Меню

Как найти мощность реки

Как найти мощность реки

ГЛАВА 13. Гидравлическая энергия и способы ее использования

13.1. Мощность и энергия речного потока

Масса воды, проходящей по руслам рек от истока до устья, совершает определенную работу (1 кг воды, падая с высоты 1 м, способен произвести работу, равную 1 кгс-м) и, следовательно, обладает некоторым запасом энергии. Причем, чем больше падение (уклон) реки и расход воды, тем больше энергия. Эта энергия называется водной энергией, а совокупность ее для данной реки или речного бассейна называется гидроэнергетическими ресурсами реки или бассейна.
Энергия рек в естественном состоянии расходуется на преодоление сил трения между частицами воды внутри самого потока и между потоком и его ложем. Внешне работа рек проявляется в размывах русел, во влечении взвешенных в воде наносов и перекатывании по дну частиц гравия, гальки и камней.
Работу, совершаемую рекой, и количество водной энергии, включенной в любом участке реки, можно выразить математически следующим путем.
Пусть участок реки (рис. 13.1) имеет длину L м, средний уклон , падение м, расход , среднюю скорость v м/с и постоянную площадь живого сечения . В этом случае .

Рис. 13.1. Схема к определению работы, совершаемой рекой.

Источник



1.3.2 Мощность речного потока.

Вода, двигаясь в реках под действием сил тяжести, свершает работу. Для двух сечений 1-1 и 2-2 реки на участке длиной L, согласно уравнению Д. Бернулли, удельная энергия потока равна:

Е1 = z1 + +

Е2 = z2 + +

потенциальная часть или энергия положения и давления состоит:

z – геометрическая высота (м),

— пьезометрическая высота (м);

кинетическая часть или скоростной напор — (м).

где: γ = ρ*g — объемный вес (кг/м 3 )

при этом плотность воды ρ = 1000 (кг*с 2 /м 4 ), g = 9,81 (м/с 2 )

α – коэффициент кинетической энергии потока (коэффициент Кориолиса), учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению. Для равномерного турбулентного потока по экспериментальным данным α = 1,03 – 1,1

Разность удельных энергий потока в сечениях 1—1 и 22 пред­ставляет собой работу (срабатываемый напор Н), которую совер­шает 1 кг воды при его перемеще­нии из первого сечения во второе:

Рисунок 1. Схема к определению работы речного потока.

Н = (z1 + + ) – (z2 + + ), м.

Предполагая, что давления и кинетические энергии потока в рассматриваемых сечениях равны, поэтому работу, совершаемую весовым расходом ρgQ в единицу времени, определяют по формуле:

N = ρgQ(z1 z2) = ρgQH, Вт.

Величина расхода равна произведению скорости потока и площади сечения: Q = v*s, м 3 /с.

Подставляя γ = ρ*g = 1000*9,81 (кг/м 3 ) и выражая мощность в кВт, получим:

Nпотока = = 9,81QH, кВт.

Эта мощность речного потока в естественном состоянии расходуется на преодоление сил трения о ложе реки, взаимное гашение энергии потока и т.д. Для использования энергии данного участка реки в целях получения электроэнергии, необходимо искусственно сконцентрировать падение этого участка в одном каком-либо месте, т.е. создать разность уровней воды, которую называют статическим напором.

Путем строительства на реках гидроэлектростанций и установ­кой в здании ГЭС гидроагрегатов гидравлическая энергия потока, рассредоточенная на определенном участке реки, концентрируется в одном месте и преобразуется в электрическую.

1.3.3 Схемы и компоновка гидроузлов.

Рисунок. 2. Схемы создания напора в приплотинных и деривационных ГЭС.

В практике гидроэнергетического строительства применяют раз­личные технические схемы использования водной энергии. В зависимости от местных условий, концентрация напора на ГЭС достигается при помощи гидротехнических сооружений, образую­щих следующие технические схемы: плотинную, деривационную и плотинно-деривационную.

Плотинная схема (рис. 2а). Эта схема характеризуется наличием плотины, которая создает разность отметок уровней перед плотиной (верхний бьеф) и за плотиной (нижний бьеф). По­верхность воды в верхнем бьефе перед плотиной в разрезе вдоль потока образует так называемую кривую подпора. Вследствие этого используемый статический напор Нст получается несколько меньше разности отметок подпертого участка реки Нак между пунк­тами А и К на величину hподп.

В плотинных схемах гидроузлов здание машинного зала располагается рядом с плотиной или в плотине, при этом в зависимости от величины напора и размеров гидротурбин гидро­станции могут быть двух типов — русловые и приплотинные.

