Хидротурбини
Преобразуването на потенциалната енергия на водата на водноелектрическия комплекс в механична енергия, предавана на електрическия генератор, се извършва в хидротурбини. Водещата роля в създаването и развитието на високомощни хидротурбини в България принадлежи на Ленинградския металургиен завод. Ленинградски учени и инженери са разработили уникални турбинни агрегати, които надминават световното ниво. Почти всички български и много чужди големи ВЕЦ са оборудвани с турбини производство на ЛМЗ.
По време на работа на хидротурбина възникват загуби на енергия. Хидравличните загуби са свързани с вискозно триене и образуване на вихри по време на потока на водата през турбината. Обемните загуби се причиняват от потока на определен обем течност през пролуките между лопатките на турбината и стените на статора на блока. Механичните загуби са свързани с триенето в лагерите. Общите загуби на мощност се отчитат от КПД на хидравличната турбина η t в израз (1.1). Съвременните турбини се характеризират със стойностите η t = 0,85…0,9.
За ниско налягане, включително малки ВЕЦ, хидравличните турбини от витлов тип с хоризонтален вал са оптимални. На фиг. 1.3 схематично показва хидравличен агрегат за микроводноелектрическа централа с мощност от 7 до 50 kW, налягане от 3 до 10 m, воден поток от 0,3 до 0,9 m 3 / s. Водноелектрическите агрегати от този тип се поставят в тялото на язовира без задълбочаване, което намалява разходите за изграждане на водноелектрическа централа. Хоризонталните турбини са по-малки от вертикалните. За малки водноелектрически централи с ниски язовири, научно-производствената асоциация "Ранд" и CJSC "MNTO INSET" (S.-
Ориз. 1.3. Схема на хоризонтален хидравличен агрегат
Петербург) разработи хоризонтални и диагонални хидравлични агрегати с няколко стандартни размера. Тези фирми са диверсифицирани предприятия, извършващи научни изследвания, инженерни проучвания,проектиране и проекти до ключ.
Разработени са програми за изграждане на нови и възстановяване на изоставени малки водноелектрически централи. В различни райони на България, отдалечени от електропроводи, където в момента електричеството се доставя от дизелови електроцентрали, малките ВЕЦ могат да осигурят гарантирано и сравнително евтино енергоснабдяване на предприятия, ферми, дърводобивни предприятия и други потребители. В разходите за изграждане на малки и микро ВЕЦ около 50% отиват за механично и електрическо оборудване, около 40% за хидротехнически работи и около 10% за технически надзор. По време на периода на гигантомания в местната водноелектрическа индустрия бяха затворени и унищожени стотици малки водноелектрически централи. Анализът показва, че възстановяването на тези станции на съвременно ниво е напълно възможно технически и икономически изгодно.
Разработена е гама от обещаващо хидроенергийно оборудване. Създадена е серия от хидравлични турбини, която дава възможност за ефективно използване на ниските напори (от 2 м), характерни за равнинните реки на европейската част на България. Използват се масово произвеждани синхронни и асинхронни електрически машини. Мощността на новите малки хидроелектрически централи варира от 6 kW до 2 MW. Предвидени са възможности за механично и електрическо регулиране на мощността.
НПО "Ранд" е разработила автономни инсталации за индивидуално водоснабдяване, които са разположени в близост до малък воден поток, върху който се създава водно налягане от 0,8 ... 1,0 м. Водоснабдяването от такава инсталация може да бъде от 0,7 до 5 м 3 на час на височина до 12 м. обемна помпавода до височина 10 ... 13 m.
С увеличаване на налягането върху язовира, хидравличните агрегати с вертикална ос получават предимства: аксиално с въртящи се лопатки (фиг. 1.2), диаго-
nalnye, При много високо налягане (стотици метри) се използват турбини с кофа с хоризонтална ос.
Механичната енергия на хидротурбината се преобразува в електрическа от хидрогенератор. Широка гама от хидрогенератори е разработена и произведена от завода Electrosila, който, подобно на Ленинградския метален завод, е част от концерна Power Machines , Електрическата ефективност на съвременните хидрогенератори η например е 0,95 ... 0,97. Разходът на електроенергия за собствени нужди във ВЕЦ е около 0,3% (в топлоелектрическите централи средно 5,7%).
Нова дума в енергетиката са хидравличните агрегати с двойно действие, използвани в приливни електроцентрали. На фиг. 1.4 показва хидравличния агрегат на френската приливна електроцентрала Le Rance.В такива машини електричеството може да се генерира и в двете посоки на въртене на вала на блока. Общата ефективност на реверсивните машини е намалена с 2–3% в сравнение с едностранните, но капиталовите разходи за изграждане и оборудване на станцията са рязко намалени.
