Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего образования
«Государственный университет морского и речного флота
Имени адмирала С.О. МАКАРОВА»
Кафедра Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики
Дисциплина "ГТС общего назначения"
Практическая работа № 1
Устройство и принцип работы гидроэлектростанции
Выполнил: ст. гр. В-5-4
Бобров Д.В,
Проверил: Гапеев А.М.
Санкт-Петербург
2017 г.
Гидроэлектрическая станция (ГЭС) – гидротехническое сооружение, предназначенное для преобразования механической энергии потока воды в электрическую. ГЭС представляют собой комплекс сооружений, создающих подпор, подводящих к турбинам и отводящих от них воду, и здания, необходимого для размещения гидроагрегатов, механического и электрического оборудования.
Гидроэлектростанции используют механическую энергию водотоков и являются высокоэффективными источниками электроэнергии. В конструктивном отношении они имеют самое разнообразное устройство, определяемое величиной используемого напора, типом турбины, топографическими, гидрологическими, экологическими и другими условиями. Наиболее широкое применение получили русловые ГЭС (плотинные и приплотинные) и станции деривационного типа (напорные и безнапорные).
Основным элементом ГЭС является турбина, позволяющая преобразовать энергию водного потока в механическую энергию вращения рабочего колеса, которое приводит во вращение ротор генератора электрического тока.
Подача воды к турбине плотинной ГЭС (рис. 1) осуществляется по водоводу 2, называемому спиральной камерой, охватывающему по окружности рабочее колесо турбины 1, а отвод воды в нижний бьеф – по изогнутому водоводу – отсасывающей трубе 11.
Спиральная камера со стороны верхнего бьефа закрывается быстропадающими затворами 6, перед которыми располагаются сороудерживающие решетки с механизмами их очистки. Для ремонта и осмотра турбины спиральная камера со стороны верхнего бьефа и отсасывающая труба со стороны нижнего бьефа закрывается ремонтными затворами 7. Маневрирование затворами осуществляется при помощи специальных механизмов.
В машинном зале 9 для перемещения турбины и частей генераторов предусмотрены мостовые краны, передвигающиеся по путям на колоннах. Оборудование ГЭС и мастерские располагаются в соответствующих помещениях здания. Трансформаторные подстанции, передающие электрический ток в линию высокого напряжения, обычно размещают со стороны нижнего бьефа. Со стороны верхнего бьефа устроен мост 8 для проезда автомобильного и железнодорожного транспорта
Здание гидроэлектростанции проверяется на прочность и устойчивость, а подземный контур на фильтрационное воздействие грунтовых вод. Для увеличения пути фильтрационного потока со стороны верхнего бьефа устраивают железобетонный анкерный понур или предусматривают забивку шпунта 12. Для предотвращения размыва дна реки перед зданием ГЭС и в нижнем бьефе предусматривается крепление бетонными плитами.
Рис. 1. Общее устройство гидроэлектростанции:
1 – турбина; 2 – спиральная камера; 3 – генератор; 4 – вал турбины; 5 – возбудитель; 6 – паз рабочего затвора ГЭС; 7 – паз ремонтного затвора; 8 – мост; 9 – машинный зал; 10 – паз ремонтного затвора отсасывающей трубы; 11 – отсасывающая труба; 12 – шпунт
В ГЭС приплотинного типа здание располагается в нижнем бьефе за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных гидроэлектростанциях такого типа напор может достигать 500 м и более. В них чаще всего устанавливаются радиально-осевые турбины (рис. 2). При напорах от 45 до 75 м возможна также установка высоконапорных поворотно-лопастных турбин. В этом случае могут быть использованы бетонные турбинные камеры с металлической облицовкой.
В зданиях ГЭС приплотинного типа подвод воды к турбине осуществляется по напорному водоводу, как правило, круглого сечения. Давление верхнего бьефа на здание в этом случае сравнительно невелико и оно учитывается только в расчетах отдельных конструкций здания. Для обеспечения равномерного подвода воды к турбине водовод перед турбинной камерой имеет горизонтальный участок длиной (4 ÷ 6) Д 1.
Гидроэлектростанции приплотинного типа, как уже отмечалось, возводятся при больших напорах и поэтому имеют высокие энергетические показатели. На рис. 2 приведен вариант проекта здания Саяно-Шушенской ГЭС с агрегатами мощностью по 640 МВт (напор в среднем 200 м).