Читайте также:  Троицкий район челябинская область река

Русловые — здание ГЭС входит в состав сооружений, соз­дающих напор (рис.3), и полностью воспринимает сдвигающие и опрокидывающие усилия, действующие на него со стороны воды. ГЭС такого типа строят при напорах 3 — 40 м и устанавливают на них, главным образом, осевые гидротурбины.

Рисунок 3. Плотинная схема. Русловая ГЭС.

а – план сооружений, б – поперечный разрез по зданию. 1 – здание ГЭС. 2 – водосливная плотина. 3 – земляная плотина. 4 – шлюз.

Приплотинные — здание ГЭС находится непосредст­венно за плотиной (рис. 4а). Такие ГЭС строят при средних и высо­ких напорах (Н = 40 – 300 м). Подвод воды к турбинам осуще­ствляется при помощи водоприемников и турбинных водоводов. Устанавливаемые типы турбин: осевые или диагональные поворотно-лопастные и радиально-осевые, в зависимости от величины напора, графика нагрузки и требований, предъявляемых к установке тур­бин на ГЭС.

Рисунок 4. Плотинная схема. Приплотинная ГЭС.

а – план сооружений; б — поперечный разрез по плотине и зданию.

1 — плотина глухая; 2 – водоводы; 3 — здание ГЭС; 4 — гидроагрегат; 5 — плотина водосливная; 6 — судоподъемник.

Пример русловой станции – Майнская ГЭС, приплотинной – Саяно-Шушенская ГЭС.

Напор, создаваемый плотиной, обычно небольшой, но он может доходить до 230 м; например, на Нурекской ГЭС на реке Вахш высота плотины около 300 м. (Саяно-Шушенская ГЭС: Нпл = 242 м, Нрасч=194 м) Высота плотины и создаваемый ею напор определяются топографическими условиями местности, расположенной выше плотины, и допусти­мыми пространствами затопления.

Деривационная схема (рис 2б, 2в). При больших уклонах рек с относительно малыми расходами воду отводят в так называемую деривацию (ка­нал или туннель). Гидравлический уклон деривации выбирают ми­нимальным, обеспечивающим необходимый расход. Таким образом, значительный перепад реки, в естественном состоянии рассредото­ченный на большом протяжении, при помощи деривации концентри­руют в одном месте, где строят здание ГЭС и устанавливают гидро­агрегаты. Трасса деривации должна быть по возможности кратчай­шей, чтобы избежать дополнительных потерь напора. Деривация может быть подводящей (рис 2б) или отводящей (рис. 2в). Одна из возможных схем указана на рис. 5.

Рис. 5. Деривационная схема:

а — план сооружений; б — вертикальный разрез: / — плотина; 2 — деривация; 3 — турбинные водоводы; 4 — здание ГЭС.

Напоры, создаваемые при помощи деривации, находятся в преде­лах Н = 200 – 2000 м и зависят от природных и других условий. На деривационных ГЭС применяют следующие типы турбин: радиально-осевые (Н 300 м).

Плотинно-деривационная схема (рис. 4г). Напор на станции соз­дается при помощи плотины и деривации одновременно. Если река на верхнем участке имеет малый уклон, там целесообразно постро­ить плотину и создать водохранилище, которое будет использовано для регулирования расхода на ГЭС. Основная часть напора создается, как правило, деривацией. Величина напо­ров и используемое турбинное оборудование такие же, как и в случае деривационной схемы.

Рис. 5. Плотинно-деривационная схема:

а — план сооружений; 6 — вертикальный разрез: 1 — плотина; 2 — деривация; 3 — урав­нительный резервуар; 4 — турбинные водоводы; 5 — здание ГЭС.

Источник

Применение энергии водного потока, устройство гидротехнических сооружений гидроэлектростанций (ГЭС)

Энергия водных потоков

Энергия (потенциальная), которой располагает водный поток, определяется двумя величинами: количеством протекающей воды и высотой ее падения до устья.

В естественном состоянии энергия речного потока расходуется на размыв русла, перенос частиц грунта, трение о берега и дно.

Энергия водного потока распределяется, таким образом, по всему течению, хотя и неравномерно — в зависимости от уклонов дна и секундных расходов воды. Для использования энергии потока в пределах определенного участка необходимо сосредоточить ее в одном сечении — в одном створе.

Иногда такое сосредоточение создается природой в виде водопадов, однако в большинстве случаев его приходится создавать искусственно, с помощью гидротехнических сооружений.