Капсулните обратими хидравлични агрегати за помпено-акумулиращи и приливни електроцентрали набират популярност. В тези единици
Ориз. 1.4. Хидроагрегат на ТЕЦ "Льоранс"
1 - колона за преминаване; 2 - монтиране на гондола; 3 - статорни канали; 4 - лопатка на водещата лопатка; 5 - работно колело; 6 - вал; 7 - лагер; 8 - електрическа машина 9 - лагер; 10 - вентилатор
работното колело на хидравличната машина е разположено извън капсулата (гондолата), а електрическата машина е вътре в нея. Когато гондолата тече около водния поток, устройството работи в турбинен режим, електрическата машина генерира ток вгенераторен режим. Ако е необходимо да се изпомпва вода, токът се подава към устройството от електрическата система, електрическата машина работи в режим на електродвигател и върти вала в обратна посока. В този случай работното колело действа като помпа. За турбинния режим на работа на такива агрегати стойностите на общата ефективност на ниво 85% са типични, за помпения режим на ниво 75%.
Експлоатацията на водноелектрически централи за електроенергийната система
Съвременните ВЕЦ са силно автоматизирани. Агрегатът се пуска и спира с импулс от контролната зала на енергийната система. Груповият честотен контрол в електроенергийната система, контролът на натоварването на ВЕЦ се извършват автоматично по зададен график. Ударите на натоварването се приемат от HPP без затруднения. Много водноелектрически централи се управляват дистанционно с помощта на телемеханика. Цената на електроенергията във водноелектрическите централи е около 5 пъти по-ниска от тази в топлоелектрическите централи.
Важно предимство на водната енергия е високата маневреност на водноелектрическите агрегати - те могат да бъдат пуснати на пълен капацитет за много кратко време (40 ... 50 секунди). Топлоцентралите и атомните централи нямат това свойство. Според законите на термодинамиката ефективността на термодинамичните цикли се увеличава с увеличаване на параметрите на охлаждащата течност - налягане и температура. В българските кондензационни парни турбини са постигнати налягания до 24,5 MPa, съответно тръбите, фитингите и другото оборудване са с дебели стени. Достигната е температура от 565 ° C. При стартиране на захранващия блок от студено състояние е необходимо параметрите да се увеличават много бавно, в противен случай топлинните напрежения в метала ще доведат до образуване на пукнатини и авария.
Преходните режими (увеличаване и намаляване на мощността) също вървят с ниска скорост и в малки граници. Технически минимален кондензационен товаринсталацията се определя от ограниченията при разтоварване на котлите поради изчезването на факела, риска от шлака на пещта, нарушения на циркулацията и хидродинамичния режим с неравномерно нагряване на отделните елементи на котела. Котлите с прахообразно въглищно гориво имат минимално натоварване от 75 ... 85% от номиналната стойност. Атомните електроцентрали имат още по-малка маневреност. Мощността на енергоблока на АЕЦ се регулира в рамките само на 10% от номиналната.
Консумацията на енергия обаче може да варира значително. Типична графика на натоварването на града за зимния ден е показана на фиг. 1.5. През нощта има "провал" на товара, през деня и вечерта - "пикове". Ако само ТЕЦ и АЕЦ бяха осигурени с енергия, по време на повреда на товара те биха изгаряли гориво напразно.
Неравномерният график налага нощно спиране на блоковете на топлоелектрическите централи. Процесът на стартиране на котли и турбини в ТЕЦ е най-трудният в тяхната експлоатация. Най-голямо безпокойство предизвиква пускането на блоковете от неохладено състояние, тъй като отделните елементи на оборудването, охлаждайки се с различна скорост, имат различни температури.
Появяват се термични напрежения, пролуките се променят в свързващите възли и части. Следователно пускането и спирането на парни турбинни инсталации се характеризира с най-висок процент на аварии и повишено износване на оборудването. Увеличават се престоите на котли и турбини при аварийни ремонти, разходите за капиталови и текущи ремонти. В резултат на това цената на енергията в топлоелектрическите централи се увеличава.
В Западна Европа проблемът с пиковите натоварвания се решава главно с помощта на газови турбини, работещи с газово гориво или соларно масло. Те могат да бъдат пуснати и свързани към енергийната система за 6-10 минути. Въпреки това, газовите турбини имат ниска ефективност (около 25%) иконсумират по-скъпо гориво от парните турбини, така че използването на пикови инсталации с газови турбини води до увеличаване на цената на електроенергията. Прибягват до изграждането на специални пикови ТЕЦ с намалени параметри на парата и съответно с влошени икономически показатели. Насърчава се развитието на енергоемки индустрии, които работят по време на прекъсване на натоварването. Въпреки това проблемът с покриването на пиковите натоварвания в съвременната енергетика е много остър.
Хидравличните електроцентрали са идеални за отстраняване на пикове. Поради тази причина водноелектрическите централи се проектират и изграждат за капацитет, надвишаващ средния капацитет на водното течение. Те работят главно в променливата част на кривата на натоварване, като натрупват вода нагоре по течението по време на периоди на спад на натоварването и се задействат при пика.