Рис. 2. Здание ГЭС приплотинного типа (Вариант конструкции здания Саяно-Шушенской ГЭС):
1 – рабочий затвор; 2 – паз ремонтного затвора; 3 – сороудерживающая решетка;
4 – турбинный водовод; 5 – трансформаторная подстанция; 6 – здание ГЭС;
7 – бетонная плотина; 8 – скважины цементации;
9 – скважины вертикального дренажа
Подвод воды к приплотинным и деривационным ГЭС осуществляется по напорным водоводам, устроенным в теле плотины или непосредственно на местности к каждому агрегату. Станции этих типов работают преимущественно при больших напорах, они используют значительную часть потенциальной энергии потока и отличаются от плотинных станций более высокими энергетическими показателями.
Турбина
Турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. В зависимости от вида гидравлической энергии, преобразуемой рабочим колесом турбины, они разделяются на два класса: реактивного и активного действия.
Турбины, преобразующие гидравлическую энергию в механическую в основном за счет потенциальной энергии потока воды, относятся к классу реактивных турбин, а турбины, преобразующие гидравлическую энергию в механическую за счет кинетической энергии потока воды, относятся к классу активных турбин.
Реактивные турбины нашли самое широкое распространение при наиболее часто встречающихся напорах на ГЭС от 3 до 700 м. По принципу протекания воды по рабочему колесу их разделяют на осевые, диагональные и радиально-осевые. Если поток поступает на лопасти рабочего колеса и протекает в направлении, параллельном оси вращения турбины (рис. 2, а, г), то такие турбины называют осевыми. Турбины, у которых меридианные составляющие скорости наклонены относительно оси турбины, являются диагональными (рис. 2, в), а турбины, лопасти рабочего колеса которых расположены в зоне поворота меридианных скоростей из радиального направления в осевое – радиально-осевыми (рис. 2, б).
Рис. 2. Схемы гидротурбин:
а – осевая вертикальная; б – радиально-осевая вертикальная; в – диагональная вертикальная; г –капсульно-горизонтальная; д – ковшовая горизонтальная
Спиральная камера
Спиральная камера обеспечивает равномерное поступление воды по всему периметру направляющего аппарата, т. е. осесимметричный режим работы всех направляющих лопаток; сечение спиральной камеры равномерно
сужается по ходу потока. На ГЭС с напором, превышающим 50—60м,
применяются стальные. Спиральная камера круглого сечения, охватывающие статор почти полностью.
На ГЭС с меньшим напором спиральная камера изготовляются из железобетона, уголохвата составляет около 225, сечение имеет вид тавра. Спиральная камера в отличие от других турбинных камер(например, открытых) позволяют вынести значительную часть механизмов гидротурбины в сухое помещение, что улучшает условия эксплуатации турбины.
Отсасывающие трубы
Отсасывающие трубы определяют габариты подводной части здания ГЭС и оказывают существенное влияние на энергетические показатели и условия надежной работы гидроагрегата. Они обеспечивают:
· преобразование значительной части кинетической энергии потока в энергию давления, особенно в турбинах повышенной быстроходности;
· полное использование перепадов уровней между верхним и нижним бьефами ГЭС;
· благоприятные условия отвода воды от гидромашины в нижний бьеф.
В настоящее время используются два основных типа отсасывающих труб: прямоосные конические и изогнутые.
Направляющий аппарат
Направляющий аппарат является одним из главных узлов, определяющих компоновку всей турбины. Подает воду на лопасти рабочего колеса(РК) под некоторым углом. Окружная скорость на лопасти всегда поддерживается неизменной, так как неизменной должна оставаться частота вращения ротора генератора. Это необходимо для поддержания постоянной частоты переменного электрического тока в сети.
Генератор
Гидрогенератор - электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанции.
Гидрогенераторы имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м).
Гидрогенераторы состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники.
Гидрогенераторы для ГЭС специально проектируются соответственно частоте вращения и мощностью гидротурбин, для которых они предназначаются. Гидрогенераторы на большую единичную мощность обычно устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками. Они, как правило, трехфазные и рассчитаны на стандартную частоту. Система воздушного охлаждения - замкнутая, с теплообменниками воздух - вода.