ГЭС Итайпу

ГЭС Итайпу — крупнейшая гидроэлектростанция в мире по производству электроэнергии

Читайте также:  Однажды в россии рек

Сосредоточивается энергия в месте сооружения гидроэлектростанции (ГЭС) двумя способами:

плотиной, перегораживающей реку и поднимающей воду в верхнем по течению бассейне — в верхнем бьефе на Н метров по отношению к уровню нижнего бассейна — нижнего бьефа. Разность уровней верхнего и нижнего бьефов Н называется напором. Гидроэлектростанции, в которых напор создается плотиной, называются приплотинными и строятся обычно на равнинных реках;

с помощью особого обводного канала — деривационного канала. Деривационные станции строятся преимущественно в горных местностях. Деривационный канал имеет очень малый уклон, поэтому в конце его почти полностью концентрируется весь напор обводимого каналом участка реки.

Мощность потока в створе сооружения определяется количеством воды, протекающей через створ за одну секунду, Q и напором Н. Если Q измерять в м 3 /сек, а H в метрах, то мощность потока в створе будет равна:

В электрогенераторах гидроэлектростанции будет использована только часть этой мощности, равная к. п. д. установки. Поэтому мощность электрической станции при напоре Н и расходе воды через турбины Q составит:

Р = 9,81 * Q *H *кпд кВт.

Машинный зал гидроэлектростанции

Машинный зал гидроэлектростанции

В реальных условиях работы гидроэлектростанций часть воды может сбрасываться мимо турбин.

Энергия водных потоков используется уже на протяжении многих столетий. Широкое использование водной энергии стало возможным только в конце XIX в., когда был изобретен электрический трансформатор и создана система трехфазного переменного тока. Возможность передачи энергии на далекие расстояния позволила использовать энергию самых мощных водных потоков.

Китайская гидроэлектростанция Три ущелья

Китайская гидроэлектростанция «Три ущелья», расположенная на русле реки Янцзы, является крупнейшей в мире по установленной мощности

Состав и устройство гидротехнических сооружений ГЭС

В состав узла сооружений приплотинной ГЭС обычно входят:

плотина, создающая напор. В верхнем бьефе плотины образуется водохранилище большего или меньшего объема в зависимости от топографических условий и высоты плотины, регулирующее расход воды через турбины в соответствии с графиком нагрузки;

водопропускные сооружения, имеющие разное назначение и, соответственно, разное исполнение: для сброса в нижний бьеф излишней воды, не используемой в турбинах, например, паводковых вод (водосливные сооружения); для снижения горизонта воды в верхнем бьефе, что иногда необходимо, например, при ремонте гидротехнических сооружений (водоспуск); для распределения воды между водопользователями (водозаборные сооружения);

транспортные сооружения — судоходные шлюзы, обеспечивающие на реке сквозное судоходство, плотоходы и бревноспуски для сплава леса;

рыбопропускные сооружения.

Разрез по зданию ГЭС

Разрез по зданию ГЭС

Характерные сооружения деривационной ГЭС — деривационный канал и трубопроводы от канала к турбинам.

Основным по значению, наиболее ответственным технически и самым дорогим звеном узла сооружений ГЭС является плотина. По способу пропуска воды различают плотины:

глухие, не пропускающие воду;

водосливные, у которых вода переливается через гребень плотины;

щитовые, пропускающие воду при открытии щитов (затворов).

Древняя платина в Испании

Корналво — плотина в Испании, в провинции Бадахос, находится в эксплуатации в течение почти 2000 лет.

Плотины обычно бывают земляные и бетонные.

Поперечный профиль земляной плотины

Поперечный профиль земляной плотины: 1 — зуб; 2 — защитный слой из песка и гравия; 3 — экран из суглинка: 4 — тело плотины; 5 — водонепроницаемый пласт основания

На рисунке показан профиль земляной плотины, построенной на водопроницаемом слое небольшой мощности. Тело плотины отсыпается из любых грунтов, не содержащих большого количества органических примесей и водорастворимых солей.

При отсыпке плотины из водопроницаемых грунтов в теле плотины устраивается экран из суглинка, препятствующий фильтрации воды. Водопроницаемый слой, на котором строится плотина, из тех же соображений прорезается водонепроницаемым зубом.

Если плотину полностью отсыпают из суглинков или супесков, то нет необходимости в противофильтрационном экране. Сверху экран покрывается защитным слоем из песка и гравия, который в свою очередь защищается от размыва волнами каменным мощением (от гребня плотины до отметки, лежащей на 0,5 — 0,7 м ниже самого низкого возможного горизонта воды в верхнем бьефе).

