использование энергии практически представляется невозможным, ввиду неизбежной потери части энергии в различных элементах сооружений и агрегата, поэтому действительная мощность на валу двигателя будет несколько меньшей. Степень использования гидроустановкой теоретической мощности водотока характеризуется так называемым коэффициентом полезного действия (к. п. д.) гидроустановки и обозначается греческой буквой η (эта).
Таким образом действительная (полезная) мощность, которая может быть получена от гидроустановки, будет равна:
(2)
где Q — расход воды в м3/сек, Я — напор в м, определяемый как разность по высоте между верхним (до гидроустановки) и нижним (после гидроустановки) уровнем воды, и η — к. п. д. гидроустановки, выраженный в долях единицы.
В современных гидросиловых установках к. п. д. всей системы использования водотока часто достигает величины 0,85—0,86, что
дает возможность привести формулу (2) для крупных, хорошо спроектированных и построенных установок к следующему виду:
(3)
Следовательно, одним из основных факторов, определяющих величину энергии потока, является расход воды. Расход в реке колеблется в зависимости от, времени года и изменяется каждый год как по величине, так и по продолжительности; эти изменения обусловливаются целым рядом обстоятельств. Судить о расходе воды в реке на каком-то ее участке можно только на основании многолетних измерений, производившихся на этом участке. Из большого числа всевозможных расходов воды, протекающих в реке, для подсчетов величины мощности используемого водотока имеют значение, прежде всего, следующие три величины:
- максимальный возможный расход воды, который должен быть безопасно пропущен сооружениями;
- средний расход воды, определяющий возможную среднюю выработку энергии, что дает оценку средних условий работы гидростанции;
- наименьший расход воды, в зависимости от которого, в большинстве случаев, устанавливается величина мощности резервных станций при надобности таковых для обеспечения энергосистемы.
Другим основным фактором, определяющим энергию потока, является высота перепада между верхним и нижним бьефами, называемая напором. Под полезным напором станции понимается рабочий напор гидравлических двигателей; он получается из полного напора станции за вычетом потерь напора до и после турбины.