При отсыпке земляной плотины каждый слой тщательно утрамбовывают катками. Недопустим слив воды через гребень земляной плотины, так как появляется опасность ее размыва. По гребню земляной плотины обычно устраивается проезжая дорога, которая определяет ширину гребня. Гребень вымащивают обычным способом.

Читайте также:  Природный объект морская река

Ширина основания плотины зависит от ее высоты и принятого наклона откосов к горизонту. Верховой откос делается более пологим, чем низовой.

В настоящее время при сооружении крупных земляных плотин широко применяют метод гидромеханизации.

Плотина Willow Creek

Плотина Willow Creek, штат Орегон, США, гравитационного типа, сделанная из бетона

Схема глухой бетонной плотины

Схема глухой бетонной плотины: 1 — дренаж плотины; 2 — смотровая галерея; 3 — коллектор; 4 — дренаж основания

На рисунке показана глухая бетонная плотина обычного профиля с проезжей дорогой по верху. Для более надежного сопряжения плотины с грунтом и берегами основание плотины выполняется в виде нескольких уступов. По напорной стороне устраивается зуб глубиной 0,05 — 1,0 H .

Для борьбы с фильтрацией под зубом устраиваются противофильтрационные завесы, для чего через систему буровых скважин диаметром 5 — 15 см в трещины основания (грунта) нагнетается цементный раствор.

Хотя тело плотины возводится из плотного бетона, тем не менее через нее всегда просачивается вода. Для отвода этой воды в нижний бьеф в плотине устраивается дренажная система, состоящая из вертикальных скважин — дрен (диаметром 20 — 30 см), выполняемых в теле плотины через каждые 1,5 — 3 м.

Дренируемая по ним вода попадает в кюветы смотровой галереи 2, откуда горизонтальными коллекторами 3 отводится в нижний бьеф. Смотровую галерею, идущую в теле плотины по всей ее длине, делают для наблюдения за состоянием бетона и фильтрацией воды.

Деривационные водоподводящие сооружения чаще всего выполняют в виде открытого канала. В мягких грунтах сечение канала имеет обычно вид трапеции. Стенки и дно канала для уменьшения фильтрации, предохранения от размыва, уменьшения шероховатости и связанных с нею потерь напора облицовывают бетоном или асфальтом. Применяется также облицовка из булыжного камня.

Деривационные каналы в скалистых грунтах выполняют прямоугольного сечения. Если нет возможности выполнить деривацию открытым каналом, применяют штольни прямоугольного или круглого сечения. Воду от деривационного канала к турбинам подают по трубопроводам. Трубопроводы бывают металлические, железобетонные и деревянные.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Принципы использования гидроэнергии. Мощность и энергия речного потока

date image2017-12-16
views image711

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Масса воды, проходящая до устья от истока, определенную работу. Она обладает некоторым запасом потенциальной энергии. Чем выше уровень — тем больше запас энергии – следовательно, уклон и расход определяют водную энергию. Ее совокупность для данной реки или бассейна называется водноэнергетическими ресурсами. В естественных условиях эта энергия расходуется на размыв русел (сила трения), на влечение наносов, перекатывание гравия и т.п.

Пусть участок реки имеет длину L,средний уклон I, падение Н, расход Q, среднюю скоростьV, и постоянную площадь живого сечения W.

В течение одной секунды объем воды между сечениями а-а и б-б на участке Lпереместится на расстояние численно равное скорости V и займет положение а.-а и б.-б. При этом поток совершит работу:

где γ объемная масса воды, WLγ — масса всей воды в пределах рассматриваемого участка, Lvsinα — путь воды в направлении действия силы тяжести. Так как W=Q/V, а Llnα=H, работу потока можно выразить

Но эта работа в одну секунду, т.е. численно равна мощности реки для участка N= QHγ

Так как необходимо все увязать, то надо подставить значение γ=1000 кГ/м 3 и 1кВт=102кГС м/с, тогда мощность потока в кВт:

N= 1000QH/102=9.81 QH [кВт]

Общее количество работы или энергии за период времени Т в час. Отсюда легко получить теоретическое количество энергии от потока (объема воды W) за период времени Т на падении Н реки:

Э=(9.81/3600) WH= WH/367.2

Все эти формулы выряжают теоретически возможные энергоресурсы водотока (мощность и возможная энергоотдача) так как они не учитывают никаких потерь. Однако не всегда возможно использовать падение и сток.

Источник

Adblock
detector